tmmob makina mühendisleri odası İŞ MAKİNALARI SEMPOZYUMU ve SERGİSİ-2003 BİLDİRİLER KİTABI 6-7 EYLÜL 2003 İSTANBUL Yayın No: E/2003/329
tmmob makina mühendisleri odası Sümer Sok. No: 36/1 -A Kızılay / ANKARA Tel: (0312) 231 31 59-231 31 64 Fax: (0312) 231 31 65 ISBN : 975-395-626-6 Bu kitabın yayın hakkı MMO'ya aittir. Kitabın hiçbir bölümü değiştirilemez, MMO'nun izni olmadan kitabın hiçbir bölümü elektronik, mekanik fotokopi vs. yollarla kopya edilip kullanılamaz. Kaynak göstermek şartıyla kitaptan alıntı yapılabilir. Baskı: Yapım Tanıtım Yayıncılık Ltd. Şti. Tel. : (0212)216 51 49
TMMOB Makina Mühendisleri Odası İş Makinaları Sempozyumu ve Sergisi - 2003 6-7 Eylül 2003 İŞ MAKİNALARI KONSTRÜKSİYONLARINDA SONLU ELEMAN ANALİZİ SONUÇLARI DOĞRULTUSUNDA DENEYSEL MUKAVEMET ANALİZLERİNİN GERÇEKLEŞTİRİLMESİ Ferhan FIÇICI 1, Mehmet YENER 2, Timur ARIKOĞLU 1, Eres SÖYLEMEZ 4 'Hidromek LTD.ŞTİ. Sincan Organize Sanayi Bölgesi, Osmanlı Cad. No: 1 Ankara / TÜRKİYE Tel: 312 267 12 60 E-Posta: ferhan.ficici@hidromek.com.tr 2 Hidromek LTD.ŞTİ. Sincan Organize Sanayi Bölgesi, Osmanlı Cad. No: 1 Ankara / TÜRKİYE Tel: 312 267 12 60 E-Posta: mehmet_yener@hidromek.com.tr 'Hidromek LTD.ŞTİ. Sincan Organize Sanayi Bölgesi, Osmanlı Cad. No: 1 Ankara / TÜRKİYE Tel: 312 267 12 60 E-Posta: timur.arikoglu@hidromek.com.tr 4 O.D.T.Ü. Makine Mühendisliği Bölümü O.D.T.Ü., ANKARA/TÜRKİYE Tel: 312 210 25 62 E-Posta: eres@metu.edu.tr
1. ÖZET Bu çalışmada, iş makinaları konstrüksiyonlarında sonlu elemanlar metodu kullanılarak yapılan mukavemet hesaplarının doğrulanması amacı ile gerçekleştirilen deneysel mukavemet analizlerinin içeriği ve önemi üzerinde durulmuştur. Yapılan deneysel çalışmalar sonucunda, gelişmeye müsait olan iş makinaları sektörü için deneysel mukavemet analizinin, sonlu elemanlar analizi sonuçları doğrultusunda gerçekleştirilmesinin uygun olduğu, çelik yapıların mukavemeti konusuna ışık tuttuğu ve de daha sonraki aşama olan yorulma analizinin(ömür tayin etme) yapılmasına temel oluşturduğu gösterilmiştir. Anahtar Sözcükler: Strain gauge, Kazıcı - yükleyici, Ekskavatör, Sonlu eleman analizi, Deneysel mukavemet analizi, Gerilme, Yorulma, Ömür tayini 2. GİRİŞ İş makinaları sektörü, günümüzde inşaat işleri, taş ve mermer ocakları, yol çalışmaları, ormancılık faaliyetleri ve her türlü ağır iş alanında faaliyet göstermektedir. Bu nedenledir ki çok geniş bir kullanım alanına sahiptir. Genel özellik olarak kontrol ve çelik konstrüksiyon konuları iş makinalarını tanımlayıcı niteliktedir. Son yıllarda, teknolojik gelişimlerin hızlanması ile birlikte bilgisayarın gelişimi yapısının neredeyse tamamı çelik malzemeden oluşan iş makinalarının, mukavemet ölçümlerinin yapılması ve çıkan sonuçlara göre yapı değişikliğine gidilmesi, diğer makine alanlarında da olduğu gibi bilgisayar ortamında yapılmaya başlanmıştır. Ancak, bilgisayar ortamında yapılan analizlerin %100 oranında güvenilirliği, modelleme ve sonlu elemanlar ağı oluşturulması sırasında ortaya çıkan hatalardan dolayı mümkün değildir. Elde edilen sonuçlar girilen bilgilerin kalitesi ile orantılıdır. Bu nedenle, gerçekleştirilen bu analizlerin, basit mukavemet hesaplarıyla ve deneysel mukavemet analizleriyle doğrulanması ve kontrolü ihtiyacı doğmuştur. Bu iki metodun en çok bilineni, mekanik bilim dalının temellerini oluşturan mukavemet hesabıdır. 3. BASİT MUKAVEMET HESAPLARI Malzeme Mukavemeti, iş makinaları sektöründe, dizayn aşamasının temelini oluşturmasının yanında, makine üretimi tamamlandıktan sonra yapılması iyileştirme çalışmalarında ve makine kontrolünde bir yere sahiptir. Çünkü mukavemet, makine elemanlarının boyutlarının ve geometrilerinin belirlenmesinde büyük önem taşır[l]. Gerilim analizi, temel olarak C7 = F/A ( 1 ) ( F: Kuvvet[N], A:Kesit Alanı[mm 2 ], a = Gerilim[Mpa] ) ve O = (M*c)/I (2) (M.Gerilimin ölçüleceği bölgedeki moment[n.mm], c: nötr eksenden olan uzaklık[mm], I Atalet momenti [mm 4 ]) formüllerine dayanmaktadır. Mukavemet konusu, sadece bu iki formülle sınırlı değildir. Gerilimin, her eksen için (x, y, z eksenleri) ayrı ayrı hesaplanmasının yanında daha kompleks formüller de içermektedir. Ancak, üç boyutlu analizlerde - iş makinaları sektöründe olduğu gibi - bu formüller, araştırma geliştirme çalışmalarında tek başlarına yeterli olmamaktadırlar. Basit mukavemet hesapları, yol gösterici bir nitelik taşıyor olsa da; iş makinaları gibi karmaşık bir yapıya 336
sahip olan mekanizmalarda tamamiyle güvenirliliğinden söz edilemez. Yapılara etkiyen kuvvetlerin ve meydana gelen gerilmelerin en iyi tespit edileceği metot, makinenin çalışma koşullarının tamamiyle modellenebileceği 'deneysel mukavemet analizi' yöntemidir. 4. DENEYSEL MUKAVEMET ANALİZİ Deneysel Mukavemet Analizi, iş makinalarının çelik konstrüksiyonlarının üzerine gelen kuvvetlerin ve gerilimlerin tespiti konusunda en doğru cevabı verebilecek metottur. Elde edilen sonuçların, sonlu elemanlar analizi metodundan elde edilenler ile karşılaştırılabilmesi ve bilgisayar ortamında yapılan bu analizin doğrulanabilmesi için, test edilecek olan mekanizmanın her iki metotta da aynı pozisyonda olması, aynı sınır koşullara sahip olması gerekmektedir. Yapılacak olan deney, bilimsel araştırmanın gereklerinden biri olan 'tekrarlanabilirlik' özelliğini taşımalıdır. Deney, mekanizmanın değişebilme ihtimali dışında, hiçbir değişken - zemin, hava şartları, basmç, operatör kullanımı, lastik basıncı,vb. - koşul içermemelidir. Bu nedenle, deneyin gerçekleştirilebilmesi için, çelik konstrüksiyon yapının bağlanabileceği, sınır koşullarının değişmesini engelleyebilecek mahiyette bir test standı uygundur. Deneysel mukavemet analizi sırasında, gerilimlerin tespiti için, çelik konstrüksiyon üzerindeki gerilimlerin neden olduğu sehimlere - deformasyonlara - karşı duyarlı olan 'elektrik dirençli strain gauge' ler kullanılmaktadır. Strain gauge çalışma prensibi, bir sonraki bölümde detaylı olarak anlatılacaktır. Strain gauge lerin aktardığı sehimlerin gözlemlenebilmesi için, 'Veri Toplama Sistemi(Data Acquisition System)' kullanılmalıdır. Günümüzde, artan teknolojik imkanlar ile birlikte, geçtiğimiz yıllarda kullanılan teçhizatların yerine, bilgisayar sistemi ile eş güdümlü çalışanları kullanılmaya başlamıştır. a) Strain Gauge prensibi Daha önceki bölümlerde de anlatıldığı gibi, çelik yapı üzerine uygulanan kuvvet, yapı içinde gerilmelere yol açar. Bu gerilmeler, strain gauge yardımı ile tespit edilir. Strain gaugeler, çalışma prensiplerine göre kategorize edilirler. Bunlar, sırasıyla; mekanik, optik, elektrik, akustik ve pnömatik olarak adlandırılırlar[2]. Bu makalenin konusunu oluşturan deneysel mukavemet analizi, 'elektrik dirençli strain gauge' ler ile gerçekleştirilmiştir. 'Elektrik dirençli strain gauge' ler, kullanımı açısından kolaylık arz etmesinden; iş makinalarının özel uygulama gerektirmemesinden dolayı bu deney için uygun görülmüştür. Şekil 1: Strain Gauge(Gauge) 337
'Elektrik dirençli strain gauge' ler, şekil l'de görüleceği gibi dairesel kesite sahip, ve çevresinden yalıtılmış tel yapılardır[3]. Bu elemanlar, gerilimi ölçülmek istenilen doğrultuda konstruksiyon üzerine yapıştırılarak ölçüme hazırlanırlar. O bölgedeki gerilmeden kaynaklanan sehimden dolayı strain gauge in direnci değişir ve üzerinden geçen akım sabit olduğundan, voltaj değişimi bize ölçüm sonucunu verir. Bu sonuç dahilinde, gerilme değişimleri elde edilir. Şekil l'deki strain gauge, doğrusal tiptedir. Ancak, iş makinası üzerine gelen yükleme şekli, normal çalışma koşullarında tam olarak bilinmediğinden dolayı, doğrusal tipte gauge kullanmanın getirdiği olumsuzluklar vardır. Bu tip gauge yerine, üç adet doğrusal tip strain gauge in bir araya getirildiği strain gauge rozeti kullanılmalıdır. Rozetler, bir bağlantı şekillerine göre birbirlerinden ayrıhrlar(şekil 2). Şekil 2: Gauge Çeşitleri -o>vouto VI n R2 I > Şekil 3: Çeyrek Wheatstone Köprüsü 338
Deney sırasında, voltaj değişimini gözlemlemek için 'Wheatstone köprüsü' kurulmalıdır. Wheatstone köprüsü, deney esnasında gerilime maruz kalan gauge teki direnç değişimini saptar. Tek gauge in kullanıldığı köprü tipine 'Çeyrek Köprü Devresi' denilmektedir. Eğer, Wheatstone köprüsünün bütün dirençleri yerine strain gauge bağlanırsa bu tip devrelere de 'Tam Köprü Devresi' denilir. Şekil 3'te bir çeyrek köprü devresi görülmektedir. Rozet gauge kullanımı sırasında kaydedilen değerler sehim (e) cinsindendir. Bu bölgedeki asal gerilmeleri bulmak için bazı işlemler yapmak gerekmektedir. Rozetten okunan değerler ea, eb, ec olarak kaydedilir. Bu sonuçlara göre A = x* ( 3 ) c = yy ( 4 ) Y«y = 2 A - ( A + c ) ( 5 ), y : Mikro strain değerleri bulunur.elde edilen bu sonuçlar doğrultusunda, aşağıda belirtilen formüller kullanılarak asal sehimler ve yönleri tespit edilir. Eı.2 = [ ( «+ yy ) / 2 ] ± 0.5 [ ( xx - y y f + yj ) f 5 ( 6 ) tan 20 = y* y / (»* - y >) ( 7 ) 0 : Radyan Asal sehim değerleri bulunduktan sonra Hooke Kanunu doğrultusunda ; O. = E / ( 1 - V 2 ) (. + V 2 ) ( 8 ) a. = E / ( 1 - v 2 ) ( 2 + VE. ) ( 9 ) E: Elastik Modülüs (Mpa), v: Poisson Oranı[4] Elde edilen bu gerilim değerleri, bilgisayar ortamında elde edilen sonlu eleman analizi yöntemi ile bulunan sonuçlar ile karşılaştırılır ve bu iki set sonucun birbiri ile yaklaşık olması beklenir. Aksi bir durumda, yapılan deneyin doğruluğundan emin olunmalıdır. Yapılan deneyin doğruluğu kesinse, sonlu eleman modülüne geri dönülüp deney sonucu ile aynı netice elde edilememesinin nedenleri aranarak kurulmuş olan modelde olası hataların belirlenmesine çalışılır ve model üzerinde gerekli düzeltmeler yapılmalıdır. b) Gerçekleştirilen Strain Gauge Uygulamaları ve Deneyler TİDEB tarafından AR - GE Projesi kapsamında desteklenen HMK 2000 Kazıcı Yükleyici Tasarımı ve HMK 2000 Ekskavatör Tasarımı Projeleri dahilinde, sonlu eleman analizi ve deneysel mukavemet analizleri gerçekleştirilmiştir. Deneye ön hazırlık aşamasında, deney sırasında uygulanması gereken kuvvetlerin tespiti gerçekleştirilmiştir. Bu aşama, kazıcı yükleyicilerin ve ekskavatörlerin kinematik analizlerinin çözümlenmesi sonucu ortaya çıkmıştır. Deney pozisyonu, sınır koşulları ve şartlan belirlenen mekanizmanın bilgisayar ortamında analizi, bu koşullar doğrultusunda yapılmıştır. Deney aşamasına geçildiğinde, strain gauge yapıştırma noktaları bu analizin sonuçları ışığında belirlenmiştir. 339
Strain Gauge yapıştırma noktaları, sonlu eleman analizindeki sonuçların maksimum değeri yakaladığı bölgeler olmamalıdır. Aynı zamanda, minimum değerlerin sonuç olarak çıktığı bölgeler de olmamalıdır. Bu bölgeler yerine, maksimum sonuçların elde edildiği bölgelere yakın olan alanlar - gauge yapıştırma açısından daha sağlıklı netice vereceğinden - seçilmelidir. Maksimum değerler bulunan alanlar seçildiği takdirde, deney sonuçlan ile sonlu eleman analizi sonuçları arasındaki hata oranının artma eğilimine gireceği öngörülmektedir. Buna neden olarak; programın sonlu eleman geometrileri ve eleman yapısı gösterilir. Strain gauge yapıştırmak için belirlenen bölgeler, yapının üzerine gelen gerilimi tamamıyla aktarabilmesi için düz duruma getirildi. İyi bir yapışma sağlamak için yüzey taş ve zımpara ile pürüzlü duruma getirildi. Solüsyon ile yüzey temizlendikten sonra strain gauge yapıştırılması işlemine geçildi.. Gaugelerin kablo bağlantılarının yapılması için, gauge yapıştırılacak bölgelere gauge sayısı kadar terminal (Şekil 4) - gauge telinin ve kablo telinin beraber lehimlendiği yapı - yapıştırıldı. Bu yapıştırma işleminden sonra, yüzeyler tekrar temizlendi ve strain gauge ler yapıştırıldı (Şekil 5a -5b ). Kablo bağlantısı ve gauge bağlantısı terminaller yardımı ile sağlandıktan sonra, gaugeler veri almaya uygun hale getirildi. Voltmetre yardımı ile üzerlerinden akım geçişleri kontrol edilen gaugeler, veri toplama sistemine bağlandı. Önceden belirlenmiş olan kuvvetler uygulanarak, veriler sistem yardımı ile kaydedildi. Veri alma sırasında en önemli hususlardan biri, ortamda gürültüye sebep olacak, üzerinden akım geçiren yada voltaj depolayan cihazların sistemden uzak tutulmasıdır. Aksi takdirde, kaydedilen veriler hatalı olacaktır. Sistemin topraklanması, bu sorunu çözebilecek bir yaklaşımdır. c) Elde Edilen Sonuçların Karşılaştırılması Şekil 4: Terminal Bu deney sırasında, 35 noktadan strain gauge ile veri kaydedilmiştir. Bütün veriler, bilgisayar üzerinde kayıtlı tutulmuştur. Karşılaştırma yaparken bu verilerin, maksimumları göz önüne alınmıştır. Gauge bağlanan bu 35 noktanın sonlu eleman analizi sonuçları da excele aktarıldıktan sonra ortaya şöyle bir sonuç çıkmıştır: Deney sonuçları, sonlu eleman analizi sonuçları ile çok uyumludur. 340
Şekil 5a: Rozet tipi gauge m-' Şekil 5b: doğrusal gauge Kabul edilebilir hata oranı olarak belirlenen değerin üzerine çıkılan nokta sayısı çok azdır. Model, bu sonuçlar dahilinde doğrulanmıştır. Kabul edilebilir hata payını aşan noktalar için gaugeler kontrol edilecek, gaugelerde bir hata tespit edilmesi durumunda verilerdeki hatalar göz ardı edilip sonlu eleman analiz sonuçları o noktalar için geçerli sayılacak; gaugelerin sağlam olması durumunda programa dönülüp modelde revizyona gidilecek, yaklaşık sonuç elde edilene kadar bu işlem devam edecektir. Şekil 6, her bir gauge ten kaydedilen verilerin doğrultusunda hesaplanan 'Von Misses Gerilimi' değerleri ile sonlu eleman analizi sonucu elde edilen 'Von Misses Stress' değerlerinin karşılaştırmasını göstermektedir. Şekil 7, Yapılan karşılaştırma doğrultusunda ortaya çıkan hata payını - her bir gauge için - göstermektedir. 341
deneysel sonuçlar ile FEM sonuçlarının karşılaştırılması <n m 0) *» * * * * *» (A I O * * * N <S <b «$> gauge no Fem Sonuçları -> deney sonuçları Şekil 6 : Deney sonuçları ile Sonlu eleman analizi sonuçları karşılaştırması 80 60 40 20-20 \ deneysel sonuçlar ve FEM sonuçları arasındaki yüzde hata oranları i \ i < f I > 1 c)* / i \ % 1 1 f d A, A *>- * <b «s /\ \ V 4 gauge no - hata yüzdesi Şekil 7 : Deneysel sonuçlar ile sonlu eleman analizi sonuçları arasındaki hata oranları! %) 5. YORUM Sonlu eleman analizinin doğrulanması amacıyla gerçekleştirilen deneysel mukavemet analizi, çıkan sonuçların uyumu yada uyumsuzluğuna göre farklı sonuçlar doğuracaktır. Eğer, analiz ve deney sonuçları birbirini onay nitelik taşıyorsa; iki değer grubu arasındaki hata payı, araştırıcının - sonlu eleman analizini gerçekleştiren test mühendisi - belirlemiş olduğu oran sınırları içinde kalıyorsa şu sonuçlar elde edilmiş olacaktır: Bilgisayar ortamında modellenmiş olan iş makinası konstrüksiyonu, iş makinasının gerçeğine uygundur. 342
Bilgisayar ortamında gerçekleştirilecek olan analizler, normal şartlarda makinenin maruz kalacağı yüklerdeki göstereceği karakteristik hareketlerini, yapı üzerinde oluşacak olan gerilme ve schimleri simüle eder nitelikte olacaktır. Araştırmacı, bu aşamadan sonra gerçekleştireceği analizlere tamamen güvenebilecektir. Araştırmacı, daha sonraki aşama olarak yapının optimizasyonuna geçebilecektir. Ortaya çıkan sonuç, model ile deney sonuçlarının uyuşmazlığı şeklinde gerçekleşirse araştırmacı deney sınır koşulları ile sonlu eleman analizi sınır koşullarını tekrar karşılaştırmalı, ortam değişkenlerini gözden geçirmeli, sorunla karşılaşırsa bu sorunları ortadan kaldırıp deneyi tekrar gerçekleştirmelidir. Sorun olmaması durumunda, modele gidip mevcut hataları bulmalı, model üzerinde revizyona gitmelidir. Bu işlem, deneyle aynı sonuçları elde edene kadar devam etmelidir. 6. SONUÇ İş makinaları sektörü, yapılarının büyüklüğünden dolayı üretim aşamaları uzun süren bir iş alanıdır. Dizayn edilen her iş makinasının mukavemet analizine tutulması hem zaman hem de mali açıdan şirketlere ağır yük getirir. Bunun yerine, yapılacak olan bir deneysel mukavemet analizi, sonlu eleman analizi metodu kullanılması koşuluyla tasarımın hızlanmasını ve üretimin seri üretim hale gelmesini, zaman ve mali kayıp olmaksızın gerçekleştirir.sonlu elemanlar analizi sonuçları ve deneysel mukavemet hesaplarının aynı sonucu verdiği belirlendiğinde, tasarımcı sonlu elemanlar modelinin sonuçlarına güvenir ve model üzerinde değişiklikler yaparak tasarımını geliştirebilir. Firmalar, ürünlerini yenilemek, iç ve dış piyasada söz sahibi olabilmek ve tasarımda kendi katma değerlerini oluşturabilmek için sonlu eleman analizi metoduyla birlikte, iş makinalarının deneysel mukavemet analizlerini gerçekleştirmelidirler. ÖZGEÇMİŞ Ferhan FIÇICI 1979 yılı BALIKESİR doğumludur. Lisans eğitimini 2002 yılında Orta Doğu Teknik Üniversitesi Makina mühendisliği bölümünde tamamlamıştır. Yüksek lisans eğitimine aynı üniversitede devam etmektedir. 2002 yılından itibaren Hidromek Ltd.Şti bünyesinde sonlu elemanlar analizi, yapısal optimizasyon ve deneysel mukavemet analizleri konularında çalışmalarına devam etmektedir. Mehmet YENER 1981 yılı RİZE doğumludur. Lisans eğitimini 2002 yılında Orta Doğu Teknik Üniversitesi Makina mühendisliği bölümünde tamamlamıştır. Yüksek lisans eğitimine aynı üniversitede devam etmektedir. 2002 yılından itibaren Hidromek Ltd.Şti bünyesinde sonlu elemanlar analizi, yapısal optimizasyon ve deneysel mukavemet analizleri konularında çalışmalarına devam etmektedir. Timur ARIKOĞLU 1946 yılı ANKARA doğumludur. 1971 yılında Ankara Üniversitesi Ziraat Fakültesi Tarım Makinaları Bölümünden mezun oldu. Türkiye Zirai Donatım Kurumu Etüt Konstrüksiyon Müdürlüğünde uzun yıllar tarım makinaları tasarımcısı olarak çalıştı. 1996 yılından beri Hidromek.Ltd.Şti Firmasında Mühendislik Müdürlüğü görevini yürütmektedir. 343
Eres SÖYLEMEZ 1946 yılı Gaziantep doğumludur. 1969 ve 1970 yılında Orta Doğu Teknik Üniversitesi Makina Mühendisliği Bölümünden Lisans ve Yüksek lisans diplomalarını aldı. 1974 yılında Columbia Üniversitesinde Mekanizma Tekniği ve Makina teorisi dalında doktora yaptı. 1979 yılında doçent 1986 yılında ise Profesör oldu. 1999 yılından beri Hidromek Ltd.Şti firmasında danışman olarak çalışmaktadır. KAYNAKÇA [1] Joseph Edward Shigley "Mechanical Engineering Design" First Metric Edition, McGraw-Hill Bok Company, 1986, s:9 [2] James W.Dally, William F.Riley "Experimental Stress Analysis" 3rd edition, McGraw-Hill, Inc, 1991, s:132 [3] Yalçın Ünsan, Ertekin Bayraktaral "Strain Gauge yöntemi ve Gemi inşaatında kullanım alanları", Gemi İnşaatı ve Deniz Teknolojisi Teknik Kongresi 99 Bildiri Kitabı, İstanbul, 1999, s:50 [4] Ömer Gündüzbilir "Lecture Notes: Experimental Stress Analysis"METU, 1996, s: 225 344
TMMOB Makina Mühendisleri Odası İş Makinaları Sempozyumu ve Sergisi 6-7 Eylül 2003 KULE KRENLERIN KAFES KİRİŞ ANA BUMUNUN FARKLI YÜK KONUMLARINDAKİ YER DEĞİŞTİRMELERİNİN SONLU ELEMANLAR YÖNTEMİYLE İNCELENMESİ Mine Demirsoy',Erol Zeren 2 'Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümü,Bornova-İZMİR Tel: 232 3883138-213 E-Posta: mine.demirsoy@deu.edu.tr 2 Rutgers, The State University of New Jerseyjndustrial and Systems Engineering Department, New Brunswick E-Posta:ezeren@eden.rutgers.edu
ÖZET Kule krenler bugün inşaat sektöründe oldukça sık kullanılan iş makinalarından biridir.bu krenlerin en büyük özelliği kule şeklinde duran direği ile büyük açıklıkta ve yükseklikteki bumudur. Büyük bir kaldırma yüksekliği, büyük bir yükleme açıklığı ve yükün hassas bir şekilde hareketi ile çok büyük bir kullanım alanına sahiptir. Bu çalışmada kafes kiriş bumlu ve taşıyıcı sistemli kule kreni sonlu elemanlar analiz programı ile modellenmiş ve ana kirişinde oluşan sehim farklı yük konumlarında incelenmiştir. Anahtar Sözcükler : Kule Krenler, Sonlu Elemanlar Yöntemi 1. GİRİŞ Kule krenleri yatay ve dikey pozisyonda iletim yapabildikleri için çok değişik kullanım alanlarına sahiptir. Aynı zamanda montajı sırasında küçük bir çalışma alanı kaplaması diğer krenlere göre avantajlı taraflarından biridir. Kısmen büyük yapım yükseklikleri ve bum açıklıkları ve aynı zamanda ağırlık tasarrufu nedeniyle kule krenleri kafes kiriş taşıyıcı sistemli yapılmaktadır. Yeterli bir durma emniyetinin sağlanabilmesi için alt arabaya veya kulenin alt kısmına karşı kütle öngörülür. Aşırı yüklemeler ve rüzgarlı havalarda olabilecek büyük kazalara karşı gerekli emniyet tedbirlerinin alınması gerekir Çelik konstrüksiyon olan kren taşıyıcı sistemi büyük taşıma kapasiteleri ve çalışma yüksekliklerinde büyük gerilim dağılımları altında çalışmaktadır. Bu nedenle de taşıyıcı kiriş kesitlerinin bu değerler dikkate alınarak seçilmesi gerekmektedir. Bu krenlerin taşıyıcı sistemlerindeki değişik bağlantılarla farklı taşıma kapasitelerinde ve bum açıklıklarında kren tipleri elde etme imkanı vardır. Kafes kiriş ana bumun ve taşıyıcı sistemin standartlarla verilen hesaplama yöntemlerinde statik hesap yöntemleri öngörülmüştür.. Bu güne kadar bu konuda bir çok çalışma yapılmıştır. Bunlardan Kühne ve Kohlhas [2] bilgisayar destekli gerilme ve stabilize analizini yapmıştır. Çeliktaş ve Kleeberger [3] mobil krenlerde normları incelemiştir. Çeliktaş [4] aynı zamanda gezer kren ana kirişi üzerindeki sehimi incelemiştir. Bu çalışmada ise kule krenin kafes kirişi modellenmiş ve analizi yükün farklı konumları için yapılmıştır. 2. SONLU ELEMANLAR MODELİ Kule kren kafes kiriş yapısında değişik boyutlarda profiller kullanılmaktadır. Sonlu elemanlar yöntemi ile analizi yapılırken kafes kiriş üzerindeki profillerin modellenmesi gerekir. Yapısı ve özellikleri nedeni ile kule krenin ana parçaları modellenirken çubuk ve kiriş elemanlar kullanılmıştır. 2.1 Çubuk Eleman İki düğüm noktalı bir çubuk elemanın rijitlik matrisi + 1-1' -1 +1 (1) Burada; L G Ix : Çubuk uzunluğu : Kayma modülü : Atalet momenti 346
Üç boyutlu elemanın yer değiştirme matrisi : Burada ; T}{d} (2) [T] {dm} {d} : Döndürme transformasyon matrisi : Bulunduğu eksene göre düğümün serbestliği : Global eksene göre düğümün serbestliği olarak ifade edilmektedir. Rijitlik matrisi : } (3) Yukarıdaki eşitliklerden global eksene göre rijitlik matrisi; (4) [khtf [km][t] (5) olarak yazılmaktadır. 2.2. Kiriş Eleman Kule krenin modellenmesi sırasında destek kolu, yan destek kolu ve destek kirişinin sonlu elemanlar modelinde kiriş eleman kullanılmaktadır. Bu elemanın rijitlik matrisi; (6) Burada AE\I -I] W -ı ı\ m [T] ı rtj 0 0 0 \2x6=\0 o 0 (8) A: Elemanın kesit alanı E : Elastisite modülü L : Elemanın boyu şeklinde verilmektedir. 347
3. DIŞ KUVVETLER VE SINIR ŞARTLARI Kule krenin üzerine etki eden dış kuvvetler sonlu elemanlar ile hesaplama yönteminde önemli bir sınır koşuludur. Kaldırma yükü, karşı ağırlık, kaldırma tahrik sistemleri, kule krenin kafes kiriş taşıyıcı sisteminin ağırlığı ve rüzgar yükü etki eden dış kuvvetlerdir (Tablo 1). Rüzgar yükünün hesaplanmasında ISO 4302 [5] ile verilen hesaplama kriterleri dikkate alınmıştır. Kule krenin sonlu elemanlar yöntemi ile analizi yapılırken önemli diğer bir girdi olan sınır şartlarının doğru belirlenmesi gerekir. Alt hareket parçası ve destek kirişinin bağlandığı noktalarda x, y ve z eksenleri yönünde şekil değiştirme ve dönme serbestliği yoktur. Karşı bumun, bum ucunun, yan destek kolunun ve destek kolunun kule ucuna bağlandığı yerlerde sadece x ekseni yönünde dönme serbestliği vardır. Aynı şart yan destek kolunun karşı buma ve destek kolunun bum ara parçalarına bağlandığı yerde de geçerlidir. Kule krenin ana bumu üzerinde hareket eden yükler analiz programında beş farklı noktada incelenmiştir. Bunlar yükün bum ucundan 2.99 m uzaklıkta olduğu (LP1); 14,77 m uzaklıkta olduğu (LP2); 25,96 m uzaklıkta olduğu (LP3) ; 32,7 m uzaklıkta olduğu (LP4) ve en uç konumda olduğu (LP5) durumda incelenmiştir. Tablo 1. Kren Üzerine Etki Eden Dış Kuvvetler DIŞ KUVVETLER (N) Kaldırma Yükü Kanca + Araba Karşı Kütle Tahrik sistemi Rüzgar Yükü 29000 9130 91OUU 40100 i25...436î>0 4. KULE KRENİN ÖZELLİKLERİ VE ANA PARÇALARI Bu çalışmada kullanılan kafes kiriş taşıyıcı kren 40 m bum açıklığına ve 30 m bum yüksekliğine sahiptir. Taşıma kapasitesi 40 m bum için 2900 kg'dır. Modellemesi ve analizi yapılan kule krenin bumu her biri standart olan farklı parçalardan oluşmuştur. Bu parçaların ilavesi veya çıkarılması ile kule kren bumu uzatılabilir veya kısaltılabilir. Kullanılan kule kreninin ana kirişindeki parçalar Şekil 1 ve bu parçaların boyutları Tablo 2 'de verilmiştir. 5. SONLU ELEMANLAR YÖNTEMİ İLE BULUNAN DEĞERLER Bu çalışmada 40 m bum açıklığında ve 30 m kaldırma yüksekliğinde ve 2900 kg taşıma kapasitesinde kule krenin teknik değerleri kullanılmıştır. Şekil 2, Şekil 3, Şekil 4, Şekil 5 ve Şekil 6 da elemanların farklı yük pozisyonlarındaki yer değiştirmeler taşıyıcı kiriş elemanlarına göre incelenmiştir. Şekil 2 ile ana bumun alt hattındaki kirişlerde yükün beş farklı konumda bulunması durumundaki yer değiştirmeler görülmektedir. Bu elemanda en büyük yer değiştirme yük bum ucundan 14,77 m uzakta olduğu (LP2) konumunda meydana gelmektedir. Yer değiştirmelerin 0 olduğu konum bumun destek kolu ile bağlandığı yerdir. Şekil 3'de ana bumun üst hattındaki kirişlerde ki yer değiştirmeler görülmektedir. Alt ve üst hattaki yer değiştirme değerleri aynı karakter göstermekle birlikte bumun en uçtaki noktalarında alt hatta daha büyük bir değer görülmektedir. Karşı bumdaki yer değiştirme değeri Şekil 4 ile görülmektedir. Şekil 5 ve Şekil 6 ile destek kolundaki ve yan destek kolundaki yer değiştirme değerleri görülmektedir. 348
Yan Destek Kolu Kule Ucu Destek Kolu Karşı Bum Bum Ara Parçası (2) Kabin Destek Kirişi Bum Temeli AH Hareket Parçaları Şekil 1. Kule Krenin Parçaları Tablo 2. Bum Ana Parçalarının Boyutları»Kullanılan Profiller, Sonlu Eleman Sayısı ve Düğüm Noktalarının Sayısı Bum Parçaları Noktasının Karşı Bum Uzunlukla (m) 13,11 Kullanılan Profiller 1400,1 160,070x5 Eleman Sayısı 233 Düğüm Savısı 223 Bum Ucu 12,24 0100x100x6,076x76x5,0150x150x6,070x5 475 433 Bum Ara Parçalan (1) 12,3 0100x100x6, 076x76x5, 076x5 519 481 Bum Ara Parçalan (2) 10,3 0100x100x6, O76x76x5, 076x5 595 551 Bum Başı 6,51 0100x100x6, O76x76x5, 076x5 306 282 Yan Destek 11,4 0 60 228 230 Destek Kolu 27,9 O 100x100 279 280 349
v: * * / - s*.,3' -,«'* -.3" * o + LPl LP2 LP3 LP4 u A LP5 - - - *, t * «Radyüs (m) 1.K4İİ Şekil 2. Farklı yük konumlarında bumun alt hattında yer değiştirme değerleri I. «t - 3 :,^1111 f { * ü \ ^....,. \ "fti a Ö * LPl o LP2 + LP3 D LP4 ; A LP 5 - Radyüs (m) i. r. + ı a. # f + e * Şekil 3. Farklı yük konumlarında bumun üst hattındaki yer değiştirme değerleri 350
E a* t, «9 E * a \ *, * t + * *,*!+** Radyüs (m) Şekil 4. Karşı bumdaki yer değiştirme değeri S* - -2.»» -93 y t" '"X : * LP 1 _ LP 2 + LP 3 _ LP4 A LP 5 ı. e t 9 ı. 9 + 9 1 Radyüs (m) Şekil 5. Farklı yük konumlarında Destek Kolundaki yer değiştirme değerleri 351
\ \ A / / : «. «t * 4.» e + ı. t e ı Radyüs(m) Şekil 6 Yan Destek Kolundaki yer değiştirme değeri 6. SONUÇLAR Arabanın alt ve üst hattındaki yer değiştirme değerleri bumun uç kısmı dışında aynı değerdedir. Bu durum maksimum 20 mm dir. Ana bumun destek kolu ile bağlandığı yerde yer değiştirme değeri O'dır. Karşı bumda hareket eden yük olmadığı için karşı ağırlık yer değiştirmeye sebep olmaktadır. Bu değer 50 mm 'dir. Aynı durum yan destek kolu içinde geçerlidir.buradaki maksimum yer değiştirme 70 mm'dir. Destek kolundaki yer değiştirmeler yükün durumuna bağlı olarak değişmektedir. En büyük yer değiştirme yükün en uç konumda bulunması durumunda (65 mm) meydana gelmektedir. 7. REFERANSLAR [1] LIEBHERR, Turmdrehkran 112 EC-H 10 Catalogue, Deutschland, (1998). [2] Kuehne, M., & Kohlhas, G.," Computer-aided stress and stability analysis of crane structures using beam models". Stahlbau, 66(8) (1997), 517-523. [3] Çeliktaş, M., & Kleeberger, M. Dynamische Belastung beim Lastheben: Ein Vergleich von dynamischer und quasistatischer Berechnung" Fördern und Heben, 47(6) (1997), 430-431. [4] Çeliktaş, M., "Calculation of deflection on the crane main girder caused by the running of the trolley över the bridge cranes (an application of the method of finite elements)", A.M.S.E. Modeling, Measurement and Control, 64(1-2) (1997), 47-56. [5] International Standard, Cranes - Wind load assessment, Ref. No. ISO 4302-1981 (E). 352
TMMOB Makina Mühendisleri Odası İş Makinaları Sempozyumu ve Sergisi - 2003 6-7 Eylül 2003 MODERN YOL MAKİNALARI TİMUÇİN ÖZSÖYLEV E-mail : ozsoylev@mail.com http : //ozsoylev.tripod.com Tel/fax : 0216-3240153 Gsm : 0532-416 13 87
A) GEÇMİŞTEN GÜNÜMÜZE Geriye doğru, yol yapım makinalarının tarihine baktığımızda, farklı dizayn ve konsepte, kendi döneminde iz bırakmış, piyasaları alt üst etmiş bir çok makinanın hemen hepsinin yok olup gittiğini görüyoruz. Bunun yanı sıra, yol yapım şirketlerinde çalışan bilmem-kaç isimsiz mucidin bu makinaların şekillenmesinde ve gelişmesinde nasıl büyük rol oynadıklarını öğreniyoruz. İmalatçıların dönemin teknolojilerini üretimlerinde sonuna kadar nasıl zorladıklarını anlıyoruz. Günümüz modern makinaların, yol yapımında sağladıkları avantajları ve son derece pratik uygulamaları anlamaya çalışıyor ve bu makinaların ataları sayılabilecek başlangıçtan bugüne kullanılan yol yapım makinalarında gerçekleşen inanılmaz gelişmeler olduğunu hayretle okuyoruz. El emeği ile çok zor şartlarda toz bulutu ve zift buharı içinde verilen uğraşlardan, günümüzün modern makinalarında klimalı konforlu kabinlerinde ve sadece joy-stick ile manupülasyon hareketleri yapması gereken operatörlerin çalışma şartlarını mukayese bile edemiyoruz. Uygarlığa giden yollar İnsan oğlunun yürüdüğü ilk günden bugüne kadar yaratılan patikadan transit yollara, ekspres yollardan otobanlara her yol yapımı, uygarlığa uzanan birer adım olmuşlardır. Atalarımızın yüz yıllar boyunca yarattıkları yollar bugün varılan medeniyetin kan damarlarını oluşturmuşlardır. Herhangi bir yol yapımı birçok aşamadan geçmektedir. Bunlar genel olarak sekiz sınıfta toplanabilir : 1. Detaylı haritalama 2. Yol dizaynı 3. Arazinin açılması 4. Hafriyat 5. Özel; köprü, tünel, drenaj gibi, sanat yapılarının inşaası 6. Tesviye ve sıkıştırma 7. Asfalt serilmesi 8. Yol aksesuarlarının; ışıklar, işaretler, bariyerler vb yerleştirilmesi B) SEKSEN SONRASI MAKİNA TEKNOLOJİSİ Silindirler kendi yaptıkları işleri kontrol ediyor Seksenlerin ortasından itibaren, tüm dünyadaki fabrikalarda vibrasyonlu silindirler üretilmeye başlandı. Bunların çoğunluğu tandem, kombi, kendinden tahrikli özel amaçlı silindirlerdi. Vibrasyonlu silindirler bütün yol projelerinde kullanıldı ve bu alanda standart makine konumuna geldi. Burada bahsedilmesi gereken şey, elektrik ve elektroniğin bu makinalarda yaygın şekilde kullanılmasıdır. Bu yeni teknik ve metotla bir çok avantaj sağlanmıştır. Örneğin, makine çalışırken ne kadar enerjinin zemine yansıtıldığı kontrol edilerek zeminin ne kadar sıkıştırıldığı anında operatör kabinindeki göstergelerle kontrol edilebilmekte ve ne fazla nede az ancak gerektiği kadar sıkıştırma yapılarak büyük ölçüde zaman ve enerji tasarrufu sağlanmıştır. Bu alanda, İsveç'li Geoteknikçiler önderlik yapmışlardır. Fakat modası geçmiş olarak kabul edilen, statik üç tekerlekli silindiler bazı projelerde hala kullanılmaya devam etti. Özellikle.sıkıştırılması zor yüzeylerde ince, hızlı soğuyan aşınma tabakaları için statik silindirlerle daha iyi sonuçlar alınmaktaydı. Bu nedenle; örneğin Bomag yakın geçmişte yeniden statik silindir üretimini başlattı. Aveling-Barford, Bitelli, Hamm ise üretimlerine devam etti. 354