Özgün Değer

2.2. Amaç ve Hedefler

Bu tez çalışmasının amacı; eğik olarak çatlamış mevcut betonarme yüksek kirişlerin, artık yük taşıma kapasitelerinin gerçekçi olarak belirlenebilmesi ve bu sayede acil müdahale gerektirecek kritik elemanların önceden tespit edilerek oluşabilecek can ve mal kaybı riskinin azaltılmasıdır.

Bu tez çalışmasının, yukarıda belirtilen amaca ulaşabilmek için, ilki araştırmacılara ikincisi ise uygulayıcılara yönelik olmak üzere 2 temel hedefi bulunmaktadır;

- Betonarme klasik kirişlerin (a d⁄ > 2) kesme davranışına etkisi olduğu bilinen parametrelerin, yüksek kirişlerin eğik çatlak davranışına etkileri literatürde yeteri kadar incelenmemiştir. Bu parametrelerin yüksek kirişlerde oluşan eğik çatlak davranışına etkileri deneysel ve nümerik olarak belirlenmiştir. Bu parametreler; kesit yüksekliği (h), kesme açıklığının faydalı yüksekliğe oranı (a d⁄ ) ve karakteristik beton basınç dayanımı (f_ck) olarak tespit edilmiştir. - Eğik olarak çatlamış betonarme yüksek kirişlerin artık yük taşıma kapasitesinin

tespit edilmesi için literatürde önerilen hesap tablosunun eksikliklerini giderebilecek ve daha gerçekçi sonuçlar verecek yeni, etkin ve basit bir formül önerilmiştir.

2.3. Özgün Değer

Bu tez çalışmasının özgün değeri ise 4 başlık altında toplanabilir:

- Alternatif bir formül önerilmesi: Betonarme yüksek kirişlerde kesme etkisi nedeniyle asal çekme gerilmelerinden oluşan eğik çatlaklar, ani ve gevrek kırılmaya neden olabilmektedir. Eğik olarak çatlamış mevcut yüksek kirişlerin artık yük taşıma kapasitesinin gerçekçi bir şekilde belirlenebilmesi can ve mal kaybının engellenmesi açısından oldukça önemlidir. Bu ihtiyacı karşılamak amacıyla artık yük taşıma kapasitesinin belirlenebilmesi için literatürde bir

tablo önerilmiştir. Bu tabloda eğik olarak çatlamış mevcut bir betonarme yüksek kirişin sadece kesme donatısı oranı (etriye ve gövde donatısı oranları) dikkate alınmıştır. Ancak tabloda, betonarme klasik kirişlerin (a d⁄ > 2) kesme davranışına etkisi olan; en kesit alanı (b_w d), karakteristik beton basınç dayanımı (f_ck), kesme açıklığının faydalı yüksekliğe oranı (a d⁄ ), çekme donatısı oranı (ρ_l) gibi parametrelerin etkisi dikkate alınmamıştır. Ayrıca önerilen tablo sadece etriye ve gövde donatısı oranları eşit olan yüksek kirişler için kullanılabilmekte, farklı kesme donatısı oranlarına sahip elemanlar için kullanılamamaktadır. Bu sebeplerden dolayı önerilen tablonun uygulama sahasındaki ihtiyacı tam olarak karşılayamadığı düşünülmektedir. Bu tez çalışması literatürde önerilen bu hesap tablosunun eksikliklerini giderebilecek ve uygulamadaki ihtiyacı karşılamak amacıyla yeni, etkin ve basit bir formülün önerildiği özgün bir çalışmadır.

- Eğik çatlak davranışına etki eden parametrelerin belirlenmesi: Bu tez çalışmasında yüksek kirişlerde eğik çatlak davranışı ile artık yük taşıma kapasitesi arasındaki ilişkinin matematiksel olarak gerçekçi bir şekilde belirlenmesi hedeflenmektedir. Dolayısıyla, bu davranışa etki eden önemli parametrelerin doğru olarak tespit edilmesi önceliklidir. Kesme kuvveti etkisindeki betonarme klasik kirişlerin davranışı ve kırılma biçimi; yüklemeye, yükün mesnede olan uzaklığına, kiriş derinliğine, beton basınç dayanımına, çekme ve kesme donatı miktar ve düzenine bağlı olarak değişmektedir. Ancak betonarme klasik kirişlerin kesme davranışına etkisi olduğu bilinen bu parametrelerin yüksek kirişlerin kesme etkisi altındaki eğik çatlak davranışına etkilerinin incelendiği deneysel ve nümerik çalışma sayısı oldukça sınırlıdır. Bu nedenle yapılacak olan bu çalışma literatürdeki bu eksikliğin giderilmesine önemli katkılar sağlayacak özgün bir çalışmadır. Bu tez çalışmasında, kesit yüksekliği (h), kesme açıklığının faydalı yüksekliğe oranı (a d⁄ ) ve beton basınç dayanımı (f_ck) parametrelerinin, yüksek kirişlerin eğik çatlak davranışına etkileri deneysel ve nümerik olarak incelenmiştir.

24

- SE modeli üzerinden çatlak genişliğinin belirlenmesi: Sonlu elemanlar metodu; zorluk, zaman, iş gücü ve maliyet açısından değerlendirildiğinde deneysel çalışmalara göre oldukça avantajları olan, güvenilirliği gerçekleştirilen pek çok bilimsel çalışma ile ispatlanmış ve bilim insanları tarafından sıklıkla kullanılan alternatif bir bilimsel çalışma tekniğidir. Betonarme yüksek kirişler ise uygulamadaki büyük boyutları nedeniyle deneysel çalışma yapmanın oldukça zor olduğu, yüksek maliyet, zaman ve iş gücü gerektiren elemanlardır. Yüksek kirişlerin davranışının SE metodu ile incelenmesinin araştırmacılara büyük kolaylık sağlayacağı açıktır. SE analizlerinde gerçekçi sonuçların elde edilebilmesi, doğru nümerik modelleme tekniği ve gerçekçi malzeme modellerinin kullanılmasına bağlıdır. Ayrıca betonarme elemanların doğrusal olmayan davranışlarının nümerik olarak modellenerek, model üzerinden çatlak genişliklilerinin ölçülebilmesi oldukça güçtür. Bu tez çalışmasında; betonarme yüksek kirişlerin doğrusal olmayan davranışlarının gerçekçi bir şekilde modellenebilmesi için gerekli sayısal malzeme ve SE modelleri oluşturulmuştur. Ayrıca betonarme elemanlarda oluşan çatlak genişliklerinin, SE modeli üzerinden belirlenmesi için literatürde birim şekildeğiştirme ve kırılma enerjisi tabanlı bir yöntem önerilmektedir. Bu yöntemde, çatlak genişlikleri oluşturulmuş yeni bir formül ile beton birim şekildeğiştirmesi ve çatlama enerjisi dikkate alınarak hesaplanabilmektedir. Bu tez çalışması kapsamında, SE modeli üzerinden çatlak genişliklerinin ölçülebilmesi için literatürde önerilen formüle alternatif yeni bir bağıntı önerilmiştir. Önerilen bu yeni bağıntıya ve literatürde önerilen yöntemin betonarme yüksek kirişlere uygulanmasına literatürde pek rastlanmamıştır. Bu sebeple, önerilen yeni bağıntı ve bu bağıntı kullanılarak SE modeli üzerinden çatlak genişliklerinin belirlenmesi için literatürde önerilen yöntemin betonarme yüksek kirişeler üzerinde ilk defa uygulanmış olması bu çalışmanın özgün taraflarından birisidir.

- Literatürde bulunan eksikliğin giderilmesi: Ülkemizde betonarme yüksek kirişler üzerinde gerçekleştirilen sadece 2 adet yüksek lisans tez çalışması ve 1 adet TÜBİTAK destekli bilimsel çalışma ile karşılaşılmıştır. Fakat çatlamış

mevcut betonarme yüksek kirişlerin eğik çatlak davranışı ve artık yük taşıma kapasitesi üzerinde bir çalışmaya da pek rastlanmamıştır. Ülkemizde de yaygın olarak kullanılan ve kesme etkisi kritik olan betonarme yüksek kirişlerin davranışının belirlenmesi üzerine daha fazla çalışma yapılmasına ihtiyaç olduğu açıktır. Bu tez çalışmasının bu yönüyle de ülkemiz açısından önemli bir eksikliği giderecek özgün çalışmalardan birisi olması beklenmektedir.

BÖLÜM 3. BETONARME YÜKSEK KİRİŞLERDE KESME

HASARI DAVRANIŞI

Betonarme elemanlar genellikle birim deformasyon dağılımının kesit üzerinde lineer dağıldığı kabulü ile kesme ve eğilme kuvvetlerine göre tasarlanır. Bir kirişin mekanik davranışı Bernoulli hipotezi ya da klasik kiriş teorisi diye adlandırılan, “düzlem kesitler eğilme ile düzlem kalır (plane sections remain plane)” kabulü ile tarif edilmektedir (Şekil 3.1.). Bundan dolayı bir yapı elemanı üzerinde Bernoulli hipotezinin geçerli olduğu bölgeye bölgesi (Bernoulli region) denilmektedir. B-bölgelerinde iç gerilmeler beton çatlaklarının oluşumunun öncesi ve sonrasındaki kesit kuvvetlerinden elde edilir. Bu bölgelerin tasarımı sıklıkla “klasik kesit tasarımı (sectional design)” olarak isimlendirilmektedir (Ersoy ve ark., 2012).

Bir elemanda; kesit geometrisinde ya da yüklerde ani değişimin olduğu bölgelerde doğrusal olmayan birim şekildeğiştirme dağılımları (nonlinear strain distributions) oluşmaktadır. Süreksizliğin oluştuğu bu bölgelere D-bölgesi (discontinuity region) denilmektedir. St. Venant prensibine göre kesit geometrisi ve yükteki süreksizliğin etkisinin lokal olarak, bir kesit yüksekliği mesafeden sonra azaldığı kabul edilmektedir. Bundan dolayı D-bölgesi genişliğinin; yük ve süreksizlik noktasından “bir kesit yüksekliği kadar uzaklıkta (kesit faydalı yüksekliği; d)” olduğu kabul edilir (Şekil 3.2.). D-bölgelerinin birim deformasyon davranışı, B-bölgelerindeki davranıştan farklı olduğundan, artık klasik kesit tasarımında kullanılan teoriler bu bölgelerde geçerli olamayacaktır (Şekil 3.1.). Bundan dolayı D-bölgelerinin tasarımı B-bölgelerinin tasarımından farklı olmak zorundadır (Wight, 2016).

(a) Klasik kiriş B-bölgesi

(b) Yüksek kiriş D-bölgesi

Şekil 3.1. B ve D-bölgelerinde birim şekil değiştirme dağılımı (Nawy, 2009).

B-bölgesi klasik kesit davranışının görüldüğü, kesme açıklığının faydalı yüksekliğine oranı (a d⁄ ) oranı 2’den büyük olan betonarme kiriş elemanlarına genel olarak “klasik kirişler” denilmektedir. D-bölgesi davranışının gözlendiği, a d⁄ oranı küçük olan elemanlara ise “Yüksek Kiriş (Deep Beam)” denilmektedir. Genellikle bir kiriş üzerinde a d⁄ oranı 2’den küçük olan bölgelerin yüksek kiriş davranışı sergilediği kabul edilmektedir. Örneğin, Şekil 3.2.’de gösterilen kirişte, kiriş üzerindeki tekil yükün sağ ve sol tarafındaki a d⁄ oranı sırasıyla 2 ve 5 olarak hesaplanmıştır. Kirişin sol tarafında (A-A kesiti) gerilmeler klasik kiriş teorisine göre hesaplanabilirken, sağ taraf (B-B kesiti) yüksek kiriş bölgesi olarak dikkate alınmaktadır. Bu bölgede kesme birim şekildeğiştirmeleri hâkim olup, iç gerilmelerin belirlenmesinde klasik kiriş teorisi artık kullanılamaz (Birrcher ve ark., 2009). Yüksek kirişlerde, klasik kirişler için yapılan doğrusal gerilme yayılışı kabulü geçerliliğini yitirmekte ve ayrıca kesme etkisi ön plana çıkmaktadır. Bu elemanlarda kesme etkisi nedeniyle asal çekme gerilmelerinden oluşan eğik çatlaklar ani ve gevrek kırılmaya neden olabilmektedir (Doğangün, 2012).

28

Şekil 3.2. B ve D-bölgelerinde gerilme dağılımı çizgileri (Birrcher ve ark., 2009).

Son yıllarda betonarme yüksek kirişlerin uygulama alanları giderek artmaktadır. Özellikle yüksek yapılar, kıyı yapıları, tanklar ve temellerde yüksek kirişler yaygın olarak kullanılmaktadır (Metwally, 2015). Bir binadaki yüksek kiriş örneği Şekil 3.3.’te gösterilmiştir.

Şekil 3.3. Bir binadaki yüksek kiriş örneği (Mihaylov, 2015).

Yönetmeliklerde yüksek kirişler; bir yüzünden yüklenip diğer yüzünden mesnetlenen betonarme elemanlar olarak tanımlanmaktadır. Bu tip kirişler ayrıca eleman net açıklığının (l_n), faydalı yüksekliğine (d) oranına göre de tarif edilirler. Bu oran TS 500 (2000) ve ACI 318-14 (2014)’de sırasıyla 5 ve 4 olarak verilmiştir ve bu yönetmeliklerde l_n⁄ oranı verilen değerlerden küçük olan elemanlar için, klasik d kirişlerden farklı hesap esasları getirilmiştir.

D-bölgesi B-bölgesi D-bölgesi D-bölgesi D-bölgesi

Klasik kiriş

Betonun inelastik ve doğrusal olmayan birim şekildeğiştirme davranışı D-bölgeleri için genel bir davranış teorisi oluşturulmasını zorlaştırmaktadır. Sonuç olarak günümüzde bu elemanların tasarımında ampirik tasarım metotları kullanılmaktadır. Bu metotlardan literatürde en yaygın olarak kullanılanı; “Strut-and-Tie (Çubuk Analojisi)” modeli olup ve ACI 318-14 (2014), AASHTO LRFD (2008) gibi uluslararası yönetmeliklerde de süreksizlik bölgeleri ve yüksek kirişlerin tasarımında kullanılması önerilmektedir (Gong ve Su, 2013).