Determination of effective breadth width of stiffened steel plate structures based on nonlinear finite element analysis

Basınç veya patlama yükleri gibi düzlem dışı yüklemeler altında kullanılan çelik plakaların ekonomik ve efektif tasarımı plaka kalınlığını arttırmak yerine takviye elemanları kullanılarak yapılabilmektedir. Bu yüzden, takviyeli çelik plaka yapıları sıklıkla farklı endüstri alanlarında çeşitli amaçlarla kullanılmaktadır. Deniz yapıları için, gemi iskeletlerinde kullanılarak rüzgâr, hidrostatik ve dinamik basınca karşı çalışması sağlanır. Havacılık ve uzay mühendisliğinde özellikle rüzgâr basıncına karşı bu yapılar inşa edilmektedir. Benzer şekilde, bu tip yapılar yangın, patlama ve zehirli madde tehlikesinin yüksek şekilde bulunduğu petrokimya sanayilerinde kullanılan kıyı ve açık deniz platformlarının yönetim odalarında, ofis binalarında ve yaşam alanlarında, patlama duvarı ve patlamaya dayanıklı yapılar olarak kullanılmaktadır. Takviyeli çelik plaka yapılarında en yüksek dayanım, rijitlik ve duvar ile takviye elemanı arasında gerekli kaynak bağlantısı, plakanın efektif genişliğine bağlıdır. Bu genişlik plakanın takviye elemanı ile birlikte üst başlık gibi çalışan kısmı ya da uzunluğudur. Plakaların efektif genişliği, basınç, rüzgâr ve patlama gibi düzlem dışı yüklemeler altında plakada oluşan doğrusal olmayan gerilmelere bağlı olarak hesaplanır. Her ne kadar efektif genişlik alanında soğuk biçimlenmiş çelik sistemler için birçok çalışma bulunsa da bunlar genel olarak düzlem içi yüklemelere odaklanan çalışmalardır. Diğer bir deyişle, düzlem dışı yüklemeler altında takviyeli çelik plaka yapılarının efektif genişliğini hesaplamak için tasarım esaslarını oluşturacak çalışmalara ihtiyaç duyulmaktadır. Çalışmanın ilk kısmında, takviyeli çelik plaka yapılarının doğrusal olmayan çoklu elemanlar modelleri, genel amaçlı sonlu eleman programı Abaqus CAE ile yapılmıştır. Plaka tarafından taşınan eksenel yükü belirlemek için hesaplanan efektif genişlik, plaka genişliği ve kalınlığı boyunca düzlem dışı basınç sonucu oluşan gerilmelere bağlı olarak hesaplanmıştır. Literatür de tanımlandığı şekilde, plakaların efektif genişliği aynı eksenel kuvveti taşıyacak, fakat oluşan maksimum doğrusal olmayan gerilme dağılımına denk gelen, hesaplanmış tekdüze olan gerilme dağılımının genişliği olarak belirlenmiştir. Yapının tasarım parametrelerini oluşturan plaka kalınlığı, takviye elemanları arası genişliği ve profil tipi, parametrik çalışma ile incelenerek efektif genişlik üzerine olan etkisi incelenmiştir. Bu amaçla; 150 cm'den 75 cm'ye kadar olan takviye elemanlar arası genişlik, 30 mm'den 10 mm'ye kadar değişen plaka kalınlıkları ve 4 farklı takviye elemanı tipi parametrik olarak incelenmiştir. Tezin ikincisi kısmında, yapıların etkin genişliği basit kiriş modellemesi kullanılarak değerlendirilmiştir. Bu metotta, yapılar basit bir kiriş olarak modellenmeye çalışılmıştır, çünkü bu tip yapıların birçok kez modellenmesi ve analiz edilmesi çok fazla işlem zamanı, yüksek maliyetli sonlu elemanlar paketleri ve uzman mühendislik talep etmektedir. Bu amaçla, üç prototip yapı modellenmiştir. Bu yapılar sırasıyla; ilk plakada akma, ilk takviye elemanında akma ve takviye elemanı ile plakanın aynı anda aktığı üç durumu ayrı ayrı ele almaktadır. Aynı zamanda, tamamen aynı geometrik ve malzeme özelliklere sahip basit kirişler oluşturularak onların da analizi gerçekleştirilmiştir. Takviyeli çelik plaka yapıları ve basit kiriş modellerinin birbirleri ile olan ilişkileri mesnet reaksiyon tepkisi-yatay yer değiştirme eğrilerinin kıyaslanmasıyla sonucu belirlenmiştir. Özet ile, bu kısımda yapıların basit kiriş olarak modellenmesinin ne kadar doğru sonuç verdiği test edilmiştir.