Ek denilen bağlantılar, uzatma veya büyütme amacıyla kullanılan bağlantılardır. Ekler, örneğin mevcut haddelenmiş levha uzunlukları veya genişlikleri yeterli olmadığından, montaj sırasında ise taşınan tek tek elemanların boyut ve ağırlıklarının sınırlanması nedeniyle gereklidir. Bağlayıcı levhalar, eklentideki kesintiyi örten levhalardır. Diğer tüm bağlantılar, özellikle çeşitli yönlerdeki kafes çubukları ile çeşitli düzlemlerdeki taşıyıcılar arasındaki bağlantılar, bağlantılar olarak adlandırılır.
Alışılmış ek yerlerinde, ek bağlantı elemanları ve perçinler tam kuvvete göre boyutlandırılır. Buna göre normal bir ek yerinde, ek yüzeylerinin birbirine temas etmesi gerekmez.
Çekme ve basınç altındaki çubukların başlıca kullanım alanını kafesler oluşturur. Bu bölümdeki değerlendirmelerde, basınç altındaki çubukların burkulma tehlikesi göz ardı edilmektedir. Önce statik dayanım ele alınacaktır.
Çekme çubuklarında delik indirimi
Taşıma kapasitesi: Çekme çubuğundaki gerilme durumu, delikler/açıklıklar nedeniyle yerel olarak önemli ölçüde değişir. Orantı bölgesinde, zayıflatılmış kesitteki gerilme dağılımı buna uygundur (şek. 1). Dikdörtgen çubuktaki en büyük boyuna gerilme A. Henning’e göre şöyledir:
maxσ = σm*[3-(d/b) + 0,8(d/b)2]
Şek. 1 - Delinmiş çubukta boyuna ve enine gerilmeler a) A. Henning’e göre; b) M. Rudeloff’a göre
Sınır durumda d/b = 0 olan çok geniş lameller için buradan maxσ = 3σm elde edilir ve şek. 1a’da gösterilen durumda d/b = 1/3 için maxσ = 2,42 σm olur. Boyuna gerilmenin yanı sıra enine ve kayma gerilmeleri de vardır. En büyük zorlanma delik çevresindedir. Orada ilk kalıcı deformasyonlar ortaya çıkar, yani gerilme tepe noktaları dağılarak kesit boyunca gerilmelerin eşitlenmesi meydana gelir. Delik bölgesindeki belirgin kalıcı deformasyonlar ancak zayıflatılmış kesitte ortalama gerilme σm akma sınırı σFO’yu aştığında ortaya çıkar. Çubuğun toplam uzaması, SF = Fm * σF olduğunda, deliksiz çubuktakinden yalnızca biraz daha büyüktür. (Fm en zayıf kesitin alanıdır)
Perçinlenmiş çubuklarla yapılan çekme deneylerinde kopma her zaman zayıflatılmış kesitlerde meydana gelir. Kopma yükü, olağan koşullarda, yeterince doğru olarak SB = Fn * σB’dir. Açık delikli çekilmiş çubuklar üzerindeki koparma deneyleri, şek. 2’deki gibi kopma görüntüleri göstermiştir.
Şek. 2 - Çekme çubuklarının kırılma görüntüleri
Perçinli bağlantılarla yapılan deneylerde, tek sıra perçinli bindirmeli eklerin art arda birkaç sıra perçinli eklerden daha düşük dayanıklılığa sahip olduğu gösterilmiştir. Buna göre, faydalı kesitte kopma anındaki ortalama gerilme σB şu değeri almıştır:
Çekilmiş çubuklar için boyutlandırma yöntemi: Olağan hesap yöntemine göre, ortalama çekme gerilmesi için σm = S/Fm ≤ izinσ geçerli olmalıdır ve bu, ilgili tüm Fm kesitlerinde sağlanmalıdır. Delik indirimi, en fazla delik sayısına sahip dik kesit için belirlenir; daha fazla delik içeren kırık bir kesit daha küçük bir Fm değeri verebilir (şek. 2). Bu anlamda, haddelenmiş profillerde Fm geliştirilerek hesaplanır. Bileşik kesitlerde de aynı yaklaşım uygulanır.
Fm/F oranı kural olarak 0,8 ile 0,9 arasında yer alır; yani delik indirimi ΔF = F – Fm, çubuğun tüm kesiti F’nin 10% ile 20%’i kadardır. Büyük yapılarda ΔF ağırlığı çok etkiler; bu nedenle daha küçük delik indirimi olan kesitleri bulmak önemlidir.
Deformasyonlar: Delikli çekme çubuklarının elastik uzaması, karşılaştırılabilir deliksiz çubuklara göre ancak biraz daha fazladır. Ek parçalarının toplam uzaması, neredeyse birleştirilmiş lamellerinkine eşittir. Bu nedenle, çelik yapıların deformasyon hesabı için zayıflatılmamış çubukların E ve F değerleriyle elastik uzamaların belirlenmesi yeterlidir. Zayıflatılmış çubuklarda akmaya karşı güvenlik, örneğin basınç altındaki çubuklara göre daha yüksektir.
Perçinlerde kuvvetlerin dağılımı
Şek. 3
S çubuğundaki kuvvetin bağlantının ayrı perçinlerine dağılımı, onun elastik özelliklerine bağlıdır; bu dağılım “statikçe belirsiz”dir. Şek. 3 durumunda N1, N2, … dağılımı perçinlerin ve birleştirilen levhaların deformasyonuna bağlıdır; Fpodvezice/Fštapa oranına göre değişir. Fpodvezice ≠ Fštapa için perçinlerdeki uç kuvvetler artık eşit derecede büyük değildir (şek. 50a). Fpodvezice/Fštapa oranı azaldıkça Nn küçülür, N1 S’ye yaklaşır. Çok farklı kalınlıktaki lamellerin birleştirilmesi (şek. 4b), ilk perçinin aşırı yüklenmesi nedeniyle uygun değildir.
Şek. 4 - Fštap > Fpodvezice için perçinlerin yüklenmesi
Lamelalar ve bağlamalar rijit, yalnız perçinler esnek (şek. 5a). O zaman tüm takviyeler eşit eğilme alır, perçinlerdeki bütün kuvvetler eşit olmalıdır.
Perçinler rijit, yalnızca lameller ve bağ çubukları elastik (şek. 5b). Çubukta ve ilk ile son perçin arasındaki bağ çubuklarında uzamaların eşit olması gerektiğinden, N2 = N3 = … = Nn-1 = 0, yalnızca N1 = S * x1 olmak üzere.
Şek. 5
Gerçek kuvvet dağılımı bu sınır durumların arasında yer alır. Yük arttıkça, önce uç perçinlerde kalıcı deformasyon ortaya çıkar, en çok yüklenen perçinler yükten kurtulur ve kuvvet dağılımı giderek daha dengeli hale gelir. Daha büyük deformasyonların ortaya çıkmasından sonra, kuvvet dağılımı lamellerin ve bağların rijit olduğu duruma yaklaşır; yani perçinlerdeki kuvvetler neredeyse tamamen eşit olur, eğer belirleyici olan perçinlerin kesmesi ise.
Kopma yükü: Perçinlerin perçinlenme biçimi τBV üzerinde hemen hemen hiçbir etkiye sahip değildir. Bağın kaymaya karşı dayanımı τBV, perçin sayısından, yerleşiminden ve perçinli bağlantının biçiminden pratikte bağımsızdır; kopma yükü, iyi bir yaklaşımla tüm perçinlerin eşit yüklenmesine karşılık gelir. Aynı ifadeler, bu arada, sıradan cıvatalı bağlantılar için de geçerlidir; buradan, kayma direncinin taşıma gücü üzerinde önemli bir etkisi olmadığı sonucuna varılabilir.
Boyutlandırma: Çelik konstrüksiyonlarda ve eksenel yüklü çubuklarda hesap, eşit dağılım esasına göre yapılır; yani her perçin için N = S/n. Uzun eklerde ilk perçinler çok erken aşırı yüklendiğinden, mümkünse art arda 6’dan fazla perçin kullanılmaktan kaçınılır.
Kayma direnci: Birleşim yerlerinde kayma, nispeten küçük bir yükte bile ortaya çıkar. Kayma direnci öncelikle, birçok etkene bağlı olarak değişen sıkma kuvvetine bağlıdır. Perçinli ve bugüne kadar kullanılan cıvatalı bağlantıların boyutlandırılmasında göz ardı edilir. Yüksek mukavemetli cıvatalı bağlantılara dikkat çekilmektedir.
Genişliğe göre perçinlerde kuvvet dağılımı: Perçinlerin kuvvet yönüne dik olarak eşit aralıklarla yerleştirilmesi halinde (şek. 6a), her bir perçine kesit boyunca eşit genişlikte a şeritler düşer; dolayısıyla ilk yaklaşımla perçinlerdeki kuvvetler N = a t σ eşit büyüklüktedir. Düzensiz perçin aralıklarında dağılım statikçe belirsizdir; şek. 6b’deki durumda ise kaldıraç yasasına göre gerçekleşir.
Şek. 6
Gerilmiş çubuk
Devamı: Simetrik askılarla devam (şek. 3 ve 4). Çubuktaki S kuvvetini birleşim yerinde yalnızca askı taşımalıdır. Devam yerindeki perçinler de S’ye göre boyutlandırılmalıdır; çünkü devam eden çubuğun tüm kuvvetini askılara aktarmaları gerekir.
Tek taraflı kapaklı ekler, birleşen saclarda, kapaklarda ve perçinlerde önemli ek eğilme gerilmeleri ile bağlantılıdır. Tek taraflı kaplama, büyük deformasyonlar nedeniyle yalnızca (şek. 7) çubuk eğilmeye karşı rijitse veya yandan öyle tutuluyorsa ki bükülemiyorsa uygulanır.
Şek. 7
Dolaylı ekleme – Bağlama şeritleri eklenmiş levhalara doğrudan oturamadığında, perçinler ve levhalar önemli ölçüde daha büyük eğilme gerilmelerine maruz kalır. Bu nedenle, m ara katman sayısına göre, eklerin doğrudan kapatılmasındaki n sayısına kıyasla daha büyük sayıda n’ perçin seçilir.
Şek. 8
Bileşik kesitlerde, yerel gerilme artışlarını önlemek için bağlamalar öyle düzenlenir ki, tek tek bağlama yüzeyleri, mümkün olduğunca ağırlık merkezinin konumu korunarak, kapladıkları kesit kısmının alanına göre belirlenir. Bundan sapan bağlama yüzeyi dağılımları, gerilme dağılımındaki değişikliklerle ilişkilidir. Şek. 9’de tek cidarlı bir çubuğun devamı, şek. 10’de ise 4 dikey levha ve köşebentler arasında bir yüzü olan iki parçalı çubuğun devamı gösterilmiştir.
Şek. 9
Şek. 10
Birleşim: Çekme çubuklarının birleşimleri için temel olarak uzatma için geçerli olanla aynı bağıntılar geçerlidir. Deneyler, kuvvetin simetrik olarak uygulanmasının büyük üstünlüğünü göstermiştir. Tek taraflı birleşimde, boyuna ve enine yönde güçlü eğilme oluşur (şek. 11). Önemli ek eğilme gerilmelerine rağmen, tek taraflı bağlanan L ve C çubukları neredeyse tamamen kullanılabilir. Ek eğilme momentlerinin dengelenmesi için önlem alınmamışsa, bir birleşimin taşıma kapasitesi yarıya düşebilir.
Şek. 11
Eklerin kaplanması için düğüm sacları kullanılmamalı, bunun için özel kapaklar öngörülmelidir. Çubuğun kesitinin büyük kısmı düğüm sacının düzlemine geldiğinde, düğüm sacı bağlantısı kolaylaşır.
Şek. 12 - Bağlantı köşebentli ve köşebentsiz bağlantılar
Basınç altındaki çubuk
Basınç altındaki çubukların eklenmesi ve birleştirilmesi için, çekme altındaki çubuklarda geçerli olan ilkelerin aynısı geçerlidir; bunlarda da toplam kuvvet perçinler ve bağlama elemanları ile aktarılır, yani çubuğun tam kesit alanı F’ye göre F_bağlantı ve F_s, yani F_l boyutlandırılır. Kural olarak ek yüzeyleri tam oturtulmaz. Bina çelik konstrüksiyonlarında, birden fazla katı geçen ve yalnızca basınç altında çalışan kolonlarda, ek yerlerinin daha az örtülmesiyle devam etme olanağı kullanılır. Basınç altındaki çubukların taşıma gücü, daha önce kararsızlık durumları ortaya çıkmamışsa, en geç akma sınırına ulaşılmasıyla tükenir; çünkü o zaman büyük deformasyonlar oluşur ve çubuk yana doğru burkulur. Perçinlerle doldurulmuş deliklerin bu durumda, çubuğun davranışı üzerinde saptanabilir bir etkisi yoktur.
Perçinli bağlantıların yorulma dayanımı
Perçinli bağlantıların yorulma dayanımı açısından öncelikle deliklerde ortaya çıkan gerilme tepe değerleri belirleyicidir. Yorulma dayanımı yalnızca deliklerin varlığıyla bile önemli ölçüde azalır. Açık delikli çubuklar, çekme altındaki yorulma deneylerinde zayıflatılmış kesitlerde kırılır ve yorulma kırılması, deliğin kenarında başlayan ve kesit boyunca sürekli ilerleyen çatlaklarla başlar. Bu nedenle düzgün delikler özellikle önemlidir. Şek. 13’de farklı sınıflardaki yassı çubukların yorulma dayanımı verilmiştir (sağda çeliğin daha yüksek sınıfı vardır). Daha büyük ön yüklemelerde σu, her iki malzeme de akma sınırının üzerinde σDz yorulma dayanımı taşır. Gerilme genliği her iki sınıf için yaklaşık olarak aynıdır.
Şek. 13 - Yorulma dayanımı σDz
Çekme ve basınç yönündeki değişken yükleme için, perçinli bağlantılarda esasen tek yönlü yüklemelerdekiyle benzer bağıntılar geçerlidir. Değişken yükleme altında gerilme genliğinin yaklaşık 1,5 kat büyük olduğu (şek. 14), ancak bu yükleme altında perçinlerin tek yönlü yüke göre belirgin biçimde daha fazla tehlike altında bulunduğu dikkate değerdir.
Şek. 14 - Perçinli bağlantıların çekme yorulma dayanımı