Donatılı Betonarme Konsollar (ACI)
Bu çalışmada, yedi donatılı betonarme (DB) konsol numunesinin davranışı incelenmektedir. Dayanım ve deformasyon kapasiteleri IDEA StatiCa kullanılarak hesaplanmış ve ACI 318-19 (2019) ile AASHTO LRFD (2016) prosedürleri kullanılarak hesaplanan tasarım kapasiteleriyle karşılaştırılmıştır. Sonuçlar deneysel verilerle karşılaştırılmıştır. Test edilen konsol numunelerinden biri, ABAQUS yazılımı (sürüm 2023) aracılığıyla daha ileri araştırma için temel model olarak seçilmiş; orta nokta sehimi, asal gerilme dağılımı ve çatlak örüntüleri hesaplanarak deneyler sırasında ölçülenlerle karşılaştırılmıştır (Wilson, 2017). Ayrıca, ikincil donatının konsol kapasiteleri üzerindeki etkisi ayrıntılı olarak incelenmiştir.
Deneysel Çalışma
Konsolların yapısal performansını değerlendirmek amacıyla, C0'dan C3'e kadar tanımlanan dört çift konsol numunesi, Wilson (2017) tarafından ACI 318-19 (2014)'ün Çubuk model yöntemi (STM) hükümlerine göre tasarlanmıştır. S1, S2 ve S3 olarak adlandırılan diğer üç çift konsol numunesi ise Khosravikia ve diğerleri (2018) tarafından AASHTO LRFD (2016)'nın STM hükümlerine göre tasarlanmıştır. Numuneler, Austin'deki Texas Üniversitesi Ferguson Yapısal Mühendislik Laboratuvarı'nda tasarlanmış, imal edilmiş ve test edilmiştir. C kategorisindeki dört numunenin birincil donatısında tutarlılık sağlanmış, ikincil donatı ise farklılık göstermiştir. Benzer şekilde, S1, S2 ve S3 numuneleri aynı geometriyi paylaşmış ancak hem birincil hem de ikincil donatılarda farklılıklar bulunmuştur. Yedi numunenin tamamı yalnızca düşey yüklere dayanacak şekilde tasarlanmış olup olası yatay çekme kuvvetleri göz ardı edilmiştir. Bu nedenle deney düzenekleri basitleştirilmiş, yalnızca düşey yüklere odaklanılmış ve her numune iki mesnet plakası ile desteklenmiştir. Yedi numunenin tamamı arasından C0, temel model olarak seçilmiş ve ABAQUS'ta analiz edilmiştir.
Dört numunenin tamamı (C0, C1, C2 ve C3), 14 inç (356 mm) genişlik, 24 inç (610 mm) toplam konsol yüksekliği, her iki tarafta 20 inç (508 mm) konsol uzunluğu ve 12 inç (305 mm) uzatılmış kolon yüksekliği dahil olmak üzere benzer boyutlarla tasarlanmıştır. Numunelerin geometrisi ve her numunede kullanılan donatı detayları Şekil 1.1'de gösterilmektedir. Konsol numunelerinin tasarım parametreleri Tablo 1.1'de sunulmaktadır. Şekil 1.1'deki numunelerin test edildikleri yönelimde sunulduğu belirtilmelidir.
Şekil 1.1: Donatı detaylarıyla numune tasarımı (Wilson, 2017).
ACI 318-19'a Göre Yönetmelik Tasarım Hesaplamaları
Yönetmeliğe dayalı tasarım kontrolleri gerçekleştirilmiş ve konsol numunelerinin kapasiteleri Çubuk model yöntemi (STM) kullanılarak hesaplanmış; DB konsollar için çatlak kontrolü gereksinimleri ACI 318-19 hükümleri doğrultusunda sayısal olarak incelenmiştir. Çubuk model yönteminde betonarme elemanlar, düğüm noktalarında birbirine bağlanan beton basınç çubuklarından ve çelik çekme çubuklarından oluşan varsayımsal bir kafes sistemiyle temsil edilmektedir. ACI 318-19'un STM hükümlerine göre, her çekme çubuğunun dayanım taleplerini karşılamak için yeterli donatı sağlanmalıdır. Yeterli çatlak kontrolünü sağlamak ve aşırı gerinim uyumsuzluğunu önlemek amacıyla, herhangi bir basınç çubuğunun ekseni ile bir düğüm noktasına giren herhangi bir çekme çubuğu arasındaki açının 25°'ye eşit veya daha büyük olması gerekmektedir. Üç tür düğüm noktası kategorize edilmektedir: çekme çubuğu bulunmayan düğüm noktalarını ifade eden CCC düğümleri (basınç-basınç-basınç düğümü); bir çekme çubuğu bulunan düğüm noktalarını temsil eden CCT düğümleri; ve iki veya daha fazla çekme çubuğu bulunan düğüm noktalarını belirten CTT düğümleri.
Bu numunelerin tasarımında kullanılan Çubuk model yöntemi kafes modeli Şekil 1.15'te gösterilmektedir. A ve A' Düğümlerinin yatay hizalamaları mesnet plakalarının merkeziyle hizalanmış, B ve B' Düğümleri ise kolon genişliği içindeki çeyrek noktalara konumlandırılmıştır. B ve B' Düğümlerinin düşey konumu, kolon yüzündeki dikdörtgen basınç bloğunun orta noktası olarak belirlenmiştir. Tasarım süreci, AA' Çekme Çubuğunun akma dayanımının, AB, A'B', BB', BC ve B'C' Basınç Çubuklarının basınç dayanımının ve A, A', B ile B' Düğümlerinin arka, mesnet ve eğik yüzlerinin doğrulanmasını kapsamaktadır.
Şekil 1.15: Çubuk model yöntemi (Wilson, 2017).
Tablo 1.6, ACI 318-19'dan konsol numuneleri için belirlenen tasarım kontrollerini sunmaktadır. Betonarme elemanların yapısal bütünlüğü, her biri Amerikan Beton Enstitüsü (ACI) 318-19 yapı yönetmeliğine atıfta bulunan çeşitli kontrol kalemleri aracılığıyla titizlikle değerlendirilmektedir.
IDEA StatiCa Analizi
Bölüm 1.2.1 ve 1.2.2'de açıklanan yedi donatılı betonarme konsol, bu numunelerin davranışını simüle etmek amacıyla IDEA StatiCa Detail'de uygulanan CSFM yöntemiyle modellenmiştir. Wilson (2017) tarafından C0, C1, C2 ve C3 numuneleri için (Tablo 1.3) ve Khosravikia ve diğerleri (2018) tarafından S1, S2 ve S3 numuneleri için sunulan betonun ölçülen basınç dayanımı, donatı çeliğinin akma dayanımı ve donatı çeliklerinin kopma dayanımı IDEA StatiCa Detail'e dahil edilmiştir.
Şekil 1.16: (a) 580 kips (2578 kN) yükleme altında C0 konsolu, (b) 580 (kips) yükleme altında C0'ın sehimi, (c) 580 (kips) yükleme altında C0'ın beton asal gerilmesi σ_c ve (d) donatı çeliğindeki gerinim.
ABAQUS Model Geliştirme ve Analiz
Bu bölümde, Bölüm 1.4.1'de geliştirilen temel model (yani Numune C0), sonlu elemanlar (SE) analizi için ABAQUS yazılımı (sürüm 2023) kullanılarak yeniden oluşturulmuş ve sonuçlar IDEA StatiCa'dan elde edilenlerle karşılaştırılmıştır. Modelde, öz ağırlığa ek olarak, Şekil 1.23a'da gösterildiği gibi üst mesnet plakasına 592 kips (2633 kN) düşey yük uygulanmıştır. Deneysel testlere ve IDEA StatiCa modeline benzer iki sınır koşulu (yani sağda makaralı tip ve solda eğimli semer tipi) Numune C0'a uygulanmıştır (bkz. Şekil 1.23b).
Şekil 1.23: a) ABAQUS'ta model düzeneği ve b) ABAQUS'ta iki sınır koşulunun uygulanması.
Bu modeli tanımlamak için gerekli parametreler, Ref. (Wilson, 2017)'de açıkça belirtilmediğinden kalibrasyon sonrasında deneysel testten elde edilmiştir. Çelik çubuklar için malzeme davranışı basit iki doğrulu plastisite kullanılarak modellenmiştir. Yoğunluk, elastisite modülü ve Poisson oranı dahil diğer parametreler IDEA StatiCa Detail malzeme kütüphanesinden alınmıştır. Sayısal simülasyon, 16 işlemcili (Intel Xenon® Gold İşlemci 6430 @2.10GHz) sanal bir makinede gerçekleştirilmiş ve tamamlanması yaklaşık 56 dakika sürmüştür; IDEA StatiCa Detail ise hesaplamayı bir dakikadan kısa sürede tamamlamıştır.
Şekil 1.26, 1.27 IDEA StatiCa Detail ve ABAQUS arasında asal gerilme yönü ve düşey yer değiştirme karşılaştırması.
Özet
Yedi donatılı betonarme konsol, dört farklı konsol (C0, C1, C2, C3) için ACI 318-19'a göre ve üç farklı konsol numunesi (S1, S2, S3) için AASHTO LRFD (2016)'ya göre Çubuk model yöntemi hükümleri doğrultusunda IDEA StatiCa kullanılarak incelenmiştir. Ayrıca IDEA StatiCa temel modelinden (yani Konsol C0) elde edilen sonuçlar, eşdeğer ABAQUS modelinden elde edilenlerle karşılaştırılmıştır. Numuneler, konsolların deneysel davranışını yakalamak amacıyla IDEA StatiCa kullanılarak modellenmiş ve analiz edilmiştir. Konsolların maksimum yük taşıma kapasitesi ve yük-orta nokta sehimi eğrileri, IDEA StatiCa'dan elde edilen sonuçlarla çizilmiş ve ölçülen verilerle karşılaştırılmıştır.
Şekil 1.30'da, C numuneleri için deneylerden, Çubuk model yönteminden (STM) ve IDEA StatiCa'dan elde edilen yüklerin karşılaştırmaları sunulmaktadır. Sonuçlar, PIDEA StatiCa 'nın deneysel sonuçlarla yakından örtüşmedeki etkinliğini vurgulamakta ve konsol performansının yakın-doğru tahminlerini sağlamada STM gibi geleneksel yöntemleri geride bırakmaktadır. Tüm numunelerde (C0, C1, C2 ve C3), PIDEA StatiCa tutarlı biçimde deneysel maksimum yük kapasiteleriyle (Pmax) yakın uyum sergilemektedir. C0 ve C2 numunelerinin özellikleri aynı olmakla birlikte C0 numunesi daha büyük av /d oranıyla test edilmiştir. Bu durum, av /d oranının konsolun yük taşıma kapasitesi üzerindeki etkisini ortaya koymaktadır. Konsolların kapasitesi, av /d oranıyla ters orantılı olarak değişmiştir.
Şekil 1.30: C numuneleri için ölçülen, hesaplanan (STM) ve IDEA StatiCa'dan elde edilen maksimum yük karşılaştırması.
Özetle, yedi konsol numunesinin tamamında (C0'dan C3'e ve S1'den S3'e), IDEA StatiCa tarafından tahmin edilen maksimum yükler tutarlı biçimde STM'ninkini aşmış ve S1 ile S3 numuneleri dışında deneysel sonuçlarla yakından örtüşmüştür. Özellikle S1 ve S3 için IDEA StatiCa'dan elde edilen maksimum yükler, ölçülen değerleri sırasıyla %1,5 ve %3,1 oranında aşmıştır. Genel olarak, deneysel testlerden, Çubuk model yönteminden (STM), IDEA StatiCa'dan ve ABAQUS'tan elde edilen sonuçlar makul ölçüde örtüşmektedir.
IDEA StatiCa'nın performansı açısından, sonuçların ABAQUS'unkilerle karşılaştırılabilir olduğu görülmektedir. Bu durum, IDEA StatiCa'nın yapısal davranışı doğru biçimde simüle edip analiz edebildiğini göstermektedir. Yazılımın mühendislik analizi ve tasarım görevlerindeki etkinliği ve güvenilirliği, ABAQUS gibi yerleşik araçlarla uyumlu sonuçlar sunabilme kapasitesiyle desteklenmektedir. Bununla birlikte, herhangi bir yazılımdan elde edilen sonuçların deneysel verilerle veya alternatif sayısal yöntemlerle doğrulanması, belirli uygulamalar için doğruluk ve güvenilirliği sağlamak açısından her zaman tavsiye edilir. Analitik modellerin daha da geliştirilmesi ve doğrulanması, tahminlerin doğruluğunu artırarak daha sağlam yapısal analiz ve tasarım süreçlerinin önünü açabilir.