Ankraj bağlantısı teknolojileri inşaat sektöründe son yıllarda hızla gelişmekte olan alanlardan biri olarak karşımıza çıkmaktadır. Güvenlik ve üretkenlik gibi inşaat sektöründeki zorlukları ele alan yeni teknolojilerin (özellikle ankraj bağlantı elemanları için) sonucu olarak, bu sabitleme elemanları için büyük bir pazar gelişmiştir. Beton ve diğer temel malzemelerde yapısal bağlantı elemanları tasarımı için düzenlemeler sağlayan çeşitli kurallar mevcuttur. Amerikan Beton Enstitüsü (ACI) Standart ACI-318, Yapısal beton için bina kodu gereksinimleri ve Eurocode 2, Beton yapıların tasarımı - Bölüm 4: Betonda kullanım için sabitleme tasarımları en iyi bilinen ve yaygın betonda bağlantı elemanı tasarımı söz konusu olduğunda kullanılan kodlardır.

Yukarıda belirtilen kodlarda detaylandırılan tüm tasarım hükümleri, lineer elastik teoriye dayalı olarak ankrajlar üzerindeki kuvvetler için hesaplamalar sağlar. Bu, taban plakasının iç kuvvetleri bağlantı elemanlarına doğrusal elastik bir şekilde aktarmak için yeterince rijit olduğunu varsayar. Başka bir deyişle, taban plakası şekil 1'de gösterildiği gibi bir eğilme momentine maruz kaldığında düz (deformasyon olmadan) kalır. Bunun aksine, ankraj taban plakasının altında etkiyecek olan beton basınç kuvvetleri arttıkça esnek bir taban plakasında daha kısa bir moment kolu ve daha yüksek ankraj kuvvetleri oluşur.

Şekil 1a (Sol) taban plakasının rijit olduğu genel varsayımdaki davranışını sergilerken, Şekil 1b esnek taban plakası davranışından dolayı azaltılmış moment kolu oluşumunu göstermektedir.

“Yeterince Rijit” ne demektir?

Yukarda belirtilen teknik kılavuzlar bir taban plakasının nasıl yeteri kadar rijit olabileceğine dair yeterli bilgiler içermemektedir. Hangi tasarım önlemlerinin yeterli rijitlik sağlayacağını belirlemek için bazı araştırmalar yapılmıştır, ancak yakın zamanda yayınlanan bir makalede de belirtildiği gibi rijitliğin nasıl elde edilmesi gerektiğine dair tek tip ve bağlayıcı bir kılavuz olmadığı sonucuna varılmıştır (Fitz, et al., 2018).

Taban plakası tasarım prosedürü.

Taban plakası tasarımında ilk aşama, taban plakasının alanının beton basınç dayanımı ve taban plakasına gelecek olan eksenel yüklerin bir fonksiyonu olarak tanımlanmasıdır. Bir sonraki adım, taban plakasındaki eğilme momenti iç kuvvetinin hesaplanması, bağlantı elemanına gelen yüklerin hesaplanmasının yanı sıra taban plakasının boyutlarına göre yük taşıma kapasitesini doğrulamaktır. Taban plakasının kalınlığı eğilme momenti kuvvetinin, taban plakasına etkiyen yüklerin ve çelik sınıfının bir fonksiyonu olarak belirlenebilir. Önemli bir nokta olarak, bu yaklaşımın hesaplama yapılırken taban plakasını rijit kabul eden lineer bir analizi kullandığı belirtilmelidir.

Bu metodolojinin eksik bileşeni rijit varsayımın geçerli olup olmadığını belirlemektir. Bununla birlikte, bunun nasıl yapılacağı açıkça tanımlanmamıştır.

Bağlantı tasarım regülasyonları

Yukarıda belirtilen yönergeler, ACI-318 ve Eurocode 2- Bölüm 4 farklı olası hata modlarında doğrulama gerektirir. Çekme yükü doğrulamaları aşağıdakileri içerir: Çelik Kopması, Beton Konik Kopması, Sıyrılma Hatası, Sıyrılma ve Beton Konik Kopması Hatası Kombinasyonu, Beton Ayrılma Hatası, Beton Yan Yüzey Kopması Hatası.

Kesme yükü doğrulamaları aşağıdaki kontrolleri içerir: Çelik Kopması, Beton Kanırtma Hatası ve Beton Kenar Kopması Hatası. Çekme ve kesme kuvvetlerinin bağlantıya aynı anda etki etmesi durumunda çekme ve kesme etkileşiminin doğrulanması için bir hesaba gereksinim vardır. Görüldüğü gibi, olası arıza modları doğrulama gerekliliklerinin çoğu, çelik bağlantı elemanının kendisinin değil betonun hata vermesi durumuna dayanır.

Eurocode 2- Bölüm 4 metodu kimi zaman Beton Kapasite Yöntemi (CC Yöntemi) olarak da adlandırılır. Hem ACI-318 hem de Eurocode 2-Part 4, yerinde bırakılan ve sonradan bağlanan bağlantı elemanları için bu kontrolleri gerektirir. Bağlantı elemanlarının dayanımını  bu yönergelere göre tam olarak doğrulamak için genellikle yazılım paketleri tercih edilir. Bu hesaplamaları gerçekleştiren birçok yazılım, kolayca temin edilebilir ve bazıları “taban plakası hesaplamaları” olarak eklentiler içerir. Taban plakası tasarımı, taban plakası ve bağlantı elemanı etkileşimi söz konusu olduğunda, bu yazılım paketleri tarafından nelerin analizinin yapıldığını kontrol etmek çok önemlidir. Ankraj veya bağlantı elemanı tasarım yazılımının, normal bir kolon taban plakası tasarımı bağlamında bir taban plakası tasarımı gerçekleştirmediğine dikkat etmek önemlidir. Çoğu ankraj tasarım yazılımı, sonuçta meydana gelen çekme ve kesme kuvvetini belirlemek için bağlantıya etki eden momentler ve yüklerle birlikte taban plakasının boyutlarını kullanır. Taban plakasının rijit olduğu varsayılır, böylece her bir bağlantı elemanına etki eden kuvvetleri kontrol etmek için doğrusal elastik analizler ve yük dağılımı yapılabilir. Daha sonra her bir bağlantı elemanının dayanımı, yukarıda belirtilen düzenlemelerdeki arıza modları doğrulamasına göre hesaplanır. Rijit taban plakası varsayımının geçerli olup olmadığını kontrol etmek için hiçbir kontrol yapılmaz. Her iki yönetmelik de (ACI-318 ve EC2-Bölüm 4) yalnızca rijit bir fikstür varsayımı ile ilgili parametreleri dikkate alır. Her iki düzenleme de eksantriklik modifikasyon faktörlerinin nasıl uygulanması gerektiğine dair kılavuzluk sağladığından özellikle belirtmek önemlidir. Çekme eksantriklik parametreleri, sonuçta meydana gelen çekme yükü, çekme etkisindeki ankrajlara göre eksantrik ise hesaplanır. Taban plakasının rijit olmaması durumunda, her bir bağlantı elemanı üzerine etkiyen yükler gerçekçi olmayabilir.

Yetersiz rijitliğin etkisi

Taban plakasının yetersiz rijitliğinin uygulamada gerçekleşip gerçekleşmediği ve pratik sonuçları olup olmadığı sorusu akla gelen ilk sorular arasındadır. Aşağıdaki Şekil 2 görseli, tipik bir moment aktaran bağlantı üzerinde yapılan bir analizi göstermektedir - yapısal bir deponun taban bağlantısı. Bu analiz, rijit bir taban plakası ile (solda) esnek bir taban plakasının (sağda) karşılaştırmasıdır. Yukarıda belirtilen prosedür takip edilirse (temel plakanın rijit olduğu) varsayımın ne olacağını doğrulayan analiz, rijit varsayımın geçersiz olduğunu doğrular ve bu bağlantının tasarımında birkaç bileşenin gerekliliğini düşündürür. Bu bileşenlerden bazıları, bağlantı elemanları üzerindeki kuvvet artışlarını, taban plakasının deformasyonunu ve taban plakasının tabanı altındaki basınç artışını içerir.

       Şekil 2 - Hilti Profis Engineering'te yapılan bir analiz, taban plakası deformasyonunun yanı sıra, taban plakasının gerçekte nasıl davranacağına ve ankraj kuvvetleri üzerinde ne gibi bir etki yaratacağına dair gerçekçi bir varsayımı kapsar ve taban plakasının rijit bir şekilde hareket ettiği varsayılan durumda da kuvvetleri analiz eder. 

Alternatif yaklaşım. 

Taban plakası ve ankraj bağlantı elemanı tasarımı söz konusu olduğunda alternatif ve bütünsel bir yaklaşımın gerektiği açıktır. Taban plakasının rijitliğini doğru bir şekilde değerlendirmek için, kaynaklar, çelik profil, takviyeler, bağlantı elemanları ve beton dahil olmak üzere bağlantıların bir parçasını oluşturan tüm çeşitli bileşenlerin dikkate alınması gerekir. Tüm bu münferit bileşenlerin yük deformasyon davranışı hakkında gerçekçi varsayımlara ihtiyaç duyulurken, denge ve uyumluluk koşulları da dikkate alınır. Bu, Hilti’nin yapısal bağlantının tüm farklı öğelerini ayrı ayrı doğrulayan, bileşen tabanlı bir sonlu eleman analizi modeli kullanan yeni Profis Engineering yazılımı (Hilti, 2019) ile mümkün. Ankraj yükleri ilk önce taban plakasının rijit olduğunu varsayan doğrusal bir elastik yük dağılımına göre hesaplanır. Ankraj yükleri daha sonra, denge ve uyumluluk koşulları göz önünde bulundurularak sonlu eleman analizi modülü aracılığıyla ankrajların yük yer değiştirmelerinin gerçekçi varsayımları temelinde hesaplanır. Daha sonra her yöntemde hesaplanan yükler karşılaştırılır ve daha sonra taban plakasının gerçek rijitliği ve etkisi görülebilir. İki yöntem arasındaki yük değerlerindeki fark ne kadar büyük olursa, taban plakası o kadar esnek olur.

Yazılım daha sonra tasarımcıya rijitliği ve buna bağlı olarak bağlantı elemanları üzerindeki kuvvetleri etkilemek için kullanılabilecek çeşitli seçenekler sunar. Bunlar, plaka üzerindeki eğilme momentini azaltmak için profilin boyutunu arttırmayı veya profil ile plaka arasına kaynaklı takviye eklemeyi içerir. Rijitliği azaltılmış bir ankraj elemanı da taban plakasının rijitliğini etkiler. Bu durum, tasarımcıya taban plakası ile ankraj arasında doğrudan bir etkileşim etkisi kontrol etme seçeneği sunar.

Özet.

Araştırmalar, taban plakasının rijitiğinin bir tasarım üzerinde önemli bir etkiye sahip olabileceğini ve yapısal bir taban plakası bağlantısı tasarlanırken dikkate alınması gerektiğini göstermiştir, ancak taban plakasının rijitliğinin nasıl dikkate alınması gerektiği konusunda açık ve genel geçer bir yöntem mevcut değildir. Bu durum, özellikle taban plakası ile birlikte bağlantı elemanları tasarlarken geçerlidir. Hilti’nin yeni Profis Engineering yazılımı yeni gelişmiş taban plakası modülüyle bu sorunu çözüyor. Bu aynı zamanda tasarımcının verimlilik ve güvenlik yönünü de artıracaktır, çünkü bağlantı elemanları ve bağlantıların çelik bileşenleri aynı anda tasarlanacaktır.

Rijit ve esnek taban plakası tasarımındaki farkları daha detaylı incelemek için https://profisengineering.hilti.com/ 'u ziyaret edin!

Profis Engineering hakkında daha çok bilgi için aşağıdaki internet seminerimize göz atabilirsiniz.

https://ask.hilti.com.tr/series/profis-engineering-ile-baglanti-elemanlarinda-deprem-tasarimi/shaxc1

Referanslar

Fitz, M., Appl, J. & Geibig, O., 2018. Comprehensive base plate and anchor design based on realistic behavior – new design software based on realistic assumptions. Stahlbau, 87(December 2018), p. 10.
Hilti, 2019. Hilti Profis Engineering Software. [Online]
Keuter, M., 2008. National Building Regulations and Building Standards Act. No. 103 of 1977 (as amended). 2008 ed. South Africa: Government Printer's Copyright Authority.
SABS, 2008. The application of the National Building Regulations Part B: Structural Design. Third Edition ed. Pretoria: South Africa Beurau of Standards.
SAISC, 2012. Structural Steel Connections: Limit State Design. Johannesburg: South African Institute of Steel Construction.