Basitce düşey taşıyıcı elemanlara kolon denir.Bu tanımdan sonra aklımıza şu gelebilir.Peki eğik elemanlar nedir ? Kiriş mi? Kolon mu? O zaman biraz daha tanımı açmak gerekiyor. Eğer bir elemanda normal kuvvet (basınç), eğilme momentine göre daha etkinse kolon diyebiliriz. Yani kolon denilen elemanda göreceli buyuklükte bir basınç kuvvetinin olması gerekir. Eğer bir elemanda belli büyüklükte bir basınç kuvveti varsa o eleman kolondur. Normal kuvvet (basınç) yoksa ya da çok düşükse eleman kiriştir. Peki belli büyüklükteki basınç kuvveti nedir ona bakalım.
Nd <=0.1 x Ac x fck dır
Sayısal örnek vermek gerekirse:
25/50 bir eleman var. C30 beton kullanıılmış. Bu eleman hangi şartlarda kolon hangi şartlarda kiriştir?
0.1 x (25 x 50) x 300 =37500 kg=37.5 ton
Bu elemana yüklemeler sonucu gelen basınç kuvveti 37.5 tondan küçükse bu eleman kiriş olarak düşünülür. Bu elemana gelen basınç kuvveti 37.5 tondan büyükse bu eleman kolon olarak boyutlandıırlır.
Deprem binamıza her yönden etkiyebilir. Bu anlamda ideal olan kolon tipleri eni boyu birbirine yakın olan kolon tipleridir. Donatı olarak da simetrik ve tüm kenarlarda birbirine yakın sayıda donatı bulunan kolonlar makbuldür.
Bir kolon için malesef belli bir eğilme (moment) kapasitesinden bahsetmeniz mümkün olmaz.Yani size 30/50 ebatlarında bir kolon içinde 12 adet 20 lik donatı bulunan bir kesitin moment kapasitesini sorsam bunu sabit bir sayı olarak bulmanız mümkün değildir. Bir kolonun tek bir moment kapasitesi olmaz (kirişin ise moment kapasitesi bellidir). Kolonların moment kapasitesi basınç kuvvetine göre değişir (düşününüz M_N grafiği). Kolonlarda belli bir basınç kuvvetine kadar kesitteki basınç bölgesi büyüdüğünden kesitin eğilme kapasitesi de büyür. Belli bir normal kuvvet değerinden sonra ise moment kolu küçülmeye başlar, bu da moment kapasitesinin azalması anlamına gelir. Eğilme kapasitesi için belli degere kadar basınç kuvveti kolon için pozitif etki eder.
Kolonlarda unutulmaması gereken bir noktada normal kuvvetin sünekliği azaltma etkisidir. Normal kuvvet ne kadar fazla ise süneklik de göreceli o derece azdır. Bu yüzden TDY2007 normal kuvveti sınırlandırmıştır. Kolonlarda normal kuvvet yüksekse kesit buyutulerek gerilme düşürülmeye çalışılır böylece süneklik artırılmaya çalışılır.Hesap yapmadan size şunu söyleyebilriim:
Her şeyi aynı iki adet 50/50 kolondan biri 100 ton diğeri 50 ton basınca maruz iki kolondan, 50 ton basınca maruz olan kolon diğerine göre daha sünektir. Bunu söylemek için hiçbir hesap yapmanıza gerek yoktur.
Kolonların sünek davranması için mutlaka kesme kapasitelerinin yeterli derecede büyük olması gerekir. Öyle ki eğilmeye çalışan kolon keseme kırılmasına maruz kalmamalıdır. Aksi takdirde süneklikten söz edilemez. Biliyoruz ki süneklik kavramı sadece eğilme için geçerlidir. Bu yüzden kesme hesabı yaparken kolonun moment kapasite değerleri dikkate alınarak oluşabilecek maximum kesme kuvveti hesaplanmalı ve etriye buna göre konmalıdır (Ve=(M1 + M2) / L).
M1=kolon alt uç moment kapasitesi
M2 kolon üst uç moment kapasitesi.
Kolon donatıları genelde kat seviyesinde filizler bırakılarak birleştirilir. Üst kattan uzatılan donatılar burada birleştirilir. Bu birleşim yanlış olmamakla beraber ideal değildir. Kolon moment diagramı düşünüldüğünde kolon orta bölgesinde momentin sıfıra yakın olduğunu yani tesirin en az olduğunu görürüz. Öyleyse birleşimde orta bölgede yapılmalıdır.
Kolon Kiriş Birleşim Sayısal Örnek
Bir taşıyıcı sistemde en önemli önemli yer kolon ve kirişlerin birleştiği düğüm noktasıdır. Eğer mühendis olarak kolon ve kiriş düğüm noktalarını hem proje olarak hem imalat olarak iyi dizayn edebilirsek yapımızda fazla problemle karşılaşmayız. Çünkü deprem kuvvetleri kütlelerin topaklandığı bu yerlerde (birleşim bölgelerinde) oluşur. Dolayısıyla kolon kiriş birleşim bölgesinin dayanımı önemlidir. Düşünün bakalım neden birleşim yerlerine yakın yerlerde etriye sıklaştırmaları yaparız, düşünün bakalım hasarlar neden hep birleşim yerlerinde oluşur, düşünün bakalım tüm yönetmelikler neden birleşim bölgeleri için özel maddeler koymuştur.
Mühendis olarak eğilme etkisinden korkmamamız gerekir. Eğilme kuvvetleri (moment) masum kuvvetlerdir, ani kırılmaya sebep olmazlar, canımızı kurtarmak için bize zaman verirler.Ama kesme kuvvetleri öyle değildir.Kesme kuvvetinde süneklik söz konusu değildir.Kesme kuvvetleri son derece acımasızdır, ani çkmeye sebep olur.
Bir çerçeve düşünün. İki kolon ve bir kirişten oluşsun. Sonra bu çerçevenin bir tarafını incelemeye başlayalım.İlgili tarafta bir kolon ve bir kiriş mevcuttur.Kolona birleşen kirişte üst ve alt mesnet donatıları mevcut olduğu gibi montaj ve pilyelerde mevcut olabilir. Herhangi bir yatay yük etkisinde, yatay yük yönüne göre birleşim bölgeisndeki kirişin alt ve üst mesnet bölgesinde çekme kuvveti oluşur (yatay yük etkisindeki moment diagramını göz önüne getiriniz). Bu mesnet donatılarının karşılayabilecegi maximum çekme kuvveti bir cm2’lik BCIII donatısı için 4200 kg7cm2’dir.Bu çekme kuvveti uçup gitmez.Direk kolon ile birleştiği yüzeye iletilir.Kiriş mesnet donatılarındaki bu kuvvet (mesnetler, açıklıktan gelen üst donatı, pilyeler) kolona kesme kuvveti şeklinde iletilir (bu durumu kafanızda canlandırmaya çalışın).
Mesnet donatılarında oluşan bu kuvvet kolon enkesitinde(kesme yüzeyinde) karşılanabilirse problem olmaz.Ama yeterli dayanıma sahip değilse bu kuvvet kolonu yırtar ve o bölgede göçmeye varabilecek birleşim bölgesi hasarına sebep olur.Hasar kolonda meydana gelir.
Kolon kiriş kesme güvenliği hesabının temel ilkesi, kiriş mesnet donatılarında (mesnet donatısı, açıklıktan gelen üst düzler ve pilyeler) doğabilecek maximum çekme kuvvetlerinin kolon kesme yüzeyine (birleşim bölgesinde) zarar verip vermeyeceğinin tetkikine dayanır. Yani kolon betonunun bu kuvveti rahatlıkla karşılaması gerekir. Bu hesapta mesnet donatılarında oluşabilecek maximum kuvveti hesaplamak son derece basittir. Donatı alanını bulursunuz 4200 kg/cm2 ile çarparsınız kuvvet ortaya çıkar. Görüldüğü gibi oldukça basit. Asıl sorun kolon kesme yzeyinin bulunmasındadır.Kabaca düşünürsek kiriş kolonun eksenine ne kadar yakınsa (yani ortalanmışsa) kesme yüzeyi o derece büyüktür. TDY2007 de bu bölge bu şekilde açıklanmıştır zaten.Kolonun kesmeye çalışan bu bölgesindedki dayanımını beton belirler.
Şimdi sayısal bir örnek verelim:
Kolon25/50 ebatlarında olsun.C30 beton, BCIII malzeme kullanılsın.Kolona saplanan kiriş 25/50 ebatlarında olsun.Kiriş kolona sıfırdan saplansın.Bu kirişte mesnet bölgesinde 4 adet 14 lük donatı olsun.Üst düz donatısı da 2 adet 14 lük donatı olsun.Üst donatı mesnet bölgelerine uzandığından mesnet donatısı vazifesi görür.Dolayısıyle mesnet bölgesinde 6 adet 14 lük donatı olur. Bu şartlarda kolon kiriş kesme güvenliği hesabına bir bakalım.
6 ADET 14 DONATI=1.54X6=9.24 CM2
9.24 CM2 DONATIDA OLUŞABİLECEK MAXİMUM KUVVET=9.24 X 4200 X 1.25=48510 KG
1.25 katsayısıda çelikde pekleşmeden dolayı olacak dayanım artışının göz önüne alınmasıdır.Çünkü 4200 değeri akma dayanımıdır. Ancak bu noktadan kopma noktasına kadar 4200 değeri de aşılacaktır (gerilme -şekil değiştirme egrisini göz önüne getirin).
Bu şu demektir: Kolon birleşim yüzeyinde 48510 kg’lık bir kesme kuvveti oluşabilir. Bu kuvvet kolonca karşılanmalıdır. Bu kuvvet karşılanabiliyor mu bakalım:
Ve=48510 kg
C30…………fcd=200 kg/cm2
V=0.45 x 25 x 25 x 200 =56200 kg
Burada 25×25’lik kısım kolondaki kesme yüzeyidir.25 cm kirişin eni diğeri 25 cm kolon boyudur (kiriş kısa yönden kolona saplanmıştı).Y ani bu kesme kuvveti yaklaşık olarak 25×25’lik bir alanda karşılanır. Formülasyonda 0.45 gibi bir katsayı görürsünüz. Bu yönetmelikçe belirlenmiş bir katsayıdır. Eğer kirişten gelen guvvet tam bir basınç kuvveti olsaydı bu değer 1 olacaktı. Ama kesme yüzeyine bu kuvvet kesme kuvveti olarak geldiğinden bir düşürmeye gidilmiştir.
Örneğimizde 562500>48510 olduğundan birleşim bölgesi güvenlidir ve kolon zarar görmez gevrek kesme kırılması oluşmaz.