Sidney Opera Binası
İnce kabuk (kabuk sistemler) denildiğinde iki boyutu kalınlığından çok büyük olan, taşıma ve örtme işlemini aynı anda gören, dış kuvvetlere karşı kabuğun orta çizgisine teğet eksenel kuvvetlerle direnen, tek veya çift eğrilikli hacimsel taşıyıcı sistemler anlaşılmaktadır. ( Katlanmış plaklardan ayrılması eğrisellik sebebiyledir.)
En temel üç özelliği vardır:
1. Eğrilik2. Sertlik
3. İncelik
Kabuk sistemde malzeme betonarme, metal saçlar, ahşap levhalar, takviyeli plastik malzemeler, cam elyaf takviyeli beton vb olabilir. Betonarme en sık kullanılandır.
Bazı kavramlar;
Eğrilik ve eğrilik yarıçapı: Eğrilik kavramı herhangi bir çizginin bir doğrudan veya bir yüzeyin bir düzlemden ne kadar sapmış olduğunun bir ölçüsüdür.Eğrilik dairesi: Bir çizginin bir noktasının eğrilik dairesi incelenen noktayla bunun en yakınındaki iki noktadan geçen ve incelenen noktada eğriye teğet olan dairenin adıdır. Bu dairenin yarıçapı eğrilik yarıçapıdır.
Asal eğrilik: Eğriliği incelenen noktada o yüzeye teğet bir düzlem alarak, bu teğet düzleme dik olan ve incelenen noktadan geçen düzlemler düşünülsün. Bu düzlemler eğri yüzeyle ara kesitler oluştururlar. Kesme düzlemi incelenen nokta etrafında döndürüldükçe ara kesit eğrisinin eğriliği değişir. Bir noktadan sonsuz sayıda düzlem geçirilebileceğine göre, incelenen her noktada sonsuz sayıda ara kesit çizgisi ve eğrilik vardır. Bu eğriliklerin biri maksimum diğeri de minimum olup bunlara asal eğrilikler denir. Asal eğrilikler birbirlerini dik açı altında keserler. Asal eğrilikleri bilinen bir yüzeyi tanımlayabiliriz.
Tonoz tek eğriliklidir. Hiperbolik paraboloid(semer eğrisi) ise çift eğriliklidir ve Rmin çekmeye, Rmax ise basınca çalışır. Böylece kayma gerilmesi azalmış olur. Ayrıca durağan ve sarkan parabol eğrileridir. Asal eğrilikler aynı yöne doğru yönlenmiş ise eş eğrilikli, zıt ise ters eğriliklidir. Semer eğrisi ters eğriliklidir. Ters eğrilikliler çizel de üretilebileceği için yapı kalıp giderleri çift eğriliklilere göre avantajlıdır.
Ortalama eğrilik:
Asal eğriliklerin matematiksel toplamının yarısıdır. Ters eğriliklerde sıfırdır.
Gauss eğriliği:
Asal eğriliklerin çarpımıdır. Eş eğriliklilerde pozitif, ters eğriliklilerde negatiftir.
Kuadril yüzey:
Kabuk mimarisinde en yaygın olarak kullanılan yüzeylerdir. Asal eğrileri tanımlayan formüller en fazla ikinci derecen ise kuadril yüzeylerdir.
Kabukların sınıflandırılması:
A. Eğriliklerine göre1. Tek eğrilikli kabuklar
2. Çift eğrilikli kabuklar
a. Eş eğrilikli
b. Ters eğrilikli
c. a ve b'nin kombinasyonu
3. Serbest biçimli kabuklar
B.Yüzey geometrisini esas alarak yapılan sınıflandırma
1. Dönel yüzey geometrili kabuklar
2. Öteleme yüzey geometrili kabuklar
3. Çizel yüzey geometrili kabuklar
Kabuk sistemlerde statik çalışma özellikleri;
-Eğilme gerilmesinin statik boyutlandırmayı belirlediği,
-Çekme, basınç ve kayma gerilmelerinin boyutlandırmayı belirlediği iki durum vardır. Bu ikinci durumda kabuklar membran kabuk olarak tanımlanır ve bu bölgeye serbest bölge denir.
Kabuk sistemlerde statik çalışma özellikleri;
-Eğilme gerilmesinin statik boyutlandırmayı belirlediği,-Çekme, basınç ve kayma gerilmelerinin boyutlandırmayı belirlediği iki durum vardır. Bu ikinci durumda kabuklar membran kabuk olarak tanımlanır ve bu bölgeye serbest bölge denir.
Membran gerilme durumu;
Kabuğa etki eden eşit yayılı yüklerin, kabuğun orta yüzeyine teğet, eksenel kuvvetlerle taşındığı gerilme durumuna membran gerilme durumu denilmektedir.
Membran kabuklar kuramının varsayımları;
1.Kabuk kalınlığı kabuğun her iki boyutuna, geçilen açıklığa ve eğrilik yarıçaplarına oranla çok daha küçüktür.
2.Kabuğun kendi ağırlığı veya diğer eşit yayışı yükler altında eğilme oluşmaz.
3.Tüm dış etkiler, kabuğun orta yüzeyine dik gelişen kuvvetlerle taşınır.
4.Deformasyonlar kabuk kalınlığına oranla çok küçüktür.
5.Kabuk kalınlığı büyük değişkenlikler göstermez.
6.Orta yüzey eğriliğini sürekli olarak korur.
7.Kabuk yapımında kullanılan malzemeler Hooke Kanununa tamamen uyar.
Kabuklarda eğilme etkili bölgeler;
1.Mesnet bölgesi
2.Büyük tekil yüklerin etkilediği yükler
3.Takviye kaburgaları ile kabuğun ara kesiti
4.Yüzey sürekliliği veya geometrik biçimin bozulduğu yerle
5.Kabukların birbiri ile kesişmeleri durumunda ara kesit bölgesi
6.Kabuk kalınlığının, membran kabuk kuramını aştığı yerle
7.Kabuk yüzeyi üzerinde farklı kalınlıkların dolayısıyla farklı rijitlikli taşıyıcı elemanların var olduğu bölgeler
Membran kabuklar kuramının varsayımları;
1.Kabuk kalınlığı kabuğun her iki boyutuna, geçilen açıklığa ve eğrilik yarıçaplarına oranla çok daha küçüktür.2.Kabuğun kendi ağırlığı veya diğer eşit yayışı yükler altında eğilme oluşmaz.
3.Tüm dış etkiler, kabuğun orta yüzeyine dik gelişen kuvvetlerle taşınır.
4.Deformasyonlar kabuk kalınlığına oranla çok küçüktür.
5.Kabuk kalınlığı büyük değişkenlikler göstermez.
6.Orta yüzey eğriliğini sürekli olarak korur.
7.Kabuk yapımında kullanılan malzemeler Hooke Kanununa tamamen uyar.
Kabuklarda eğilme etkili bölgeler;
1.Mesnet bölgesi2.Büyük tekil yüklerin etkilediği yükler
3.Takviye kaburgaları ile kabuğun ara kesiti
4.Yüzey sürekliliği veya geometrik biçimin bozulduğu yerle
5.Kabukların birbiri ile kesişmeleri durumunda ara kesit bölgesi
6.Kabuk kalınlığının, membran kabuk kuramını aştığı yerle
7.Kabuk yüzeyi üzerinde farklı kalınlıkların dolayısıyla farklı rijitlikli taşıyıcı elemanların var olduğu bölgeler
Tek eğrilikli kabukların statik davranışları;
Tonozlar ikiye ayrılır; kısa ve uzun tonoz kabuklar.
Kısa tonozlarda uzunluğu kemer açıklığından küçüktür. Bir kemer gibi çalıştığı söylenebilir. Eğer tonozun en kesiti zincir eğrisi biçiminde veya ona yakın ise, eşit yayılı yükler taşıyıcı sistemde sadece eksenel iç kuvvetler (basınç) oluşturur.
Bu basınçla birlikte açılmayı önlemek için;
1.Kabuk kenarlarını bağlayan gergi elemanları düzenlenebilir.
2.Kabuk yüzeyini destekleyen kaburga düşünülebilir.
3.Kabuk kenarları temele ankre edilebilir.
4.Kabuk yüzeyi katlamalarla kuvvetlendirilir.
5.Yukardakilerin kombinasyonları uygulanabilir.
Uzun tonoz kabuklarda uzunluk, kemer açıklığının 1,5 veya 2 katından büyüktür. Kabuk, alın öğesi, kenar kirişi, mesnet öğeleridir. Katlanmış plak gibi çalışır; tepesinde basınç, alt bölgelere doğru çekme, kenar öğesinde ise eğilme görülür.
Çift eğrilikli kabukların statik davranışı;
Kabuğun kendi ağırlığı altında kırılma çizgisi, döndürme ekseni ile 52 derecelik açı, eşit kar yükü altında 45 derecelik açı yapar.
Tek eğrilikli kabukların statik davranışları;
Tonozlar ikiye ayrılır;Kısa tonozlarda uzunluğu kemer açıklığından küçüktür. Bir kemer gibi çalıştığı söylenebilir. Eğer tonozun en kesiti zincir eğrisi biçiminde veya ona yakın ise, eşit yayılı yükler taşıyıcı sistemde sadece eksenel iç kuvvetler (basınç) oluşturur.
Bu basınçla birlikte açılmayı önlemek için;
1.Kabuk kenarlarını bağlayan gergi elemanları düzenlenebilir.2.Kabuk yüzeyini destekleyen kaburga düşünülebilir.
3.Kabuk kenarları temele ankre edilebilir.
4.Kabuk yüzeyi katlamalarla kuvvetlendirilir.
5.Yukardakilerin kombinasyonları uygulanabilir.
Uzun tonoz kabuklarda uzunluk, kemer açıklığının 1,5 veya 2 katından büyüktür. Kabuk, alın öğesi, kenar kirişi, mesnet öğeleridir. Katlanmış plak gibi çalışır; tepesinde basınç, alt bölgelere doğru çekme, kenar öğesinde ise eğilme görülür.
Çift eğrilikli kabukların statik davranışı;
Kabuğun kendi ağırlığı altında kırılma çizgisi, döndürme ekseni ile 52 derecelik açı, eşit kar yükü altında 45 derecelik açı yapar.Kabukların statik çalışmalarına ve yapımlarına ait genel özellikler;
1. Kabukların yük taşıma kapasiteleri biçimleriyle de ilişkilidir. Çift eğrilikli bir kabuk, tek eğrilikli kabuklardan daha dirençlidir.2.Kabukların eğrilikleri azaldıkça, eksenel kuvvetleri büyür. Başka bir deyişle, membran gerilmeler, kabuk yükselkiği ile ters orantılı olarak değişir.
3.Tek eğrilikli kabuklarla, çizel yüzeylerin kalıp giderleri diğer yüzeylere oranla daha azdır, o nedenle çift eğrilikli çizel yüzeylerin hem dirençli olmaları, hem de kalıp giderlerinin azlığı bir tercih nedeni olabilir.
4.Kenar çemberi ve kenar kirişleriyle kabuk yüzeylerinin birleştiği hatlarda düşey kuvvetler eğilme veya burulma momenti oluşturur.
5.Eğilme etkisi membran kabuklarda her ne kadar istenmezse de mesnet bölgesinde, kenar kirişlerinde kaburgalarda vb. kaçınılmazdır. Dolayısıyla tasarım aşamasında bunlara karşı önlemler düşünülmelidir.
6.Betonarme kabuklarda minimum kalınlık Avrupa standartlarına göre tek eğrilikli kabuklarda 5 cm, çift eğrililerde 4 cm'den az olmamalıdır.
Kaynak: Çağdaş Taşıyıcı Sistemleri, Prof. Dr. Çetin TÜRKÇÜ