Mühendisler yarışırken - Bir çelik birleşimi tasarlamanın 6 yolu

Takımlar, mühendislik firmalarından ve çelik imalatçılarından yapı mühendislerinden oluşuyordu ve her biri deneyimli bir birleşim tasarımcısı tarafından yönlendirildi. Gruplar tasarımlarını sunduktan sonra, IDEA StatiCa olarak birleşimleri Connection uygulaması ile modelleme fırsatı bulduk. Bu sayede sonuçları anında analiz edebildik ve birlikte tartışabildik.

Tasarımları ve sonuçları aşağıda daha ayrıntılı açıklıyoruz. Makale, her çelik birleşim tasarım zorluğu için birer olmak üzere iki bölüme ayrılmıştır.

1 - Kenar kirişlerle karmaşık bir kolon-kiriş birleşimi tasarlayın

İlk tasarım zorluğunda, dört elemanı birbirine bağlayan bir düğüm noktasına odaklandık. İç kuvvetler ve profiller, altı takımın her birinin farklı bir yaklaşım benimsemesiyle ortaya çıkan çözüm çeşitliliğinin de gösterdiği gibi, bunu zorlu bir tasarım görevi haline getirdi. Bu mesleği bu kadar büyüleyici kılan da tam olarak budur: hiçbir zaman tek bir doğru çözüm yoktur.

En büyük zorluk, kenar kirişlerin bağlantısında ortaya çıktı. İki dikdörtgen içi boş kesit (180/180/6), bir kolona (HEA160) veya ana kirişe (IPE400) bağlanmak zorundaydı. Uygulanan yüklerle birleşince bu durum, zorlu bir tasarım koşulu oluşturdu.

Aşağıda, çelik birleşim yazılımı IDEA StatiCa'da hazırlanan birleşimlere, eskizlere ve modellere genel bir bakış sunulmaktadır. Ardından her birleşimi ele alıyor ve tartışmalardan ile sonuçlardan elde edilen temel çıkarımları vurguluyoruz.

Grup A

Grup A, kolonu uzatmayı ve ana kirişi (IPE400) bir alın plakasıyla bağlamayı tercih etti. Asıl zorluk, RHS kenar kirişlerinin HEA160 kolonuna bağlanmasındaydı. Bunun için iki adet M36 cıvatalı bir levha bağlantısı önerildi. Ancak IDEA StatiCa'da modelleme yapılırken, bu cıvata boyutu için yeterli alan olmadığı hızla anlaşıldı. Atölye çalışmasında uzmanların vurguladığı gibi, bir birleşimin imalat edilebilirliğini anlamak için ölçekli çizim yapmak büyük önem taşımaktadır.

Doğrudan kaynaklı bir bağlantı yerine grup, kolon gövdesindeki bir yarık boyunca bağlantı plakasını uzatmayı tercih etti; bu sayede kuvvetler daha iyi aktarılmakta ve kolon gövdesindeki gerilmeler azaltılmaktadır.

IDEA StatiCa'da birleşim hesaplanırken, kenar kirişlerin bağlantısında büyük plastik şekil değiştirmeler oluşmaktadır. Kenar kirişlerdeki 400 kN'luk yüksek eksenel basınç kuvveti ve levhadaki dışmerkezlik nedeniyle birleşimde bir eğilme momenti meydana gelmektedir. IDEA StatiCa gibi bir sonlu elemanlar analiz aracı kullanıldığında, bu durum oluşan deformasyonlar aracılığıyla hızla görünür hale gelmektedir.

Plaka kalınlıkları artırılarak birleşim gereksinimleri karşılanabilir. Sürekli 35 mm'lik bir plaka ve 2x M33 8.8 cıvata ile yeterli dayanım ve rijitlik sağlanmaktadır.

Çözüm tatmin edici olsa da, dışmerkezlikten kaçınmak değerlendirilmeye değer ve muhtemelen yapısal açıdan daha verimlidir.

Grup B

Grup B benzer bir birleşime sahipti, ancak burada ana kiriş uzatıldı. Kare içi boş kesit (SHS) kirişlerinin simetrik bağlantısının seçilmesi, ek eğilme momentini ortadan kaldırmaktadır. Belirlenen plaka kalınlıklarıyla plastik şekil değiştirme, %5 sınırının hemen altında kalmaktadır.

Plakaların kalınlaştırılması ve yeterli kaynak sağlanmasıyla, eksenel basınç ve yatay kesme kuvvetinin birleşimi karşılanabilmekte ve plastik şekil değiştirme %5'in altında tutulabilmektedir.

Yalnızca cıvatalar, 4x M24 8.8 kullanıldığında hâlâ tatmin edici değildir. Ancak cıvataları güçlendirmek sorunu çözmez; çünkü kod kontrolü, yükleme dayanımıyla sınırlıdır. Alternatif bir çözüm, bağlantı plakalarının çelik sınıfını S355'e yükseltmektir. Bu sayede yalnızca minimal plaka kalınlığı ve cıvata boyutu artışlarıyla optimum sonuçlara ulaşılabilmektedir.

Grup C

Grup C benzer bir birleşime sahiptir; ancak A ve B gruplarından farklı olarak, levha çeyrek tur döndürüldüğü için yatay yükleme için daha uygundur. Yine bir dışmerkezlikle karşı karşıyayız ve Grup A'dakiyle aynı sorunlarla karşılaşıyoruz. İki yerine dört cıvata kullanılması düğüm noktasını daha rijit hale getirmektedir; ancak yüksek plastik şekil değiştirme ve deformasyon görmeye devam ediyoruz. Levhayı takviye plakasına kaynaklamak ve plaka kalınlıklarını artırmak düğüm noktasını daha rijit hale getirmeye yardımcı olmaktadır; ancak dışmerkezlik her zaman mevcut olacaktır.

Plaka kalınlıklarının 15 mm'den 30 mm'ye artırılmasıyla, düğüm noktası 4x M24 8.8 cıvata ile tasarım gereksinimlerini karşılayabilmektedir.

Bu tür bir düğüm noktası, dışmerkezlik olmaksızın en güvenli şekilde çalışmaktadır. Pratik nedenlerle dışmerkezlikten kaçınılamıyorsa, birleşim özellikle birleşimin en rijit olduğu yönde, tek bir doğrultuda enine kuvvet aktarmak için uygun olacaktır. Dışmerkezliğin büyük normal basınç kuvvetiyle ve birleşimin zayıf doğrultusundaki enine kuvvetle birleşimi, elemanın dışa doğru eğilmesine ve burkulma riskine yol açacaktır.

Burkulma analizi

Bu riski doğru değerlendirmek için ek bir burkulma analizi yapmak mantıklıdır. IDEA StatiCa ile doğrusal burkulma analizi gerçekleştirilebilir; bu analiz, yetersiz kalınlıktaki plakalarda genel burkulma biçimine benzer bir burkulma şeklinin oluşabileceğini göstermektedir. Buna karşılık gelen burkulma faktörüne dayanılarak bu durum, burkulma hasarı olarak yorumlanabilir.

Bu konu ve IDEA StatiCa'nın doğrusal burkulma analizini nasıl gerçekleştirdiği hakkında daha fazla bilgiye şu makaleden ulaşabilirsiniz: Genel burkulma ile yerel burkulma. Bu ne anlama gelir?

Grup D

Grup D farklı bir yaklaşım benimsemekte ve kenar kirişlerin devam ettirilmesiyle ilk üç grupta görülen sorunlar doğrudan önlenmektedir. IPE400, kısmen sürekli kolona bir alın plakasıyla ve kenar kirişe küçük bir kanat plakasıyla bağlanmaktadır. Sonuçlar, birleşimin yapısal açıdan iyi performans gösterdiğini ve kuvvetlerin verimli biçimde iletildiğini ortaya koymaktadır.

Bir kesme birleşimi olduğundan, grup kiriş dönmesi sırasında cıvata üzerinden aşırı kuvvet iletimini önlemek amacıyla kanat plakasında uzun delik kullanılmasını önermektedir. Bu, kanat plakasında ve dikdörtgen içi boş kesit cidarında yüksek gerilmelerin oluşmasını engeller. Bu tasarım değerlendirmesi aynı zamanda düğüm noktasının dönme rijitliğini de etkiler.

Rijitlik analizi

Düğüm noktasının tam rijitliğini belirlemek için IDEA StatiCa ile rijitlik analizi yapılabilir. Moment-dönme diyagramı oluşturulmakta ve Eurocode'a göre düğüm noktası tam rijit, yarı rijit veya mafsallı olarak sınıflandırılabilmektedir.

Grup D için çatı kirişi birleşimi analiz edildiğinde, IDEA StatiCa yarı rijit olarak değerlendirilen bir dönme rijitliği vermektedir. Bu rijitlik, global yapısal modelde bir dönme yayı rijitliği kullanılarak temsil edilebilir.

Ancak basit bir birleşim gerekiyorsa, birleşimin gerçekten Mafsallı olarak sınıflandırılması için detay değiştirilmelidir. Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, (2) durumunda üst cıvata sırası aşağı alınarak bir mafsal oluşturulmuştur. 

Grup E

Grup E çatı kirişini uzatarak kolonun üzerine yerleştirdi. Kenar kirişler, kuvvetlerin düğüm noktasında düzgün biçimde iletilmesini sağlamak amacıyla alın plakaları ile çatı kirişine bağlandı.

Cıvataların montajına olanak tanımak için grup, içi boş kesit cidarında bir kesim önerdi. Pratiklik büyük bir endişe kaynağı olduğundan bu düşünceli bir çözümdür. Kesim, çentikteki gerilme dağılımını değiştirmektedir; ancak yuvarlak bir kesim uygulanarak gerilme yoğunlaşmaları sınırlı tutulmaktadır.

Grup F

Gördüğümüz gibi, kenar kirişlerin bağlantısı tasarım zorlukları yaratmaktadır. Grup F, kenar kirişleri HEA160 kesitleriyle değiştirerek bu sorunları çözmektedir. Bu, kirişlerin kolona bağlanmasını kolaylaştırmakta ve cıvataların montajı için yeterli alan sağlamaktadır. Birleşim basınç altında iyi performans göstermekte ve alın plakaları kuvvetleri kolon boyunca verimli biçimde iletmektedir.

Ancak kenar kirişler, 400 kN'luk bir çekme yüküne de maruz kalabilir. Bu yük durumunda birleşim tatmin edici değildir. Alın plakalarının kalınlığı 15 mm'den 20 mm'ye artırılarak dayanım gereksinimleri karşılanmakta ve birleşim çekme ile basınç yükleri için uygun hale gelmektedir.

Connection Library

Belirli bir çelik düğüm noktasını nasıl modelleyeceğinizden emin değil misiniz? IDEA StatiCa'daki Connection Library, onlarca pratik örneğe anında erişim sağlayarak doğru çözümü daha hızlı bulmanıza yardımcı olur. Pek çok yapı mühendisinin çelik birleşim tasarımında ilham kaynağı olarak kullandığı değerli bir kaynaktır.

2 - Çaprazlı bir kolon taban plakası birleşimi tasarlayın

İkinci tasarım zorluğu, bir kolon taban plakası birleşimini kapsamaktadır. Çapraz perde, üç farklı profilde yapılabilmekte ve 500 kN'luk bir basınç kuvvetiyle yüklenmektedir. Kolonun kendisi ise 2000 kN'luk önemli bir basınç kuvvetine maruz kalmaktadır.

Odak noktası, çapraz ile kolon arasındaki birleşimin yanı sıra ankrajlar ve temel dahil taban plakasının tasarımıdır. Sunulan eskizler ve sunumlar temel alınarak birleşimler IDEA StatiCa'da modellenmiş ve analiz edilmiştir. Bu tasarım da birden fazla birleşim çözümünün mümkün olduğunu bir kez daha göstermektedir: tek bir doğru yanıt yoktur. Aşağıda, IDEA StatiCa'dan elde edilen sonuçlar dahil farklı tasarımlara genel bir bakış sunulmaktadır. Ardından, grupları tek tek ele almak yerine toplu olarak değerlendirerek temel tasarım değerlendirmelerini tartışıyoruz.

Çaprazın kolona bağlantısı

Çaprazın bağlantısı için üç grup (A, C, E) alın plakalı kısa kolon bağlantısını, diğer üç grup (B, D, F) ise cıvatalı levha bağlantısını tercih etti.

Kısa kolon bağlantısı tasarımı, birleşimde herhangi bir komplikasyon olmaksızın basınç kuvvetinin doğrudan aktarılmasını sağlar. HEA profili tercih edilerek cıvata montajı kolaylıkla yapılabilmekte ve çapraz elemanın gövdesi kolon gövdesiyle hizalanmaktadır. Sonuç olarak, A, C ve E gruplarının çözümlerinde görüldüğü gibi (bkz. şekil), gerilmeler kolona iyi biçimde iletilmektedir.

Buna karşın, B, D ve F grupları levha bağlantısını tercih etti. Bu yaklaşımda, çaprazın çok fazla yer kaplamadan kolon içinde bağlanabilmesi için kolonun çeyrek tur döndürülmesi değerlendirildi. Ancak bu durumda levha, kolon gövdesine doğrudan fakat enine olarak bağlanmakta ve yüksek basınç kuvvetleri nedeniyle kolon gövdesinde tepe gerilmeleri oluşabilmektedir. IDEA StatiCa'daki hesaplamalar, tasarımın kabul edilebilir sınırların tam içinde kaldığını göstermektedir; ancak yapı mühendisi dikkatli olmaya devam etmelidir. Gövde plastik olarak şekil değiştirmeye başlarsa, kolonu döndürmek, gövde kalınlığını artırmak veya takviye plakaları eklemek tavsiye edilir.

Levha bağlantılı tasarımlarda, ilk tasarım zorluğunda tartıştığımız nedenlerle bağlantıyı simetrik yapmak ve plakaların fazla dışarı taşmamasını sağlamak avantajlıdır. B birleşimi asimetrik bir düzene sahiptir; ancak 20 mm kalınlığındaki plaka ve altı cıvata kullanımı, oluşan momenti etkin biçimde karşılayarak gerilmeleri kabul edilebilir sınırlar içinde tutmaktadır.

Kolon taban plakası tasarımı

Taban plakası ve beton temel tasarımında da önemli değerlendirmeler bulunmaktadır. Yüksek basınç kuvvetleri nedeniyle, gerilmelerin taban plakası aracılığıyla betona iyi dağıtılması büyük önem taşımaktadır. Bu, daha kalın bir plaka seçilerek ve gerilmelerin daha iyi dağıtılması için plakayı kolon profilinden daha geniş yaparak sağlanabilir.

Aşağıdaki şekil, 40 mm ve 10 mm kalınlığındaki taban plakası için taban plakasındaki gerilmeleri ve betondaki temas gerilmelerini karşılaştırmaktadır. Taban plakası çok ince olursa, gerilmeler etkin biçimde dağıtılmak yerine kolon profili çevresinde yoğunlaşır. Sonuç olarak, beton üzerindeki etkin temas alanı çok küçük kalır ve izin verilen sınırı aşan basınç gerilmelerine yol açar.

Kolon temeli

Harçlı veya harçsız derz ve rondeleli veya rondelesiz ankrajlar gibi farklı temel çözümleri görmekteyiz. Kullanılan ankrajlar M20 ile M30 arasında değişmektedir.

IDEA StatiCa'daki hesaplamalar, ankrajların kontrolü açısından hiçbir birleşimin tatmin edici olmadığını göstermektedir. Varsayılan olarak, kesme kuvvetlerinin ankrajlar aracılığıyla iletilmesi öngörülmüştür. M20 ankrajların yetersiz dayanıma sahip olduğu ve kesme kuvvetlerine karşı koyamadığı görülmüştür. Buna karşın, rondeleli M30 8.8 ankrajlar kesme kuvvetlerini aktarmak için yeterli dayanıma sahiptir. Bununla birlikte, sorun artık çelikte değil betonun göçmesinde olduğundan kod kontrolü hâlâ tatmin edici değildir.

Ankrajlar üzerindeki kesme kuvvetleri, ankrajların betondan kopmasıyla birlikte betonun kenar göçmesine neden olmaktadır. IDEA StatiCa Connection, donatısız beton ile hesap yapmaktadır; dolayısıyla daha yüksek kuvvetlerde beton göçmesi kaçınılmazdır.

Kuvvetler azaltılamıyorsa, dört olası çözüm kalmaktadır.

1. Bir kesme dişi ekleyerek kesme kuvveti aktarımını optimize edin. Bu sayede tüm kesme kuvveti kesme anahtarı tarafından karşılanır ve ankrajların göçmesi ile beton kopması önlenir.
2. Kesme kuvvetlerini ankrajlar yerine sürtünme yoluyla aktarın. Kolondaki yüksek basınç kuvveti yeterli sürtünme direnci sağlamaktadır. 
3. Beton bloğunu değiştirin. Kenar mesafesini veya beton sınıfını artırarak betonun kopma olasılığını azaltın.
4. Beton bloğuna Tamamlayıcı Donatı tasarlayın. Bu sayede çelik donatı çekme kuvvetlerine karşı koyar ve beton kopmasını önler. Bu çözüm, IDEA StatiCa 3D Detail kullanılarak modellenebilir ve analiz edilebilir.

Tasarımcıların eskizlerinde görüldüğü gibi, yalnızca Grup E tasarımına donatı dahil etti. Beton elemana çelik donatı eklenerek beton konisi kopması ve beton kenar göçmesi gibi hasar mekanizmaları önlenebilir.

Güvenlikten ödün vermeden donatı tasarımında zaman kazanmak ister misiniz?

• Ankraj Tasarımında Donatı Kullanımı hakkındaki bu web seminerini izleyin
• Ya da Detail'de Dışmerkezli yüklü ankrajlama hakkındaki bu IDEA StatiCa eğitimine göz atın.

Son söz

Çelik birleşimler 6 grup tarafından tasarlanmış, IDEA StatiCa'da modellenmiş ve deneyimli yapı mühendisleriyle tartışılmıştır. IDEA StatiCa kullanılarak sonuçları ayrıntılı biçimde analiz edebildik ve önemli tasarım değerlendirmelerini belirleyip tartışabildik. Bu atölye çalışması, pek çok birleşimin sonsuz sayıda farklı şekilde tasarlanabileceğini ve hiçbir zaman tek bir doğru çözüm olmadığını göstermektedir. Ölçekli çizim yapmanın ve birleşimdeki kuvvet akışını takip etmenin önemini deneyimledik. Rijitlikleri analiz etmek ve düğüm noktasının nasıl şekil değiştireceğini görselleştirmek, bir düğüm noktasının nasıl davranacağını anlamak için iyi bir düşünce deneyi niteliğindedir.

"Hayal gücü bilgiden daha önemlidir" diye bir keresinde Albert Einstein adında biri söylemiştir. Bu, çelik birleşim tasarımı için de kesinlikle geçerlidir. Bir düğüm noktasının nasıl göründüğünü, nasıl yapılacağını, oranların doğru olup olmadığını, kuvvetlerin nasıl akacağını ve birleşimin nasıl şekil değiştireceğini hayal edebilen kişi, en iyi çelik birleşim tasarımcısı olmaya zaten bir adım daha yaklaşmış demektir.