ÇATILARDA KAR YÜKÜNÜN BELİRLENMESİ

Karın, özellikle kar yağışının yoğun olarak gözlendiği bölgelerde, yapılar üzerinde birikimi çatı çökmelerine veya hasarlarına neden olabilmektedir. Bir çatı üzerinde oluşacak kar birikmesi, çatının şekli, eğimi, malzemenin pürüzlülüğü, yapıya ve güneş ışınımına bağlı ısıl geçişler gibi her çatı için farklılıklar gösterebilecek çok sayıda faktöre bağlıdır ve bu durum çatı kar yükünün belirlenmesini zorlaştırır. Pratikte, basit şekilli çatların (sundurma, beşik, kubbe, silindir vb) projelendirilmesinde kullanılacak kar yükü yapının inşa edileceği ya da edildiği alanın zemin kar yükü esas alınarak elde edilir. Karın, çatı üzerindeki birikimini belirleyen faktörler ise boyutsuz dönüştürme katsayıları ile ifade edilir ve bu katsayılar yardımıyla zemin kar yükü çatı kar yükün dönüştürülür. Zemin kar yükü, kar örtüsünün zemin yüzeyine uyguladığı normal gerilmelerdir ve göz önüne alınan bölgenin meteorolojik özelliklerine bağlı, zamana (mevsime) ve yere (yüksekliğe) göre farklılıklar gösteren rasgele bir değişkendir. Bu nedenle, zemin kar yükü uzun dönem kar verilen yardımıyla istatiksel yöntemlerle tahmin edilir. Zemin kar yükü ile ilgili temel veriler gözlem istasyonlarınca ölçülen kar derinliği ve kar-su eşdeğerleridir. Kar yükü hesabında uyulması gereken esaslar, zemin kar yükü değerleri ve dönüştürme katsayıları birçok ülkede yapı standartları içinde yer almış olup Türkiye'de de halen Türk Standartları TS 498/1987 içinde verilmektedir. Çatı ısı yalıtımı uygulamaları ile kar yığılmaları belli ölçüde engellenebilmektedir.

ZEMİN KAR YÜKÜNÜN BELİRLENMESİ

Yapıların projelendirilmesinde kar örtüsünün, bulunduğu zemin yüzeyine uyguladığı normal gerilmelerden yararlanılır ve bu gerilmelere zemin kar yükü adı verilir. Zemin kar yükünün esas bileşeni ağırlık kuvvetidir. Zemin kar yükü, hızdan bağımsız bir yük olup (kar örtüsünde ortaya çıkacak küçük miktardaki oturmalar ihmal edildiğinden) kar derinliğinin, kar yoğunluğunun ya da kar-su eşdeğerinin bir fonksiyonudur ve bu parametreler rasgele değişkenler olmaları nedeniyle istatistiki olarak tahmin edilen büyüklüklerdir. Zemin yüzeyine paralel gerilmeler ise kar birikmesi sonucu yapıların yanal duvarlarına gelebilecek yüklerin veya çığ bariyerlerinin projelendirilmesinde kullanılan yüklerdir. Bir yapı üzerine etkiyebilecek kar yükü, yüzyılın başında bölgesel özelliklerden bağımsız ve düzgün yayılı bir yük olarak (1KPa) alınmış; NBCC (National Building Code of Canada)/1941'de ise Ocak, Şubat, Mart aylarında oluşacak kar yağışlarının ortalamasına, yine bu dönemde düşecek 24 saatlik maksimum yağışın (yağmur) eklenmesiyle elde edilmiştir. Bu yaklaşım 1951 yılına, zemin kar yükünün meteorolojik yetilerin istatistiki analizi ile tahmin edilmesine kadar kullanılmıştır. Türkiye'de ise kar yükünün belirlenmesinde, TS 498/1987'de getirilen esaslar kullanılmakta ancak zemin kar yükü ayrı bir yük bileşeni olarak dikkate alınmamaktadır Göz önüne alınan herhangi bir bölgenin zemin kar yükü analizi kısaca şu aşamalardan oluşur:

a) Bölgedeki mevcut istasyonlara ait yıllık maksimum kar verilerinin (kar-su eş değeri, kar derinliği) derlenmesi.

b) Elde edilen veriler yardımıyla her istasyon için, uygun bir olasılık dağılımı ve uygun bir yineleme periyodu kullanılarak, yapının bu dönem içinde karşılaşabileceği maksimum kar-su eşdeğeri veya kar derinliğinin tahmini ve kar yükünün hesabı.

c) Her istasyon için elde edilen kar yükü değerlerinin bölge için (spatial extrapolation) genelleştirilmesi.

Çatıların projelendirilmesi aşamasında kullanılacak zemin kar yükü, kar derinliklerinden yararlanılması durumunda yapının belirlenen ömrü boyunca karşılaşabileceği maksimum kar yükü olup, P_g: zemin kar yükü (kN/m²), ƴ karın özgül ağırlığı (kN/m³), H (T):T yıllık yineleme periyodu için tahmin edilen maksimum kar yüksekliği (m) olmak üzere, aşağıdaki şekilde ifade edilebilir:

P_g = ƴ H (T)

Maksimum kar derinliğinin tahmininde aylık en yüksek kar verilerinin kullanılması, özellikle kış mevsiminin ılık geçtiği bölgelerde, kar örtüsünde erime nedeniyle oluşabilecek değişimleri yansıtmayabilir. Bu durumda, tahmin edilen kar derinliklerinin erime indeksi (melting index) ile çarpılarak düzeltilmesi gerekir. Erime indeksi değerleri karın erime karakteristiğine göre 1,1 ile 1,6 arasında değerler alabilir.

Kar yükünün hesabında sabit bir kar yoğunluğu değerinden yararlanılabilir, ancak kullanılacak yoğunluk değerinin göz önüne alınan bölgeyi temsil etmesi gerekir. Sabit kar yoğunluğu, özellikle maksimum kar derinliğine ulaşıldığında kar örtüsünün sahip olacağı heterojen yapı nedeniyle, kar yoğunluğunda ortaya çıkacak değişimleri yansıtmaz. Bu nedenle, kar yoğunluğu genellikle kar derinliği, sıcaklık gibi değişik parametrelerle kurulan ampirik ilişkiler yardımıyla tahmin edilir.

Kar yükü analizlerinde yaygın olarak kullanılan olasılık dağılımları Gumbel ve Lognormal dağılımı olmakla birlikte, Avrupa ve Kanada'da Gumbel dağılımı, A.B.D'de ise Lognormal dağılım yaygın olarak kullanılmaktadır. Yineleme periyodunun (T) ise yapının belirlenen ekonomik/fiziksel ömrüne göre seçilmesi gereklidir. Ancak, bu her zaman ekonomik olmayabileceğinden güvenilirlik-ekonomi arasındaki dengeyi sağlayacak yineleme periyodunun seçilmesine dikkat edilir; 30 yıllık yineleme periyodu tahmin edilecek yükün güvenli ve ekonomik olması bakımından uygun olarak değerlendirilmektedir. Kar derinlikleri kullanılarak tahmin edilen yükler, kış dönemi içinde yağmur olarak düşecek yağışın neden olacağı yükleri içemez. Bu durum, kar yükünü arttıracağından, yağmurun neden olacağı ilave yüklerin ayrı bir bileşen olarak kar yükün ilave edilmesi gerekir. Kar yükünün belirlenmesinde kar-su eşdeğerlerinden yararlanılması durumunda ise, kar-su eşdeğerleri erime nedeniyle kar örtüsünde ortaya çıkacak değişimleri yansıtacağından, yükün yağmur bileşenlerinin kullanılmasına gerek duyulmaz. Her meteoroloji istasyonu veya kar kursu için tahmin edilen maksimum zemin kar yüklerinin göz önüne alınan bölge için genelleştirilmesinde Verilerin Normalizasyonu (Data Normalization) yöntemlerinden yararlanılabilir. Bu yöntemde, kar yükünün normalize edilen değeri, yükün deniz seviyesine (veya bir referans düzlemine) indirgenen değeridir ve bu yöntemde, kar yükünün normalize edilen değerleri, her istasyon için tahmin edilen maksimum kar yükü değerlerinin istasyonun kotuna bölünmesi ile elde edilir. Böylece yükün yüksekliğe bağlı değişimi ( kN/m2/ m) belirlenebilir. Kar yükünün yüksekliğe bağlı değişimi göz önüne alınan bölgenin klimatolojik özelliklerine bağlı olarak değişik fonksiyonel ilişkiler gösterir. Yağışlı bölgelerde yükseklikle kuadritik olarak değişen zemin kar yükü kurak ve soğuk bölgelerde lineer bir değişim göstermekte olup İngiltere'de ve İsviçre'de kuadritik; Kanada da ise lineer değişim kabul edilerek normalize kar yükü değerleri hesaplanmıştır.

ÇATI KAR YÜKÜNÜN BELİRLENMESİ

Kar, özel yapımlı çatılar dışında (farklı ve karmaşık geometrik özellikler gösteren çatılar), basit şekilli çatılar üzerinde göz önüne alınan bölgenin rüzgar özelliklerine göre düzgün ve düzgün olmayan bir dağılım gösterebilir. Çatı kar yükü, yapının inşa edileceği alanın zemin kar yüküne göre, çatı şekli, çatı malzemesinin pürüzlülüğü, rüzgarın ve güneş ışınlarının çatı üzerindeki dağılımı, yapıdan kaynaklanan mil geçişler de dikkate alınarak belirlenir. Çatı kar yükü, karın çatı üzerinde birikimini etkileyen faktörlere bağlı olarak elde edilen boyutsuz dönüştürme katsayı veya katsayılar ile zemin kar yükünün çarpılması sonucu elde edilen proje yüküdür. Bu boyutsuz dönüştürme katsayıları birçok ülkede arazide ve laboratuvarda yapılan çalışmalarda kaydedilen yerlerin analizleri sonucu saptanmış ve yapı standartları içinde verilmiştir. Farklı geometrik özellikler gösteren özel yapımlı çatılarda ise, çatı kar yükü laboratuvar çalışmaları (rüzgar tüneli deneyleri vb) ile belirlenmektedir.

Teras çatılarda kar yükü : Karın çatı üzerindeki dağılımını belirleyen esas faktör rüzgar olup kar yağışı ile birlikte rüzgarın "olmadığı veya çok az olduğu" durumlarda tüm çatı üzerinde karın düzgün yayılı ve simetrik bir dağılım göstereceği söylenebilir. Bu da çatının projelendirilmesi sırasında, kış mevsimi için göz  önüne alınan bölgede hakim rüzgar koşullarının doğru belirlenmesini gerektirir.

Eğimli çatılarda kar yükü : Eğimli çatılarda, çatı eğimi kar yükünü belirleyen önemli bir etkendir. Yeterince dik bir eğime sahip ve kar kaymasının engellenmediği, kayıcı yüzeye sahip çatılarda oluşabilecek kar kayması, çatı üzerinde büyük miktarlarda kar birikmesini engelleyeceğinden, proje yükünü önemli miktarda azaltır. Kar kütlesi, çatı üzerinde çatı yüzeyine paralel etkiyen bileşke ağırlığı ile kaymaya çalışırken; harekete ters yönde etkiyen sürtünme, adhezyon, çatı sırtındaki çekme ve saçakta oluşabilecek basınç kuvvetleri ile dengede kalır. Kar kaymasının nedeni, kar örtüsündeki erime sonucu çatı-kar yüzeyleri arasında kaymaya karşı koyan kuvvetlerde (adhezyon, sür-türüne) meydana gelecek azalma olabileceği gibi, bu yüzeyler arasındaki kayma gerilmelerinin aşılması da olabilir.

Düzgün Yayılı Olmayan Kar Yükü : Yağışta birlikte veya yağış sonrasında, rüzgarın etkisiyle kar çatı üzerinde, düzgün olmayan dağılımlar gösterebilir. Bu tür dağılımlar asimetrik ve yersel birikmeler olmak üzere iki grup içinde değerlendirilebilir.

Asimetrik dağılmış kar yükü : Asimetrik yük durumu, yağışın rüzgarla birlikte ortaya çıktığı durumlarda meydana gelebileceği gibi çatı üzerindeki mevcut karın taşıması ile de ortaya çıkabilir. Ayrıca, eğimli çatılarda ortaya çıkabilecek kar kaymaları da asimetrik yüklere neden olabilir. Asimetrik dağılım, karın çatı üzerinde rüzgarüstü eğimli yüzeyden, rüzgaraltı eğimli yüzeye taşınması ile oluşur ve genellikle çatının rüzgaraltı kesiminde düzgün yayın bir dağılımın varlığı kabul edilirken; rüzgarüstü yüzeyde yük olmadığı varsayılır. Asimetrik yükün belirlenmesi için farklı yaklaşımlar olmakla birlikte, asimetrik yük durumu için gerekli çatı eğimi 15°-20° ve yük değeri ise düzgün yayılı yükün 1,25 ile 1,5 katı kadar kabul edilebilmektedir.

Yersel dağılmış kar yükü : Farklı yüksekliklere sahip bitişik veya çok katlı çalıların bulunduğu yapılarda, alçak çatılarda oluşabilecek kar yığılmaları çatı kar yüklerini proje yüklerinden daha büyük değerlere ulaştırabilmektedir. Kar yığılmalarının nedeni, rüzgarın yapının keskin yüzeyleri ile karşılaşmasıyla akım çizgilerinin bozulması sonucu, yüksek çatıda yüzeye  yaklaşan en dıştaki akını çizgilerince taşınan karın hızın düştüğü alçak çatılar üzerinde birikmesidir.

Alçak çatılar üzerinde ortaya çıkabilecek kar yığılmaları rüzgar yönüne bağlı olarak üçgen .veya dörtgen şekillerde oluşabilir. Dörtgen şeklindeki yığılmalar, yüksekteki çatının alçak çatının rüzgaraltı yönünde ya da mevcut rüzgar yönünün sağdan sola olması durumunda meydana gelir. Bu tip yığılmaların başka bir nedeni de, yapıdan kaynaklanan ısıl geçişler sonucunda üçgen şeklindeki yıkılmalarda meydana gelecek erimeler olarak yenilebilir. Üçgen şeklinde yığılmalar ise, alçak çatının yüksekteki çatının rüzgaraltı yönünde ya da mevcut rüzgar yönünün soldan sağa olması sonucunda oluşur.