Kaynaklı portal çerçeve saçak moment birleşimi

Açıklama

Bu bölümde, kaynaklı portal çerçeve saçak moment birleşimi için bileşen tabanlı sonlu elemanlar yöntemi (CBFEM), bileşen yöntemi (CM) ile doğrulanmaktadır. Açık kesitli bir kiriş, açık kesitli bir kolona kaynaklanmaktadır. Kolon, kiriş başlıklarının karşısına gelen iki yatay takviye levhası ile rijitleştirilmiştir. Basınca maruz plakalar, örneğin kolonun yatay takviye levhaları, kesmedeki kolon gövde paneli ve basınçtaki kiriş başlığı, burkulmanın önlenmesi amacıyla 3. sınıfla sınırlandırılmıştır. Mertekler, kesme kuvveti ve eğilme momenti altında yüklenmektedir.

Analitik model

Çalışmada beş bileşen incelenmektedir: kesmedeki gövde paneli, enine basınçtaki kolon gövdesi, enine çekmede kolon gövdesi, eğilmedeki kolon başlığı ve basınçtaki kiriş başlığı. Tüm bileşenler EN 1993-1-8:2005'e göre tasarlanmıştır. Köşe kaynakları, birleşimdeki en zayıf bileşen olmayacak şekilde tasarlanmıştır. Takviyeli kiriş-kolon birleşimindeki köşe kaynağının doğrulama çalışması bölüm 4.4'te yer almaktadır.

Kesmedeki gövde paneli

Kolon gövdesinin kalınlığı, stabilite sorunlarının önlenmesi amacıyla narinlik ile sınırlandırılmıştır; bkz. EN 1993‑1‑8:2005, Md. 6.2.6.1(1). Kesmedeki 4. sınıf kolon gövde paneli bölüm 6.2'de incelenmektedir. Yük kapasitesine iki katkı dikkate alınmaktadır: kesmedeki kolon panelinin dayanımı ve kolon başlıkları ile yatay takviye levhalarının çerçeve mekanizmasından gelen katkı; bkz. EN 1993‑1‑8:2005, Md. 6.2.6.1 (6.7 ve 6.8).

Enine basınçtaki kolon gövdesi

Kesme yükünün etkileşimi dikkate alınmaktadır; bkz. EN 1993-1-8:2005, Md. 6.2.6.2, Tab. 6.3. Kolon panelindeki boyuna gerilmenin etkisi dikkate alınmaktadır; bkz. EN 1993-1-8:2005, Md. 6.2.6.2(2). Yatay takviye levhaları bu bileşenin yük kapasitesine dahil edilmiştir.

Enine çekmede kolon gövdesi

Kesme yükünün etkileşimi dikkate alınmaktadır; bkz. EN 1993-1-8:2005, Md. 6.2.6.2, Tab. 6.3. Yatay takviye levhaları bu bileşenin yük kapasitesine dahil edilmiştir.

Eğilmedeki kolon başlığı

Yatay takviye levhaları kolon başlığını desteklemektedir; bu bileşen dikkate alınmamaktadır.

Basınçtaki kiriş başlığı

Yatay kiriş, burkulmanın önlenmesi amacıyla 3. sınıf veya daha iyi kesit olacak şekilde tasarlanmıştır.

Dikkate alınan örneklere ve malzemeye ilişkin genel bakış Tab. 9.1.1'de verilmektedir. Boyutlarıyla birlikte birleşim geometrisi Şek. 9.1.1'de gösterilmektedir. Çalışmada dikkate alınan parametreler kiriş kesiti, kolon kesiti ve kolon gövde panelinin kalınlığıdır.

Tab. 9.1.1 Örneklere genel bakış

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.1 Joint geometry and dimensions}}}\]

Sayısal model

Her bir entegrasyon noktasının her katmanında doğrusal olmayan elastik-plastik malzeme durumu incelenmektedir. Değerlendirme, EN 1993-1-5:2006'ya göre %5 değeriyle verilen maksimum gerinim esas alınarak yapılmaktadır.

Genel davranış

Portal çerçeve moment birleşiminin moment-dönme diyagramıyla tanımlanan genel davranışının karşılaştırması sunulmaktadır. Moment-dönme diyagramının temel özellikleri başlangıç rijitliği, elastik dayanım ve tasarım dayanımıdır. Örnekte açık kesitli IPE 330 kirişi HEB 260 kolonuna kaynaklanmaktadır. Kolonda yatay takviye levhaları bulunan portal çerçeve moment birleşimi, bileşen yöntemine göre S_j,ini = ∞ olan rijit birleşim olarak değerlendirilmektedir. Bu nedenle kolonda yatay takviye levhası bulunmayan bir birleşim analiz edilmektedir. Moment-dönme diyagramı Şek. 9.1.2'de gösterilmekte ve sonuçlar Tab. 9.1.2'de özetlenmektedir. Sonuçlar, başlangıç rijitliği ve birleşim genel davranışı açısından çok iyi bir uyum sergilemektedir.

Tab. 9.1.2 CBFEM ve CM'de portal çerçeve moment birleşiminin dönme rijitliği

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.2 Moment-rotation diagram for a joint without column stiffeners}}}\]

Dayanım doğrulaması

CBFEM ile hesaplanan sonuçlar CM ile karşılaştırılmaktadır. Karşılaştırma, tasarım dayanımı ve kritik bileşen üzerine odaklanmaktadır. Çalışma üç farklı parametre için gerçekleştirilmektedir: kiriş kesiti, kolon kesiti ve kolon gövde panelinin kalınlığı.

Parametrenin kiriş kesiti olduğu örnekte açık kesitli HEB 260 kolonu kullanılmaktadır. Kolon, kiriş başlıklarının karşısına gelen 10 mm kalınlığında iki yatay kolon takviye levhası ile rijitleştirilmiştir. Takviye levhalarının genişliği kiriş başlığının genişliğine karşılık gelmektedir. IPE kiriş kesitleri IPE 140'tan IPE 500'e kadar seçilmektedir. Sonuçlar Tab. 9.1.3'te gösterilmektedir. Kiriş kesitinin kaynaklı portal çerçeve moment birleşiminin tasarım dayanımına etkisi Şek. 9.1.4'te gösterilmektedir. CBFEM'deki kritik bileşenler kiriş başlıkları, kolon başlığı ve kolon gövdesi olmuştur. Şek. 9.1.3, başlık açıklamalarıyla birlikte örneklerden birinin modelini göstermektedir.

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.3 Model with flanges description}}}\]

Tab. 9.1.3 CBFEM ve CM'de tasarım dayanımları ve kritik bileşenler

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.4 Sensitivity study of beam size in a portal frame moment connection}}}\]

Parametrenin kolon kesiti olduğu örnekte açık kesitli IPE330 kirişi kullanılmaktadır. Kolon, kiriş başlıklarının karşısına gelen 10 mm kalınlığında iki yatay kolon takviye levhası ile rijitleştirilmiştir. Takviye levhalarının genişliği kiriş başlığının genişliğine karşılık gelmektedir. Takviye levhalarının toplam genişliği 160 mm'dir. Kolon kesitleri HEB 160'tan HEB 500'e kadar seçilmektedir. Sonuçlar Tab. 9.1.4'te gösterilmektedir. Kolon kesitinin kaynaklı portal çerçeve moment birleşiminin tasarım dayanımına etkisi Şek. 9.1.5'te gösterilmektedir.

Tab. 9.1.4 CBFEM ve CM'de moment birleşiminin tasarım dayanımları ve kritik bileşenler

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.5 Sensitivity study of column size in a portal frame moment connection}}}\]

Üçüncü örnek, açık kesitli IPE 330 kirişi ve HEA 320 kolonundan oluşan bir portal çerçeve moment birleşimini sunmaktadır. Parametre kolon gövdesinin kalınlığıdır. Kolon, 10 mm kalınlığında ve 160 mm genişliğinde iki yatay kolon takviye levhası ile rijitleştirilmiştir. Kolon gövde kalınlığı 4 mm ile 16 mm arasında seçilmektedir. Sonuçlar Tab. 9.1.5'te özetlenmektedir. Kolon gövde kalınlığının kaynaklı portal çerçeve moment birleşiminin tasarım dayanımına etkisi Şek. 9.1.6'da gösterilmektedir.

Tab. 9.1.5 CBFEM ve CM'de moment birleşiminin tasarım dayanımları ve kritik bileşenler

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.6 Sensitivity study of column web thickness}}}\]

CBFEM modelinin doğruluğunu göstermek amacıyla parametrik çalışmaların sonuçları, CBFEM ve bileşen yöntemi dayanımlarını karşılaştıran bir diyagramda özetlenmektedir; bkz. Şek. 9.1.7. Sonuçlar, iki hesap yöntemi arasındaki farkın genel kabul gören bir değer olan %5'ten az olduğunu göstermektedir. Kolon gövde kalınlığı parametreli çalışma, bileşen yöntemine kıyasla CBFEM modeli için daha yüksek dayanım vermektedir. Bu fark, kaynaklı kesitlerin dikkate alınmasından kaynaklanmaktadır. Kesme yükünün aktarımı, bileşen yönteminde yalnızca gövde üzerinden değerlendirilmekte ve başlıkların katkısı ihmal edilmektedir.

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.7 Verification of CBFEM to CM}}}\]

Kıyaslama örneği

Girdiler

Kolon

• S235 çeliği
• HEB260

Kiriş

• S235 çeliği
• IPE330

Kolon takviye levhaları

• Kalınlık t_s = 19 mm
• Genişlik 80 mm
• Kiriş başlıklarının karşısında

Kaynak

• Kiriş başlığı: köşe kaynak boğaz kalınlığı a_f  = 8 mm
• Kiriş gövdesi: köşe kaynak boğaz kalınlığı a_w  = 8 mm
• Takviye levhaları çevresinde alın kaynağı

Çıktılar

• Eğilmedeki tasarım dayanımı M_Rd = 146 kNm
• Kritik bileşen: Kiriş başlığı 1

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.8 Benchmark example}}}\]