Binalar Nasıl Ayakta Kalır?

İnsanların çevrelerinde bulunan malzemelerden elde ettikleri çadırlarla başlayan inşa etme serüveni, sonraki zamanlarda barınma, eğitim, çalışma gibi farklı ihtiyaçlara özel tasarlanan yapılarla devam etti. Peki farklı malzemeler kullanılarak inşa edilen, birbirlerinden çok farklı formlara sahip tüm bu yapılar nasıl ayakta kalıyor?

Ünlü mimar Zaha Hadid tarafından tasarlanan Haydar Aliyev Kültür Merkezi Azerbaycan’ın Bakü şehrinde yer alıyor.

Tüm cisimler gibi yapıların da yıkılmadan ayakta durabilmesi için üzerlerine etki eden kuvvetlerin dengede olması gerekiyor. Bir cismin dengede durabilmesi için cisme etkiyen kuvvetlerin vektörel toplamı ve bu kuvvetlerin herhangi bir eksene göre net momentleri sıfır olmalı. Yapıları, kararlı bir dengeye sahip şekilde tasarlamak içinse mühendisler ve mimarlar birlikte çalışıyor.

Peki Yapılara Etki Eden Kuvvetler Nelerdir?

Yapıların ayakta kalabilmek için karşı koydukları temel kuvvet yer çekimidir. Yapılar; kiriş, kolon, duvar, döşeme gibi yapısal elemanlarının kütlesinden kaynaklanan kalıcı düşey yükler altındadır. Ayrıca yapılara içindeki insanlar, eşyalar ile yapının üzerinde biriken kar gibi büyüklüğü sabit olmayan düşey yükler de etki eder.

Ancak yapıların karşı koydukları tek kuvvet yer çekimi değildir. Yapılar, rüzgâr ve deprem gibi yatay düzlemde etki eden kuvvetlerin etkisine de maruz kalır. Bu nedenle formları ve bulundukları bölge dikkate alınarak karşılaşabilecekleri en büyük depreme veya en şiddetli rüzgâra karşı dayanıklı olarak tasarlanmalıdır.

Grafik Tasarım: Umut Aybek

Yapılara etki eden yüklerin, yapıların taşıyıcı elemanları üzerinde basınç, çekme, eğilme ve kesme gibi etkileri olur. Her birinin görevi farklı bir etkiye karşı koymak olan taşıyıcı elemanlar, birlikte çalışarak yapının dengede kalmasını sağlar.

Grafik Tasarım: Umut Aybek

Peki, üzerine etki eden kuvvetlerin dengede olduğu bir yapı nasıl inşa edilir?

Yapıların yer çekimi etkisi altında ayakta kalmasını sağlayan en eski inşa yöntemlerinden biri kolon-kiriş sistemidir. Kolon-kiriş sisteminde döşeme gibi yatay yükler, kirişler aracılığıyla kolonlara iletilir. Kolonlar ise kiriş ya da döşemelerden gelen yükleri diğer kolonlar aracılığı ile yapının temeline ileten düşey taşıyıcılardır.

Stonehenge (solda) ve Hatşepsut Tapınağı (sağda)

Kolon-kiriş sisteminin bilinen en eski örnekleri ise İngiltere'de bulunan Stonehenge ve Mısır'da bulunan Hatşepsut Tapınağı’dır.

Kolon terimi, daha çok betonarme yapılar için kullanılır. Ahşap veya taş malzemelerden üretilen düşey taşıyıcılar ise dikme veya sütun olarak isimlendirilir.

Kirişler, düşey taşıyıcılar yani kolonlar tarafından desteklenmesine rağmen yer çekimi etkisiyle eğilmeye meyillidir. Kendi ağırlığıyla ya da dışarıdan uygulanan bir yük etkisiyle kirişin üst kısmı sıkışabilir, alt kısmı ise gerilebilir. Yani üst kısımda basınç, alt kısımda çekme gerilmesi meydana gelir. Bu da kirişin eğilmesine neden olur.

Grafik Tasarım: Umut Aybek

Kirişte oluşan çekme gerilmesinin büyüklüğü, kolonlar arasındaki açıklığın genişliği ve kirişin taşıdığı yük ile orantılıdır. Kolonlar arasındaki açıklık büyüdükçe ve kirişe binen yük arttıkça kirişe etki eden çekme gerilmesi de artar. Bu değer, malzemenin çekme dayanımını aştığında kiriş deforme olur ve çöker.

Grafik Tasarım: Umut Aybek

Her malzemenin basınç ve çekme gerilmelerine dayanımları birbirinden farklıdır. Taş ve beton gibi malzemeler basınca dayanıklıyken, ahşap, çelik gibi malzemelerin çekme dayanımı yüksektir.

Videoda çekme etkisiyle çelikte meydana gelen deformasyon görülüyor.

Betonun basınç dayanımı son derece yüksektir. Bu nedenle düşey taşıyıcıların üretiminde kullanmak için son derece elverişli bir malzemedir. Betonun çekme dayanımı ise düşüktür. Bu nedenle kiriş olarak kullanıldığında aynı derecede başarılı sonuç vermez.

Peki günümüzde betonarme yapılardaki kirişler, çekme gerilmesine nasıl dayanıyor? Bu sorunun cevabı betonarme kelimesinin tanımında yatıyor. Betonarme, eğilme ve çekme kuvvetlerine dayanabilmesi için içerisine çelik donatı yerleştirilmiş betondur. Birbirlerine uygun şekilde bağlanan beton ve çeliğin birlikte çalıştığı betonarme sistemlerde, betonun yüksek basınç ve çeliğin yüksek çekme dayanımı özelliklerinden yararlanılmış olur.

 

Beton nedir? Romalılar binalarının tuğlalarını sabitlemek için kum, kireç ve su karışımından oluşan bir harç kullanıyordu. MÖ 2. yüzyıl dolaylarında bu karışıma bir malzeme daha eklediler. Bu, pulvis puteoli ya da pozzolana denen Vezüv Yanardağı yakınlarındaki bir küldü. Beton kuruduğunda hem sert hem de dayanıklı hâle geliyordu. Romalılar bu sert ve dayanıklı bu malzemeyi yalnızca tuğlalar arasında harç olarak değil, kalıplar arasına dökerek duvar inşasında da kullanmaya başladılar. Roma imparatorluğunun dağılmasından sonra, bir süre unutulan beton 18. yüzyılda Britanya'da tekrar ortaya çıktı. TÜBİTAK Mimari Yapılar Kitabı 

Binalar bizlere içinde yaşayabileceğimiz, çalışabileceğimiz ve dışarıdan yalıtılmış ortamlar sağlar. Farklı ihtiyaçlara uygun binalar inşa edilirken betonarme, ahşap gibi farklı malzemeler ve teknikler kullanılır. Mimarlığın amacı ise doğru malzemeleri uygun tekniklerle kullanarak işlevsel ve dayanıklı mekânlar tasarlamaktır.

Kaynaklar:

• Hasol, D., Ansiklopedik Mimarlık Sözlüğü, YEM Yayınları.
• Kolektif, Fiziği Tanıyalım: Mekanik, TÜBİTAK Popüler Bilim Kitapları.
• Lowe, L., Buluşlar ve Teknoloji Mimari Yapılar, TÜBİTAK Popüler Bilim Kitapları.
• Meistermann, A., Adım Adım Taşıyıcı Sistemler, YEM Yayınları.
• Roth, L. M., Mimarlığın Öyküsü, Kabalcı Yayınevi.

Yazar Hakkında:

Ayşegül Tetik

Yüksek Mimar

TÜBİTAK Bilim ve Toplum Başkanlığı Deneyap Teknoloji Atölyeleri ve Bilim Merkezleri Müdürlüğü