Uzun Cıvatalı ve Kaynaklı Birleşimler (AISC)

Mark D. Denavit ve Rick Mulholland bu doğrulama örneğini Tennessee Üniversitesi ve IDEA StatiCa'nın ortak projesi kapsamında hazırlamıştır.

Açıklama

Bu çalışmada, ABD uygulamasında kullanılan geleneksel hesaplama yöntemleri ile bileşen tabanlı sonlu elemanlar yöntemi (CBFEM) sonuçları arasındaki karşılaştırma, uzun uç yüklü cıvatalı ve kaynaklı birleşimler için sunulmaktadır. Çalışmanın odak noktası, uzun cıvatalı birleşimlerde cıvata kesme sınır durumu ve uzun kaynaklı birleşimlerde kaynak kopması sınır durumudur. Bağlantı elemanları arasında düzgün olmayan yük dağılımına ve uzun köşe kaynaklarında düzgün olmayan gerilmeye yol açan diferansiyel gerinim etkisine özel önem verilmektedir. Deneysel sonuçlarla karşılaştırmalar da sunulmaktadır.

Geleneksel hesaplamalar, AISC Şartnamesi'ndeki (AISC 2022) yük ve direnç faktörü tasarımı (LRFD) hükümlerine uygun olarak gerçekleştirilmiştir. CBFEM sonuçları, IDEA StatiCa sürüm 23.0'dan elde edilmiştir. İzin verilen maksimum yükler, programa güvenli olarak değerlendirilen ancak küçük bir miktar (0,1 kip) artırıldığında %5 plastik gerinim sınırını aşarak veya %100 cıvata ya da kaynak kullanım oranını geçerek güvensiz sayılacak bir değere uygulanan yük girdisi ayarlanarak yinelemeli biçimde belirlenmiştir. DR tipi analizler, izin verilen maksimum yüklerin belirlenmesine yardımcı olabilir. Ancak birleşim tasarım direncinin değerlendirilmesinde bazı yaklaşımlar yapıldığından, bu rapordaki tüm sonuçlar EPS tipi analize dayanmaktadır.

AISC Şartnamesinde Uzun Cıvatalı ve Kaynaklı Birleşimler İçin Gereksinimler

Uzun uç yüklü cıvatalı ve kaynaklı birleşimlere ilişkin deneyler ve analizler, cıvata ve kaynaklardaki gerilmenin düzgün olmadığını göstermiştir (Kulak ve diğ. 2001, Miller 2003). Birleşimin uçlarına yakın cıvata ve kaynaklardaki gerilme, ortaya yakın olanlara kıyasla daha büyüktür. Uzunluk boyunca gerilme dağılımı, cıvata veya kaynakların rijitliğinin bağlanan malzemelerin rijitliğine oranına bağlıdır. AISC Şartnamesi bu davranışı basit dayanım azaltmaları ile ele almaktadır.

Cıvatalı Birleşimler

Cıvata kesme sınır durumu için tasarım dayanımı \(\phi R_n\), AISC Şartnamesi J3.7 Bölümü'nde aşağıdaki şekilde tanımlanmıştır:

\[ \phi R_n = \phi F_{nv} A_{b} \]

burada:

• \(\phi=0.75\)
• \(F_{nv}\) – cıvatanın nominal kesme gerilmesi
• \(A_b\) – cıvatanın nominal dişsiz gövde alanı

AISC Şartnamesi Tablo J3.2, bağlantı elemanları ve dişli parçalar için nominal kesme gerilmesi değerlerini, F_nv, listelemektedir. Tablonun [c] dipnotu şunu belirtmektedir: "38 in. (950 mm)'den uzun bağlantı elemanı düzeni uzunluğuna sahip uç yüklü birleşimlerde, F_nv tablodaki değerlerin %83,3'üne indirilmelidir" ve bağlantı elemanı uzunluğunu "tek bir temas yüzeyine sahip iki parçayı birbirine bağlayan cıvataların eksen hatları arasındaki kuvvet doğrultusuna paralel maksimum mesafe" olarak tanımlamaktadır.

Nominal kesme gerilmesi F_nv, cıvatanın nihai çekme gerilmesinin ­F_u bir yüzdesidir ve AISC Şartnamesi şerhine göre aşağıdaki şekilde hesaplanır:

• Dişler kesme düzlemlerinden hariç tutulduğunda,

\[ F_{nv} = 0.563 F_u \]

• Dişler kesme düzleminden hariç tutulmadığında,

\[ F_{nv} = 0.45 F_u \]

0,563 katsayısı, kesme/çekme dayanımı oranı olan 0,625 ile uzunluk azaltma faktörü olan 0,90'ın çarpımına eşittir. 0,45 katsayısı ise 0,563'ün %80'i olup dişli kısmın azaltılmış alanını hesaba katmaktadır. 0,90 uzunluk azaltma faktörü, 38 in.'e kadar olan birleşimlerdeki diferansiyel gerinimini dikkate almakta; bu değerin ötesinde uzunluk etkileri için birleşik azaltma faktörü 0,90 × 0,833 = 0,75 olacak şekilde ek 0,833 uzunluk azaltma faktörü uygulanmaktadır. Bu azaltma faktörleri, 11 farklı deneysel araştırmadan elde edilen 79 cıvatalı ve perçinli birleşime ait test verilerinin istatistiksel analizine dayanmaktadır (Tide, 2010).

Kaynaklı Birleşimler

Kaynak kopması sınır durumu için tasarım dayanımı \(\phi R_n\), AISC Şartnamesi J2.4 Bölümü'nde aşağıdaki şekilde tanımlanmıştır:

\[ \phi R_n = \phi F_{nw} A_{we} k_{ds} \]

burada:

• \(\phi\) – direnç faktörü
• \(F_{nw}\) – kaynak metalinin nominal gerilmesi
• \(A_{we}\) – kaynağın nominal efektif alanı
• \(k_{ds}\) – yönsel dayanım artış faktörü

Yönsel dayanım artış faktörü k_ds aşağıdaki şekilde hesaplanır:

\[ k_{ds} = (1.0+0.5 \sin^{1.5} \theta ) \]

burada \(\theta\) gerekli kuvvetin etki doğrusu ile kaynak boyuna ekseni arasındaki açıdır. Bu çalışmada incelenen birleşimlerde \(\theta = 0\) olduğundan geleneksel hesaplamalarda \(k_{ds} = 1\) alınmaktadır. IDEA StatiCa'da \(\theta\) her kaynak segmentindeki bileşke kuvvetlerden belirlenmekte ve sıfırdan farklı olabilmektedir (örneğin Poisson etkisi nedeniyle).

AISC Şartnamesi Tablo J2.5, kesmeye maruz kaynaklar için \(\phi\) ve F_nw değerlerini sırasıyla 0,75 ve 0,60F_EXX­ olarak vermektedir; burada F­_EXX dolgu metal sınıflandırma dayanımıdır.

Kaynağın nominal efektif alanı A_we, köşe kaynakları için AISC Şartnamesi J2.2a Bölümü'nde efektif uzunluğun efektif boğazla çarpımı olarak tanımlanmaktadır; efektif boğaz, kaynak kökünden yüzeyine olan en kısa mesafe, efektif uzunluk ise boğaz boyunca geçen düzlemin merkezindeki kaynak eksen hattının uzunluğudur.

AISC Şartnamesi J2.2b(d) Bölümü, uç yüklü köşe kaynakların efektif uzunluğuna ilişkin aşağıdaki sınırlamaları öngörmektedir:

• Uzunluğu kaynak boyutunun 100 katına kadar olan köşe kaynaklarda, efektif uzunluğun gerçek uzunluğa eşit alınmasına izin verilir
• Köşe kaynağının uzunluğu kaynak boyutunun 100 katını aştığında, efektif uzunluk gerçek uzunluğun aşağıdaki şekilde belirlenen azaltma faktörü β ile çarpılmasıyla hesaplanır:

\[ \beta = 1.2-0.002 (l/w) \le 1.0 \]

burada:

\( l \) – uç yüklü kaynağın gerçek uzunluğu

\(w\) – kaynak bacak boyutu

• Kaynağın uzunluğu bacak boyutu w'nun 300 katını aştığında, efektif uzunluk 180w olarak alınır.

AISC Şartnamesi şerhine göre (AISC 2022), azaltma faktörü β, yıllarca süren testlere ve sonlu eleman modellerine dayanan üstel formüllerin basitleştirilmiş bir yaklaşımıdır ve Eurocode'da verilen azaltmayla eşdeğerdir (CEN 2005).

Uzun Cıvatalı Birleşimler

Uzun cıvatalı birleşimlerde diferansiyel gerinimin genel birleşim dayanımı üzerindeki etkisini araştırmak amacıyla basit bir çekme ek birleşimi kullanılmıştır. Birleşim, standart deliklerde tek sıra 3/4 in. çapında A325 cıvata kullanılarak iki reaksiyon plakası arasına cıvatalanmış bir test plakasından oluşmakta olup dişler kesme düzleminden hariç tutulmamıştır. Plaka rijitliğinin bireysel cıvatalara kuvvet dağılımı üzerindeki etkisini araştırmak amacıyla 1/2 in., 1 in. ve 2 in. test plakası kalınlıkları analiz edilmiştir. Her reaksiyon plakasının kalınlığı, test plakası kalınlığının yarısı olarak alınmıştır. Tüm plakaların genişliği 12 in.'dir. Test plakası kalınlığı 1 in. ve birleşim uzunluğu 27 in. olan birleşimin üç boyutlu görünümü Şekil 1'de sunulmaktadır.

Şekil 1 Çekme ek birleşiminin üç boyutlu görünümü (test plakası kalınlığı = 1 in., birleşim uzunluğu = 27 in.)

Birleşim, cıvata kesmesinde göçecek şekilde tasarlanmıştır. Cıvatanın kesme dayanımının plakadaki çekme akması ve çekme kopmasına göre belirleyici olmasını sağlamak amacıyla F_y = 100 ksi plakalar için seçilmiştir. Cıvata deliklerinde yükleme ve yırtılma kontrol edilmiş, ancak malzeme seçimi ile yeterli cıvata aralığı ve kenar mesafesi sağlanarak bu durumların belirleyici olmaması sağlanmıştır. Kuvvet doğrultusundaki kenar mesafesi 2-1/2 in., cıvata aralığı ise tüm birleşimlerde 3 in. olarak alınmıştır.

On yedi birleşim test edilmiş olup uzunluk 3 in. ile 51 in. arasında 3 in. artışlarla artmaktadır. Cıvata aralığı her zaman 3 in. olduğundan, birleşim uzunluğu kullanılan cıvata sayısına karşılık gelmektedir (örneğin 27 in. uzunluğundaki birleşimlerde 10 cıvata bulunmaktadır). Dayanım ile birleşim uzunluğunun karşılaştırması Şekil 2'de, 12 in., 24 in., 36 in. ve 48 in. birleşim uzunlukları için cıvata kesme kuvveti dağılımları ise Şekil 3'te sunulmaktadır.

AISC Şartnamesine göre dayanım, 36 in. birleşim uzunluğuna kadar doğrusal olarak artmakta; bu noktanın ötesinde 0,833 uzunluk azaltma faktörü nedeniyle dayanımda ani bir düşüş meydana gelmektedir. Bu noktadan sonra dayanım yeniden doğrusal olarak artmaya devam etmektedir. IDEA StatiCa dayanımları, daha kısa birleşim uzunlukları için AISC dayanımlarıyla iyi bir uyum sergilemektedir; ancak AISC dayanımlarından farklı olarak, IDEA StatiCa'da daha uzun birleşimlerdeki dayanım artışı doğrusal değildir. Doğrusal olmama derecesi, plaka rijitliğine bağlıdır; zira IDEA StatiCa'da cıvata ve plaka rijitlikleri gerçekçi biçimde modellenerek cıvata kuvvetlerinin düzgün olmayan dağılımı yakalanmaktadır.

Şekil 3'teki kesme kuvveti dağılımları, IDEA StatiCa analizleriyle yakalanan diferansiyel gerinimin bireysel cıvatalardaki kuvvet üzerindeki etkisini ve bu etkinin plaka rijitliğinden nasıl etkilendiğini göstermektedir. Birleşimin uçlarındaki cıvatalardaki kuvvet en büyük olup birleşim ucundan cıvata konumuna olan mesafe arttıkça azalmaktadır. Bu etki, daha rijit plakalarda azalmaktadır. 

IDEA StatiCa'da cıvata ve plaka rijitliğinin açık biçimde modellenmesiyle, uzunluk etkilerine bağlı dayanım azalmasının derecesi, birleşim geometrisine ek olarak plakaların boyutuna göre cıvataların boyutuna da bağlıdır. Gerçek dayanım azalması da bu parametrelere bağlıdır (Kulak ve diğ. 2001). AISC Şartnamesindeki basitleştirilmiş azaltmalar yalnızca birleşim uzunluğuna bağlıdır. IDEA StatiCa, 1/2 in. kalınlığındaki test plakasına sahip birleşimde görüldüğü üzere AISC Şartnamesinin öngördüğünden daha büyük azaltmalar sergilemekte; 38 in.'den uzun birleşim uzunlukları aralığında ise 1 ve 2 in. kalınlığındaki test plakalarına sahip birleşimlerde görüldüğü üzere AISC Şartnamesinin öngördüğünden daha küçük azaltmalar göstermektedir. Bu sonuçlardan, IDEA StatiCa'nın AISC Şartnamesi Tablo J3.2 Dipnot [c]'deki uzunluk etkisi azaltmasının amacını yakaladığı açıkça görülmektedir. F_nv'ye dahil edilen uzunluk etkileri için 0,9 azaltma faktörünün IDEA StatiCa'da muhafazakâr biçimde kullanıldığına dikkat edilmelidir. Dolayısıyla, uzunluğu 38 in.'den kısa birleşimlerde, uzunluk etkileri IDEA StatiCa'da esasen iki kez hesaba katılmaktadır: bir kez 0,9 azaltma faktörüyle, bir kez de cıvata grubundaki düzgün olmayan kuvvet dağılımının açık biçimde modellenmesiyle. Ancak 0,9 azaltma faktörü başka etkileri de hesaba katıyor olabilir ve daha fazla araştırma yapılmadan dışarıda bırakılmamalıdır.

Şekil 2 Cıvatalı çekme ek birleşimi için dayanım ile birleşim uzunluğunun karşılaştırması

Şekil 3 12 in., 24 in., 36 in. ve 48 in. birleşim uzunlukları için 1/2 in., 1 in. ve 2 in. test plakası kalınlıklarında cıvata kesme kuvveti dağılımları

Deneysel Sonuçlarla Karşılaştırma

Uzun cıvatalı birleşimlere ilişkin araştırmayı genişletmek amacıyla bu bölümde daha önce yayımlanmış deneysel sonuçlarla karşılaştırmalar sunulmaktadır. Bu karşılaştırmalar için, deneyciler tarafından bildirilen ölçülmüş malzeme ve geometrik özellikler hesaplama ve analizlerde kullanılmıştır. Deneyciler tarafından bildirilen cıvata kesme dayanımı, test numunelerinde kullanılanlarla aynı partiden alınan tek bir cıvatanın kesme testi yoluyla belirlenmiştir. Bu nedenle geleneksel hesaplamalarda, birleşim uzunluğu 38 in.'den küçük veya eşit olduğunda F_nv, bildirilen cıvata kesme dayanımının 0,9 katına; birleşim uzunluğu 38 in.'den büyük olduğunda ise bu değerin 0,833 katına (yani bildirilen cıvata kesme dayanımının 0,75 katına) eşit alınmaktadır. IDEA StatiCa analizlerinde, cıvata dayanımı hesaplamalarında kullanılan F_nv değerinin bildirilen cıvata kesme dayanımının 0,9 katına eşit olacağı şekilde model tanımlanmıştır.

Geleneksel hesaplamalarda direnç faktörleri uygulanmamıştır. IDEA StatiCa analizlerinde ise malzeme, cıvata ve kaynak için direnç faktörleri kod kurulumunda 1,0 olarak ayarlanmıştır.

Bendigo ve diğ. 1963

Bendigo ve diğ. (1963), cıvatalı ek birleşimlerinin çekme testlerini gerçekleştirmiştir. Farklı genişlik ve kalınlıklardaki on altı plaka, 15/16 in. çapındaki standart deliklerde iki sıra 7/8 in. çapında A325 cıvata kullanılarak iki reaksiyon plakası arasında çekmeye maruz bırakılmıştır. D31, D41, D51 ve D61 numuneleri plakada çekme kopmasıyla, geri kalanlar ise en az bir cıvatada cıvata kesmesiyle göçmüştür. Çalışmadaki numunelerin tipik birleşim konfigürasyonu Şekil 4(a)'da, D101 numunesi için IDEA StatiCa modelinin üç boyutlu görünümü ise Şekil 4(b)'de sunulmaktadır. Test numunelerinin geometrik ve malzeme özellikleri Tablo 1'de verilmektedir.

Şekil 4 (a) Bendigo ve diğ. deneysel araştırması için birleşim konfigürasyonu (Bendigo ve diğ., 1963); (b) D101 numunesi için IDEA StatiCa modelinin üç boyutlu görünümü

On altı numune IDEA StatiCa'da modellenmiştir. Her birleşimin dayanımı ayrıca, direnç faktörleri uygulanmaksızın ölçülmüş malzeme ve geometrik özellikler kullanılarak AISC Şartnamesi denklemleriyle geleneksel hesaplamalar yoluyla da hesaplanmıştır. Deneysel dayanım P_exp, IDEA StatiCa dayanımı P_IDEA ve AISC Şartnamesi dayanımı P_AISC arasındaki karşılaştırma sonuçları Tablo 2 ve Şekil 5'te sunulmaktadır.

%5 plastik gerinim sınırı IDEA StatiCa dayanımlarını, çekme akması ise tüm numuneler için AISC dayanımlarını kontrol etmiştir. Hem IDEA StatiCa hem de AISC dayanımları, deneysel dayanımların önemli ölçüde altındadır. Bunun nedeni, deneysel testlerde çekme kopması ve cıvata kesmesi göçme modlarının plakada akma meydana geldikten çok sonraki yüklerde gerçekleşmiş olmasıdır. Bendigo ve diğ. (1963) tarafından gerçekleştirilen deneyler, AISC Şartnamesinde yer alan uzunluk etkisi azaltma faktörlerinin geliştirilmesine yönelik analize dahil edilmiştir (Tide 2010). Şekil 3'te görüldüğü üzere, uç cıvatalar ile orta cıvatalar arasındaki cıvata kuvveti farkı, kalınlığın azalmasıyla (yani plaka rijitliğinin azalmasıyla) artmaktadır. Plakada akma meydana geldikten çok sonra cıvata göçmesi sergileyen numuneler, abartılmış uzunluk etkileri gösterebilir.

Tablo 1 Bendigo ve diğ. (1963) deneysel araştırması için test numunesi geometrik ve malzeme özellikleri

Tablo 2 Bendigo ve diğ. (1963) deneysel araştırmasıyla karşılaştırma

Şekil 5 Bendigo ve diğ. (1963) deneysel araştırmasıyla karşılaştırma

Kulak ve Fisher 1968

Kulak ve Fisher (1968), tek sıra 7/8 in. veya 1-1/8 in. çapında A490 cıvata kullanılarak bir test plakasının iki reaksiyon plakası arasına cıvatalandığı uzun cıvatalı ek birleşimlerinin çekme testlerini gerçekleştirmiştir. Bu testler de AISC Şartnamesinde yer alan uzunluk etkisi azaltma faktörlerinin geliştirilmesine yönelik analize dahil edilmiştir (Tide 2010); ancak Bendigo ve diğ. (1963) testlerinden farklı olarak yüksek dayanımlı plaka kullanılmıştır.

Sekiz test numunesi, cıvata kesmesi veya plaka kopmasıyla göçecek şekilde boyutlandırılmıştır. J071, J131 ve J171 numuneleri plaka kopmasıyla, J072, J132, J172, J251 ve J252 numuneleri ise cıvata kesmesiyle göçmüştür. Çalışmadaki numunelerin tipik birleşim konfigürasyonu Şekil 6(a)'da, J171 numunesi için IDEA StatiCa modelinin üç boyutlu görünümü ise Şekil 6(b)'de sunulmaktadır. Test numunelerinin geometrik ve malzeme özellikleri Tablo 3'te verilmektedir.

Şekil 6 Kulak ve Fisher deneysel araştırması için birleşim konfigürasyonu (Kulak ve Fisher, 1968); (b) J171 numunesi için IDEA StatiCa modelinin üç boyutlu görünümü

Numuneler IDEA StatiCa'da modellenmiştir. Her birleşimin dayanımı ayrıca, ölçülmüş malzeme ve geometrik özellikler kullanılarak AISC Şartnamesi denklemleriyle geleneksel hesaplamalar yoluyla da hesaplanmıştır. Deneysel dayanım P_exp, IDEA StatiCa dayanımı P_IDEA ve AISC Şartnamesi dayanımı P_AISC karşılaştırma sonuçları Tablo 4 ve Şekil 7'de sunulmaktadır.

IDEA StatiCa dayanımları, tüm durumlarda deneysel testlerle karşılaştırıldığında muhafazakâr kalmaktadır. IDEA StatiCa dayanımları, J071, J072, J131 ve J171 numuneleri için AISC dayanımlarıyla iyi bir uyum sergilemekte; J132, J172, J251 ve J252 numuneleri için ise AISC dayanımlarından daha büyük çıkmaktadır. J071 ve J072 numunelerinde birleşim uzunluğu 38 in.'den kısa olduğundan cıvata kesme kapasitesinde %83,3 azaltma uygulanmamaktadır. J131 ve J171 numunelerinde birleşim uzunluğu 38 in.'den büyük olmakla birlikte plaka rijitliği (yani kesit alanı) görece küçüktür. Dolayısıyla bu durumlarda IDEA StatiCa dayanımları AISC dayanımlarıyla örtüşmekte veya bunların biraz altında kalmaktadır. J132, J172, J251 ve J252 numunelerinde ise plakalar daha rijit olduğundan (yani daha büyük kesit alanlarına sahip olduğundan) IDEA StatiCa dayanımları AISC dayanımlarından daha büyük çıkmaktadır.

Tablo 3 Kulak ve Fisher (1968) deneysel araştırması için test numunesi geometrik ve malzeme özellikleri

Tablo 4 Kulak & Fisher (1968) deneysel araştırmasıyla karşılaştırma

Şekil 7 Kulak ve Fisher (1968) deneysel araştırmasıyla karşılaştırma

Uzun Kaynaklı Birleşimler

Çekmeye maruz bir kaynakta birleşim uzunluğu boyunca düzgün olmayan gerilme dağılımının etkisini araştırmak amacıyla basit bir kaynaklı ek birleşimi kullanılmıştır. Birleşim, reaksiyon plakalarının her kenarında köşe kaynakları kullanılarak iki reaksiyon plakası arasına kaynatılmış bir test plakasından oluşmaktadır. Bu konfigürasyon, birleşimde toplam dört kaynak hattından oluşan merkezden yüklü bir kaynak grubu sağlamaktadır. Efektif kaynak uzunluğunun değerlendirilmesinde, birleşimin gerçek kaynak uzunluğunun gruptaki tek bir kaynak hattının uzunluğuna eşit olduğuna dikkat edilmelidir.

3/16 in. (Birleşim A) ve 3/8 in. (Birleşim B) kaynak boyutları incelenmiştir. Birleşimler, geleneksel hesaplamalarda kaynak kopması sınır durumunun plakaların çekme akmasına göre belirleyici olacağı şekilde boyutlandırılmış ve malzeme özellikleri seçilmiştir. Birleşimler için kullanılan geometrik ve malzeme özellikleri Tablo 5'te, kaynak uzunluğu 18 in. olan Birleşim A'nın üç boyutlu görünümü ise Şekil 8'de sunulmaktadır.

Tablo 5 Kaynaklı birleşimler için geometrik ve malzeme özellikleri

Şekil 8 Kaynaklı ek birleşiminin üç boyutlu görünümü

Birleşim A için, 10 in. ile 62 in. arasında 4 in. artışlarla artan on dört kaynak uzunluğu test edilmiştir. Birleşim B için ise 10 in. ile 130 in. arasında 10 in. artışlarla artan on üç kaynak uzunluğu test edilmiştir. Dayanım ile kaynak uzunluğunun karşılaştırması, Birleşim A için Şekil 9'da, Birleşim B için Şekil 11'de sunulmaktadır. Kaynak uzunluğu boyunca gerilme dağılımları, Birleşim A için Şekil 10'da, Birleşim B için Şekil 12'de farklı kaynak uzunlukları için verilmektedir.

Birleşim A ve Birleşim B benzer davranış sergilemektedir. Daha kısa kaynak uzunluklarında IDEA StatiCa dayanımları geleneksel hesaplamalarla iyi bir uyum göstermektedir. Ancak kaynak uzunluğu arttıkça IDEA StatiCa dayanımları geleneksel hesaplamalarla karşılaştırıldığında muhafazakâr kalmaktadır. Geleneksel hesaplamalardan elde edilen dayanımlar, Şekil 9 ve Şekil 11'de dikey kesikli çizgiyle gösterilen 300w kaynak uzunluğunda plato yapmaktadır. IDEA StatiCa kaynak ve plaka rijitliğini açık biçimde modellediğinden, kaynak uzunluğu boyunca gerilme dağılımı doğrusal değildir. Bu nedenle ve IDEA StatiCa'da boyuna yönde yüklenen kaynaklar için kullanılan görece muhafazakâr yük-deformasyon ilişkisi nedeniyle, IDEA StatiCa dayanımları 300w'dan çok daha kısa kaynak uzunluklarında plato yapmaktadır. Şekil 10 ve Şekil 12'de görüldüğü üzere, daha kısa kaynaklar görece düzgün bir gerilme dağılımına sahip olup kaynak hattının uçlarındaki segmentlerde biraz daha yüksek gerilmeler oluşmaktadır. Kaynak uzunluğu arttıkça, kaynak hattı boyunca gerilme dağılımı belirgin biçimde düzgün olmayan bir hal almakta; uç segmentlerde yüksek gerilmeler oluşurken ortaya yakın bölgelerde minimal gerilmeler görülmektedir. Şekil 10 ve Şekil 12'de daha uzun kaynaklar için görülen gerilme dağılımındaki ani değişim, elastik kalan kaynak segmentleri ile plastik deformasyon yaşayan kaynak segmentleri arasındaki sınırda gerçekleşmektedir. IDEA StatiCa'da kaynak dayanımı sınırı, en fazla gerilmeye maruz kaynak segmentinin kullanım oranı %100'e ulaştığında belirlenmektedir. Bu nedenle, daha uzun kaynaklar için en yüksek gerilmeli kaynak segmentinin %100 kullanım oranına karşılık gelen yükte, kaynak hattının büyük bölümlerinde düşük gerilmeler oluşabilmektedir. IDEA StatiCa yönetmelik kontrolündeki gerilme dağılımı profili bu doğrusal olmayan davranışı göstermekte olup IDEA StatiCa'da kaynak dayanımına ilişkin mühendislik kararları verilirken incelenmelidir.

Şekil 9 Birleşim A için dayanım ile kaynak uzunluğunun karşılaştırması

Şekil 10 Birleşim A için 18 in., 30 in., 42 in. ve 54 in. kaynak uzunluklarında kaynak boyunca gerilme dağılımları, Birim: ksi

Şekil 11 Birleşim B için dayanım ile kaynak uzunluğunun karşılaştırması

Şekil 12 Birleşim B için 20 in., 40 in., 60 in. ve 80 in. kaynak uzunluklarında kaynak boyunca gerilme dağılımları, Birim: ksi

Özet

Bu çalışma, uzun cıvatalı ve kaynaklı birleşimlerin dayanımını ABD uygulamasında kullanılan geleneksel hesaplama yöntemleri ve IDEA StatiCa ile değerlendirmektedir. Çalışmadan elde edilen temel bulgular şunlardır:

Cıvatalı birleşimler için:

• IDEA StatiCa, cıvata ve plakaların rijitliğini açık biçimde modellemektedir; dolayısıyla uzunluk etkileri, AISC Şartnamesinde yalnızca birleşim uzunluğuna dayalı basit azaltma faktörünün uygulanması yerine her cıvata için farklı gerekli dayanımlar aracılığıyla doğal olarak yakalanmaktadır.
• IDEA StatiCa'daki dayanımın, çoğu durumda geleneksel hesaplamalarla elde edilen dayanıma kıyasla muhafazakâr kaldığı görülmüştür.
• IDEA StatiCa'daki dayanımın, birleşim uzunluğunun 38 in.'i aştığı ve daha kalın plakaların kullanıldığı bazı durumlarda geleneksel hesaplamalarla elde edilen dayanımdan daha yüksek olduğu görülmüştür.
• IDEA StatiCa'dan elde edilen dayanımların, Bendigo ve diğ. (1963) ile Kulak ve Fisher (1968) tarafından gerçekleştirilen fiziksel deneylerle karşılaştırıldığında muhafazakâr kaldığı görülmüştür.

Kaynaklı birleşimler için:

• IDEA StatiCa, kaynak ve plakaların rijitliğini açık biçimde modellemektedir; dolayısıyla uzunluk etkileri, AISC Şartnamesinde yalnızca kaynak uzunluğunun kaynak boyutuna oranına dayalı basit azaltma faktörlerinin uygulanması yerine her kaynak segmenti için farklı gerekli dayanımlar aracılığıyla doğal olarak yakalanmaktadır.
• IDEA StatiCa'daki dayanımın, incelenen durumlarda geleneksel hesaplamalarla elde edilen dayanıma kıyasla muhafazakâr kaldığı görülmüştür.
• IDEA StatiCa'daki dayanımın, kaynak segmentleri arasındaki doğrusal olmayan gerilme dağılımının etkisi ve IDEA StatiCa analizlerinde kullanılan boyuna yüklü kaynaklar için görece muhafazakâr yük-deformasyon ilişkisi nedeniyle daha uzun kaynak uzunluklarında daha muhafazakâr olduğu görülmüştür.

Kaynaklar

AISC (2022), Specification for Structural Steel Buildings, American Institute of Steel Construction, Chicago, IL.

Bendigo, R. A., Hansen, R. M., and Rumpf, J. L. (1963). "Long Bolted Joints." Journal of the Structural Division, ASCE, 89(6), 187–213.

CEN (2005), Eurocode 3: Design of Steel Structures, Comité Européen de Normalisation, Brussels, Belgium.

Kulak, G. L. and Fisher, J. W. (1968). "A514 Steel Joints Fastened by A490 Bolts." Journal of the Structural Division, ASCE, 94(10), 2303-2324.

Kulak, G. L., Fisher, J. W., Struik, J. H. A. (2001) "Guide to Design Criteria for Bolted and Riveted Joints" Second Edition, American Institute of Steel Construction, Chicago, IL.

Miller, D. K. (2003). "Fillet Welds that are 'Too Long.'" Modern Steel Construction, March.

Tide, R. H. (2010). "Bolt Shear Design Considerations." Engineering Journal, AISC, 47(1), 47-63.