Çelik bağlantıların yapısal tasarımına genel giriş

Giriş

Çelik yapıların tasarımında mühendisler tarafından kiriş elemanlar tercih edilmektedir. Ancak yapı üzerinde eleman teorisinin geçerli olmadığı pek çok bölge mevcuttur; örneğin kaynaklı birleşimler, cıvatalı bağlantılar, temel, duvarlardaki boşluklar, kesit yüksekliğinin değişimi ve tekil yükler. Bu tür bölgelerde yapısal analiz güçtür ve özel dikkat gerektirmektedir. Davranış doğrusal değildir ve doğrusal olmayan etkiler göz önünde bulundurulmalıdır; örneğin levha malzemesinin akması, alın levhası veya taban levhasının beton blokla teması, cıvata ve ankrajların tek yönlü etkileri, kaynaklar. EN1993-1-8 gibi tasarım yönetmelikleri ve teknik literatür, mühendislik çözüm yöntemleri sunmaktadır. Bu yöntemlerin genel özelliği, tipik yapısal şekiller ve basit yüklemeler için türetilmiş olmalarıdır. Bileşen yöntemi çok sık kullanılmaktadır.

Bileşen yöntemi

Bileşen yöntemi (CM), birleşimi birbirine bağlı elemanlar – bileşenler – sistemi olarak çözer. Her bileşendeki kuvvetleri ve gerilimleri belirleyebilmek için her birleşim türüne özgü model oluşturulur – aşağıdaki şekle bakınız.

Yaylarla modellenen cıvatalı alın levhalı bir birleşimin bileşenleri

Her bileşen, ilgili formüller kullanılarak ayrı ayrı kontrol edilir. Her birleşim türü için uygun bir model oluşturulması gerektiğinden, yöntemin genel şekilli ve genel yüklemeli birleşimlerin çözümünde kullanımı sınırlıdır.

IDEA StatiCa, Prag'daki İnşaat Mühendisliği Fakültesi Çelik ve Ahşap Yapılar Bölümü ile Brno Teknoloji Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Fakültesi Metal ve Ahşap Yapılar Enstitüsü'nden oluşan proje ekibiyle birlikte çelik yapı birleşimlerinin ileri düzey tasarımı için bir yöntem geliştirmiştir.

Bileşen Tabanlı Sonlu Elemanlar Modeli (CBFEM) yöntemi:

• Mühendislik pratiğindeki birleşimlerin, temellerin ve detayların büyük çoğunluğunda kullanılabilecek kadar geneldir.
• Günlük pratikte mevcut yöntem ve araçlarla karşılaştırılabilir sürede sonuç verecek kadar basit ve hızlıdır.
• Yapı mühendisine birleşim davranışı, gerilme, şekil değiştirme, bireysel bileşenlerin rezervleri ve genel güvenlik ile güvenilirlik hakkında açık bilgi sunacak kadar kapsamlıdır.

CBFEM yöntemi, CM'nin doğrulanmış ve son derece yararlı bölümlerinin büyük ölçüde korunması gerektiği fikrine dayanmaktadır. CM'nin zayıf noktası olan – bireysel bileşenlerin gerilmelerinin analizindeki genellik sorunu – Sonlu Elemanlar Yöntemi (FEM) kullanılarak modelleme ve analizle ikame edilmiştir.

FEM, yapısal analizde yaygın olarak kullanılan genel bir yöntemdir. FEM'in her şekildeki birleşimlerin modellenmesinde kullanımı ideal görünmektedir (Virdi, 1999). Çelik yapılarda malzeme genellikle akma sınırına ulaştığından elastik-plastik analiz gerekmektedir. Nitekim doğrusal analizin sonuçları birleşim tasarımı için kullanışsızdır.

FEM modelleri, genellikle uzaysal elemanlar ve ölçülen malzeme özelliği değerlerini kullanan birleşim davranışı araştırma amaçlı çalışmalarda kullanılmaktadır.

Araştırma amaçlı birleşim FEM modeli. Hem levhalar hem de cıvatalar için uzaysal 3B elemanlar kullanılmaktadır

CBFEM modelinde bağlanan elemanların gövdeleri ve başlıkları, bilinen ve doğrulanmış çözümün mevcut olduğu kabuk elemanlar kullanılarak modellenmektedir.

Bağlayıcı elemanlar – cıvatalar ve kaynaklar – analiz modeli açısından en güç unsurlardır. Bu tür elemanların genel FEM programlarında modellenmesi güçtür; zira programlar gerekli özellikleri sunmamaktadır. Bu nedenle, birleşimdeki kaynak ve cıvata davranışını modellemek için özel FEM bileşenlerinin geliştirilmesi gerekmiştir.

Alın levhalı cıvatalı bağlantının CBFEM modeli

Çelik çerçeve veya kiriş yapısının analizi sırasında eleman birleşimleri kütlesiz noktalar olarak modellenir. Denge denklemleri birleşimlerde kurulur ve tüm yapı çözüldükten sonra kirişlerin uçlarındaki iç kuvvetler belirlenir. Birleşim, bu kuvvetlerle yüklenmektedir. Birleşimdeki tüm elemanlardan gelen kuvvetlerin bileşkesi sıfırdır – birleşimin tamamı dengedededir.

Yapısal modelde birleşimin gerçek şekli bilinmemektedir. Mühendis yalnızca birleşimin rijit mi yoksa mafsallı mı kabul edildiğini tanımlar.

Birleşimi doğru tasarlamak için gerçek durumu yansıtan güvenilir bir birleşim modeli oluşturmak gerekmektedir. CBFEM yönteminde, maksimum kesit yüksekliğinin 2-3 katı uzunluğundaki eleman uçları kullanılmaktadır. Bu segmentler kabuk elemanlarla modellenmektedir.

Teorik (kütlesiz) birleşim ve değiştirilmemiş eleman uçlarıyla birleşimin gerçek şekli

CBFEM modelinin daha yüksek hassasiyeti için, 1B elemanlardaki uç kuvvetler segment uçlarına yük olarak uygulanmaktadır. Teorik birleşimden gelen altılı kuvvet grupları segment ucuna aktarılır – kuvvetlerin değerleri korunur, ancak momentler ilgili kollar üzerindeki kuvvetlerin etkileriyle değiştirilir.

Birleşimdeki segment uçları birbirine bağlı değildir. Bağlantının modellenmesi gerekmektedir. CBFEM yönteminde bağlantıyı modellemek için imalat operasyonları kullanılmaktadır. İmalat operasyonları özellikle şunlardır: kesimler, ofsetler, delikler, nervürler, kaburgalar, alın levhaları ve ek levhaları, bağlantı levhaları, gusset levhaları ve diğerleri. Bağlayıcı elemanlar (kaynaklar ve cıvatalar) da eklenmektedir.

IDEA StatiCa Connection iki tür analiz gerçekleştirebilir:

1. Gerilme ve şekil değiştirme analizi için malzeme ve temas doğrusal olmayan etkilerini içeren geometrik doğrusal analiz,
2. Burkulma olasılığını belirlemek için özdeğer analizi.

Bağlantılar söz konusu olduğunda, levhalar çok ince olmadıkça geometrik doğrusal olmayan analiz gerekmemektedir. Levha inceliği özdeğer (burkulma) analizi ile belirlenebilir. Geometrik doğrusal analizin hâlâ yeterli olduğu sınır incelik değeri için Bölüm 3.9'a bakınız. Geometrik doğrusal olmayan analiz yazılımda uygulanmamıştır.