Güçlü eksen açık kesitli kiriş-kolon kaynaklı çelik birleşimlerin moment dayanımı

Bu Rapor, ISISE (Yapısal Mühendislikte Sürdürülebilirlik ve İnovasyon Enstitüsü) ile Coimbra Üniversitesi  ve IDEA StatiCa arasındaki bir işbirliği çerçevesinde geliştirilmiştir. Bu proje her iki kurum tarafından ortaklaşa finanse edilmiş ve aşağıdaki kişiler tarafından hazırlanmıştır:

• Luis Simões da Silva
• Jorge Conde
• Filip Ljubinković
• João Pedro Martins
• Francisca Santos
• Fernando Freire
• Juan Aguiar

Yönetici özeti

Bu rapor, uygun şekilde doğrulanmış yüksek kaliteli 3D-FEM modelleri kullanılarak, özellikle kesme etkisindeki kolon gövdesi bileşenine odaklanarak kaynaklı kiriş-kolon çelik birleşimlerinin kapsamlı bir analizini sunmaktadır. Çalışma; enine takviye levhalarının bulunduğu ve bulunmadığı durumlarda, ara (iç) veya son kat (çatı) konumundaki tek taraflı ve çift taraflı birleşimleri kapsayan, güçlü eksen moment aktaran kaynaklı açık kesitli kiriş-kolon birleşimlerini ve iç birleşimler için farklı kolon eksenel yük düzeylerini içermektedir. Çalışma; kolon narinliği, birleşim en-boy oranı, birleşim konfigürasyonu, takviye levhaları, eksenel kuvvet ve moment oranı (çift taraflı birleşimler için) açısından geniş bir durum yelpazesini kapsamaktadır. Malzeme modeli, analiz türü, mesh yoğunluğu, başlangıç kusurları vb. gibi SEY'e ilişkin konular da ele alınmaktadır.

Bu çalışma, aşağıdaki alanlarda bir yıllık çalışmayı kapsamaktadır:

1. Küme listesi %30, %50 ve %70 eksenel yük içeren durumları kapsamaktadır.
2. Çelik sınıfları S235, S275 ve S355'i içermektedir.
3. Haddelenmiş kolonlar, köşe kaynaklı ve alın kaynaklı kolonlar ele alınmaktadır.
4. GMNA ile MNA arasındaki farklılıklara ilişkin kapsamlı bir çalışma dahil edilmiştir.
5. Malzeme bünye yasasının etkisine ilişkin kapsamlı bir çalışma dahil edilmiştir.
6. Köşe kaynaklarının birleşim davranışı üzerindeki etkisi incelenmektedir.

Hedefler

Bu çalışmanın amacı; enine takviye levhalarının etkisi de dahil olmak üzere, açık kesitli elemanlar (kirişler ve kolonlar) içeren tek ve çift taraflı kiriş-kolon konfigürasyonlarındaki kaynaklı birleşimlerin güçlü eksen eğilme momenti dayanımının şu yöntemler kullanılarak değerlendirilmesidir: i) Avrupa tasarım kuralları, ii) SEA (3D katı elemanlar) ve iii) IDEA StatiCa; ve her yöntemle elde edilen sonuçların karşılaştırılması.

Metodoloji

1. Geniş bir kaynaklı kiriş-kolon birleşimi yelpazesi için gövde paneli bileşeninin tasarım dayanımını, daha sonra referans durumlar olarak kullanılacak yüksek kaliteli 3D SEY modelleri aracılığıyla değerlendirmek.
2. Kabuk elemanlarına dayalı CBFE modelleri (IDEA StatiCa) ile birleşim dayanımını karşılaştırmak.
3. Gerçekçi ve güvenli bir dayanım değeri elde edilmesini sağlamak amacıyla IDEA StatiCa tarafından sunulan özelliklerin ve varsayılan seçeneklerin iyileştirilmesi olasılığını tartışmak.
4. Birleşim dayanımını, Eurocode 3'ün mevcut ve gelecek versiyonlarında yer alan tasarım ifadelerinden elde edilen sonuçlarla karşılaştırmak.
5. IDEA StatiCa tarafından moment-dönme eğrisinde 'tasarım dayanımını' tanımlamak için benimsenen %5 eşdeğer plastik gerinim kriterinin ürettiği moment dayanımı farklılıklarını, diğer yaygın kriterlerle (başlangıç rijitliğinin 1/3'üne sekant rijitliğinin gevşetilmesi gibi) karşılaştırarak değerlendirmek.

Ele alınan sorular

• Sonuçların dağılımı nedir?
• Farklı parametrelerin (narinlik, en-boy oranı, eğilme momenti oranı, enine takviye levhaları, eksenel kuvvet vb.) bu sonuçlar üzerindeki etkisi nedir?
• Kolon gövdesi bileşenlerinin bu sonuçlar üzerindeki etkisi nedir?

Kapsam dışı konular

Program sonuçlarının güvenilirlik değerlendirmesi, bu çalışmanın kapsamı dışında olduğundan gerçekleştirilmemiştir.

Sonuçların özeti

Abaqus sonuçlarının analizi aşağıdaki sonuçları ortaya koymuştur:

1. %5 eşdeğer plastik gerinim kriteri açısından, bu tür birleşimler için söz konusu kriterin, başlangıç rijitliğinin 1/3'üne sekant rijitliğinin azaltılmasıyla aynı sayısal modelden elde edilen sonuçlara benzer dayanım sonuçları ürettiği gösterilmiştir.
2. Başlangıç kusurları, analiz edilen birleşimlerin davranışında küçük bir rol oynamaktadır; ancak geometrik doğrusal olmama (2. mertebe analizi), özellikle eksenel yükün mevcut olduğu durumlarda dahil edilmelidir.
3. Gerinim pekleşmesinin dahil edilmesi, dayanımda ortalama %4'lük küçük bir artışa yol açmakta; ancak birleşim dönmesi üzerinde ortalama yaklaşık %44 oranında büyük bir etki yaratmaktadır.

Aşağıdaki yorumlar IDEA StatiCa'da uygulanması açısından önem taşımaktadır:

1. IDEA StatiCa, programın varsayılan mesh'i (versiyon 23.1) ve MNA (malzeme doğrusal olmayan analiz) ile Abaqus'tan elde edilenlere kıyasla daha büyük dayanımlar sağlamaktadır. Ortalama olarak, alın kaynaklı haddelenmiş kolonlar için %6 daha büyük, alın veya köşe kaynaklı kaynaklı kolonlar için ise yaklaşık %11 daha büyüktür. Köşe kaynaklı haddelenmiş kolonlar için sonuçlar ortalama olarak Abaqus sonuçlarıyla özdeştir. Bireysel bir durum için gözlemlenen maksimum sapmalar %22 (alın kaynaklı haddelenmiş kolonlar) ve %53 (alın kaynaklı kaynaklı kolonlar) olarak gerçekleşmiştir.
   IDEA StatiCa yorumu: Bu durum, versiyon 25.0'da uygulanan iki değişiklikle giderilmektedir:
   - Geometrik doğrusal olmayan analiz
   - Kaynak yayılma alanı – alın kaynakları için azaltılmış, yani alın kaynaklı kolonların dayanımı düşürülmüştür
   
2. Rafine mesh (varsayılan mesh boyutunun yarıya indirilmesi) ve GMNA (geometrik ve malzeme doğrusal olmayan analiz) ile IDEA StatiCa, Abaqus sonuçlarıyla iyi bir uyum (ortalama ±%5 dahilinde) sağlayan dayanımlar sunmaktadır. Bireysel bir durum için gözlemlenen maksimum sapmalar %15 (alın kaynaklı haddelenmiş kolonlar), %5 (köşe kaynaklı haddelenmiş kolonlar), %27 (alın kaynaklı kaynaklı kolonlar) ve %14 (köşe kaynaklı kaynaklı kolonlar) olarak gerçekleşmiştir.
   IDEA StatiCa yorumu: Önceki maddede belirtilen değişikliklerle birlikte mesh'in yarıya indirilmesi artık gerekli değildir.
   
3. Başlangıç kusurlarının etkisi tek taraflı iç birleşimler için incelenmiş ve ihmal edilebilir düzeyde olduğu bulunmuştur.
   IDEA StatiCa yorumu: Bu, incelenen birleşim aralığı için GMNA'nın yeterli olduğu ve GMNIA'nın gerekli olmadığı anlamına gelmektedir.
   
4. 2. mertebe etkileri olmaksızın yalnızca malzeme doğrusal olmayan analiz, kolon üzerinde eksenel kuvvet bulunması durumunda muhafazakâr olmayan sonuçlara yol açmaktadır. Bu nedenle, geometrik doğrusal olmayan analizin programda varsayılan olarak etkinleştirilmesi önerilmektedir.
   IDEA StatiCa yorumu: Versiyon 25.0'da, Geometrik doğrusal olmayan analiz her birleşim için kullanılabilir hale getirilmiştir. Yaklaşan yamada bir uyarı sağlanacaktır.
   
5. Mesh boyutu, sonuçların doğruluğunda belirleyici bir rol oynamaktadır. Yakınsak değeri tahmin etmeye yönelik olası bir yaklaşım, mesh boyutunu yarıya indiren ve her iki değerle elde edilen moment dayanımına Richardson ekstrapolasyonunu uygulayan otomatik bir sürece dayandırılabilir.
   IDEA StatiCa yorumu: Richardson ekstrapolasyonu, yük dayanımları belirlenirken mümkündür. Ancak geçti/kaldı kontrolleri için mümkün değildir. Versiyon 25.0'da daha önce belirtilen değişikliklerle birlikte, varsayılan mesh zaten yeterince doğru sonuçlar sağlamaktadır. 
6. IDEA StatiCa tarafından uygulanan malzeme modeli (E/1000 gerinim pekleşme eğimi ile), elastik mükemmel plastik malzemeyle elde edilen sonuçlarla karşılaştırıldığında moment dayanımında ortalama %3'lük bir artışa yol açmaktadır.

Tam raporu ekte okuyunuz.

Ekli İndirmeler

• 01 Report IDEA STATICA FINAL SIGNED.pdf (PDF, 10,7 MB)