Belçika'daki Connection Workshop'ta çelik birleşimlerin tasarımı

Yakın zamanda InfoSteel ile iş birliği yaparak Belçika'da tam olarak bu konuya odaklanan bir Connection Workshop düzenledik.

Üç takıma ayrılan katılımcılar, iki zorlu tasarım problemiyle yüzleşti. Her takım, dayanım ve rijitliğin yanı sıra uygulanabilirliğe de dikkat ederek bir çelik birleşim tasarlamakla görevlendirildi. Genç ve deneyimli profillerin bir arada bulunması, katılımcıların birbirinden öğrenmesine olanak tanıdı ve meslektaşlarla tanışmak ve bir araya gelmek için de mükemmel bir fırsat sundu.

Deneyimli yapı mühendisi Stijn Jespers, tasarımları değerlendirmek ve takımlara tasarım seçimlerinde destek olmak amacıyla etkinlikte hazır bulundu. Süreç boyunca birleşimleri doğrudan IDEA StatiCa üzerinde modelleyebildik. Bu sayede mühendisler 3D model ve sonuçlar hakkında anında fikir edindi; ardından bunları birlikte analiz edip tartışabildik.

Takımların farklı tasarım tercihlerini merak ediyor musunuz? Sonuçları aşağıda, 1. görevden başlayarak açıklıyoruz.

Durum 1 - Moment aktaran

İlk görevde, bir HEB300 kolon üzerinde üç HEA300 kirişin birleştiği bir düğüm noktasını inceliyoruz. Zorluk, tamamının moment aktaran olarak bağlanması gereken üç HEA300 kirişten kaynaklanıyordu. Kirişlerdeki önemli kesme kuvvetleri ve eğilme momentleriyle birlikte bu durum, birleşimin hem dayanımı hem de rijitliği açısından ciddi bir sınav niteliği taşıyordu.

Tartışmalar sırasında bir dizi tasarım değerlendirmesi gündeme geldi. İlk olarak, kolonun sürekli mi olması gerektiği yoksa M1 ve M2 kirişlerinin mi sürekli olması gerektiği değerlendirildi. Bu fark, 1. ve 2. grupların tasarımlarında 3. gruba kıyasla da görülebilmektedir.

3. Grup bu çözümü kısmen üç özdeş birleşim elde etmek amacıyla seçti; bu yaklaşım üretimi kolaylaştırır ve özellikle projede birden fazla böyle düğüm noktası bulunduğunda hata olasılığını azaltır. CBFEM hesabının sonuçları aşağıda gösterilmektedir. Her üç tasarım da kod kontrollerini karşılamaktadır. Levha kalınlıkları, kaynaklar ve haunch boyutları daha da optimize edilebilir.

Tasarım sürecinde deneyimli bir mühendis tarafından, sürekli kiriş seçildiğinde çelik profillerin toleranslarının göz önünde bulundurulması gerektiği vurgulandı. Kolon, kirişten (ya da tam tersi) yalnızca biraz daha geniş olursa bir kaçıklık meydana gelir. Bunun sonucunda alın levhası düzgün bir şekilde monte edilemez ya da kaynaklar doğru biçimde yapılamaz.

Kirişin kolon üzerinden geçirilmesinde bir diğer önemli husus, M1 ve M2'deki eğilme momentlerinin her zaman eş zamanlı oluşup oluşmadığıdır. Eğer oluşmuyorsa, sürekli bir kolon yapısal açıdan daha temiz bir çözüm olabilir ve düğüm noktasında öngörülemeyen gerilmelerin önüne geçilmesine yardımcı olabilir. Kolon üzerinden geçen sürekli bir kiriş, yalnızca kuvvetlerin (M1 ve M2) her zaman eş zamanlı mevcut olması durumunda en uygun çözümdür.

Bunun yanı sıra, özellikle kolonun zayıf eksenine bağlanan L kirişi için birleşimleri moment aktaran hale getirmek zorlu bir görevdi. Bu durumda rijit bir birleşim, bir haunch gerektirmektedir. Ancak bu durum aynı zamanda uygun kuvvet aktarımını sağlamak için kolonda takviye levhalarının kullanılmasını zorunlu kılar. Bu takviye levhaları birleşimin imalat edilebilirliğini etkiler. Hem üst hem de alt başlıkta takviye levhası kullanılması durumunda, şantiyede cıvataların monte edilmesi imkânsız hale gelir.

IDEA StatiCa Connection ile mühendis, bir birleşimin rijitliğini analiz edebilir. Birleşimin Rijit olarak sınıflandırılabileceğini doğrulamak amacıyla 3. Grubun çelik birleşimi için böyle bir analiz gerçekleştirildi. Bu kolon-kiriş birleşimi için moment-dönme diyagramı hazırlandı ve aşağıdaki sonuçlar birleşimin Rijit olarak sınıflandırıldığını göstermektedir.

Durum 2 - Açılı

İkinci durumda, dört kirişin 30 derecelik bir açıyla bir araya geldiği bir düğüm noktasını inceliyoruz. HEB240 kirişleri eksenel basınç, eğilme ve kesme kuvvetlerine maruz kalırken, RHS120/80/8 veya IPE120 kesitlerinden oluşan kenar elemanlar eksenel çekme veya basınç kuvvetlerini aktarmaktadır.

Elemanlar arasındaki açı, sıkışık bir birleşim oluşturmaktadır. İlk bakışta üç grubun tasarımları birbirine çok benzer görünmektedir; ancak her biri kuvvetleri verimli biçimde aktarmak için farklı bir yaklaşım benimsemiştir.

Tüm gruplar etkili bir birleşim çözümü seçerek kirişleri alın levhası ile birleştirdi ve RHS elemanlarını alın levhalarına kaynaklı bağlantı levhası (fin plate) kullanarak bağladı. Bu yaklaşım ek levha işçiliğini ortadan kaldırır ve şantiyede görece kolaylıkla monte edilebilen düzenli bir düğüm noktası oluşturur.

Aşağıda IDEA StatiCa Connection'dan elde edilen sonuçlar yer almaktadır. Yükün %100'ü aktarılmakta ve tüm kod kontrolleri karşılanmaktadır.

Tartışmalar sırasında gündeme gelen diğer tasarım değerlendirmeleri, cıvataların yerleşimi ve ek levhasının üstten mi yoksa alttan mı uzatılacağı tercihidir. Bu durum çoğunlukla mevcut alana bağlıdır. Yapısal açıdan, üstteki ek bir cıvata sırası daha etkili olabilir çünkü çekme kuvvetleri orada oluşmaktadır. Ancak HEB240 kirişindeki eğilme momenti ters yönde de oluşabiliyorsa, bu cıvata sırasının etkisi sınırlı kalır. Bu durum, çelik birleşim tasarımını etkileyen pek çok faktörün bulunduğunu ve bunların tek bir hesap örneğiyle ele alınmasının kolay olmadığını göstermektedir.

2. ve 3. Gruplar iki özdeş ancak aynalı alın levhası seçti. Bu yaklaşım üretim, kesim ve kaynak işlemleri ile montaj açısından daha ekonomiktir. Ayrıca, kenar elemanların doğrudan alın levhalarına bağlanması nedeniyle cıvatalardaki kesme kuvvetinin başlangıçtaki el hesabınızla tam olarak örtüşmeyebileceğini göz önünde bulundurun. IDEA StatiCa'da cıvatalardaki kesme kuvvetlerinin yönünü görebilir ve bunların hem HEB240 kirişlerindeki kesme kuvvetinden hem de RHS elemanlarındaki çekme kuvvetinden etkilendiğini tespit edebiliriz.

Bu tür kompakt birleşimlerin tasarımında 3D modelleme son derece kullanışlıdır; çünkü cıvataların uyup uymadığını ve şantiyede monte edilip edilemeyeceğini anında kontrol edebilirsiniz. Bu sayede bir levhanın uzatılması ya da bir cıvata sırasının kaydırılması gerekip gerekmediğine ilişkin karar hemen verilebilir.

Son söz

Çelik birleşimlerin tasarımı pek çok faktöre bağlıdır: kirişlerin veya kolonların sürekliliği, cıvata ve levhaların yerleşimi, kesit seçimi ve kuvvetlerin verimli aktarımı. Her karar, birleşimin hem imalat edilebilirliğini hem de yapısal netliğini etkiler. IDEA StatiCa Connection ile tüm bu yönleri hızla değerlendirebilirsiniz: rijitliği hesaplayabilir, kod kontrollerini gerçekleştirebilir ve tasarımın pratikte uygulanabilir olup olmadığını doğrulayabilirsiniz. Bu sayede hem teknik açıdan sağlam hem de şantiyede verimli biçimde hayata geçirilebilecek bir birleşim elde edersiniz.