Sismik uygulamalar için önceden nitelendirilmiş birleşimler

12.1 EQUALJOINTS projesi

Avrupa araştırma projesi EQUALJOINTS, EN 1998-1'in bir sonraki versiyonu için çelik birleşimlerin ön nitelendirme kriterlerini sunmaktadır. Araştırma faaliyeti, farklı performans seviyelerini karşılamak üzere tasarlanmış ağır profillerle oluşturulan bir dizi cıvatalı birleşim tipi ve kaynaklı azaltılmış kiriş kesiti için tasarım ve imalat prosedürlerinin standardizasyonunu kapsamaktadır. Ayrıca Avrupa sismik talebini temsil eden, Avrupa ön nitelendirmesi için yeni bir yükleme protokolü geliştirilmiştir. Hem Avrupa yumuşak karbon çeliği hem de yüksek mukavemetli cıvataların çevrimsel karakterizasyonuna adanmış deneysel kampanya, dört tip önceden nitelendirilmiş birleşim için gerekli davranışı elde etmiştir: köşe takviyeli cıvatalı birleşimler, takviyesiz uzatılmış alın plakalı cıvatalı birleşimler, takviyeli uzatılmış alın plakalı cıvatalı birleşimler ve kaynaklı azaltılmış kiriş kesitli birleşimler; bkz. Şekil 12.1.1. EQUALJOINTS projesi kapsamında deneysel olarak elde edilen sonuçlar (Stratan ve diğerleri, 2017) ve (Tartaglia ve D'Aniello, 2017) kaynaklarında özetlenmiştir.

Şekil 12.1.1 EQUALJOINTS projesinde önceden nitelendirilmiş yapısal birleşimler

12.2 Alın plakalı birleşimler

Uzatılmış takviyeli alın plakalı cıvatalı birleşimler, Avrupa çelik imalat sektöründe en yaygın kullanılan birleşimler arasında yer almakta olup imalat ve montajdaki basitlik ve ekonomi sayesinde alçak ve orta yükseklikli çelik çerçevelerde moment aktaran birleşimler olarak Avrupa uygulamalarında yaygın biçimde kullanılmaktadır. Cıvatalı uzatılmış takviyeli alın plakalı kiriş-kolon birleşimleri için tasarım kriterleri ve ilgili gereksinimler, sonlu eleman analizlerine dayalı parametrik bir çalışma temelinde EN 1998-1:2005'te kapsamlı biçimde incelenmiş, eleştirel olarak tartışılmış ve kodifiye edilmiştir. Ne yazık ki, kapasite tasarımı prosedürü yalnızca bileşen yöntemi çerçevesinde geliştirilmiştir. Ayrıca berkitmelerin varlığını dikkate almakta ve farklı performans seviyeleri için birleşim davranışını kontrol edebilmektedir.

Takviyesiz uzatılmış alın plakalı birleşimler, önemli eğilme momentlerinin aktarılması gereken durumlarda çelik I veya H kirişleri çelik I veya H kolonlara bağlamak amacıyla çelik inşaatta yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu konfigürasyon, alın plakasının kirişe kaynaklanmasının atölyede otomatik olarak gerçekleştirilmesi ile birlikte cıvatalama yoluyla kolay montaj imkânı sunmaktadır. Birleşimin eğilme direnci çoğunlukla bağlanan elemanların eğilme direncinden düşüktür. Bu nedenle söz konusu birleşimler kısmi mukavemetli olarak değerlendirilmektedir. Birleşimin plastik direncinin kiriş kesitinin plastik direncine yaklaşık olarak eşit olduğu eşit mukavemet durumuna uygun tasarım ile ulaşılabilir. Eğilmedeki süneklik, göçme modunu etkileyen birleşim detaylandırmasına büyük ölçüde bağlıdır (Jaspart, 1997). Göçmeyi yöneten birleşim bileşeni sünek bir bileşen ise ve gevrek aktif bileşenlerin direnci önemli ölçüde daha yüksekse, sünek bir birleşim davranışı elde edilebilir. Aksi takdirde, sismik bölgelerde enerji yutmak amacıyla iç kuvvetleri yeniden dağıtmak için birleşimin plastik mafsal oluşturma kapasitesine güvenilmemelidir.

Köpek kemiği olarak da adlandırılan kaynaklı azaltılmış kiriş kesitli moment aktaran birleşimler için birleşimi güçlendirme veya kirişi zayıflatma olmak üzere iki ana strateji benimsenmiştir. Kesit azaltma profili için bu iki seçenek arasında, yarıçap kesimi nihai kırılmayı geciktirerek görece daha sünek bir davranış sergileme eğilimindedir (Jones ve diğerleri, 2002). Ancak çalışma, azaltılmış kiriş kesitli elemanların başlıklarının azalan alanı nedeniyle yanal burulmalı burkulma'ya daha yatkın olduğunu göstermiştir. Derin kolonların uygulanmasına odaklanan ileri deneysel ve analitik araştırmalar (Zhang ve Ricles, 2006), kompozit döşeme plağının varlığının kolonda gelişen burulma miktarını önemli ölçüde azaltabileceğini göstermiştir; zira döşeme plağı kirişe yanal destek sağlamakta ve alt başlığın yanal deplasmanını azaltmaktadır.

EQUALJOINTS projesi kapsamında geliştirilen tasarım prosedürüne göre birleşim üç makro bileşenden oluşmaktadır: kolon gövde paneli, birleşim bölgesi ve kiriş bölgesi; bkz. Şekil 12.2.1. Her makro bileşen, belirli varsayımlara göre ayrı ayrı tasarlanmakta ve ardından birleşimi değerlendirmek üzere tanımlanan üç farklı tasarım hedefini elde etmek için kapasite tasarımı kriterleri uygulanmaktadır: tam mukavemetli, eşit mukavemetli ve kısmi mukavemetli birleşimler. Tam mukavemetli birleşimler, tüm plastik deformasyonların kirişte oluşmasını güvence altına almak üzere tasarlanmakta olup bu durum EN 1998-1:2005 güçlü kolon – zayıf kiriş kapasite tasarımı kurallarıyla uyumludur. Eşit mukavemetli birleşimler teorik olarak tüm makro bileşenlerin, yani birleşim bölgesi, gövde paneli ve kirişin eş zamanlı akması ile karakterize edilmektedir. Kısmi mukavemetli birleşimler, plastik deformasyonun yalnızca birleşim bölgesinde veya kolon gövde panelinde gelişmesi için tasarlanmaktadır. Hem eşit hem de kısmi mukavemetli birleşimler için birleşim bölgesi ve kolon gövde paneli makro bileşenlerinin direncine göre ek bir sınıflandırma yapılabilir. Güçlü gövde paneli durumunda, plastik talep kısmi mukavemetli birleşimde birleşim bölgesinde, eşit mukavemetli birleşimde ise birleşim bölgesinde ve kirişte yoğunlaşmaktadır. Dengeli gövde paneli durumunda, plastik talep kısmi mukavemetli birleşimde birleşim bölgesi ile kolon gövde paneli arasında, eşit mukavemetli birleşimde ise birleşim bölgesi, gövde paneli ve kiriş arasında dağılmaktadır. Zayıf gövde paneli durumunda, plastik talep kısmi mukavemetli birleşimde kolon gövde panelinde, eşit mukavemetli birleşimde ise gövde panelinde ve kirişte yoğunlaşmaktadır.

Şekil 12.2.1 Birleşimin makro bileşenlere ayrılması

Birleşim sünekliği, göçme modunun türüne ve aktive olan bileşenin buna karşılık gelen plastik deformasyon kapasitesine bağlıdır. Deformasyon kapasitesi, CM için geliştirilen kriterlerin sağlanmasıyla kabaca tahmin edilebilir ya da CBFEM ile daha hassas biçimde hesaplanabilir. EQUALJOINTS proje materyallerinde ve ANSI/AISC358-16 standardında tanımlanan iki önceden nitelendirilmiş birleşim konfigürasyonunun tasarım örnekleri, makro bileşenlerin davranışı ayrı ayrı dikkate alınarak aşağıda sunulmaktadır.

12.2.1 Doğrulama

Önceden nitelendirilmiş birleşimlerin rijitlik, taşıma kapasitesi ve deformasyon kapasitesine ilişkin CBFEM modelleri, Montenegro (2017) tarafından EQUALJOINTS projesinden elde edilen bir deney seti üzerinde doğrulanmıştır. Yapısal çözümlere ait örnekler Şekil 12.2.2'de verilmektedir. Göçme modunun doğrulanmasına ilişkin sonuçlar Şekil 12.2.3'te gösterilmektedir. %15 gerinim için direnç ve deformasyon kapasitesinin doğrulanmasına ait özet Şekil 12.2.4 ve 12.2.5'te sunulmaktadır.

Şekil 12.2.2 Doğrulama ve geçerleme için kullanılan birleşimler: a) EH2-TS-35-M ve EH2-TS-45-M, b) ES1-TS-F-M ve ES3-TS-F-M, c) E1-TS-E-M ve E2-TS-E-M

Şekil 12.2.3 Köşe takviyeli uzatılmış alın plakalı birleşimlerde E1-TS-F-C2 için CBFEM göçme modunun doğrulanması (Tartaglia ve D'Aniello, 2017)

Şekil 12.2.4 EQUALJOINTS projesi deneylerinde CBFEM direncinin doğrulanması

Şekil 12.2.5 EQUALJOINTS projesi deneylerinde CBFEM dönme kapasitesinin doğrulanması

12.2.2 Geçerleme

CBFEM modeli, EN 1993-1-8:2006 Bölüm 6'ya göre CM ile karşılaştırılarak geçerlenmiştir. Sonuçların bir seçkisi Tablo 12.2.1 ve Şekil 12.2.6'da sunulmaktadır. Sonuçlar, kol uzunluğuna ilişkin kaba varsayımın doğruluğu yönlendirdiği daha büyük birleşimlerde CM'nin doğruluk kaybını göstermektedir.

Tablo 12.2.1 CBFEM'in CM ile geçerlenmesi

Şekil 12.2.6 CBFEM direncinin CM ile geçerlenmesi

Üç tek taraflı köşe takviyeli birleşim (Landolfo ve diğerleri, 2017) ve (Equaljoints uygulaması) kaynaklarında daha ayrıntılı biçimde açıklanmaktadır. Birleşimler hem sehim hem de hog eğilme momentleri ve buna karşılık gelen kesme yükleri ile yüklenmektedir. Kolon gövdeleri dublörlerle güçlendirildiğinden belirleyici bileşenler alın plakası veya kolon başlığının T-saplama elemanlarıdır. Dönme eksenleri, sehim eğilme momenti için üst kiriş başlığının merkezinde, hog eğilme momenti için ise köşe takviyesinin ortasında kabul edilmektedir. Plastik mafsal konumu, köşe takviyesinin sonundaki takviye plakasının yüzeyinde varsayılmaktadır. Birleşim bölgesinin kontrolünde kullanılan kolon yüzeyindeki eğilme momenti, buna karşılık gelen kesme yükü ile artırılmaktadır; bkz. Şekil 12.2.7.

Şekil 12.2.7 Plastik mafsal konumu, köşe takviyeli birleşimde eğilme momenti diyagramı

Tablo 12.2.2 Köşe takviyeli birleşimler için CM ile bileşen dirençleri

Gerinim pekleşme faktörü, EN 1993-1-8:2006 ve Equaljoints projesi nihai raporunun önerdiği şekilde 1,2 olarak seçilmiştir (EN 1998-1:2005 ise 1,1 değerini önermektedir). Aşırı direnç faktörü 1,25 olarak kabul edilmiştir (Landolfo ve diğerleri, 2017). Tüm çelik S355 sınıfındadır. Bireysel bileşenlerin dirençleri Tablo 12.2.2'de özetlenmiştir. Kalın yazıyla gösterilen kontroller yetersiz kalmaktadır. Köşe takviyesi direncinin, alın plakasındaki köşe takviyesiyle birlikte kiriş kesitinin plastik direnci olduğuna dikkat edilmelidir. Kirişin mukavemetinin plastik mafsal konumunda aşırı direnç faktörü ile artırıldığı, ancak alın plakasında artırılmadığı varsayılmaktadır. Aşırı direnç faktörü alın plakasında da kullanılsaydı bu direnç daha yüksek olurdu. Bu nedenle, bir sonraki en düşük direnç olan T-saplama – alın plakasının, No. 267 numaralı birleşimin direncini yönettiği kabul edilmiştir. İncelenen birleşimlerin hiçbiri tam mukavemetli birleşim gereksinimini karşılamamaktadır. Ancak direnç çok yakın olup birleşimler eşit mukavemetlidir. Kolon gövde paneli tüm durumlarda güçlüdür.

CBFEM'e göre belirleyici göçme modu, plakaların akması eşliğinde cıvata göçmesidir; başlıca alın plakası, kolon başlığı ve köşe takviyesi. CBFEM'e göre No. 4.2 ve No. 264 numaralı birleşimler tam mukavemetli, No. 267 numaralı birleşim ise eşit mukavemetlidir. Kolon gövde panelleri tüm durumlarda güçlüdür.

Şekil 12.2.8 Direnç noktasındaki gerinimler: a) birleşimin tamamı, b) yalnızca cıvatalı alın plakalı birleşim makro bileşeni, c) yalnızca gövde dublörlü kesmedeki kolon gövde paneli makro bileşeni, d) yalnızca kiriş makro bileşeni

12.2.3 Takviyesiz uzatılmış alın plakalı birleşimler

Duyarlılık çalışması için önceden nitelendirilmiş bir takviyesiz uzatılmış alın plakalı birleşim seçilmiştir. IPE 450 kirişi, 10 mm kalınlığında gövde dublörü ile ve dublör olmaksızın, on iki adet M30 10.9 cıvata ile 25 mm kalınlığında uzatılmış alın plakası aracılığıyla HEB 300 kolona bağlanmaktadır. Tüm plakalar için S 355 çelik sınıfı kullanılmıştır. Her makro bileşenin katkısını ayrı ayrı belirlemek amacıyla seçilen makro bileşenin malzeme diyagramı elastoplastik, geri kalan birleşim bölümlerinin malzeme diyagramı ise yalnızca elastik olarak alınmıştır. Birleşimin tamamının, yalnızca gövde dublörlü kesmedeki kolon gövde panelinin ve yalnızca cıvatalı alın plakalı birleşimin direnç noktasındaki gerinimler, Şekil 12.2.8'de yalnızca kiriş makro bileşeniyle karşılaştırılmaktadır. Her makro bileşenin birleşim davranışına etkisi, gövde dublörlü ve dublörsüz kolon gövde panelinin gösterildiği Şekil 12.2.9'da sunulmaktadır. Birleşim davranışı, birleşim makro bileşeninin daha yüksek direncini ortaya koymaktadır.

Şekil 12.2.9 Makro bileşenlerin, dublörlü kolon gövde panelinin kesmedeki etkisi,
cıvatalı alın plakalı birleşimin ve kirişin birleşimin tamamının davranışına etkisi

12.2.4 Basınç merkezinin konumu

Alın plakalı birleşimler için EN 1993-1-8:2006, basınç merkezinin kiriş başlığı kalınlığının ortasında ya da köşe takviyeli birleşimlerde köşe takviyesinin ucunda konumlandığını belirtmektedir. Deneysel ve sayısal sonuçlar, basınç merkezinin konumunun hem birleşim tipine hem de her birleşim bileşeninin farklı katılımıyla oluşan plastik modların oluşumu nedeniyle dönme talebine bağlı olduğunu göstermiştir (Landolfo ve diğerleri, 2017). Önerilen CM tasarım prosedürüne ve hem deneysel hem de sayısal sonuçlara göre, takviyeli alın plakalı birleşimlerde kiriş başlığı ile berkitme levhalarından oluşan kesitin ağırlık merkezine yakın bir noktada, köşe takviyeli birleşimlerde ise köşe takviyesi yüksekliğinin yaklaşık 0,5 katında temas beklenmektedir. Bu kaba varsayım, birleşim parçalarının yükleme ve başlangıç akması sırasında doğru değerler veren CBFEM prosedürü ile hassaslaştırılmaktadır.

Sunulan sonuçlar, EQUALJOINTS deneyleri ve CM ile doğrulanmış ROFEM'e geçerlenen CBFEM'in iyi doğruluğunu göstermektedir. Bu yöntem, makro bileşenlerin davranışının ayrı ayrı ve tarafsız eksenlerin konumunun yükleme/plastifikasyona göre doğru biçimde değerlendirilmesine olanak tanımaktadır.

12.3 Kaynaklı azaltılmış kiriş kesitli birleşim

Bu çalışma için ANSI/AISC 358-16'ya göre önceden nitelendirilmiş bir kaynaklı azaltılmış kiriş kesitli birleşim seçilmiştir. IPE 450 kirişi, 10 mm kalınlığında gövde dublörü ile ve dublör olmaksızın, başlıklarda alın kaynakları ve üç adet ön yüklemeli M30 10.9 cıvata ile 12 mm kalınlığında kanat plakası aracılığıyla HEB 300 kolona bağlanmaktadır; bkz. Şekil 12.3.1. Kullanılan tüm çelik S355 sınıfındadır.

Birleşimin tamamının nihai direncindeki gerinimler ve yalnızca gövde dublörlü kesmedeki kolon gövde paneli makro bileşenine ait gerinimler Şekil 12.3.2'de gösterilmektedir. Her makro bileşenin birleşim davranışına etkisi, gövde dublörlü ve dublörsüz kolon gövde panelinin gösterildiği Şekil 12.3.3'te sunulmaktadır. Birleşim, birleşim makro bileşenlerinin dirençlerinin iyi optimize edildiğini ortaya koymaktadır.

Şekil 12.3.1 Azaltılmış kiriş kesitli birleşim, a) azaltılmış kesitli kiriş, b) dublörlü kolon gövde panelinin kesmedeki durumu, cıvatalı alın plakalı birleşim,

Şekil 12.3.2 Direnç noktasındaki gerinimler: a) birleşimin tamamı ve b) yalnızca dublörlü kolon gövde panelinin kesmedeki makro bileşeni 

Şekil 12.3.3 Makro bileşenlerin M-φ diyagramında birleşimin tamamının davranışına etkisi

Kaynaklar

EN 1993-1-8, Eurocode 3, Çelik yapıların tasarımı – Bölüm 1-8: Birleşimlerin tasarımı, CEN, Brüksel, 2005.

Jones S.L., Fry GT., Engelhardt M.D. Çevrimsel yüklemeye maruz azaltılmış kiriş kesitli moment aktaran birleşimlerin deneysel değerlendirmesi. Journal of Structural Engineering. 128 (4), 441–451, 2002.

Landolfo R. ve diğerleri. Sismik Bölgelerdeki Binalarda Çelik Yapıların Tasarımı, ECCS Eurocode Tasarım El Kitabı. Wiley, 2017.

Stratan A., Maris C, Dubina D, ve Neagu C. Köşe takviyeli cıvatalı uzatılmış alın plakalı kiriş-kolon birleşimlerinin deneysel ön nitelendirmesi. ce/papers, 1(2–3), 414–423, 2017.

Tartaglia R, D'Aniello M. Kolon kaldırma durumuna maruz uzatılmış takviyeli alın plakalı cıvatalı kiriş-kolon birleşimlerinin doğrusal olmayan performansı. The Open Civil Engineering Journal Cilt 11, Ek-1, 369–383, 2017.

Zhang X., Ricles J.M. Derin kolonlara bağlı azaltılmış kiriş kesitli birleşimlerin deneysel değerlendirmesi. Journal of Structural Engineering. 132 (3), 346-357, 2006.