Çelik Yapılarda Tasarım Yöntemleri

Kuşkusuz bir yapı elemanını boyutlandırırken seçilen kesitin uygulanan yükler etkisinde emniyetli ve ekonomik olması gerekmektedir.

Ekonomikliğin ölçüsü yapıda sarfedilen çelik ağırlığının minimum olmasıdır ki, bu da çelik yapı elemanının en küçük enkesit alanına sahip olmasını gerektirir.

Kesit seçiminde montaj sırasındaki koşulları kolaylaştırmak da bir etken olabilir, ama ikinci derecede önem taşır.

Çelik Yapı elemanlarının tasarımı için yukarıda bahsedilen çerçeve içinde faydalanılabilecek üç farklı yaklaşım mevcuttur:

1- Emniyet Gerilmeleri Yöntemi (Allowable Stres Design - ASD)

Boyutlandırma sırasında; bir elemana ait enkesit alanı ve/veya enkesit atalet momenti gibi büyüklükler, bu elemanda oluşacak gerilmelerin “emniyet gerilmesi” (“oluşmasına izin verilen en büyük gerilme”) değerinden küçük olmasını sağlayacak yeterlikte olmalıdır. Bu emniyet gerilmesi değeri mutlaka malzemenin elastik davrandığı bölgede olmalı ve akma gerilmesinden küçük olmalıdır.

Emniyet gerilmesi, akma gerilmesini belli bir emniyet katsayısına bölmek suretiyle elde edilir. Emniyet gerilmesi yönteminde kullanılan yükler “işletme yükleri” olmalıdır.

Özetle, bu yöntemde işletme yükleri etkisinde elemanlarda oluşan gerilmeler, hiçbir zaman emniyet gerilmesinden büyük olmamalıdır. İşletme yükleri, “servis yükleri” olarak da adlandırılabilirler.

Bu yönteme göre örneğin maruz kaldığı işletme yükü etkisinde yalnızca normal gerilme meydana gelen bir çelik yapı elemanında meydana gelen gerilme σ , emniyet gerilmesi olan σ em den daha küçük veya eşit olmalıdır. σ ≤σ em σ em ise şöyle belirlenir:

F F em ν σ σ = (1)

Burada σ F Şekil 3(b)’ de görülen akma gerilmesidir. ν F ise emniyet katsayısıdır.

 

2- Plastik Tasarım (Plastic Design)

Plastik tasarımda, işletme yükleri yerine “taşıma gücüne ulaşma durumu” dikkate alınır. Bu yaklaşımda elemanlar, işletme yüklerinden bayağı büyük yükler dikkate alınarak belirlenir.

Burada taşıma gücüne ulaşma ile kastedilen göçme veya çok büyük deformasyonların oluşmasıdır.

Taşıma gücüne ulaşma sırasında elemanın bazı kısımlarında plastikleşmenin oluşmasına neden olacak kadar çok büyük şekil değiştirmeler ortaya çıkar.

Ayrıca çeşitli noktalarda enkesitlerin yükseklikleri boyunca tamamen plastikleşmesi nedeniyle plastik mafsallar da ortaya çıkacaktır.

Plastik mafsal sayısının artması yapıda “göçme mekanizması” oluşturur. Gerçek yükler, elemanları taşıma gücüne ulaştıran yüklerden daima emniyet katsayısı kadar daha küçük olacakları için, bu yöntemle boyutlandırılan elemanlar emniyetsiz olmaz.

Kabaca plastik tasarım şöyle özetlenebilir:

1- “Servis yükleri”, “taşıma gücü yükleri”ni elde etmek için yük katsayısı ile çarpılarak büyütülür.

2- Bu yükler altında taşıma gücüne ulaşmayacak biçimde enkesit özellikleri belirlenir. (Bu özelliklere sahip bir eleman katsayı ile çarpılarak büyütülmüş yükler etkisinde taşıma gücüne ulaşma sınırındadır.)

3- Belirlenen enkesit özelliklerine sahip en hafif enkesit seçilir.

 

3- Yük ve Mukavemet Faktörü İlkesi (Load and Resistance Factor Design - LRFD)

Olasılık esaslı olan bu yaklaşım plastik tasarıma benzemektedir çünkü limit durumlar dikkate alınır.

Genel felsefe kısaca şu formülle özetlenebilir:

Rn i Qi φ ≥ ∑γ

Bu denklemin sol tarafı yapı ve yapı elemanlarının mukavemetini, sağ tarafı ise dış yükleri ifade eder.

Bu yöntemde servis yükleri yük katsayıları ( i γ ) ile çarpılırlar ve elemanlar katsayılarla çarpılıp arttırılmış yükleri karşılayabilecek şekilde seçilirler.

Katsayılarla çarpılmış yükler taşıma gücüne ulaşma durumunu ifade ettiklerinden gerçekte var olan servis yüklerinden büyüktürler ve dolayısıyla yük katsayıları da 1’den büyüktürler.

Bu yükler elemanları limit durumlara ulaştırırlar; limit durumlar ise kırılma, akma veya burkulma olabilir.

Bunun yanı sıra, elemanların teorik mukavemetleri ise 0,75-1 aralığındaki azaltma faktörleri (φ ) ile çarpılır. Ülkemizde yürürlükte olan “Çelik Yapıların Hesap ve Yapım Kuralları, TS 648/ Aralık 1980” şartnamesi Emniyet Gerilmeleri Yöntemi’ ni esas almaktadır.

Dolayısıyla Çelik Yapılar I dersinde anlatılacak esaslar ve hesap yöntemleri Emniyet Gerilmeleri Yöntemi’ ne göredir.

Öte yandan TSE tarafından yürürlükte olduğu ilan edilen TS EN 1993-1-1 (Eurocode 3) şartnamesinde ise taşıma gücüne dayalı tasarım ilkesi kabul edilmiş olmasına rağmen, bu şartname ülkemizde pratikte çok az bir uygulama alanı bulmuştur.

ABD’ de 2005 yılında yayınlanan en son Çelik Yapı Şartnamesi hem “Emniyet Gerilmeleri Yöntemi”, hem de “Yük ve Mukavemet Faktörü İlkesi” ni eş zamanlı olarak içermektedir.

Ayrıca, “Çelik Yapıların Plastik Teoriye Göre Hesap Kuralları, TS 4561/ Ekim 1985” şartnamesi de belirli koşulları sağlayan yapıların “Plastik Tasarım” yöntemiyle boyutlandırılması sırasında kullanılabilir.