Çelik yapılarda kullanılan kolon taban levhalarının analitik olarak incelenmesi

(1)

T.C.

SELÇUK ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ

ÇELĠK YAPILARDA KULLANILAN KOLON TABAN LEVHALARININ ANALĠTĠK

OLARAK ĠNCELENMESĠ Pinar Salahaldin Hussein HUSSEIN

YÜKSEK LĠSANS TEZĠ ĠnĢaat Mühendisliği Anabilim Dalı

(2)

(3)

(4)

iv ÖZET

YÜKSEK LĠSANS TEZĠ

ÇELĠK YAPILARDA KULLANILAN KOLON TABAN LEVHALARININ ANALĠTĠK OLARAK ĠNCELENMESĠ

Pinar Salahaldin Hussein HUSSEIN Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü

ĠnĢaat Mühendisliği Anabilim Dalı DanıĢman: Yrd. Doç. Dr. Günnur YAVUZ

2015, 185 Sayfa Jüri

Yrd. Doç. Dr. Günnur YAVUZ Doç.Dr. Hicran AÇIKEL

Doç.Dr. Ali KÖKEN

Bu çalışmada, çelik yapılarda taşıyıcı sistem davranışını önemli oranda etkileyecek olan çelik kolon ayağı-temel birleşim bölgesinde kullanılan taban levhalarının tipleri hakkında detaylı bir açıklama yapılmış, bu konu hakkında mevcut LRFD ve ASD yöntemlerinde kolon taban levhasının hesabı için önerilen hesap esasları incelenmiştir. Tek katlı bir sanayi yapısı ve 6 katlı bir binanın SAP2000 ʼde iki boyutlu analizi yapılarak temele gelen yükler belirlenmiş ve bu yüklere göre açıkta kolon taban levha boyutlarının tasarımı gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, belirlenmiş olan yapı temeli ve kolon taban levhası birleşim detayları için ASDIP-steel programı kullanılarak kolon-taban levha bağlantısında hesap kontrolü yapılmıştır. RFEM 5.05 programı kullanılarak beş farklı tipte kolon taban levha birleşimi için sonlu eleman yöntemiyle analiz yapılmış ve elde edilen sonuçlar değerlendirilmiştir. Buna göre en iyi davranış rijitleştirilmiş kolon taban levha birleşiminde, en zayıf davranış ise taban levha kalınlığının azaltılmış olduğu tipte elde edilmiştir. Ayrıca, kolon ayağı uygulamalarında yapılan hatalar ile ilgili örnekler verilmiştir.

Anahtar Kelimeler: ASD, Çelik kolon-taban levha bağlantısı, LRFD, sonlu eleman analizi, taban levha tasarımı.

(5)

v MS THESIS

ANALYTICAL INVESTIGATION OF COLUMN BASE PLATES USED IN STEEL STRUCTURES

Pinar Salahaldin Hussein HUSSEIN

THE GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCE OF SELÇUK UNIVERSITY

THE DEGREE OF MASTER OF SCIENCE OF PHILOSOPHY IN CIVIL ENGINEERING

Advisor: Asst.Prof.Dr. Günnur YAVUZ 2015, 185 Pages

Jury

Asst.Prof.Dr.Günnur YAVUZ Assoc.Prof.Dr. Hicran AÇIKEL

Assoc.Prof.Dr. Ali KÖKEN

In this study, steel column base plate that can be influence the total behavior of steel building types was studied. The base plate design procedure according to LRFD and ASD methods were studied, one story industrial building and 6-stories building two dimensional analysis was done in SAP2000 program and the support reactions that obtained from analysis results was used to evaluate the exposed column base plate dimensions. The base plate dimensions and column base plate connection details were controlled in ASDIP-steel program. In RFEM 5.05 program finite element analysis for five different column base plate connection types was done and results were evaluted. From results, the best bahaviour was obtained in stiffened column base plate connection, the undesired bahaviour was obtained when base plate thickness was least from that used in other column base plate connections. Examples were given for the mistake which done in practice in column base plate connections.

(6)

vi ÖNSÖZ

Bu tez çalışması, Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü İnşaat Mühendisliği Anabilim Dalı Yüksek Lisans programında yapılmıştır. Çalışmada detaylı bir şekilde çelik kolon taban levha ve sınıflandırılması ile ilgili bilgi verilmiştir ve LRFD ve ASD ´ye göre tasarım esasları anlatılmıştır.Tek katlı bir çelik sanayi yapısı ve 6-katlı çelik binanın SAP2000 ʼde iki boyutlu analizi yapılarak temele gelen yükler ve bu yüklere göre açıkta kolon taban levha boyutları belirlenmiştir. yapı temeli ve kolon taban levhası birleşim detayları için ASDIP-steel programı kullanılarak hesap kontrolü yapılmıştır. RFEM 5.05 programı ile kolon taban levha birleşim tiplerinde sonlu eleman yöntemiyle analiz yapılmış ve sonuçlar değerlendirilmiştir. Ayracı kolon ayağı uygulamalarında yapılann hatalar ile ilgili örnekler verilmiştir.

Bu tez çalışmasının yapılmasında ilgi ve desteğini esirgemeyen, aileme ve arkadaşlarıma ayrıca bilgi ve tecrübelerinden yararlandığım sayın hocam Yrd. Doç. Dr. Günnur YAVUZ’ a teşekkürlerimi sunarım.

Pinar Salahaldin Hussein HUSSEIN KONYA-2015

(7)

vii ĠÇĠNDEKĠLER ÖZET ... iv ABSTRACT ... v ÖNSÖZ ... vi ĠÇĠNDEKĠLER ... vii SĠMGELER VE KISALTMALAR ... ix ġEKĠLLER ... xii ÇĠZELGELER ... xvi 1. GĠRĠġ ... 1 2. KAYNAK ARAġTIRMASI ... 4 3. KOLON AYAKLARI ... 9

3.1 Kolon Levhalarının Tipleri ... 12

3.1.1 Açıkta kolon taban levhaları ... 12

3.1.2 Gömülü kolon taban levhaları ... 13

3.2 Açıkta Kolon Taban Levhalarının Sınıflandırılması ... 15

3.2.1 Taban levhası davranışına göre sınıflandırma ... 15

3.2.2 Sınır koşullarının elde edilme miktarına göre sınıflandırma ... 17

3.2.3 Çelik göçme moduna göre sınıflandırma ... 18

3.2.4 Beton göçme moduna göre sınıflandırma ... 19

3.2.5 Enerji tüketme kapasitesine göre sınıflandırma ... 20

3.2.6 Çerçeve tipine göre sınıflandırma ... 21

3.3 Gömülü Kolon Taban Levhalarının Sınıflandırılması ... 21

3.3.1 Gömme uzunluğuna göre sınıflandırma ... 21

3.3.2 Çerçevede kolonun konumuna göre sınıflandırıma ... 22

3.3.3 Göçme mekanizmalarının göre sınıflandırma ... 23

3.3.4 Sünekliğe göre sınıflandırma ... 25

3.4. Ankraj Bulonu Tipleri ... 25

4. KOLON TABAN LEVHASI TASARIM YÖNTEMLERĠ ... 27

4.1 LRFD ve ASD Yöntemlerine göre Kolon Taban Levhası Tasarımı ... 27

4.1.1 Merkezi eksenel basınç yükleri durumu ... 27

4.1.2 Eksenel çekme yükleri durumu ... 29

4.1.3 Moment etkisi altındaki taban levhaları ... 34

4.1.4 Kesme tasarımı ... 35

5. SAP 2000 PROGRAMINDA ÇELĠK SANAYĠ YAPISI VE ÇELĠK BĠNA ANALĠZĠ ... 38

5.1. Çelik Sanayi Yapısı ... 38

(8)

viii

6. MOMENT ETKĠSĠNDEKĠ KOLON TABAN LEVHASININ LRFD VE ASD

YÖNTEMLERĠNE GÖRE BOYUTLANDIRILMASI ... 43

6.1. Sanayi Yapısında Kolon Taban Levhası Boyut Hesabı ... 43

6.1.1. Ankraj bulon tasarımı (LRFD'ye göre) ... 46

6.2. Binada Kolon Taban Levhası Boyut Hesabı ... 46

6.2.1. Ankraj bulon tasarımı (LRFD'ye göre) ... 49

6.3. Binada Kolonların Kutu veya Boru Kesitli Olması Durumunda ... 49

7. ASDIP-STEEL PROGRAMINDA ANALĠZ ... 52

7.1 Sanayi Yapısı Kolon Taban Levhasında Hesap Kontrolü ... 53

7.1.1 LRFD yöntemine göre hesap ... 53

7.1.2 ASD yöntemine göre hesap ... 60

7.2 Binada Hesap Kontrolü ... 66

7.2.1 LRFD yöntemine göre hesap ... 66

7.2.2 ASD yöntemine göre hesap ... 72

8. KOLON TABAN LEVHASININ SONLU ELEMAN YÖNTEMĠ ĠLE ANALĠZĠ ... 79

8.1 Sanayi Yapısında Kolon-Taban Levhası Birleşiminde Analiz ... 80

8.1.1 I profili kolon- taban levha bağlantısında analiz ... 80

8.1.2 I profili kolon ve taban levha kalınlığı 1 in (25.4mm) kullanarak kolon taban levha bağlantısında analiz ... 88

8.1.3 I kesitli kolon kullanarak rijitleştirilmiş kolon taban levha bağlantısında analiz ... 96

8.1.4 Kutu kesitli kolon kullanarak kolon taban levha bağlantısında analiz ... 104

8.2.5 Boru kesitli kolon kullanarak kolon taban levha bağlantısında analiz ... 112

8.2 Altı Katlı Bina Kolon-Taban Levhası Birleşiminde Analiz ... 121

8.2.1 I profil kullanarak kolon-taban levha bağlantısında analiz ... 121

8.2.2 I profili kolon ve taban levha kalınlığı 1 in (25.4mm) kullanarak kolon taban levha bağlantısında analiz ... 129

8.2.3 I kesitli kolon kullanarak rijitleştirilmiş kolon taban levha bağlantısında analiz ... 137

8.2.4 Kutu kesitli kolon kullanarak kolon taban levha bağlantısında analiz ... 145

8.2.5 Boru kesitli kolon kullanarak kolon taban levha bağlantısında analiz ... 153

9. KOLON TABAN LEVHA BĠRLEġĠMĠ UYGULAMALARINDA GÖZLENEN HATALAR ... 169 10. SONUÇLAR VE ÖNERĠLER ... 179 10.1 Sonuçlar ... 179 10.2 Öneriler ... 182 KAYNAKLAR ... 183 ÖZGEÇMĠġ ... 186

(9)

ix

SĠMGELER VE KISALTMALAR

SĠMGELER

A1 : Taban levhası alanı

A1 : Kesme pabuçun gömülü alanı (iskele üzerindeki harç ile teması halindeki kısmı

içermez) (kesme tasarımı)

A2 : Beton blok kısmının maksimum alanı

𝐴_𝑐 : Kesme transferini mukavemet eden beton kesit alanı AN : Bir ankraj grubu için beton kopma koni alanı

Anc : Bir ankraj grubu için beton kopma koni alanı (ASDIP-steel) ANo : Tek ankraj için beton kopma koni alanı

Anco : Tek ankraj için beton kopma koni alanı (ASDIP-steel)

Abrg : Ankraj çubuğunun veya somunun net taşıma alanı (çekme tasarımı,

ASDIP-steel)

Abrg : Betona karşı taban levhası ve/veya kolon arasındaki temas alanı ( kesme

tasarımı)

Ab : Nominal bulon alanı

Avo : Tek bir ankrajın tam kesme koni alanı

Avco : Tek bir ankrajın tam kesme koni alanı (ASDIP-steel)

Av : Tek bir ankraj veya bir grup ankraj için toplam kopma kesme alanı

Avc : Tek bir ankraj veya bir grup ankraj için toplam kopma kesme alanı (ASDIP-

steel)

Ats : Çekme gerilme alanı

Ase : Etkili kesit alanı, dişli çubuklar için çekme gerilmesi alanı olarak tanımlanır A : Enkesit alanı

Ao : Etkin yer ivmesi katsayısı B : Taban levha genişliği B : Kutu kolon genişliği

bf : Kolon başlık genişliği

c1 : Yük yönünde kenar mesafesi

Ca : Ankraj merkezinden beton blok kenarına kadar tek yönde mesafe

Cb1 : Küçük olan (a) Donatı merkezinden yandaki beton yüzüne kadar mesafe veya

(b) Donatılar arasındaki mesafenin yarısı. d : Genel kolon derinliği

do : Bulon çapı

da : Ankraj bulonun dıştan çapı D : Büyük çap

D : Ölü Yük E : Deprem yükü e : Eksantrisite

ecrit : Kritik eksantrisite

eh : Kanca uzantısı

fc´ : Beton basınç dayanımı

Fy : Taban levhanın veya bulon akma dayanımı fp : Levha ve beton arasındaki taşıma gerilmesi

fp1 : Kritik kesite taşıma gerilmesi

futa : Ankraj çeliğinin belirtilen çekme dayanımı

(10)

x Fp : Taşıma dayanımı

G : Sabit yük

H : Kutu kolon uzunluğu

hef : Gömme derinliği l : Gömme derinliği

Ld : Deforme olmuş çubuk, tel veya düz veya deforme olmuş donatı telin ʼde

çekmede geiştirilmiş uzunluk

Ldh : Deforme olmuş çubuk, tel veya düz veya deforme olmuş donatı telin ʼde

çekmede geiştirilmiş uzunluk, kritik noktadan kanca sonunun dışına kadar ölçülmektedir (kancalı kullanılması durumu)

L : Hareketli yük

L : Taban levha uzunluğu (ASDIP-steel)

Mr : Drake ve Elkin varsayımına göre eksantrik etki eden Mu momenti

Mu : Faktörlü Eğilme Momenti Ma : Eğilme momenti (ASD yöntemi) Mb : Taşıma nedeniyle moment Mt : Çekme nedeniyle moment

n : Bir in ´te diş sayısı

n  : Kolon gövde veya kolon başlığından akma çizgi teorisi konsol mesafesi n : Hareketli yük katılım katsayısı (DBYBHY)

N : Taban levha uzunluğu

Np : Çekip çıkarma dayanımı

Ncbg : Bir ankraj grubu için beton kopma dayanımı (ASDIP-steel)

Nn : Nominal çekme kuvveti Nsa : Çelik dayanımı

Nrg : Donatı dayanımı

Nsbg : Bir ankraj grubu için yan yüzde beton kopması Nu : Toplam çekme kuvveti

Nui : Tek bir bulona gelen çekme kuvveti

Ncb : Tek bir ankraj için çekmede beton koparma dayanımı

Nb : Kırılan betonda tek bir ankraj için çekmede beton koparma dayanımı

Np : Kırılan betonda tek bir ankraj için çekmede çekip çıkarma dayanımı Npn : Tek bir ankraj için çekmede nominal çekip çıkarma dayanımı Pu : Faktörlü Eksenel basınç Kuvvet (LRFD yöntemi)

Pa : Eksnel basınç Kuvvet (ASD yöntemi)

Pp : Taban levha altında nominal beton dayanımı

Pr : Drake ve Elkin varsayımna göre Pu eksenel kuvveti Pubrg : Kesme Kamasının taşıma kapasitesinin sınırı

qY : Elde edilen taşıma kuvveti 𝑞𝑚𝑎𝑥 : Maksimum taşıma kuvveti R : Taşıyıcı sistem davranış katsayısı S : Kar yükü

Sa : Bulonlar arasında merkezden merkeze mesafe

Tu :Çekme kuvveti

T : Drake ve Elkin varsayımna göre eksantrik Tu çekme kuvveti TA, TB : Spektrum karakteristik periyotları

tmin : Gerekli taban levha kalınlığı

tp(gerekli): Minimum levha kalınlığı

tf : Kolon başlık kalınlığı

(11)

xi Vu : Faktörlü kesme kuvveti

Va : Kesme kuvveti (ASD yöntemi) Vn : Nominal kesme dayanımı V : Toplam kesme kuvveti

Vi : Tek bir bulona gelen kesme kuvveti Vsa : Çelik dayanımı

Vrg : Donatı dayanımı

Vb : Kırılan betonda tek bir ankraj için kesmede beton koparma dayanımı Vcbg : Bir ankraj gurubu için kesmede nominal beton koparma dayanımı Vcpg : Bir ankraj gurubu için kesmede nominal Beton Kaldıraç dayanımı W : Rüzgar yükü

W : Taban levha genişliği (ASDIP-steel)

Y : Taşıma uzunluğu

φ : Dayanım azaltma katsayısı

 : Çelik taban levha ve beton arasındaki sürtünme katsayısı Ω : Emniyet Katsayısı

KISALTMALAR

ACI Amerikan Beton Enstitüsü (American Concrete Institute)

AISC Amerikan Çelik Yapı Enstitüsü (American Institute of Steel Construction) ANSI Amerikan Ulusal Standart Enstitüsü (American National Standards İnstitute) ASD Emniyet Gerilme Tasarımı (Allowable Stress Design)

ASME Makina Mühendislerin Amerikan Topluluğu (American Society of Mechanical Engineers)

ASTM Test ve Malzeme için American Topluluğu (American Society For Testing and Materials)

AASHTO Amerikan Devlet Otoyolları ve Resmi Taşımacılık Birliği (American Association of State Highway and Transportation Officials)

CCD Beton Kapasite Tasarımı (Concrete Capacity Design)

DBYBHY Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik EN Avrupa Standardı (European Standard)

FEA Sonlu Eleman Analizi (Finite Element Analysis)

LRFD Yük ve Dayanım Katsayısı Tasarımı (Load and Resistance Factor Design) TS Türk Standartı

(12)

xii ġEKĠLLER

ġekil 3.1 Tipik bir kolon taban detayları (Stark 2008)...9

ġekil 3.2 Çelik kolon ayağı (çelik kolon taban levhası-beton blok birleşimi) uygulaması (Murray 2013)...11

ġekil 3.3 Açıkta taban levhalı kolon ...12

ġekil 3.4 Açıkta taban levha bağlantısında yük dayanım mekanizması...13

ġekil 3.5 Kolon tabanlarının gömülü taban levhalar ile bağlantı tipleri...14

ġekil 3.6. Gömülü kolon taban levha bağlantısında yük dayanım mekanizması...14

ġekil 3.7 Açıkta kolon taban levhasında davranış türleri (Astaneh ve ark 1992)...15

ġekil 3.8 Başlangıç ve göçme aşamalarında taban levha bağlantısını üç tipi için kuvvet dağılımı (Grauvilardell ve ark 2005)...20

ġekil 3.9 Ankraj bulonu tipleri, a) yerinde döküm başlıklı ankraj bulonları, b) kancalı bulonlar, c) konik uçlu ankraj bulonları, d)sürtünmeyle yük aktaran ankraj bulonları e)harçla yük aktaran ankraj bulonları, f)enine kirişlere yük aktaran ankraj bulonları (Moore ve ark 2003)...26

ġekil 4.1 (a) Eksenel basınç yükü altında taban levhası ; (b) taban levha boyutları...28

ġekil 4.2 Çekme kuvveti etkisinden dolayı ulaşan tam kopma konisi...32

ġekil 4.3 Çekme etkisinde temel bloğu kenarı civarında oluşan kopma konisi...32

ġekil 4.4 İnce döşeme(beton blok)olması durumunda ankraj grubu için kopma konisi.33 ġekil 4.5 Ankraj çubuğunu geliştirmek için çelik takviye kullanımı...33

ġekil 5.1. Sanayi yapısına etki eden yük dağılımları (a) Zati ve kar yükü, (b) rüzgar yükü...38

ġekil 5.2. Normal kat planı...41

ġekil 5.3. Aks 4 ʼdün (a) iki boyutlu (b) binanın üç boyutlu gösterimi...41

ġekil 6.1. Sanayi yapısında kullanılan kolon taban levha boyutları ve eğilme çizgileri... 43

ġekil 6.2. Çok katlı binada kullanılan kolon taban levha boyutları ve eğilme çizgileri..47

ġekil 6.3. Taban levhasında kolon eğilme çizgisi boyutları; (a) kutu kesitli kolon, (b) boru kesitli kolon (Murray 2013)...50

ġekil 6.4. Kutu kesitli kolon olması durumunda taban levha boyutları...50

ġekil 7.1. Çekme yükleri etkisinde ankraj bulonlarında göçme modları (ACI-318 2011) ...52

ġekil 7.2. Kesme yükleri etkisinde ankraj bulonlarında göçme modları (ACI-318 2011) ...53

ġekil 7.3. ASDIP programında çelik sanayi yapısının temel boyutlarının şematik gösterimi... 54

ġekil 7.4. Taban levhası altında meydana gelen gerilme dağılımı ...59

ġekil 7.5. Çekme etkisindeki alan ...59

ġekil 7.6. Kesme etkisindeki alan...59

ġekil 7.7. Taban levhası altında meydana gelen gerilme dağılımı...65

ġekil 7.8. Çekme etkisindeki alan...65

ġekil 7.10. ASDIP programında çelik binanın temel boyutlarının şematik gösterimleri...66

ġekil 7.12. Çekme etkisindeki alan...72

(13)

xiii

ġekil 8.1. Maksimum Von Mises gerilmesi...81

ġekil 8.2. Maksimum Rankine gerilmesi...82

ġekil 8.3. Maksimum Tresca gerilmesi...83

ġekil 8.4. Maksimum Bach gerilmesi...84

ġekil 8.5. Taban levhasındaki gerilme dağılımları (Yatay yük 100 kN)...85

ġekil 8.9. 400 kN yatay yük değerindeVon Mises, Rankine, Tresca ve Bach gerilme dağılımları...87

(14)

xiv

ġekil 8.45. 400 kN yatay yük değerindeVon Mises, Rankine, Tresca ve Bach gerilme

dağılımları...119

(15)

xv

ġekil 8.90. 400 kN yatay yük değerindeVon Mises, Rankine, Tresca ve Bach gerilme

dağılımları...160

ġekil 9.1. Beton blok üzerine direk yerleştirilmiş bir kolon taban levhası ve uzun bulonlar...170

ġekil 9.2. taban levhasının simetrik olarak yerleştirilmemiş...170

ġekil 9.3. Bulonlar çok uzun...171

ġekil 9.4. Kolon taban levhası uygulamasında sadece bir doğrultuda kolon kesitinin dışında taban levhası bulunmakta...171

ġekil 9.5. Temeldeki betonun iyi olmaması ve taban levhasında kalkma...172

ġekil 9.6. Donatının korozyona uğramasından dolayı hasar görmüş bir temel beton bloğu...173

ġekil 9.7. Taban levhası yerleşimindean sonra yerinde bırakılmış çelik destek...173

ġekil 9.8. Taban levha ve temel arasında harç tabakasının yer almaması...174

ġekil 9.9. Taban levhası temel bağlantısında levhaya kaynaklanmış dört adet küçük levha...174

ġekil 9.10. Levhaya değişik elemanlar kaynaklanmış...175

ġekil 9.11. Taban levhasında ankraj bulonun levha dış kenarına yetersiz mesafede yerleştirilmesi ...176

ġekil 9.12. Mevcut bir taban levhası üzerine kolon taban levha birleşimi...176

ġekil 9.13. Bulonla uzun ve değişik levhalarla bağlanmış kolon taban levhası...177

ġekil 9.14. Uzun ankraj bulonu...177

ġekil 9.15. Kısa ankraj bulonu...178

(16)

xvi ÇĠZELGELER

Çizelge 4.1 Sadece eksenel basınç yüklerine maruz kolon taban levhalarının genel

tasarım yöntemi...28

Çizelge 4.2 Çekme kuvveti etkisinde beton ankraj sınır durumları ...31

Çizelge 4.3 Küçük ve büyük moment etkisindeki taban levhalarının genel tasarım yöntemi...34

Çizelge 5.1. Analizde dikkate alınan yük durumları... 39

Çizelge 5.2. Maksimum değerlerin elde edildiği yük kombinasyonları...39

Çizelge 5.3. Bina boyuna etki eden rüzgar ve deprem yükleri...40

Çizelge 5.4. Analizde dikkate alınan yük durumları...42

Çizelge 5.5. Maksimum değerlerin elde edildiği yük kombinasyonları...42

Çizelge 6.1. Sanayi yapısı kolon ayağında eksantrisite değerlerinin karşılaştırılması....44

Çizelge 6.2. Sanayi yapısı kolon ayağında ankraj bulonu için Tu çekme kuvveti değerlerinin belirlenmesi...44

Çizelge 6.3. Sanayi yapısında gerekli levha kalınlıklarının belirlenmesi...45

Çizelge 6.4. Çok katlı bina kolon ayağında eksantrisite değerlerinin karşılaştırılması...47

Çizelge 6.5. Levha ve beton arasındaki harç tabakasının taşıma gerilmesi hesabı...48

Çizelge 6.6. Çok katlı bina kolon ayağında gerekli levha kalınlıklarının belirlenmesi...48

Çizelge 6.7. Kutu kesitli kolon olması durumunda taban levhası tasarımının kontrolü...50

Çizelge 6.8. Kutu kesitli kolon olması durumunda gerekli taban levhası kalınlığı...51

Çizelge 7.1. ASDIP-steel programında LRFD yöntemine göre hesap özeti...54

Çizelge 7.2. Eksenel yük etkisinde kolon taban levhası analizi...55

Çizelge 7.3. Moment etkisinde kolon taban levhası analizi...55

Çizelge 7.4. Ankraj Tasarımı...56

Çizelge 7.5. Ankraj bulonlarında çekme analizi (ACI D.5)...56

Çizelge 7.6 Kesme analizi (ACI D.5)...57

Çizelge 7.7. Çekme -kesme etkileşimi...58

Çizelge 7.8. ASDIP-steel programında ASD yöntemine göre hesap özeti...60

Çizelge 7.13. Kesme analizi (ACI D.5)...63

Çizelge 7.15. ASDIP-steel programında LRFD yöntemine göre hesap özeti...67

Çizelge 7.20 Kesme analizi (ACI D.5)...70

Çizelge 7.22. ASDIP-steel programında ASD yöntemine göre hesap özeti...73

(17)

xvii

Çizelge 7.26. Ankraj bulonlarında çekme analizi (ACI D.5)...75 Çizelge 7.27. Kesme analizi (ACI D.5)...76 Çizelge 7.28. Çekme -kesme etkileşimi...77 Çizelge 8.1. Sanayi yapısında kullanılan kolon taban levha tiplerinin karşılaştırılması ...120 Çizelge 8.2. Binada kullanılan kolon taban levha tiplerinin karşılaştırılması...161 Çizelge 8.3. Sanayi yapısı ve bina kolon-taban levhası birleşiminde Von Mises

gerilmelerinin karşılaştırılması (Yatay yük =100kN)...162 Çizelge 8.4. Sanayi yapısı ve bina kolon-taban levhası birleşiminde Von Mises

(18)

1. GĠRĠġ

Çelik yapılarda, en önemli birleşim bölgesi elemanlarından biri olan kolon taban levhaları, yapının genel davranışını etkileyecek olan elemanlardır. Bu birleşim bölgelerindeki taban levhalarının yük etkisi altındaki davranışı karmaşık bir yapıya sahiptir. Çelik kolon ayağı-temel birleşim bölgesi analizindeki en önemli problemler ise çelik ve beton gibi iki farklı malzemenin birlikte kullanılması, bu malzemeler arasındaki etkileşim, eksenel yük, kesme kuvveti ve momentin varlığıdır. Kolon taban levha davranışının incelenmesi ile ilgili çok sayıda parametre bulunduğundan, bu bağlantıların analizi her zaman karmaşıklık göstermektedir (Shafieifar ve Khonsari 2012).

Çelik ve beton arasındaki etkileşimdeki karmaşıklığa ek olarak, taban levhası üzerinde kullanılan ve levhanın rijitliğini artırmak için sisteme eklenen ek birleşenlerin varlığı, sistemin çalışmasını çok daha karmaşık hale getirmektedir.

Geçmişte bilgisayar olanakları ve analiz için sayısal yöntemlerin yeterli olmaması nedeniyle, deneysel modellerin test edilmesi bağlantıların davranışının belirlenmesinde kullanılan en iyi ve gerçekçi yöntem olmuştur. Bu tür deneylerin sonuçları gerçeğe yakın olmakla birlikte, böyle bir uygulama hem zaman alıcı hem de yüksek maliyetli olmaktadır. Ayrıca farklı geometrilere ve boyutlara sahip bağlantıların davranışını anlamak için, bu deneyler, birkaç kez tekrarlanmalıdır. Bundan dolayı, bilgisayar simülasyonları kullanılarak farklı tipteki çelik kolon taban levhalarının, göçme modları, oluşturulan sistemin avantaj ve dezavantajları ile genel davranışın belirlenmesinde büyük kolaylık ve tasarruf sağlanabilmektedir. Kolon taban levhalarının deneysel ve analitik modelleri arasındaki bağlantıyı belirlemek için yapılmış olan çalışmalar bulunmaktadır. Bu araştırmaların çoğunda, berkitmesiz basit taban levhaları incelenmiş ve sonuçlar arasındaki bağlantı yeterli bulunmuştur (Stamatopoulos ve Ermopoulos 2011, Shafieifar ve Khonsari 2012).

Bir çelik kolon tabanı temel olarak; çelik kolon, taban levhası ve ankraj çubuklarından oluşmaktadır. Kolon ayakları genellikle berkitmesiz taban levhaları ile tasarlanmakta, fakat birleşim bölgelerinde yüksek eğilme momentlerinin aktarımının gerektiği durumlarda ise berkitmeli taban levhaları ile teşkil edilmektedir. Kolon tabanı, bir beton bloğa veya bir çelik profil ile mesnetlendirilmektedir (Moore ve ark 2003).

Kolon-taban levhası birleşimleri çelik yapılarda kritik bölgelerdir, çünkü bu bölgede eksenel kuvvetler, kesme kuvvetleri ve momentler temele aktarılmaktadır. Laboratuvar deneyleri, kolon taban levha bağlantılarının çeşitli göçme modlarına sahip

(19)

olduğunu göstermiştir (Astaneh-Asl ve Bergsma 1993, Burda ve Itani 1999, Fahmy ve ark 1999). Bu göçme modları; kaynakta çatlak oluşumu, taban levhasında akma, ankraj bulonu kopması ve beton ezilmesi olarak belirlenmiştir (DeWolf ve Sarisley 1980). Grauvilardell ve ark (2005), taşıyıcı sistemde örneğin çelik çaprazlı çelik çerçevelerde taban levhalarında aşırı kesme kuvveti-moment oranı ile karşılaşılabileceğini ve böylece bağlantı bölgesindeki göçmeye kesme etkisinin hakim olacağını göstermiştir (Gomez ve ark 2009).

Yatay yük etkisi altındaki çelik kolon ayaklarında kullanılan açıkta taban levhaları, eğilme momenti ve kesme kuvveti etkisi altında meydana gelen dönme etkisiyle deforme olmaktadır. Bu bölgelerdeki birleşimlerin davranışı yatay yük etkisi altındaki yapının genel davranışında büyük öneme sahiptir. Yapılan araştırmalar göstermiştir ki, kolon ve temel elemanları arasındaki bağlantılar çoğu durumda yarı-rijit bir davranış göstermekte ve tüm taşıyıcı sistem davranışını çok önemli bir şekilde etkilemektedir (Grauvilardell ve ark 2005, Hamizi ve Hannachi 2007, Melenciuc ve ark 2011, Stamatopoulos ve Ermopoulos 2011).

Son zamanlarda, özellikle çelik taşıyıcı sistemler için önemli olan birleşim bölgeleri hakkında yapılan çalışmalar da önem kazanmaktadır. Çelik yapılardaki en önemli birleşim bölgelerinden biri de çelik kolon-taban levhası birleşimleridir. Taban levhaları üst yapıdan gelen yükleri temele aktarmak için kullanıldığından çok önemli ve kritik elemanlardır. Bu çalışma, bu konuyla ilgili fazla araştırma olmadığı gözönünde bulundurularak, konunun önemine dikkat çekmek ve yönetmeliklerdeki farklı hesap esaslarını incelemek için yapılmıştır.

Bu çalışmada, çelik yapılarda taşıyıcı sistem davranışını önemli oranda etkileyecek olan çelik kolon ayağı-temel birleşim bölgesinde kullanılan taban levhalarının tipleri hakkında detaylı bilgi verilmekte, bu konu hakkındaki mevcut AISC (Amerikan Çelik Yapı Enstitüsü) yönetmeliklerindeki "LRFD(Load and Resistance Factor Design - Yük ve Dayanım Katsayısı Tasarımı)" ve "ASD(Allowable Stress Design - Emniyet Gerilmesi Tasarımı)" kolon taban levhasının hesabı için önerilen hesap esasları incelenmiştir. LRFD yöntemi faktörlü yükleri, ASD yöntemi ise servis yükleri kullanarak hesap yapan bir yöntemdir. Ayrıca, SAP2000 programında tek katlı bir çelik sanayi yapısı ile 6-katlı bir binanın iki boyutlu analizi yapılarak temele gelen etkiler belirlenmiş ve bu etkilere göre "Yük ve Dayanım Katsayısı Tasarımı (LRFD)" ve Emniyet Gerilmesi Tasarımı (ASD) yöntemleri için mevcut hesap esaslarına göre açıkta kolon taban levha boyutları belirlenmiştir. Yapı temeli ve kolon taban levhası birleşim

(20)

detayları için ASDIP-steel programı kullanarak LRFD ve ASD yöntemlerine göre hesap kontrolü yapılmıştır. ASDIP-steel programında eksenel yük ve moment etkisinde hesaplanan taban levha boyutlarının yeterliliği belirlendikten sonra ankraj bulonları da çekme ve kesme durumları dikkate alınarak kontrol edilmiştir. Daha sonra, RFEM 5.05 programı kullanılarak incelenen sanayi yapısı ve 6 katlı bina için kolon taban levha birleşiminde sonlu eleman analizi gerçekleştirilmiştir. Kolon-taban levhası bağlantıları, kolon kesiti farklı profil türlerine göre I, kutu ve boru profil olmak üzere 3 farklı tipte seçilerek, levha kalınlığı değiştirilerek ve ek rijitleştirici levha eklenerek 5 farklı tip model için sonlu eleman yöntemi ile analiz edilmiş ve elde edilen sonuçlar değerlendirilmiştir. Ayrıca, mevcut çelik kolon ayağı uygulamalarında yapılan hatalar hakkında örnekler verilmiştir.

(21)

2. KAYNAK ARAġTIRMASI

Adany (2000), taban levhalı bulonlu çelik yapı birleşimleriyle ilgili deneysel bir çalışma gerçekleştirmiştir. Deneyler, Portekiz'deki Superior Técnico Enstitüsü (IST) enstitüsü İnşaat Mühendisliği laboratuvarında yapılmıştır. Adany (2000), çalışmasının esas amacının taban levhası kullanılan çelik yapı birleşimlerinin çevrimsel yükler etkisi altındaki davranışının belirlenmesi olduğunu belirtmektedir. Bu çalışmada dört göçme modu, taban levhada, bulonda veya levha ve bulonda göçme olarak tanımlanmış ve beş farklı numune kullanılarak bu birleşimlerin çevrimsel yük altındaki davranışı incelenmiştir. Numunelerin dört adedinde HEA200 kesitli kolon ve elle sıkıştırılmış bulon, birinde ise kaynaklı yapım profili kullanılmıştır. Ayrıca bir numunede de öngermeli bulonla bağlantı yapılmıştır.

Gresnigt ve ark (2008), Delft Teknoloji Üniversitesi Stevin Laboratuvarı'nda, kesme ve çekme kuvveti kombinasyonlarına maruz kalan taban levhaları üzerinde deneysel ve teorik bir araştırma gerçekleştirmiştir. Test sonuçlarını değerlendirmek ve yük deformasyon davranışını tanımlamak için geliştirilen analitik model sunulmuştur. Sonuçlar, kesme dayanımını belirlemek için kolondaki çekme kuvvetinin etkisinin ihmal edilebilmesini, kesme mukavemetinin harç tabakasının kalınlığından bağımsız olduğunu, deformasyonların ise harç tabakasının kalınlığına büyük ölçüde bağlı olduğunu ve tasarımda kesme dayanımı yanında kullanılabilirlik sınır durumu ve taşıma gücü sınır durumunda deformasyonların da kontrol edilmesi gerektiğini göstermiştir.

Lee ve ark (2008a), tarafından, zayıf eksen etrafında eğilme davranışı gösteren açıkta kolon-taban levha bağlantılarının tasarımında kullanılan Drake ve Elkins yönteminin değerlendirilmesi ve büyük kolon deplasmanları altında bağlantı elemanlarında (kolon, taban levha ve ankraj bulonu) relatif dayanım oranlarının bağlantı davranışına etkisini incelemek amacıyla parametrik bir çalışma yapılmıştır. Bu çalışmada, bağlantının önemli birleşim arayüzlerindeki kuvvet aktarımını gösteren bir sonlu eleman analizi (FEA) modeli geliştirilmiş ve farklı taban levha kalınlığına, ankraj bulon boyutuna ve harç basınç dayanımına sahip toplamda 43 adet üç boyutlu sonlu eleman ağı oluşturulmuş ve analiz edilmiştir. Sonlu eleman analizleri, bu yöntemin bağlantı elemanlarının tasarımında kullanılması durumunda özellikle bağlantılarda nihai durumda istenilen davranışın elde edilmediğini göstermiştir.

(22)

Lee ve ark (2008b), kolonun zayıf ekseni yönünde yükleme altında dört adet açıkta kolon taban levha birleşimini (ikisi 6 adet bulonlu birleşim ve ikisi 4 adet bulonlu birleşim) test edilmiştir. Bu deneysel çalışmada, büyük kolon yanal deplasmanları altında her deney numunesine ait genel çevrimsel performans ve önemli birleşim elemanlarının davranışı incelenmiştir. Ayrıca, değişik sayıda ankraj bulonu kullanımının, taban levhası ve ankraj bulonları arasında rölatif dayanım farklılığının ve farklı dolgu metali ve kaynak detaylarının, birleşimin çevrimsel sünekliğine etkisi incelenmiştir. Dört deney numunesinden sadece birine önemli bir dayanım azalması olmadan hedeflenen tüm yükleme geçmişi uygulanabilmiş ve kolonun alt ucunda plastik mafsal oluşmuştur. Diğer üç numune ise birleşimde sınırlı bir süneklik göstermiştir. Deneysel çalışma boyunca, deney numunelerinin tasarımında kullanılan Drake ve Elkins tasarım yöntemi değerlendirilmiştir.

Wald ve ark (2008), bileşen yönteminin çelik kolon taban levha üzerindeki uygulamasını incelemişlerdir. Eksenel yük etkisi altındaki kolon taban levhasında mukavemet momenti ve berkitme levhalarını belirlemek için analitik bir model sunmuşlardır. Analitik model test sonuçları ile kontrol edilmiştir. Ayrıca, taban levha kalınlığı ve ankraj bulonu uzunluğu ile ilgili de bir çalışma yapılmıştır. Bu çalışmada, önerilen modelin taban levhası dayanımı ve berkitme levhasının belirlenmesi için kullanılabileceği ve yapılan tahminin başarısının bileşenlerin doğru olarak modellemesine bağlı olduğu sonucu elde edilmiştir.

Gomez ve ark (2009), yaptıkları deneysel çalışmada, AISC (Amerikan Çelik Yapı Enstitüsü) Çelik Tasarım Kılavuzunda yer alan açıkta kolon taban levhalarının üç tip kesme aktarım mekanizmasını incelemişlerdir. Bu kesme aktarım mekanizmaları; 1- yüzey sürtünmesi, 2- ankraj bulonuyla taşıma ve 3-kesme kamasıyla taşımadır. Bu çalışmada, yedi adet büyük ölçekli taban levha deneyi gerçekleştirilmiştir. Bulardan üç adedi taban levhası ve harç arayüzü arasındaki yüzey sürtünmesini incelemektedir. İki adet deneyde ankraj çubuğunun taşıma kapasitesi incelenmiştir (her deneyde değişik çap kullanılmıştır) ve iki deneyde de kesme kaması taşıma kapasitesi incelenmiştir (her deney için farklı kesme kaması gömülme uzunluğu kullanılmıştır). Yükleme durumları; eksenel basınç, eksenel çekme ve monoton / çevrimsel kesme kuvvetini içine almaktadır. Taban levha bağlantısı deneylei yardımcı yan deneyler ile uygulanmaya konulmuştur. Bu deneylerde ankraj çubuğu, beton ve harç özellikleri belirlenmiştir. Bu çalışma sonucunda, açıkta kolon taban levhalarında kesme aktarımı ile ilgili olan değişik göçme modları için dayanım kapasitesinin belirlenmesi için kurallar ve

(23)

denklemlerin elde edilmiştir. Burada gerçekleştirilen deneyler kesme etkileri üzerine yapılmış olsa da genelde eğilme ve kesme davranışı elde edilmiştir.

Melenciuc ve ark (2011), açıkta çelik kolon taban levhalarının çevrimsel yükleme altındaki davranışıyla ilgili bir çalışma gerçekleştirmişlerdir. Kolon taban levha birleşimlerinin denenmesi için, özel tasarlanmış olan ANCO sarsma tablası kullanılmıştır. Çelik kolon deneyleri, eksenel yük uygulanmadan (kolonun kendi ağırlığı hariç), yanal doğrultuda yatay yük etkisi altında gerçekleştirilmiştir. Deney sonunda, birleşim kolonda plastik mafsalın oluşumu ile göçmüştür. Elde edilen sonuçlara göre, birleşim bölgesindeki davranışı taban levhası kalınlığının önemli oranda etkilediği görülmüştür.

Shafieifar ve Khonsari (2012), rijitlik derecesi yüksek olan, yaygın olarak kullanılan yarı-rijit taban levha sistemlerinin davranışını sonlu eleman analizi (FEA) yöntemiyle incelemiştir. Beton ve çelik arasındaki etkileşim, temas gerilmelerinin dağılımı, ilgili elemanların davranışları, bu elemanların dayanım ve bununla bağlantılı olarak bağlantı rijitliğindeki etkisini araştırmışlardır. Oluşturulan sonlu eleman modelleri farklı araştırmacılar tarafından denenmiş ve bu testlerden alınan bazı sonlu eleman modeli (FEA) örnekleri arasında karşılaştırmalar yapılmıştır. Bu çalışmada beş numune kullanılmış olup bu numunler yarı rijit ve rijit olarak değişmektedir. Numunelerin rijitliğini artırmak için her modelde taban levhasına ek levha veya kutu kesitli levha eklenmiştir. İlk modelde, taban levhasındaki aşırı eğilme nedeniyle göçme meydana gelmiş, ikinci modelde uç ankrajlı bulonlardaki büyük deformasyonlar göçmeye neden olmuştur. Üçüncü modelde, berkitmeli levhanın hızla deformasyonu bağlantının daha fazla dayanmamasına neden olmuştur. Bundan dolayı, bu bağlantının rijit olarak kabul edilemeyeceği sonucuna varılmıştır. Dördüncü modelde, kutu kesitin gövdesindeki büyük deformasyonlar göçmeye neden olmuştur. Beşinci modelde ise kutu başlığı en önemli elemandır. Bu çalışmadan elde edilen sonuçlara göre yüksek rijitliğe sahip sistemelde ankraj bulonlarının etkisi çok önemli olmaktadır. Model 2 yüksek, model 3 düşük rijitliğe sahiptir. Model 4 ve 5 betonda daha iyi gerilme dağılımı gösterdiğinden daha az hasar görmektedir.

Latour ve ark (2012), bu çalışmada, bir araştırma programı çerçevesinde bileşen yaklaşımına dayanan bir mekanik model kullanarak taban levha birleşimlerinin çevrimsel dönme modelini oluşturmayı amaçlamışlardır. Göçmeye kadar taban levha birleşiminin monotonik davranışının tahmin edilmesi için bileşen yaklaşımının doğruluğunun değerlendirmesi yapılmıştır. Özellikle, taban levha birleşimlerinin rijitlik,

(24)

dayanım ve tüm moment rotasyon eğrisinin Eurocode 3'te verilen bileşen metoduyla tahminindeki doğruluk, Salerno Üniversitesi'nde gerçekleştirilen deneylerin sonuçları ile değerlendirilmiştir. Deney numuneleri, öncelikle kolon eksenel yükünün farklı değerleri için elastik sınırda denenmiş ve ardından göçmeye kadar yüklenmiştir. Bileşen yönteminden elde edilen tahmin sonuçları, taban levha birleşimlerinin davranışını etkileyen geometrik ve mekanik parametrelerin aralığını genişletmek için Latour ve ark.(2012) tarafından yapılan deneyler ile teknik literatürden toplanan mevcut deney sonuçları kullanılarak karşılaştırılmıştır.

Horová ve ark (2012), yaptıkları çalışmada, eksenel yük ve eğilme momenti etkisi altındaki taban levhası ve ankraj bulonlarından teşkil edilmiş olan CHS (dairesel içi boş kesit) ve RHS (dikdörtgen iç boş kesit) kolon tabanlarının analitik tahmin modelini oluşturmuşlardır. Bu analitik model, Eurocode EN 1993-1-8 (2005)'te yer alan bileşen yöntemine dayanan eksenel kuvvet, eğilme momenti mukavemeti ve dönme rijitliğinin belirlenmesini sağlayan veren bir modeldir. Analitik model iki bileşenden oluşmaktadır, eğilmede taban levhası ve çekmede ankraj bulonu. Bunlar boşluklu taban levhalarının değerlendirilmesi için de uygundur. Çekme bölgesindeki T-bölgesinin akma çizgisi teorisiyle analitik olarak türetilmiş ve sonlu eleman simülasyonuyla kontrol edilmiştir. Bu model, mukavemet ve rijitlik tahminlerini doğrulamak için yayınlanmış deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırma moment-dönme eğrisinin tahminini doğruluğunu göstermiştir. Sonuç olarak, bileşen yöntemine dayalı olark geliştirilen analitik modelin dayanım ve rijitliğin tahminini yeterli doğrulukla yapabildiği ve bundan dolayı tasarım için kullanılabileceği düşünülmektedir.

RoĢca ve ark (2013), bu çalışmada, taban levhası altındaki betonun ve taban levhasının birlikte çalışmasını incelemişlerdir. Basınç etkisinde beton dayanımı, beton temel malzemesine, harç tabakasının davranışına ve karmaşık duruma sahip taban levha beton temas alanına bağlıdır. Bu bileşenlerdeki dayanımı belirlemek için çeşitli modeller sunulmuş ve deneyler ile doğrulanmıştır. Ayrıca, modelleme sırasında literatürdeki çeşitli varsayımlar benimsemiştir. Sonuç olarak, taban levhası ile ilgili literatürdeki çalışmalar ve farklı yönetmelik tasarım yöntemleri incelenmiş, taban levhası altındaki basınç taşıma alanı için her modelde farklı varsayımlar kullanıldığı ve basınçta beton dayanımının taban levha kalınlığına, çelik ve beton sınıfına bağlı olduğu gösterilmiştir.

Borzouie ve ark (2014), yaptıkları çalışmada, ard germeli ankraj bulonu ile temele bağlanan ve bağlanmayan taban levha bağlantılarının çevrimsel davranışları ile

(25)

ilgili deney sonuçlarını sunmuşlardır. Bu çalışmanın amacı, mevcut tasarım yöntemleri ile düşük hasar oluşumuna göre tasarlanan bu tip bağlantılarda meydana gelecek hasarların belirlenmesi ve değerlendirilmesidir. Taban levha birleşiminin hasar yapabilirliğini karakterize etmek için, her kolon tabanı belirli bir asal elastik ötesi deformasyon moduna göre tasarlanmıştır. Bu modlar, ankraj bulonunda akma meydana gelmesi, kolonun akması veya kolon ve taban levhasında akma meydana gelmesidir.Bu çalışma ile, incelenen birleşimlerde oluşan hasarların, kaynak ve ankraj bulonunda meydana gelen gevrek göçmeler nedeniyle "küçük hasar" olarak kategorize edilmesinin mümkün olmadığı gösterilmiştir. Ayrıca, taban levhasına sonradan germe uygulanması tabanın dönme rijitliğini artırmakta ve düşük eksenel kuvvetli kolonların daha sünek olması ile sonuçlanmaktadır. Ankraj bulonlarının ard germesi, kolon taban levhası birleşiminin sismik performansını dönme rijitliği ve sünekliğin önemli ölçüde artışıyla yüksek oranda değiştirmektedir.

(26)

3. KOLON AYAKLARI

Çelik kolon ayağı-temel bağlantı tipi seçimine bağlı olarak, kolonlara gelen yükler eksenel kuvvet, kesme kuvveti ve moment etkileri olabilmektedir. Çoğu kez geniş başlıklı profillerden teşkil edilen çelik kolonlar, bu kesit tesirlerini temele aktarmak durumundadır. Temeller, zemin düzeyinde veya daha alt düzeyde olduğundan genellikle münferit betonarme blok veya ızgara temel şeklinde olmaktadır. Eğer kolonda en etkili yük olarak sadece eksenel basınç kuvveti mevcut ise ve/veya temele taşınan moment nispeten küçük ise, kolunun temel bloğu ile birleşimi bir taban levhası ve ankraj bulonları ile yapılabilmektedir. Buna karşılık, eğer kolonda eksenel basınç yüküne ek olarak temele aktarılacak moment nispeten büyük ise, kolonun temel ile birleşimi bir taban levhası ve momentin çekme bileşenini aktaran ankraj bulonları ile daha güvenli olarak yapılabilmelidir (Keyder ve Wasti 2010). Şekil 3.1'de tipik bir çelik kolon-taban levhası bağlantı detayı görülmektedir (Stark 2008).

ġekil 3.1. Tipik bir çelik kolon ayağı detayları(Stark 2008)

Bir çelik kolon ayağına ait taban levhası kolona kaynaklanmış olan bir çelik saç tabakasıdır. Temel amacı kolon ve beton blok arasındaki temas yüzeyi alanını arttırmaktır. Böylece taban levhası üst yapıdan gelen basınç gerilmelerini daha geniş bir alana yayarak azaltmakta ve betondaki ezilmeyi engellemektedir. Bir diğer işlevi ise olası çekme etkisini ankraj bulonlarına aktarmaktır. Çelik kolon taban levhaları genellikle dikdörtgen olarak seçilmektedir. Dayanımla ilgili olarak, taban levhaları levhada plastik mafsal oluşturmak için gerekli kalınlıktan daha küçük eşit, veya daha büyük olup olmadığına göre sınıflandırılmaktadır (Grauvilardell ve ark 2005). Rijit/kalın levhalar, güvenilir olmalarına karşılık ankraj bulonlarındaki kırılma veya büyük dönme etkisinden dolayı harçta ezilme meydana gelmesi ve kopma çizgisinden

(27)

dolayı göçmenin oluşumu gibi nedenlerde dolayı büyük olasılıkla sünek olmayan davranış gösterecektir (Grauvilardell ve ark 2005). Esnek/ince levhalar sünek davranış göstermekte, inelastiklik taban levhasının kendi içinde yoğunlaşmaktadır. Yarı-rijit levha durumunda, göçme ankraj bulonları kadar taban levhası nedeniyle de oluşmaktadır (Amaral 2014).

Çelik kolon taban levhası ve beton blok arasındaki bağlantı sürtünmeyle kolondan kesme kuvvetlerinin beton bloğa geçişine imkan sağlayan harç tabakası ile sağlanmaktadır. Kalınlığı genellikle 0.1 (maksimum 0.2)levha genişliği olarak kabul edilmektedir (Horová 2010). Açıkta kolon taban levhalarının inşa sürecinde, harç tabakası en son uygulanacak bölümdür. Taban levhası ve beton blok arasındaki alan, daha sonra harç ile doldurulmak için boş bırakılır. Genellikle kalın taban levhası kullanılması durumunda bazen, harç yerleştirilirken sıkışan havanın çıkmasına izin vermek için taban levhasında delikler bırakılmaktadır (Correia 2013).

Beton blok çelik kolonun temeli olup işlevi yükleri zemine aktarmaktır ve belirli zemin koşullarına göre boyutlandırılmaktadır (Amaral 2014). Şekil 3.2 'de bir çelik kolon taban levhası-beton blok birleşimi uygulaması görülmektedir.

(28)

ġekil 3.2. Çelik kolon ayağı (çelik kolon taban levhası-beton blok birleşimi) uygulaması (Murray 2013)

(29)

3.1 Kolon Levhalarının Tipleri

Kolon taban levhaları genel olarak açıkta kolon taban levhaları ve gömülü kolon taban levhaları olmak üzere iki grupta sınıflandırılmaktadır (Grauvilardell ve ark 2005).

3.1.1 Açıkta kolon taban levhaları

Bu grup taban levhaları esasen mafsallı bağlantı durumunu elde edebilmek için oluşturulmuştur. Kolonun uç kısmına ince bir çelik taban levhası köşe kaynak dikişleriyle birleştirilerek, eksenel basınç, eksenel çekme ve kesme kuvveti yapıdan temele aktarılmaktadır. Açıkta taban levhaları özellikle sanayi yapılarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Çok eski uygulamalarda, çekme kuvvetini ve bazı durumlarında kesme etkisini karşılamak için gövde ve geniş başlıkla çevrili bölüm içerisinde iki adet ankraj çubuğu kullanılmıştır. Bu tip bağlantıların moment mukavemeti ihmal edilmektedir. Analitik ve deneysel çalışmalar bu varsayımın birçok durumda hatalı olduğunu göstermiştir (Galambos 1960, Picard ve Beaulieu 1985). Yapılan çalışmalara göre, deprem nedeniyle oluşan momentlerin aktarılması için detaylandırılmamış olan kolon taban levhaları, bu momentleri temele aktardığında teorik mafsallı bağlantılarda problem oluşmaktadır (Hitaka ve ark 2003). Şekil 3.3'te tipik bir açıkta kolon taban levhası görülmektedir.

(30)

Açıkta kolon taban levha birleşimi, deprem etkisinin önemli olduğu ve olmadığı bölgelerdeki çelik yapılarda kullanılabilmektedir. Bu tip kolon taban levhalarında meydana gelen yük mukavemet mekanizması Şekil 3.4'te görülmektedir. Bu birleşim bölgesi; taban levhasına kaynaklanmış çelik kolon ile beton bloğa veya temele bulonla birleştirilmiş taban levhasından oluşmaktadır. Bu bağlantılarda, moment ve eksenel kuvvet, basınç bölgesinde beton temel bloğuyla, çekme bölgesinde ankraj bulonlarıyla karşılanmaktadır. Kesme kuvvetleri ise ankraj bulonlarında kesme ve taban levhası ile temel arasındaki sürtünme ile karşılanmaktadır. Açıkta kolon taban levhasının dönme rijitliği, taban levhasının kalınlığına ve boyutlarına, aynı zamanda ankraj bulonları tarafından karşılanan çekme kuvvetine bağlıdır (Kingsley 2005). Açıkta kolon taban levhası ile yarı ankastre uç koşulları elde edilmesine rağmen dönme rijitliğinin sınırlı olmasından dolayı genellikle mafsallı mesnet olarak modellenmektedir (Grauvilardell ve ark 2005).

ġekil 3.4. Açıkta taban levha bağlantısında yük dayanım mekanizması

3.1.2 Gömülü kolon taban levhaları

Bu tip kolon taban levhaları, betonarme bir temele veya bir kiriş içine doğrudan gömülmüş kolonları içine almaktadır. Gömülü taban levhaları, genellikle ofis ve diğer ticari bina uygulamalarında kullanılmaktadır. Moment, eksenel kuvvet ve kesme kuvveti, kolon ve taban levhalarının dayanımı ile karşılanmaktadır. Mukavemet mekanizmasının içindeki taban levhalarının işlevi bağlantının eksenel dayanımının artışına yardımcı olmaktır. Ankraj çubuklarının sadece yüzeysel gömülü kolon levhaları kullanılması durumunda genel davranışa önemli bir etkisi olmaktadır. Şekil 3.5'te gömülü taban levhalarının bağlantı tipleri görülmektedir (Grauvilardell ve ark 2005).

(31)

ġekil 3.5. Kolon tabanlarının gömülü taban levhalar ile bağlantı tipleri

Gömülü bağlantılar, temel üstündeki kolonun eğilme kapasitesinin tamamının kullanılması ile yeterli dayanım ve rijitliğe sahip bir kolon tabanında tam ankastre mesnet şartlarını elde etmek için tasarlanmaktadır. Çoğu durumda, bağlantı detayı açıkta taban levha bağlantılarına benzemektedir (beton temel içerisinde yerleştirilmiş taban levhaları hariç) (Kingsley 2005).

Gömülü taban levhalarının yapımı, birkaç yapım tekniğinin koordinasyonunu gerektirdiğinden açıkta taban levha bağlantılarına göre inşaatı daha zaman alıcı ve pahalı olmaktadır. Grauvilardell ve ark (2004), tarafından tanımlanan gömülü kolon taban bağlantıların yük dayanım mekanizması Şekil 3.6 'da gösterilmiştir (Kingsley 2005).

ġekil 3.6. Gömülü kolon taban levha bağlantısında yük dayanım mekanizması

Kolon yükleri, taban levhası altında taşıma ve ankraj çubuğundaki çekme kuvveti yanında le gömülme uzunluğu üzerinde beton temelin karşısındaki kolon yüzeyi

(32)

tarafından da karşılanmaktadır. Gömme uzunluğu 2D'ye eşit alınmaktadır, burada D eğilme düzlemindeki kolon kesit boyutudur (Grauvilardell ve ark 2005). Grauvilardell ve ark (2004), kolon gömme uzunluğu 2D veya daha fazla olan kolonların, yüzeysel gömülü (le < 2D) kolonlardan daha büyük dönme rijitlik değerlerine sahip olmasının beklendiğini ve sünek bir davranış ile iyi bir enerji tüketimi göstereceği sonucuna varmıştır (Kingsley 2005).

3.2 Açıkta Kolon Taban Levhalarının Sınıflandırılması

Açıkta kolon taban levhaları altı durum dikkate alınarak sınıflandırılmaktadır (Grauvilardell ve ark 2005);

3.2.1 Taban levhası davranıĢına göre sınıflandırma

Taban levhaları kabaca kalınlığı levhada plastik mafsal oluşumu için gerekenden daha küçük, eşit veya daha büyük olup olmadığına göre sınıflandırılmaktadır. Şekil 3.7'de kalın, orta kalınlıkta ve ince taban levhası kullanılması durumunda oluşabilecek deformasyonlar görülmektedir.

ġekil 3.7 Açıkta kolon taban levhasında davranış türleri (Astaneh ve ark 1992)

3.2.1.1 Rijit veya kalın levhalar

Kalın taban levhalı kolon taban birleşimlerinin, bu üç sınıflandırma tipi içinde en kuvvetli ve en rijit olması beklenmektedir. Ancak, bu tip taban levhaları, ankraj

(33)

çubuklarının kopması, tasarımdaki en zayıf nokta olması veya büyük dönme açıları için (0.03 radyandan daha büyük) harcın ezilmesi ve parçalanmasından dolayı büyük olasılıkla sünek olmayan bir davranış gösterecektir. Ankraj çubuklarındaki çekme kuvvetleri (betondaki tekil basınç kuvveti kadar) levhanın kalınlığı ile artmaktadır . Bu nedenle, temel donatısı için tipik bir detaylandırma tavsiye edilmektedir. Ankraj çubuklarında sünek davranış elde edilebilmesi için bazı parametreler bulunmaktadır. "Akma oranı" olarak isimlendirilen bir parametre ankraj çubuklarının sünek davranış gösterecek şekilde tasarlanması için tanımlanmıştır (Sato 1987). Akraj bulonları çekme kuvvetine maruz kaldığında, ilk olarak bulonun dişli kısmında akma meydana gelmektedir. Bulonda dişli parçanın kırılmasından önce, düz yüzeyli gövde bölümünde akma oluşamıyorsa gevrek davranış meydana gelmektedir (Balut ve Moldovan 1997). Bu istenmeyen davranışı engellemek amacıyla, bulon malzemesinin akma dayanımı ve çekme dayanımı arasındaki kısım olarak tanımlanan "akma oranı" bir deney parametresi olarak kullanılmıştır (Grauvilardell ve ark 2005).

3.2.1.2 Esnek veye ince levhalar

İnce taban levhalı kolon taban bağlantıları, esnek, sünek davranış ile karakterize edilmektedir ki elastik olmama taban levhasının kendi içinde yoğunlaşmaktadır. Akma çizgileri profil başlıkları boyunca şekillenmekte ve taban levhası yeterince inceyse, taban levhasının köşelerinde 45° akma çizgileri oluşabilmektedir. Diğer kolon taban levhası bileşenleri (ankraj çubukları, beton temel bloğu) elastik kalmaktadır. Taban levhasının önemli elastik ötesi deformasyonundan dolayı, birleşim, üst yapı için yer hareketinden oluşan sismik tepkiyi azaltmaya yardımcı bir izolatör görevi görebilmektedir.

3.2.1.3 Yarı rijit veya orta kalınlıkta levhalar

Bazı araştırmacılara göre, mevcut AISC yönetmelikleri (AISC-LRFD 1999, AISC-Seismic 2002) ve mevcut (DeWolf ve Ricker 1990) kılavuzuna göre tasarlanmış bir taban levhası orta kalınlıkta olacak ve yarı rijit davranış ve dayanım gösterecektir. Mevcut metotlara göre tasarlanmış taban levhalarının beklenenden daha rijit davranabileceği ve taban levhasında akmaya ulaşılamayacağı konusunda bazı endişeler bulunmaktadır (Lee ve Goel 2001). Çekme etkisindeki ankraj çubuklarının kırılmasının

(34)

da dikkate alınması gerekmektedir. Deneysel gözlemler göstermiştir ki az esnek taban levhaları, az eğilme deformasyonu ile harca hasar verebilmekte ve ankraj çubuklarının çekme kırılması ile sonuçlanabilmektedir (Astaneh ve ark 1992).

3.2.2 Sınır koĢullarının elde edilme miktarına göre sınıflandırma

3.2.2.1 Mafsallı

Basit bir birleşim olarak davranış gösteren açıkta taban levhaları mevcut değildir. Bazı araştırmacılar kısmi taban stabilitesinin modellenmesinin çerçeve analizinde önemine işaret etmişlerdir (Galambos 1960, Picard ve Beaulieu 1985, Picard ve ark 1987). Bu tip bağlantıların bilinen avantajları; çerçevenin burkulma dayanımının yüksek olması, temelin moment etkisine göre tasarlanabilmesi, taban levhasının yük aktarımı yapması ve bütün tasarım için daha ekonomik yapılar elde edilmesi şeklinde sonuçlanmasıdır. Yürütülen bazı çalışmalarda: (1) çoğunlukla mafsallı bağlantı olarak kabul edilen iki ankraj çubuklu birleşimlerin stabil bir kısmi sınırlı davranış gösterdiğini ispatlamak (Picard ve Beaulieu 1985) ve moment-rotasyon diyagramlarını elde etmek için (2) çerçeve analizinde kullanılması amacıyla bir formülasyon için deneyler yapılmıştır (Melchers 1992).

3.2.2.2 Ankastre

Rijit kolon taban levhaları ve ankastre bağlantılar yakından ilişkilidir. Rijit taban levha bağlantılı olarak tasarlanmış olan çerçevelerin ötelenmelerle tepki vereceğini ve teorik olarak ankastre mesnetli çerçevelerden elde edilen momentlere çok yakın değerler oluşacağını göstermek için parametrik çalışmalar yapılmıştır (Fahmy 1999). Kolon taban levhalarının basit konfigürasyonları için teorik çalışmalar yapılmıştır (Salmon ve ark 1957). Bununla birlikte bu analiz, yüksek başlangıç rijitliği davranışını göstermektedir, halbuki yapılmış olan deneysel çalışmalara göre bu bir üst sınır olarak dikkate alınmalıdır. Kolon taban bağlantısını rijit olarak sınıflandırmak için, Wald ve Jaspart (1998) bağlantının başlangıç rijitliği Sj,ini için sınır değerler önermiştir

(35)

3.2.2.3 Kısmi sınırlama

Sadece yerçekimi ve orta büyüklükte yanal yüklere (rüzgar yükü gibi) maruz yapılarda ankastre veya mafsallı şeklinde basit bir sınıflandırma yapılmasına izin veren kolon taban levha bağlantılarıyla karşılaşılabilmektedir. Şiddetli yük etkisi altında (deprem yükü gibi), kolon taban levhası inelastik çevrimlere maruz kalacak ve bir "yarı-rijit" birleşim olarak davranış gösterecektir (Astaneh ve ark 1992). Açıkta kolon taban levhalarıyla ilgili araştırmalarda, önemli yatay yüklerin etkisi altındaki çerçevelerde daha doğru bir davranışı temsil etmesi için açıkta taban levhasının yarı-rijit birleşim olarak modellenmesi gerektiği sonucuna varılmıştır.

3.2.3 Çelik göçme moduna göre sınıflandırma

3.2.3.1 Zayıf kolon / kuvvetli birleĢim

Zayıf kolon/kuvvetli birleşim detayları, çelik kolonun tabanında plastik mafsal oluşumuyla karakterize edilmektedir. Birleşimdeki diğer elemanlar, elastik kalmakta veya akma başlangıcında olmaktadır. (Fahmy 1999, Adany ve ark 2000) tarafından gerçekleştirilmiş olan bazı deneylerde bu durum ortaya çıkmıştır. Deneyler, böyle bir davranış ile, akma sonrası deformasyonun yüksek dayanım ile maksimum değerlere ulaşacağını göstermiştir. Tüm bileşenler (taban levhası, ankraj çubukları ve kolon), akma gerilmesine ulaşmış olsa da, plastik mafsal sadece kolonda oluşmaktadır. Deneyler çoğunlukla kolon tabanında profil başlıklarındaki deformasyondan dolayı kaynakların erken kırılması ile tamamlanmıştır.

3.2.3.2 Kuvetli kolon / Zayıf birleĢim

Kuvvetli kolon/zayıf birleşim detaylarının performansı, potansiyel gevrek kırılma olması beklenen (betonun ezilmesi veya ankraj çubuğunun kırılması gibi) kolon taban birleşim bölgesindeki bir veya daha fazla bileşenin inelastik deformasyonu ile karakterize edilmiştir (DeWolf ve Sarisley 1980, Picard ve Beaulieu 1985, Thambiratnam ve Paramasivam 1986, Astaneh ve ark 1992, Jaspart ve Vandegans 1998, Burda ve Itani 1999). Küçük boyutlu numuneler bu göçme modunu içeren bir davranış göstermiştir. İki veya daha fazla akma çizgisi oluşumu ile, genelde birleşimde önemli

(36)

miktarda süneklik, başlangıç rijitliğinde daha büyük bir düşüş ve pik noktasından sonra belirgin bir düşme göstermektedir. Bu tip birleşimler, birleşim nonlineer davranış gösterdiğinde mafsallı duruma en çok benzeyen birleşimlerden biri olmaktadır.

3.2.3.3 Dengeli mekanizma

Bu ara mekanizmada, zayıf kolon-kuvvetli birleşim ve kuvvetli kolon-zayıf birleşimdeki davranışın eş zamanlı olarak elde edilmesi hedeflenmektedir. Kolon ile birleşimdeki bir veya daha fazla sayıda elemanda (taban levhası veya ankraj çubukları gibi) hemen hemen aynı zamanda akma meydana gelmektedir. Bu nedenle, birleşimde sadece tek bir bileşen aşırı deformasyonlara maruz kalmamakta, birleşimdeki elemanların hepsi orta derecede inelastik davranış göstermektedir.

3.2.4 Beton göçme moduna göre sınıflandırma

3.2.4.1 DüĢük eksenel yükler (Model 1)

Düşük eksenel yükler için, betonun taşıma kapasitesine asla ulaşılamamaktadır. Göçme, ya ankraj bulonlarında akma meydana geldiğinde yada taban levhasında plastik mekanizma oluştuğunda meydana gelmektedir (Grauvilardell ve ark 2005).

3.2.4.2 Orta büyüklükte eksenel yükler (Model 2)

Orta büyüklükte eksenel yükler durumunda, davranış ankraj çubuğunun akması ve betonun taşıma gücüne ulaşması ile karakterize edilmektedir (Grauvilardell ve ark 2005).

3.2.4.3 Yüksek eksenel yükler (Model 3)

Yüksek eksenel yükler için kırılma modu, göçmede sadece betonun taşıma gücüne ulaşılması durumu ile tanımlanmaktadır (Grauvilardell ve ark 2005).