Trapez ve dalgalı formdaki ondülin gövdeli çelik kirişlerin yük taşıma kapasitelerinin karşılaştırmalı analizi

Abstract

Çelik I kesitli kirişlerde gövde elemanı yüklerden dolayı oluşan basınç gerilmelerini taşır ve kiriş içindeki kesme kuvvetlerini iletir, başlıklar ise kirişe gelen dış yükleri karşılar. Malzeme tasarrufu ile yük taşıma kapasiteleri birlikte düşünüldüğü zaman bu kirişler için kalın başlıklara karşı narin gövde prensibi benimsenmiştir. Bu durumda da aşırı yüklerden dolayı ince ve düz gövdelerde oluşacak basınç gerilmeleri kiriş stabilitesinin kaybolmasına ve büyük deformasyonlara neden olur. Ondülin gövdeli kirişlerin, ince gövde kesitine sahip kıvrımlı bir levhadan oluşan ve gövdenin aynı malzeme özelliklerine sahip çelik plaka olan alt ve üst başlıklar ile birleştirilmesi şeklinde tasarımı yapılır. Ondülin gövdeli kirişler büyük deformasyonlara ve stabilite kaybına engel olurken, uygulanan yük kombinasyonları altında kirişin plastik limite ulaşmadan rijitlik kaybına uğramasına engel olur ve burkulmasını engelleyerek kesme kuvvetleri ile yerel burkulmalara karşı kirişin yük taşıma kapasitesini arttırır. Kiriş gövdesinin bu kıvrımlı yapısı sayesinde kiriş öz ağırlığı azaltılmış ve yük taşıma kapasitesi de artırılmış olur. Gelişmiş ülkelerde son yıllarda etkin bir şekilde kullanılmaya başlanan bu kirişler ülkemizde yaygın olarak tercih edilen uzay kafes ve makas sistemlere alternatif olarak çatılarda, kat kirişleri olarak döşemede veya normal kuvvet etkisindeki kolon olarak etkin bir şekilde kullanılabilirler. Ondülin gövdeli kirişler üzerine ilk çalışmalarda trapez şeklinde oluklar üzerine odaklanılmıştır. Elgaaly ve diğ. bu kirişlerin farklı yük koşulları altında kesmeden kaynaklanan (1996) ve eğilmeden kaynaklanan (1997) göçme durumlarını araştırmışlardır. Yapılan bu çalışmalar sonucunda narin gövdenin kirişin yük taşıma kapasitesine önemsiz denecek kadar az etkisinden dolayı eğilme tasarımında ihmal edilebileceğini öne sürmüşlerdir. Kesme ve eğilmeden kaynaklı göçme durumlarının, yüklerin konumu ve ondülinin trapez yapısına bağlı olduğu Johnson ve Cafolla tarafından incelenmiştir (1998). Li ve diğ. Tarafından gerçekleştirilen deneysel çalışmalarda ise trapez gövdeli kirişlerin düz gövdeli kirişlere oranla 1.5-2 kat daha fazla burkulma dayanımına sahip olduğu belirlenmiştir (2000). Ondülin gövdeli kirişlerde ince gövde kalınlıklarında burkulma dayanımının, düz ve daha yüksek gövde kalınlığına sahip kirişlerle kıyaslanabilir oluşu ise Pasternak ve diğ. tarafından araştırılmıştır (2010). Yukarıda bahsedilen çalışmalarda kirişin gövde yapısı ile ilgili hep sabit parametreler kullanılmıştır. Bu tez kapsamında tasarım yapılırken kıvrımlı gövde yapısına ait kalınlık ve derinlik parametreleri ile başlıkların kalınlıkları maliyet açısından değerlendirilerek optimizasyon esaslarına göre tasarım değişkenleri olarak alınacaktır. Yapılan araştırma tezi üç bölümden oluşmaktadır. İlk bölümde, Sinüzoidal ve trapeziodal gövdeli kirişlerin yeni optimizasyon yöntemleri kullanılarak ağırlığını minimize edecek şekilde optimum boyutlandırılması yapılacaktır. Yapma kiriş olan ondülin gövdeli kirişlerde gövde yüksekliği, levha kalınlığı, trapez ve dalgalı gövdelerin tepe noktaları arası mesafe ile başlık genişliği ve kalınlığı da tasarım değişkeni olarak kabul edilmiştir. Bu parametreler ile davranış ve geometrik sınırlayıcılar altında kiriş ağırlığını minimum yapacak değerler elde edilmiştir. Formülasyonu oluşturulmuş yapısal optimizasyon problemlerinin çözümü yeni optimizasyon tekniklerinden birisi olan ateşböceği algoritması adaptasyonu ile elde edilmiş ve yöntemde kirişin minimum ağırlığının bulunması sürecinde sergilediği performansa bakılmıştır. Çalışmanın ikinci ve esas aşaması olan deneysel süreçte, ilk kısımda optimizasyonu yapılan sinüsoidal gövdeli ondülin kirişler ve optimizasyonu yapılmış sinüzoidal gövde yapısının geometrik formuna en uygun şekilde tasarlanmış olan trapeziodal gövdeli ondülin kirişlerin yayılı ve iki noktalı yükleme altındaki dayanımları hidrolik güç üniteli basınç silindirine sahip yükleme çerçevesi kullanılarak test edilmiştir. Tezin üçüncü ve son kısmında ise, ondülin gövdeli çelik kiriş numunelerinin gövde levhası burkulma analizleri ve taşıyabilecekleri kritik yüklerin hesabı sonlu eleman programı kullanılarak gerçekleştirilmiş ve her farklı gövde kalınlığına ve yüksekliğine sahip ondülin gövdeli kirişler için kaydedilen sonlu eleman analizi sonuçları deneysel çalışmadan elde edilen veriler ile kıyaslanmıştır. Ondülin gövdeli çelik kirişlerden oluşan sistemlerinin tasarımları için BS EN 1993-1-5:2006 (Annex D, Eurocode 3) ve DIN 18-800 Bölüm-1, Bölüm-2 şartnamelerinde öngörülen tasarım kıstasları esas alınmıştır. Elde edilen sonuçlar ile yük altındaki göçme durumları standart I kesitli profillerden farklılıklar gösteren ve tasarımları sıradan analiz yöntemleri ile yapılamayan ondülin gövdeli kirişlerin optimum tasarımının nasıl yapılacağı ve ülkemiz yapılarında tercih nedeni olması hedeflenmiştir.