Giriş
Betonarme yapılarda sargılama etkisi, betonun dayanımının ve sünekliğinin, yanal basınç (aktif) veya çelik donatı ya da dış gömlekler gibi çevreleyen malzemeler tarafından sağlanan sargılama (pasif) nedeniyle önemli ölçüde iyileşmesi olgusunu ifade eder. Bu etki, özellikle yüksek yükler altında betonun basınç altındaki performansını artırmada önemlidir.
Betonarme yapılarda sargılama etkisinin temel yönleri şunlardır:
- Artan dayanım: Sargılama, betonun basınç dayanımını artırır. Yanal basınç uygulandığında, betonun yanal genişlemesini kısıtlar ve göçme öncesinde daha yüksek eksenel yüklere dayanabilmesini sağlar.
- Gelişmiş süneklik: Sargılanmış beton daha yüksek süneklik gösterir, yani göçmeden önce daha büyük deformasyonlara maruz kalabilir.
- Yük altındaki davranış: Sargılama, betonun göçme modunu gevrek ve ani bir göçmeden daha sünek ve kademeli bir göçmeye dönüştürür. Göçme modundaki bu değişiklik, aşırı yükleme koşulları altında yapıların güvenliği ve bütünlüğü açısından faydalıdır.
- Tasarım hususları: Sargılanmış betonarme elemanların tasarımı, istenen dayanım ve sünekliği elde etmek için sargı donatısı miktarının ve düzeninin hesaplanmasını içerir. EN (Eurocode) yönergeleri gibi standartlar ve yönetmelikler, sargılanmış betonarme elemanların tasarımı için formüller ve yönergeler sağlar.
- Uygulamalar: Aktif sargılama, örneğin kısmi yüklü alanların, beton mafsallarının vb. tasarımında dikkate alınır.
Aşağıdaki şekilde, sargılanmamış ve sargılanmış beton için gerilme-gerinim diyagramının ve taşıma kapasitesinin nasıl farklılık gösterebileceğini görebilirsiniz.

Örneğin kendisine geçmeden önce, betonarme malzemesinin uygulamada nasıl tanımlandığını hatırlayalım.
IDEA StatiCa Detail'de betonarme malzeme tanımı
3D CSFM, betonarme davranışını monotonik yükleme için Mohr-Coulomb plastisite teorisine dayanarak tanımlar.
Genel olarak, yaklaşık φ = 30° olan verilen bir betonarme iç sürtünme açısı için, betonarmenin çekme ve basınç dayanımlarının Mohr çemberleri Şekil 2'deki gibi oluşturulabilir.

Burada fc basınçtaki betonarme dayanımı, fct çekmedeki betonarme dayanımı, φ iç sürtünme açısı ve σc1, σc3 üç eksenli basınç altındaki betonarmenin asal gerilmeleridir.
σc3 asal gerilmesi arttıkça, σc3 ve σc1 değerleri arasındaki mümkün olan maksimum farkın, yani maksimum σc,eq olarak tanımladığımız değerin (aşağıya bakınız), de arttığı görülebilir.
IDEA StatiCa Detail'de uygulanan 3D CSFM'de, iç sürtünme açısı Şekil 3'te gösterildiği gibi φ = 0° olarak kabul edilir.

Bu uygulamanın pratik sonucu, σc3 ve σc1 arasındaki maksimum farkın, σc3 arttıkça sabit kalmasıdır.
Eşdeğer Asal Gerilme, genel bir üç eksenli gerilme durumu için eşdeğer "hasar veren" tek eksenli gerilmeyi ifade eder.
Bu nedenle, σc,eq değeri, yönetmeliklere göre tek eksenli dayanım sınırlarıyla doğrudan karşılaştırılabilir.
Gerçek iç sürtünme açısının kullanıldığı Şekil 2 ile sıfır iç sürtünme açısına sahip Mohr-Coulomb teorisinin uygulanmasını gösteren Şekil 3 karşılaştırıldığında, Detail uygulamasındaki hesaplamalar için seçilen yaklaşımın üç eksenli gerilme durumunun değerlendirilmesi açısından oldukça muhafazakâr olduğu görülebilir. Sıfır sürtünme açısına sahip modelin, çekme kesmeli Tresca modeline benzediğini unutmayın.
Daha fazlasını okuyun: IDEA StatiCa Detail'de betonarme 3D süreksizliklerin yapısal tasarımı
Üç eksenli test – aktif sargılama örneği
Bu örnekte, IDEA StatiCa Detail'de 3D CSFM'de üç eksenli basınç etkisinin nasıl uygulandığını açıklamak için bir üç eksenli test simüle edeceğiz. Bu, dolayısıyla bir aktif sargılama örneği olacaktır. Tüm hesaplamalar karakteristik değerlerde yapılacaktır.
Model, 1,0 x 1,0 m plan boyutlarına ve 3,0 m yüksekliğe sahip, C30/37 betonarmeden yapılmış, Z yönünde rijit bir yüzey mesnedi ile desteklenen katı blok tipindedir. Yalnızca analiz modelinin kararlılığı açısından, X ve Y yönleri de ihmal edilebilir bir rijitlik değeriyle yüzey mesnedine dahil edilmiştir. Yük iki adımda uygulanır. İlk adımda, modele 20 MPa'lık bir hidrostatik basınç (σc,1 = σc,2 = σc,3) uygulanır. Betonarme dayanımına göre bu yüksek değer, esasen hesaplama modelinin kararlılığını göstermek amacıyla seçilmiştir.

Modeli hesapladıktan sonra, tüm modelde σc,eq = 0 MPa değerini elde ediyoruz. Bu, Detail'deki Mohr-Coulomb plastisite teorisi uygulamasının önceki tanımıyla örtüşmektedir.

İkinci adımda, modelin üst yüzeyine 50 MPa'lık bir yüzey yükü uygulanır. Bu yükün, dikkate alınan 30 MPa'lık eksenel basınç dayanımından daha yüksek olduğuna dikkat edin. Testin amacı, bu adımda betonarmenin basınç dayanımından daha büyük hiçbir yükün uygulanmayacağını göstermektir. Bu nedenle, hesaplamanın, uygulanan yükün σc,eq'in sonuç değerine eşit olacağı noktada durması gerekir.
Şimdi sonuçlara bakalım. Beklendiği gibi, betonarmedeki %5'lik plastik gerinim kriteri aşıldığı için hesaplama durduruldu.

Sonuçları incelediğimizde, yukarıda tanımlanan varsayımlarla eşleştiklerini görüyoruz. Bu, Detail'deki betonarme modelinin aktif sargılama açısından doğru şekilde çalıştığını göstermektedir.

Üst ve alt yüzeylerde gözlemlenebilen gerilme tepe noktaları, düğüm noktası rotasyonlarına sahip tetrahedral elemanlardan oluşan mesh kenarlarına yüzey yükü ve yüzey mesnedinin uygulanma şeklinden kaynaklanmaktadır. Ayrıca, komşu sonlu elemanlardan gelen maksimum düğüm noktası değerlerinin Detail uygulamasında her zaman gösterilmesi de bir diğer nedendir. Ancak bu makalenin konusu bu yöntemin ayrıntıları değildir, bu nedenle bu konuyu daha fazla derinleştirmeyeceğiz.
ABAQUS doğrulaması
Bir sonraki adımda, betonarmenin tanımlanmasında yine Mohr-Coulomb plastisite teorisinin kullanıldığı ABAQUS'ta oluşturulan modellerle bir karşılaştırma yapacağız. Detail'den elde edilen sonuçları, 30°'lik bir iç sürtünme açısına sahip gerçek bir betonarme modeliyle karşılaştıracağız. Böylece, 3D CSFM'deki yaklaşımın muhafazakârlığını gösteriyoruz.

ABAQUS'ta, Detail'deki modele benzer bir model oluşturduk. Malzeme, sınır koşulları ve yük tanımları aynıdır. Öte yandan, betonarme mesh'i basitleştirilmiştir. Biri φ = 0°; c = 15 MPa ve ikincisi φ = 30°; c = 8,65 MPa kullanılarak yapılan iki hesaplamanın sonuçları, aşağıdaki grafikte diğer iç sürtünme açıları φ = 10°, 20°, 40° ile karşılaştırmayla birlikte gösterilmektedir.

Grafik, φ = 0° için 3D CSFM ve ABAQUS modelleri arasındaki uyumu göstermektedir. Ayrıca, 3D CSFM'de betonarme malzemesinin tanımındaki basitleştirmelerin (gerilme-gerinim diyagramının yatay plastik kolu ve yatay Mohr-Coulomb doğrusal zarfı), hem daha iyi netliğe hem de daha da önemlisi daha hızlı hesaplamaya yol açtığı, ancak en azından üç eksenli gerilme açısından muhafazakâr sonuçlara da yol açtığı açıkça görülmektedir.
Son olarak, 20 MPa'dan daha yüksek bir hidrostatik gerilme dikkate alınırsa, φ = 0° modeli ile diğer açılar arasındaki farkın daha da büyük olacağını belirtmekte fayda vardır.
Sonuç
3D CSFM'deki hesaplamanın, Teorik Arka Plan'da bildirilen varsayımlarla tutarlı olduğu gösterilmiş ve açıklanmıştır. Bu durum, ABAQUS modelleriyle karşılaştırma yoluyla doğrulanmış ve 3D CSFM yaklaşımının üç eksenli gerilme olgusuna karşı muhafazakârlığı gösterilmiştir.
