Mesh size effect on load carrying capacity of the reinforced concrete beams without stirrups by usin
* Author to whom correspondence should be addressed.
Sigma Journal of Engineering and Natural Sciences 2004, Vol. 22, Issue 3, pp. 34-42; doi.org/10.62051/ytu.sigma-journal-of-engineering-and-natural-sciences-mesh-size-effect-on-load-carrying-capacity-of-the-reinforced-concrete-beams-with
Abstract
Keywords: Load carrying capacity; Drucker-Prager; finite element; mesh size effect
1. Gi̇ri̇ş
Statik ve dinamik yükler altında betonarme elemanların hesabı; yüklemenin, malzeme davranışının ve sayısal çözüm yöntemlerinin dikkate alınmasını gerektirmektedir. Doğrusal olmayan sonlu eleman yöntemi, betonarmenin sayısal çözümleme alanında Ngo ve Scordelis’in [1] öncü sayılan çalışmalarından bu yana, güçlü bir araç olarak yaygın kullanılır hâle gelmiştir. Geçen otuz yedi yıllık zaman süresinde, betonun mekanik davranışını, bu arada kesme mukavemetini de dikkate alarak modelleyen çok sayıda çalışma yapılmıştır. Beton için önerilen genelleştirilmiş malzeme davranış denklemleri, genellikle monotonik yüklere maruz betonarme *
Mesh Size Effect on Load Carrying Capacity... elemanların temel karakteristiklerini tanımlayacak üç boyutlu gerilme-birim şekil değiştirme ilişkilerini vermektedir. Bünye denklemleri, betonarme elemanların hesabında ihtiyaç duyulan en önemli bağıntılardır. Ancak; betonun doğrusal olmayan davranışına ait matematiksel modeller beton ve donatı çeliği davranışları ile birlikte, çelik ve beton arasındaki aderansın da doğru modellenmesini gerektirir. Betonarme elemanların kompozit davranışını ifade etmek için, her iki malzeme de de uygun gerilme-birim şekil değiştirme bağıntıları tanımlanmalıdır. Bu çalışmada, beton ve çelik arasında aderansın tam olarak sağlandığı varsayılmıştır. Sonlu elemanlar yöntemi ile çalışan bilgisayar programları; genellikle elastik, doğrusal olmayan elastik ve plastik modeller yardımıyla statik ve dinamik yükler altında çözümleri içermektedir. Malzemelerin bünyesel olarak modellenmesi amacıyla, pek çok matematiksel bağıntı geliştirilmiştir. Bu bağlamda başlıca modeller; plastik, doğrusal olmayan elastik, elastoplastik, kırılma mekaniği, düzgün yayılı çatlak, hasar ve mikro çatlak modelleridir [2]. Lineer teoride malzemenin akma gerilmesi aşılmadıkça, gerilme-birim şekil değiştirme ilişkisi doğrusal kabul edilir ve hesaplar doğrusal elastisite teorisine göre yapılır. Akma gerilmesi üzerindeki gerilmeler (pekleşme) genelde dikkate alınmamaktadır. Bu anlamda, yapıların elastik olarak incelenmesinin, gerilme dağılımının her zaman düzgün olmadığı ve yüksek gerilmeli yerel bölgelerin plastikleşebileceği ihtimalini dikkate almayan yaklaşımların gerçeği tam olarak yansıtmayacağı açıktır. Plastik hesap, süneklikten faydalanarak, beton içinde düzgün dağılmayan gerilmeleri daha gerçekçi şekilde hesaplamaya imkan verir [3]. Pek çok araştırmacı, örnek sayısal çözümlemeyi; açıklık ortasında tekil yükle yüklenmiş Bresler ve Scordelis [4] deney kirişinde (OA1) sınamayı tercih etmişlerdir. Bu çalışmada da, bu seçilmiş kirişin deney sonuçları ile sonlu eleman çözümlemelerinin sonuçları, beton için önerilen bünye bağıntılarının doğruluğunu göstermek için kullanmıştır. Göçme mukavemeti bakımından kirişlerin davranışı oldukça doğru tanımlanabilmesine mukabil [2], kesme ve eğilme etkisindeki betonarme kirişlerin davranışının genel tanımı için genellikle yeteri kadar başarılı olunamamıştır. Bu çalışmada; yalnız çekme donatılı betonarme kirişte (OA1) sonlu eleman boyutunun yük taşıma kapasitesine etkisinin “Drucker-Prager” ve “Çatlak Modeli” ile araştırılması amaçlanmıştır. Betonarme kirişin (OA1) sonlu eleman plastik analizleri LUSAS programı [5] ile yapılmıştır. Analizde, donatı için Tresca akma kriteri, beton için Drucker-Prager ve Çatlak Modeli kırılma kriteri kullanılarak hesaplanan yük taşıma kapasiteleri karşılaştırılmıştır. Seçilen eleman tipleri beton için QPM8 (iki boyutlu izoparametrik eleman), donatı için BAR2 (iki boyutlu izoparametrik çubuk eleman)’dır.
2.1. Drucker-Prager Malzeme Modeli
Malzemelerin bünye denklemlerinin belirlenmesinde kullanılan pek çok matematiksel model; betonun mekanik davranışını, plastik ve visko plastik teoriler yardımıyla ifade edebilmektedir. Bunlardan en çok kullanılanı ise; Drucker-Prager malzeme modelidir. Söz konusu modelde akma kriteri, von-Mises kriterinin genelleştirilmiş şeklidir. Drucker-Prager malzeme modelinde akma kriteri, von-Mises kriterinde hidrostatik gerilme etkisini ek bir terim ile dikkate alarak; (1) f (I1 , J 2 ) = αI1 + J 2 − k = 0 şeklinde ifade edilmektedir. Burada α ve k, malzeme sabitleri, I1 gerilme tansörünün birinci invaryantı ve J2 ise deviyatör tansörünün ikinci invaryantıdır. α=0 olması durumunda kriter, vonMises kriteri ile aynı olacaktır [6]. Denklem 1’in gösterdiği akma yüzeyi, asal gerilme uzayında bir dairesel konidir; meridyenleri ve π-düzlemindeki kesiti Şekil 1’de verildiği gibidir. Şekil 2’de görüldüğü gibi Drucker-Prager kriteri, Mohr-Coulomb kriterine oldukça yakındır; Drucker-Prager kriterinin dairesi, Mohr-Coulomb altıgenine dıştan çizilen bir sınır daire olarak düşünülürse, iki yüzey θ=60°, α ve k ile belirlenecek basınç meridyenine uygun olarak;
şeklinde belirlenebilir. Burada φ ve c, sırası ile, malzemenin içsel sürtünme açısını ve kohezyonunu ifade eden parametrelerdir. Denklem 2’deki sabitler ile belirlenen koni, MohrCoulomb akma yüzeyindeki altıgen piramidi çevreleyen bir dış zarf görünümündedir; Şekil 2. Ayrıca çekme meridyeninden (ρ) geçen, θ=0° ile belirlenecek iç koniyi ifade eden sabitler; α=
olarak belirlidir. Bu çalışmada, malzemenin kohezyon katsayısı c için, c = 0.23 ln(E 0 d 2max ) − 0.60
bağıntısı kullanılmıştır [7-8]. Örnek betonarme kirişte en büyük agrega boyutu (dmax) 19 mm (3/4 in)’dir. Betonun elastisite modülü 22500 MPa için, kohezyon katsayısı 3.06 bulunmaktadır [7-8]. Malzeme modelinde beton için içsel sürtünme açısı 33° alınmıştır. -σ1
Şekil 2. Drucker-Prager ve Mohr-Coulomb kriterlerinin karşılaştırılması [6]
2.2. ÇATLAK MODELİ
Modelde, gelişen çatlakla malzemenin yumuşadığı ve yük artımı sonunda mukavemetini kaybettiği farz edilir. Beton mukavemetinde azalma; betonun çekme mukavemeti ve yumuşama eğrisi sonundaki şekil değiştirme ile ifade edilen üslü fonksiyon ile tanımlanmaktadır. Betonun çekme gerilmesi-birim şekil değiştirme eğrisinde; yumuşama eğrisinin sonunda şekil değiştirme, 1.5*(çekme mukavemeti/ elastisite modülü)’den büyük ise yük artımı sonlanmaktadır. Hognestad tarafından önerilen, sarılmamış betonu içeren ve yaygın olarak kullanılan modelde σ-ε eğrisinin tepe noktasında kadar olan parçası ikinci derece parabol, düşüş parçası ise doğrusal varsayılmıştır. Tepe noktasındaki gerilmeye karşılık gelen birim kısalma, ε co = 2 f c / E c olarak verilmiştir. Modelde, σ-ε eğrisinin yumuşama bölgesi sonunda maksimum şekil değiştirme değeri ise 0.0038’dir. Geliştirilmiş Kent ve Park modelinde sargısız betonda σ-ε eğrisinin yumuşama bölgesi sonunda maksimum şekil değiştirme değeri ise 0.004 alınabilmektedir [9]. Örnekteki betonarme kirişte betonun çekme mukavemeti değeri 2.25 MPa alınmıştır. Bu çalışmada; beton için seçilen iki farklı kırılma kriterinde, sonlu eleman boyutlarının yük taşıma kapasitesinin tahminine etkisi araştırıldığından, faklı sonlu eleman boyutları denenerek parametrik bir araştırma yapılmıştır.
3. Betonarme Ki̇ri̇şi̇n Özelli̇kleri̇
Elemanın özellikleri Çizelge 1’de verilmiştir (örnek, literatürde yer alan ve deney sonuçları bilinen bir örnektir) [4]. Çizelge 1. Elemanın özellikleri
Açıklık ortasında tekil yükle yüklenmiş yalnız çekme donatılı betonarme kirişte (OA1); 4 adet 28.9 mm çaplı ve akma mukavemeti 555 MPa eğilme donatısı söz konusudur (Şekil 3).
4. Sonlu Elemanlarin Boyutlari VE YÜK Taşima Kapasi̇teleri̇
Sayısal çözümlemelerde genellikle, sonlu eleman boyutu küçüldükçe elemanların yük taşıma kapasitesi ve şekil değiştirmelerinde gerçeğe daha yakın sonuçlar elde edilebileceği düşünülmesine karşın, betonarme söz konusu olduğunda, beton sonlu elemanların boyutunda bir alt sınır bulunmaktadır. Bu alt sınır korunarak, sonlu eleman boyutundan kaynaklanan problemden kaçınılması mümkün olabilmektedir. Optimum sonlu eleman boyutu iki farklı yolla
tanımlanabilir. İlki, beton elemanlarda ölçülen şekil değiştirmelerde şekil değiştirme ölçüsünün uzunluğu gibi alınabilir, ki bu değer; beton karışımdaki en büyük agrega boyutunun iki-üç katı mertebesindedir. Sonlu eleman boyutu küçüldükçe, genellikle betonun bünye bağıntılarının kullanımıyla uyumsuzluk doğmaktadır [10]. Bazant ve Oh [11] tarafından ifade edilen diğer çözümde ise; beton gibi heterojen malzeme eşit-sürekli-homojen malzeme olarak ifade edildiği zaman, mikro yapıda gerçek gerilme ve şekil değiştirmelerden sürekli homojen gerilme ve şekil değiştirmeler ayırt edilmelidir. Temsil edilen alan beton olduğu takdirde, optimum sonlu eleman boyutu beton karışımdaki en büyük agrega boyutunun iki-üç katı gibi alınabilir. Sonlu eleman boyutu küçüldükçe, erken göçen daha zayıf elemanların oluşması ile sayısal çözümlemelerde bulunan yük taşıma kapasitesi ve şekil değiştirme değerleri gerçeği yansıtamamaktadır. Bu çalışmada; betonarme kirişin doğrusal olmayan çözümünde optimum sonlu eleman boyutu, beton karışımdaki en büyük agrega boyutunun üç katından büyük seçilerek, mevcut yüksek mukavemetli beton kirişte, deney sonuçları ile tutarlı yük-yerdeğiştirme eğrisini veren uygun sonlu eleman boyutları araştırılmıştır. Bir başka ifade ile; sonlu eleman boyutları seçiminde herhangi bir yöndeki boyutun en büyük agrega boyutunun (en büyük agrega boyutu 19 mm’dir) üç katından büyük seçilmesine özen gösterilmiştir. Şekil 4’de Çizelge 2’de verilen 10 serisinde 10x7 kirişinin sonlu eleman aralıklarının basit kiriş üzerinde uygulaması ve şekil değiştirmiş durumu görülmektedir. Açıklık ortası düğüm noktasında tekil yüklü kirişte, analitik çözümde karşılaştırılan yerdeğiştirme miktarı kiriş açıklık ortasında alt düğüm noktasının okunan değeri olarak alınmıştır.
Şekil 4. 10x7 kirişi sonlu eleman boyutları ve düğüm noktalarında yerdeğiştirmeler Pek çok araştırmada uygulanan toplam yük-yerdeğiştirme eğrileri ile deney sonuçlarının uyumluluğu ilk kriter olarak göz önüne alınmaktadır. Yalnız çekme donatısına sahip betonarme kirişte (OA1), uygulanan her iki malzeme modelinde de sonlu eleman boyutlarına göre toplam yük taşıma kapasitesinde büyük değişimler oluşmaktadır. Deneysel olarak kirişin maksimum yük taşıma kapasitesi değeri 334 kN olarak bulunmuştur [4]. Drucker-Prager malzeme modelinde, deney sonuçları ile yük-yerdeğiştirme eğrileri karşılaştırıldığında; çubuk uzunluğu boyunca sonlu eleman boyutunun azalmasının yük taşıma kapasitesinin tahmininde azalma yönünde değişime sebep olduğu görülmektedir. Bir başka deyimle; çubuk uzunluğu boyunca sonlu eleman boyutu büyük seçilen kirişin hesaplanan yük taşıma kapasitesi, sonlu eleman boyutu küçük seçilene göre daha fazladır. Şekil 5’de her seride kiriş yüksekliğince sonlu eleman boyutu değişiminin yük-yerdeğiştirme eğrisine etkisi gösterilmiştir. Kirişe uygulanan toplam yük-yerdeğiştirme eğrilerinden kiriş yüksekliğince sonlu eleman boyutu değişiminin ise, kapasite artışına veya azalışına belirgin bir etkisi görülmemektedir. Şekil 5’de OA1 (kesme ve basınç donatısız) kirişinin sonlu eleman boyutu çubuk uzunluğu boyunca ve kiriş yüksekliğinde değişimine bağlı olarak uygulanan toplam yükyerdeğiştirme eğrileri, deney sonucuyla da karşılaştırılmıştır. Çubuk uzunluğu boyunca sonlu eleman boyutu artışının elastik sınırlar içerisinde önemli bir etkisi olmadığı görülmektedir. Ancak, elastik sınır ötesinde kiriş uzunluğu boyunca sonlu eleman boyutunun artışı yük taşıma kapasitesinin tahmininde önemli artışlar olarak kendini göstermektedir. Çubuk uzunluğu boyunca boyutların 365.76 mm (10 serisi) seçilmesi durumu ile 152.4 mm (24 serisi) seçilmesi durumunda, kirişin yük taşıma kapasitesinin sonlu eleman çözümlemesinden bulunan değerleri
Mesh Size Effect on Load Carrying Capacity... arasında önemli farklar oluşmaktadır; Şekil 6. Söz konusu kirişte, kiriş uzunluğu boyunca sonlu eleman boyutunun 152.4 mm seçilmesi durumunda deney sonuçları ile daha iyi örtüşen toplam yük-yerdeğiştirme eğrisi elde edilebilmiştir. Çizelge 2’de çubuk uzunluğu boyunca (yatayda) ve kiriş yüksekliğince (düşeyde) eleman boyutları ayrıntılı olarak özetlenmiştir. Çizelge 2. Sonlu eleman aralıkları, boyutları ve max. yük taşıma kapasiteleri Beton modeli Sonlu eleman boyutları Çatlak Modeli Drucker-Prager* Kiriş isimleri Yatayda Düşeyde Max. yük Ort. Yük Max. yük (mm) (mm) (kN) (kN) (kN) 2x63.5+2x214.65 10x2 336.7 567 2x63.5+3x143.1 10x3 372.955 560 2x63.5+4x107.325 10x4 316.634 556 365.76x10 315.17 2x63.5+5x85.86 10x5 282.74 554 2x63.5+6x71.55 10x6 327.487 553 2x63.5+7x61.33 10x7 254.513 551 2x63.5+2x214.65 12x2 271.772 555 2x63.5+3x143.1 12x3 283.215 547 2x63.5+4x107.325 12x4 287.807 544 304.8x12 283.73 2x63.5+5x85.86 12x5 295.520 543 2x63.5+6x71.55 12x6 285.383 541 2x63.5+7x61.33 12x7 278.661 541 2x63.5+2x214.65 16x2 290.170 543 2x63.5+3x143.1 16x3 276.462 537 2x63.5+4x107.325 16x4 267.794 533 228.6x16 276.634 2x63.5+5x85.86 16x5 286.671 531 2x63.5+6x71.55 16x6 258.294 530 2x63.5+7x61.33 16x7 280.414 528 2x63.5+2x214.65 18x2 248.567 484 2x63.5+3x143.1 18x3 247.281 484 2x63.5+4x107.325 18x4 241.807 484 203.2 x18 243.027 2x63.5+5x85.86 18x5 240.313 484 2x63.5+6x71.55 18x6 241.427 484 2x63.5+7x61.33 18x7 238.767 484 2x63.5+2x214.65 20x2 210.797 436 2x63.5+3x143.1 20x3 264.823 436 2x63.5+4x107.325 20x4 193.158 436 182.88x20 223.269 2x63.5+5x85.86 20x5 196.244 436 2x63.5+6x71.55 20x6 209.563 436 2x63.5+7x61.33 20x7 265.028 436 2x63.5+2x214.65 24x2 230.269 364 2x63.5+3x143.1 24x3 229.448 364 152.4x24 229.674 2x63.5+4x107.325 24x4 229.723 364 2x63.5+5x85.86 24x5 229.435 364 2x63.5+6x71.55 24x6 229.494 364 * Seçilen tüm sonlu eleman boyutlarında, beton için Drucker-Prager malzeme modelinde 50. yük artımındaki maksimum yük değeri yaklaşık sabit kaldığı için işleme son verilmiş ve bu adımdaki değerler çizelgeye işlenmiştir.
Çatlak modelinde; çubuk uzunluğu boyunca sonlu eleman boyutunun küçülmesi durumunda yük taşıma kapasitesinin tahmininde azalma yönünde değişim görülmektedir. Kiriş yüksekliğince sonlu eleman boyutu değişiminin yük taşıma kapasitesinde farklılığa sebep olmakla birlikte, bu farklılığın belirgin olarak artma yada azalma yönünde olduğu söylenememektedir. Söz konusu modelde; deneysel ve analitik yük-yerdeğiştirme eğrileri karşılaştırıldığında; çözümü yapılan sonlu eleman boyutlarındaki kirişler ile deneyde [4] elde edilen eğriler grafik olarak birbiriyle örtüşmektedir. Fakat; yük taşıma kapasitelerinde sonlu eleman boyutlarına göre farklar oluşmaktadır. Sözü edilen kirişin yük taşıma kapasitelerindeki fark; çubuk uzunluğu boyunca sonlu eleman boyutu değişimi, sonlu eleman boyutu küçüldükçe yük taşıma kapasitesinde azalma olarak kendini göstermektedir. Doğrusal olmayan sonlu eleman sayısal çözümlemeleri ile yük taşıma kapasitesi tahmininde etkili ana faktör, sonlu eleman boyutunun çubuk uzunluğunca değişimi olmaktadır.
Şekil 5. Drucker-Prager modelinde yük-yerdeğiştirme eğrileri
5. Sonuçlar
Gerçekleştirilen parametrik çalışmalar yardımıyla ulaşılan sonuçlar aşağıda özetlenmiştir: • Drucker-Prager malzeme modelinde; deney sonuçları ile yük-yerdeğiştirme eğrileri karşılaştırıldığında; kiriş yüksekliğince sonlu eleman boyutu değişiminin kapasite artışına veya azalışına belirgin bir etkisi görülmemektedir. Yine, çubuk uzunluğu boyunca sonlu eleman boyutu artışının elastik sınırlar içerisinde önemli bir etkisi olmadığı görülmektedir. Ancak, elastik sınır ötesinde kiriş uzunluğu boyunca sonlu eleman boyutunun 7∼8dmax aşan değerlerinde, (örneğin 152.4 mm’den 365.76 mm’ye artışı), yük taşıma kapasitesini daha büyük tahmine neden olmaktadır.
• Çatlak modelinde; deneysel ve analitik yük-yerdeğiştirme eğrileri karşılaştırıldığında; çözümü yapılan sonlu eleman boyutlarındaki kirişler ile deneyde [4] elde edilen eğriler birbiriyle yeterince örtüşmektedir. Fakat; çubuk uzunluğu boyunca sonlu eleman boyutunun (yatayda) 365.76 mm’den 152.4 mm’ye küçülmesi durumunda kirişin yük taşıma kapasitesinde azalma yönünde değişim daha çok görülmektedir. Söz konusu modelde; deneyde [4] bulunmuş maksimum yük taşıma kapasitesine en yakın ortalama yük değeri sonlu eleman boyutunun 365.76 mm (yatayda) alınması durumunda elde edilmektedir, ki bu değer; 315.17 kN ve hata %5.6’dır. Kiriş yüksekliğince sonlu eleman boyutu değişimi yük taşıma kapasitesinde farklılığa sebep olmakla birlikte, bu farklılığın belirgin olarak artma yada azalma yönünde olduğunu söylemek güçtür.
Share and Cite
ARSLAN, G. Mesh size effect on load carrying capacity of the reinforced concrete beams without stirrups by usin. Sigma Journal of Engineering and Natural Sciences 2004, Vol. 22, pp. 34-42. https://doi.org/10.62051/ytu.sigma-journal-of-engineering-and-natural-sciences-mesh-size-effect-on-load-carrying-capacity-of-the-reinforced-concrete-beams-with