Ön gerilmeli eşit olmayan duvar kalınlıklarına sahip dikdörtgen betonla doldurulmuş çelik kirişlerin teorik analizi

Daha güçlü, daha hafif kirişlerin önemi

Çağdaş köprüler ve uzun açıklıklı yapılar, daha geniş vadiler ve nehirler üzerinden artan trafik yüklerini taşırken inşaat maliyetlerini ve malzeme kullanımını kontrol altında tutmak zorundadır. Ancak uzun kirişler kendi ağırlıkları ve trafik nedeniyle sarkma eğilimi gösterir; bu durum mühendisleri fazladan çelik ve beton kullanarak aşırı boyutlandırmaya itebilir. Bu makale, malzemelerin birlikte daha verimli çalışmasını sağlayan çelik, beton ve yerleşik çekme (ön germe) birleşimini kullanan yeni bir kiriş türünü inceliyor; böylece yapılar fazla ağırlaşmadan rijit ve güvenli kalabiliyor.

Çelik, beton ve yerleşik çekmenin yeni bileşimi

Araştırmacılar, duvar kalınlıkları birbirinin aynı olmayan boş dikdörtgen çelik bir kutudan yapılmış bir kirişe odaklanıyor. Alt plaka daha kalın, üst plaka daha ince ve dikey yan plakalar nispeten hafif tutulmuş. Kutunun alt bölümündeki boşluk kısmen veya tamamen betonla doldurulabiliyor. Kutunun içinde, kiriş hizmete alınmadan önce çelik çubuklar çekilerek geriliyor; bu yerleşik çekme (ön germe) kirişin hafifçe yukarı doğru eğilmesine ve kesitin büyük bir bölümünün nazikçe basınca girmesine neden oluyor. Amaç, betondaki çatlakları azaltmak ve kiriş trafik veya diğer yüklerle yüklendiğinde kalıcı eğilmeyi geciktirmektir.

Yeni kirişin teste alınması

Bu hibrit kirişin davranışını anlamak için ekip, üç metre uzunluğunda on gerçek kiriş inşa edip test etti. Hepsinin dış çelik geometrisi aynıydı ancak iki temel açıdan farklıydılar: kutunun ne kadarının betonla dolu olduğu (boş, üçte bir, yarı, üçte iki ve tamamen dolu) ve uygulanan ön germe miktarı (düşük ve yüksek seviyeler). Kirişler, ortada saf eğilme bölgesi oluşturan standart dört nokta yükleme düzeni kullanılarak büküldü; bu, araştırmacıların kirişlerin kesme yerine eğilmeye karşı direncine odaklanmasını sağladı. Kirişlerin ne kadar saptığı, betonda çatlağın ne zaman başladığı, çeliğin ne zaman akmaya başladığı ve kesit derinliği boyunca deformasyon dağılımı dikkatle ölçüldü.

Deneylerin ortaya koydukları

Ölçümler, ön germenin çatlakları kontrol altında tutmada son derece etkili olduğunu gösterdi: test koşulları altında betonda çatlağın başlaması için gereken yük bazı kirişlerde iki kattan fazla arttı. Beton dolgusunu artırmak genelde maksimum eğilme direncini yükseltti; deneylerde en iyi performans yaklaşık üçte iki dolulukta görüldü ve bu, boş bir çelik kutuya kıyasla yaklaşık %50 daha fazla taşıma kapasitesi sağladı. Ancak bunun ötesinde doluluk oranının artırılması aşırı yükler altında dayanımı sürekli iyileştirmedi; fazla beton ağırlık ekler ve çatlayabilir, dolayısıyla her zaman daha fazla eğilmeyi taşımasına katkıda bulunmaz. Testler ayrıca, çelik ve betonun bazı kısımları akmaya başlasa bile kirişin derinlik boyunca basit, neredeyse lineer bir şekilde deform olduğunu doğruladı; bu durum klasik kiriş teorisinin tasarım için kullanılmasını destekliyor.

Test verilerinden tasarım formüllerine

Deneyler üzerine kurulan yazarlar, tasarımcılar için büyük öneme sahip iki büyüklüğü tahmin eden matematiksel ifadeler geliştirdiler: çatlama momenti (betonun ilk çatladığı eğilme seviyesi) ve nihai moment (kirişin dayanabileceği en yüksek eğilme). Bu formüller, kesit geometrisini, çelik ve beton dayanımını, ön germe seviyesini ve kutunun ne kadarının dolu olduğunu dikkate alır. Fiziksel testler ve ayrıntılı bilgisayar simülasyonlarıyla karşılaştırıldığında ortalamada çok yakın sonuç verdiği bulundu. Bu araçlarla mühendisler, sadece ayrık test edilmiş durumlara güvenmek yerine kağıt üzerinde beton doluluk oranını ve ön germeyi sürekli olarak değiştirip performansı maksimize eden veya malzeme kullanımını minimize eden kombinasyonları arayabilirler.

Beton dolumu ve ön germe için en uygun aralığın bulunması

Analiz bazı açık yönlendirici eğilimleri ortaya koyuyor. Beton dolumu iç derinliğin yaklaşık %60’ının altında kaldığı sürece, incelenen kirişlere benzer kirişlerde normal servis koşullarında betonun çatlamadan kalması beklenir. Bunun ötesinde daha fazla dolum aslında çatlama direncini düşürebilir, yine de ağırlık ekler. İç plakaların katkısı basitleştirmek için göz ardı edildiğinde, teori nihai eğilme dayanımının dolum oranı yaklaşık %41’de maksimuma ulaştığını öngörüyor; bu, basit bir “ne kadar çok o kadar iyi” kuralı yerine ara bir optimal beton miktarının bulunduğunu vurguluyor. Ön germe çatlama momentini yükseltmeye devam ediyor, ancak belirli test koşullarında nihai dayanımı önemli ölçüde değiştirmiyor çünkü ön germe çubukları kendi sınırlarına önce ulaşıyor. Gelecek tasarımlarda daha güçlü tendonların kullanılması, ön germenin faydasını aşırı yük aralığına da taşıyabilir.

Gelecekteki köprüler için anlamı

Okuyucular için temel çıkarım, biçimlendirilmiş bir çelik kutunun içine yerleştirilen beton miktarı ile iç çelik çubukların ne kadar güçlü çekileceğinin dikkatle dengelenmesiyle mühendislerin sarkma ve çatlamaya karşı çok daha iyi direnç gösteren kirişler yaratabileceğidir; bu, sadece hacim eklemekle sağlanmaz. Çalışma, güvenli beton dolum aralıklarına işaret eden ve ne kadar ön germe yapılmasının değerli olduğunu gösteren tasarım hazır formüller sunuyor. Pratikte bu, uzun açıklıklı köprüler ve benzeri yapılar için daha hafif, malzeme açısından daha verimli ve daha dayanıklı çözümler anlamına gelir; aynı zamanda sıkı güvenlik ve kullanım şartlarını da karşılamaya devam eder.

Atıf: Su, Q., Zhang, Z. & Li, S. Theoretical analysis of prestressed unequal-walled rectangular concrete-filled steel beams. Sci Rep 16, 8712 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41341-5

Anahtar kelimeler: betonla doldurulmuş çelik kirişler, ön gerilmeli yapılar, köprü mühendisliği, yapısal optimizasyon, kompozit kirişler