Numerical fatigue strength assessment of welded steel structures

Tekrarlı yüklemelere maruz bırakılan makina parçalarında ve/veya mekanik yapılarda oluşan hasarların başlıca nedeni yorulmadır. Hasar analizi sonuçlarına dayanılarak, imal edilen çelik yapılarda yorulma hasarının çoğu kez gerilme yığılmasının çok yüksek olduğu, çentik etkisine sahip kaynak geometrilerinden başladığı görülmüştür. Gerilme yığılmasının olduğu bölgelerin haricinde, bağlantının yorulma dayanımına etki eden çok sayıda faktör bulunmasından dolayı, kaynaklı bağlantı bölgeleri, ana taşıyıcı elemanlara göre çok daha düşük yorulma dayanımına sahiptir. Bahsi geçen faktörler arasında en önemli etkiye sahip olanlar, ısı tesiri altındaki bölgenin mikro yapısal etkileri ve kaynak işleminden dolayı meydana gelen artık gerilmelerdir. Artık gerilmeler ve ısı tesiri altındaki bölgenin mikro yapısal etkilerinin haricinde, kaynak işlemi sırasında kaynak dolgu malzemesinin bölgede meydana getireceği homojen olmayan yapı, kaynak işlemi sırasında genellikle işçilik kusurları sebebiyle meydana gelen kaynak bölgesindeki gözenekli yapı, işlem sırasında oluşan dikiş bindirmeleri gibi problemler bölgenin mekanik ve kimyasal kompozisyonunu değiştirmekte ve yapısal olarak yorulma dayanımının önemli ölçüde azalmasına neden olmaktadır. Bahsi geçen bu etmenler sebebiyle kaynaklı bölgenin özellikle kaynak dibi veya kaynak kökünden (yükleme şartına ve kaynak konfigürasyonuna bağlıdır) hasara uğraması kaçınılmazdır. Hasarı engellemek adına, akademisyenler ve mühendisler, ilgili bölgelerin yorulma mukavemetini arttırabilmek adına çeşitli yöntemler geliştirmişleridir. Kaynaklı bölgeye artık gerilmeyi giderebilmek adına ısıl işlem uygulanması, kaynak dibindeki gerilme karakteristiğinin değiştirilmesi (basma gerilmesi uygulanması) ve yapısal tasarımı , kaynaklı bölgeye gelebilecek gerilmeleri azaltmaya yönelik yeniden geliştirme bunlardan bazılarıdır. Çoğunlukla raylı taşımacılık, otomotiv endüstrisi, denizcilik endüstrisi alanında çalışan mühendisler için, yapısal tasarımda kaynaklı bağlantı kullanılması kaçınılmaz bir imalat yöntemidir. Bu nedenle, özellikle kaynaklı bağlantıların yorulma mukavemetinin bulunması ve kaynaklı bölgenin yorulma karakteristiğinin belirlenmesi, bu alanda çalışan mühendisler için çok önem arz etmektedir. Bu bahsedilen alanlardan başlamak şartıyla numerik veya analitik yöntemlerle kaynaklı bölgelerin yorulma mukavemetinin belirlenmesi adına birden fazla uluslararası standart ve kod geliştirilmiştir, geliştirilmektedir. Bu tez kapsamında bunlardan en önemlileri olan FKM, DVS1612 ve EuroCode 3 incelenmiştir. Her üç kod da kendine ait prensiplere, kaynak kalite parametrelerine ve yorulma mukavemetini tahakkuk etme teorilerine sahiptir. Bu kodların özet olarak nasıl işlediklerinden bahsetmeden önce bu tez kapsamında gerilme temelli yorulma mukavemeti değerlendirme metodu işlenmiştir. Dolayısıyla her üç kod da yapıdaki gerilmelerden yola çıkarak yorulma mukavemeti tayini yapmaktadır. İlk olarak FKM, Alman mühendis ve akademisyenler tarafından geliştirilen ve hala üzerinde çalışılan, analitik olarak yapıdaki ana taşıyıcıların ve kaynaklı bölgelerin yorulma mukavemeti tayini amacıyla, Avrupa başta olmak üzere dünyanın birçok yerinde kullanılan uluslararası bir teknik kılavuzdur. FKM kendi içinde, deneysel verilerden alınan parametreleri yine kendine ait teorileri kullanarak yapılarda yorulma mukavemeti tayini yapabilme kabiliyetine sahip prensipler içermektedir. Bu prensipleri oluşturan parametreler arasında: yorulma dayanımına en çok etki eden ortalama gerilmenin etkisi, geometrik çentik faktörleri, gerilmenin hesap edileceği bölgenin konumu gibi önemli kıstaslar yer almaktadır. FKM kılavuzu (kodu) mekanik yükler altında çalışan tüm yapısal tasarımlara uygulanabilmektedir. DVS 1612, yine Alman mühendis ve akademisyenler tarafından temelde raylı taşımacılık endsütrisinde kullanılmak üzere, kaynaklı yapılarda yorulma mukavemeti tayin etmek amacıyla geliştirilmiş / geliştirilmekte olan bir kılavuzdur. Kılavuz FKM 'de olduğu gibi kendine ait teoriler ve kaynak kalite parametereleri içermektedir. Bu parametreler vasıtasıyla yapıdaki kaynaklı alanların, verilen yükleme şartları altında yorulma dayanımını belirlemektedir. EN 1993-1-9 (EuroCode 3), İngiliz mühendisler ve akademisyenler tarafından geliştirilen ve kaynaklı bölgelerinin mukavemetini belirlemek amacıyla genellikle taşıyıcı yapılarda kullanılan uluslararası bir kılavuzdur. FKM ve DVS1612'de olduğu gibi, EuroCode 3 de kendine has kaynak kalite parametreleri ve yorulma dayanımını tayin edebilmek amacıyla teoriler barındırmaktadır. Diğer iki teoriden en önemli farkı, ortalama gerilme etkisinin bu kılavuz kapsamında, yapıdaki kaynaklı bölgelerinin yorulma mukavemetini tayin etmek üzere kullanılmaması / hesaba katılmamasıdır. Bahsedilen her üç teori de dünyanın birçok yerinde mekanik yapısal tasarım aşamasında kullanılmaktadır. Tez kapsamında, bahsi geçen üç kod, bir demiryolu aracının yorulma mukavemetini tayin etmek amacıyla kullanılmıştır. İstanbul Teknik Üniversitesi Mukavemet ve Biyomekanik Laboratuvarı akademisyenleri tarafından sayısal ve deneysel gerilme analizleri başarıyla yapılmış olan bu yük taşıma vagonunun yorulma dayanımının belirlenmesi amacıyla LIMIT yazılımı kullanılmıştır. LIMIT yazılımı, kendi içinde yukarıda bahsi geçen her üç kılavuzu da kullanabilmektedir. Tüm sayısal gerilme analizi çalışmaları İstanbul Teknik Üniversitesi Mukavemet ve Biyomekanik Laboratuvarı'nda bulunan süper bilgisayarlar aracılığıyla yapılmıştır. Sayısal vagon modelinin oluşturulması ve yükleme şartlarının vagona sonlu elemanlar ortamında uygulanması işlemi Hypermesh 13.0 yazılımı ile yapılmıştır. Oluşturulan sayısal vagon modeli, ABAQUS 6.13 programında çözdürülmüş ve sonuçlar, yorulma mukavemetinin tayin edilmesi amacıyla LIMIT yazılıma aktarılmıştır. Birbirine bağlı şekilde yapılan tüm nümerik çalışmalar neticesinde, daha önce bahsi geçen her üç kılavuz doğultusunda demiryolu yük vagonunun yorulma mukavemeti tayini yapılmıştır. Yapılan çalışmalar ve sonuçlar doğultusunda, değişken mekanik yükler altında çalışan makina parçaları ve mekanik yapıların kaynaklı bölgelerinin yorulma tayini yapılması çok fazla önem arzetmektedir. Yapıların hem statik, hem de dinamik yükler altında çalışması sebebiyle, statik ve yorulma dayanımlarının, yapının hem ana taşıyıcılarında hem de birleşim noktalarında, kaynak, yapılması gerekmektedir. Kaynaklı bölgelerde yapılan yorulma mukavemeti tayini, yapının hem ana tasarımını değiştirebileceği gibi, yapının kritik bölgelerinde tahribatsız periyodik muayene yapılması gerekliliğini ve kaynak işlemi sonrası kaynaklı bölgede iyileştirme çalışması yapılması gerekliliğini de ortaya çıkarabilmektedir. Çalışmanın sonucu olarak, kaynaklı bölgelerin yorulma karakteristiğinin incelenmesi ile yapısal tasarım arasında güçlü bir bağ bulunmaktadır. Kaynaklı bölgelerin yorulma dayaınımın arttırılması, tasarımın değiştirilmesi ile mümkün olacağı gibi, kaynak işlemi sonrası kaynaklı bölgede iyileştirme çalışmalarının yapılması ve yapının ek parçalar ile güçlendirilmesi ile de mümkündür. Yapının ek parçalar ile güçlendirilmesi yapıya ek bir kaynak getirmesi sebebiyle, temel olarak yapının yorulma mukavemetinin belirlenmesi ve güvenli tasarımın ortaya çıkarılabilmesi, yapının gerilme durumunun çok iyi okunabilmesi ile mümkündür.