Mikrodüzlem betonarme modeli ile betonarme kiriş elemanlarının darbe etkisindeki davranışlarının incelenmesi

Abstract

Betonarme yapıların kiriş, kolon, döşeme ve perde gibi bileşenlerinde ani yükler nedeniyle deformasyonlar oluşabilir. Bu ani yükler, genellikle deprem, patlama ve darbeler gibi çeşitli olaylardan kaynaklanır. Örneğin, deprem sırasında zeminin titreşimi sonucu oluşan yer hareketleri, betonarme yapı elemanlarında ani yüklerin etkilerini gösterir. Benzer şekilde, darbe etkisi altında yapı elemanlarına uygulanan ani kuvvetler, yapı bileşenlerinin hasar görmesine yol açabilir. Günlük hayatta, araçların köprü ayaklarına çarpması, yüksek hızla seyir halindeki araçların bina cephelerine çarpması gibi durumlar da ani yüklerin betonarme yapı elemanlarına etkilerini gösterir. Ayrıca, limanlarda yük gemilerinin rıhtımlara veya liman yapılarına yanlışlıkla çarpması gibi olaylar da betonarme yapı elemanlarında hasara neden olabilir. Rüzgâr veya toprak kaymaları nedeniyle oluşan çarpmalar da yapı elemanlarının deformasyonuna sebep olabilir. Betonarme yapı elemanlarına etkiyen ani yükler çeşitli kaynaklardan gelir ve bu yükler yapı bileşenlerinin hasar görmesine yol açabilir. Bu nedenle, yapıların tasarımı ve güvenliği açısından, bu tür ani yüklerin etkilerinin dikkate alınması ve yapı elemanlarının bu yükler altında nasıl davranacaklarının analiz edilmesi önemlidir. Bu nedenle 3 farklı çalışmadan toplamda 18 tane kirişin darbe yükleri altında davranışı sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak incelenmiştir. Bu çalışmalardan ilki Selçuk Saatçi ve Frank Vecchio'nun yaptığı deneylerden oluşmaktadır. Bir dikdörtgen kesitli kiriş üzerine farklı ağırlıklar belli yükseklikten bırakılarak incelenmiştir. Dikdörtgen kesitin boyuna donatıları aynı olup kesme donatıları darklı aralıklarla konulup incelenmiştir. İkincisi ise Zhao ve arkadaşlarının yaptığı çalışmalardan oluşmaktadır. Burada da yine dikdörtgen kesit aynı tutulup kesin temiz açıklığı ve kesme donatısının yüzdeliği değişmektedir. Aynı zamanda bırakılan kütle ve darbe anındaki cismin hızı da değişmektedir. Son çalışma ise Liu ve arkadaşları tarafından yapılmıştır. Diğer iki çalışmanın aksine bu çalışmada dairesel kesit ve spiral kesme donatısı kullanılmıştır. Boyuna donatıların sayısı, kesme donatısının ise aralığı değişmekte olup aynı zamanda farklı kütle ve darbe anı çarpma hızlarına da sahip deneylerden oluşmaktadır. Bu çalışmada, ABAQUS yazılımı kullanılarak Microplane Model M7 ile betonun çarpma davranışının özelleştirilmiş bir şekilde simüle edilmesi amaçlanmıştır. Betonarme kirişin darbeler sonucu nasıl davrandığını daha ayrıntılı bir şekilde incelemek için Fortran dilinde yazılmış olan Microplane Model M7 malzeme rutini VUMAT (subroutine) entegre edilerek kullanılmıştır. Betonun davranışının incelenmesi alt-rutin parametreleri dışında uygun sonlu eleman tipinin seçilmesi, malzeme parametrelerinin doğru girilmesi, yüzeyler arası etkileşim kriterleri, mesnet koşullarının doğru tanımlanması, ağların (mesh) tipi gibi birçok parametreye bağlıdır. Sonlu eleman modelleri, birleşim elemanlarını temsil etmek için C3D8R sonlu eleman tipini kullanmaktadır. Yüzeyler arasındaki etkileşimleri tanımlamak için "general contact" yaklaşımı benimsenmiştir. Bu yaklaşım, temas halindeki yüzeyler arasındaki normal yöndeki davranışı modellemek için "hard contact" etkileşim modelini kullanmaktadır. "Hard contact" etkileşim modeli, basınç gerilmelerinin sıfırdan büyük olduğu durumlarda elemanların birbirleriyle temasını engeller. Ancak, elemanların gerçek davranışını daha iyi yansıtmak için bu model, elemanların birbirlerinden ayrılmasına izin vermektedir. Bu şekilde, sonlu eleman modeli, fiziksel sistemlerin karmaşıklığını ve gerçek davranışını daha hassas bir şekilde simüle etmek için geliştirilmiştir. Sonlu eleman modelleri oluşturulurken, sonlu eleman ağı oluşturma teknikleri, analiz sonuçlarını büyük ölçüde etkileyen kritik bir faktördür. Sonlu eleman ağının model geometrisi ve davranışı ile uyumsuz bir şekilde oluşturulması, analizlerin yakınsama sorunlarına yol açabilir. Bu çalışma, sonlu eleman ağlarının oluşturulmasında yapılandırılmış (structured) sonlu eleman ağı oluşturma tekniklerini kullanmıştır. Ayrıca beton ağ yapısı içinde, "hourglass" terimi, analizin doğru sonuçlar vermesi için dikkate alınmıştır. Ayrıca "hourglass" "Reduced integration" yöntemi kullanılan elemanlarda, bölünme büyüklüğü yüksek olan ağ yapılaarında ortaya çıkan bir deformasyon şeklidir. Bu durumda elemanlar deformasyona uğrar fakat gerilme ve şekil değiştirme hesaplanamaz, bu da fiziksel olarak anlamsız sonuçlara yol açar. Hourglass etkisini önlemek için kontrol yapılması gerektiğinden Abaqus'ün sunduğu metotlar üzerinde inceleme yapılıp en doğru yaklaşım her bir çalışma için bulunmuştur. Her çalışma için kalibrasyon parametreleri bir numune üzerinden oluşturulup diğer numuneler içinde kullanılmıştır. Bu parametreler sırasıyla k1 (M7 model parametresi), HG-C (Hourglass Combined parametresi), SS (Hourglass yer değiştirme parametresi) ve α_R (Raleigh kütle sönüm katsayısı)'dır. Bu parametreler incelendikten sonra yapay enerjinin iç enerji üzerinde dağılımı da incelenmiş olup nihai parametrelerden oluşan ANA() modele ulaşılmıştır. Her bir çalışmanın kendi içinde değişiklikleri bu 4 parametre üzerinden ise bu ANA() fonksiyon içerisinde belirtilmiştir (Örnek: ANA(k1=200)). Tüm deneylerde öncelikle ortak parametre değeri HG-C'nin 0 olmasıdır. Yine sonlu eleman sonuçları bize gösteriyor ki SS parametresi yapay enerji üzerinde oldukça etkilidir. Tüm parametrelerin sonlu eleman modellerimize etkisiyle deney sonuçlarına yaklaşılmıştır. Ayrıca deneylerde, beton ağ yapısının 80 mm'lik parçalara bölünmesi, model sonuçlarını deney sonuçları ile uyumlu hale getirmiştir. Bu detaylı yaklaşım, özellikle analizin doğruluğunu artırmış ve yapı elemanlarının gerçek davranışına daha yakın sonuçlar elde edilmesini sağlamıştır. Abaqus'te kullanılan Mikro düzlem M7 betonarme modeli, maksimum deplasmanları belirlemede başarılı bir performans sergilemiştir. Ayrıca, darbeye maruz kalan numunenin kesme davranışını doğru bir şekilde tahmin etmiştir. Ancak, modelde elde edilen mesnet reaksiyonları, deney sonuçlarından uzak yaklaşım gösterdiği deneylerde olmuştur. Bu sapmanın nedeni, sayısal sorunlar olabilir. Modelin geliştirilmesi için bu tür sapmaların detaylı bir şekilde incelenmesi önemlidir. M7 modeli, düşen cisimlerin modellenmesi ve darbe yükünün aktarılması için kritik parametreleri dikkatlice incelenmiş ve güvenilir sonuçlar elde edilmiştir. Özellikle, düşen cismin kütlesi, düşüş hızı, çarpışma noktası ve darbenin etkisi altındaki süre gibi faktörlerin doğru bir şekilde hesaba katılması, analizin doğruluğunu belirleyen önemli unsurlardır. Ayrıca, enerji sönümlemesi için kullanılan "Hourglass" parametreleri yanı sıra kütle sönüm katsayısı alfanın da analize dahil edilmesi, çözümlerin sayısal olarak kararlı hale gelmesini sağlamış ve sönümlemeye yardımcı olmuştur. Bu detaylı modelleme ve parametre seçimi, yapı elemanlarının gerçek davranışının daha iyi anlaşılmasına katkı sağlamıştır.