Yer Altı Evinde Yapısal Sistem: Toprağın Altında Ayakta Duran İskelet

Şimdiye kadar yer altı evini kuru tuttuk, ısıttık, serinlettik, havalandırdık, aydınlattık, suyunu ve elektriğini getirdik. Ama bütün bunların üstünde duran, hepsini mümkün kılan bir şey var: yapı. Toprağın altındaki bir ev, sıradan bir evden çok farklı ve çok daha büyük bir yükü taşımak zorundadır. Üstünde metrelerce toprak, yanlarında toprağın itme kuvveti, üzerinde yağmurun ağırlığı vardır. Bu yükleri güvenle taşıyan güçlü bir iskelet olmadan, hiçbir yer altı evi ayakta duramaz. İşte bu yazı, toprağın altında yaşamayı mümkün kılan o güçlü yapısal sistemi anlatıyor.

Bu yazıda, yayınlanmış gerçek yer altı evi projelerinden ve mühendislik rehberlerinden derlediğimiz bilgilerle yapısal sistemi ele alıyoruz: toprak yükü nedir, neden betonarme kullanılır, toprak setli (bermed) ve tam gömülü ev tipleri, çatı sistemleri, istinat (dayanma) duvarları ve yanal basınç, kemer-tonoz-kubbe gibi güçlü biçimler, yeşil çatının yükü, ve yapının su yalıtımıyla ilişkisi. Serinin su yalıtımı ve drenaj yazılarında suyu konuşmuştuk; şimdi o suya ve toprağa karşı ayakta duran iskeleti inceliyoruz.

Yazının içine, yapısal sistemleri gösteren kaynağı belirtilmiş görseller ve gerçek yer altı evi yapımını gösteren iki video yerleştirdik.

İçindekiler

• Toprak yükü: taşınan ağırlık
• Neden betonarme
• İki temel tip: toprak setli ve tam gömülü
• İstinat duvarları ve yanal basınç
• Çatı sistemi
• Kemer, tonoz ve kubbe
• Yeşil çatının yükü
• Yapı ve su yalıtımı ilişkisi
• Uygulamadan izleyelim
• Gerçek projelerden dersler
• Merak edilenler
• Kaynaklar

Toprak yükü: taşınan ağırlık

Yer altı evinin yapısını anlamak için önce üstündeki yükü anlamak gerekir. Sıradan bir evin çatısı sadece kendi ağırlığını, karı ve rüzgarı taşır. Oysa yer altı evinin çatısı, üstündeki metrelerce toprağın ağırlığını taşır; bu, metrekare başına tonlarca yük demek olabilir. Toprak ıslandığında (yağmurdan sonra) daha da ağırlaşır.

Yük sadece yukarıdan gelmez. Toprak, yer altı evinin duvarlarını yandan da iter; buna “yanal toprak basıncı” denir. Yani duvarlar hem üstteki ağırlığı taşır hem de yanlarından gelen bu itme kuvvetine dayanmak zorundadır. Green Home Building gibi kaynakların yer altı yapı tasarımında en çok vurguladığı konu tam da budur: yapı, hem düşey (üstten) hem yanal (yandan) yükleri güvenle karşılayacak şekilde hesaplanmalıdır.

İşte bu yüzden yer altı evi, gelişigüzel yapılamaz; mutlaka bir mühendis hesabıyla tasarlanır. Yükler doğru hesaplanmazsa, çatı çöker ya da duvarlar toprağın basıncıyla içeri doğru eğilir. Ama doğru hesaplanıp doğru malzemeyle yapıldığında, yer altı evi belki de en dayanıklı ev tiplerinden biridir; deprem, fırtına ve yangına karşı sıradan evlerden çok daha güçlüdür. Sonraki başlıklar, bu yükleri taşıyan malzeme ve biçimleri anlatıyor.

Neden betonarme

Bu ağır yükleri taşımak için en yaygın kullanılan malzeme betonarmedir (çelik donatılı beton). Beton, basınca (ezilmeye) çok dayanıklıdır ama çekmeye (gerilmeye) karşı zayıftır; içine yerleştirilen çelik donatı (demir) ise tam tersine çekmeye dayanıklıdır. İkisi birleşince, hem basınca hem çekmeye dayanan, son derece güçlü bir malzeme ortaya çıkar.

Yer altı evinde betonarme, hem duvarlarda hem çatıda kullanılır. Üstteki toprak yükünü taşıyan bir tavan döşemesi, yanal toprak basıncına dayanan kalın duvarlar, hep çelik donatılı betondan yapılır. Betonun bir başka avantajı, serinin ısı ve nem yazılarında anlattığımız termal kütledir: ağır beton, hem yük taşır hem ısı depolar; tek malzeme birçok işi birden görür.

Betonarme dışında, bazı projelerde farklı yapı sistemleri de kullanılır: güçlendirilmiş kagir (taş/tuğla), çelik kemerli sistemler (Quonset tipi) ya da özel prefabrik (hazır) modüller. Ama hepsinin ortak amacı aynıdır: toprağın düşey ve yanal yükünü güvenle taşımak. Hangi sistem seçilirse seçilsin, yer altı evinin yapısı, sıradan bir evinkinden çok daha güçlü boyutlandırılır.

İki temel tip: toprak setli ve tam gömülü

Yer altı evleri, toprağa gömülme biçimine göre iki temel tipe ayrılır. Birincisi “toprak setli” (bermed) evdir: ev aslında zemin seviyesinde ya da hafif çukurda kurulur, sonra duvarlarının ve çatısının bir kısmı toprakla örtülür. Genellikle bir cephe (güney) açık kalır, diğer üç taraf ve çatı toprağa yaslanır. Bu tip daha kolay yapılır, daha çok gün ışığı ve manzara sağlar.

İkincisi “tam gömülü” (true underground) evdir: ev tamamen zeminin altına, bir çukura ya da yamaca gömülür; üstü ve çoğu tarafı toprakla örtülüdür. Bu tip, toprağın koruma ve ısı avantajlarından en üst düzeyde yararlanır ama yapısal olarak daha zorlu ve daha pahalıdır; ışık ve havalandırma için çatı pencereleri, avlular ve ışık tüpleri (aydınlatma yazısında anlattığımız gibi) gerektirir.

Hangi tipin seçileceği araziye, iklime ve bütçeye bağlıdır. Eğimli bir arazi, toprak setli eve doğal olarak uygundur: ev yamaca gömülür, açık cephe aşağı bakar. Düz bir arazide ise ya toprak yığılarak set yapılır ya da çukur kazılır. İki tip de aynı yapısal ilkeye dayanır: toprağın yükünü taşıyabilen güçlü bir kabuk. Farklılık, o kabuğun ne kadarının toprakla örtüldüğündedir.

İstinat duvarları ve yanal basınç

Yukarıda anlattığımız yanal toprak basıncı, yer altı evinin duvarlarının en büyük sınavıdır. Toprak, duvarı sürekli içeri doğru iter; özellikle ıslak toprak çok daha ağır iter. Bu itmeye dayanan duvarlara “istinat duvarı” ya da “dayanma duvarı” (retaining wall) denir.

İstinat duvarları, bu yanal basınca dayanmak için kalın, güçlü ve iyi donatılı yapılır; bazen tabanları daha geniş tutulur ya da payandalarla desteklenir. Green Home Building gibi kaynakların vurguladığı gibi, duvarın arkasındaki toprak basıncını azaltmanın en etkili yolu, serinin drenaj yazısında anlattığımız iyi bir drenajdır: duvarın arkasındaki suyu uzaklaştırmak, hem su basıncını hem de toprağın ağırlığını azaltır. Yani drenaj, sadece kuruluk için değil, yapısal güvenlik için de hayatidir.

Bu yüzden yer altı evinde yapı ve drenaj birlikte düşünülür: güçlü bir istinat duvarı, arkasında iyi bir drenajla birleştiğinde, toprağın hem itme kuvvetine hem su basıncına güvenle dayanır. Duvarın arkasına su birikmesine izin verilirse, en güçlü duvar bile zamanla zorlanır. İyi tasarlanmış bir yer altı evinde, her duvar hem yükü taşır hem de arkasındaki suyu drenajla boşaltır.

Çatı sistemi

Yer altı evinin en zorlu yapısal parçası çatıdır; çünkü üstündeki bütün toprak yükünü o taşır. Çatı sistemi temel olarak iki yaklaşımla çözülür: düz (kiriş-döşeme) sistem ve eğrisel (kemer, tonoz, kubbe) sistem.

Düz çatı sistemi, kalın betonarme bir döşemenin, kirişler ve kolonlarla desteklenerek toprak yükünü taşımasıdır. Yapımı ve iç mekan düzeni daha kolaydır (düz tavan, düz duvar), ama üstteki ağır yükü taşımak için çok kalın ve çok donatılı olması gerekir; bu da maliyet demektir. Yine de birçok modern yer altı evi, pratikliği için düz döşeme sistemini kullanır.

Çatının üstü, serinin su yalıtımı ve drenaj yazılarında anlattığımız gibi, çok katmanlı hazırlanır: yapısal döşeme, üstüne su yalıtımı, drenaj tabakası, ve en üstte toprak örtüsü (çoğu zaman yeşil çatı). Yani çatı sadece bir taşıyıcı değil, aynı zamanda suyu tutan ve uzaklaştıran bir sistemdir. Bu katmanların hepsi bir arada, hem yükü taşır hem evi kuru tutar.

Kemer, tonoz ve kubbe

Ağır toprak yükünü taşımanın en zekice yollarından biri, geometriden yararlanmaktır: kemer, tonoz ve kubbe. Bu eğrisel biçimler, üstlerine binen yükü, malzemenin en güçlü olduğu yöne (basınca) çevirir ve zemine yayarak taşır. İnsanlık bunu binlerce yıldır bilir; Roma kemerlerinden Osmanlı kubbelerine kadar, ağır yükler hep bu biçimlerle taşınmıştır.

Yer altı evinde kubbe ya da tonoz (yarım silindir tavan) kullanmanın büyük avantajı, aynı gücü çok daha az malzemeyle sağlamasıdır. Düz bir döşeme, toprak yükünü eğilerek taşımaya çalışır (bu yüzden çok kalın olmalı); oysa bir kemer ya da kubbe, yükü basınç olarak yanlara ve aşağı aktarır, bu da onu doğal olarak çok güçlü kılar. Monolitik kubbe (tek parça beton kubbe) evler, tam da bu prensiple, toprağın altında olağanüstü dayanıklı yapılar oluşturur.

Eğrisel sistemlerin dezavantajı, iç mekan düzeninin ve yapımın daha zor olmasıdır (eğri duvarlara mobilya yerleştirmek, kalıp yapmak zordur). Bu yüzden seçim, güç-verimlilik ile pratiklik arasında bir dengedir. Ama şu net: toprağın altında en az malzemeyle en çok güç isteniyorsa, doğanın ve tarihin cevabı kemer, tonoz ve kubbedir.

Yeşil çatının yükü

Birçok yer altı evinin çatısı, üstündeki toprakta çim ve bitki yetişen bir “yeşil çatı”dır (çimenli çatı). Bu, hem güzel görünür hem de yalıtım ve su tutma sağlar; ama yapısal açıdan da önemli bir yük demektir. Toprak, bitkiler ve özellikle yağmurdan sonra suya doymuş toprak, ciddi bir ağırlık oluşturur.

Bu yüzden yeşil çatının yükü, yapı hesabına en baştan katılmalıdır. Çatı, sadece kuru toprağın değil, en ağır halinin (doymuş, ıslak toprak artı kar) yükünü taşıyacak şekilde tasarlanır. Toprak örtüsünün kalınlığı da bu hesaba göre belirlenir: daha kalın toprak daha iyi yalıtım ama daha çok yük demektir; ikisi arasında bir denge kurulur.

Yeşil çatı ayrıca serinin drenaj yazısında anlattığımız gibi iyi bir drenaj tabakası ister; suyun toprakta birikip hem yükü artırması hem de yalıtıma yüklenmesi istenmez. Doğru tasarlanmış bir yeşil çatı, yükü hesaplanmış, drenajı çözülmüş, su yalıtımı sağlam bir sistemdir; işte o zaman hem güzel hem güvenli olur. Yer altı evini doğanın içinde gizleyen o çim örtüsü, aslında dikkatle mühendislik yapılmış bir katmandır.

Yapı ve su yalıtımı ilişkisi

Yapısal sistemi konuşurken, serinin ilk yazısındaki su yalıtımını hatırlamamak olmaz; çünkü ikisi ayrılmaz. Green Home Building’in yer altı yapıları için en çok tekrarladığı uyarı şudur: yer altı evinin bir numaralı düşmanı sudur ve su yalıtımı, yapının kendisi kadar önemlidir.

Bunun yapısal anlamı şu: en güçlü betonarme yapı bile, su yalıtımı başarısız olursa uzun vadede zarar görür. Suyun içine sızdığı beton, donma-çözülme döngüsünde çatlar; içindeki çelik donatı paslanıp genleşerek betonu daha da çatlatır. Bu yüzden yapı ve su yalıtımı birlikte tasarlanır: sağlam bir yapı, üstüne kusursuz bir su yalıtımı, arkasına iyi bir drenaj.

İşte bu yüzden serinin ilk yazılarını (su yalıtımı, drenaj) bu yapı yazısıyla birlikte düşünmek gerekir: onlar yapının ömrünü korur, yapı da onlara sağlam bir zemin sunar. Doğru yapılmış bir yer altı evinde, güçlü iskelet, kuru bir kabuk ve iyi bir drenaj bir bütün olarak çalışır; işte bu bütünlük, toprağın altındaki bir evi on yıllarca, hatta nesiller boyu ayakta tutar.

Uygulamadan izleyelim

Yer altı evinin yapısını yazıyla anlatmak bir yana, gerçek bir evin nasıl inşa edildiğini, betonun nasıl döküldüğünü görmek çok daha etkileyicidir. Aşağıdaki iki video gerçek yapım süreçlerinden: ilkinde bir yer altı evinin beton döküm aşamasını, ikincisinde uygun bütçeyle yer altı evi kurmayı sağlayan bir prefabrik sistemi göreceksiniz. Anlatım İngilizce ama yapının nasıl kurulduğu görüntüden net anlaşılıyor.

Gerçek projelerden dersler

Yayınlanmış projelerden ve mühendislik rehberlerinden derlediğimiz yapısal dersler şöyle özetlenebilir. Birincisi, yer altı evi hem üstten (toprak ağırlığı) hem yandan (yanal basınç) büyük yük taşır; mutlaka mühendis hesabıyla tasarlanır. İkincisi, bu yükler için en yaygın malzeme betonarmedir; hem güçlüdür hem ısı depolar.

Üçüncüsü, ev toprak setli (bermed) ya da tam gömülü olabilir; ilki kolay ve ışıklı, ikincisi toprağın avantajlarından en çok yararlanan ama daha zorlu tiptir. Dördüncüsü, istinat duvarları yanal basınca dayanır; arkalarındaki drenaj yükü ve su basıncını azaltır. Beşincisi, çatı düz döşeme ya da kemer/tonoz/kubbe olabilir; eğrisel biçimler aynı gücü daha az malzemeyle sağlar. Altıncısı, yeşil çatının (ıslak toprak dahil) yükü baştan hesaba katılır. Yedincisi, yapı ile su yalıtımı ayrılmaz; su, en güçlü yapıyı bile zamanla yıpratır.

Bütün bu derslerin ortak fikri şu: yer altı evinin yapısı, doğaya meydan okumak değil, doğanın kuvvetlerini (yerçekimi, toprak basıncı, su) doğru hesaplayıp yönetmektir. İyi tasarlanmış bir yer altı evi, deprem, fırtına ve yangına karşı sıradan evlerden çok daha dayanıklıdır; toprağın koruması altında nesiller boyu ayakta kalır. Ama bu güç, ancak doğru mühendislik, doğru malzeme ve su yalıtımıyla drenajın bir arada çalışmasıyla sağlanır; ihmal edilen bir hesap, en güzel yer altı evini bile riske atar.

Merak edilenler

Yer altı evinin çatısı çöker mi?

Doğru hesaplanıp yapıldığında hayır. Çatı, üstündeki toprağın (ıslak ve karlı haliyle) tüm ağırlığını taşıyacak şekilde, kalın betonarme ya da kemer/kubbe sistemle tasarlanır. Tehlike, ancak mühendislik hesabı yapılmadan, gelişigüzel inşa edilirse doğar; bu yüzden yer altı evi mutlaka uzman hesabıyla yapılmalıdır.

Yer altı evi depreme dayanıklı mı?

Genellikle çok dayanıklıdır. Toprağa gömülü, ağır ve bütünlüklü betonarme (ya da kubbe) yapı, deprem sırasında toprakla birlikte hareket ettiği ve düşük profilli olduğu için, yerüstündeki birçok binadan daha güvenli kabul edilir. Ayrıca fırtına ve yangına karşı da doğal olarak korunaklıdır.

Toprak setli (bermed) mi, tam gömülü mü daha iyi?

Amaca bağlı. Toprak setli ev daha kolay, daha ucuz ve daha ışıklıdır; bir cephesi açık kalır. Tam gömülü ev, toprağın ısı ve koruma avantajlarından en üst düzeyde yararlanır ama yapısal olarak daha zor ve pahalıdır, aydınlatma için ek çözümler ister. Çoğu ev, arazi eğimine göre toprak setli tipi seçer.

Neden kubbe veya tonoz kullanılır?

Çünkü eğrisel biçimler, üstlerindeki yükü basınca çevirip yanlara ve aşağı aktararak, aynı gücü çok daha az malzemeyle sağlar. Düz bir döşeme yükü eğilerek taşımaya çalışır ve çok kalın olmalıdır; kubbe ve tonoz ise doğal olarak güçlüdür. Dezavantajı, iç mekan düzeninin ve yapımın daha zor olmasıdır.

Yeşil çatı yapıyı zorlar mı?

Yükü baştan hesaba katılırsa hayır. Toprak, bitkiler ve suya doymuş hali ciddi bir ağırlıktır; çatı bu en ağır durumu taşıyacak şekilde tasarlanır. Ayrıca iyi bir drenaj tabakasıyla, suyun toprakta birikip yükü artırması önlenir. Doğru hesaplanmış bir yeşil çatı hem güvenli hem de yalıtım açısından çok faydalıdır.

Yer altı evinin yapısal sistemi, aslında toprağın ve suyun kuvvetlerini doğru okuyup onlara güçlü bir iskeletle cevap verme sanatıdır: toprağın düşey ve yanal yükünü betonarme duvarlar ve çatı taşır, istinat duvarları yanal basınca dayanır, kemer ve kubbe yükü akıllıca dağıtır, drenaj ve su yalıtımı ise yapının ömrünü korur. Doğru mühendislikle kurulduğunda, toprağın altındaki bir ev deprem, fırtına ve yangına karşı sıradan bir evden çok daha güçlü, nesiller boyu ayakta kalan bir sığınak olur. Yapıyı sağlama aldık; peki toprağın altında görünmez bir tehlike, yerden sızan bir gaz olan radon ile nasıl baş edeceğiz? Bir sonraki yazımızda, yer altı evinde radon ve toprak gazları konusuna bakacağız.

Kaynaklar

Bu yazıdaki bilgiler aşağıdaki yayınlanmış kaynaklardan derlenmiştir:

• Green Home Building — Design Considerations for Earth-Sheltering (yapısal tasarım, yükler): greenhomebuilding.com
• CMHA — Earth-Sheltered Buildings (beton yapı, toprak yükü): cmha.org
• Wikipedia — Earth shelter (yapı tipleri: bermed, underground): en.wikipedia.org

Görsel kaynakları: Wikimedia Commons (dosya lisansları ve fotoğrafçı adları görsel açıklamalarında belirtilmiştir).