Mukavemet-I Yrd.Doç.Dr. Akın Ataş
Bölüm 5 Eğilmede Kirişlerin Analizi ve Tasarımı Kaynak: Cisimlerin Mukavemeti, F.P. Beer, E.R. Johnston, J.T. DeWolf, D.F. Mazurek, Çevirenler: A. Soyuçok, Ö. Soyuçok.
5.1 Giriş Kirişler, genellikle uzun, düz prizmatik elemanlardır. Yükler çoğu halde kirişin eksenine diktir. Böyle bir enine yükleme, kirişte sadece eğilme ve kesmeye neden olur. Yükler kirişe dik değilse, kirişte eksenel kuvvetler de üretir.
5.1 Giriş (a) Tekil Yükler Bir kirişin enine yüklemesi, tekil yükler (N, kn), yayılı yükler (N/m, kn/m) veya bunların bileşiminden oluşabilir. Birim uzunluk başına düşen w yükü, kirişin belli bir bölgesinde sabitse, yükün, kirişin bu kısmında düzgün yayılı olduğu söylenir. (b) Yayılı Yük
5.1 Giriş Statikçe Belirli Kirişler a) Basit mesnetli kiriş b) Çıkmalı kiriş c) Ankastre kiriş Statikçe Belirsiz Kirişler d) Sürekli kiriş e) Bir ucu ankastre diğer ucu basit mesnetli kiriş f) İki ucu ankastre kiriş Kirişler mesnetlerine göre sınıflandırılırlar. L mesafesine açıklık adı verilir. a, b ve c de mesnet tepkileri sadece 3 bilinmeyen içerir ve statik yöntemlerle belirlenebilir (statikçe belirli). d, e ve f de 3 ten fazla bilinmeyen vardır, statikten belirlenemez (statikçe belirsiz).
5.1 Giriş Bazen iki veya daha çok kiriş, tek bir sürekli yapı oluşturmak üzere mafsallarla bağlanır. Mesnetlerdeki tepkiler 4 bilinmeyen içerir ve SCD den belirlenemez. Bunlar, mafsaldaki iç momentin sıfır olduğu dikkate alınarak belirlenebilir. Her bir kirişin ayrı SCD sinden altı bilinmeyenli altı denklem elde edilir.
5.1 Giriş a) Enine yüklenmiş kiriş b) Mesnet tepkilerinin elde edileceği SCD Bir kiriş enine yüklere maruz kaldığında, kirişin herhangi bir kesitinde genellikle bir V kesme kuvveti ve bir M eğilme çifti meydana gelir. Tüm kirişin SCD sinden mesnet tepkileri elde edilir. Sonra, AC nin SCD si çizilerek C den geçen kesitteki V kesme kuvveti ve M eğilme çifti belirlenir. M eğilme çifti kesitte normal gerilmeler ortaya çıkarır. V kesme kuvveti ise aynı kesitte kayma gerilmeleri üretir. c) C deki iç kuvvetlerin elde edileceği SCD
5.1 Giriş a) Enine yüklenmiş kiriş b) Mesnet tepkilerinin elde edileceği SCD c) C deki iç kuvvetlerin elde edileceği SCD σm, kesit modülü S ile ters orantılıdır. Büyük kesit modüllü kiriş seçimi maksimum gerilmeyi azaltır. σm ayrıca M ile doğru orantılıdır. Verilen bir yükleme durumunda, kiriş tasarımının en önemli adımlarından birisi, en büyük eğilme momentinin konum ve büyüklüğünün belirlenmesidir. Bu işlem, eğilme momenti ve kesme kuvveti diyagramları çizilerek kolaylıkla yapılır.
5.2 Kesme Kuvveti ve Eğilme Momenti Diyagramları Bu kesimde, kesme kuvveti ve eğilme momenti diyagramları, kirişin seçilen noktalarında V ve M nin değerleri belirlenerek elde edilecektir. Bu değerler, belirlenecekleri noktadan geçen bir kesit alınarak ve kesitin her iki yanında yer alan kiriş parçasının dengesi göz önüne alınarak bulunur.
5.2 Kesme Kuvveti ve Eğilme Momenti Diyagramları a) İç Kuvvetler (pozitif kesme kuvveti ve pozitif eğilme momenti) b) Dış Kuvvetlerin Etkisi (pozitif kesme kuvveti) c) Dış Kuvvetlerin Etkisi (pozitif eğilme momenti) Yukarıdaki durumların hepsinde kesme kuvveti ve eğilme momenti pozitiftir.
Örnek 5.01 Orta noktasında bir tekil P yüküne maruz, açıklığı L olan basit mesnetli AB kirişinin kesme kuvveti ve eğilme momenti diyagramlarını çiziniz.
Örnek 5.01
Örnek 5.01 Bir kiriş sadece tekil yüklere maruz kaldığı zaman, kesme kuvveti yükler arasında sabit olur ve eğilme momenti yükler arasında lineer olarak değişir. Böyle hallerde, V ve M nin değerleri, yük ve tepkilerin uygulandığı noktaların hemen solunda ve hemen sağında seçilen kesitlerde elde edilip diyagramlar çizilebilir.
Örnek 5.02 Düzgün w yayılı yükünü taşıyan ve açıklığı L olan bir AB ankastre kirişinin kesme kuvveti ve eğilme momenti diyagramlarını çiziniz.
Örnek 5.02
Örnek Problem 5.1 Gösterilen ahşap kiriş ve yükleme için, kesme kuvveti ve eğilme momenti diyagramlarını çiziniz ve eğilmeden kaynaklanan maksimum normal gerilmeyi belirleyiniz.
Örnek Problem 5.1 46 kn
Örnek Problem 5.1
Örnek Problem 5.1
Örnek Problem 5.2 Gösterilen yapı, W250X167 çekme çelik AB kirişiyle birbirine ve kirişe kaynak yapılmış iki kısa elemandan oluşmaktadır. (a) Verilen yükleme için, kirişin kesme kuvveti ve eğilme momenti diyagramlarını çiziniz. (b) D noktasının hemen solunda ve hemen sağında bulunan kesitlerdeki maksimum normal gerilmeyi belirleyiniz.
Örnek Problem 5.2 Kirişteki Eşdeğer Yükleme. 45 N luk yük, D deki eşdeğer kuvvet-kuvvet çifti sistemiyle değiştirilir. B deki tepki, kirişin SCD sinden belirlenir. Kesme Kuvveti ve Eğilme Momenti Diyagramları. A dan C ye. C den D ye. D den B ye.
Örnek Problem 5.2 Kirişteki Eşdeğer Yükleme. 45 N luk yük, D deki eşdeğer kuvvet-kuvvet çifti sistemiyle değiştirilir. B deki tepki, kirişin SCD sinden belirlenir. Kesme Kuvveti ve Eğilme Momenti Diyagramları. A dan C ye. C den D ye. D den B ye.
Örnek Problem 5.2 b. D nin Solunda ve Sağındaki Maksimum Normal Gerilmeler. D nin Solunda. D nin Sağında.
5.3 Yük, Kesme Kuvveti ve Eğilme Momenti Arasındaki Bağıntılar Bir kiriş, iki veya daha fazla tekil yük veya yayılı yüke maruz ise, yük, kesme kuvveti ve eğilme momenti arasındaki bağıntılar, diyagramların oluşturulmasını kolaylaştırır. Yük ve Kesme Kuvveti Arasındaki Bağıntılar. C ve D arasındaki yük eğrisi altındaki alan
5.3 Yük, Kesme Kuvveti ve Eğilme Momenti Arasındaki Bağıntılar Kesme Kuvveti ve Eğilme Momenti Arasındaki Bağıntılar. C ve D arasındaki kesme eğrisi altındaki alan
Örnek 5.03 Şekildeki basit mesnetli kiriş için, kesme kuvveti ve eğilme momenti diyagramlarını çiziniz ve eğilme momentinin maksimum değerini belirleyiniz.
Örnek 5.03
5.3 Yük, Kesme Kuvveti ve Eğilme Momenti Arasındaki Bağıntılar Kesme kuvveti eğrisi altındaki alan hesaplanarak eğilme momentinin değeri hesaplanabilir. Kesme kuvveti ve eğilme momenti eğrileri, yük eğrisinden daima 1 ve 2 daha yüksek olur.
Örnek Problem 5.3 Gösterilen kiriş ve yükleme için, kirişin kesme kuvveti ve eğilme momenti diyagramlarını çiziniz.
Örnek Problem 5.3 Tepki Kuvvetleri.
Örnek Problem 5.3 Kesme Kuvveti Diyagramı.
Örnek Problem 5.3 Eğilme Momenti Diyagramı.
Örnek Problem 5.4 W360 X 79 çekme çelik AC kirişi basit mesnetlidir ve gösterilen düzgün yayılı yükü taşımaktadır. Kirişin kesme kuvveti ve eğilme momenti diyagramlarını çiziniz ve eğilmeden kaynaklanan maksimum normal gerilmenin konumunu ve büyüklüğünü belirleyiniz.
Örnek Problem 5.4 Tepki Kuvvetleri. Kesme Kuvveti Diyagramı. Eğilme Momenti Diyagramı. Maksimum Normal Gerilme.
Örnek Problem 5.5 Şekildeki ankastre kirişin kesme kuvveti ve eğilme momenti diyagramlarını çiziniz.
Örnek Problem 5.5 Kesme Kuvveti Diyagramı. Eğilme Momenti Diyagramı.
Örnek Problem 5.6 AC basit kirişi, B de uygulanan T momentli bir kuvvet çiftiyle yüklenmiştir. Kirişin kesme kuvveti ve eğilme momenti diyagramlarını çiziniz.
Örnek Problem 5.6
5.4 Eğilmede Prizmatik Kirişlerin Tasarımı Bir kirişin tasarımı, genellikle, kirişte oluşacak eğilme momentinin maksimum mutlak değeri ile kontrol edilir. Kirişteki en büyük normal gerilme, maksimum eğilme momentinin oluştuğu kritik kesitteki kiriş yüzeyinde bulunur.
5.4 Eğilmede Prizmatik Kirişlerin Tasarımı Tasarım Prosedürü: 1. Önce, tablolardan veya şartnameden, seçilen malzemenin σem değeri belirlenir (çekmede ve basınçta aynı olduğu varsayılır). 2. Belirlenmiş yükleme koşullarına karşı gelen kesme kuvveti ve eğilme momenti diyagramları çizilir. M maks değeri belirlenir. 3. Kirişin kesit modülünün Smin değeri belirlenir. 4. Ahşap bir kiriş için b ve h verilmemişse, 1/6bh 2 = S Smin olarak seçilebilir. 5. Çekme çelik kiriş için tabloya bakılır (Ek C). Mevcut kesitlerden S Smin olanlardan, birim uzunluğunun ağırlığı en küçük olan seçilir. Bu, S Smin özellikli kesitlerin en ekonomik olanıdır. En küçük S değerli kesit olmasını gerektirmez.
Örnek 5.04 60 kn 2.4 m Gösterildiği gibi, 60 kn luk yükü taşıyacak bir geniş başlıklı kiriş seçiniz. Kullanılan çeliğin emniyet normal gerilmesi 165 MPa dır.
Örnek 5.04 60 kn 2.4 m 1. Emniyet normal gerilmesi 165 MPa dır. 2. Kesme kuvveti sabittir ve 60 kn dur. Eğilme momenti B de maksimumdur: 3. İzin verilebilir minimum kesit modülü: En ekonomik profil W460X52 dir. Kesit modülü en küçük olmasa da ağırlığı daha küçüktür.
Örnek Problem 5.7 6 kn/m 20 kn 90 mm 2.4 m 1.2 m AC çıkmalı ahşap kirişi, gösterilen yükleri taşıyacak şekilde tasarlanacaktır. 12 MPa emniyet gerilmeli, nominal genişliği 100 mm olan (gerçek genişliği 90 mm) ahşap kullanılacağına göre, kirişin gerekli h minimum yüksekliğini belirleyiniz.
Örnek Problem 5.7 14.4 kn 20 kn Tepkiler. 2.4 m 1.2 m Kesme Kuvveti Diyagramı. +24 20 kn İzin Verilebilir Minimum Kesit Modülü. -2.8 kn -24-17.2 kn Kirişin Gerekli Minimum Yüksekliği.
Örnek Problem 5.8 5 m uzunluğunda, basit mesnetli AD çelik kirişi, gösterilen yayılı yükü ve tekil yükleri taşıyacaktır. Kullanılan çeliğin emniyet normal gerilmesi 160 MPa olduğuna göre, kullanılması gereken geniş başlıklı profili seçiniz.
Örnek Problem 5.8 Tepkiler. Kesme Kuvveti Diyagramı. M maks ın belirlenmesi.
Örnek Problem 5.8 İzin Verilebilir Minimum Kesit Modülü. Geniş Başlıklı Profilin Seçimi.
*5.5 Kirişte Kesme Kuvveti ve Eğilme Momentini Belirlemede Tekillik Fonksiyonlarının Kullanılması V Kesme kuvveti ve M eğilme momentinin her biri nadiren tek bir analitik fonksiyonla belirtilebilir. w yayılı yüküne maruz bir kirişte bu mümkündür. Çünkü, yüklemede herhangi bir süreksizlik söz konusu değildir. Öte yandan, bir tekil yüke maruz kirişte, yükün uygulama noktasının sağında ve solundaki parçalarda V ve M için ayrı fonksiyonlar kullanılması gerekir. Bu kesimin amacı, tekillik fonksiyonlarının, V ve M nin her birini, tek bir matematiksel ifadeyle nasıl temsil edildiğini göstermektir.
*5.5 Kirişte Kesme Kuvveti ve Eğilme Momentini Belirlemede Tekillik Fonksiyonlarının Kullanılması
*5.5 Kirişte Kesme Kuvveti ve Eğilme Momentini Belirlemede Tekillik Fonksiyonlarının Kullanılması
*5.5 Kirişte Kesme Kuvveti ve Eğilme Momentini Belirlemede Tekillik Fonksiyonlarının Kullanılması köşeli parantezi x a olduğunda normal parantez () ile, x < a olduğunda sıfırla değiştirilirse, iki fonksiyon tek bir fonksiyon ile ifade edilebilir: köşeli parantezi Macaulay parantezi olarak bilinir.
*5.5 Kirişte Kesme Kuvveti ve Eğilme Momentini Belirlemede Tekillik Fonksiyonlarının Kullanılması Eğilme momentini SCD den hesaplamak yerine, V(x) için bulunan ifadeyi integre edebilirdik:
*5.5 Kirişte Kesme Kuvveti ve Eğilme Momentini Belirlemede Tekillik Fonksiyonlarının Kullanılması Yayılı yük de aynı şekilde belirlenebilir: ifadelerine tekillik fonksiyonları adı verilir. n 0 için:
*5.5 Kirişte Kesme Kuvveti ve Eğilme Momentini Belirlemede Tekillik Fonksiyonlarının Kullanılması ifadelerine tekillik fonksiyonları adı verilir. n 0 için: fonksiyonu x = a da süreksizdir ve bir «adım» şeklindedir. Bundan dolayı, adım fonksiyonu olarak adlandırılır.
*5.5 Kirişte Kesme Kuvveti ve Eğilme Momentini Belirlemede Tekillik Fonksiyonlarının Kullanılması ifadelerine tekillik fonksiyonları adı verilir. n 0 için:
*5.5 Kirişte Kesme Kuvveti ve Eğilme Momentini Belirlemede Tekillik Fonksiyonlarının Kullanılması Yükleme Kesme Kuvveti Eğilme Momenti
*5.5 Kirişte Kesme Kuvveti ve Eğilme Momentini Belirlemede Tekillik Fonksiyonlarının Kullanılması Yükleme Kesme Kuvveti Eğilme Momenti
*5.5 Kirişte Kesme Kuvveti ve Eğilme Momentini Belirlemede Tekillik Fonksiyonlarının Kullanılması Verilen bütün yayılı yükler sağdan açık uçlu olduğundan, kirişin sağ ucuna kadar devam etmeyen veya süreksiz bir yayılı yük, açık uçlu yüklemelerin eşdeğer bir bileşimi ile değiştirilmelidir.
Örnek 5.05 Gösterilen kiriş ve yükleme için, tekillik fonksiyonlarını kullanarak, kesme kuvveti ve eğilme momentini, A daki mesnede olan x mesafesinin fonskiyonu olarak ifade ediniz.
Örnek 5.05
Örnek 5.06 Gösterilen kiriş ve yükleme için, D orta noktasındaki kesme kuvveti ve eğilme momentinin sayısal değerlerini belirleyiniz.
Örnek 5.06
Örnek Problem 5.9 Gösterilen kiriş ve yükleme için, (a) herhangi bir noktadaki kesme kuvveti ve eğilme momentini tanımlayan denklemleri belirleyiniz, (b) C, D ve E noktalarındaki kesme kuvveti ve eğilme momentini belirleyiniz.
Örnek Problem 5.9 Tepki Kuvvetleri. Toplam yük ½ w0l dir. Simetriden dolayı her bir tepki kuvvet bunun yarısıdır: ¼ w0l Yayılı Yük.
Örnek Problem 5.9 a. Kesme Kuvveti ve Eğilme Momenti Denklemleri.
Örnek Problem 5.9 b. C, D ve E deki Kesme Kuvveti ve Eğilme Momenti. C Noktasında. D Noktasında. E Noktasında.
Örnek Problem 5.10 DEF rijit çubuğu, AB çelik kirişine D de kaynaklanmıştır. Gösterilen yükleme için, (a) kirişin herhangi bir noktasındaki kesme kuvvetini ve eğilme momentini tanımlayan denklemleri, (b) en büyük eğilme momentinin konumunu ve büyüklüğünü belirleyiniz.
Örnek Problem 5.10 Tepki Kuvvetleri. Toplam yük 4300 N. Simetriden dolayı her bir tepki kuvvet bunun yarısıdır: 2150 N. Yeniden Düzenlenmiş Yükleme Diyagramı. F deki 700 N luk yükü, D de eşdeğer bir kuvvet-kuvvet çifti sistemiyle değiştiririz.
Örnek Problem 5.10 a. Kesme Kuvveti ve Eğilme Momenti Denklemleri. b. En Büyük Eğilme Momenti.
*5.6 Prizmatik Olmayan Kirişler Prizmatik kirişler, kritik kesitlerde kullanılan malzemenin emniyet normal gerilmesini aşmayacak şekilde tasarlanır. Dolayısıyla, diğer kesitlerde normal gerilmeler daha küçüktür. Yani, prizmatik kirişler hemen her zaman gerekenden daha büyük olarak tasarlanmış olur. Prizmatik olmayan, yani değişken kesitli kirişler kullanılarak, büyük oranda malzeme tasarrufu sağlanabilir.
*5.6 Prizmatik Olmayan Kirişler σm maksimum normal gerilmeleri, genellikle kirişin tasarımını belirlediğinden, her kesitin S = I/c kesit modülü minimum olacak şekilde belirlenirse, optimum kiriş tasarımı elde edilir. Bu şekilde tasarlanan kiriş, sabit mukavemetli kiriş olarak adlandırılır.
Örnek 5.07 Düzgün b kalınlıklı bir dökme alüminyum plaka, şekildeki gibi bir w düzgün yayılı yükü taşıyacaktır. (a) En ekonomik tasarımı verecek plaka şeklini belirleyiniz. (b) Kullanılan alüminyumun emniyet normal gerilmesi 72 MPa ve b = 40 mm, L = 800 mm ve w = 135 kn/m olduğuna göre, plakanın h0 maksimum yüksekliğini belirleyiniz.
Örnek 5.07 Eğilme Momenti. a. Plaka Şekli. b. h0 Maksimum Yüksekliği.
Örnek 5.07 a. Plaka Şekli.
Örnek Problem 5.11 20 kn 20 kn 1.2 m 1.2 m 1.2 m 100 mm genişliğinde ve 115 mm yüksekliğindeki kiriş, emniyet normal gerilmesi 16 MPa ve emniyet kayma gerilmesi 3 MPa olan bir ahşaptan yapılmıştır. Kiriş, gerekli emniyet normal gerilmesini sağlayamayacağından, aynı ahşaptan 100 mm genişliğinde ve 32 mm kalınlığında tahtalar, kirişin üstüne ve altına simetrik bir şekilde yapıştırılarak güçlendirilecektir. (a) Gerekli tahta çifti sayısını, (b) her bir çiftteki plakaların uzunluğunu, en ekonomik tasarım ortaya çıkacak şekilde belirleyiniz.
Örnek Problem 5.11 20 kn 20 kn Eğilme Momenti. 20 kn 20 kn a. Tahta Çiftlerinin Sayısı. 20 kn 1.2 m 20 kn Orijinal yükseklik 115 mm olduğundan 185 mm lik ek gerekir. Tahtaların çiftinin kalınlığı 64 mm olduğundan, 3 çift gerekir. 20 kn
Örnek Problem 5.11 b. Tahtaların Uzunluğu. h yüksekliğinin kabul edilebilir olduğu x mesafesi.
Örnek Problem 5.12 Bir W690X125 kirişi güçlendirmek için, her biri 16 mm kalınlığındaki iki çelik plaka, gösterildiği gibikaynaklanmıştır. Kiriş ve plakalar için σem = 160 MPa olduğuna göre, (a) plakaların uzunluğunun, (b) plakaların genişliğinin gerekli değerlerini belirleyiniz.
Örnek Problem 5.12 Eğilme Momenti. a. Plakaların Gerekli Uzunluğu.
Örnek Problem 5.12 b. Plakaların Gerekli Genişliği.