Çelik I kesitli konsol kirişlerin yanal burulmalı burkulmasının deneysel ve analitik olarak incelenmesi

Abstract

Çelik I kesitli profillerin yapılarda konsol kiriş olarak düzenlenmesi sık karşılaşılan bir durumdur ve bu elemanlar çoğunlukla kesitin kuvvetli ekseni etrafında basit eğilme etkisi altında bulunurlar. Kullanılan malzemenin mekanik özelliklerine, kesitin boyutlarına ve konsol kirişin boyuna bağlı olarak bu elemanlarda yanal burulmalı burkulma gibi stabilite problemleri oluşabilir. Yanal burulmalı burkulma durumunun oluşması, elemanın sınır şartlarına, kesit özelliklerine ve kullanılan malzemenin mekanik özelliklerine bağlıdır, fakat enkesit süreksizlikleri ve elemandaki geometrik kusurlar gibi etkenler de yanal burulmalı burkulma halinin oluşmasında etkili olabilmektedir. Bu bakımdan analitik çalışmaların yanı sıra deneysel çalışmalar ile de sonuçların elde edilmesi ve karşılaştırılmaların yapılması yararlı olmaktadır. Bu çalışmada, I kesitli konsol kirişlerin kritik yanal burulmalı burkulma yükünün farklı yük tipleri için bulunabilmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla deneysel ve analitik çalışmalar yapılmıştır. Yanal burulmalı burkulmanın diferansiyel denkleminin Sonlu Farklar Yöntemi ile çözümü temel alınarak Enerji Yöntemi ile bir tasarım denklemi geliştirilmiştir. Bu denklem ile hesaplanan elastik kritik yanal burulmalı burkulma momenti sonuçları ABAQUS yazılımı ile kontrol edilerek sonuçların karşılaştırılması yapılmış ve uyumlu olduğu saptanmıştır. Çalışmanın deneysel kısmında serbest ucundan tekil yük etki eden konsol kiriş şeklinde düzenlenmiş 9 adet IPE100 kesitli elemanın kritik yanal burulmalı burkulma yükleri tespit edilmiştir. Deneylerde elde edilen sonuçlar ile geliştirilen tasarım denkleminin sonuçlarının örtüştüğü görülmüştür. Deney sonuçları ayrıca ABAQUS yazılımı ile de kontrol edilmiştir. Deneyler ve analitik çalışmaların sonucunda, I kesitli konsol kirişlerin ilk akma momenti, tam plastik moment ve elastik kritik yanal burulmalı burkulma momenti değerlerine bağlı olarak tasarımda kullanılacak nominal moment değerlerini hesaplamayı mümkün kılan bir tasarım prosedürü sunulmuştur. Bu tasarım prosedürü kesitin üst başlık, kesme merkezi ve alt başlığından yüklenmesi özel hallerini kapsamaktadır. Sunulan tasarım prosedürü ile hesaplanan nominal moment değerleri AISC360- 10 ve EC3 yönetmeliklerinde verilen yöntemlerle hesaplanan nominal moment değerleri ile de karşılaştırılmış ve yorumları yapılmıştır.

Arrangement of steel I sections as cantilevers is a common application in structures. These structural elements are generally under bending about their strong axis. Depending on mechanical properties of the structural material, section dimensions and cantilever length, stability problems may occur on these structural elements such as lateral torsional buckling. Occurring of lateral torsional buckling case is related to boundary conditions, section properties and mechanical properties of the structural material, however, parameters like section discontinuities and imperfections may be effective on lateral torsional buckling. Therefore, it is useful to conduct experiments and make comparisons between analytical and experimental results. In this study, obtaining critical lateral torsional buckling loads for different loading cases is aimed. For this purpose experimental and analytical studies are made. A design formula is developed with energy method based on solution of differential equation of lateral torsional buckling with finite differences method. It is seen that elastic critical lateral torsional buckling moment values determined by presented formula and ABAQUS software coincide. In experimental part of the study, lateral torsional buckling loads of 9 IPE100 specimens, which are loaded with a concentrated load from their free end, are obtained. It is seen that results obtained from experiments and presented formula are similar. Experimental results are also checked with ABAQUS software. As a product of experimental and analytical studies, a design procedure is presented in the study which allows to calculate nominal and design moments for cantilever I sections by considering first yield moment, full plastic moment and elastic critical lateral torsional buckling moment values. This design procedure includes top flange, shear center and bottom flange loading cases. Nominal moment values calculated by presented design procedure are compared by values calculated by procedures given in AISC360 and EC3 codes.