Çelik yapısal elemanlarda blok kırılma sınır durumunun sonlu elemanlar yöntemi ile analizi

Abstract

Çelik yapılarda, çelik çaprazlı perdelerin çapraz elemanları, kafes kirişlerdeki çekme çubukları ve çatı makaslarının gergi elemanları eksenel çekme kuvveti etkisindeki çekme çubuklarına örnek olarak verilebilir. Çekme çubuklarının tasarımında akma, kırılma ve blok kırılma (kayma) sınır durumları dikkate alınarak hesaplama yapılmaktadır. Bu sınır durumlar hem kaynaklı hem de bulonlu uç birleşimleri bulunan çekme çubukları için geçerlidir. Blok kırılma, çekme elemanlarının birleşimlerinin yanısıra, eğilme elemanlarının moment aktaran bağlantıya sahip uçlarında çekme kuvvetinin oluştuğu bölümlerde ve kesme kuvvetinin aktarıldığı birleşimlerde hem elemanın hem de kullanılan bağ levhalarının üzerinde oluşabilen ve tasarımın dayanımını belirleyen bir göçme modudur. Yönetmelikler blok kırılma dayanımını tahmin etmek için denklemler önermektedir. Ancak bu denklemler kullanılarak her zaman yüksek doğrulukta tahminler yapılamayabilmektedir. Blok kırılma sınır durumu, çelik yapılarda çekme gerilmelerinin oluştuğu bölgelerde kontrol edilmesi gereken önemli bir göçme modudur. Blok kırılma kuvvete dik eksendeki alanların çekme kapasitesine, kuvvete paralel eksendeki alanların ise kesme kapasitesine ulaştığı bir sınır durumdur. Blok kırılmanın şeklini bağlantının geometrisi belirlemektedir. Yönetmeliklerde verilen analitik modeller ile blok kırılma sınır durumu kapasitesini belirlemek için olası bütün blok kırılma şekilleri için hesaplama yapmak ve kritik olanı belirlemek gerekmektedir. Farklı blok kırılma şekilleri için bulunan dayanımlardan en küçüğü blok kırılma dayanımını vermektedir. Bu işlem tasarım süresini oldukça uzatmaktadır. Ayrıca tasarımcının bazı kırılma şekillerini gözden kaçırma ihtimali de mevcuttur. Bu tez çalışmasında, çelik yapılarda kullanılan bulonlu uç bağlantılarda meydana gelen blok kırılma sınır durumu sonlu elemanlar yöntemi ile incelenmiştir. Ayrıca sonlu elemanlar yönteminin doğruluğunu teyit etmek için S235 kalitesinde 4 mm kalınlığında levhalara blok kırılma hasarı oluşacak şekilde bulonlu uç bağlantısı oluşturulmuş ve levhalarda eksenel çekme deneyi yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar mevcut yönetmeliklerin kullandığı kapasite denklemleri ve deneysel sonuçlar ile karşılaştırılmıştır.

Bracing elements, tension elements in lattice girders and roof trusses can be given as examples of elements under the influence of axial tensile force in steel structures. In the design of tension elements, calculation is made by taking into account the limit states of tensile yielding, tensile rupture and block shear rupture. These limit states apply to tension elements with both welded and bolted end connections. Block shear is a failure mode that determines the design strength of the connection. Block shear can occur on both the tension element and the plates used in the sections where the tensile force is formed at the ends of the bending elements with a moment connection, as well as in the connections where the shear force is transferred. The regulations recommend equations for estimating block shear strength. However, these equations may not always be able to predict with high accuracy. Limit state of block shear rupture is an important failure mode that must be controlled in areas where tensile force occurs in steel structures. Block shear is a limit state in which areas on the axis perpendicular to the force reach the tensile capacity, and areas on the axis parallel to the force reach the shear capacity. The geometry of the connection determines the shape of the block shear. In order to determine the block shear limit state capacity with the analytical models given in the regulations, it is necessary to perform calculations for all possible block shear paths and determine which is critical. The smallest of the strengths found for different paths of block shear gives block shear strength. This process greatly extends the design time. In addition, there is a possibility that the designer will miss some paths of block shear. In this thesis study, block shear failure occurring in bolted end connections used in steel structures was examined by finite element method. In addition, in order to verify the accuracy of the finite element method, bolted end connections are formed on S235 quality 4 mm thick plates and axial tensile test was performed on the plates. The obtained results were compared with the capacity equations used by the current regulations and experimental results.