Soğuk Şekillendirilmiş Çelik Profillerin Yapısal Davranışı

Soğuk şekillendirilmiş çelik profil türleri

1980'lerin sonunda araştırmacılar, konutların seri üretimi için bazı kritik koşullar belirlediler ve soğuk şekillendirilmiş çelik profiller, bu koşulları elde etmek için bazı güçlü özelliklere sahipti [2].

• Yapı bileşenleri nispeten küçük, demonte ve mümkün olduğunca basit olmalıdır.
• Hat ve boru ağı, diğer yapı bileşenlerinden çok bağımsız olmalıdır.

İşletmede şu anda birkaç inşaat yöntemi kullanılıyor, ancak en yaygın yöntem stick-build yöntemidir. Bu yöntemde son montaj şantiyede yapılır. Farklı araştırmacılar tarafından birçok yönden (yapısal, termal, akustik) test edilen örnek bir duvar montajı Şekil 1'de gösterilmektedir [3]. Düşey yükler döşeme kirişleri ve duvar saplamaları ile taşınır. İnce, nispeten uzun çelik profiller bir o kadar basit ve demonte olup, mekanik sistem bileşenleri yapısal bileşenlerin içinde bağımsız olarak çalışmaktadır.

Şekil 1. Örnek duvar montajı [3] 

Soğuk şekillendirilmiş elemanlar ve profilli saclar, kaplanmış veya kaplanmamış sıcak haddelenmiş veya soğuk haddelenmiş düz şeritler veya rulolardan elde edilen çelik ürünlerdir. Kabul edilebilir tolerans aralığında sabit veya değişken bir enine kesite sahiptirler. Soğuk şekillendirilmiş yapı elemanları iki gruba ayrılabilir. Biri dikmeler, kirişler vb. gibi bireysel elemanlardır (Şekil 2). İkincisi, Panel ve tabliye elemanları (Şekil 3) [1].

Şekil 2. Bireysel elemanlar için tipik soğuk şekillendirilmiş kesitler

Şekil 3. Döşeme için tipik soğuk şekillendirilmiş kesitler

Çoğu uygulamada, tasarımcılar açık kesiti, 50-70 mm'den 350-400 mm'ye kadar olan yükseklikleri ve 0,7 mm'den 6,0 mm'ye kadar olan kalınlıkları seçerler. Deck için kesit kalınlıkları 0,3 mm'ye kadar düşebilir. Hibrit sistemler (soğuk şekillendirilmiş çelik elemanlar ve sıcak haddelenmiş çelik profillerle birleştirilmiş), yapısal sistem düzensizliklerinden kaynaklanan sorunların üstesinden gelmek için pratik bir seçenektir. Ancak mimari planlar, hacimler ve ölçüler uygunsa başka bir yapı elemanı kullanılmadan tüm yapıyı tasarlamak mümkündür.

Soğuk şekillendirilmiş çelik elemanlar birbirine vida, perçin ve cıvatalarla bağlanır. Kullanımdaki esnekliği sayesinde, bölümün her yerinden bağlantı kurmak kolaydır. Çelik-çelik bağlantıların yanı sıra, çelik profillerin düz yüzeyleri OSB ve alçıpan gibi önemli rijitlik sağlayan kaplama malzemelerine bağlanmaya uygundur [4].
Soğuk şekillendirilmiş profillerin ve sacların rijitliğini arttırmak için kenar ve ara berkitmeler kullanılmaktadır. Bir kesitin takviye edicisi, kesitin [5] düz kısmının küçük bükülme kısımları anlamına gelir.

Şekil 4. Bir bölümün berkiticisi

Yapısal davranış

Soğuk şekillendirilmiş çelik profiller genellikle incedir ve bölümlerin bölümleri kalınlıklarına göre nispeten uzundur. Kalınlığın porsiyon uzunluğuna veya porsiyonun genişliğine göre uzunluk oranları, kodda verilen ilgili formülleri kullanmak için kodlarda sınırlandırılmıştır. Ancak kesitler fiziksel olarak test edilirse farklı oranların kullanılmasına izin verilir [6].

Şekil 5. Tipik açık kesitli kısımlar

Kesit stabilitesi, soğuk şekillendirilmiş kesitler için önemli bir husustur. Bu şekiller, "ince" veya "kompakt olmayan" kesitler olarak kabul edilebilir; bu, kesitteki herhangi bir elyafın, yerel veya genel olarak burkulmadan önce belirli bir yükleme altında akma mukavemetine ulaşamayacağı anlamına gelir. Ayrıca, ince cidarlı elemanlar için, kesit burulmaya veya yanal yer değiştirmeye karşı tamamen desteklenmiş olsa bile en azından yerel burkulmayı görmek mümkündür. Bu nedenle ince cidarlı kesitlerin tasarımında burkulma durumlarına özel bir önem verilmektedir. İnce cidarlı yapılar için yaygın olan birkaç burkulma modu vardır. Öncelikle, durumlar yerel, distorsiyonel ve global burkulmadır. Bazı istisnai durumlarda, kesit stabilitesi için kayma burkulması ve gövde burkulması değerlendirilmelidir [7].

1970'lerin sonuna kadar Winter'ın etkin genişlik yöntemini kullanmak standart bir hesaplama yöntemiydi [8]. 1978'de Hancock [9][7], üye uzunluğuyla ilgili burkulma modlarını gösteren bir imza eğrisi kullanmayı önerdi. Her uzunluk için kritik burkulma gerilmelerinin hesaplanmasıyla bir grafik oluşturulur. Grafiğin minimumları, belirli bir burkulma durumunu tanımlar. Öncelikle, kesitin daha büyük parçaları düzlemin dışına çıkar ve kesitin köşeleri kalır (Şekil 6'daki A Noktası). Uzunluk arttığında, stres artma ve sonra azalma eğilimindedir. Grafik yine belirli bir uzunluk için bir minimum verir ve karşılık gelen uzunlukta distorsiyonel burkulma oluşur. Genel olarak takviyeli parçalar düzlemin tamamen dışına çıkar (Şekil 6'daki B Noktası). Daha büyük uzunluklar için eleman genel burkulmaya maruz kalır.

Şekil 6. İnce Duvarlı Bir Kesitin İmza Eğrisinin Tipik Grafiği

Yaygın uygulamada, elemanlar birbirlerine ince kısımlarından bağlanır. Örnek olarak, C-şekilli kirişler sert bir eleman üzerine oturtulabilir. Bu durumda ağ, “Web sakatlanması” olarak adlandırılan yerel olarak bükülmeye maruz kalabilir. Soğuk şekillendirilmiş çelik yapılarda ağ kırılması kritik bir problem olabilir çünkü bu hareket eleman için yumuşak ve zayıf bir destek oluşturur [1].

Saplamalar ve kirişler genellikle gövdelerinde ve flanşlarında deliklerle birlikte kullanılır. Cıvatalar ve vidalar için deliklerin etkileri küçüktür, ancak elektrik, sıhhi tesisat veya benzeri tesislerin geçişi için delikler sertliği etkiler [10]. Deliklerden dolayı gerilme üzerindeki gerilme dağılımındaki bozulma nedeniyle açıklıklar, yarı dalga boyu ve delik düzenine bağlı olarak kritik burkulma yükünü azaltabilir veya artırabilir [7].

Referanslar

[1] Dubina, D.; Ungureanu, V.; R. Landolfo (2012). Design of Cold-Formed Steel Structures, ECCS.
[2] Bats, J. O.; Janssen, J. F. G.; Industrial Housing with Cold-Formed Sheet-Steel Elements, in Proceedings of the 9th Int. Specialty Conference on Cold-Formed Structures. 1988.
[3] G. D. Corte; L. Fiorino; and R. Landolfo; Seismic Behavior of Sheathed Cold-Formed Structures: Numerical Study. 2006.
[4] Baran E, Alica C, Behavior of cold-formed steel wall panels under monotonic horizontal loading, Journal of Constructional Steel Research, Vol. 79, 2012, pp 1-8,
[5] Peköz, Teoman; Winter, George; and Desmond, T. P., “Edge Stiffeners for Cold-formed Steel Members”
(1978). International Specialty Conference on Cold-Formed Steel Structures. 6.
[6] EN 1993-1-3 (2006): Eurocode 3: Design of steel structures – Part 1-3: General rules – Supplementary rules for cold-formed members and sheeting.
[7] Adany S; Signature curve for general thin-walled members. Proceeding of the annual stability conference, Baltimore, Maryland, 2018.
[8] Winter, G.: “Light Gage (Thin-Walled) Steel Structures for Building in the U.S.A.,” preliminary publication, 4th Congress of the International Association for Bridge and Structural Engineering, 1952.
[9] Hancock, G.J. (1978), Local, Distortional, and lateral buckling of I-beams, ASCE Journal of structural engineering, 104(11), pp. 1787-1798.
[10] Moen, C.D., Schafer, B.W., 2009. Direct Strength Design of Cold-formed Steel Members with Perforations, Research Report. American Iron and Steel Institute (AISI), Washington, DC.