Eksenel yüklü tel demet ve halatların çap ve tel ilişkilerinin karşılaştırılması
Comparison of relation between diameter and wire at axial loaded wire ropes and strands
Yazar: AHMET AYKUT NARİNOĞLU
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ FATİH ALEMDAR
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Tel halat = Wire rope ; Çelik halat = Steel rope ; Çelik tel = Steel wire

Özet:
Tel halatlar ekonomik olarak kullanılabilecek taşıyıcı sisteme uygun tasarım prensibine sahip köprü yapıları, asansör ve kren tipi kaldırma-taşıma amacıyla kullanılan sistemlerde veya madencilik alanında taşıma ihtiyacı gibi çeşitli amaçlara cevap verme niteliğine sahiptirler. Tel halatların en önemli özellikleri eğilmede ve burulmada az rijitliklere sahip olmalarıdır. Bu özelliklerinden ötürü iç kuvvetlerin aktarılmasında kabloların üzerine gelecek kuvvet taleplerini düşük bırakmakta, kablo kesitlerinde momentlerin, çekme kuvvetlerine oranla çok düşük seviyelerde oluşması ve yüksek çekme kuvvetlerini karşılayabilmeleri halatların çok geniş açıklıklarda kullanılmasında etkili bir rol oynamaktadır.

Halatlar yapısal olarak birden çok demetin bir araya gelmesiyle oluşur. Demetlerin konfigürasyonu, türleri ve kendi içlerinde farklı geometrik özelliklere sahip olmaları çeşitli türdeki halatları meydana getirmektedir. Halatlar merkez çekirdeklerinin oluşumun göre de ayrışmaktadırlar. Halatların merkez çekirdekleri demet ya da halat formunda olabilmektedir. Merkez çekirdeği demet formunda olan halatlar çekirdeği saran demetlerle farklılık gösteriyorsa bağımsız çekirdekli tel halat olarak adlandırılırlar. Bağımsız tel halat çekirdeğini 3. katman dış demetin sarması ile 19x7 çelik özlü tel halat meydana gelmektedir. Basit demetler, bir merkez tel ve onu saran 6 adet dış telin belirli bir dönme açısıyla sarılmasıyla oluşturulurlar. Bu demetleri saran dış teller helisel forma sahiptir ve helis açısına bağlı olarak demet uzunluğu boyunca belirli bir tur sayısını (adım sayısı) tamamlarlar. Çok katmanlı demet basit demetten farklı olarak 3. katman dış telin eklenmesi ile elde edilir.

Bu çalışmada eksenel yüklü tel demet ve halatların nümerik hesaplama yöntemi ile çözülerek karşılaştırılmaları yapılmıştır. İlk olarak Love'ın geliştirdiği teoriye göre ince tel için denge denklemleri oluşturulmuştur. Ayrıca Love'ın geliştirdiği bu çalışma tel halat teorisinin başlangıcı olarak kabul edilmiştir. Castello Love'ın ince tel için geliştirdiği denklemleri temel alarak çelik özlü demetin davranışını çalışmıştır. Öncelikle Costello'nun eksenel yüklü tel demetin davranışına yönelik oluşturduğu denklemler sunulmuş; demet geometrisi, basit demetin eksenel davranışı, yük şekil değişimi ilişkisi incelenmiştir. Costello'nun basit demet için oluşturduğu denklemler çok katmanlı demet ve diğer halat türleri için geliştirilmiştir. Bu şekilde bağımsız tel halat çekirdeğinin ve 19x7 çelik özlü tel halatın nümerik çözümü yapılmıştır.

10 mm çapında basit düz demet, çok katmanlı demet (3 katmanlı), bağımsız tel halat çekirdeği (IWRC) ve 19x7 çelik özlü tel halatın ayrı olarak eksenel davranışları elde edilmiştir. Demet ve halatların kendi eksenel davranışları içerisinde tel ve demetlerin davranışları belirlenmiştir. Nümerik çözümü yapılan demetlerin sonlu elemanlar programı Abaqus ile eksenel kuvvet-şekil değiştirme diyagramları karşılaştırılmıştır. Demet ve halatların ise deney sonuçları ile nümerik hesaplar kontrol edilmiştir. Farklı çaplardaki (4, 6, 8, 10, 12 ve 14 mm) demet ve halatların nümerik hesaplarla tel ve demetlere bağlı olarak efektif kesit kullanımları ve gerilme düzensizlikleri grafikleri oluşturulmuştur. Farklı çaplardaki demet ve halatlar için elde edilen sonuçların karşılaştırılmış ve demet ve halat çapları-tel ilişkileri irdelenmiştir.

Abstract:
Wire cables have quality of responsing various aims such as transportation requirement in mining field or in systems used for elevation-transportation type crane, elevator and bridge structures having designing principle suitable to conveyor system that can be used economically. The most important property of wire cables is having less rigidity in bending and twisting. Because of this property, in transmitting of inner forces it decreases force demands on cables, in cable sections it keeps moments at very low levels compared to tension forces and plays an effective role in using of cables in very large spans to compansate high tension forces.

Cables are structurally made up of gathering of many strands. The configuration, types and having different geometric properties of strands in themselves forms various types of ropes. According to their material type in themselves, cables seperate into two types as steel core rope and fibre core rope. Apart from material type, cables also seperate according to the core of formation. The centre cores of cables can be in the form of a strand or a rope. If the cables that their centre core is in the form of a strand show difference with strands wrapping core, they are named as independent wire rope core. 19x7 steel core wire rope consist of third layer strand different from independen wire rope core Simple strands are formed with a centre cable and wrapping specific turning angle of 6 exterior wires that wraps it. The exterior wires that wrap these strands have helical form and depending on helical angle they complete specific number of turn along strand length. The length that wires take along strand axis while wrapping is called as pitch length. Consider the addition of another layer (layer 3) of wires to the simple strand which is called multilayer strand.

At this study axial loaded wire ropes and strands are numerically analyzed and compared. The equations of equilibrium for a wire have been derived by based on the theory developed by Love, and this treatise has been regarded as a baseline. Costello's work on a thin rod model, based on the nonlinear equations of equilibrium of curved rods (Love, 1944) presented. Then the equations, which have been derived by Costello for the behaviour of axial loaded wire strand, have been presented, and strand geometry, axial behaviour of simple strand, load-deformation relation for simple strand have been investigated. The equations which are developed by Costello are used to generate the solution for multi-layer strand and ropes with complex cross sections. By that way independent wire rope core and 19x7 steel core wire rope analyzed numerically.

Axial response of 10 mm diameter simple strand, multi-layer strand (3 layer), independent wire rope core and 19x7 steel core wire rope are obtained apart. Axial response of wires and strands at strand and ropes own characteristic behavior presented. Strands which analyzed numerically are controlled by finite element program Abaqus with axial force-strain diagram. Ropes are also controlled by experimental results. Cross sections which were used for calculations, have specific ratios by minimizing the diameters with respect to 4mm, 6 mm, 8 mm, 10 mm, 12 mm and 14 mm diameter. In spite of the difference of big section bridges that have major thicknesses, this results show same characteristic behavior. The aim of notice is to address strand diameters analyzed numerically which form cables consisted of different thickness wires. In this study; cross section efficiency, effective area usage in diverse size strands and multi-layered strand stress irregularity effects between wires were examined.