Çeşitli yapısal durumlarda, mühendislerin kaynak ve mekanik bağlantı elemanlarıyla yapılan bağlantıların dayanıklılığını değerlendirmeleri gerekebilir. Günümüzde mekanik bağlantı elemanları genellikle cıvatalardır, ancak eski tasarımlarda perçinler de bulunabilir.
Bu durum, bir projede yapılan iyileştirmeler, yenilemeler veya geliştirmeler sırasında ortaya çıkabilir. Yeni bir tasarım, birleştirilecek malzemenin önce cıvatalarla birleştirildiği ve ardından bağlantıya tam güç sağlamak için kaynak yapıldığı birleşim yerinde cıvatalama ve kaynak işlemlerinin birlikte çalışmasını gerektirebilir.
Ancak, bir bağlantının toplam yük taşıma kapasitesini belirlemek, tek tek bileşenlerin (kaynaklar, cıvatalar ve perçinler) toplamını almak kadar basit değildir. Böyle bir varsayım felaket sonuçlara yol açabilir.
Cıvatalı bağlantılar, Amerikan Çelik Yapılar Enstitüsü (AISC) Yapısal Bağlantı Şartnamesinde tanımlanmıştır ve bu şartnamede ASTM A325 veya A490 cıvataları sıkı montaj, ön yükleme veya kayar kama olarak kullanılır.
Sıkıca sıkılmış bağlantıları, katmanların sıkı temas halinde olduğundan emin olmak için darbeli anahtar veya geleneksel çift taraflı anahtar kullanan bir çilingir anahtarı ile iyice sıkın. Ön gerilmeli bir bağlantıda, cıvatalar önemli çekme yüklerine, plakalar ise sıkıştırma yüklerine maruz kalacak şekilde takılır.
1. Somunu çevirin. Somunu çevirme yöntemi, cıvatayı sıktıktan sonra somunu, cıvatanın çapına ve uzunluğuna bağlı olarak ek bir miktarda çevirmeyi içerir.
2. Anahtarı kalibre edin. Kalibre edilmiş anahtar yöntemi, cıvata gerilimiyle ilişkili torku ölçer.
3. Burulma tipi gerilim ayar cıvatası. Burulma tipi gerilim cıvatalarının, cıvatanın başının karşısındaki ucunda küçük saplamalar bulunur. Gerekli tork değerine ulaşıldığında, saplama sökülür.
4. Doğrudan çekme indeksi. Doğrudan gerilim göstergeleri, çıkıntılı özel rondelalardır. Çıkıntı üzerindeki sıkıştırma miktarı, cıvataya uygulanan gerilim seviyesini gösterir.
Basitçe anlatmak gerekirse, cıvatalar sıkı ve ön gerilimli bağlantılarda pim görevi görür; tıpkı delikli kağıt yığınını bir arada tutan pirinç bir pim gibi. Kritik kayar bağlantılar sürtünme ile çalışır: ön yükleme aşağı doğru bir kuvvet oluşturur ve temas yüzeyleri arasındaki sürtünme, bağlantının kaymasını önlemek için birlikte çalışır. Bu, kağıt yığınını bir arada tutan bir bağlayıcıya benzer; kağıtta delikler açılmış olduğu için değil, bağlayıcı kağıtları birbirine bastırdığı ve sürtünme yığını bir arada tuttuğu için.
ASTM A325 cıvataların minimum çekme dayanımı, cıvata çapına bağlı olarak inç kare başına 150 ila 120 kg (KSI) arasında değişirken, A490 cıvataların çekme dayanımı 150 ila 170 KSI arasında olmalıdır. Perçin bağlantıları daha çok sıkı bağlantılar gibi davranır, ancak bu durumda pimler, tipik olarak bir A325 cıvatanın yaklaşık yarısı kadar güçlü olan perçinlerdir.
Mekanik olarak sabitlenmiş bir bağlantı, kesme kuvvetlerine maruz kaldığında (uygulanan bir kuvvet nedeniyle bir elemanın diğerinin üzerinde kayma eğilimi göstermesi durumunda) iki şeyden biri olabilir. Cıvatalar veya perçinler deliklerin kenarlarında olabilir ve bu da cıvataların veya perçinlerin aynı anda kopmasına neden olabilir. İkinci olasılık ise, ön gerilimli bağlantı elemanlarının sıkıştırma kuvvetinin neden olduğu sürtünmenin kesme yüklerine dayanabilmesidir. Bu bağlantı için kayma beklenmez, ancak mümkündür.
Sıkı bir bağlantı birçok uygulama için kabul edilebilir, çünkü hafif kayma bağlantının özelliklerini olumsuz etkilemez. Örneğin, granüler malzeme depolamak için tasarlanmış bir siloyu ele alalım. İlk yükleme sırasında hafif bir kayma olabilir. Kayma bir kez meydana geldiğinde, tekrar olmayacaktır, çünkü sonraki tüm yükler aynı niteliktedir.
Yük ters çevirme, dönen elemanların dönüşümlü çekme ve sıkıştırma yüklerine maruz kaldığı bazı uygulamalarda kullanılır. Bir diğer örnek ise tamamen ters yüklere maruz kalan bir bükme elemanıdır. Yük yönünde önemli bir değişiklik olduğunda, döngüsel kaymayı ortadan kaldırmak için önceden yüklenmiş bir bağlantı gerekebilir. Bu kayma, sonunda uzatılmış deliklerde daha fazla kaymaya yol açar.
Bazı bağlantı noktaları, yorulmaya yol açabilecek birçok yük döngüsüne maruz kalır. Bunlara presler, vinç destekleri ve köprülerdeki bağlantılar dahildir. Bağlantı noktası ters yönde yorulma yüklerine maruz kaldığında, kayma kritik bağlantılar gereklidir. Bu tür koşullar için, bağlantının kaymaması çok önemlidir, bu nedenle kayma kritik bağlantılar gereklidir.
Mevcut cıvatalı bağlantılar bu standartlardan herhangi birine göre tasarlanabilir ve üretilebilir. Perçinli bağlantılar ise sızdırmaz olarak kabul edilir.
Kaynaklı bağlantılar rijit yapıdadır. Lehimli bağlantılar ise daha zordur. Yük altında kayabilen sıkı cıvatalı bağlantıların aksine, kaynakların gerilmesi ve uygulanan yükü büyük ölçüde dağıtması gerekmez. Çoğu durumda, kaynaklı ve rulman tipi mekanik bağlantı elemanları aynı şekilde deforme olmaz.
Kaynak, mekanik bağlantı elemanlarıyla birlikte kullanıldığında, yük daha sert kısım üzerinden aktarılır, bu nedenle kaynak neredeyse tüm yükü taşıyabilir ve cıvata ile çok az bir pay paylaşılır. Bu nedenle kaynak, cıvatalama ve perçinleme işlemlerinde dikkatli olunmalıdır. AWS D1 spesifikasyonu, mekanik bağlantı elemanları ve kaynakların karıştırılması sorununu çözmektedir. Yapısal kaynak – çelik için 1:2000 spesifikasyonu, 2.6.3 paragrafında, taşıyıcı tip bağlantılarda (yani cıvata veya perçinin pim görevi gördüğü yerlerde) kullanılan perçin veya cıvatalar için, mekanik bağlantı elemanlarının kaynakla yükü paylaşmadığı belirtilmektedir. Kaynak kullanılıyorsa, bağlantıdaki tüm yükü taşıyacak şekilde tasarlanmalıdırlar. Bununla birlikte, bir elemana kaynaklanmış ve başka bir elemana perçinlenmiş veya cıvatalanmış bağlantılara izin verilir.
Rulman tipi mekanik bağlantı elemanları kullanılırken ve kaynak eklenirken, cıvatanın yük taşıma kapasitesi büyük ölçüde ihmal edilir. Bu hükme göre, kaynak tüm yükleri aktaracak şekilde tasarlanmalıdır.
Bu, esasen AISC LRFD-1999, madde J1.9 ile aynıdır. Bununla birlikte, Kanada standardı CAN/CSA-S16.1-M94, mekanik bağlantı elemanının veya cıvatanın gücünün kaynak gücünden daha yüksek olduğu durumlarda bağımsız kullanıma da izin vermektedir.
Bu konuda üç kriter tutarlıdır: rulman tipi mekanik bağlantı olasılıkları ve kaynak olasılıkları birbirini tutmamaktadır.
AWS D1.1'in 2.6.3 bölümü, Şekil 1'de gösterildiği gibi, cıvataların ve kaynakların iki parçalı bir bağlantıda birleştirilebileceği durumları da ele almaktadır. Solda kaynaklar, sağda cıvatalar. Burada kaynakların ve cıvataların toplam gücü dikkate alınabilir. Tüm bağlantının her bir parçası bağımsız olarak çalışır. Dolayısıyla, bu kod, 2.6.3'ün ilk bölümünde yer alan ilkeye bir istisnadır.
Az önce ele alınan kurallar yeni binalar için geçerlidir. Mevcut yapılar için, 8.3.7 D1.1 maddesi, yapısal hesaplamalar bir perçin veya cıvatanın yeni bir toplam yük altında aşırı yükleneceğini gösteriyorsa, ona yalnızca mevcut statik yükün atanması gerektiğini belirtir.
Aynı kurallar, bir perçin veya cıvatanın yalnızca statik yüklerle aşırı yüklenmesi veya döngüsel (yorgunluk) yüklere maruz kalması durumunda, toplam yükü desteklemek için yeterli miktarda ana metal ve kaynak eklenmesini gerektirir.
Yapı önceden yüklenmişse, yani bağlantı elemanları arasında kayma meydana gelmişse, mekanik bağlantı elemanları ve kaynaklar arasındaki yük dağılımı kabul edilebilir. Ancak mekanik bağlantı elemanlarına yalnızca statik yükler uygulanabilir. Daha büyük kaymaya yol açabilecek hareketli yükler, tüm yükü taşıyabilecek kaynaklar kullanılarak korunmalıdır.
Kaynaklar, uygulanan veya dinamik tüm yüklemelere dayanacak şekilde kullanılmalıdır. Mekanik bağlantı elemanları zaten aşırı yüklendiğinde, yük paylaşımına izin verilmez. Döngüsel yükleme altında, yük kalıcı kaymaya ve kaynağın aşırı yüklenmesine yol açabileceğinden, yük paylaşımına izin verilmez.
Örnek olarak, başlangıçta sıkıca cıvatalanmış bir bindirme bağlantısını ele alalım (Şekil 2'ye bakınız). Yapıya ek güç katılıyor ve iki kat daha fazla güç sağlamak için bağlantılar ve bağlantı elemanları eklenmelidir. Şekil 3'te elemanların güçlendirilmesi için temel plan gösterilmektedir. Bağlantı nasıl yapılmalıdır?
Yeni çeliğin eski çeliğe köşe kaynaklarıyla birleştirilmesi gerektiğinden, mühendis birleşim yerine bazı köşe kaynakları eklemeye karar verdi. Cıvatalar hala yerinde olduğundan, asıl fikir, yükün %50'sinin cıvatalardan, %50'sinin de yeni kaynaklardan geçmesi beklentisiyle, ekstra gücü yeni çeliğe aktarmak için gereken kaynakları eklemekti. Bu kabul edilebilir mi?
Öncelikle, bağlantıya şu anda herhangi bir statik yük uygulanmadığını varsayalım. Bu durumda, AWS D1.1'in 2.6.3. paragrafı geçerlidir.
Bu taşıyıcı tipi bağlantıda, kaynak ve cıvatanın yükü paylaştığı düşünülemez; bu nedenle belirtilen kaynak boyutu, tüm statik ve dinamik yükü destekleyecek kadar büyük olmalıdır. Bu örnekte cıvataların taşıma kapasitesi dikkate alınamaz, çünkü statik yük olmadan bağlantı gevşek durumda olacaktır. Yükün yarısını taşımak üzere tasarlanmış olan kaynak, tam yük uygulandığında başlangıçta kırılır. Daha sonra, yine yükün yarısını aktarmak üzere tasarlanmış olan cıvata, yükü aktarmaya çalışır ve kırılır.
Ayrıca, statik bir yükün uygulandığını varsayalım. Ek olarak, mevcut bağlantının mevcut kalıcı yükü taşımaya yeterli olduğu varsayılmaktadır. Bu durumda, 8.3.7 D1.1 paragrafı geçerlidir. Yeni kaynakların yalnızca artan statik ve genel hareketli yüklere dayanması gerekir. Mevcut ölü yükler, mevcut mekanik bağlantı elemanlarına atanabilir.
Sürekli yük altında, bağlantı sarkmaz. Bunun yerine, cıvatalar zaten yüklerini taşımaktadır. Bağlantıda bir miktar kayma meydana gelmiştir. Bu nedenle, kaynaklar kullanılabilir ve dinamik yükleri iletebilirler.
“Bu kabul edilebilir mi?” sorusunun cevabı yük koşullarına bağlıdır. İlk durumda, statik yükün olmadığı durumda, cevap olumsuz olacaktır. İkinci senaryonun özel koşulları altında ise cevap evettir.
Statik bir yük uygulanmış olması her zaman kesin bir sonuca varmayı gerektirmez. Statik yüklerin seviyesi, mevcut mekanik bağlantıların yeterliliği ve uç yüklerin niteliği (statik veya döngüsel olması) cevabı değiştirebilir.
Duane K. Miller, MD, PE, 22801 Saint Clair Ave., Cleveland, OH 44117-1199, Kaynak Teknolojisi Merkezi Müdürü, Lincoln Electric Company, www.lincolnelectric.com. Lincoln Electric, dünya çapında kaynak ekipmanları ve kaynak sarf malzemeleri üretmektedir. Kaynak Teknolojisi Merkezi mühendisleri ve teknisyenleri, müşterilerin kaynak sorunlarını çözmelerine yardımcı olmaktadır.
Amerikan Kaynak Derneği, 550 NW LeJeune Road, Miami, FL 33126-5671, telefon 305-443-9353, faks 305-443-7559, web sitesi www.aws.org.
ASTM Intl., 100 Barr Harbor Drive, West Conshohocken, PA 19428-2959, telefon 610-832-9585, faks 610-832-9555, web sitesi www.astm.org.
Amerikan Çelik Yapılar Birliği, One E. Wacker Drive, Suite 3100, Chicago, IL 60601-2001, telefon 312-670-2400, faks 312-670-5403, web sitesi www.aisc.org.
FABRICATOR, Kuzey Amerika'nın önde gelen çelik imalat ve şekillendirme dergisidir. Dergi, üreticilerin işlerini daha verimli bir şekilde yapmalarını sağlayan haberler, teknik makaleler ve başarı öyküleri yayınlamaktadır. FABRICATOR, 1970 yılından beri sektörde faaliyet göstermektedir.
Artık The FABRICATOR dijital baskısına tam erişimle, değerli sektör kaynaklarına kolayca ulaşabilirsiniz.
Tube & Pipe Journal'ın dijital baskısına artık tamamen erişilebilir ve değerli sektör kaynaklarına kolay erişim sağlanmaktadır.
Metal damgalama pazarı için en son teknolojiyi, en iyi uygulamaları ve sektör haberlerini içeren STAMPING Journal'a tam dijital erişim elde edin.
Artık The Fabricator en Español'a tam dijital erişimle, değerli sektör kaynaklarına kolayca ulaşabilirsiniz.