Optimum boyutlandırılmış gövde yüksekliği artırılmış çelik kirişlerin yük taşıma kapasitelerinin karşılaştırmalı analizi
The comparative analysis of ultimate load carrying capacity of optimally designed web-expanded steel beams
Yazar: SERKAN TAŞ
Danışman: YRD. DOÇ. DR. FERHAT ERDAL
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Gövde yüksekliği artırılmış çelik kirişler I-kesit profillerin gövdeleri boyunca değişik formlarda kesilmesiyle elde edilen iki parçanın kaydırılarak uç bölgelerinden birbirine tekrar kaynaklanmasıyla oluşturulur. Bu işlemle elde edilen gövdesi yükseltilmiş kirişin atalet momenti, aynı ağırlığa sahip normal I-kesit profilin atalet momentine oranla artırılmış olur. Gövde yüksekliği artırılmış çelik kirişlerin gövdelerinde elde edilen boşlukların şekilleri petek ve dairesel olabilmektedir. Literatürde petek türü kirişler ve dairesel gövde yüksekliği artırılmış kirişler üzerine çok az araştırma mevcuttur. Farklı boşluk şekillerine sahip gövde derinlikleri artırılmış bu kirişlerin dış yükler altında performans ve davranışlarını karşılaştıran bir çalışma ise mevcut değildir. Bu tez kapsamında literatürde mevcut olan petek ve dairesel boşluklu kirişlere ek olarak yeni bir fikir olan sinüs eğrisi şeklindeki boşlukların elde edileceği biçimde kesilmiş kirişler de göz önüne alınmış ve üç farklı kiriş modelinin yük altındaki davranışları ve taşıma kapasiteleri kıyaslanmıştır. Yapı laboratuvarında yük taşıma kapasiteleri hesaplanan bu kirişler optimizasyon teknikleri kullanılarak minimum ağırlığa sahip olacak şekilde boyutlandırılmıştır. Bunun için kirişlerde kullanılmış olan IPE kodlu profillerin satır numaraları, boşlukların geometrik boyutları ve kirişlerdeki boşlukların sayısı değişken olarak alınmış ve bu parametrelerin davranış ve geometrik sınırlayıcılar altında kiriş ağırlığını minimum yapacak değerleri elde edilmiştir. Formülasyonları oluşturulmuş optimizasyon problemlerinin çözümü harmoni arama ve parçacık kümesi yöntemlerinin adaptasyonu ile elde edilmeye çalışılmış ve bu şekilde aynı zamanda stokastik yöntemlerin yapıya uyarlamaları gerçekleştirilerek iki yöntemin minimum ağırlığı bulması sürecinde sergilediği performanslar kıyaslanmıştır. Gövde yüksekliği artırılmış çelik kirişlerin tasarım kriterleri için AISC–ASD ve BS-5950 şartnamelerinde öngörülen kıstaslar esas alınmıştır. Çalışmanın deneysel sürecinde; ilk kısımda optimizasyonu yapılan gövde derinliği artırılmış kirişlerin yük altındaki dayanımları hidrolik güç üniteli basınç silindirine sahip yükleme çerçevesi kullanılarak test edilmiştir. Tez çalışmasının son kısmında ise; kirişlerin sonlu elemanlar yöntemiyle analizi yapılarak deneysel çalışmadan elde edilen verilerle kıyaslaması yapılmıştır.

Abstract:
Steel I-beam sections can be modified to intensify their strength by creating a web-expanded section from a root beam. This is achieved by cutting the web of the root beam in a certain pattern with different geometries and then re-welding two parts to each other. As a result of this process the overall beam depth increases which in return causes increase in the capacity of the section. Therefore, it can be possible to cross long spans with less material. There are two common types of open web beams: beams with hexagonal openings, also called as castellated beams and beams with circular openings referred to as cellular beams. In comparison with castellated beams; there are limited theoretical and experimental research performed on cellular beams. In the literature, there is no detailed study, in which the performance and behavior of web-expanded beams with different holes which are subjected to the external loadings are carried out. The objective of the current master study is to present ultimate load carrying capacity and finite element analysis of optimally designed steel castellated beams, cellular beams and angelina beams (beams with sinusoidal web openings) under loading conditions. In the first part of the study, the design problem of web-expanded beams is formulated as optimum design problem. The minimum weight is taken as the design objective while the design constraints are implemented from AISC–ASD and BS-5950. The formulation of the design problem considering the limitations of the above mentioned turns out to be a discrete programming problem. Harmony search and particle swarm optimization methods are used for obtaining the solution of the design problem. The design algorithms based on these two techniques select the optimum IPE section to be used in the production of a web-expanded beam subjected to a general loading, the optimum geometric dimensions of different holes and the optimum number of holes in the mentioned beams. In the second part of the study, eighteen steel web-expanded beams are tested in a self-reacting frame to determine and compare the ultimate load carrying capacities of these beams. Finally, three-dimensional nonlinear finite element models of optimally designed cellular beams are also developed to validate experimental results and to perform elastic buckling analysis.