Öngerilmeli Kirişlerde Eğilme Tasarımı
Öngerilmeli beton kirişlerde eğilme tasarımı; SLS gerilme kontrolleri, çatlak genişliği, sehim, ULS eğilme kapasitesi ve süneklik doğrulaması olmak üzere beş kritik aşamada TS EN 1992-1-1:2004 ve TS 3233:1979 çerçevesinde ele alınmaktadır.
Özet
Öngerilmeli beton kirişlerde eğilme tasarımı; yüksek dayanımlı çelik tendonlara uygulanan ön gerilme kuvvetinin betona aktarılmasıyla oluşturulan ön basınç gerilmesi ile servis ve nihai yük kombinasyonları altında oluşan gerilme ve kapasite koşullarını birlikte sağlamayı amaçlar. Tasarım TS EN 1992-1-1:2004 (Eurocode 2) ve Türkiye Ulusal Eki (NA) esas alınarak; ayrıca TS 3233:1979 ve TS 500:2000 kapsamında gerçekleştirilir. Tasarım süreci servis sınır durumu (SLS) gerilme kontrolleri, çatlak genişliği kontrolü, sehim kontrolü, nihai sınır durumu (ULS) eğilme kapasitesi ve süneklik doğrulamasından oluşmaktadır.
Geometri-P_e'den başlayıp SLS gerilme kontrolleri, çatlama momenti M_cr, ULS tendon gerilmesi f_ps ve M_Ed≤M_Rd kontrolüyle minimum donatı kararı (TS EN 1992-1-1 / ACI 318)
Transferden ULS'ye dört aşamada gerilme dağılımı (sadece öngerilme, +kalıcı yük, servis, nihai durum) ve C=T denge ile M_Rd hesabı (TS EN 1992-1-1)
1. Giriş
Öngerilmeli beton kirişlerde eğilme tasarımı, ön gerilme kuvvetinin ürettiği basınç ön gerilmesi ile servis ve nihai yük kombinasyonları altında oluşan gerilme ve kapasite koşullarını birlikte sağlamayı amaçlar.
İki temel yöntem uygulanır:
Tablo 1: Giriş
| Yöntem | Türkçe Adı | Uygulama | Standart Referans |
|---|---|---|---|
| Pre-tensioning | Ön germe | Fabrika üretimi, prefabrik | TS 3233:1979, TS EN 13369 |
| Post-tensioning | Ard germe | Şantiyede uygulama, yerinde döküm | TS EN 1992-1-1 Md. 5.10 |
Saha Notu: Türkiye'deki karayolu köprülerinde (KGM projeleri) ve demiryolu traverslerinde ağırlıklı olarak ön germe (pre-tensioning) yöntemi kullanılmakta; büyük açıklıklı binalarda ise ard germe (post-tensioning) tercih edilmektedir.
Dikkat: Öngerilmeli beton tasarımı, betonarme tasarımından temelde farklıdır; betonun hem yüklenme öncesi hem de sonraki gerilme durumu kontrol edilmelidir. Transfer anı (beton henüz tam dayanımına ulaşmamışken ön gerilme aktarılır) kritik bir kontrol aşamasıdır.
2. Temel Tanımlar
Tablo 2: Notasyon ve Semboller
| Sembol | Açıklama | Birim |
|---|---|---|
| Ankraj sonrası ilk ön gerilme kuvveti | kN | |
| Anlık kayıplar sonrası ön gerilme kuvveti | kN | |
| Uzun vadeli kayıplar sonrası (etkin) ön gerilme kuvveti | kN | |
| Tendon dış merkezliği (ağırlık merkezine göre) | m | |
| Tasarım eğilme momenti (hesap değeri) | kN·m | |
| Nominal eğilme momenti kapasitesi | kN·m | |
| Tendon kopma dayanımı (karakteristik) | N/mm² | |
| Tendon tasarım dayanımı = | N/mm² | |
| Tendon kesit alanı | mm² | |
| Beton brüt kesit alanı | mm² | |
| Kesit atalet momenti | m⁴ | |
| , | Üst ve alt lif kesit modülleri | m³ |
| Betonun rötre birim şekil değiştirmesi | — | |
| Sünme katsayısı | — | |
| Tendon–kanal sürtünme katsayısı | — | |
| Kıvrım (wobble) sürtünme katsayısı | m⁻¹ | |
| Kama geri çekilme miktarı (ankraj oturması) | mm |
TS EN 1992-1-1:2004 Madde 3.3.6: Öngerilme çeliği elastisite modülü alınır.
3. Öngerilme Kayıpları
Ön gerilme kuvveti zaman içinde çeşitli nedenlerle azalır. Tasarımda etkin ön gerilme kuvveti kullanılabilmesi için bu kayıpların doğru hesaplanması zorunludur.
3.1 Anlık (İlk) Kayıplar
Tablo 3: Anlık (İlk) Kayıplar
| Kayıp Türü | Yalnızca | Formül | Standart |
|---|---|---|---|
| Elastik kısalma | Her iki yöntem | Md. 5.10.5.1(2) | |
| Sürtünme | Ard germe | Md. 5.10.5.2(1) | |
| Kama geri çekilmesi | Ard germe | Md. 5.10.5.3 |
- Metal kanal: ,
- HDPE kanal: ,
Saha Notu: Türkiye'de ard germeli sistemlerde kama geri çekilmesi olarak ölçülmektedir. Ankraj üretici firmasının teknik kataloğundaki değer esas alınmalıdır.
3.2 Uzun Vadeli Kayıplar
TS EN 1992-1-1:2004 Madde 5.10.6(2) Denklem 5.46 — Sünme, rötre ve relaksasyondan kaynaklanan uzun vadeli kayıpların basitleştirilmiş hesabı:
Burada:
- = betonun rötre birim şekil değiştirmesi
- = çeliğin relaksasyonundan kaynaklanan gerilme kaybı
- = sünme katsayısı
- = kalıcı yükler ve ön gerilme altında tendon seviyesindeki beton gerilmesi
Tablo 4: Uzun Vadeli Kayıplar
| Sınıf | Tanım | (%) |
|---|---|---|
| Sınıf 1 | Normal relaksasyonlu tel/ince hasp | 8,0 |
| Sınıf 2 | Düşük relaksasyonlu tel/ince hasp | 2,5 |
| Sınıf 3 | Sıcak haddelenmiş çubuk | 4,0 |
Toplam kayıp oranı: Tasarımda genellikle %15–%25 toplam kayıp öngörülür; ön germede %12–%18, ard germede %15–%25.
Dikkat: Türkiye'nin kıyı bölgelerinde kalsiyum alüminat çimento veya klorür ortamına uygun düşük w/c oranlı beton kullanımı zorunludur. Bu durum sünme katsayısını ve dolayısıyla uzun vadeli kayıpları etkiler.
4. Servis Sınır Durumu (SLS) Gerilme Kontrolleri
TS EN 1992-1-1:2004 Madde 7.2 kapsamında beton gerilmeleri sınırlandırılır.
4.1 Gerilme Formülleri
Üst lif gerilmesi:
Alt lif gerilmesi:
Tablo 5: Gerilme Formülleri
| Durum | Yük Kombinasyonu | Basınç Sınırı | Çekme Sınırı |
|---|---|---|---|
| Karakteristik kombinasyon | G + Q | ||
| Sık kombinasyon (çatlaksız) | G + Q | ||
| Transfer anı (erken yaş) | Yalnızca |
Tablo 6: Gerilme Formülleri
| Beton Sınıfı | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| C30/37 | 30 | 18,0 | 13,5 | 2,9 | 2,0 |
| C35/45 | 35 | 21,0 | 15,75 | 3,2 | 2,2 |
| C40/50 | 40 | 24,0 | 18,0 | 3,5 | 2,5 |
| C45/55 | 45 | 27,0 | 20,25 | 3,8 | 2,7 |
| C50/60 | 50 | 30,0 | 22,5 | 4,1 | 2,9 |
Saha Notu: Türkiye köprü şantiyelerinde KGM Teknik Şartnamesi gereği öngerilmeli kirişlerde minimum C40/50 beton sınıfı kullanılmaktadır. Deniz ortamına yakın projelerde (XS2/XS3 çevre sınıfı) C45/55 veya daha yüksek sınıf uygulanmaktadır.
4.2 Çevre Sınıfları ve Minimum Beton Örtüsü
Tablo 7: Çevre Sınıfları ve Minimum Beton Örtüsü
| Çevre Sınıfı | Açıklama | (mm) |
|---|---|---|
| X0 | Kuru iç ortam | 10 |
| XC1 | Kuru, sürekli ıslak | 15 |
| XC2/XC3 | Islak–kuru değişimi, orta nem | 25 |
| XC4 | Sürekli ıslak–kuru değişimi | 30 |
| XD1/XD2 | Klorür maruziyeti (yol tuzu) | 40 |
| XS1/XS2 | Deniz ortamı | 45 |
5. Çatlak Genişliği Kontrolü (SLS)
Tablo 8: Çatlak Genişliği Kontrolü (SLS)
| Ön Gerilme Sınıfı | Açıklama | Karakteristik Komb. | Sık Komb. |
|---|---|---|---|
| Sınıf 1 (Tam ön gerilmeli) | Çatlama olmaz | Gerilme sınırı | — |
| Sınıf 2 (Sınırlı çatlama) | Yüzey çatlakları izinsiz | 0,2 mm | Gerilme sınırı |
| Sınıf 3 (Kısmen ön gerilmeli) | Geniş çatlak izinsiz | 0,3 mm | 0,2 mm |
Minimum donatı alanı (TS EN 1992-1-1:2004 Madde 7.3.2, Denklem 7.1):
Dikkat: Türkiye'de Marmara deprem bölgesinde öngerilmeli kirişler TBDY 2018 Bölüm 7 kapsamında değerlendirilmelidir. TBDY 2018 Madde 7.4.1 uyarınca süneklik düzeyi yüksek sistemlerde öngerilmeli kirişler için özel tasarım kuralları uygulanır.
6. Sehim (Defleksiyon) Kontrolü
6.1 Anlık Sehim
Basit mesnetli kiriş için anlık orta açıklık sehimi:
Burada ikinci terim, parabolik tendon profilinin oluşturduğu yukarı kaldırma kuvvetinden kaynaklanan ters yönde sehimdir.
6.2 Uzun Vadeli Sehim
Tablo 9: Uzun Vadeli Sehim
| Durum | Sınır |
|---|---|
| Tüm sehim (uzun vadeli) | |
| Kaplamaların zarar görmemesi için ek sehim | |
| Prefabrik kirişlerde montaj sehimi sınırı |
Saha Notu: Türkiye'de prefabrik köprü kirişlerinin montajında genellikle pozitif (yukarıya doğru) ön eğrilik (camber) bırakılır. KGM uygulama standartlarına göre ile arasındaki ön eğrilik kabul edilebilir.
7. Nihai Sınır Durumu (ULS) — Eğilme Kapasitesi
7.1 Tendon Tasarım Gerilmesi
TS EN 1992-1-1:2004 Madde 5.10.8 uyarınca, ULS'de tendon gerilmesi hesabında plastik denge kullanılır:
Burada mevcut tendon gerinimi, nihai durumdaki ek gerinimdir.
7.2 Dikdörtgen Kesit İçin Moment Kapasitesi
Eşdeğer basınç bloğu varsayımıyla (TS EN 1992-1-1:2004 Madde 3.1.7):
Burada:
- = beton tasarım basınç dayanımı (N/mm²);
- = tendon etkin yüksekliği (mm)
Tasarım koşulu:
Tendon tasarım dayanımı:
7.3 Sınır Tarafsız Eksen Derinliği
Süneklik kontrolü için TS EN 1992-1-1:2004 Madde 5.5(4):
Tablo 10: Sınır Tarafsız Eksen Derinliği
| Durum | |
|---|---|
| Yalnızca öngerilme çeliği | 0,45 |
| Öngerilme + pasif donatı | 0,35–0,45 |
| Yüksek süneklik gereksinimi | ≤ 0,35 |
Dikkat: durumunda kiriş basınç kontrollü (gevrek) kırılma gösterir; bu Türkiye'de uygulamada kabul edilmez. Bu limiti aşan tasarımlarda basınç donatısı eklenmesi veya kesit büyütülmesi zorunludur.
7.4 T-Kesit ve Kompozit Kirişlerde Eğilme Kapasitesi
Türkiye'deki köprü kirişleri çoğunlukla prefabrik I veya T kesitlidir. Basınç bloğu flanşı aşıyorsa:
Burada flanş kalınlığı, gövde yüksekliği, ve sırasıyla flanş ve gövde basınç kuvvetleridir.
8. Kesme Tasarımı
TS EN 1992-1-1:2004 Madde 6.2 uyarınca öngerilmeli kirişlerde kesme kontrolü yapılır. Ön gerilme, betonun kesme dayanımını artırıcı etki yapar (eksenel basınç etkisi).
8.1 Kesme Donatısı Olmadan Kesme Kapasitesi
Burada:
- (d mm cinsinden)
- (öngerilme etkisi)
Minimum kesme dayanımı:
8.2 Kesme Donatısıyla Kesme Kapasitesi
Kafes analoji modeli (TS EN 1992-1-1:2004 Madde 6.2.3):
Tipik tasarımda kullanılır.
Saha Notu: Türkiye'deki köprü kirişleri KGM Köprü Şartnamesi'nde belirtildiği üzere minimum Ø8/200 etriye ile donatılmaktadır.
9. Tendon Profili
9.1 Denge Yükü (Balancing Load) Kavramı
Parabolik profilde, tendon eğriliğinin ürettiği yukarı kaldırma kuvveti:
Burada = serbest açıklık ortasındaki sağ tendon sehimi (m). çoğunlukla kalıcı yük değerine eşitlenerek denge sağlanır.
Transfer uzunluğu (ön germe, TS EN 1992-1-1:2004 Madde 8.10.2):
Yaklaşık değer: (tel çapı: mm) transfer için.
Dikkat: Prefabrik kiriş uçlarında transfer bölgesinde çatlama riski yüksektir. TS 3233:1979 Madde 8.3'e göre kiriş ucundan mesnet ucuna doğru spiral donatı veya sıklaştırılmış etriye uygulanması zorunludur.
10. Türkiye'ye Özgü Uygulama Bilgileri
10.1 Deprem Etkisi Altında Öngerilmeli Kirişler (TBDY 2018)
Tablo 11: Deprem Etkisi Altında Öngerilmeli Kirişler (TBDY 2018)
| Deprem Tasarım Sınıfı (DTS) | Önerilen Ön Gerilme Sınıfı | Ek Koşul |
|---|---|---|
| DTS 1 (PGA > 0,4g) | Sınıf 2 veya 3 (kısmen ön gerilmeli) | Pasif donatı ile kaplama |
| DTS 2 (0,2g < PGA ≤ 0,4g) | Sınıf 2 veya 3 | Enerji yutma donatısı |
| DTS 3/4 (PGA ≤ 0,2g) | Sınıf 1, 2 veya 3 | Standart koşullar |
Dikkat: TBDY 2018 Madde 7.4.1 uyarınca süneklik düzeyi yüksek (DTS = 1, 2) binalarda öngerilmeli kirişler genellikle çerçeve sistemi dışında bırakılarak ikincil eleman olarak tasarlanır.
10.2 İklim ve Saha Koşulları
Tablo 12: İklim ve Saha Koşulları
| Bölge | Yağış (mm/yıl) | Nem (%) | Sünme Etkisi | Önerilen Önlem |
|---|---|---|---|---|
| Akdeniz Kıyısı | 600–1000 | 60–75 | Orta | XC3/XC4 çevre sınıfı |
| İç Anadolu | 300–500 | 40–55 | Yüksek (kuru-sıcak) | XC2 + düşük w/c |
| Karadeniz Kıyısı | 1000–2500 | 70–85 | Düşük | XC4/XS1 çevre sınıfı |
| Ege | 600–900 | 55–70 | Orta | XC3 çevre sınıfı |
10.3 Yasal Mevzuat
- İmar Kanunu (3194) Madde 28: Yapı ruhsatı sürecinde öngerilmeli beton projeleri Yapı Denetim Kuruluşu onayına tabidir
- Yapı Denetimi Kanunu (4708): Öngerilmeli beton imalatında fabrika kalite kontrol belgesi zorunludur (TS EN 13369)
- İş Güvenliği (6331): Ard germe işlemlerinde gerilim serbest bırakıldığında güvenli mesafe en az 2 m olmalıdır
11. Hesap Örneği
Veri:
- Serbest açıklık:
- Beton sınıfı: C40/50, ,
- Tendon: 12Ø15,7 mm strand, ,
- Tendon etkin yüksekliği:
- Kesit genişliği:
- Nihai tendon gerilmesi: (≈ )
Çözüm:
Süneklik kontrolü: ✓ TAMAM
12. Örnek Problemler
Problem 1 — Kolay
Senaryo: Basit mesnetli dikdörtgen öngerilmeli beton kiriş — yalnızca tendon ile moment kapasitesi belirlenmesi.
Veriler:
- Beton sınıfı: C35/45, ,
- Tendon: 6Ø12,5 mm strand,
- ,
- Tendon etkin yüksekliği:
- Kesit genişliği:
Çözüm:
Adım 1 — Tendon tasarım dayanımı:
Adım 2 — Tendon kuvveti:
Adım 3 — Tarafsız eksen derinliği:
Adım 4 — Moment kapasitesi:
Kontrol: Süneklik: ✓
Problem 2 — Orta
Senaryo: Basit mesnetli öngerilmeli kiriş — SLS gerilme kontrolleri (transfer anı + servis).
Veriler:
- Açıklık: ; Beton: C40/50,
- Beton (transfer): ,
- Tendon: , ,
- Kesit: dikdörtgen, , ;
- ;
- Servis momenti: (karakteristik)
Transfer anı kontrolleri ():
;
Çözüm:
Servis durumu kontrolleri ():
Sonuç: Transfer anı kontrolleri sağlanıyor; servis durumunda alt lif çekme gerilmesi 9,15 N/mm² sınır 2,5 N/mm²'yi aşıyor — Tasarım revizyonu gerekli (tendon miktarı veya eksantrikliği artırılmalı).
Problem 3 — İleri Düzey
Senaryo: Ard germeli basit mesnetli I-kiriş — tam tasarım akışı: anlık + uzun vadeli kayıplar, SLS, ULS, süneklik kontrolü.
Veriler:
- Açıklık: ; Beton: C45/55, ,
- Tendon: , ,
- Başlangıç germe kuvveti:
- Sürtünme katsayısı: ; ;
- Ankraj oturması:
- Sünme: ; Rötre:
- (Sınıf 2 relaksasyon)
- I-kesit: , , ,
Çözüm:
Adım 1 — Sürtünme Kaybı:
Adım 2 — Kama Geri Çekilmesi:
Adım 3 — Elastik Kısalma:
(anlık sonrası)
Adım 4 — Uzun Vadeli Kayıplar:
— Toplam kayıp: %33,6
Adım 5 — SLS Gerilme Kontrolü:
SLS yetersiz → Tendon miktarı artırım gerekiyor.
Adım 6 — ULS ( üzerinden):
→ ULS yetersiz, pasif donatı eklenmeli.
Adım 7 — Süneklik: ✓
Sonuç: Uzun açıklıklı ard germeli kirişlerde %30+ toplam kayıp yaygındır. SLS ve ULS koşullarının her ikisini birden sağlamak için iteratif tasarım zorunludur.
13. Sık Yapılan Hatalar
Tablo 13: Sık Yapılan Hatalar
| # | Hata | Doğru Yaklaşım |
|---|---|---|
| 1 | Anlık kayıplar hesaplanmadan ile SLS kontrolü yapılması | ve ayrı ayrı kullanılmalı |
| 2 | Süneklik kontrolü () ihmal edilmesi | Her ULS hesabından sonra kontrol edilmeli |
| 3 | Transfer anında katsayısı kullanılması | Transfer anında yalnızca , uygulanır |
| 4 | Ön germe ve ard germede aynı kayıp oranlarının alınması | İki yöntemin kayıp mekanizmaları farklıdır; ayrı hesaplanmalı |
| 5 | Açıklık boyunca sabit kabul edilmesi | Parabolik profilde değişir; kesit bazlı hesap yapılmalı |
| 6 | TS 3233 ile TS EN 1992-1-1 güvenlik katsayılarının karıştırılması | Hangi standart kullanılıyorsa yalnızca o standardın katsayıları uygulanmalı |
| 7 | DTS 1/2 bölgelerinde tam ön gerilmeli (Sınıf 1) kiriş tercih edilmesi | DTS 1/2 bölgelerinde Sınıf 2–3 kısmen ön gerilmeli kirişler tercih edilmelidir |
Kaynaklar
- Nawy, E.G. (2010). Prestressed Concrete: A Fundamental Approach (5. baskı). Pearson Prentice Hall.
- Nilson, A.H. (1987). Design of Prestressed Concrete (2. baskı). John Wiley & Sons.
- TS EN 1992-1-1:2004. Eurocode 2: Beton Yapıların Tasarımı – Bölüm 1-1. TSE, Ankara.
- Gilbert, R.I., Mickleborough, N.C. ve Ranzi, G. (2017). Design of Prestressed Concrete to Eurocode 2 (2. baskı). CRC Press.
- fib (2013). fib Model Code for Concrete Structures 2010. Ernst & Sohn.
- TS 3233:1979. Öngerilmeli Beton Yapıların Hesap ve Yapım Kuralları. TSE, Ankara.
- TBDY (2018). Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği. Çevre ve Şehircilik Bakanlığı, Ankara.
- TS 500:2000. Betonarme Yapıların Tasarım ve Yapım Kuralları. TSE, Ankara.
İlgili Hesaplama Araçları
Bu konuyla ilgili ücretsiz mühendislik hesaplama araçlarımızla ön tasarım ve kontrol yapabilirsiniz:
Önemli Mühendislik Uyarısı: Bu içerik yalnızca bilgilendirme amaçlıdır; nihai tasarım, hesap ve uygulama kararları, güncel yönetmelikler ile proje koşulları çerçevesinde yetkili bir inşaat mühendisinin denetiminde alınmalıdır. Sayısal örnekler ve formüller genel mühendislik pratiğini yansıtır; her projenin kendine özgü zemin, yük ve çevre koşulları proje müellifince ayrıca değerlendirilmelidir.