Bağlantı Kirişleri ve IDEA StatiCa

Bağlantı kirişleri, genellikle bir yapının yanal kuvvet direncini artırmak amacıyla yapıya eklenir. İki ayrı, bağımsız elemanı (kayma duvarları gibi) birbirine bağlayarak genel sistemin rijitliğini artırırlar. Genellikle kısa ve kalın olup derin kirişlere benzerler. Özellikle betonarme binalarda, beton kirişler biçiminde karşımıza çıkarlar ve çoğunlukla en kritik elemanlardan biri olurlar.

Şekil 1. Fisher, Andrew W., ve diğerleri. "Response of Heavily Reinforced High-Strength Concrete Coupling Beams." ACI Structural Journal, cilt 114, sayı 6, Kas.-Ara. 2017, ss. 1483+. Gale Academic OneFile, link.gale.com/apps/doc/A558752923/AONE?u=anon~dff1dbd&sid=googleScholar&xid=6f6988a6. Erişim tarihi: 1 Kas. 2022.

Bağlantı kirişleri, çoğu binada iki işlev üstlenir. Birincisi, kiriş iki kayma duvarını birbirine bağlayarak moment kapasitesini artırır. Birbirine bağlanmamış iki kayma duvarınız varsa, bir duvarın yanından uygulanan kuvvet, tipik dikdörtgen kesitli kirişlerle bağlantı olmadığından ikinci duvarı etkilemez. Bu durum, uygulanan kuvvetin yalnızca bir duvarı etkilemesi anlamına gelir ve bu duvar diğerinden bağımsız olarak hareket edebilir. Bu da binanın yapısal bütünlüğünü önemli ölçüde azaltır. Buna karşın, iki duvarı birbirine bağlayarak kiriş sistemi aracılığıyla kuvvetleri bir duvardan diğerine dağıtır ve her duvarın çektiği gerilmeyi azaltırsınız. Bağlantı kirişleri aynı zamanda yanal kuvveti ikinci duvarın uzunluğu boyunca dağıtarak gerilimi eleman boyunca daha geniş bir alana yayar ve yapısal elemanların genel direncini artırır.

Şekil 2. Yang Liu, Hai Chen, Zi-Xiong Guo & Hong-Song Hu (2020) Seismic performance of subassemblies with composite wall and replaceable steel coupling beam, Journal of Asian Architecture and Building Engineering, 19:2, 123-137, DOI: 10.1080/13467581.2020.1718679

Bağlantı kirişinin ikinci işlevi, aşırı gerilme sırasında enerji yutma kaynağı olarak görev yapmasıdır. Örneğin, bir deprem durumunda binanın basınca karşı dayanıklı olması gerekir. Dayanıklı olabilmek için yapı çok rijit olmamalıdır. Aksi takdirde, deprem gibi bir durumda bina duvar ayağından kırılarak çökebilir. Buna karşın, olağanüstü basınç altında az miktarda esneklik, yapının basınç altında temel yapısal bütünlüğünü çok daha iyi korumasını sağlar.

Bir bağlantı kirişi, bir yandan binanın bütününün tasarımını güçlendirirken öte yandan aşırı gerilme durumunda binanın daha hayati bölgelerini korumak amacıyla önce akma verecek şekilde tasarlanır. Kiriş tasarımında binanın hareketine yer açılarak yapı mühendisleri daha kararlı ve güvenli yapılar inşa eder.

Bağlantı kirişi modelleri

Model, düşük/yüksek bağlantı oranına göre enerji yutma mekanizması esas alınarak ayrıştırılabilir. Donatı oranına ve ağırlıklı olarak açıklık/yükseklik oranına bağlı olarak bağlantı kirişlerinde plastik mafsal mekanizması gelişecektir. Aşağıdaki Model 1, düşük bağlantı oranına ve l/h >4 değerine sahip olup kiriş teorisine göre tasarlanabilir; plastik mafsallar kirişin uçlarında oluşacaktır. Aşağıdaki Model 2 ve Model 3, l/h<2 ile yüksek bağlantı oranına sahip olup bu durum kesme kuvvetinden kaynaklanan farklı plastik mafsal mekanizmalarına yol açar. Modeller IDEA StatiCa Detail ve IDEA StatiCa Member ile modellenmiş ve kod kontrolü yapılmıştır.

Şekil 3. Bağlantı oranı ve plastik mafsal gelişimine göre bağlantı kirişi türleri

Yükler ve topoloji optimizasyonu

Kayma duvarları, yüksek katlı binalarda deprem veya rüzgar gibi yanal yüklere karşı koymak için etkin bir taşıyıcı sistem olarak işlev görebilir. Her katta bağımsız davranış sergileyen bu duvarları birbirine bağlayan bağlantı kirişleri, binanın yanal direnç kapasitesini artırabilir ve enerji yutabilir. Bu dinamik yüklerden kaynaklanan iç kuvvetler ağırlıklı olarak düzlem içi kuvvetlerdir. Asal gerilmeler, yapının en zorlu bölgelerini ortaya koyar ve doğru donatı düzeninin anlaşılmasına yardımcı olur. Topoloji optimizasyonu, yapı mühendislerine aşina olan basınç çubuğu ve çekme bağı yöntemini kullanır.

Şekil 4.1. Düşük bağlantı oranı için iç kuvvetler ve topoloji optimizasyonu

Şekil 4.2. Yüksek bağlantı oranı için iç kuvvetler ve topoloji optimizasyonu

Plastik mafsal mekanizması

Plastik mafsallar, bağlantı oranına bağlı olarak gelişir. Yüksek bağlantı oranlı derin bağlantı kirişleri, kirişin ortasında konumlanan kesme plastik mafsalları oluşturur. Öte yandan, düşük bağlantı oranlı bir kiriş, bağlantı kirişlerinin uçlarında plastik mafsal oluşturmak için kirişlerin düşük eğilme rijitliğinden yararlanır. 

Şekil 5. Kesme ve eğilme plastik mafsalları

Tekillikler ve gerilme

Bağlantı kirişi ile kayma duvarının birleşim noktasında oluşan keskin köşe, model sonuçlarını çarpıtan yerel bir gerilme zirvesi yaratır. Bu zirve, keskin iç köşe noktasındaki tekilliklerden kaynaklanır. Asıl soru, modellerin kendisinde bu zirvelerin nasıl ele alınacağıdır. Daha fazla bilgi için buraya tıklayın.

Bağlantı kirişleri kod kontrolü

Yönetime göre kod kontrolü, analiz prosedürünün ana bölümünü oluşturur. IDEA StatiCa Detail ve IDEA StatiCa Member kullanarak betonarme ve hibrit bağlantı kirişleri için sonuçlardan neler elde edebileceğimizi inceleyelim.

Bağlantı kirişleri – düşük bağlantı oranı

Görece basit detaylandırması ve inşaat kolaylığı nedeniyle, geleneksel betonarme bağlantı kirişi, bina tasarımında en yaygın kullanılan bağlantı kirişi türüdür. Düşük sismik risk bölgelerinde, geleneksel betonarme bağlantı kirişleri zaman zaman düz döşemeli binalarda bağlantı yaptıkları kayma duvarlarından daha geniş tutulmaktadır. Ancak geleneksel betonarme bağlantı kirişi, yüksek döngüsel kesme gerilmeleri altında iyi enerji yutma kapasitesi sağlamamakta ve histerezis tepkisinde belirgin "sıkışma" olguları görülmektedir. Bu tür bağlantı kirişlerinde, sık aralıklı enine donatı detaylandırması yapılsa dahi çapraz kesme göçmesi ve kaymalı kesme göçmesi kaçınılmazdır.

Şekil 6. Basınçtaki asal gerilme 

Şekil 7. Donatı çubuklarındaki gerilme

 Şekil 8. Donatıdaki ankraj aderans gerilmesi

 Şekil 9. Çatlak gelişimi ve yönü

 Şekil 10. Doğrusal olmayan sehim 

Bağlantı kirişleri – yüksek bağlantı oranı

Çapraz donatılı betonarme bağlantı kirişleri, özellikle açıklık/derinlik oranının ikiden küçük olduğu durumlarda mükemmel enerji yutma kapasitesiyle sünek performans sağlayan en etkin donatı kirişi türü olarak kabul görmektedir. Çapraz donatılı bağlantı kirişleri üstün rijitlik ve yüksek düzeyde sünek enerji yutma kapasitesi sergilese de bazı yapılabilirlik sorunları uygulamalarını kısıtlamaktadır.

Şekil 11. Basınçtaki asal gerilme 

Şekil 12. Donatı çubuklarındaki gerilme

 Şekil 13. Donatıdaki ankraj aderans gerilmesi

 Şekil 14. Çatlak gelişimi ve yönü

Şekil 15. Doğrusal olmayan sehim 

Hibrit bağlantı kirişi

Bağlantı kirişleri, deprem sonrası hasar gördüklerinde onarılması güç ve zaman alıcıdır. Son dönemde çeşitli araştırmacılar, deprem sonrasında onarılabilen çeşitli değiştirilebilir bağlantı kirişi türleri geliştirmiştir. Değiştirilebilir bağlantı kirişi için temel kaygılardan biri, yapıların kalıcı ötelemesini azaltmak amacıyla öz merkezleme kapasitesinin iyileştirilmesidir. 

Şekil 16. Hibrit bağlantı kirişleri modeli

Şekil 17. Eşdeğer gerilme

Şekil 18. Birinci doğrusal burkulma biçimi 

Şekil 19. İkinci doğrusal burkulma biçimi

Şekil 20. GMNIA ve deformasyon biçimi

Sonuç

Sektörde benimsenen her bağlantı kirişi türünün kendine özgü avantajları ve sınırlılıkları vardır. Bununla birlikte, bina tasarımındaki tüm durumlar için geçerli tek bir bağlantı kirişi türü mevcut değildir. Geleneksel betonarme bağlantı kirişi, kiriş kesme gerilmesinin düşük olduğu ve kirişin eğilme tarafından kontrol edildiği durumlarda çoğunlukla en uygulanabilir ve ekonomik seçenektir. Bağlantı kirişinin açıklık/derinlik oranı küçük olduğunda yüksek kesme gerilmeleri beklenir. Belirli projeler için uygun bağlantı kirişi türü seçilirken bu tür bağlantı kirişlerinin sınırlılıkları ve buna bağlı ankraj gereksinimleri göz önünde bulundurulmalıdır. Her zaman olduğu gibi, tasarımcı mümkün olduğunda inşaat ekibinin tercihlerini dikkate almalıdır; zira birçok müteahhidin her yönteme ilişkin farklı görüşleri olacaktır.