DEÜ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ FEN ve MÜHENDİSLİK DERGİSİ Cilt: 6 Sayı: 2 sh Mayıs 2004

Transkript

1 DEÜ ÜHENDİSİ AÜTESİ EN ve ÜHENDİSİ DERGİSİ Cilt: 6 Saı: sh aıs 4 ÇEEYE ARUZ AYNAI ÇEİ PAAARIN IRIA DAVRANIŞININ SINTAP YÖNTEİYE İNCEENESİ (INVESTIGATION O THE RACTURE EHAVIOR O EDED STEE PATE SUJECTED TO TENSION Y SINTAP PROCEDURE) innu GÖREN IRA* ÖZETASTRACT anaklı bağlantıla endüstide makina ve apı elemanlaında sıklıkla kullanılmaktadı. Üetim vea işletme aşamalaında bu gibi elemanlada çatlak benzei kusula oluşabilmektedi. Çatlak içeen bu tü apılaın işletme ükleine kaşı daanıklılığın taini önemlidi. Çünkü söz konusu paça nüklee bi santal, bi petokima tesisi vea hehangi bi endüstiel işletmede emniet açısından kitik bi paça olabili. u çalışmanın amacı, kanaklı çelik apılada, apının daanabileceği hasa ükleini ve ani gevek kıılmalaa sebep olmaacak kitik çatlak uzunluklaını tespit etmekti. unun için, dokuz Avupa iliği ülkesinin aaştıma mekezlei, ünivesitelei ve sanai kuuluşlaının e aldığı Avupa omisonu taafından geliştiilmiş olan SINTAP (Euopean Stuctual Integit Assessment Pocedue) posedüü kullanılmıştı. elded connections ae widel used in indust as machine and constuction components. Cack-like defects in welded connections ma occu duing manufactuing o sevice life. The assessment of the integit of stuctues containing such cacks is ve impotant, since these components could be a citical pat in a nuclea powe plant, a petochemical o an industial plant. This stud aims to assess the failue loads and citical cack sizes which the welded steel stuctue can withstand unless bittle factue occus. To this end, SINTAP (Euopean Stuctual Integit Assessment Pocedue), developed b the Euopean Commission coveing eseach centes, univesities and industies of nine Euopean counties, is used. ANAHTAR EİEEREYORDS SINTAP Yöntemi, ıılma, anaklı çelik plaka, Geilme şiddet faktöü SINTAP Pocedue, actue, elded steel plate, Stess intensit facto * DEÜ ühendislik akültesi, akina ühendisliği ölümü, 35, onova, İZİR

2 Safa No: 6. G. IRA. GİRİŞ anaklı makina ve apı elemanlaında çatlak benzei kusula kanak bölgesi vea kanak akınlaında sıklıkla göülmektedi. unun sebebi, kanak bölgesinde malzemenin mekanik özellikleinde değişikliklee neden olan atık geilmeledi. anak işleminden sona oluşan apı ana metalin malzeme özellikleinden çok büük faklılıkla gösteebilmektedi. u kanaklı bağlantılaın nüklee, petokima ve taşımacılık gibi alanlada kullanıldığı düşünüldüğünde hasaın tespiti çok büük önem taşımaktadı. Dokuz Avupa iliği ülkesinin aaştıma mekezi, ünivesite ve sanai işbiliği ile Avupa endüstisini geliştimek amacıla ite Euam ın sponsoluğunda SINTAP posedüü geliştiilmişti. u öntem, paçanın mauz kaldığı ük ve içediği çatlak bou aasında bağıntı kuup hasaın medana gelmeeceği koşullaı tain etmee olanak sağla. Yöntemin kanaklı apılaa ugulanması duumu GSS Aaştıma ekezi (Hambug-Almana) taafından üstlenilmiş olup çok saıda nümeik ve denesel çalışma sonunda poje 999 senesinde tamamlanmıştı. u çalışmada çekmee mauz, çatlak içemesi muhtemel kanaklı çelik plakala incelenmiş ve kıılma davanışlaı kanak dikiş kalınlığına bağlı olaak tespit edilmişti. Analizlede, SINTAP posedüünde, kanaklı bağlantıla (mismatch) içeen apıla için geliştiilen II. asamak (evel II) seçeneği kullanılmıştı. u amaçla analizle için ATA pogamlama dili kullanılaak ük, çatlak bou, geometi, malzeme özelliklei gibi paametelei gözönüne alabilen bi pogam geliştiilmişti.. SINTAP YÖNTEİ VE ASAAARI SINTAP posedüü çalışma koşullaı esnasında apıda gevek kıılma, ıtılma ve plastik hasa olup olmaacağını tespit etmei sağlamak için geliştiilmiş bi öntemdi. SINTAP posedüünün başlıca pensiplei şöledi: (i) alzeme özellikleine ait mevcut veilein niteliğine bağlı olan hieaşik bi apısı vadı. (ii) Veilein niteliğinin atmasıla konsevatiflik azalı. (iii) anaklı paçalaın mukavemetine mismatch etkisini gözönüne alabilen özel bi öntemdi (Ainswoth vd.,, ebste ve anniste, ). SINTAP posedüünün temel basamaklaı Çizelge de gösteilmektedi. SINTAP posedüünde basamakla çözümün doğuluğunun değil, hassasietinin ve emniet paının ölçütüdü. asamakla ileledikçe çözümün hassasieti ata, buna kaşın emniet katsaısı küçülü. En üst basamak kullanıldığında daha fazla veie ihtiaç olup daha hassas sonuca ulaşılıken, en alt basamak için geekli vei daha az olup elde edilen sonuçladaki emniet katsaısı daha büüktü. Çizelge de veilen döt basamak dışında ilei sevieli üç basamak daha bulunup bunlaın kullanımı için daha kamaşık veilee geeksinim duulmaktadı (oçak ve otajemi, ). SINTAP posedüünde paçanın hasa duumunu saptamak için AD (ailue Assessment Diagam) ve CD (Cack Diving oce) olmak üzee iki seçenek vadı. unlaın kullanımı aaştımacının seçimi ile bilikte malzeme özellikleinin hangileinin bilindiğine bağlıdı. AD seçeneğinde; hasa sınıı, çatlak ucu üklemesinin (vea ugulanan ükün neden olduğu geilme şiddet faktöü) malzemenin kıılma tokluğu değeile nomalize edilmesile tespit edili. Hehangi bi boutta çatlak içeen bağlantının taşıabileceği ük vea hehangi bi ükleme altında gevek kıılmaa neden olmaacak çatlak bou bu hasa hattındaki bağıl konumla bulunu.

3 ,, 8, 6, 4,,, 4, 6, 8, en ve ühendislik Degisi Cilt : 6 Saı : Safa No: 7 Çizelge. SINTAP Posedüünün asamaklaı asamak Geekli Vei ullanım Yei Temel Akma mukavemeti Akma mukavemeti dışında malzeme ile ilgili başka vei olmadığında I Akma ve çekme mukavemeti ismatch % dan az olduğunda II III Akma ve çekme mukavemeti, mismatch limit ükü Geilme-şekil değiştime eğisi ismatch apıla için kanak ve ana metal akma mukavemetlei bilindiğinde. ismatch % dan büük olduğunda alzemelein geilme-şekil değiştime eğilei bilindiğinde (mismatch apılaa da ugun) AD de en temel eşitlik aşağıdaki gibidi (Aiswoth vd., ) (Şekil ). f( ) () f( ) fonksionu AD ve CD de özdeş olup Eşitlik ile tanımlanabili. () I mat Hasa tespit hattı A Yükleme hattı C A Emnietli Duum itik Duum C Emnietsiz Duum Şekil. AD (ailue Assessment Diagam) aklaşımı Yata ekseni ifade eden,, ük oanı olaak tanımlanabili ve ugulanan ük, nin, çatlak içeen bağlantının limit a da akma ükü, e oanıdı. imit ük malzemenin akma mukavemetine bağlı olaak çatlak içeen paçada net alana etkien ve akmaa neden olacak ük değeidi. Şekil de göüldüğü gibi düşe eksen ( I mat ) anı zamanda ük oanının fonksionu olup (f( )) malzeme özellikleine göe tespit edili. Şekilden de göüldüğü gibi bu fonksion hasa tespit hattıdı. u fonksiona ait denklemle E bölümünde veilmişti. Yükleme hattı ugulanan üke ve paçanın içediği çatlak uzunluğuna göe tespit edili. Yükleme hattının, hasa tespit hattının altında kalması duumunda apı güvendedi (Şekil, A max

4 Safa No: 8. G. IRA noktası). Yani, bünesinde bulunduduğu çatlak bou ve o ükleme duumu için paça emniettedi. C noktası ise emnietsiz duumu göstemektedi. u noktada bünesinde çatlak içeen paça o ükleme altında hasaa uğaacaktı. ise kitik duumu göstemektedi. u çalışmadaki saısal önek ise çeşitli ükleme duumlaı için kitik duumun saptanması üzeinedi. CD seçeneğinde ise hasa tespit hattı, çatlak ilelemesine kaşı malzemenin göstediği diencin (R-cuve) çatlak ucu üküle kaşılaştımak suetile belileni (Şekil ). δ δ [ f ( )] vea J [ f ( )] e J e (3) δ e I E' vea J e I E ' (4) uada, δ e elastik çatlak ucu açılma miktaı, J e elastik J-integali değei, I geilme şiddet faktöü, E düzlem geilme duumunda Young (elastisite) modülü E, düzlem şekil değiştime duumunda ise E(ν ) di; ν Poisson oanıdı. J vea δ A Emnietli Duum itik Duum C Emnietsiz Duum ıılma tokluğu J mat o δ mat C CD A (A) () (C) max Şekil. CD (Cack Diving oce) aklaşımı CD aklaşımında ise ük oanına bağlı olaak Eşitlik 3 ve Eşitlik 4 ile Şekil deki fonksion elde edili. alzemenin kıılma tokluğu değeini ifade eden J mat ve δ mat değeleine göe paçanın emnietli olup olmadığı saptanabili. AD aklaşımında olduğu gibi A noktası emnietli, C noktası emnietsiz, noktası ise kitik duumu göstemektedi. 3. PROEİN TANITIASI u çalışmada SINTAP posedüü, kanak dikiş kalınlıklaı sıasıla, 5 ve mm olan çekmee mauz kanaklı plakalaa ugulanmıştı (Şekil 3). Çalışmada kullanılan malzemelein mekanik özelliklei Çizelge de veilmiş olup ana metal olaak çelik apılada kullanılan A 57 G. 5 çeliği ve kanak elektodu olaak da E 7T-6 kullanılmıştı. Şekil 3 te veilen boutlaa sahip bi kanaklı çelik plaka için ani kıılmalaa neden olmaacak

5 en ve ühendislik Degisi Cilt : 6 Saı : Safa No: 9 kitik çatlak bolaı çeşitli ükleme duumlaı için tespit edilmişti. u çalışmada çatlağın bodan boa olduğu kabul edilmişti. a anak mm mm h, 5, mm açatlak bou h Ana metal Şekil 3. Çekmee mauz kanaklı çelik plaka alzeme anak (E7T6) Ana etal (A 57) Çizelge. alzemelein mekanik özelliklei (Chi,999) Akma muk. Çekme muk. Elastisite odülü ıılma Tokluğu s, (Pa) s u, (Pa) E, (GPa) mat, (Pa m ) Çizelge de veilen kıılma tokluğu değelei, mat, ana metal ve kanak malzemesinin Chap eneji değeleine bağlı olaak aşağıdaki bağıntı ile elde edili (otajemi vd., ):.56.8 ( ) (.33CV.53CV. ) ( ν ) E (5) mat Ana metal (A-57) ve kanak malzemesi (E7T-6) nin geilme-şekil değiştime eğilei Şekil 4 te veilmişti (Chi, 999). 3.. Geilme Şiddet aktöü SINTAP posedüü kullanılıken temel büüklükleden bii de geilme şiddet faktöüdü. Geilme şiddet faktöü, I, çatlak ucu elastik alanının büüklüğünü tanımla. I aıca, çatlak ucu geilme alanının elastik olması şatıla, malzemelede çatlak ileleişi ile kıılma davanışlaı aasındaki ilişkii belile (Uğuz, 996). Geilme şiddet faktöü bünesinde çatlak bulunan paçanın ükleme şekline ve geometisine bağlıdı. Şekil 3 teki gibi geometi ve üklemee sahip bi plaka için od I geilme şiddet faktöü aşağıda veilmişti (otajemi ve oçak, ).

6 Safa No: 3. G. IRA I πa 4 πa Sec 4 [.5 ( a ).6 ( a ) ] (6) Eşitlik (6) dan göüleceği gibi geilme şiddet faktöü, çatlak bou ve ugulanan ükle değişmekte olduğundan kıılma koşullaı bu iki paamete anı anda inceleneek tain edili. ühendislik geilmesi (Pa) E7T-6 A Şekil değiştime Şekil 4. Ana metal ve kanak malzemesi geilme-şekil değiştime eğilei (Chi, 999) 3.. imit (Akma) Yük Hesabı SINTAP posedüünde kullanılan diğe bi büüklük ise limit (akma) üküdü. imit ük, çatlak içeen paçanın net alanına etkien ve akmaa neden olan ük olaak tanımlanı. Homojen bi plaka için düzlemsel çekme duumunda limit ük aşağıdaki gibidi: ( a) (7) Eşitlik (7) de veilen kullanılan malzemenin akma mukavemetidi. anaklı paça için limit ük malzeme özelliklei ve kanak geometisi gibi paametelee bağlı olup hesap öntemi ekte veilmişti. 4. SONUÇ VE DEĞERENDİRE u çalışmada, SINTAP posedüü kullanılaak kanak bölgesinde çatlak içeen plakalaın düzlemsel çekme üklei altındaki kıılma davanışı incelenmişti. anaklı plakanın gevek kıılma ile hasaa uğamaacağı kitik çatlak bolaı faklı dikiş kalınlıklaı ve faklı ük genliklei için tespit edilmişti. anaklı plaka için elde edilen sonuçla homojen plaka için elde edilen sonuçlala kaşılaştıılmıştı. Şekil 5, çatlak içeen homojen plaka için elde edilen AD diagamını göstemektedi. Şekilden göüleceği üzee, homojen plakada.94 değei için kitik çatlak bou 36.3 mm di. u ükleme duumu için, plaka bu kitik değeden daha büük bi çatlak içeise plakada kıılma medana geli. u değein altında plaka emnietlidi..97 için ise kıılmaa neden olmaacak çatlak bou sınıı 5.48 mm di.

7 en ve ühendislik Degisi Cilt : 6 Saı : Safa No: 3, ENİYETSİZ I mat,8,6,4 ENİYETİ a c 36.3 mm a c 5.48 mm,,,4,6,8, Şekil 5. Çatlak içeen homojen plaka için AD diagamı, ENİYETSİZ a c mm I mat,8,6,4 ENİYETİ a c.83 mm,,,4,6,8, Şekil 6. Çatlağın kanak bölgesinde olması duumu için AD diagamı Şekil 6 da ise, dikiş kalınlığı h mm olan kanaklı plakanın kanak bölgesinde çatlak bulunması duumunda elde edilen AD diagamı göülmektedi. Şekilden göüldüğü gibi, çatlak bou mm e ulaştığında plakanın güvenle taşıabileceği ük için.7,.83 mm için.86 olmalıdı. Plakanın emnietle taşıabileceği ük değeleindeki bu azalma, kanak malzemesinin kıılma tokluğu değeinin ana metale göe düşük olmasından kanaklanmaktadı. Ancak buada dikkat edilmesi geeken diğe bi husus, ana metal ile kanak malzemesinin akma ve çekme mukavemet değelei ile kıılma tokluğu ve geilmeşekil değiştime eğilei bibiinden faklıdı. u da homojen plaka ile kanaklı plakanın limit üklei bibiinden faklı olması sonucunu otaa çıkamaktadı. Dolaısıla ile tanımlanan eksen iki duum için anı ük değeleine kaşılık gelmez. Çünkü limit ük değelei;

8 Safa No: 3. G. IRA anaklı plaka için 764 N Homojen plaka için 6467 N olaak hesaplanmıştı. u değele gözönüne alındığında, kanaklı plaka için.7 ile homojen plaka için.94, 5 N a; kanaklı plaka için.86 ile homojen plaka için.97, 6 N a kaşılık gelmektedi. Diğe bi sonuç ise, eşit çatlak bolaı için kanaklı paça akma ükünün % 7 ine kada kıılmadan daanabiliken, homojen çelik plakada ise bu değe % 94 e ulaşmaktadı. u duuma, homojen çelik plakanın kıılma tokluğunun kanaklı paçaa göe daha üksek olması; ani çeliğin kanaktan daha tok malzeme olması neden olu. itik çatlak bou, ac (mm) Ugulanan Yük, (kn) h mm h5 mm h mm Ana metal Şekil 7. Ugulanan üke bağlı olaak kitik çatlak bolaının değişimi Şekil 7, ugulanan üke bağlı olaak kitik çatlak bounun değişimini göstemektedi. Dikiş kalınlığının atmasıla müsaade edilen çatlak bounda çok küçük bi değişiklik olmuştu. 3 N luk ük ugulandığında kitik çatlak bou, a c, kanak dikiş kalınlığı, h mm için 6.4 mm; h5 mm için 63.6 mm ve h mm için ise 6.43 mm olaak bulunmuştu. u çalışmada kullanılan öntem, değişik paametele gözönünde bulunduulaak homojen vea kanaklı paçalaın kıılma davanışını otaa komak için hızlı ve güvenli sonuç veen bi öntemdi. u öntem, kıılma davanışlaının inceleneceği değişik geometie sahip makina paçalaı ve kanaklı bağlantıla için kullanılabili. TEŞEÜR u çalışma, GSS Aaştıma ekezi nin (Hambug, Almana) desteği ile hazılanmıştı. Yaza, D. ustafa oçak ve D. Afshin otajemi e desteği ve adımı için teşekkü etmei bi boç bili.

9 en ve ühendislik Degisi Cilt : 6 Saı : Safa No: 33 AYNAAR Ainswoth R. A., anniste A. C., Zebst U. (): An Oveview of the Euopean law Assessment Pocedue SINTAP and Its Validation, Int. J. Pess. Vessels and Piping, Vol. 77, p Chi.. (999): Pediction of Steel Connection ailue using Computational actue echanics, Doktoa Tezi, Stanfod Univesit. oçak., otajemi A.. (): Stuctual Integit of Advanced elded Stuctues, II Int. Conf. on Advanced Pocesses and Technologies in elding and Allied Pocesses, Copenhagen, Denmak. otajemi A.., oçak. (): actue Assessment of a Clad Steel Using vaious SINTAP Defect Assessment Pocedue evels, atigue actue Engineeing ateial Stuctue, 5, Uğuz A. (996): ıılma ekaniğine Giişi, Uludağ Ünivesitesi asımevi, usa. ebste S., anniste A. (): Stuctual İntegit Assessment Pocedue fo Euope of the SINTAP Pogamme Oveview, Engineeing actue echanics, 67, SEO İSTESİ a çatlak bou ugulanan dış ük limit (akma) ükü f( ) hasa tespit eğisinin fonksionu kanak metalinin limit (akma) ükü ana metalin limit (akma) ükü kanaklı paçanın limit (akma) ükü I geilme şiddet faktöü mat malzemenin kıılma tokluğu I mat ük oanı, mismatch oanı ( ) ana metalin akma mukavemeti kanak metalinin akma mukavemeti çekme vea kopma mukavemeti u

10 Safa No: 34. G. IRA E : u çalışmada SINTAP posedüünün II. asamak kullanılan diğe denklemle aşağıda veilmişti (oçak ve otajemi, ). [ ] ( ) [ ] ( ) ( ) > < < max max 6.7 exp.3.5 ) ( N N f f µ ( ) ( ) ( ) µ µ µ u.3 N ( )( ) ( )( ) m m.5.5 min max ( ) ( ) için için ( ) 5 e