Çelik silo tasarımı ve optimizasyonu
Steel silo design and optimization
Yazar: GÜLŞAH ERDOĞAN
Danışman: DOÇ. DR. HÜSEYİN GÜRAN ÜNAL
Kastamonu Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Silolar, tarım ve endüstriyel alanlarda kullanılan, tahıl, yem, çimento ve diğer dökme malzemelerin depolanması amacıyla tasarlanmış büyük ve dikey yapılar olarak tanımlanır. Silolar, genellikle silindirik şekilli olup, içerdikleri malzemelerin dış etkenlerden korunmasını ve uzun süreli muhafaza edilmesini sağlarlar. 
Çelik, beton veya ahşap gibi farklı malzemelerden yapılabilirler ve bu malzemelerin seçiminde maliyet, dayanıklılık ve kullanım ömrü gibi kriterler dikkate alınır. Çelik silolar, yüksek mukavemet ve dayanıklılık özellikleri nedeniyle yaygın olarak tercih edilir. Siloların mühendislik tasarımında, malzeme bilimi, yapısal analiz, termodinamik ve akışkanlar mekaniği gibi disiplinlerden faydalanılır.
Silo tasarımı ve optimizasyonu, mühendislik biliminin birçok dalını kapsayan karmaşık ve çok yönlü bir süreçtir. Yapısal dayanıklılık, malzeme seçimi ve ekonomik verimlilik gibi faktörlerin dikkatle değerlendirilmesi, siloların güvenli ve verimli bir şekilde çalışmasını sağlar. 
Bu çalışmanın temel amacı, optimum koşullarda çelik tahıl silosu tasarlamak ve bu tasarımların analizlerini gerçekleştirmektir. Bu çalışmada izlenen yöntem, ilk olarak literatür de yer alan bilgiler ve endüstri standartları doğrultusunda çelik tahıl silolarının genel özellikleri ve tasarım kriterleri incelenmiştir. Bu incelemelerin ardından, SolidWorks 2024 yazılımı kullanılarak, farklı sac kalınlıklarına sahip çeşitli silo modelleri oluşturulmuştur. Bu modeller için uygun malzeme seçimi yapılmış ve emniyet faktörleri hesaplanmıştır. Silonun stabilitesini artırmak ve olası yapısal sorunları minimize etmek amacıyla, destek elemanları tasarıma dahil edilmiştir. Çelik siloların maliyetinin büyük kısmını oluşturan yapı malzemesi, tavsiye edilen emniyet gerilmesi değerinin üzerine çıkmadan hafifletilmeye çalışılmıştır.
Bu çalışmada, tahıl depolaması amacıyla farklı sac kalınlıkları ve destek elemanlarına sahip 85 adet silo modeli oluşturulmuştur. Silo boyutları, 1500x3000 mm sac levhalar kesilmeksizin kullanılarak çapı 4,77 metre ve yüksekliği (çatı hariç) 10,5 metre olarak belirlenmiş ve araştırma süresince sabit tutulmuştur. Oluşturulan modeller için kaynaklanabilirlik, işlenebilirlik ve maliyet yönünden uygun malzeme olarak St44 yapı çeliği seçilmiştir.
Sonraki aşamada, oluşturulan silo modellerinin yapısal analizleri ANSYS sonlu elemanlar yazılımı ile gerçekleştirilmiştir. ANSYS yazılımı kullanılarak yapılan analizlerde, her bir silo modeli için statik yükleme koşulları altında oluşan toplam deformasyon, gerinim ve gerilme değerleri hesaplanmıştır. Ayrıca, her bir tasarımın toplam ağırlığı da değerlendirilmiştir. Bu analizler sonucunda elde edilen veriler karşılaştırılarak, en uygun performans ve maliyet dengesini sağlayan optimum silo tasarımı belirlenmiştir.
Sonuç olarak, bu tez çalışması kapsamında, çelik tahıl silolarının tasarımında kullanılacak sac kalınlığı, malzeme seçimi ve destek elemanlarının etkisi detaylı bir şekilde incelenmiş ve analiz edilmiştir. Yapılan analizler neticesinde, çeşitli tasarım parametreleri dikkate alınarak, güvenli ve ekonomik bir çelik tahıl silosu tasarımı önerilmiştir. Sadece sac levhaların kullanımı yerine, uygun bölgelere aynı malzemeden NPU ve Lama destek elemanı konularak gerekli emniyet değerinin sağlanabildiği ve toplam silo gövdesi ağırlığının büyük ölçüde hafifletilebildiği gözlemlenmiştir. Sabit kalınlıkta gerekli emniyeti sağlayan silo modeli yerine değişken sac kalınlıklı ve destek elemanı takviyeli bir tasarım ile referans silo ağırlığının %58 azaltılabildiği sonucuna varılmıştır. Bu çalışma, endüstride çelik tahıl silolarının tasarımı ve analizi konusunda önemli bir kaynak teşkil etmekte olup, gelecekte yapılacak benzer çalışmalar için yol gösterici nitelikte bilgiler sunmaktadır.

Abstract:
Silos are defined as large, vertical structures designed for the storage of grain, feed, cement and other bulk materials used in agricultural and industrial areas. Silos are usually cylindrical in shape and provide long-term storage and protection of the materials they contain from external factors.
They can be made of different materials such as steel, concrete or wood, and criteria such as cost, durability and lifetime are taken into account when choosing these materials. Steel silos are widely preferred due to their high strength and durability. The engineering design of silos utilizes disciplines such as materials science, structural analysis, thermodynamics and fluid mechanics.
Silo design and optimization is a complex and multifaceted process involving many branches of engineering science. Careful consideration of factors such as structural durability, material selection and economic efficiency ensure that silos operate safely and efficiently.
The primary objective of this study is to design a steel grain silo under optimal conditions and to conduct analyses of these designs. The methodology employed in this study initially involves examining the general features and design criteria of steel grain silos based on information available in the literature and industry standards. Following this examination, various silo models with different sheet thicknesses were created using SolidWorks 2024 software. For these models, suitable materials were selected, and safety factors were calculated. To enhance the stability of the silo and minimize potential structural issues, support elements were incorporated into the design. The structural material, which constitutes a large part of the cost of steel silos, was tried to be lightened without exceeding the recommended safety stress value.
In this study, 85 silo models with different sheet thicknesses and support elements were created for grain storage. The dimensions of the silo were determined as 4.77 meters in diameter and 10.5 meters in height (excluding the roof) using 1500x3000 mm sheet metal without cutting and were kept constant throughout the research. St44 structural steel was chosen as the material due to its weldability, machinability and cost effectiveness.
In the next phase, the structural analyses of the created silo models were performed using ANSYS finite element software. In the analyses conducted with ANSYS software, the total deformation, strain, and stress values under static loading conditions were calculated for each silo model. Additionally, the total weight of each design was evaluated. The data obtained from these analyses were compared to determine the optimal silo design that provides the best balance of performance and cost.
As a result of this thesis study, the effects of sheet thickness, material selection, and support elements used in the design of steel grain silos were thoroughly examined and analyzed. Based on the analyses conducted, a safe and economical steel grain silo design was proposed, taking into account various design parameters. It was observed that instead of using only steel plates, the necessary safety values could be achieved by placing NPU and flat bar support elements made of the same material in appropriate regions, significantly reducing the overall weight of the silo body. It was concluded that, compared to a model using uniform sheet thickness to ensure safety, a design with variable sheet thickness and reinforced support elements could reduce the reference silo weight by 58%. This study serves as an important resource for the design and analysis of steel grain silos in the industry and provides valuable guidance for future similar studies.