MALZEME BİLİMİ

Betonarme! 150 yıldır dünyamıza hükmeden ve muhtemelen, yakın geleceğimizde de hayatımızın ayrılmaz bir parçası olacak, beton ve çeliğin, yani zıtlığın muazzam uyumu. Doğanın gücüne karşı mücadele etmek, aslında onu isteklerimiz doğrultusunda yönlendirmek, 60 bin yıllık Homo Sapiens tarihinin hep bir parçası oldu. Bir akarsuyun doğal yönünü değiştirerek barajları doldurmak veya denizleri doldurarak muazzam dalgalara karşı göğüs germek. İşte tüm bunları mümkün kılan, günümüzde malzeme biliminin bizlere armağanı olan beton ve çeliktir. Peki neden beton ve çeliği bir arada kullanırız?

Malzeme bilimcilerinin ve İnşaat Mühendislerinin meşhur laflarından biri şudur: ‘’Bir malzemenin belirli bir özelliği çok iyiyse, mutlaka bir özelliği çok kötüdür’’ Doğada hiçbir zaman genleşme, dayanım, ısı transferi vb. özelliklerin hepsini bir arada barındıran, herhangi bir malzeme mevcut değil. En azından günümüzde ki kullanılabilir teknoloji ile henüz bu noktada değiliz. Bu sebeple farklı özellikleri iyi olan, iki veya daha fazla malzemeyi bir arada kullanarak, her malzemenin en iyi özelliğinden faydalanmaya çalışırız. Burada ki ana kavram malzemelerin birlikte çalışmaları ve istediğimiz özelliklerini, homojen bir davranışla bize vermesidir.

İnşaat sektöründe yapılan birçok yapının, betonarme yani beton ve çeliğin birlikte kullanılması ile yapıldığını zaten biliyoruz. Bu bağlamda İnşaat Mühendisleri, tasarladıkları ve inşa ettikleri yapılardan temel anlamda iki davranış bekler. Bunlardan ilki, yapının kendi ağırlığını ve yıllar boyunca üzerinde sürekli oluşması beklenen hareketli-ölü yükleri emniyetli bir şekilde taşıması. İkincisi, yapının üzerine etki eden deprem yüklerine, sağlıklı bir şekilde göğüs gerebilmesi. Yani basitçe düşünmek gerekirse, bize yer çekimi yönü doğrultusunda gelen kuvvetlere karşı göğüs gerebilecek, bir başka deyişle basınca karşı dayanıklılık sağlayacak bir malzeme ve gelen deprem yüklerine karşı yani yatay yönde ki kuvvetlere karşı dayanıklı bir malzeme gerekiyor.

İşte tamda bu noktada beton ve çelik bizim için bulunmaz nimet konumunda. Betonun içerdiği çimento, su ve agrega sayesinde zamanla mukavemet kazanan, sertleşen ve basınç etkilerine karşı muazzam derece de dayanıklı bir malzeme haline geliyor. Çelik ise içerdiği demir-karbon sayesinde, çekme dayanımına yani yatay kuvvetlere karşı dayanıklıdır. Beton ve çeliğin birbirinden bağımsız ve zıt bu iki özelliği sayesinde tonlarca ağırlıkta ki yapılar ayakta dururken, aynı zamanda deprem kuvvetine karşı doğaya bir nebze olsun karşı koymaya çalışıyoruz. Bu iki malzemeyi kullanırken, aynı zamanda kullanım amacına ve maruz kalacağı yüklere göre, farklı formlarda da üretebiliriz. Örneğin bir baraj inşasında kullandığımız betonu, suyun yarattığı yüksek basıncı eşit miktarda dağıtabilmek için, yay şeklinde kullanabiliriz veya bir gökdelen inşasında kullandığımız çeliğin, çaplarını yükselterek deprem kuvvetine karşı daha dayanıklı bir form yaratabiliriz.

Fakat birbirinden bağımsız karakterlere sahip bu iki malzeme, birbirleri ile kusursuz uyum içerisinde nasıl çalışacak?

Tam da bu noktada, sorumuza cevap olacak kavramlardan en önemlisi karşımıza çıkıyor. Genleşme Katsayısı. Genleşme katsayısı, bir maddenin ısı etkisiyle genleştiği miktarın belirlenmesi için kullanılan bir katsayıdır. Yani bir malzemeye ısı verdiğimizde, maddeleri meydana getiren atomların enerji seviyeleri ile oynamış oluruz. Bu enerji seviyesinde yaşanan değişimler, moleküler bağ uzunluklarını değiştirir. Bu sayede madde genleşir. Bu kapsamda betonun ve çeliğin genleşme kat sayılarına baktığımızda, bu sayılar birbirlerine oldukça yakındır. Bunun anlamı aynı sıcaklık değerleri altında, beton ve çelik birbirlerine çok yakın miktarlarda uzama veya kısalma davranışı gösterirler. Bu sebeple beton ve çelik birbirleri ile uyumlu çalışırlar. Bir araya geldiklerinde ise betonarme sistemleri yani muazzam zıtlığın uyumunu oluştururlar. Eğer bu iki malzemenin genleşme katsayıları, birbirlerinden çok uzak farklı değerlere sahip olsalardı. Aynı sıcaklık altında, çelik uzama eğilimi gösterirken, beton bu eğilimi göstermeyecek, bu durumda yüksek deformasyona ve malzemelerin kendi özelliklerini ayrı ayrı sergilemesine yol açacaktı. Çelik basınca karşı dayanamazken, beton çekme kuvvetlerine karşı direnç gösteremeyecek ve büyük yıkımlara sebep olacaktı.