BÖLÜM-2 ÇELİK YPILRD BİRLEŞİM RÇLRI Çelik yapılarda kullanılan hadde ürünleri için, aşağıdaki sebeplerle birleşimler yapılması gerekmektedir. Bu aşamada bulon (cıvata), kaynak ve perçin olarak isimlendirilen çelik birleşim araçları kullanılmaktadır. Farklı taşıyıcı elemanların (kolon-kolon, kolon-kiriş vb.) birbirine bağlanması Eleman boyunun uzatılması Eleman en kesitinin arttırılması Kolon kiriş birleşimi Kolon-temel birleşimleri Kolon-ekleri Kolon-kiriş birleşimi Kolon-kiriş-çapraz birleşimi Enkesit büyütme (Petek kiriş) Kolon-kiriş çapraz birleşimi-kolon eki Enkesit büyütme (Çok parçalı kolon) 1
Çelik yapılarda üç farklı birleşim aracı bulunmaktadır. Bunlar Bulon (Civata), Kaynak ve Perçindir. Bulon ve kaynak yaygın kullanılan birleşim araçlarıdır. Perçin ise montaj işçiliğinin çok zor olması nedeniyle günümüzde kullanılmamakta, bu birleşim aracı ile daha çok eski yapılarda karşılaşılmaktadır. Bulon (Civata) Kaynak Perçin Çelik elemanların birleşiminde çözüm isteyen üç problem mevcuttur. Bunlar: 1) Kullanılabilecek birleşim aracının özellikleri (Bulon çapı veya kaynak kalınlığı) Birleştirilen elemanların kalınlığına bağlı olarak belirlenir. 2) Gerekli birleşim aracının miktarı (Bulon sayısı veya kaynak alanı) Birleştirilen elemanlardaki gerekli dayanıma (R u ) ve birleşim araçlarının karakteristik dayanımlarına (R n ) bağlı olarak belirlenir. 3) Birleşim araçlarının birleşim yerinde düzenlenmesi ve detay resminin çizilmesi Yönetmelikte belirtilen konstrüktif kurallara göre düzenleme yapılır. Faklı birleşim araçlarının birlikte kullanımı Bulon ve kaynakların aynı kuvveti veya bir kuvvetin aynı bileşenini birlikte aktaracak şekilde boyutlandırılmasına izin verilmez. 2
2.1 Bulonlu birleşimler Bulon, gövde, bulon başı, pul (rondela) ve somun bileşenlerinden oluşan çelik birleşim aracıdır. dişli gövde Bulon başı BULO Pul (rondela somun Bulon çelik sınıfları yapıldıkları çelik kalitesine göre aşağıdaki şekilde gösterilirler. Bulon sınıfı : 4.6 Kopma mukavemeti : 4*100=400 /mm 2 ve kma mukavemeti: 0.6*400=240 /mm 2 olan çeliği ifade etmektedir. Bulonların mukavemet özellikleri; F yb karakteristik akma dayanımı ve F ub karakteristik çekme (kopma) dayanımı olmak üzere aşağıdaki tabloda verilmiştir. Bulon sınıfları ve mukavemet özellikleri (Mpa) Bulonlar mukavemet değerlerine bağlı olarak ikiye ayrılmaktadır. 1) ormal Bulonlar (4.6, 4.8, 5.6, 5.8, 6.8 sınıfları ) 2) Yüksek Mukavemetli Bulonlar (8.8 ve 10.9 sınıfları) 3
Bulon geometrik özellikleri iki farklı sistem ile üretilmektedir. Bunlar Metrik sistem ve Withworth (inç) sistemleridir. Yaygın olarak kullanılan Metrik sistemdir. Bu sistemde M harfi yanında bulon gövde çapı (d) mm biriminde belirtilir. (M16, M20 gibi.) Bulonların diğer boyutları da (çapı, baş kalınlığı, somun kalınlığı, dişli gövde uzunluğu, pul özellikleri vb.) ilgili standartlara göre üretilmektedir. Bulon geometrik özelliklerini içeren bir katalog örneği ynı çap için farklı uzunlukta bulonlar üretilir, birleştirilen elemanların kalınlıkları toplamına uygun bir bulon uzunluğu seçilir. Bulonlar proje ve hesap raporlarında, M20-8.8, M24 5.6 şeklinde ifade edilirler. Bulonların uygulama koşulları ve konstrüktif kurallar Bulonlar için kullanılacak maksimum delik boyutları ve ara/kenar mesafeler aşağıda verilmiştir. Bulonlar için delik boyutları (d h ) (mm) Standart Standart dairesel dairesel delik delik Kısa Kısa oval oval delik delik Büyük Büyük dairesel dairesel delik delik Uzun Uzun oval oval delik delik 4
Dairesel deliklerin kenara olan minimum uzaklıklar (mm) 12*t 150mm s 3*d s 3*d t : Eleman kalınlığı ( ince eleman esas alınır) Bulonlar, birleşimin özelliklerine bağlı olarak çeşitli şekillerde yük aktarımı sağlarlar. Bu bağlamda birleşimler genel olarak Ezilme ekili birleşimler, Eksenel çekme etkili birleşimler Sürtünme etkili (kayma kontrollü) birleşimler olmak üzere üç gruba ayrılabilmektedir. Bazı birleşimlerde bu genel hallerin çeşitli kombinasyonları da oluşabilmektedir. Örneğin bir birleşimde ezilme ve eksenel çekme etkileri birlikte oluşabilmektedir. 5
EZİLME ETKİLİ BİRLEŞİMLER : Bulon gövdesinin kesme dayanımı ve delik çevresinin ezilme dayanımı ile kuvvet aktaran birleşimlerdir. Ezilme etkili bulon birleşimleri Bu birleşimlerde normal bulonlar veya yüksek mukavemetli bulonlar kullanılabilir. Bu birleşimlerde büyük dairesel delik kullanılamaz. Oval delikler ise oval doğrultu yük doğrultusuna dik olacak şekilde kullanılabilir. Ezilme etkili birleşimlerde oval delik konumu Ezilme etkili birleşimlerde oluşan ezilme ve kesme etkileri ezilme kesme ezilme Ezilme 6
Bu birleşimlerde dayanım bakımından iki sınır durum bulunmaktadır. a) Bulon gövdesinin kayma düzleminden kesilmesi sınır durumu: Birleştirilen elemanların sayısı iki ise bulon iki elemanın ara kesitinden kesilir. Birleştirilen Kayma elemanların gerilmeleri sayısı üç ise bulon iki Tek ayrı kesitten kayma kırılma düzleminden (kesilme) /2 /2 iki kesitten kırılma (kesilme) Kayma gerilmeleri İki kesitten kesilmeye zorlanan bulonlardaki deformasyon İki kesitten kesilen bulonlar Kesilen bulonlar Bu limit durumunda bulon enkesit alanındaki ( b ) kayma gerilemeleri etkili olur. Buna dayanarak bir bulonun karakteristik kesme dayanımı (R nv1 ) aşağıdaki ifade ile belirlenir. R nv1 = F nv * n sp * b F nv : Bulonun karakteristik kayma gerilmesi dayanımı (Yönetmelikten alınır) n sp : Kayma düzlemi sayısı (iki eleman birleşiminde 1, üç eleman birleşiminde 2 alınır) b : Diş açılmamış bulon gövdesi enkesit alanı ( b = * d 2 / 4) [d bulon çapı] 7
Birleşimin karakteristik dayanımı : R nv = R nv1 * bulon sayısı Birleşimin tasarım dayanımı = * R nv ( = 0.75 alınır) Bulonların karakteristik dayanımları Dişli kısmın konumu kayma düzlemi Kayma düzlemi içinde Kayma düzlemi dışında b) Bulon deliğinin ezilmesi sınır durumu: Bulonların konumuna göre ya delik çevresinin ezilerek ovalleşmesi gözlenir ya da birleştirilen eleman yırtılır. Delik ovalleşmesi Delik Yırtılması Bulonlardaki deformasyon Bu limit durumunda, delik çevresindeki basınç gerilmeleri (elemanda) veya delik ile eleman kenarı arasındaki bölgede kayma gerilmeleri (elemanda) etkili olur. Buna dayanarak bir bulonun karakteristik ezilme dayanımı (R nu1 ) aşağıdaki ifadeler ile belirlenir. Delik ovalleşmesi için (Üst limit): R nu1 = 2.4 * d * t * F u F u : Bağlanan elemanın karakteristik çekme dayanımı (Yönetmelikten alınır) 8
d: Bulon gövde çapı t : Eleman kalınlığı Delik yırtılması için : l c R nu1 = 1.2 * l c * t * F u l c : Delik kenarı ile eleman kenarı arasındaki net uzaklık veya iki delik kenarı arasındaki uzaklık (İki delik arası yırtılma da kontrol edilir) l c l c İki duruma ait dayanımdan küçük olan seçilir. Farklı konumlardaki her bir bulon için bu işlem ayrı ayrı uygulanır ve birleşimin dayanımı için tümü toplanır. Birleşimin karakteristik dayanımı : R nu = R nu1 Birleşimin tasarım dayanımı = * R nu ( = 0.75 alınır) Birleşimde uzun oval deliklere, delik uzun doğrultusuna dik kuvvet etkimesi halinde aşağıdaki bağıntılar kullanılır. Delik ovalleşmesi için : R nu1 = 2,0 * d * t *F u Delik yırtılması için: R nu1 = 1,0 * l c * t * F u Çelik yapı elemanları için karakteristik dayanım değerleri 9
UYGULM şağıda detayları verilen bulonlu birleşim için gerekli dayanım 152 k olduğuna göre mevcut bulonlar yeterli midir ve yerleşimleri uygun mudur? gerekli kontrolleri yapınız. Verilenler: Profiller ve düğüm levhası malzemesi: S235 Bulonlar: M20-5.6, Standart dairesel delik kullanılmıştır, bulon dişli bölgesi kayma düzlemi dışındadır. Düğüm Levhası t=12 50 3 M20 50 L100.100.10 P M20 12 50 40 80 80 40 Ön görünüş - Kesiti ÇÖZÜM Verilen birleşim ezilme etkili birleşimdir. Bulonlarda kesilme ve delik çevresinde ezilme / yırtılma sınır durumlarına göre kontrol yapılması gerekmektedir. Bulonların yerleşimi ile ilgili kenar ve ara mesafeler kontrol edilmelidir. Bir bulonun karakteristik kesme dayanımı : R nv1 =F nv * n sp * b F nv : Bulonun karakteristik kayma gerilmesi dayanımı = 225 Mpa (Tablodan) n sp : Kayma düzlemi sayısı = 1 b : Diş açılmamış bulon gövdesi enkesit alanı b = * d 2 / 4 = *20 2 / 4 = 314.16 mm 2 R nv1 = 225 *1*314.16 =70686 = 70.68 k Birleşimim karakteristik kesme dayanımı: R nv = 3*70,68 = 212.04 k 10
Bir bulonun karakteristik ezilme dayanımı (R nu1 ) Delik ovalleşmesi için (Üst limit): R nu1 = 2.4*d*t*F u F u : Bağlanan elemanın karakteristik çekme dayanımı = 360 Mpa (Tablodan) d: Bulon gövde çapı = 20mm t : Eleman kalınlığı = 10mm (ince levha ezilir) R nu1 = 2.4*20*10*360 =172800 = 172.8 k Düğüm Levhası t=12 Delik ovalleşmesi 40 80 80 40 Delik yırtılması için : R nu1 = 1.2*l c *t*f u a bulonu için: R nu1 =1.2*29*10*360 =125280 = 125.28 < 172.8 k (Yırtılma gerçekleşir) b ve c bulonu için: R nu1 =1.2*58*10*360 =250560 =250.56 k > 172.8 k (Ezilme gerçekleşir) a bulonu için delik yırtılması, b ve c bulonları için delik ezilmesi esas alınarak birleşimin karakteristik ezilme dayanımı; Delik çapı d h : 22mm (M20 için) R nu = 125.28+172.8+172.8= 470.88 k Düğüm Levhası l c1 l c2 t=12 l c2 l c1 = 40-22/2=29mm l c2 = 80-22=58mm a b c Delik yırtılması 40 80 80 40 Birleşimim karakteristik kesme dayanımı < Birleşimin karakteristik ezilme dayanımı R nv = 212.04 k < R nu = 470.88 k olduğundan Birleşiminin tasarımında kesme dayanımına ait sınır durum etkili olmuştur. Birleşimin tasarım dayanımı = * R nv = 0.75*212.04=159.03 k 11
Yük ve Dayanım Katsayıları Yöntemine (YDKY) göre tasarım dayanımı kontrol edilirse; Tasarım dayanımı = 159.03 k > Gerekli dayanım = 152 k olduğundan bulon tasarımı uygundur. 152/159.02 = 0.96 < 1.0 olduğundan kapasitenin büyük kısmı kullanılmıştır. Bulon yerleşimlerinin kontrolü Düğüm Levhası t=12 s s 1 1 s s s 1 min. s 1 = 40mm > 26 mm maks. s 1 = 50mm < 150mm ve 12*t= 12*10=120mm s= 80 mm > 3*d = 3*20 =60mm uygundur. s 1 40 80 80 40 Bu aşamada kullanılan profilde delik çapı ile ilgili bir sınırlama mevcut ise kontrol edilmelidir. L profillerde delik çapı ve konumu için sınırlama vardır. L 100.100.10 için profil tablosundan; Kullanılabilecek bulon M27, delik konumu (e min = 50mm, e max = 53mm) Kullanılan bulon M20 < M27 uygundur 12
Delik konumu kontrolü: s 1 = 50mm = e min = 50mm uygundur. 13