Dayanım Esaslı Tasarım Felsefesi ve ideCAD Statik ile Tasarım Yapılan Yönetmelikler

Dayanım Esaslı Tasarımın Gelişim Süreci

Çelik Yapı Tasarımında Temel İlkeler

Günümüzde çelik eleman ve birleşimlerin tasarımında kullanılan 2 ana ilke vardır;

Güvenlik Gerilmeleri (Güncel hali - Güncel dayanımı) ile Tasarım
Taşıma Gücü (Limit Tasarım = Yük ve Güvenlik Katsayıları ile Tasarım)

Dayanım Esaslı Tasarım İçeren Yönetmelikler

Amerika : LRFD - 89’dan itibaren; AISC 360-05, AISC 360-10 AISC 360-16
Avrupa : EN 1993; EN 1993-2005
Avustralya : AS 4100-1998; AS 4100-2012
Kanada : CSA S16-09; CSA S16-14
Türkiye : TS 648 (1980); TÇY 2016

Çelik Yapıların Tasarımında Yaygın Olarak Kullanılan Yönetmelikler

Tasarım Yöntemleri

Güvenlik Gerilmeleri ile Tasarım - ASD 89 ve TS 648

Güvenlik Dayanım ile Tasarım - AISC 360-16 ASD ve TÇY 2016 GKT

Yük ve Dayanım Katsayıları ile Tasarım - AISC 360-16 LRFD; TÇY 2016 YDK ve EN 1993-1-1

Yapısal Güvenlik

Yapı, taşıyıcı eleman veya birleşimin güvenliği; tasarımda dikkate alınan ihtiyaçları karşılama yeterliliğidir.
Yapısal güvenlik; yükler, geometri, sınır şartlar, malzemelerin farklı davranışları nedeniyle olasılık analizi gerektirir.
Yapısal güvenlik; yapının kullanılabilirlik ve dayanıklılığını kapsar.

Yapıya etkiyen yüklerin; belirli bir katsayı ile arttırılması ve yapı elemanlarının kapasitesinin belirli katsayılar ile azaltılması yönetmeliklerce belirtilir.
Yukarıdaki formülde de görüldüğü gibi farklı yükler (düşey, sabit, hareketli, kar, rüzgar ve deprem vb.) tasarım mühendisinin yük tahminini eksik yapması olasılığına karşılık yük arttırma katsayısı ile çarpılır.

Kesit ve malzeme özelliklerine bağlı olarak belirlenen kapasite ise malzeme özelliklerindeki sapmalar, üretim hataları vb. etkiler göz önüne alınarak belirlenen azaltma katsayısı ile çarpılır.

GKT ve YDKT Tasarım Felsefeleri

GKT ile Tasarım

Güvenlik Katsayıları ile Tasarım; tüm yapısal elemanlar için güvenli dayanım değerinin, yönetmelikte bahsedilen yükler ve yük kombinasyonları altında hesaplanan gerekli dayanıma eşit veya büyük olması ilkesine dayanmaktadır.

5.2.3 - Güvenlik Katsayıları ile Tasarım (GKT)

Güvenlik Katsayıları ile Tasarım (GKT); tüm yapısal elemanlar için, güvenli dayanım, 'nın bu tasarım yöntemi için öngörülen ve Bölüm 5.3.2 de verilen GKT yük birleşimleri altında hesaplanan gerekli dayanım, R_a, değerine eşit veya daha büyük olması prensibine dayanmaktadır.

Buna göre, tasarım Denk.(5.2) de verilen koşula uygun olarak gerçekleştirilecektir.

Buradaki terimler aşağıda açıklanmıştır.

R_a : GKT yük birleşimi ile belirlenen gerekli dayanım.
R_n : Karakteristik dayanım.
Ω : Güvenlik katsayısı.
R_n/Ω : Güvenli dayanım.

Karakteristik dayanım, R_n, ve güvenlik katsayısı, Ω, ilgili bölümlerde (Bölüm7-14 ve 16) açıklanmaktadır.

GKT yük analizinde; bütün yük tipleri için aynı ortalama sapma değerini kullanır.

YDKT ile Tasarım

Yük ve Dayanım Katsayıları ile Tasarım; tüm yapısal elemanlar için tasarım dayanım değerinin, yönetmelikte bahsedilen yükler ve yük kombinasyonları altında hesaplanan gerekli dayanıma eşit veya büyük olması ilkesine dayanmaktadır.

5.2.2 - Yük ve Dayanım Katsayıları ile Tasarım (YDKT)

Yük ve Dayanım Katsayıları ile Tasarım (YDKT); tüm yapısal elemanlar için, tasarım dayanımı, 'nin bu tasarım yöntemi için öngörülen ve Bölüm 5.3.1 de verilen YDKT yük birleşimleri altında hesaplanan gerekli dayanım, R_u, değerine eşit veya daha büyük olması prensibine dayanmaktadır.

Buna göre, tasarım Denk.(5.1) de verilen koşula uygun olarak gerçekleştirilecektir.

Buradaki terimler aşağıda açıklanmıştır.

R_u : YDKT yük birleşimi ile belirlenen gerekli dayanım.

YDKT; her yük tipi için farklı yük arttırma katsayısı ve dayanım için farklı dayanım azaltma katsayısı kullanılır. Üniform bir güvenlik sağlar.

ASD ve LRFD Tasarım Felsefeleri

ASD ile Tasarım

Allowable Strength Design ( Emniyetli Dayanım ile Tasarım); tüm yapısal elemanlar için tasarım dayanım değerinin, yönetmelikte bahsedilen yükler ve yük kombinasyonları altında hesaplanan gerekli dayanıma eşit veya büyük olması ilkesine dayanmaktadır.

ASD yük analizinde; bütün yük tipleri için aynı ortalama sapma değerini kullanır.

LRFD ile Tasarım

Load and Resistance Factor Design (Yük ve Dayanım Katsayıları ile Tasarım); tüm yapısal elemanlar için tasarım dayanım değerinin, yönetmelikte bahsedilen yükler ve yük kombinasyonları altında hesaplanan gerekli dayanıma eşit veya büyük olması ilkesine dayanmaktadır.

LRFD; her yük tipi için farklı yük arttırma katsayısı ve dayanım için farklı dayanım azaltma katsayısı kullanılır. Üniform bir güvenlik sağlar.

TS EN 1993-1-1 Tasarım Felsefeleri

EN 1993-1-1

EN 1993-1-1 taşıma gücü yöntemine uygun olarak yapıya uygulanan yükün, yapının dayanımını aşmamalıdır.
EN 1993-1-1; farklı yük tiplerinin farklı oluşma olasılıkları ve farklı derecede değişkenlikleri olduğunu kabul eder.

Yüklerin beklenen değerin üzerinde oluşma durumları ve olasılıklarının da farklı olabileceğini kabul eder. Tüm bu nedenlerden ötürü farklı yükler için farklı yük kombinasyonları kullanılır.

Yönetmeliklerin Karşılaştırılması

Yönetmeliklerin Sınır Durum Katsayıları

Tasarım Felsefelerinin Karşılaştırılması

LRFD - YDKT; yük tahmini ve güvenlik katsayılarının belirlenmesinde gerçekleştirilen hassas istatiksel çalışmalar sayesinde daha gerçekçi yükleme kombinasyonları ile ASD - GKT’ye göre daha gerçeğe uygun yapı güvenliği sağlamaktadır.
LRFD - YDKT; yapı tasarımında gerçeğe daha uygun davranış modeli oluşturmaktadır.
LRFD - YDKT ve ASD - GKT; farklı limit durumları kullanarak tasarım kuralları oluşturur. Elastik ve plastik tasarım kuralları arasındaki fark nedeniyle ekonomik tasarım gerçekleştirilir.
LRFD - YDKT için yük tahmini ile ilgili istatiksel çalışmalar devam etmektedir, gelişime açıktır.
ASD - GKT ise yüzyılı geçkin bir süredir yaygın olarak mühendislerce kullanılması nedeniyle iyi bilinmektedir.
EN 1993-1-1 ise LRFD – YDKT gibi taşıma gücü ilkesine uygun tasarım yapmaya olanak tanır.
EN 1993-1-1; LRFD- YDKT göre oldukça detaylı kesit sınıflandırma, yük artırma katsayıları ve güvenlik katsayıları ile gerçek davranışa daha yakın tasarım sağlar.
EN 1993-1-1 ile tasarım prosedürü diğer yönetmeliklere göre karmaşık olmasına rağmen mühendislerin daha az insiyatif almasını sağlarken, LRFD – YDKT daha pratik çözüm üretmektedir.

Örnek Çözüm

Soru

Belirtilen yükler altında çelik kolonu HEB kesit kullanarak S355 malzeme ile tasarlayınız. Kolon alt ucu ankastre, üst ucu ise mafsallıdır.

Çözüm

Kolon üzerindeki eksenel kuvvetin belirlenmesi
Mesnet koşulunun belirlenmesi

i) Ön Tasarım

Seçim: HEB 240

EN 1993 – 1- 1 Çözümü:

ii) Burkulma boyu

x-z ekseni için: Mesnet koşulu: 0.7

x-y ekseni için: Mesnet koşulu: 0.7

L_ey = 0.7*8 = 5.6 m

L_ez = 0.7*8 = 5.6 m

iii) Narinlik kontrolü

iv) 'in Belirlenmesi

y için Eğri b (α=0.34)

z için Eğri c (α=0.49)

LRFD – YDKT ve ASD – GKT Çözümleri:

i) Yerel Burkulma Kontrolü

** Her iki yön içinde mesnet koşullarından k= 0.7

LRFD - YDKT

ASD - GKT

Tüm Sonuçların Karşılaştırılması

Yönetmeliklere ait yükleme kombinasyonlarının etkisi örneğe yansıtılmamış olup, sadece G yüklemesi altında tasarım karşılaştırması gerçekleştirilmiştir.

Sonraki Konu

Basınç Elemanlarında Yerel Burkulma