Çelik kolon taban levhalarının montajlama kusurlarına bağlı gerilme analizi
Stress analysis of steel column base plates related to installation defects
Yazar: SALİH ÖZDEMİR
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ OSMAN BULUT
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Kolon taban levhaları çelik kolonlara kaynaklanarak bağlanan, kolon tiplerine göre veya bağlantı özelliklerine göre farklı geometrik şekillerde olabilen plakaladır. Çelik yapılarda taşıyıcı kolonların temelle olan montajının sağlanması ve kolona etkiyen yüklerin zemine iletilebilmesi için kolon taban levhaları kullanılmaktadır. Çelik yapıyla, beton temel arasında ilişki kuran ve yük aktarılmasını sağlayan kolon taban levhaları bu özellikleri nedeniyle yapıların önemli bağlantı parçalarıdır.

Kolon taban levhaları günümüz inşaat teknolojisi içerisinde yer alan atölyelerde hassas çalışma yapılarak üretilmektedir. Sahaya kolona kaynaklanmış şekilde gelen taban levhası üzerinde yer alan deliklerle sahada hazırlanmış ankraj çubukları tam olarak üst üste gelmeyebilmektedir. Ankraj çubukları yerleştirilirken klavuz levha kullanılması ve hassas harita ölçümleri yapılması imalatın doğru yapılması için geliştirilmiş çözümlerdir.Ancak kolon taban levhasının monte edileceği ankraj çubukları, saha çalışmalarındaki hassasiyet düşüklüğü, çubuklar yerleştirildikten sonra çevresine beton dökülmesi gibi nedenlerle bulunması gereken konumlardan sapmakta bu sapmalar birden fazla ankraj çubuğunda ortaya çıktığında ise sahada montaj mümkün olmamaktadır. Levhanın kaynatıldığı kolonla beraber atölyeye geri gönderilip yeniden imal edilmesi ciddi süre ve maliyet kayıplarına neden olduğu için imalat baştan yaptırılmamakta ve levha üzerindeki deliklerin ısıl işlem veya darbe yöntemleriyle genişletilmesi gibi hesaplamalara dayanmayan çözümlere başvurulmaktadır. Bu durumdaki levhanın üzerinde yer alan delikler yürürlükte olan yönetmeliklerin izin verdiği sınırların oldukça üzerine çıkarak genişletilmekte, araştırma ve bilimsel kaynaklara dayanmayan imalatlar ortaya çıkmaktadır. Bu durum oluştuğunda levhaların montajı sonrasında somunların altına küçük plakalar yerleştirilerek kaybedilen dayanımın kazanıldığı öngörülmektedir. 

Amerikan Çelik Yapılar Şartnamesinde yer alan tabloya göre standart deliklerde M24 bulona kadar 2mm daha geniş, M24 'den büyük bulonlarda 3mm daha geniş olarak delik açılmasına izin verilmektedir. Büyük delik standartlarında bulon büyüdükçe delik genişliği için açılan delik boyutu bulon çapından 8mm kadar geniş açılabilmektedir. Ancak genel olarak kullanılan boyutlar için 3-4 mm tölerans verilmektedir. Bu töleransların oldukça düşük olması ve sahada hassasiyetinin her zaman bu seviyeleri yakalayamaması montaj yapılamamasına neden olabilmektedir.

Yürürlükte olan ulusal ve uluslarası şartname ve akademik çalışmalar taranarak imalatlarda yaşanan sorunlara çözüm üreten verilerin varlığı araştırılmıştır. Ancak tam olarak bu konuya odaklanmış bir çalışma ve çözüm önerisi bulunamamıştır. Bu çalışmada kolon taban levhalarının montaj deliklerinin tasarımdaki ölçü ve lokasyonlarıyla, saha imalatları arasında yaşanan farklılıklardan yola çıkılarak oluşan yeni gerilme ve yük dağılımları öngörülmeye çalışılmış delik genişlemelerinin oluşturduğu değişiklikler ortaya konulmuştur.

Deney yapılan kolon taban modelinin belirlenmesi aşamasında sarsma tablası kapasite ve boyutları da göz önüne alınmıştır. Sahada uygulaması gerçekleştirilmiş çelik kolon ve taban levhası, etkitilecek yük, kolonun ve levhanın oldukça büyük boyutta olması gibi nedenlerle deneyde kullanılamamıştır. Ancak kolon taban levhasına etkiyen yük azaltılarak levha ve kolon boyutları küçültülebilmiş aynı zamanda sarsma tablasına montaj yapılması için gerekenler de göz önünde bulundurulmuştur.

Deney modeli hazırlanırken formülasyona dayalı çözümler uluslarası standartlar çerçevesinde gerçekleştirilmitir. İlk önerilen modelden deney düzeneği modeline kadar tüm ara modellerde de halihazırda yürürlükte olan uluslarası şartnameler gereği hesap kontrolleri yapılmıştır. 

Sayısal analizlerde Abaqus paket programı kullanılmıştır. Hem deney düzeneği geliştirilene kadar olan tüm boyutlardaki tasarımlar analiz edilmiş, hem de taban levhasında yaşanan deformasyonlar sonucu oluşan kusurlar modellenerek sonuçlar toplanmıştır.

Formülasyonlara dayanan çözüm yöntemleri, deneyler ve sayısal analizlerin yardımıyla kolon taban plakası tasarımları yapılmış eksiklik görülen veya bu yöntemlerden biri için doğrulanamayan modeller geliştirilerek yeni ve daha doğru modeller ortaya koyulmuştur. Deney yapımı için uygun tasarıma ulaşıldığında kolon taban levhası fiziksel olarak üretilmiştir. Deney esnasında üretilen hareketin yer değiştirme-zaman değerleri sayısal modele girilerek analiz yapılmış deneyden elde edilen verilerle karşılaştırılmıştır. Deney ve sayısal analiz sonuçlarının oldukça yakın çıkması sonucunda güvenilir bir sayısal modelin yapıldığına karar verilmiştir. Sayısal modelde yer alan kolon taban levhası üzerindeki delikte kusur oluşturularak analiz tekrar yapılmış ve sonuçlar değerlendirilmiştir.

Abstract:
The column base plates are welded to steel columns and they are used to provide basic mounting of the supporting columns in steel structures and to convey the loads acting on the column to the ground. Due to these properties, the column base plates which provide the transfer of the load by establishing a relationship between the steel structure and the concrete foundation become the important connecting elements of the structures.

Column base plates are produced regularly in workshops taking place in today's construction technology and are damaged due to the fact that the rods are deviated significantly when they are placed in the anchor rods even if they are pre-installed to be mounted in the field with guide plates. When the anchor rods in which the column base plate is to be mounted are deviated from the positions that should be found due to the low sensitivity in the field studies, the holes in the base plate are greatly expanded by heat treatment such as torch cutting or impact when these deviations occur in more than one anchor rod.

It is contemplated to use one-to-one measures of a column base plate that has actually been applied at the beginning of the work. However, it has not been possible to find devices with suitable load capacity and dimensions for this experimental setup. Therefore, work with scaled models has been continued. Load and strength controls of the column bases produced at various scales were performed but the use of these models in the experiment was not suitable for various reasons as detailed in the content of the thesis. Due to the inability to apply the one-to-one column base plate or scaled models, Abaqus can be mounted on the shaking table and a numerical model can be installed on it. The dimensions, loads and behaviors of the column baseplate in these designs were calculated by using the formulas and methods used in international standards. The test model, which is designed according to the shaking table used, provides all the applicable accounting and standards when designing a real column base plate, and has similar properties with a column base plate applied in the field in terms of selected materials and processes.