Darbe yüklemesi altinda betonarme döşemelerin doğrusal olmayan davranişinin incelenmesi

Abstract

İnşaat mühendisliği yapıları genellikle statik ve deprem yüklerine dayanacak şekilde tasarlanmaktadır. Ancak hareketli nesnelerden kaynaklanan darbe yüklerinin etkisi konusunda farkındalık sınırlıdır. Betonarme elemanların deprem yüklemesi dışında kazara oluşan şoklardan kaynaklanan dinamik darbe yüklemelerine karşı da dayanıklı olması gerekir. Örneğin, inşaat sürecinde betonarme döşeme üzerine büyük bir demir demetinin düşürülmesi ya da mekanik veya elektrikli aletlerin kazara düşürülmesi dinamik darbe yüklemelerine yol açabilir. Yatay betonarme elemanlar, özellikle döşemeler, yükleri diğer yapısal elemanlara aktardıkları için çok önemli bir rol oynarlar. Bu nedenle döşemelerin tasarımlarında darbe yükünün dikkate alınması önemlidir. Döşemelerin genel olarak diğer yapısal elemanlara göre daha ince oldukları göz önüne alındığında, darbe yüklemelerine karşı özel dikkat gösterilmesi gerekmektedir. Darbe yükünün betonarme döşemeler üzerindeki etkisini tahmin etmek için birçok deneysel araştırma yapılmıştır. Ayrıca, darbe yüklemesi etkisi altındaki döşemelerin davranışını analiz etmek için sayısal yaklaşımlar kullanan birçok çalışma mevcuttur. Deneysel sonuçlar ve sayısal bulgular arasında karşılaştırmalar yapılmış olsa da, darbe yüklerine maruz kalan betonarme döşemelerin doğrusal olmayan davranışını doğru bir şekilde tahmin etmek hala bir zorluktur. Bu çalışma, sonlu elemanlar yöntemi (FEM) ve genişletilmiş sonlu elemanlar yöntemi (XFEM) kullanarak betonarme döşemelerin darbe yüklemesi altındaki doğrusal olmayan davranışlarını incelemektedir. Bu araştırmanın yeniliği, XFEM kullanılarak betonarme döşemeler üzerindeki darbe yüklerinin etkilerinin incelenmesidir. Sayısal simülasyonların bu iki yaklaşım ile doğrulanmasının ardından, ACI318M-14 betonarme yapı standardına uygun olarak tasarlanmış tek doğrultuda ve çift doğrultuda çalışan döşemeler üzerinde kapsamlı bir sayısal çalışma yapılmıştır. Bu çalışma, döşemelerin doğrusal olmayan davranışlarını maksimum deplasman, hasarlar ve lokal ve global hasar modları açısından değerlendirmektedir. Ayrıca, FEM ve XFEM modelleme yaklaşımları darbe yüklemesi altındaki betonarme döşemelerin davranışları açısından karşılaştırılmaktadır. Tek doğrultuda ve çift doğrultuda çalışan betonarme döşemelerin davranışları, farklı düşme yüksekliklerinin bu döşemelerin darbe yüklemeleri altındaki tepkilerini nasıl etkilediği incelenmiştir. Anahtar Kelimeler: Darbe yüklemesi, Betonarme döşemeler, Sonlu elemanlar yöntemi, Genişletilmiş sonlu elemanlar yöntemi, Doğrusal olmayan dinamik analiz, Düşme yüksekliği.

Civil engineering structures are typically designed to withstand static loads and earthquake forces; however, there has been limited awareness of the impact loading caused by moving objects. In addition to earthquake loading, reinforced concrete elements must also be able to resist dynamic impact loading resulting from accidental shocks. For example, incidents during the construction process, such as the dropping of a large bundle of rebar while being transferred across a concrete slab, or the accidental dropping of mechanical or electrical tools can lead to dynamic impact loading. Horizontal reinforced concrete elements, particularly slabs, play a crucial role as they transfer loads to other structural elements. Thus, it is essential to consider impact loading during the design of slabs. Given that slabs are generally thinner than other structural elements, they require special attention regarding impact loading. Many experimental research has been conducted to predict how impact loading affects reinforced concrete slabs. Additionally, several studies have utilized numerical approaches to analyze the behavior of slabs under the effect of impact loading. While comparisons between experimental results and numerical findings have been made, accurately estimating the nonlinear behavior of reinforced concrete slabs subjected to impact loads remains a challenge. This study investigates the nonlinear behavior of reinforced concrete slabs under impact loading using both the finite element method (FEM) and the extended finite element method (XFEM). The novelty of this investigation is the study of the effects of impact loads on reinforced concrete slabs utilizing XFEM. Following the validation of numerical simulations through these two approaches, a comprehensive numerical study is conducted on one-way and two-way slabs designed in accordance with reinforced concrete building code ACI318M-14. This study evaluates the nonlinear behavior of the slabs based on maximum displacement, damage patterns, and both local and global failure modes. Moreover, the FEM and XFEM modeling approaches are compared regarding their responses of reinforced concrete slabs under impact loading. The behavior of one-way and two-way reinforced concrete slabs were examined based on how different body drop heights influence the response of these slabs when subjected to impact loading. Keywords: Impact loading, Reinforced concrete slabs, Finite element method, Extended finite element method, Nonlinear dynamic analysis, Drop height.