Ondülin gövdeli kirişlerin optimizasyonu ve nihai yük taşıma kapasitelerinin analizi
Optimum design and analysis of load capacity of corrugated web beams
Yazar: OSMAN TUNCA
Danışman: DOÇ. DR. FERHAT ERDAL
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Kompozit sistemler = Composite systems ; Optimizasyon = Optimization ; Sonlu elemanlar yöntemi = Finite element method

Özet:
İnşaat mühendislerinin tasarladığı yapıların önemli bir kısmında yapının kullanım
gereksinimleri nedeniyle geniş açıklıklara ihtiyaç duyulur. Geniş açıklıklı yapılar
tasarlanırken hem yeterli derecede güvenli hem de ekonomik çözümler üretilmelidir.
Yapılacak tasarımın güvenlik ve ekonomiklik niteliklerini taşıması doğrudan tasarımda
kullanılacak olan malzemenin ağırlık-dayanım oranı ile ilgilidir. Çelik, malzeme özelliği
olarak yüksek birim ağırlığa karşılık gelen dayanım oranıyla diğer yapı malzemelerine
kıyasla daha uygun çözümler sunmaktadır. Bilindiği üzere inşaat sektöründe kutu kesitli,
dairesel kesitli, I kesitli profiller gibi farklı kesit özelliklerine sahip çelik profil türleri
mevcuttur. Bunlar arasından dolu gövdeli I kesitli çelik profiller geniş açıklıkların
geçilmesinde yaygın olarak kullanılmaktadırlar. I kesitli çelik profiller tasarımın amacına
ve taşıyacakları yüklerin durumuna göre dar ve geniş başlıklı profil türleri arasından
seçilmektedir. Yapı sektöründeki gereksinimler doğrultusunda gün geçtikçe yeni profil
türleri ortaya çıkmaya devam etmektedir. Büyük açıklıkların düşük maliyetle geçilmesi
için tasarlanan yeni nesil çelik kirişlerin gövde yüksekliği artırılmış çelik kirişler
vasıtasıyla atalet momentlerinin artırılması ve buna bağlı olarak kirişlerin yük taşıma
kapasitelerinin de artması sağlanmaktadır. Fakat gövde yüksekliği artırılmış kirişlerde
kesim ve kaynaklama maliyetinin yanı sıra kiriş gövdesi daha narin kalacağı için yanal
burkulmaya ve gövde burkulmasına daha eğilimli olduğu görülmektedir. Gövde kesiti
ince dalgalı çelik bir levhanın aynı malzeme özelliklerine sahip alt ve üst başlık görevi
gören iki çelik plaka ile birleştirilmesi şeklinde geliştirilerek tasarlanan ondülin gövdeli
kirişler (OGK), stabilite kaybına ve büyük deformasyonlara engel olurken, uygulanan yük
kombinasyonları altında kirişin plastik limit noktasına gelmeden rijitlik kaybına bağlı
burkulmasını engelleyerek kesme kuvvetine ve yerel etkilere karşı kirişin yük taşıma
kapasitesini arttırmaktadır. Kiriş gövdesinin bu özel yapısı ile kiriş öz ağırlığının azalması
ve yük taşıma kapasitesinin artması sağlanarak ekonomik kazanç elde edilmektedir. Bu
tez çalışması kapsamında ilk olarak dalgalı gövdeli kirişlerin stokastik optimizasyon
yöntemleri kullanılarak minimum ağırlığa sahip olacak şekilde optimum
boyutlandırılması yapılmıştır. Bunun için yapma profil olan ondülin gövdeli kirişlerde
gövde yüksekliği, gövde kalınlığı ve dalgalı gövdenin tepe noktaları arası mesafenin yanı
sıra başlık genişliği ve başlık kalınlığı tasarım değişkeni olarak kabul edilmiştir. Bu
tasarım parametrelerinin davranış ve geometrik sınırlayıcılar altında kiriş ağırlığını
minimum yapacak değerleri elde edilmiştir. Formülasyonu oluşturulmuş yapısal
optimizasyon problemlerinin çözümü yeni optimizasyon teknikleri olan av arama ve
ateşböceği algoritması yöntemlerinin adaptasyonu ile elde edilerek bu iki yöntemin
minimum ağırlığının bulunması sürecinde sergilediği performanslar kıyaslanmıştır. Tez
çalışmasının ikinci ve esas aşaması olan deneysel süreçte ise; optimum boyutlandırmaları yapılan OGK'lerin farklı yükler altındaki dayanımları hidrolik güç üniteli basınç
silindirine sahip yükleme çerçevesi kullanılarak test edilmiştir. Eleman bazında yapılan
çelik kiriş testlerinden sonra dalgalı gövdeli kirişler kompozit olarak tasarlanan
döşemelere etkiyen yük altındaki davranışları incelenerek nihai yük taşıma kapasiteleri
hesaplanmıştır. Tezin son kısmında ise, OGK'lerinin gövde levhası burkulma analizleri
ve taşıyabilecekleri kritik yüklerin hesabı sonlu elemanlar yazılımı kullanılarak yapılmış
ve her farklı gövde kalınlığına ve boyuna sahip ondülin gövdeli kirişler için kaydedilen
sonlu elemanlar analiz sonuçları deneysel çalışmadan elde edilen sonuçlar ile
karşılaştırılmıştır. Ondülin gövdeli çelik kiriş sistemlerinin tasarımları için BS EN1993-
1:2005 (Annex-D, Eurocode 3) ve DIN 18-800 Teil-1 şartnamelerinde öngörülen tasarım
kıstasları esas olarak kabul edilmiştir. Kompozit sistemler için bu şartnamelere ek olarak
BS-8110'de öngörülen tasarım kıstasları esas olarak alınmıştır.

Abstract:
A large part of the structures designed by civil engineers needs large spans due to
the usage requirements of the building. When designing large-span structures, they must
be produced in safe and economical way. The safety and economy characteristics of the
design is directly related to the weight-to-strength ratio of the material which is used in
the design. Steel offers more suitable solutions compared to other building materials as it
has high strength ratio corresponding to high unit weight. As known, there are many types
of steel profiles in the market such as box section, circular section and I section profiles.
Among them, I-section steel profiles are frequently used for large spans. I section steel
profiles are selected from narrow and wide flange profile types according to the purpose
of the design and the loads they will carry. As a result of the requirements in the structural
industry, new profile types are still emerging. The height of the new generation steel
beams designed for large spans with minimum cost, is upgraded by increasing the
moment of inertia and thus increasing the maximum load carrying capacity of the beams.
However, as the height of the beam being increased, the web of the beam is
simultaneously to be slender and this leads to web buckling and consequently sudden
collapses. The corrugated wen beams designed to be developed by combining a thincorrugated
steel plate with two steel plates and with same material properties, serving as
the upper and lower flange, increases the load carrying capacity of the beam against shear
force and local buckling while not only preventing the loss of stability and large
deformations, but also preventing the rigidity loss of the beam before reaching the plastic
limit under applied loading combinations . With this special structure of the web of the
beam, the economic gain is achieved by decreasing the beam self-weight and increasing
the load carrying capacity. In the scope of this thesis, firstly, the dimensions of the
corrugated web of beams is designed by using optimization methods with minimum
weight. For this purpose, the web height, thickness and the distance between the peak
points of the corrugated web as well as the flange width and thickness are considered as
design variables. The values of these design variables causing the minimum beam weight
are obtained under behaviour and geometric constraints. The solutions of the structural
optimization problems formulated have been obtained by adaptation of two recent
optimization techniques that are hunting search and firefly algorithm methods and the
performances of these two methods in the process of finding the minimum weight are
compared. In the experimental process, which is the second and main stage of the thesis,
the optimally designed corrugated beams are tested under single loading, two points
bending and the distributed loading by using the loading frame with pressure cylinder
which has hydraulic power unit. After the steel beam tests made on the structural element
basis, the maximum load carrying capacities are calculated by examining the behaviors of the corrugated web beams under the load acting on the composite designed slabs. In
the last part of the thesis, the web plate buckling analysis of the steel beam specimens
with corrugated webs and the calculation of the critical loads that they can carry are
executed by using the finite elements software and the results of the finite elements
analysis for the corrugated beams with different web thicknesses and lengths are
compared with the results obtained from the experiments. Design limitations for
corrugated web beams have been taken from BS EN1993-1:2005 (Annex-D, Eurocode 3)
and DIN 18-800 Teil-1. Additional limitations adopted from BS-8110 have been
considered for the composite systems.