Gusset Plaka (Bayrak Levhası) Tasarımı
Gusset plaka (bayrak levhası), çelik yapılarda çaprazların, kafes elemanlarının veya bağlantı kirişlerinin birleşim bölgelerinde kuvvet transferini sağlayan kritik bir bağlantı plakasıdır. Bu...
Kategori: Çelik Yapılar Seviye: Orta–İleri
1. Gusset Plaka Nedir?
Gusset plaka (bayrak levhası), çelik yapılarda çaprazların, kafes elemanlarının veya bağlantı kirişlerinin birleşim bölgelerinde kuvvet transferini sağlayan bağlantı plakasıdır. Merkezi çaprazlı çerçevelerde (MÇÇ), kafes kiriş düğüm noktalarında ve kirişin mesnet bölgelerinde yaygın biçimde kullanılır.
Whitmore kesiti, Thornton yöntemi (burkulma), blok kesme-yırtılma ve UFM (Eşit Kuvvet Yöntemi) sıralı kontrol akışı (ÇYTHYE 2016 / EN 1993-1-8 / TBDY 2018).
Sol: 30° Whitmore yayılımı ve etkin alan. Sağ: blok kesme yırtılma yolu (Ant + Anv), Thornton burkulma uzunluğu Lcr ve kolon-kiriş arayüzünde UFM eşit kuvvet yöntemi.
Saha Notu: Türkiye'de çelik yapıların büyük çoğunluğu yüksek deprem bölgelerinde inşa edilmektedir. Bu nedenle gusset plakalar, binada plastik mafsal oluşumunu kontrol eden ve enerji yutumunu mümkün kılan kritik elemanlar olarak öne çıkmaktadır. TBDY 2018 Madde 9.6 kapsamında boyutlandırılmış gusset levhalar, çaprazın burkulma ve gerilme döngülerine uyum sağlayacak biçimde tasarlanmalıdır.
1.1 Malzeme Seçimi: Türkiye'de Çelik Sınıfları
Türkiye'de çelik yapı elemanları TS EN 10025-2:2006 standardına göre seçilir.
Tablo 1: Malzeme Seçimi: Türkiye'de Çelik Sınıfları
| Çelik Kalitesi | (t ≤ 16 mm) | Darbe Test Sıcaklığı | |
|---|---|---|---|
| S235JR | 235 MPa | 360–510 MPa | +20°C |
| S235J2 | 235 MPa | 360–510 MPa | −20°C |
| S275J2 | 275 MPa | 430–580 MPa | −20°C |
| S355J2 | 355 MPa | 470–630 MPa | −20°C |
| S355K2 | 355 MPa | 470–630 MPa | −20°C (40J) |
Dikkat: TBDY 2018 Madde 9.2'ye göre sismik elemanlarda ve bağlantı levhalarında minimum S275 sınıfı çelik kullanılmalıdır; yüksek sismik talep altında (Yüksek Sünekli Çerçeveler) S355 tercih edilmesi zorunludur. Kalınlık 40 mm < t ≤ 100 mm aralığında S355 için MPa'ya düşer; bu durum gusset tasarımında mutlaka dikkate alınmalıdır.
2. Gusset Plaka Göçme Modları
Tasarımda kontrol edilmesi gereken başlıca sınır durumları (TS EN 1993-1-8:2009, ÇYTHYE-2016 Madde 13):
- Whitmore kesitinde gerilme akması (tensile yielding) — Çekme yükü altında
- Whitmore kesitinde burkulmada gerilme (compression/buckling) — Basınç yükü altında
- Blok kesme-yırtılma (block shear / block tearing) — Bulonlu ve kaynaklı bağlantılarda
- Kaynak/bulon bağlantısı göçmesi — Arayüz kuvvetleri altında
- Yanal burkulma (sidesway buckling) — Sismik yük altında deprem boşluğu yetersizliği
Saha Notu: Türkiye şantiyelerinde en sık gözlemlenen sorunlar: (1) Kaynak boyunun yetersiz bırakılması, (2) Gusset kalınlığının ÇYTHYE-2016 Tablo 13.4 minimum değerlerinin altında tutulması, (3) Sismik boşluğunun atlanması. Her üçü de TBDY 2018 Madde 9.6.5 kapsamında yasal zorunluluktur.
3. Whitmore Kesiti
Whitmore kesiti, çubuğun son bulonundan veya kaynak ucundan başlayarak 30° açıyla yayılan gerilme dağılımı bölgesini sınırlar. Bu kural ilk olarak Whitmore (1952) tarafından alüminyum ölçek modellerinde deneysel olarak doğrulanmış ve 30°'lik dağılım açısı, sonraki onlarca araştırmayla teyit edilmiştir.
Whitmore genişliği (AISC Design Guide 29 ve TS EN 1993-1-8:2009 ilkeleri doğrultusunda):
Burada:
- : çubuk gövde genişliği veya başlık genişliği (mm)
- : bağlantının boyuna uzunluğu — son bulondan ilk bulona (mm)
Whitmore kesit alanı:
3.1 Çekme Akma Dayanımı (TS EN 1993-1-1:2005 Madde 6.2.3)
TS EN 1993-1-1:2005 çerçevesinde brüt kesit çekme dayanımı:
Türk Ulusal Eki gereği .
Dikkat: AISC 360 eşdeğer değeri olan formülüdür. Eurocode yaklaşımında ile bu iki yöntem pratik olarak aynı sonucu verir.
3.2 Whitmore Kesitinde Burkulma Dayanımı — Thornton Yöntemi
Thornton yöntemi (1984), gusset plakayı basınç yükü altında ince bir kolon şeridi olarak ele alır. AISC 360-16 / ÇYTHYE-2016 Madde 13 çerçevesinde:
Eşdeğer serbestlik uzunluğu:
Burada , , : Whitmore kesitinin üç noktasından (iki uç + merkez) kiriş/kolon eklemine uzayan dik mesafelerdir.
Atalet yarıçapı:
Narinlik parametresi (TS EN 1993-1-1:2005 Madde 6.3.1):
(serbest kenar rijitleştiricisi olmayan plaka; TS EN karşılığında imperfeksiyon faktörü ile burkulma eğrisi 'c' kullanılır)
Tasarım dayanımı (Eurocode kolon burkulma eğrisi c, ):
Burada : Burkulma azaltma faktörü.
Saha Notu: Türkiye'de büyük açıklıklı çelik çatı ve endüstriyel yapılarda sık kullanılan –20 mm aralığındaki gusset plakaların basınç narinliği, genellikle tasarımı yöneten kriterdir. Rijitleştirici kullanıldığında alınabilir; ancak bunun için rijitleştirici ÇYTHYE-2016 Madde 13.9'u sağlamalıdır.
4. Blok Kesme-Yırtılma Dayanımı (Block Tearing)
TS EN 1993-1-8:2009 Madde 3.10.2 — Çekme altında blok yırtılma dayanımı:
Yoğunluklu çekme gerilmesi durumu ():
Düzensiz çekme gerilmesi durumu ():
Burada:
- : Net çekme alanı (delikler düşülmüş) (mm²)
- : Net kayma alanı (delikler düşülmüş) (mm²)
- (enkesit dayanımı)
- (çekme kırılması — net kesit)
Not: AISC 360 Madde J4.3 eşdeğer formülü farklı yöntemi kullanır. Türkiye'de TS EN 1993-1-8:2009 (ÇYTHYE-2016 Madde 13.3) bağlayıcıdır.
Tablo 2: Blok Kesme-Yırtılma Dayanımı (Block Tearing)
| Alan | Tanım | Formül |
|---|---|---|
| Net çekme alanı | ||
| Net kayma alanı | ||
| Brüt kayma alanı |
(: kenar mesafesi yük yönünde; : kenar mesafesi yüke dik; : bulon adımı; : delik çapı; : bulon sayısı)
Dikkat: Delik çapı mm (normal delik, TS EN 1993-1-8:2009 Tablo 3.1).
5. Thornton Yöntemi — Bağlantı Kuvvetleri (Eşit Kuvvet Yöntemi / UFM)
Çelik çerçevelerde gusset plaka; kiriş ve kolona bağlantılarında gerekli kuvvetleri ileten kesme ve eksenel kuvvetler oluşturur. AISC Design Guide 29'daki Eşit Kuvvet Yöntemi (Uniform Force Method — UFM) ve ÇYTHYE-2016 Madde 13 çerçevesinde:
Thornton dengesi:
Burada , katsayıları ve eksantrisitesi, gusset-kiriş ve gusset-kolon arayüz geometrisine bağlıdır.
Geometrik kısıt:
= çaprazın yatay ile yaptığı açı.
Saha Notu: ÇYTHYE-2016 Madde 9.2.5 gereği MÇÇ sistemlerinde gusset plakası, çaprazın beklenen maksimum dayanımı esas alınarak tasarlanmalıdır. Bu dayanım fazlalığıyla büyütülmüş kuvvet değerinin üst sınırını geçemez.
6. Kaynak ve Bulon Tasarımı
6.1 Kaynak Bağlantısı (TS EN 1993-1-8:2009 Madde 4)
Köşe kaynak tasarım dayanımı:
Burada:
- : Efektif boğaz kalınlığı (mm)
- : Ana malzeme çekme gerilmesi (MPa)
- : Korelasyon faktörü (S355 için ; TS EN 1993-1-8:2009 Tablo 4.1)
Tablo 3: Kaynak Bağlantısı (TS EN 1993-1-8:2009 Madde 4)
| Çelik Kalitesi | |
|---|---|
| S235 | 0,80 |
| S275 | 0,85 |
| S355 | 0,90 |
| S420 ve S460 | 1,00 |
Tablo 4: Kaynak Bağlantısı (TS EN 1993-1-8:2009 Madde 4)
| Daha ince birleşen malzeme kalınlığı (mm) | Min. efektif boğaz kalınlığı (mm) |
|---|---|
| 3 | |
| 5 | |
| 6 | |
| 8 |
Dikkat: Köşe kaynakların minimum etkin uzunluğu, boğaz kalınlığının 6 katından veya 40 mm'den az olamaz (ÇYTHYE-2016 Madde 13.2.4). Bu koşul sağlanmazsa efektif kalınlık sıfır kabul edilir.
6.2 Bulon Bağlantısı (TS EN 1993-1-8:2009 Madde 3)
Bulon kesme dayanımı:
Burada:
- (kesme düzlemi gövdeden geçiyorsa); 0,50 (diş bölgesi)
- : Bulon kopma dayanımı (MPa): 8.8 sınıfı = 800 MPa; 10.9 sınıfı = 1000 MPa
- : Bulonun kesme alanı (mm²)
Bulon ezilme (yırtma) dayanımı:
Saha Notu: TBDY 2018 Madde 9.2.6 uyarınca, sismik elemanların birleşimlerinde ve eklerinde minimum 8.8 sınıfı, TS EN 14399 standardına uygun HR tipi yüksek dayanımlı bulon kullanılmalıdır. HV tipi bulon, deprem yükleri altında diş sıyrılma riski nedeniyle sismik bölgelerde önerilmemektedir.
Tablo 5: Bulon Bağlantısı (TS EN 1993-1-8:2009 Madde 3)
| Bulon Sınıfı | (MPa) | (MPa) | Tipik Uygulama |
|---|---|---|---|
| 4.6 | 240 | 400 | Düşük zorlanma, sekonder elemanlara |
| 5.6 | 300 | 500 | Orta zorlanma |
| 8.8 | 640 | 800 | Çelik yapı, deprem bölgeleri |
| 10.9 | 900 | 1000 | Yüksek zorlanma, büyük gussetler |
7. TBDY 2018 ve ÇYTHYE-2016 Deprem Koşulları
7.1 Sismik Tasarım: Kapasite Tasarımı Yaklaşımı
ÇYTHYE-2016 Madde 9.2.5 / TBDY 2018 Madde 9.6 çerçevesinde, merkezi çaprazlı çerçevelerde (MÇÇ) gusset levhası kapasite tasarımı ilkesiyle boyutlandırılır. Bağlantı elemanları (gusset, kaynak, bulon), çaprazın beklenen plastik kapasitesi esas alınarak tasarlanır:
Burada:
- : Gerilme yoğunlaşması katsayısı (genellikle ; ÇYTHYE Madde 9.2.5)
- : Beklenen/nominal akma oranı (S355 için )
- : Nominal akma gerilmesi (MPa)
- : Çaprazın brüt enkesit alanı (mm²)
7.2 Sismik Boşluk Kuralı (TBDY 2018 Madde 9.6.5)
Yüksek Sünekli Merkezi Çaprazlı Çerçevelerde (YS-MÇÇ), gusset levhasının çapraz bitim ucu ile katlama hattı arasında en az boşluk bırakılması zorunludur. Bu kural, AISC 341-16 Bölüm F2.6c(2) ile paraleldir.
Katlama hattı (fold line): Gusset levhasının çapraz ekseninin bitişik kiriş veya kolon yüzeyiyle kesiştiği hayali çizgi.
Boşluk kuralı:
Bu boşluk, çaprazın burkulma sonrası büyük plastik açı yapmasına olanak sağlar ve gusset levhasının düzlem dışı rotasyon kapasitesini güvence altına alır. Boşluğun yetersiz olması, çaprazın ilk burkulma döngüsünde gusset levhasını kırmesine yol açar.
Dikkat: boşluk kuralı çoğu zaman Türkiye şantiyelerinde atlanmaktadır. TS EN 1993-1-8:2009 bu spesifik kuralı içermez; TBDY 2018'in sismik bölgeler için ek koşulu olarak bilinmeli ve proje kontrollerinde ayrıca sorgulanmalıdır.
8. Tasarım Adımları Özeti
- Geometri ve çelik sınıfı belirle (S355 J2 önerilir, TS EN 10025-2:2006)
- Whitmore genişliği hesapla:
- Çekme akması kontrolü:
- Burkulma kontrolü (basınç varsa, Thornton / AISC yöntemi):
- Blok kesme-yırtılma: TS EN 1993-1-8:2009 Md. 3.10.2 →
- Kaynak/bulon hesabı: (köşe kaynak) veya , (bulon)
- Minimum kalınlık: mm (genel), mm (deprem bölgesi)
- TBDY 2018 Md. 9.6.5 (sismik bölge): boşluk kontrolü
- ÇYTHYE-2016 Md. 9.2.5: ile tüm bağlantı elemanlarını kontrol et
9. Örnek Problemler
Problem 1 — Kolay: Whitmore Kesiti Çekme Akması Kontrolü
Veriler:
- Çapraz çubuk başlık genişliği: mm (HEA 200)
- Boyuna bağlantı uzunluğu (son–ilk bulon): mm
- Gusset kalınlığı: mm
- Çelik: S275 J2 → MPa ( mm)
- Tasarım çekme kuvveti: kN
İstenen: Whitmore kesiti çekme akma dayanımını doğrula
Çözüm:
Adım 1 — Whitmore genişliği:
Adım 2 — Whitmore kesit alanı:
Adım 3 — Çekme akma dayanımı ():
Adım 4 — Kontrol:
Sonuç: Whitmore kesiti çekme akması kriterini 3,09 kat güvenlikle sağlar.
Kontrol: levha kenar boyutu olup olmadığı ayrıca kontrol edilmeli; Whitmore genişliği plaka sınırlarını aşmamalıdır.
Problem 2 — Orta: Blok Yırtılma Dayanımı (TS EN 1993-1-8:2009)
Veriler:
- Çelik: S355 J2 → MPa, MPa ( mm)
- Gusset kalınlığı: mm
- Bulon: M20 çapında ( mm)
- Bulon düzeni: 3 bulon sıra × 1 sütun, mm
- Yük yönünde kenar mesafesi: mm
- Yüke dik kenar mesafesi: mm
- ;
İstenen: blok yırtılma dayanımı
Çözüm:
Adım 1 — Net çekme alanı:
Adım 2 — Net kayma alanı (3 bulon, 2 aralık):
Adım 3 — Blok yırtılma dayanımı (, düzgün çekme):
Sonuç: kN
Kontrol: kN koşulu sağlanmalıdır. Sağlanmazsa artırılır veya bulon adımı ve kenar mesafesi artırılarak büyütülür.
Problem 3 — Zor: Thornton Burkulma + TBDY 2018 Sismik Büyütme
Veriler:
- Çapraz: SHS 180×180×10 ( mm²)
- Çelik: S355 J2 → MPa, MPa
- Gusset levhası: mm, S355 ( MPa)
- Thornton serbest uzunlukları: mm, mm, mm
- Whitmore genişliği: mm
- Deprem büyütme: ; (S355 için)
İstenen: (a) Burkulma dayanımı , (b) Sismik büyütülmüş tasarım kuvveti
Çözüm:
Adım 1 — Ortalama serbest uzunluk:
Adım 2 — Atalet yarıçapı:
Adım 3 — Whitmore kesit alanı:
Adım 4 — Burkulma boyu:
Adım 5 — İndirgenmemiş narinlik:
Adım 6 — Burkulma azaltma faktörü (Eurocode eğri c, ):
Adım 7 — Burkulma basınç dayanımı:
Adım 8 — TBDY 2018 sismik büyütülmüş kuvvet:
Adım 9 — Kontrol:
Sonuç ve Revizyon: mm ile yetersizdir. Gerekli minimum:
Ek Kontrol — boşluk:
Bağlantı çiziminde bu boşluk sağlanmalıdır.
10. Sık Yapılan Hatalar
Tablo 6: Sık Yapılan Hatalar
| Hata | Açıklama | Standart Referansı |
|---|---|---|
| boşluk atlanması | Sismik bölgede katlama hattı boşluğu bırakılmıyor | TBDY 2018 Md. 9.6.5 |
| Yetersiz kaynak kalınlığı | mm için mm şartı bilinmiyor | ÇYTHYE-2016 Tablo 13.4 |
| Whitmore sınırı kontrolsüz | levha kenarını aşıyor, kısmi etkinlik göz ardı | AISC DG29 / TS EN 1993 |
| faktörü seçimi hatası | Rijitleştiricisiz levhada alınıyor | ÇYTHYE-2016 Md. 13.5 |
| HV bulon kullanımı | Sismik bölgede HV yerine HR bulon zorunlu | TBDY 2018 Md. 9.2.6 |
| S235 kullanımı | TBDY sismik elemanlarda minimum S275 şartı | TBDY 2018 Md. 9.2 |
| alınması | Net kesit dayanımında zorunlu | TS EN 1993-1-8:2009 |
12. Yönetmelik Referansları
Tablo 7: Standart Referansları
| Standart | Madde | Konu |
|---|---|---|
| TS EN 1993-1-8:2009 | Madde 3.10.2 | Blok yırtılma dayanımı |
| TS EN 1993-1-8:2009 | Madde 4.5.3 | Köşe kaynak dayanımı |
| TS EN 1993-1-1:2005 | Madde 6.2.3 | Çekme akma dayanımı |
| TS EN 1993-1-1:2005 | Madde 6.3.1 | Burkulma azaltma faktörü |
| TS EN 10025-2:2006 | — | Yapısal çelik mekanik özellikleri |
| TBDY 2018 | Madde 9.6.5 | Sismik boşluk kuralı |
| TBDY 2018 | Madde 9.2.6 | HR tipi bulon zorunluluğu |
| ÇYTHYE-2016 | Madde 9.2.5 | Kapasite tasarımı büyütme |
| ÇYTHYE-2016 | Tablo 13.4 | Min. kaynak boğaz kalınlığı |
| ÇYTHYE-2016 | Madde 13.2.4 | Min. kaynak etkin uzunluğu |
| AISC Design Guide 29 | Bölüm 13 | Whitmore kesiti ve UFM yöntemi |
Kaynakça
- İlgili Türk Standartları (TS) ve Avrupa Normları (EN)
- TBDY 2018 — Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği
- İlgili ders kitapları ve teknik kaynaklar
Not: Bu makale eğitim amaçlıdır. Projelerde güncel yönetmelik ve standartlara başvurunuz.
İlgili Hesaplama Araçları
Bu konuyla ilgili ücretsiz mühendislik hesaplama araçlarımızla ön tasarım ve kontrol yapabilirsiniz:
- Döşeme Donatısı Hesaplama
- Çelik Kolon Burkulma Hesaplama
- Çelik Kiriş Sehim Hesaplama
- Çelik Profil Ağırlığı Hesaplama
Önemli Mühendislik Uyarısı: Bu içerik yalnızca bilgilendirme amaçlıdır; nihai tasarım, hesap ve uygulama kararları, güncel yönetmelikler ile proje koşulları çerçevesinde yetkili bir inşaat mühendisinin denetiminde alınmalıdır. Sayısal örnekler ve formüller genel mühendislik pratiğini yansıtır; her projenin kendine özgü zemin, yük ve çevre koşulları proje müellifince ayrıca değerlendirilmelidir.