Pencere camının ve çerçeve sistemlerinin patlamaya karşı davranışı
Blast response of window glass and window frame systems
Yazar: SUYUNBAY NADYROV
Danışman: DOÇ. DR. ALİ SARI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Patlamanın çevreye olan etkisi günümüzde önemini göstermiştir. Globalleşen dünyadan insanların her tarafa kolayca ulaşması nedeniyle terör olaylarının şehir hayatımıza etkisi çok daha büyüktür. Bundan dolayı patlamanın anlaşılması, etkisi, nesnelere nasıl şekilde tesir ettiğini bilmemiz çok önemlidir. Terör olayları sırasında patlamalarda en çok zayiatlar ve yaralanmalar camların patlama yükü altında parçalanmasından dolayı olmaktadır. Bu yüzden camın patlamaya karşı dayanımlı olması çok önemlidir. Ne yazık ki, camın patlamaya karşı dayanımı ile ilgili çalışmalar çok kısıtlıdır. Bu çalışmada patlamanın pencerelere, çerçevesine etkisi ve elemanlarına tesiri incelenmiştir. Malzemelerde, insanlara olan zararları hakkında bir defa daha önemine değinilecektir. 
Patlamayı tanımlayabilmek için ilk önce patlamanın nasıl şeklinde etki ettiğine bakılması gerekmektedir. Birinci bölümde patlayıcı türleri ve şekilleri detaylı olarak anlatılmıştır. Bu bölümde patlamalar fiziksel, nükleer ve kimyasal olarak kategorize edilmiştir. 
Patlamadan dolayı oluşan şok ve basınç dalga yüklerinin etkisi ve basınç değerlerinin zamana göre değişimine değinilmiştir. Patlama tipine bağlı olarak patlamanın meydana getirdiği basınç, impuls ve zaman, hız, dalga boyu parametrelerinin hesaplanması açıklanmıştır. Patlama yüküne uzaklığın, geliş açısının ve yansımasının etkileri anlatılmıştır. Patlayıcının cinsine göre TNT eşdeğer cinsinden küçültme katsayıları verilmiştir.  Aynı bölümde patlamaya karşı malzeme davranışları incelenmiştir. Bunun yanında dayanım yükseltme faktörü, dinamik mukavemet yükseltme faktörü, dinamik yük faktörü ve deformasyon limit parametreleri olan süneklik ve dönme hakkında açıklanmıştır. 
İkinci bölümde ise tek ve çok serbestlik dereceli yapı sistemleri anlatılmıştır. Tek serbestlik dereceli sistemlerin sayısal olarak ifadeleri çözüm metotları nasıl yapıldığı hakkında geniş bilgilere yer verilmiştir. Ayrıca analiz metotları ve programları hakkında açıklamalar yapılmıştır. 
Üçüncü bölümde ise patlamaya karşı güvenli pencere tasarımı için kriterler tartışılmıştır. Bu bölümde cam tiplerinden, çerçeve bileşenlerinden bahsedilmiştir. Cam tiplerinin patlamaya karşı dayanımı ve pencere çerçeve sistemlerinin patlamaya karşı tasarımı hakkında sınır limitleri açıklanmıştır. Bölümün son kısımlarına doğru ise Amerikan Kuruluşlar arası Güvenlik Kriteri (ISC) ve Amerikan Savunma Bakanlığı (DoD)'nın tanımladığı pencere hasar seviyeleri verilmiştir. 
Dördüncü bölümde patlamaya karşı pencere sistemlerin tasarım aşamaları açıklanmıştır. UFC 3-340-02 de belirtilen standarda göre patlamaya karşı dayanım gösteren temperli camlarda hesaplama aşamaları gösterilmiştir. Bu bölümde temperli camların kalınlıklarına göre doğal periyodu, statik dayanım direnci, eğilme değerleri hesaplama aşamaları gösterilmiştir. Bunun yanında çerçeveye camdan aktarılan patlama tepki kuvvetleri ve hesaplanma aşamaları gösterilmiştir.   
Beşinci bölümde ise UFC 3-340-02 de verilen değerlere ve ASTM F 2248, E 13000 göre hesaplanmış örnekler gösterilmiştir. Buradaki amaç her iki sistemde cama gelen yüklerin tanımlanması, kapasitelerin belirlenmesi ve kırılmalara karşı davranış anlatılmıştır.
Altıncı bölümde bilgisayar programı yardımı ile patlama değerlerinin bulunması, basınç kapasitesinin hesaplanması yapılmıştır. Patlamadan dolayı pencere camına etki eden kuvvetin, pencere çerçevesine aktarılması ve çerçeveye etki eden kuvvetler bulunmuştur. 
Son bölümde yapılan çalışmanın özeti ve önermeler yer almaktadır.

Abstract:
The impact of the explosion on the environment has showed its importance nowadays. As world globalization people can easily reach everywhere and due to the fact that terrorist incidents can effect on our city life much greater than ever. Therefore, it is very important that we have to understand how the explosion and how it effects on the objects. Most casualties and injuries, in explosion during terror attack, are due to the breakdown of the glasses under explosive charge. So, it is very important that the glass has to be resistant to explosion. Unfortunately, studies on explosion resistance of glass are very limited. In this study, the effect of the explosion on windows, frame and its effect on the elements will be researched. Once again, the importance about blast damage to human and materials will be mentioned. 
To determine the definition of explosion, it is necessary to consider how explosion acts. In the first chapter, the types and shapes of explosion materials are explained in detail. This section is categorized as physically, nuclear and chemically depending on the type of explosion. 
Effect of shock and pressure wave loads of explosion, is changing in graphical as time changes. Depending on the type of explosion the calculation of pressure, impulse, time, velocity and wavelength parameters has explained. Moreover, it was shown how to calculate the distance, angle of incidence and reflection of the explosion. The TNT equivalent reduction coefficients according to the type of explosive are explained in the table. In the same section, material behavior according to the effect of explosion is examined. Here are given the tables about the strength increase factor, dynamic increase factor, dynamic load factor and deformation limit parameter about ductility and rotation, which the effects of sudden explosion of material. 
In the second chapter, single and multi-degree of freedom systems are explained. Extensive information was given about how to solve numerical expressions of single degree of freedom systems. It is widely used in blast design application as basic analytical model. In this section explained solutions in single degree freedom system models like transformation factor, graphical solution methods, closed form solution, numerical integration and support reaction. In addition, about multi-degree freedom systems some methods and analysis programs were referred. 
In the third chapter the criteria for safe window design is explained. In this section material of glass types as anneal, heated and tempered explained. Anneal glass is common basic glazing material in buildings, and widely used. It exhibits brittle fracture due to microscopic randomly distributed surface flaws and scratches across its surface. It breaks into angular, jagged irregular fragments. It suddenly breaks and high hazards to buildings occupants. Semi-tempered (heated) glass is reheating annealed glass and because of controlled cooling it has two times in strength compared to annealed glass. Heat strengthened glass breaks into sharp-edged fragments similar to annealed glass though larger and therefore fewer in number. Fully tempered glass is reheating annealed glass to a plastic state and then controlled cooling. It has nearly four times strength then annealed glass. Tempered glass breaks into small, cuboid because of character. Frame component structures as bold, aluminum profile, glass and seal details shown and their connection explained. Blast strength of glass types and blast design of window frame systems boundary limits are explained. About glass of bite (edge engagement), face clearance, edge clearance shown in the figure. Towards the last part of the chapter, according to American Interagency Security Criteria (ISC) and American Department of Defense (DoD) criteria of damage levels, protection levels and performance conditions in the windows were shown. Design criteria and hazard levels in ISC/GSA and DOD is defined based on flying debris of glass from frame, which damage people. GSA performance condition 1 corresponds to no glass breakage, and condition 2 glass cracks but is retained by the frame and both conditions have no hazard level. In condition 3a is glazing cracks, and fragments enter space and land on floor no further than 1 m (3,3 ft) from window which has hazard level very low. In condition 3b has glazing cracks and fragments enter at least 3m (10 ft) from window and hazard level as low.  In condition 4 fragments impact a vertical witness panel at a distance no more than 3 m (10 ft) from window at a height no greater than 0,6m (2 ft) above the floor and hazard level medium.  In condition 5 fragment throw as a distance of no more than 3m (10ft) and height greater than 0,6m (2ft) above the floor which has hazard level high. 
In the fourth chapter, window systems which the design stages of resistance to blast are explained. The calculation steps are shown in tempered glasses according to the standard specified in UFC 3-340-02. In this section according to the thickness of tempered glasses, calculation of natural period, static strength resistance and bending calculation stages are shown. In addition, the frame due to the effect of glass forces acted by blast, also are shown as stages. Historical records show that near the explosion center due to severity of explosion people who lost their lives or suffered from broken glass was large. Failed window glazing often leads to additional injuries as blast pressure can enter interior building spaces and subject personnel to high pressure jetting, incident overpressure, secondary debris impact, and thrown body impact. In modern facilities, which often have large areas of glass effects more. Guidelines are presented in the form of load criteria for the design of both the glass panes and framing system for the window. The criteria account for both the bending and membrane stresses and their effect on maximum principle stresses and the nonlinear behavior of glass panes. The design stress, the maximum principal tensile stress allowed for the glazing, "fun", is set at 16000 psi (110,32 MPa). The probability of failure equal to or less than 0.001.  UFC 3-340-02 2008 the criteria cover a broad range of design parameters for rectangular-shaped glass panes. Design charts are presented for monolithic thermally tempered glazing with blast overpressure capacity up to 100 psi, an aspect ratio of a/b= 1.00, 1.25, 1.50, 1.75, 2.00, 3.00 and 4.00 pane area 1.0 ≤ ab ≤ 25 ft2 (0,0929