Doğrulamalar

Açıklıklı Kesme Duvarları (ACI)

Concrete

ACI (USA)

Detail 2D

Wall

Shear

Reinforcement

Openings

Bu makale aynı zamanda şu dillerde de mevcuttur:

İngilizceden yapay zeka tarafından çevrildi

Bu makale, Ohio State Üniversitesi'nin kesme duvarı kullanım senaryosu doğrulama çalışmasının bir özetini sunmaktadır; dört kullanım senaryosunu içeren tam çalışma bu sayfanın alt kısmından indirilebilir.

Bu bölümde, açıklıklı dört betonarme (BA) kesme duvarı numunesinin davranışı incelenmektedir. Yanal yük kapasiteleri ve sürüklenme açıları (deplasman/uzunluk), IDEA StatiCa yazılımı kullanılarak değerlendirilmiş ve Taleb ve diğ. (2012) tarafından bildirilen deneysel verilerle karşılaştırılmıştır.

Sonuçlar ayrıca ACI 318-19 (2019)'da yer alan çubuk model yöntemi (STM) kullanılarak hesaplanan tasarım kapasiteleriyle de karşılaştırılmıştır. Test edilen kesme duvarı numunelerinden biri, ABAQUS yazılımı (2023) kullanılarak daha ileri analizler için temel model olarak seçilmiş; sürüklenme açısı, asal gerilme dağılımı ve çatlak örüntüleri hesaplanarak deneyler sırasında ölçülen değerlerle karşılaştırılmıştır. Ayrıca, sargılı betonun kesme duvarı kapasiteleri üzerindeki etkisini ayrıntılı biçimde incelemek amacıyla Mander ve diğ. (1988) sargı modeli uygulanmıştır.

Deneysel Çalışma

Açıklıklı kesme duvarlarının yapısal performansını değerlendirmek amacıyla N1, S1, M1 ve L1 olarak tanımlanan dört betonarme tek açıklıklı yapısal duvar numunesi incelenmiştir. Bu numuneler, Taleb ve diğ. (2012) tarafından Kyoto Üniversitesi yapı laboratuvarında yanal tersinir çevrimsel yükleme altında üretilmiş ve test edilmiştir. Duvarlar, altı katlı bir betonarme binanın alt üç katını temsil edecek şekilde %40 oranında ölçeklendirilmiştir. Bu deneylerin temel amaçları, yanal davranışı analiz etmek ve farklı açıklık boyutları ile konumlarının betonarme yapısal duvarlardaki çatlak dağılımı ve kesme dayanımı üzerindeki etkilerini anlamaktır. Tüm numunelerde birincil donatı tutarlılığı korunmuş; açıklık oranlarında farklılıklar oluşturulmuştur. Bu numuneler arasında L1, ABAQUS yazılımı kullanılarak daha ileri analizler için temel model olarak seçilmiştir.

Deneysel Düzenek

Deneysel düzenek ve yükleme sistemi ayrıntıları sırasıyla Şekil 3.1 ve 3.2'de gösterilmektedir. Yanal yük Q, yükleme kirişine iki adet 2 MN (449,6 kips) hidrolik kriko kullanılarak uygulanmış; numunelere çevrimsel tersinir yatay yükler iletilmiştir. Bu yükler her iki yönde de uygulanarak gerçek deprem koşulları simüle edilmiştir. Yatay yüklere ek olarak, kolonlara iki adet 1 MN (224,8 kips) hidrolik kriko kullanılarak düşey eksenel yükler uygulanmış; böylece altı katlı bir betonarme binanın alt üç katındaki yükler yeniden oluşturulmuştur. Düşey yük seviyeleri, böyle bir yapıda beklenen uzun süreli eksenel yükleri yansıtacak şekilde seçilmiş; her kriko başlangıçta üst katların ağırlığını temsil etmek üzere 400 kN (89,9 kips) yük uygulamıştır.

İki düşey hidrolik kriko, yanal yük Q ile değişen eksenel kuvvetler N_w ve N_e uygulayacak şekilde ayarlanmış; kesme açıklığı oranının (M/Ql) 1,0 olması sağlanmıştır. Burada M duvar tabanındaki momenti, Q yatay yükü ve l yan kolonların merkezleri arasındaki mesafeyi temsil etmektedir. Bu düzenek, duvarın herhangi bir eğilme akması gerçekleşmeden önce kesme göçmesinin meydana gelmesini sağlamıştır.

Yan kolonlar testler tamamlanana kadar bütünlüğünü koruduğundan, eksenel yükün kesme kapasitesi üzerindeki etkisi minimum düzeyde kalmıştır.

Şekil 3.1, 3.2 Test Düzeneği, Yükleme Sistemi

Test Numuneleri

Kyoto Üniversitesi'nde dört betonarme duvar numunesi üretilmiş ve test edilmiştir. Şekil 3.3'te gösterildiği üzere, üç numune (S1, M1, L1) eksantrik açıklıklara sahipken bir numune (N1) açıklıksızdır. Açıklıklı üç katlı numunelerin temel değişkenleri, açıklık oranı ve açıklıkların konumudur. Deneysel testlerin başlıca amaçlarından biri, farklı açıklık oranlarının yapısal duvarların kesme dayanımı üzerindeki etkisini değerlendirmektir. S1, M1 ve L1 numuneleri için açıklık oranları sırasıyla 0,30, 0,34 ve 0,46'dır.

Şekil 3.3: Numune konfigürasyonları ve donatı çubuğu düzenlemesi: a) açıklıksız N1 numunesinin ayrıntıları ve boyutları, b) S1, M1 ve L1 numunelerinin boyutları ve açıklık ayrıntıları.

IDEA StatiCa Analizi

Bölüm 3.3.1'de incelenen açıklıklı betonarme kesme duvarı numunelerinin davranışı, IDEA StatiCa Detail kullanılarak analiz edilmiştir. Bu çalışma, Taleb ve diğ. (2012) tarafından yapılan önceki araştırmayı genişletmekte ve N1, S1, M1 ile L1 numunelerine odaklanmaktadır. Bu numuneler, değişen açıklık oranları ve konumlarının yapısal performans üzerindeki etkisini araştırmak amacıyla özellikle seçilmiştir. IDEA StatiCa Detail'deki modelleme metodolojisi, Taleb ve diğ. (2012) tarafından belirlenen parametreler doğrultusunda betonun gerçek basınç dayanımını ve donatı çeliği çubuklarının akma ile kopma dayanımlarını entegre etmiştir.

IDEA StatiCa analizinde, nihai sınır durum (ULS) yük kombinasyonuna odaklanılarak hem öz ağırlık hem de uygulanan yanal yük için 1,0 yük katsayıları kullanılmıştır. Simülasyonların doğruluğunu ve deneysel bulgularla uyumunu sağlamak amacıyla IDEA StatiCa içindeki beton (f_c) ve donatı çeliği (f_s) malzeme katsayıları 1,0 olarak ayarlanmıştır.

IDEA StatiCa için kapasite hesaplama süreci, aşağıdaki koşullardan herhangi birine ulaşılana kadar üst kirişin ortasına uygulanan yanal yükün kademeli olarak artırılmasını içermektedir:

Modeldeki herhangi bir noktadaki beton, uygulanan yük altında dayanım kapasitesinin %100'üne ulaşmıştır.
Donatı çeliği, uygulanan yük altında dayanım kapasitesinin %100'üne ulaşmıştır.
Ankraj çeliği, uygulanan yük altında dayanım kapasitesinin %100'üne ulaşmıştır.

Şekil 3.5: 1,82 kN/mm (10,4 kip/in.) yanal yük altında L1 açıklıklı kesme duvarı: a) sonuçlarla birlikte IDEA StatiCa Detail modeli, b) sehim konturu, c) betondaki asal gerilmeler (σc) ve d) donatıdaki gerilmeler (σs).

Çubuk Model Yöntemi Kullanılarak Kapasite Hesabı

Açıklıklı tüm kesme duvarlarının kapasiteleri, Amerikan Beton Enstitüsü (ACI 318-19) yönetmeliğinde, özellikle Bölüm 2.2'de açıklanan Çubuk Model Yöntemi (STM) hükümlerine göre belirlenmiştir. Düğüm bölgelerinin ve basınç çubuklarının konumuna bağlı olarak, çubuk ve düğüm sargı değiştirme katsayısı(β_c), basınç çubuğu katsayısı (β_s)_,ve düğüm bölgesi katsayısı (β_n) sırasıyla Bölüm 2'deki Tablo 2.1 ile 2.3'ten alınmıştır. Basınç çubuğu ve düğüm bölgesindeki betonun etkin basınç dayanımı (f_ce), sırasıyla Denklem 2.4 ve 2.9 kullanılarak hesaplanmıştır.

Maksimum yanal yük kapasitesini ve göçme konumunu mümkün olduğunca doğru biçimde verecek en iyi modeli belirlemek amacıyla birden fazla çubuk model yöntemi geliştirilmiştir. Kafes modellerini (veya basınç kafes elemanları olarak basınç çubukları ve çekme kafes elemanları olarak çekme bağları içeren STM'yi) oluşturmak için, tüm kesme duvarı numuneleri için IDEA StatiCa analizinden elde edilen gerilme akış diyagramları ve topoloji optimizasyon grafikleri kullanılmıştır. IDEA StatiCa tarafından oluşturulan topoloji optimizasyon grafiklerinde etkin hacim %20 olarak alınmıştır.

Bir kafes modeli veya STM geliştirmek, kuvvet dengesi ve gerilme dağılımı ilkelerini kullanarak karmaşık yapısal davranışın basitleştirilmiş bir temsilini oluşturmayı içermektedir. Kafes modelinin tasarımına yönelik spesifik yaklaşım, ilgili inşaat mühendislerinin yargısına, tercihlerine ve uzmanlığına bağlı olarak önemli ölçüde farklılık gösterebilir. Mühendisler, gerilmelerin ve kuvvetlerin yapı içinde nasıl iletildiğini ve dağıtıldığını doğru biçimde tasvir etme amacıyla kafes modelini oluşturmak için çeşitli yöntemler arasından seçim yapar. Bu süreç, kafes modelinin genel fiziksel davranışı ve yapısal bütünlüğü etkin biçimde temsil etmesini ve tasarımın yük taşıma gereksinimleriyle tutarlı olmasını sağlamayı amaçlamaktadır.

ACI 318-19'daki (özellikle Bölüm 23) yönetmelik ve standartlarda belirtilen gereksinimlerin karşılanması, bir kafes modeli veya STM geliştirilmesinde çeşitli güçlükler doğurmaktadır. Bu standartlar, değişen yük koşulları altında yapısal bütünlüğü ve güvenliği sağlamak amacıyla eleman boyutlandırması, bağlantı ve yük yolları gibi kritik faktörleri belirtmektedir. Spesifik gereksinimler arasında tüm düğümlerin dengede olmasının sağlanması, eğik basınç çubuklarındaki düğüm bölgelerinde düşey ve yatay kuvvetlerin dengelenmesi ve basınç çubukları ile çekme bağlarının kesişmesinin önlenmesi yer almaktadır. Ayrıca basınç çubukları minimum 25 derecelik eğim açısını korumalı; hem basınç çubukları hem de düğüm bölgeleri uygulanan yüklere dayanacak şekilde yeterli boyutlandırılmalıdır. Basınç çubukları ve düğüm bölgelerinin boyutları, Bölüm 2'nin 2.3 ve 2.4. bölümlerinde tanımlanan etkin beton dayanımlarına göre belirlenmektedir.

N1 kesme duvarı numunesi için IDEA StatiCa analizinden elde edilen topoloji optimizasyon grafiği ve gerilme akış diyagramlarına dayanılarak çeşitli kafes modelleri geliştirilmiştir. Ardından bu kafesler SAP2000 yazılımı (2024) kullanılarak analiz edilmiştir. Bu süreç iki temel hedefe odaklanmıştır: (a) kritik basınç çubuklarının, çekme bağlarının ve düğüm bölgelerinin belirlenmesi (IDEA StatiCa analizinden elde edilen gerilme akış grafikleri kullanılarak) ve (b) her modelin yük taşıma kapasitesinin değerlendirilmesi (SAP2000 analizinden elde edilen kafes elemanı ve reaksiyon kuvvetleri kullanılarak). Birden fazla iterasyonun ardından, nihai STM'den elde edilen sonuçlar raporlanmış ve ölçülen test verileriyle karşılaştırılmıştır.

Şekil 3.269: N1 numunesi için çubuk model yöntemi: a) gerilme akışlı STM, b) SAP2000'deki STM ve c) SAP2000'de hesaplanan STM elemanlarındaki eksenel kuvvetler.

ABAQUS Model Geliştirme ve Analiz

Bu bölümde, Bölüm 3.5.1'de modellenen ve analiz edilen L1 numunesi, sonlu elemanlar (FE) analizi için ABAQUS yazılımı (2023) kullanılarak yeniden modellenmiştir. Elde edilen sonuçlar daha sonra IDEA StatiCa'dan elde edilenlerle karşılaştırılmıştır. Yapının karmaşıklığı nedeniyle, beton ve donatı çubuklarını içeren CAD modeli Rhino yazılımında (McNeel, 2020) çizilmiş ve ardından STEP dosyası olarak ABAQUS'a aktarılmıştır. Kullanılan Rhino sürümü Kaynaklar bölümünde belirtilecektir. IDEA StatiCa modeline benzer şekilde, ABAQUS'ta öz ağırlığa (yani Yük 1) ek olarak, Şekil 3.34'te gösterildiği üzere her biri 400 kN olan iki düşey yük (yani Yük 2 ve Yük 3), 4 inç kalınlığındaki iki yük taşıyıcı plakaya uygulanmıştır. ABAQUS'ta çizgi yük yalnızca kiriş elemanları için kullanılabildiğinden, deneysel testte ve IDEA StatiCa'da yapıya uygulanan yanal yükü taklit etmek amacıyla, çizgi yükü benzetmek için üst kirişin kenarlarına bağlı tanımlanmış bir referans noktasına (yani RF2) yatay bir kuvvet (yani Yük 4) uygulanmıştır.

Şekil 3.34: ABAQUS'taki model düzeneği; uygulanan yük ve sınır koşullarının konumları ve ayrıntıları gösterilmektedir.

Yapının altındaki iki mesnet plakası, düşey ve yanal deplasmanı kısıtlamak amacıyla sabitlenmiştir (bkz. Şekil 3.34). Çatlak başlangıcını ve gelişimini doğru biçimde yakalamak için eleman boyutu 20 mm olarak seçilmiş; bu durum modelde toplam 396.505 elemana yol açmıştır (bkz. Şekil 3.35). Beton için 3B gerilme, 8 düğümlü doğrusal tuğla azaltılmış integrasyon (yani C3D8R) eleman tipi seçilirken, donatı çubukları için kafes elemanı tercih edilmiştir.

Şekil 3.35: 20 mm eleman boyutuna sahip mesh yoğunluğu.

ABAQUS'ta Beton Hasar Plastisite (CDP) bünye modeli kullanılmıştır. Bu modeli tanımlamak için gerekli parametreler, Taleb ve diğ. (2012)'de açıkça belirtilmediğinden çeşitli kaynaklardan (Federal Highway Administration, 2006 ve Watanabe ve diğ., 2004) kalibrasyon yoluyla elde edilmiştir. Çelik çubuklar için malzeme davranışı, iki doğrulu plastisite kullanılarak modellenmiştir. Yoğunluk, elastisite modülü ve Poisson oranı dahil diğer parametreler, IDEA StatiCa malzeme kütüphanesinden aynen alınmıştır. Sayısal simülasyon, 16 işlemcili (Intel Xeon® Gold İşlemci 6430 @2,10GHz) sanal bir makinede gerçekleştirilmiş ve tamamlanması yaklaşık 185 dakika sürerken, IDEA StatiCa hesabı iki dakikadan kısa sürede tamamlamıştır.

Özet

Sonuç olarak, açıklıklı betonarme kesme duvarlarının kapasiteleri IDEA StatiCa Detail kullanılarak değerlendirilmiş; ACI 318-19'dan çubuk model yöntemi, ABAQUS, Uyumlu Gerilme Alanı Yöntemi (CSFM) ve deneysel verilerle karşılaştırılmıştır. Çalışma, STM'nin muhafazakâr tasarım varsayımları nedeniyle yük taşıma kapasitesini önemli ölçüde küçümsediğini ortaya koymuştur. Buna karşın, hem CSFM hem de ABAQUS, özellikle pozitif yükleme koşulları altında ölçülen kapasitelerle yakından örtüşen sonuçlar vermiştir. Ayrıca analiz, sargılı ve sargısız beton malzemesinin dayanım ve sürüklenme davranışı üzerindeki etkilerini de ele almıştır. Sonuçlar, sargının genel olarak kesme duvarı kapasitesini artırdığını göstermiş; ancak sürüklenme açıları üzerindeki etkinin numuneler arasında farklılık gösterdiği görülmüştür. Genel olarak bulgular, uygun tahmin yöntemlerinin seçilmesinin önemini vurgulamakta; CSFM ve ABAQUS'un STM'ye kıyasla üstün doğruluk sergilediğini göstermekte ve tasarım ile analizde sargı etkilerinin dikkatli biçimde değerlendirilmesi gerektiğinin altını çizmektedir.