Kabuklar; Dayanımı Geometrik Biçimlerine Bağlı Olan Taşıyıcı Sistemler

Kabuklar, büyük alanları ekonomik ve ara mesnetsiz olarak örtmek amacı ile kullanılırlar.

Verilen bir alanı örtmek için eskiden beri bilinen klasik çözüm, kirişlere oturan düzlem bir örtü sisteminden oluşmaktadır. Bu klasik halde birbirinden ayrı iki tür eleman vardır: Örtü elemanları ve taşıyıcı elemanlar.

Örtü elemanları ile taşıyıcı elemanlar birleştirilirse kendi kendini taşıyan yapılar elde edilir. Bunlar arasında betonarme kabuklar son derece önemli bir grup oluşturur.

Betonarme kabukların başlıca yararı hafifliklerinde bulunmaktadır. Gerçekten, örtü elemanlarına verilen özel biçim sayesinde taşıyıcı elemanlar ortadan kaldırılmış ve örtü elemanlarının kalınlığı genel olarak arttırılmamıştır. Bu yarar özellikle çatılar için ilgi çekicidir çünkü çatılar kar ve rüzgar gibi hafif hareketli yükler etkisindedir ve başlıca etkiler sabit yüklerden oluşmaktadır.

Kabukların hafifliği, donatıda ve temellerde ekonomikliğin sağlanmasında etkin rol oynar. Başka bir yarar, bu yapıların zarif ve hafif görünüşündedir. Böyle bir görünüş yapılarda estetik açıdan önemli bir etkendir.

Sakıncalarına gelince; önce pahalı olan kalıp masrafını beraberinde getirir. Gerçekten örtü elemanları çoğu kez eğri yüzeylerdir ve bu yüzeylerin açınımı her zaman olanaklı değildir. Bundan başka kalıplar büyük bir titizlikle hazırlanmış olmalıdır.

Elde tutulan bir kağıt bir kenarından düz olarak tutulduğunda kolayca eğilir ve kendi ağırlığını bile taşıyamaz. Aynı kağıt kıvrılarak , hafifçe yukarı doğru eğri bir biçim alacak olursa, kendi ağırlığına ek olarak belirli bir düzeyde yük de taşıyabilir. Bu taşıma kapasitesi kullanılan malzemeyi arttırarak değil, aynı malzemeye uygun bir şekil vererek ortaya çıkarılmıştır. Yukarı doğru eğrilik, tabaka kağıdın rijitliğini ve yük taşıma kapasitesini arttırmıştır. Bunun nedeni, eğrilik sonucu bir kısım malzeme tarafsız eksenden uzaklaşmış ve böylece eğilme rijitliği bir kiriş gibi gözönüne alındığında büyük oranda artmıştır. Aynı sonuç kağıdı katlayarak diğer bir deyişle ani eğim değişiklikleri ya da tekil eğrilikler vererek de sağlanabilir.

Kabuklar , önemli eğilme gerilmeleri oluşturmayacak kadar ince, fakat yükleri basınç, kayma ve çekme ile taşıyabilecek kalınlıkta olan iki boyutlu eğrisel taşıyıcılardır. Kabuklar, kubbe yada diğer biçimlerdeki eğrisel çatıların çeşitli biçim ve estetikte yüksek dayanım ve ekonomi sağlayarak yapılmalarına olanak sağlarlar. Bu tür sistemler, çağdaş yapı projelerinin en gelişmiş örnekleri arasındadır.

Kabuklar etkinliklerini eğriliklerine borçludurlar.

Bir yüzeyin bir noktadaki eğriliği, yüzeyi bu noktada yüzeyin normalini içine alan düzlemlerle gösterilir. Düzlem döndürüldükçe eğrilik değişir. Eğrilik bütün doğrultularda yukarı yada aşağı doğru olabileceği gibi bazı doğrultularda yukarı, diğerlerinde aşağı doğru olabilir. Ayrıca, eğim doğrultusuna dik doğrultuda hareket edildiği zaman eğim değişeceği için böyle bir yüzeyde burulma da vardır.

Bir kubbenin, normalinden geçen bir düzlemle olan tüm ara kesitlerinin eğrilikleri aşağı doğrudur. Küresel kubbelerde bütün eğrilikler birbirinin aynıdır. Diğer tüm kubbelerde eğrilik, düzlem döndükçe bir maksimumdan bir minimuma doğru gider. Eğriliğin bir nokta etrafında değer değiştirebildiği fakat daima aşağıya doğru olduğu yüzeylere sinklastik (Yunanca syn =ile klastos=kesme ) yüzeyler denir. Aşağı doğru olan eğrilikler pozitif, yukarı doğru olan eğrilikler negatif eğrilik olarak adlandırılır. Bütün noktalarda pozitif yada negatif eğriliği olan yüzeylere açılımı yapılamayan yüzeyler denir. Gerçekten, bu tür yüzeyler dilimlere bölünmedikçe açılamazlar. Bu yüzeylerin rijitlikleri ve dayanımları, büyük ölçüde, bunları açmaya yani, eğriliklerini azaltmaya çalışan deformasyonlara karşı koymalarından ileri gelir.

Hiperbolik paraboloid, doğrusal doğuraylar ile mesnetlendirilirse, asal gerilmeler paraboller doğrultusunda oluşur. Yukarı doğru olan parabolle oluşan çekme etkisi, eğriliği aşağı doğru olan parabolde oluşan basınç etkisiyle birleştirilirse, doğrusal kenarlar boyunca etkiyen bir basit kayma durumu elde edilir. Böylece, kabuğa etki eden yükler , mesnetleri oluşturan kenarlara, bu kenarlar doğrultusunda yer alan basit kayma ile aktarılır. Mesnet elemanları genellikle “kirişlerdir”. Fakat bu elemanlar düşey yüklerden çok, uzunlukları boyunca toplanan kayma etkileriyle yüklüdürler, dolayısıyla kendi ağırlıklarının etkisi dışında, basınç ya da çekme çubuğu gibi davranırlar.

Hiperbolik paraboloid basık olduğu takdirde, başlıca membran gerilmeleri, aynı şiddette kayma gerilmelerini doğrudan çekme ve basınç gerilmelerine özdeştir. Bu gerilmeler kabuğun her yerinde aynı değerdedir. Ayrıca, membran gerilmelerinin kabuğun kalınlığı boyunca düzgün yayılı olmaları nedeniyle, kabuğun yüzde yüz etkin çalıştığı söylenebilir ve herhangi bir kesitin herhangi bir noktası eşit gerilme altındadır. Paraboloidde oluşan membran gerilmeleri kabuğa etki eden toplam düzgün yayılı yük ile doğru, kabuk yüksekliği ve kabuk kalınlığı ile ters orantılıdır. Kabuğun burkulmasına neden olabilecek yüksek basınç gerilmelerinden kaçınmak için, kabuk yüksekliğinin açıklığın altıda biri ile onda birinden az olmaması gerekir.

Çatılar genellikle, hiperbolik paraboloid parçaların birleşik düzenlenmeleri biçiminde yapılırlar. En yaygın düzenlemelerden biri dört parçalı olup her parçanın dış köşesi kolonlarla mesnetlenir. Bu durumda, eğimli dış rijitleştiriciler ile yatay iç rijitleştiriciler kenar kaymalarının toplanmasıyla tamamen basınç etkisindedir. Eğimli dış rijitleştiricilerden doğan yatay tepki kuvveti gergi çubuklarıyla karşılanabilir. Buna karşılık iç rijitleştiricilerin kesişme noktası eşit değerde fakat ters yönde etkiyen değerlerle dengelenir. Böyle bir çatı düzgün kırık bir çatı görünümündedir.