A Loading Frame for Steel and Reinforced Concrete Elements

Abstract

Structural members under bending and axial compression may fail when the stress of the most critical fiber in the cross-section reaches allowable stress of the material or may fail due to buckling by deflecting laterally and twisting non-uniformly. This behavior is one of the most common stability problems named ‘Lateral Torsional Buckling’. In order to investigate this behavior, a bending frame with a capacity of 600 kN horizontally and 800 kN vertically is designed in the Structural Laboratory at Eskisehir Osmangazi University. This bending frame is not only capable of testing steel structural elements but it is also suitable for the bending tests of full-size reinforced concrete beams. In this study, the design and installation of this bending frame system will be introduced as well as the problems encountered in these stages and the proposed solutions will be presented.

Full text

7. Yapı Mekaniği Laboratuvarları Çalıştayı
4-5 Ekim 2019, KTO Karatay Üniversitesi, Konya
1
ÇELİK VE BETONARME ELEMANLAR İÇİN BİR YÜKLEME
ÇERÇEVESİ
A LOADING FRAME FOR STEEL AND REINFORCED CONCRETE ELEMENTS
Meltem ERYILMAZ-YILDIRIM
1
, Ömer KARAGÖZ
2
, Mizan DOĞAN3, Eşref
ÜNLÜOĞLU4
ÖZET
Eğilme momenti ve eksenel basınç etkisindeki elemanlar, simetri düzleminde eğilmeye maruz
kaldıklarında, kesitteki en kritik lifin gerilmesi malzemenin izin verdiği gerilmeyi geçerek göçme
durumuna ulaşabileceği gibi, düzlem dışı yanal yer değiştirme ve dönme yaparak da göçme
durumuna ulaşabilir. Bu davranış çelik yapı elemanlarında en sık karşılaşılan stabilite
problemlerinden birisi olan yanal burulmalı burkulma durumudur. Bu problemin deneysel
olarak incelenebilmesi için Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Yapı Laboratuvarında yatay
eksende 600 kN ve düşey eksende 800 kN kapasiteli eğilme çerçevesi tasarlanmıştır. Ayrıca
tasarlanan bu eğilme çerçevesi üzerinde tam ölçekli betonarme kiriş deneyleri de
yapılabilmektedir. Bu çalışmada eğilme çerçevesinin tasarımı, kurulumu ve eğilme çerçevesi
üzerinde yapılmış deneylerden bahsedilerek sistemin avantajları yanında karşılaşılan sıkıntılar
ve getirilen çözüm önerileri sunulacaktır.
Anahtar Kelimeler: Eğilme çerçevesi, yanal burulmalı burkulma, kiriş eğilme deneyi, tam ölçekli
deneyler.
ABSTRACT
Structural members under bending and axial compression may fail when the stress of the most
critical fiber in the cross-section reaches allowable stress of the material or may fail due to
buckling by deflecting laterally and twisting non-uniformly. This behavior is one of the most
common stability problems named ‘Lateral Torsional Buckling’. In order to investigate this
behavior, a bending frame with a capacity of 600 kN horizontally and 800 kN vertically is
designed in the Structural Laboratory at Eskisehir Osmangazi University. This bending frame is
not only capable of testing steel structural elements but it is also suitable for the bending tests
of full-size reinforced concrete beams. In this study, the design and installation of this bending
frame system will be introduced as well as the problems encountered in these stages and the
proposed solutions will be presented.
Keywords: Bending frame system, lateral torsional buckling, beam bending test, full-size
experiments.
AMAÇ
Çelik yapı elemanlarında göçme genellikle sistemin veya elemanın akma gerilmesine ulaşması ile
meydana gelir. Çelik eleman üzerindeki yük yeterince büyük olduğunda ise o eleman akma
gerilmesine ulaşamadan zayıf ekseni doğrultusunda yatayda sapma ve eleman ekseni etrafında
1
Araştırma Görevlisi, Eskişehir Osmangazi Üniversitesi, Eskişehir, meryilmaz@ogu.edu.tr
2
Araştırma Görevlisi, Eskişehir Osmangazi Üniversitesi, Eskişehir, okaragoz@ogu.edu.tr
3 Profesör Doktor, Eskişehir Osmangazi Üniversitesi, Eskişehir, mizan26@gmail.com
4 Profesör Doktor, Eskişehir Osmangazi Üniversitesi, Eskişehir, esrefu@ogu.edu.tr

Çelik ve Betonarme Elemanlar için Bir Yükleme Çerçevesi
2
dönme yaparak burkulabilir (Eryılmaz 2016). Yanal burulmalı burkulma (Şekil 1) olarak adlandırılan
bu stabilite problemi tasarımda göz önüne alınmadığında büyük hasarlara yol açabilmektedir. Bu
nedenle eğilme ve eksenel basınç etkisi altındaki elemanların tasarımında eğilme momenti hesabının
yanı sıra burkulma yükünün hesabı da önem kazanmaktadır. Eğilme ve eksenel yük etkisindeki çelik
elemanların davranışını deneysel olarak incelemek için yatay eksende 600 kN ve düşey eksende 800
kN yükleme kapasiteli bir eğilme çerçevesi tasarlanmıştır.
Şekil 1. I kesitli bir çelik elemanın yanal burulmalı burkulma hali (Eryılmaz 2016).
Çelik elemanların yatay ve düşey eksende deneye tabi tutulabilmesini sağlayan bu sistem aynı
zamanda 4 metre uzunluğa kadar betonarme kiriş ve 0,7 metre genişliğinde döşeme elemanlarında
üç noktadan eğilme deneyi yapabilecek şekilde tasarlanmıştır. Bu sayede deney elemanları ölçek
kullanılarak tasarlanabileceği gibi eğilme çerçevesinin kapasitesi tam ölçekli numunelerin test
edilebilmesi için de uygundur.
Bu çalışmanın amacı benzer deneyler için bir sistem tasarlayacak olan araştırmacılara ön bilgi
sağlayarak tasarlayacakları sistemi sağlıklı bir şekilde üretebilmelerine yardımcı olmaktır. Bu
nedenle bu çalışma kapsamında, tasarlanan sistemin özellikleri ve bu eğilme çerçevesi üzerinde
yapılmış deneysel çalışmalar açıklanacaktır. Bunun yanı sıra sistemin eksikleri, deneyler esnasında
karşılaşılan sıkıntılar ve bu sıkıntılara getirilen çözüm önerileri sunulacaktır.
YÖNTEM
Çelik ve betonarme yapı elemanları için tasarlanmış olan eğilme çerçevesinin genel görünümü Şekil
2’de görüldüğü gibidir. Eğilme çerçevesinde hem düşey hem de yatay yükleme yapılmasını sağlayan
iki adet hidrolik piston bulunmaktadır. Düşey yüklemenin yapılması için kullanılan hidrolik pistonun
maksimum basma kapasitesi 800kN, maksimum çekme kapasitesi 550kN ve maksimum strok boyu
400mm’dir. Yatayda yükün uygulanması için kullanılan hidrolik pistonun ise maksimum basma
kapasitesi 600kN ve maksimum çekme kapasitesi 300kN’dur. Eksenel kuvvet uygulayan yatay
piston diğer pistondan farklı olarak kamalı tipte imal edilmiştir. Kama tipin tercih edilmesinin nedeni
bu pistona mesnetlenen deney numunelerinin uygulanan burulma yükleri altında kendi ekseni
etrafında dönmesini engellemektir. Bu pistonun maksimum strok boyu ise 190 mm’dir. Ayrıca deney
elemanının eksen dışı hareketi boyunda düşey yükün eleman ekseninde kalmasını sağlamak için
doğrusal kızak kullanılmıştır (Şekil 4b). Bu sayede düşey yük deney elemanının eksenine dik olarak
elemanın sağa ve sola kaçıklık hareketine uyum sağlayarak eksende kalmaktadır.

M Eryılmaz Yıldırım, Ö Karagöz, M, Doğan, E. Ünlüoğlu
3
Şekil 2. Eğilme çerçevesi genel görünüm.
Yüklemeler 6000 kN kapasiteli hidrolik güç ünitesi kullanılarak yapılmaktadır. Hidrolik güç
ünitesi, kapalı devre hidrolik pompası vasıtasıyla tek bir tuşa basarak deneye başlamakta ve
kullanıcının kontrol edebildiği kumanda paneli ile istenilen hidrolik pistonu kontrol edebilmektedir.
Hidrolik kontrol ünitesi manuel olarak çalıştırılabilmektedir. Yükleme hızı hidrolik güç ünitesinin
motorunun devir/dk kontrolü ile yapılmaktadır. Bu sebeple yükleme hızı istenen şekilde
ayarlanamamaktadır. Aynı anda iki pistona kumanda edememektedir.
Şekil 3. a ve b) Mesnetler c) Düşey yükün hareketini sağlayan doğrusal kızak.
Eğilme ve basınç etkisindeki çelik elemanların davranışını incelemek için yapılan deneysel
çalışmada IPE kesitli elemanlar kullanılmıştır. Bu çalışmada çelik elemanların bir ucu Şekil 3a’da
verilen aparat ile diğer ucu ise Şekil 3b’de verilen aparat ile mesnetlenmiştir. Numuneleri kesme
merkezinden yüklemek için numunelerin tam orta noktasına teğeti kesitin kesme merkezi ile çakışan
bir delik açılmıştır (Şekil 4a). Bu delik, yükleme aparatındaki bulonun geçebileceği ve elemanın
serbestçe burulmasına izin verecek genişliktedir (Şekil 4b). Numuneler tam orta noktalarından
kayma merkezine etkiyen yanal yüke maruz bırakılmıştır (Şekil 4c).
(a)
(b)
(c)

Çelik ve Betonarme Elemanlar için Bir Yükleme Çerçevesi
4
Şekil 4. a. IPE kesit b. Kızaklı sistem c. Yükün uygulanması
Çelik elemanlar üzerinde eksenel kuvvet ve eğilme momenti etkisinin aynı anda bulunması
durumunu incelemek üzere tasarlanmış olan bu sistemin şu anki problemi yatay eksende verilen
yükün deney boyunca sabit kalmamasıdır. Yük altında şekil değiştiren elemanın eksenel
uzunluğunun kısalması ve eksen dışı hareketler buna neden olmaktadır. Çözüm olarak düşeyde
yüklemeye devam ederken yatayda yükü sabit tutabilecek farklı bir hidrolik güç ünitesinin
kullanılması gerekmektedir. Ya da yatay yükleme için yükü sabit tutabilecek farklı bir hidrolik güç
ünitesi kullanılmalıdır.
Eğilme çerçevesinin diğer bir avantajı ise aynı çerçeve üzerinde 4 metre uzunluğa ve 0,7 metre
genişliğe kadar tam ölçekli betonarme kiriş ve döşemeler üzerinde eğilme deneyi yapılmasına olanak
tanımasıdır.
Betonarme elemanların eğilme deneylerinin dört noktadan yapılması eleman üzerinde kesme
kuvveti olmayan sadece eğilme momentinin olduğu bölgenin incelenebilmesi açısından önem
taşımaktadır. Bu nedenle ilerideki yapılacak olan çalışmalarda kullanılmak üzere tasarlanmış olan
yük dağıtma kirişi Şekil 5’te verilmiştir.
Şekil 5. Tasarlanan yük dağıtma kirişi.
Sonuç olarak, çelik be betonarme elemanların farklı yüklemeler altında davranışlarını deneysel
olarak incelemek için tasarlanmış olan Eğilme Çerçevesi yapılacak olan modifikasyonlar ve yeni
aparatlar sayesinde gelecek çalışmalarda kullanılacak güzel bir sistem haline gelecektir.
KAYNAKLAR
Eryılmaz, Meltem. 2016. “Eğilme ve Eksenel Basınç Altındaki Elemanların Yanal Burulmalı Burkulma
Momenti Katsayılarının Araştırılması.”, Yüksek Lisans Tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Eskişehir
Osmangazi Üniversitesi.
(a)
(b)
(c)