Zayıflatılmış Kiriş Enkesitli Birleşimler ( Reduced Beam Section)

Zayıflatılmış Kiriş Enkesitli Birleşimler 

Bu yazımda, 1994 yılında meydana gelen Northridge depremine kadar, moment aktaran çerçeveli çelik yapılarda yaygın olarak kullanılan kaynaklı kiriş kolon birleşimlerinin, deprem esnasında göstermeleri beklenen davranışı göstermemeleri ve tasarım aşamasında öngörülen davranış düzeyine ulaşamadan göçme sınır durumuna ulaştıkları için bu sorunu çözmek amacıyla ortaya atılan tekniklerden biri olan zayıflatılmış kiriş kesiti (Reduced Beam Section) çözümünden bahsedeceğim.

1994 yılında meydana gelen depremden sonra oluşan hasarın nedenlerini ve olası çözüm önerilerini ortaya çıkarabilmek amacıyla yapılan araştırmalarda hasarın nedenleri olarak, çelik elemanların varsayılan aksine izotropik olmaması, döşeme etkisi, birleşim detaylarının öngörülenin çok üzerinde bir gerilmeye maruz kalması, gevrek davranış göstermek suretiyle kiriş- kolon birleşiminin sünek davranışla enerji sönümlemesine engel olan birleşim detayları ortaya koyulmuştur.

Çelik yapıların sünek davranışı, çelik malzemesinin süneklik özelliğiyle tek başına sağlanamaz. Bunun için, tasarımda dikkate alınan rijit çerçeve ve ters düşmeyecek şekilde rijit davranış, çerçeveleri oluşturan yapı elemanlarının birleşimlerinde olması istenen plastikleşmelerin gerçekleşmesini sağlayacak yeterli dayanım ve birleşim bölgeleri öncelikli olmak üzere tekrarlı yükler varlığında elastik olmayan deformasyonların oluşmasına engel olmayacak bir detaylandırma gerekmektedir.

Bu sayede, kirişler, kolonlar ve kiriş kolon birleşimlerindeki panel bölgeleri plastik dönme kapasitelerini kullanarak depremin yapıya aktarmış olduğu enerjiyi sönümlemeye çalışırlar. Bahsedilen sünek davranış gerçekleşebilmesi, ana taşıyıcı yapının tüm bölgelerinde yeterli miktarda sünek davranış varlığında mümkündür.  Bu noktadan bakıldığında kolon ve kirişlerin birleşim araçları olarak kullanılan kaynak ve bulonların rijitlik davranışları dikkat edilmesi gereken bir durumdur. Bu birleşim araçları, kolon ve kirişlerde oluşabilecek maksimum kuvvetleri aktarabilecek nitelikte olmalılardır.

Süneklik Nedir?

Süneklik, sistemin ya da bir elemanın taşıma kapasitesini kaybetmeden, esneyebilme ve şekil değiştirebilme özelliğidir.  Süneklik ne kadar büyükse malzemenin deprem enerjisini tüketme kapasitesi de o denli büyüktür. Süneklik, sistemi elastik sınırın ötesinde zorlayan etkiler altında, enerji tüketimini ve taşıyıcı elemanların karşılıklı etkileşerek yardımlaşmasını sağlamak için, düşey yükler altındaki davranıştan daha çok dinamik deprem etkilerin karşılanmasında önem kazanır.

Rijitlik Nedir?

Bir malzemenin bir yük altında bükülmeye, gerilmeye, veya deformasyona dayanmasına izin veren göreceli sertliktir. Bu, malzemenin Elastisite modülünün ve şeklinin bir fonksiyonudur. Hiçbir etkiye maruz kalmayan, sürtünmesiz ortamda da kuvvet ya da moment etkisi altında şekil değiştirmeyen cisimlere rijit cisim adı verilir. Rijitlik arttıkça şekil değiştirme olabilmesi için gereken etki kuvveti de artmaktadır.

ZAYIFLATILMIŞ KİRİŞ ENKESİTİ

Depremden sonra “kapasiteye göre tasarım” kavramına göre kiriş- kolon birleşimlerinde meydana gelen elastik olmayan şekil değiştirme durumunun belirli bir bölgeye aktarması amaçlanır. Bu prensibe uygun olarak, “zayıflatılmış kiriş enkesiti” ( Reduce Beam Section) kavramı ortaya atılmıştır. Bu birleşim tipinde amaçlanan kolonlardan belli bir uzaklıkta, kirişin hem alt hem de üst başlığında yapılacak azaltmalar yardımıyla elastik olmayan şekil değiştirmeler zayıflatılmış bölgeye yönlendirilerek kontrol altına alınabilmektedir.

Zayıflatılmış kiriş enkesitine ait 3 tipik kesim seçeneği mevcuttur. Sabit kesim, ortaya atılan ilk zayıflatma biçimidir. Kolon yüzeyine yaklaştıkça artacak olan momenti karşılayabilmek için Lineer değişken enkesitini ortaya çıkarmışlardır. Yapılan testlerin çoğunda, bu iki kiriş tipi de iyi sonuçlar vermiş ve büyük süneklik oranlarına ulaşabilmişlerdir. Ancak ortaya çıkan esas problem, kiriş başlıklarındaki kesimlerin ani değiştiği noktalarda gözlenen çatlak ve kırılmalar olmuştur.

Bunun tek nedeninin yapılan kesimler sonucu başlıklarda kalan ufak çentiklerin, gerilme yığılmaları sonucu çatlaklara dönüşmesi olduğu belirtilmiştir. Söz konusu sakıncayı ortadan kaldıran dairesel zayıflatılmış kiriş enkesiti yürütülen bilimsel çalışmalarda en çok kullanılan ve bunun sonucunda yönetmeliklerce kullanılması önerilen tek zayıflatılmış kiriş enkesiti olarak öne çıkmıştır. Bu çözüm ile, akma ve plastik mafsal oluşumunun zayıflatılmış kesitte yayılı biçimde ortaya çıkması sağlanmış, kolon yüzünde meydana gelecek şekil değiştirmeler ve bunun sonucunda ortaya çıkacak büyük momentler sınırlanmıştır.

Kiriş başlığının kolonla birleştiği bölgede oluşacak etkilerin azaltılması, kirişi kolona bağlayan kaynaklarda ve kaynağın çevresinde oluşacak istenmeyen zorlamaların ve dolayısıyla olası kırılmaların önlenebilmesini sağlamaktadır. Kolon yüzünde ortaya çıkacak moment değerinin kontrol altında tutulabilmesi, deprem yönetmeliklerinin en önemli koşullarından biri olan güçlü kolon- zayıf kiriş ilkesinin sağlanabilmesine de yardım eder.

“Zayıflatılmış kiriş kesitinde” takviyeye benzer bağlantı kirişten daha güçlüdür. Bu durum, bağlantının mukavemetini arttırarak değil; kirişin mukavemetini azaltarak sağlanır. Süneklikte büyük bir artış sağlar, yanal mukavemette küçük bir artışa sebep olur. Süneklik artışı depreme dayanımın artmasında önemli bir etkendir.

KİRİŞTEKİ ZAYIFLATMANIN DAVRANIŞA ETKİSİ

Kirişteki azaltmanın davranışı nasıl etkileyeceği üzerine araştırmalar yapılmıştır. Bu araştırmalar sonucunda; kiriş enkesitinde yapılan azaltmanın eksenel rijitliğe neredeyse hiçbir etkisi olmadığı, kirişin kuvvetli eksen etrafındaki eğilme rijitliğinde yaklaşık olarak %10 azaltıcı etkisi olduğu ancak bu etkinin kiriş açıklığı arttıkça etkisini kaybettiği, zayıf eksen etrafındaki davranışa bakıldığında ise kiriş başlıklarının katkısı önemli ölçüde azaltıldığından, %40’lara varan rijitlik azalması meydana geldiği ortaya koyulmuştur. Açıklık arttıkça rijitlik kaybının azalması, geniş açıklıklarda da bu tekniğin kullanılabileceği sonucunu ortaya çıkarmaktadır. Ancak bu noktada dikkat edilmesi gereken husus, artan açıklıklarda kolon- kiriş birleşiminde meydana gelecek moment artışı olacaktır.

Yanlış uygulamadan ve eksik bilgilerden kaynaklanan bir hasarın, çözüm önerisi aramaya yönlendirmesi sonucuyla ortaya çıkan yapısal çelik çerçeve sistemi tasarımının gelecekteki uygulamaları için umut verici, etkili bir yöntemin ortaya çıktığını söyleyebiliriz.

Bir sonraki yazımda buluşmak dileğiyle…

Kaynakça

ZAYIFLATILMIŞ KİRİŞ ENKESİTLİ KİRİŞ – KOLON BİRLEŞİMLERİ, Övünç TEZER