Ortotropik çelik tabliye tasarımının sem kullanılarak incelenmesi

Dünyada nicel veya nitel nedenlerden dolayı hasarlı bir çok ortotropik çelik karayolu köprüsü mevcuttur. Nicel nedenler arasında uygunsuz veya yanlış dizayn, işçilik veya malzeme kullanımı sayılırken, nitel nedenler olarak genelde trafik yükünde meydana gelen artış ve köprünün taşıyıcı sisteminin boyutlandırılması sayılır. Çoğunluğu 1960' lı yıllarda Almanya' da yapılmış olan bu köprülerde artan trafik/ taşıt yoğunluğu nedeniyle özellikle ağır taşıt şeritinde hasarlar görülmektedir. Bu çalışmada çelik karayolu köprülerinde hasar oluşumuna sebeb olan nitel nedenler konservatif statik tekerlek yükleri kullanılarak araştırılmaktadır. Araştırma esnasında köprü taşıyıcı sisteminin bir boyutu sürekli değiştirilirken diğer tüm boyutlar sabit tutulmaktadır. Bu araştırmayı yapabilmek için ortotropik çelik köprüyü oluşturan taşıyıcı elemanların her birinin boyut ve açıklıkları ANSYS- SEM (Sonlu Eleman Metodu) programında değişken olarak tanımlanmaktadır. Bunun için APDL (ANSYS Parametrik dizayn kodu) kullanılarak bir algoritma yazılmıştır. Giriş bölümünde ortotropik çelik tabliyelerin tarihsel gelişimi özetlenerek tanınmış ortotropik çelik köprülerden örnekler verilmiştir. Daha sonra, ortotropik çelik tabliyelerin genel dizaynı taşıyıcı sistem elemanlarıyla birlikte tanıtılmaktadır. En sonunda ise ortotropik çelik tabliyedeki iç kuvvet ve gerilmeleri elde etmek için kullanılan analiz metodları verilmektedir. İkinci bölümde çeliğin sünekliği, yani doğrusal olmayan malzeme davranışı (bünye deklemi) SEM ile incelenmektedir. Çeliğin sünek savranışı plastik mafsal oluşumuna sebeb olarak gerilme değerlerinin azalmasına ve yapı elemanlarının taşıma gücününartmasına neden olmaktadır. Gerilme hesaplarında çeliğin sünekliği ya hesaplarda basitleştirmeler yapılarak ya da doğrusal olmayan bünye denklemleri vasıtasıyla göz önüne alınmaktadır. Örneğin çelik kafeslerin gerilme hesabında çeliğin sünek davranışı çubukların birleşim noktalarında mafsallı oldukları varsayımıyla işlemlerin basitleştirilmesi olmaktadır. Çelik taşıyıcı sistemin bu basitleştirmeye olanak vermeyecek derecede karmaşık bir geometriye sahip olması durumunda, çeliğin sünekliğini hesaplarda göz önüne alabilmek için doğrusal olmayan bünye denklemleri doğrudan hesaplarda göz önüne alınmaktadırlar. Çelik taşıyıcı sistem elemanlarının karmaşık geometrilerini ve doğrusal olmayan malzeme davranışını gerilme hesaplarında bir arada göz önüne almak ancak SEM ile mümkün olmaktadır. Tabliye levhası, enleme kirişlerin içiden geçen boyuna nervürler, oyuk enleme kirişler, ana taşıyıcı kirişler ve yayaların geçişine olanak sağlayan köprü eklentilerinin oluşturduğu ortotropik çelik köprüler hem sünek davranış gösteren çelik malzemeden yapılmışlardır hem de karmaşık bir geometriye sahiptirler. Sonuç olarak, ortotropik çelik köprülerin gerilme hesabı çeliğin sünek davranışı nedeniyle gerilme azalması konusunu incelemek için mükemmel bir örnek teşkil etmektedir. Ortotropik çelik karayolu köprülerinin geleeksel detay ve boyutları Eurocode 3 Kısım 2 de verilmektedir. Bu çalışmanın kapsamında Eurocode 3 Kısım 2' de önerilen boyutlara ve çeliğin doğrusal olmayan malzeme davranışını temsil eden bünye denklemlerine dayanılarak köprünün bir SE- modeli hazırlanmaktadır. Süneklik nedeniyle gerilmelerde oluşan azalmanın gösterilmesi için hesaplar doğrusal ve doğrusal olmayan malzeme davranışları gözetilip tekrarlanmakta ve bulunan sonuçlar birbirleriyle karşılaştırılmaktadırlar. Bölüm 3 kapsamında ortotropik çelik tabliye kaplaması üniform yayılı yük olarak idealize edilmektedir. Ortotropik çelik köprünün boyutları Eurocode 3 Kısım 2' ye göre seçilerek köprü analizi için tasarlanmış bir SE- modeli ile incelenmiştir. Bu incelemede ortotropik çelik tabliye levhası kalınlığının 12, 14 ve 16 mm olması durumlarının sonuçlara etkileri araştırılmaktadır. Tabliye levhasının genleme değerleri üzerindeki etkisini ortaya koymak amacıyla hesap sonuçları birbirleriyle karşılaştırılarak sunulmaktadırlar. Bu genleme değerleri çelik köprünün taşıyıcı elamanlarında ortaya çıkan hasar büyüklüğünün göstergesi niteliğindedirler. Bölüm 4' de enleme kirişin gövde et kalınlığı ve açıklığının gerilme sonuçlarına etkisi araştırılmaktadır. Sonuç olarak enleme kirişin et kalınlığı ve açıklığına bağlı olarak boyutsal ve konstrüktif kurallar verilmektedir. Bölüm 5' de köprünün yorulma mukavemeti açısından hasar oluşumuna hassas dört bölgesi için yorulma ömrü hesaplanmaktadır. Bu bölgeler enleme kirişin oyulmuş kesiti, tabliye lavhasını boyuna nervüre bağlayan kaynaklar, boyuna nervürlerin kendileri ve tabliye levhasının kendisidir. En sonunda bu dört bölgenin yorulma ömürleri ve dizayn kategorilerine bağlı olarak sahip olmaları gereken boyut ve açıklıklar verilmektedir. Bölüm 6' da enleme kiriş açıklığına bağlı olarak boylama nervürlerin atalet momentleri Eurocode 3 Kısım 2' de önerildiği gibi seçilmektedir. Bu çalışmada yapılan Sonlu Eleman Analizleri (SEA) sonuçları Eurocode 3 Kısım 2' de verilen önerileri doğrulamaktadırlar. Bölüm 7' de trapez boyuna nervürlere yoğunlaşılmaktadır, çünkü trapez boyuna nervürler endüstride sıkça kullanılmaktadırlar. Trapez boyuna nervürlerin gövde eğiminin sonuçlara etkisi diğer boyutlar sabit tutularak SEM ile incelenmektedir. Sonuçlar göstermektedir ki, özellikle enleme kirişlerde ortaya çıkan gerilmeler ve tabliye levhasında gerçekleşen deplasmanlar trapez nervürlerin gövde eğimlerine bağlı olarak değişmektedirler. Bölüm 8' de tabliye levhası ve üstündeki kaplama içindeki gerilmelerdeki değişim kaplamanın elastik modulü, Poison oranı ve kalınlığına bağlı olarak incelenmektedir. Bölüm 9' da boylama nervürün genişliğinin yüksekliğine ve nervürler arası mesafenin tabliye levhası kalınlığına oranları, bu parametrelerin farklı değerleri için ortaya çıkan gerilmeler aracılığıyla incelemektedir. Bu çalışmada elde edilen sonuçlara dayanılarak trapez nervürlere sahip ortotropik çelik tabliyeler için önerilerde bulunulmaktadır. Son bölümde bulunan tüm sonuçlar belirtilerek üzerlerinde tartışılmakta ve tüm bölümlerin özeti verilmektedir. Anahtar Kelimeler:SEM, ortotropik çelik tabliye, karayolu köprüleri, kinematik pekleşme, süneklik, enleme kiriş, tabliye levhası, yorulma mukavemeti, boyuna nervür, gerilme analizi, tabliye üst kaplaması, bağ katmanı, Eurocode 3.