İnce Cidarlı Çelik Depo Raf Sistemleri Kolonlarının dayanım Ve Stabilitesi

Abstract

Çelik Depo Raf Sistemleri ürün depolama ve lojistik sektörlerinde hayati bir rol oynamaktadır. Son on yıllık periyotta bu sistemlerin öneminin bilhassa arttığı görülmüştür. Ülkemizde, çeşitli endüstriyel sektörler ve alanlardaki depolama alanlarının yetersizliği ile bu sistemlerin önemi gittikçe artmaktadır. Depo raf sistemlerinin kullanımının yaygınlaşması ve bu sistemlerde taşınan ürünlerin değerlerinin artması ile bu sistemlerin yapısal dayanımları önem kazanmaktadır. Çelik depo raf sistemleri, ince cidarlı çelik elemanlardan oluşmaktadır. İnce cidarlı çelik elemanlar, çelik plakaların oda sıcaklığında işlenmesi ile elde edilirler. İşleme metodu, çelik plakalara soğuk merdaneli biçimleme veya sıkıştırma yapılmasıdır. İşlenen çelik plakaların kalınlıkları genellikle 0.10 mm ile 7.7 mm arasında değişmektedir. Plakaların akma gerilmeleri ise 230 MPa ile 380 MPa arasında değişmektedir. İnce cidarlı çelik elemanların, taşıyıcı sistemlerde kullanımının bazı avantaj ve dezavantajları bulunmaktadır. Hafiflik, toplu üretim, yüksek mukavemet, kolay kurulum, kalıp işçiliğinin gerekmemesi, paslanma korunumu, düşük taşıma giderleri, kesit çeşitliliği ve geri kazanılabilirlik gibi özellikler, ince cidarlı çelik elemanların kullanım avantajları arasında yer almaktadır. Eleman kalınlıklarının düşük olması sebebiyle burkulma problemleri ve yangın dayanımları ise ince cidarlı çelik elemanlar kullanımının dezavantajları arasında yer alabilmektedir. İnce cidarlı elemanların taşıyıcı sistemi oluşturduğu iki tip depo raf sistemi yaygın olarak kullanılmaktadır. Bunlardan ilki ve en yaygını paletli depo raf sistemleridir. Paletli depo raf sistemlerinde, raflara konacak ürünler çeşitli yüksekliklerdeki raf kirişlerine paletler üzerinde yerleştirilirler. Sistemin bileşenlerini, kolon ve çaprazların oluşturduğu çerçeveler ve bu çerçeveleri birbirine bağlayan, paletlerin üzerlerine yerleştirildiği yatay kirişler oluşturmaktadır. Çapraz elemanlar ve kirişler, kolonlara genellikle bulonlu veya kaynaklı birleşimler ile bağlanırlar. Avrupa’da ve ülkemizde yaygın olarak bulonlu birleşimler kullanılmaktadır. İkinci tip depo raf sistemleri ise içine girilebilir raf sistemleridir. Bu sistemlerde kolonlara bağlanan yatay kirişler bulunmaz ve konulacak yükler forklift gibi araçlar ile sistem üzerine sürülürler. Paletli depo raf sistemlerinin daha yaygın kullanılmasının sebebi, ürünlere her iki yönden kolayca ulaşılabilmesidir. Bu çalışmada öncelikle soğukta şekillendirilmiş genel çelik kolonların yapısal davranışı incelenmiştir. İnce cidarlı çelik kolonların eksenel yük altında taşıma kapasitelerini tayin edebilmek için dikkat edilmesi gereken başlıca unsurlar, akma, global burkulma, yerel burkulma ve çarpılmalı burkulmadır. Akma için kapasite hesabında kesit alanı ile malzemenin akma dayanımı kullanılır. Kesit kalınlıkları düşük olduğu için genelde kolon kapasitesi, akma dayanımına ulaşmadan burkulma problemleri oluşur. Global burkulmanın, eğilmeli burkulma, burulmalı burkulma ve bu iki burkulma modunun aynı anda olduğu durum olarak üç farklı türü mevcuttur. İnce cidarlı çelik kolonları oluşturan elemanlar, şekil verilmiş çelik plak elemanlar olduğundan dolayı yerel burkulmayı basınca maruz kalan plakların davranışı belirlemektedir. Yerel burkulma için yapılan hesaplarda yaygın olarak efektif alan yöntemi kullanılmaktadır. Çarpılmalı burkulma, özellikle açık ağızlı kesitlerde karşılaşılan, kolonun kesit ağızlarının içe yada dışa doğru açılarak deforme olması ile oluşan burkulma durumudur. İnce cidarlı çelik kolonların kapasite hesabında kolonun taşıyabileceği maksimum yük, tüm bu etmenler dikkate alınarak hesaplanan kapasitelerin minimum olanı alınarak hesaplanmaktadır. Depo raf sistemleri taşıyıcı çerçevelerinde kullanılan kolon elemanların güvenliği sistem güvenliği açısından özel ve önemli bir yer teşkil etmektedir. Çelik depo raf kolonları genel soğukta biçimlendirilmiş ince cidarlı çelik kolonların özel bir tipi olarak kabul edilebilir. Fakat, çelik depo raf kolonlarının yapısal davranışı; kalınlıkları, kolon ağzı konfigürasyonları ve delikli yapılarından dolayı soğukta şekillendirilmiş genel çelik kolonlardan farklılık göstermektedir. Çelik depo raf kolonları, çeşitli kolon ağzı tipleri ve uzunlukları ve kullanım amacına göre çeşitli delik konfigürasyonlarına sahip olabilirler. Bu iki ana değişken, raf kolonlarının taşıma kapasitesini ve bundan dolayı tüm raf yapısının dayanımı ve stabilitesini etkileyen başlıca etmenlerdir. Çelik raf kolonlarının kapasitesinin hesabı şuan çeşitli yönetmelikler ve metotlar ile düzenlenmektedir. “Amerikan Demir ve Çelik Enstitüsü S100-2007” standardı, soğukta biçimlendirilmiş çelik kolonların dayanımlarının hesaplama yöntemlerini düzenleyen az sayıda yönetmelikten biridir. Bu standartta hesap yöntemleri olarak “Efektif Genişlik Yöntemi” ve “Doğrudan Dayanım Yöntemi” tarif edilmektedir. Efektif genişlik yöntemi, eşmerkezli eksenel yüklenmiş ince cidarlı çelik elemanların dayanımları için kullanılan klasik yöntemdir. Yapılan çalışmalarda, basınç altında ince cidarlı çelik kolon kesitlerinin tüm alanları ile çalışmadıkları görülmüştür. Dolayısı ile kapasite hesabında öncelikle kesit alanı, gelen basınca dayanan kısma yaklaşacak şekilde yönetmelikte tarif edilen plakların yerel burkulma durumu dikkate alınarak azaltılır. Global burkulma gerilmesi, akma gerilmesi ile ilişkilendirilerek kolon narinliği hesaplanır. Bulunan kolon narinliği ve akma gerilmesi kullanılarak kolon kapasitesi tayin edilir. Doğrudan dayanım yöntemi, eşmerkezli eksenel yüklenmiş ince cidarlı çelik elemanların dayanımlarının belirlenmesi için son zamanlarda geliştirilen bir yöntem olup AISI S100-2007 standardının EK-1 kısmında tarif edilmektedir. Yapılan çalışmalarda, birçok çelik kolon kapasitesinin test sonuçları biraraya getirilerek direk dayanım yöntemi için öngörü eğrileri çıkarılmıştır. Bu eğrilerden elde edilen analitik formüller ile her bir burkulma modu için kolon kapasitesi hesap edilebilmektedir. Elemanların kritik elastik burkulma yükleri, her bir burkulma modu için sonlu şerit yöntemi kullanan “CUFSM” paket programı veya sonlu eleman yöntemi ile hesaplanır. Kritik elastik burkulma yükleri, direk dayanım yöntemi formüllerinde kullanılarak her bir burkulma modu için kolon dayanımı hesap edilir. Elde edilen dayanımların en küçüğü alınarak kolon kapasitesi tayin edilir. Direk dayanım yönteminde yerel burkulma ve global burkulmanın etkileşimi dikkate alınmaktadır. Çarpılmalı burkulma, akma dayanımı ile ilişkilendirilmektedir. Direk dayanım yöntemi kullanılarak yapılan kapasite hesabında doğru sonuç elde edilebilmesi için ilgili yönetmelikteki kesit geometrisi limitleri dikkate alınmalıdır. Bu tezde, çeşitli özelliklerde ve aralıklarda örnek kolonların dayanım hesabında doğrudan dayanım yöntemi kullanılarak kolon ağzı tipi, yönü ve uzunluğu, kolon boyu ve delik varlığının kolon dayanımı üzerindeki etkileri incelenmiştir. Mevcut çalışma aşağıdaki şekilde özetlenebilir; - Doğrudan dayanım yöntemi ve çelik depo raf kolonları ile ilgili yapılan önceki çalışmaların incelenmesi ve özetlenmesi. - Soğukta biçimlendirilmiş çelik kolonların taşıma kapasitelerinin mevcut yönetmelikteki (AISI S100-700) Efektif genişlik yöntemi ve doğrudan dayanım yöntemi ile örnek çözümler verilerek değerlendirilmesi. - Kolon boyları, kolon ağzı yönleri ve uzunlukları, delikli olup olamama gibi durumları bakımından çeşitlilik gösteren 120 adet kolon modelinin dayanım hesabı üzerinde analitik bir çalışma yapılması. AISI S100-700 standardında deliklerin kolon dayanımı üzerindeki etkisinin, fiziksel test yapılarak bulunması tarif edilmektedir. Üç ana burkulma modu olan yerel burkulma, çarpılmalı burkulma ve global burkulma üzerinde delik etkisinin incelenebilmesi için bir tasarım kuralı verilmemiştir. Bu çalışmada, doğrudan dayanım yöntemi ile bütünleştirilerek son zamanlarda geliştirilen bir yöntem olan “Azaltılmış Kalınlık Yaklaşımı” kullanılmıştır. Üç farklı kolon boyunda, delilikli olup olmama durumları için kolon ağzı konfigürasyonundan dolayı değişken geometrili kesitlere sahip kolon modelleri dayanımları hesaplanarak karşılaştırmalar yapılmıştır.

Steel Storage Rack Systems play a vital role in logistics and storing goods.This has particularly increased over the last decade. In our country, importance of these systems is increasing through the demand of insufficient space to storage goods from various industries and fields. The structural strength and stability of steel storage rack structures became more important than before because the usage of these structures and value of the goods carried by these structures have increased. Safety of columns used as part of the structral system of storage rack frames is particulary vital for safe use of the systems. Steel Storage Rack Columns can be assumed to be a specific version of general cold formed steel (CFS) columns. However, the behaviour of steel storage rack columns is different from general behavior of the CFS columns due to their thickness, lip configuration and the presence of the perforations. Steel storage rack columns may consist various lip types, lengths and perforations for the intended use. These two major variables affect the capacity of rack columns and hence the stability and strength of whole rack structure. Determining the structural capacity of steel storage rack columns has been currently regulated with several standarts and methods. American Iron and Steel Institute S100-2007 Standart is one of these few standarts to regulate the method of calculation to determine the strength of cold formed steel columns. The standart presents Effective Width Method and Direct Strength Method for calculations. Direct Strength Method, presented in Appendix 1 part of AISI S100-2007 standart has been newly developed method for determination of the strength of concentrically axially loaded cold formed steel members. The effects of perforations and lip configuration including lip type, lip forming direction and column length on nominal column strength are investigated using Direct Strength Method on a range of various specimens in this thesis. The main parts of the present study can be summarized as follows; - Review of previous studies conducted on steel storage rack columns and direct strength method. - Assessment of current practise (AISI S100-700 provisions) with respect to calculation of cold formed steel column capacity with Effective Width Method and Direct Strength method. - The analytical study carried out on 120 column models having different column lengths, lip directions, lip lengths and perforated and unperforated cases. In AISI S100-700 standart, currently the effect of perforations on column strength is accounted for by physical testing. No design rules are given to consider the effect of perforations on the three major buckling modes including local, distortional and global. In this study, a recently developed analytical approach which integrates the Direct Strength Method by a method called “Reduced Thickness Approach” was used. Comparisons were made between nominal strength values of columns with varying cross-section geometries (lip configuration) for both unperforated and perforated cases with three different column lengths.