Cıvatalı portal çerçeve saçak moment birleşimi

Açıklama

Bu çalışmanın amacı, Şekil 9.2.1'de gösterildiği gibi cıvatalı portal çerçeve saçak birleşiminin doğrulanmasıdır. Çatı kirişi, kolon başlığına alın plakası kullanılarak cıvatalanmıştır. Kolon, kiriş başlıklarının seviyelerinde iki yatay takviye levhası ile rijitleştirilmiştir. Basınca maruz plakalar, örneğin kolonun yatay takviye levhaları, kesme veya basınçtaki gövde paneli ve basınçtaki kiriş başlığı, kesit sınıfı 3 olarak tasarlanmıştır. Yatay kiriş, tüm uzunluğu boyunca sürekli yük altında 6 m uzunluğundadır.

Şekil 9.2.1 Cıvatalı portal çerçeve saçak birleşimi

Analitik model

Sekiz bileşen incelenmektedir: köşe kaynağı, kesmedeki gövde paneli, enine basınçtaki kolon gövdesi, enine çekmede kolon gövdesi, basınç ve çekmede kiriş başlığı, eğilmedeki kolon başlığı, eğilmedeki alın plakası ve cıvatalar. Tüm bileşenler EN 1993-1-8:2005'e göre tasarlanmıştır. Bileşenlerin tasarım yükleri konuma bağlıdır. Kesmedeki gövde paneli, kolonun düşey ekseni üzerindeki tasarım yükleri ile yüklenmektedir. Diğer bileşenler, yatay kirişin bağlandığı kolon başlığındaki indirgenmiş tasarım yükleri ile yüklenmektedir.

Köşe kaynağı

Kaynak, kirişin tüm kesiti boyunca kapalı olarak uygulanmaktadır. Başlıklardaki kaynak kalınlığı, gövdedeki kaynak kalınlığından farklı olabilir. Düşey kesme kuvveti yalnızca gövdedeki kaynaklarla aktarılmakta ve plastik gerilme dağılımı dikkate alınmaktadır. Eğilme momenti tüm kaynak şekli tarafından aktarılmakta ve elastik gerilme dağılımı dikkate alınmaktadır. Kolonun yatay rijitliğine bağlı etkin kaynak genişliği dikkate alınmaktadır (rijitleştirilmemiş kolon başlığının eğilmesi nedeniyle). Kaynağın tasarımı EN 1993-1-8:2005, Md. 4.5.3.2(6)'ya göre yapılmaktadır. Değerlendirme iki ana noktada gerçekleştirilmektedir: başlığın üst veya alt kenarında (maksimum eğilme gerilmesi) ve başlık ile gövdenin kesişiminde (kesme kuvveti ve eğilme momenti gerilmelerinin kombinasyonu).

Kesmedeki gövde paneli

Kolon gövdesinin kalınlığı en fazla üçüncü sınıf olacak şekilde tasarlanmıştır; bkz. EN 1993-1-8:2005, Md. 6.2.6.1(1). Yük kapasitesine iki katkı dikkate alınmaktadır: kesmedeki kolon duvarının direnci ve kolon başlıklarının ve yatay takviye levhalarının çerçeve davranışından gelen katkı; bkz. EN 1993-1-8:2005, Md. 6.2.6.1 (6.7 ve 6.8).

Enine basınç veya çekmede kolon gövdesi

Kesme yükünün etkileşimi dikkate alınmaktadır; bkz. EN 1993-1-8:2005, Md. 6.2.6.2 ve Tab. 6.3. Kolon duvarındaki boyuna gerilmenin etkisi dikkate alınmaktadır; bkz. EN 1993-1-8:2005, Md. 6.2.6.2(2). Yatay takviye levhaları burkulmanın önüne geçmekte ve etkin alan ile bu bileşenin yük kapasitesine dahil edilmektedir.

Basınçtaki kiriş başlığı

Yatay kiriş en fazla üçüncü sınıf olacak şekilde tasarlanmıştır.

Eğilmedeki kolon başlığı veya alın plakası

Dairesel ve dairesel olmayan göçmeler için etkin uzunluklar EN 1993-1-8:2005, Md. 6.2.6'ya göre dikkate alınmaktadır. EN 1993-1-8:2005, Md. 6.2.4.1'e göre üç göçme modu dikkate alınmaktadır.

Cıvatalar

Cıvatalar EN 1993-1-8:2005, Md. 3.6.1'e göre tasarlanmaktadır. Tasarım direnci, zımbalama kesme direncini ve cıvata kopmasını dikkate almaktadır.

Sayısal tasarım modeli

T-saplama, Bölüm 3'te açıklandığı ve aşağıda özetlendiği şekilde 4 düğümlü kabuk elemanlarla modellenmiştir. Her düğümün 6 serbestlik derecesi vardır. Elemanın deformasyonları membran ve eğilme katkılarından oluşmaktadır. Her entegrasyon noktasının her katmanında doğrusal olmayan elastik-plastik malzeme durumu incelenmektedir. Değerlendirme, EN 1993-1-5:2006'ya göre % 5 değeri olarak verilen maksimum gerinime dayanmaktadır. Cıvatalar üç alt bileşene ayrılmaktadır. Birincisi, doğrusal olmayan bir yay olarak modellenen ve yalnızca çekme taşıyan cıvata gövdesidir. İkinci alt bileşen, çekme kuvvetini başlıklara aktarmaktadır. Üçüncü alt bileşen ise kesme aktarımını çözmektedir.

Genel davranış

Yukarıda belirtilen her iki tasarım prosedürü için moment-dönme diyagramlarıyla tanımlanan birleşimin genel davranışının karşılaştırması yapılmıştır. Moment-dönme diyagramının temel özellikleri olan başlangıç rijitliği, tasarım direnci ve deformasyon kapasitesi üzerine odaklanılmıştır. IPE 330 kirişi, 5 sıra M24 8.8 cıvata ile uzatılmış alın plakası kullanılarak HEB 300 kolonuna bağlanmıştır. Her iki tasarım prosedürünün sonuçları Şekil 9.2.2'deki grafikte ve Tab. 9.2.1'de gösterilmektedir. CM, CBFEM'e kıyasla genel olarak daha yüksek başlangıç rijitliği vermektedir. CBFEM, tüm durumlarda CM'ye kıyasla biraz daha yüksek tasarım direnci vermektedir; bkz. Bölüm 9.2.5. Fark % 10'a kadar çıkmaktadır. Deformasyon kapasitesi de karşılaştırılmıştır. EC3, alın plakalı birleşimlerin deformasyon kapasitesi için sınırlı arka plan sağladığından, deformasyon kapasitesi (Beg ve diğ. 2004)'e göre hesaplanmıştır.

Şekil 9.2.2 Moment-dönme diyagramı

Tab. 9.2.1 Genel davranış özeti

Direnç doğrulaması

CBFEM ile hesaplanan tasarım direnci, bir sonraki adımda bileşen yöntemi sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma hem direnç hem de kritik bileşen üzerine odaklanmıştır. Çalışma, kolon kesit parametresi için gerçekleştirilmiştir. IPE 330 kirişi, 5 cıvata sıralı uzatılmış alın plakası ile kolona bağlanmıştır. M24 8.8 cıvatalar kullanılmıştır. Cıvata kenar mesafeleri ve aralıkları milimetre cinsinden P15 alın plakasının boyutları: yükseklik 450 (50-103-75-75-75-73) ve genişlik 200 (50-100-50). Üst başlığın dış kenarı, alın plakasının kenarından 91 mm uzaklıktadır. Kiriş başlıkları, boğaz kalınlığı 8 mm olan kaynaklarla alın plakasına bağlanmıştır. Kiriş gövdesi, boğaz kalınlığı 5 mm olan kaynak ile bağlanmıştır. Kolon, kiriş başlıklarının karşısına yatay takviye levhaları ile rijitleştirilmiştir. Takviye levhaları 15 mm kalınlığında olup genişlikleri kolon genişliğine karşılık gelmektedir. Alın plakası takviye levhasının kalınlığı 10 mm, genişliği ise 90 mm'dir. Sonuçlar Tab. 9.2.2 ve Şekil 9.2.3'te gösterilmektedir.

Tab. 9.2.2 Parametre için tasarım direnci – kolon profili

Şekil 9.2.3 Kolon kesitiне bağlı tasarım direnci

CBFEM modelinin doğruluğunu göstermek amacıyla, parametrik çalışmaların sonuçları CBFEM ve CM tarafından tahmin edilen dirençleri karşılaştıran grafikte özetlenmiştir; bkz. Şekil 9.2.4. Sonuçlar, CBFEM'in neredeyse tüm durumlarda CM'ye kıyasla biraz daha yüksek tasarım direnci verdiğini göstermektedir. Her iki yöntem arasındaki fark %10'a kadar çıkmaktadır.

Şekil 9.2.4 CBFEM'in CM ile doğrulanması

Kıyaslama örneği

Girdiler

• Çelik S235
• Kiriş IPE 330
• Kolon HEB 300
• Alın plakası yüksekliği h_p = 450 (50-103-75-75-75-73) mm
• Alın plakası genişliği b_p = 200 (50-100-50) mm
• Alın plakası P15
• Kolon takviye levhaları 15 mm kalınlığında ve 300 mm genişliğinde
• Alın plakası takviye levhası 10 mm kalınlığında, 90 mm genişlik ve derinliğinde, chamfer 20 mm 
• Başlık kaynağı boğaz kalınlığı a_f = 8 mm
• Gövde ve alın plakası takviye levhası kaynak boğaz kalınlığı a_w = 5 mm
• Cıvatalar M24 8.8

Çıktılar

• Eğilmedeki tasarım direnci M_Rd = 206 kNm
• Karşılık gelen düşey kesme kuvveti V_Ed= –206 kN
• Göçme modu: üst başlıktaki kiriş takviye levhasının akması
• Cıvataların kullanım oranı %90,2
• Kaynakların kullanım oranı %99,0