Yapıların İskelet Sistemleri

İskelet sistemler tüm dünyada olduğu gibi Türkiye’de de büyük açıklıklı sanayi yapılarının üretiminde kullanılan, yapının tüm yüklerinin kolon, kiriş, çerçeve gibi yapı bileşenleri ile temel sistemine iletildiği yapım sistemidir. Kolon ve kiriş, iskelet sisteminin iki rijit ve doğrusal elemanıdır. Kiriş ve kolonların birlikte çalışacak şekilde mafsallı ya da ankastre birleştirilmesiyle çerçeve oluşturulmaktadır. İskelet sistemlerin temel özelliği taşımadır ve çatı sistemi, döşeme, duvar ve bölme gibi mekan oluşturan elemanların taşınmasına olanak sağlamaktadır. Büyük açıklıklı sanayi yapıları yapımında kirişlerin açıklık doğrultusu, düşey elemanların ve stabilite elemanlarının tipi ve düzenlenmesi önemli kriterler oluşturmaktadır.
Kirişler, üzerlerine etkiyen düşey yükleri eğilmeye çalışarak taşıyan, kolon ya da taşıyıcı duvar üzerine mesnetlenmiş yatay taşıyıcı yapı bileşenleridir. Kolonlar  kirişlerin altında çoğunlukla basınca çalışan düşey yapı bileşenleridirler. Kolon temelleri, yükü zemine ya….. çökmelerin sınırlı olmasını sağlamakta ve esas olarak basınca çalışmaktadırlar. Yapıya etkiyen yükler düşey ve yatay yükler olarak ikiye ayrılmaktadır. Düşey yükler; öz ağırlık, kullanım yükleri, kar yükü, buz yükü, konstrüksiyon (yapım) yükleridir. Yatay yükler, rüzgar yükü ve deprem yükleridir.
Günümüzde büyük açıklıklı sanayi yapıları, ülkemizde önyapım betonarme bileşenler, öngerilmeli betonarme bileşenler ve çelik yapı bileşenleri ile kurulan iskelet sistemler ile üretilmektedir. İskelet sistemler 25 – 30 m’lik  açıklıklardan sonra ekonomik olmaktan uzaklaşmaktadırlar. İmalat, nakliye, montaj ve işçilik bakımlarından önemli maliyet artışları ortaya çıkmaktadır. Bu durumlarda diğer sistemler araştırmalıdır.

Aşağıda Yer Alan Konular:

Dolu Gövdeli İskelet Sistemler                 Kolonlar                      Kirişler
Kafes Kirişli İskelet Sistemler                   Stabilite
Kemer Kirişli Sistemler                              Düşey Stabilite          Yatay Stabilite

Dolu Gövdeli İskelet Sistemler
Dolu gövdeli iskelet sistemler 15 m. açıklığa kadar ekonomik olarak kullanılabilmektedir. Bu açıklığın artırılması istendiğinde ise betonda ön gerilimin uygulanması, çelikte ise özel imalat kirişlerin yapımı ile 25 – 30 m. açıklığa kadar ulaşılabilmektedir.

Kafes Kirişli İskelet Sistemler

Açıklık büyüdükçe kiriş yüksekliği de artmaktadır. Buna karşılık çok parçadan oluşan, içi boşaltılmış kirişler yapmak mümkündür. Üst ve alt başlık çubukları ile bunların arasında üçgen alanlar oluşturacak şekilde düzenlenen örgü çubuklarından oluşan sistemler, kafes kiriş sistemlerdir. Birleşim yerlerine düğüm noktası denmektedir. Kafes kirişi oluşturan doğru eksenli çubuklar ve düğüm noktaları, aynı düzlem içinde oluşturulmaktadır. Bu çubuklar eksenel basınç ve çekme gerilmeleri almakta ve ince en kesitler ile büyük açıklıklar geçilebilmektedir. Düzlem kafes kirişler taşıyıcı olabilmeleri için üçgenler ile kurulmaktadırlar. Kısaca makas denilen düzlem kafes kirişler, başlık şekillerine göre adlandırılmaktadırlar. Düzlem kafes kirişlerde kiriş yüksekliğinin açıklığa oranı ve geçebileceği en büyük açıklık, malzeme türüne göre değişmektedir. Bu oran çelik için H/L = 1/12 ~ 1/16 ve ön gerilmeli çelik için  H/L = 1/16 ~ 1/25 alınmaktadır. Bu sistem ve çelik malzeme ile geçilebilecek en büyük açıklıklar ise 50 – 60 metredir.
Makas aralıkları, çatı örtüsü ve aşık sistemine bağlıdır. Genellikle 3 – 6 m. arasında seçilmektedir. Büyük açıklıklı sanayi yapılarında, aşık olarak paralel başlıklı kafes kirişler kullanılarak 15 – 20 m.’ye kadar çıkabilmektedir.
Düzlem kafes kirişler (makaslar), yapı kısa kenarına paralel olarak yerleştirilmektedirler. Ayrıca kafes düzlemine dik etkiyen yatay yükleri karşılamak ve yapıyı rijit hale getirmek için bu yüklerin etkidiği doğrultuda aşıklar ile aynı düzlemde stabilite bağlantıları (çaprazlamalar) düzenlenmektedir. Bu stabilite bağlantılarının, yapı iki ucunda ve iki ya da üç açıklıkta bir yapılması gerekmektedir.

Kemer Kirişli İskelet Sistemler

Kemer kirişli iskelet sistemler, kafes kirişlerin ekonomiklik sınırını aştığı durumlarda, 30 – 60 m. gibi açıklıklarda kullanılabilen sistemlerdir. Kemerler, basınca çalışan eğri eksenli çubuk taşıyıcı sistemlerdir. Basınç kuvveti belirli bir büyüklüğe ulaştığında doğru eksenli basınç çubuklarında olduğu gibi kemerlerde de burkulma olmaktadır. Yalnız kemerler daha fazla basınç kuvveti taşıyabildikleri için doğru eksenli çubuklara kıyasla narin yapılabilmektedirler.

Kolonlar

Kolonlar döşeme ve kirişlerden gelen yükleri zemine aktaran doğru eksenli düşey yapı bileşenleridirler. Büyük açıklıklı sanayi yapılarında genellikle çelik, betonarme (yerinde yada ön yapım) ve kompozit olarak, kare, dikdörtgen, daire yada farklı geometrik tiplerde yapılabilmektedirler.
Çelik kolonlar genellikle eksenel basınca çalıştırılmaktadırlar. Ancak ankastre bileşimli çerçeve kolonları yüklemeden doğacak eğilme gerilimlerini de karşılayacak şekilde tasarlanmaktadırlar.
Hadde profillerinden biraz daha büyük bir kolon en kesiti gerektiğinde, öncelikle profil başlıkları bir levha ya da profil kaynaklanarak takviye ile kesit büyütülmesi yoluna gidilmektedir. Düşey yükler fazla ve hadde mamulü profillerin taşıma sınırlarını geçiyorsa, kolon başlıklarında düzenlenen levha ya da profillerin şişip açılma riski oluşmaktadır. Bu durumda, kolon en kesitinin, levhaların ya da profillerin birleştirilmesi ile oluşturulan bir yapma en kesit şeklinde düzenlenmesi daha uygun olmaktadır. Bu şekilde levhaların kesilip sürekli kaynaklanması ile bir I kesit, iki köşebent, iki U profil ya da dört levhanın kaynaklanması ile bir kutu kesit ya da kolon atalet momentini tek ya da iki doğrultuda artıracak şekilde çeşitli düzenlerle oluşturulabilmektedir. Kutu kesitli olarak imal edilen kolonların iç yüzeylerinin bakımı sonradan yapılamayacağı için birleşim kenarları içeriye hava ve rutubet geçirmeyecek şekilde sürekli kaynaklanmaktadır.
Betonarme kolonlar, yapımlarında kullanılan yatay demir donatıların düzenlenmelerine göre sınıflandırılmaktadırlar. Yatay donatı, düşey donatıyı bir arada tutmakta ve kayma gerilmelerini karşılamaktadır. Bu çubuklar kendi düzlemleri içinde kolon geometrisine bağlı, kapalı bir çokgen oluşturuyorsa, kolona etriyeli kolon, sürekli bir spiral şeklinde ise fretli kolon olarak adlandırılmaktadırlar.

Kirişler

Kirişler, iskelet sistemleri oluşturan çerçevelerin kolon ya da duvar gibi düşey elemanlarını bağlayacak şekilde yatay ya da eğik düzenlenen taşıyıcı elemanlardır. Kirişler, dolu gövdeli yada kafes kiriş olarak şu en kesitlerde yapılabilmektedirler.
– Çelik profiller ile oluşturulan dolu gövdeli kirişler,
– Çelik profiller ile oluşturulan boşluklu gövdeli kirişler,
– Kafes gövdeli kirişler,
– Betonarme kiriş,
– Kompozit kiriş
Kiriş çerçeveleri, yapıda (plan düzleminde) tek yada iki doğrultuda tasarlanabilmektedir. Tek doğrultulu olarak tasarlanan çerçeveler yapının kısa yada uzun kenarı doğrultusunda düzenlenebilmektedirler
Kısa kenar doğrultusunda düzenlenmiş çerçeveler, hem düşey, hem de yatay yüklere karşı ko….. yükleri yapının eni doğrultusunda iç çerçevelere dağıtmaktadırlar. Yapı uzun kenarı doğrultusundaki çerçeve sistemlerinde ise düşey yükler bu çerçevelerle, yatay yükler ise bu çerçevelere dik kirişler ya da çatı sistemi ve döşeme plakları ile alınmaktadır.
Yapı modülü kareye yakın ölçülerde ise yapının iki doğrultusunda da çerçeveler oluşturulmaktadır.

Stabilite

Üzerlerine etkiyen yükleri güvenli bir şekilde zemine aktarmakla görevli taşıyıcı sistem bileşenlerinin oluşturduğu yapı, üç boyutlu bir sistem olduğu için, herhangi bir doğrultudan gelecek yüklere karşı üç düzlemde de stabilitenin sağlanması gerekmektedir. Bir iskelet yapıda, yapıya etkiyen yatay kuvvetleri temellere iletmek ve yapının bu yükler karşısında yer değiştirmesini sınırlandırmak için yapılan taşıyıcı düzenlemelere stabilite elemanları ya da rijitleştirme elemanları denmektedir. Yapı stabilitesi; düşey düzlemde, rijit çerçeve, betonarme perde, düşey çaprazlama, yatay düzlemde ise betonarme plak ve yatay çaprazlama sistemlerinden bir ya da bir kaçının birlikte kullanılmasıyla sağlanmaktadır.

Düşey Stabilite Elemanları (Kesme Duvarları)

Rüzgar yada deprem gibi yapıya etkiyen yatay kuvvetleri karşılamak için tasarlanan kesme duvarlarıdır. Kesme duvarları; dolu yada boşluklu betonarme perde ve ya çelik çaprazlamalar olarak yapılabilmektedir.
Büyük açıklıklı çelik iskeletli sanayi yapılarında, çok gözlü çerçevelerin rijit düzenlenmesi ekonomik olmamaktadır. Bu yapım sistemlerinde mafsallı birleşimler ankastre birleşimlerden daha fazla kullanıldığı için yapı bloğu içinde uygun yerlerde düşey stabilite elemanları düzenlemek gerekmektedir. Genellikle de düşey rijitlemeyi sağlayabilmek için çelik çaprazlamalar kullanılmaktadır. Kesme duvarları açık ve kapalı sistemler olarak sınıflandırılmakta ve yapı içi yada dışında simetrik veya asimetrik olarak düzenlenebilmektedirler.
Büyük açıklıklı sanayi yapılarında düşey rijitleme, açık sistemler ile yapılabilmektedir. Açık sistemler  L, X, V, Y, T ve H biçimlerinde, tek doğrusal elemanların birleşimi ile olan ve bir mekanı tam olarak kapamayan sistemlerdir. Kolonlar arasının düşey çaprazlama ile rijitleştirildiği bu sistemlerde, kolonların üst ve alt başlık, çaprazlamaların diyagonal olarak düzenlendiği düşey bir kafes kiriş oluşturulmaktadır. Düşey kafes oluşturan çubuklar yükleri sadece çekme ve basınç kuvvetleri ile zemine ilettiklerinden kafes alt ve üst başlıklarını oluşturan kolon en kesitleri rijit çerçeve en kesitlerinden küçük ve ekonomik olmaktadır. Örgü çubuklarının kolonlara bağlandığı düşey çaprazlamalarda bağlantı, kolon en kesitinin başlıklarına yapılmaktadır. Çaprazlamaların düzenlenmesinde, çaprazlanacak gözün açıklık ve yüksekliği ile bu açıklıkta istenen boşluklar önemli olmaktadır.
Kapalı sistemler; bir alanı çevreleyen, betonarme perde ve düşey kafeslerin genellikle kare, üçgen, dikdörtgen ve daire biçiminde kapalı bir kutu oluşturacak şekilde düzenlenmesi ile oluşturulmaktadırlar. Çekirdek denilen bu yapı bileşenleri genel olarak yüksek yapılarda uygulanmaktadırlar. İyi düzenlenmiş çekirdekli sistemlerde, yapıya gelen yatay yükler çekirdekle zemine aktarılırken diğer kolonlara sadece düşey yükler taşıtılabilmektedir.
Stabiliteyi sağlama yöntemi ve taşıyıcı sistem içindeki düzeni, sanayi yapısı tasarımda  önemlidir. Stabilite, yapı içinde düşey çelik çaprazlamalar düzenlenerek sağlanırsa iç kullanımı sınırlamaktadır. Bu elemanları duvarlara yerleştirmek iç düzenlemede serbestlik sağlayabilmektedir. Stabilite elemanlarını olabildiğince yapının dış çevresine yakın ve bina kenarlarına paralel düzenlenmesi yapının yanal yükler altında burkulmasını önlemektedir.

Yatay Stabilite Elemanları

Yatay stabilite elemanları; çatı yada döşeme düzlemleri içinde, yatay yükler ile oluşacak etkileri rijiit düşey elemanlara aktarmak için düzenlenmektedirler. Büyük açıklıklı sanayi yapılarında, çatı sistemi, üzerine gelen yatay yükler karşısında, plak olarak taşıyıcı sistemle birlikte çalışabilmesi ve bu kuvvetlerin düşey taşıyıcı elemanlara iletilebilmesi için, çatı düzleminin kiriş yada aşık seviyesinde, yatay çaprazlamalar düzenlenerek yatay stabilite sağlanması gerekmektedir. Bunlara yatay rijitleştirme elemanları veya stabilite elemanları denmektedir. Yatay çaprazlamaların her gözde düzenlenmelerine gerek yoktur. Alın kirişlerin burulmaya dayanımını artırmak için yapı kenarı boyunca bulunan kirişler arasındaki döşemelerde çaprazlama yapılabilmektedir. Yatay stabilite elemanlarını, her doğrultudan gelebilecek yatay etkileri, düşey stabilite elemanlarına aktarabilecek şekilde düzenlenmeleri gerekmekte fakat gereksiz bağlantılardan kaçınılması gerekmektedir.