Hibrit ve Çelik Kablolu Köprülerin Dinamik Davranışlarının Karşılaştırılması

Transkript

1 1 Hibrit ve Çelik Kablolu Köprülerin Dinamik Davranışlarının Karşılaştırılması Arş. Gör. Murat Günaydın 1 Doç. Dr. Süleyman Adanur 2 Doç. Dr. Ahmet Can Altunışık 2 Doç. Dr. Mehmet Akköse 2 1-Gümüşhane Üniversitesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, Gümüşhane 2-Karadeniz Teknik Üniversitesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, Trabzon

2 SUNUMUN İÇERİĞİ GİRİŞ Uzun Açıklıklı Köprüler Lifli Polimer (LP) Kompozit Malzemeler ÇALIŞMANIN AMACI SAYISAL UYGULAMA YÖNTEM FORMÜLASYON ANALİZLER SONUÇLAR

3 GİRİŞ Uzun Açıklıklı Köprüler ASMA KÖPRÜLER KABLOLU KÖPRÜLER Akashi Kaikyo Köprüsü (1991 m) - Japonya Russky Köprüsü (1104 m) - Rusya 3

4 4 GİRİŞ Uzun Açıklıklı Köprüler Köprü Elemanları; Kablolar Tabliye Kuleler Kablo İmalatı Yüksek Dayanımlı Çelik

5 GİRİŞ Uzun Açıklıklı Köprüler Kablolarda meydana gelen; Korozyon etkileri Tekrarlı yüklerden oluşan yorulmalar Kablo ağırlığı nedeniyle meydana gelen sarkma etkileri fazlaca hasarlara neden olabilmektedir. Hasarlar; Daha uzun açıklıklarin geçilmesi kısıtlanmakta, Yüksek onarım ve yenileme masrafı gerektirmektedir. Bu amaçla, araştırmacılar bir yandan çeliğin korozyon ve yorulma direncini iyileştirici çalışmalar yaparken, diğer taraftan da çeliğe alternatif, daha uzun açıklıklı köprülerin inşa edilebileceği mühendislik malzemeleri geliştirmek için çalışmalar yapmaktadırlar. Bu malzemeler arasında KOMPOZİT MALZEMELER oldukça ilgi çekmektedirler. 5

6 GİRİŞ - Lifli Polimerler Polimer esaslı kompozit malzemeler otomotiv sektörü, spor malzemeleri, sağlık sektörü, uçak, uzay ve savunma sanayilerinde günümüzde yaygın olarak kullanılmaktadır. Lifli polimer (LP) kompozit malzemeler hafiflik, yüksek dayanım, yüksek rijitlik, iyi korozyon direnci, düşük bakım masrafı, estetik görünüm gibi olumlu özelliklerinden dolayı yapı mühendisliğinde de sıklıkla tercih edilmeye başlanmış olup birçok malzemenin alternatifi olma yolunda süratle ilerlemektedir. 6

7 GİRİŞ - Lifli Polimerler Birçok malzemenin alternatifi olma yolunda süratle ilerleyen lifli polimer (LP) kompozit malzemeler yapı mühendisliğinde: Onarım-Güçlendirme İşlerinde Köprü Mühendisliğinde Donatı üretiminde Demir Yollarında Altyapı Uygulamalarında İnşaat Profillerinde Metro İnşaatlarında (Rayların Destekl.) kullanılmaktadır

8 GİRİŞ - Lifli Polimerler

9 GİRİŞ - Lifli Polimerler Lifli polimer (LP) kompozit malzemeler köprü mühendisliğinde: Köprü elemanlarının onarım ve/veya güçlendirilmesinde, Tabliye, kiriş, kablo, ayak gibi yapı elemanlarının üretiminde, Yaya köprülerinde, kullanılmaktadır. Tablo1. Bazı kompozit liflerin mekanik özelliklerinin çelik lif ile kıyaslanması Lif Tipi Elastisite Modülü (kn/mm 2 ) Çekme Dayanımı (N/mm 2 ) Karbon Aramid Cam Çelik (St 37)

10 GİRİŞ - Lifli Polimerler 1992 yılında İskoçya da inşa edilen Aberteldy Köprüsü dünyanın tamamı LP kompozit malzemeden üretilen ilk ve en uzun açıklıklı kablolu köprüsüdür. Aberteldy Köprüsü 2,20 metre genişliğinde, 63 metre ana açıklığında, 113 metre toplam uzunluğundadır. Tabliye cam LP den, kabloları ise kevlar LP den üretilmiştir. Aberteldy yaya köprüsü 10

11 GİRİŞ - Lifli Polimerler 1996 yilinda İsviçre de inşa edilen 124 metre uzunluğundaki Stork Köprüsün de karbon LP kablolar kullanılmıştır. Stork Köprüsü nde iki adet çelik kablo 5 mm çapında karbon LP telciklerden oluşan kablo ile değiştirilmiştir. Değiştirilen kabloların zaman içerisindeki yapısal performansı optik sensörler ile takip edilmektedir. 241 tane telcikten oluşan, yük taşıma kapasitesi 1349 ton olan karbon kablolar. 11

12 GİRİŞ - Lifli Polimerler Danimarka da yaya ve araç trafiği için inşa edilen 80 metre açıklığındaki Herning Köprüsü nün 16 çelik kablosu karbon LP den imal edilen kablolarla değiştirilmiştir. Bu amaçla, LP kabloların yaya, araç yükleri ve çevresel etkiler altındaki yapısal davranışları incelenmiştir.

13 GİRİŞ - Lifli Polimerler 1987 de araştırmacı U. Meier tarafından ortaya atılan Cebelitarık Boğazı nı 8400 m açıklıklı ve kabloları karbon LP den imal edilen kablolu köprü ile geçmek fikri, uzun açıklıklı köprülerde LP kullanılabilirliğini dünya genelinde tartışılır hale getirmiştir den günümüze uzun açıklıklı asma veya kablolu köprülerde LP kablo kullanımının uygunluğu, uygulanabilirliği fikri birçok araştırmacı tarafından irdelenmiştir. 13

14 ÇALIŞMANIN AMACI Günümüzde LP malzemelerin 150 m den uzun açıklıklı köprülerde uygulaması olmamasına rağmen geleneksel malzemelere göre sahip oldukları üstünlükler ilerleyen yıllarda LP kompozitlerin uzun açıklıklı köprülerde kullanımı kaçınılmaz kılacaktır. Bu bağlamda LP kompozitlerin uzun açıklıklı köprülerde kullanımı ile ilgili çalışmaların artırılması gerekmektedir. LP kompozitlerin uzun açıklıklı köprülerde kullanılmasının yapısal davranışa olan etkilerinin statik ve dinamik (deprem, rüzgar) etkiler altında araştırılması gerekmektedir. Bu amaçla bu çalışma kapsamında, örnek olarak seçilen uzun açıklıklı kablolu bir köprünün kablolarında LP kompozit malzeme kullanılmasıyla yapısal davranışında meydana gelebilecek farklılıkların araştırılması hedeflenmiştir. 14

15 SAYISAL UYGULAMA Jindo Köprüsü 15

16 YÖNTEM FORMÜLASYON Sonlu Eleman Modeli 420 Serbestlik Derecesi Tabliye Kuleler Kablolar 139 Çubuk Eleman 28 Kafes Eleman Jindo köprüsünün sonlu eleman modeli Tablo 2. Jindo Köprüsü Kesit ve Malzeme Özellikleri

17 YÖNTEM FORMÜLASYON Hibrit Kabloların Düzenlenmesi LP kompozit kabloların yapısal davranışa olan etkilerini inceleyebilmek amacıyla Jindo köprüsünün 28 kablosunun 12 tanesi karbon LP den imal edilen kablo ile değiştirilmiştir. Maliyet yüksekliği, yapısal davranış üzerindeki etkilerin tam olarak bilinememesi gibi nedenlerden dolayı kabloların tamamı yerine bir kısmı kompozit olarak tasarlanmıştır. 17

18 18 YÖNTEM FORMÜLASYON Çelik kabloların kompozitle değiştirilebilmesi için genellikle eşdeğer rijitlik ve eşdeğer dayanım yöntemleri kullanılmaktadır. Bu yöntemlerden elde edilen kesit alanları yapısal davranışın belirlenmesinde kullanılmaktadır. Eşdeğer Dayanım: Eşdeğer Rijitlik: [ ] = [ ] σ A σ A LP LP çelik ELPALP = EçelikAçelik çelik seçilmiştir Tablo 3 [σ] : İzin verilebilen gerilme değeri ALP = Açelik E : Elastisite modülü A : Kesit alanı Denklemden de anlaşılacağı üzere hesaplanan çelik ve LP kablo kesitleri aynı olup malzeme özellikleri birbirinden farklıdır. Tablo 3. LP Kablo Kesitlerinin Elde Edilmesinde Kullanılan Malzeme Özellikleri

19 ANALİZLER Dinamik Analizler Dinamik analizlerde, 1992 Erzincan depreminin doğu-batı bileşeni yer hareketi olarak kullanılmıştır. Dinamik analizler kabloların hibrit ve çelik olması durumu için tekrarlanarak modal analizlerden elde edilen mod şekilleri, frekanslar ve dinamik analizlerden elde edilen yerdeğiştirmeler ve kesit tesirleri her bir durum için karşılaştırılmıştır Erzincan depreminin doğu-batı bileşenine ait ivme-zaman grafiği 19

20 20 ANALİZLER Modal Davranış Tablo 3. İlk 15 Moda ait Frekans ve Mod Şekilleri

21 21 ANALİZLER Modal Davranış Modal analizden elde edilen ilk 6 mod şekli

22 ANALİZLER - Tabliye Yerdeğiştirme ve Eğilme Momentleri Düşey yerdeğiştirme ve eğilme momentlerinin tabliye boyunca değişimi Kablo Durumu Maksimum Yerdeğiştirme Maksimum Eğilme Momenti Çelik 48cm 20630kNm

23 ANALİZLER - Kule Yerdeğiştirme ve Eğilme Momentleri Düşey yerdeğiştirmelerin ve eğilme momentlerinin kule boyunca değişimi Kablo Durumu Maksimum Yerdeğiştirme Maksimum Eğilme Momenti Çelik 7,7cm 14200kNm Hibrit 7,5cm 13760kNm

24 ANALİZLER - Kule Kesme ve Eksenel Kuvvetleri Eksenel kuvvet ve kesme kuvveti değerlerinin kule boyunca değişimi Kablo Durumu Maksimum Kesme Kuv. Maksimum Eksenel Kuv. Çelik 1556kN 5786kN Hibrit 1552kN 5855kN

25 ANALİZLER - Kablo Davranışı Bazı kablolarda elde edilen kablo kuvvetleri Kablo Durumu Çelik Hibrit Maksimum Kablo Kuvveti 1536kN 1509kN

26 SONUÇLAR Kabloların hibrit olarak tasarlanması modal ve dinamik davranış üzerinde çok fazla bir etkiye neden olmamaktadır. Hibrit tasarım durumu için tabliye ve kulelerde meydana gelen yerdeğiştirme ve kesit tesirleri, fazla olmamakla birlikte, genellikle azalmıştır. Kabloların hibrit tasarlanması durumunda elde edilen kablo kuvvetleri, kabloların tümünün çelik olması durumundaki değerlerle karşılaştırıldığında yaklaşık %2.5 civarında azalmıştır. Uzun açıklıklı köprülerde kabloların hibrit tasarlanması modal ve dinamik davranış üzerinde olumsuz bir etkiye neden olmamaktadır.

27