Petek çerçeve sistemlerinin statik ve dinamik analizi
Static and dynamic analysis of castellated frame systems
Yazar: AYAT ABBARA
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMAD RESHAD NOORI
İstanbul Gelişim Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Petek çerçeveler, yapısal performansı artırmak ve mukavemet değerlerini koruyarak yapıların ağırlığını azaltmak amacıyla, geleneksel düz çelik yapı elemanları yerine petek kirişler ve kolonlar kullanılarak oluşturulan çelik yapılar olarak tanımlanmaktadır. Bu çalışmada, iki farklı çerçeve modeli incelenmiş ve her model için farklı açıklık tipleriyle statik ve dinamik analizleri gerçekleştirilmiştir. Analizler, ANSYS 2024 programı kullanılarak sonlu elemanlar yöntemiyle üç boyutlu olarak modellenmiştir. Çalışmada, çerçevelerin kolon ve kiriş elemanları IPE200 profili seçilerek modellenmiştir. Kolonlar iki farklı tip (boşluksuz ve kare boşluklu) olarak değerlendirilmiş olup kirişler ise boşluksuz, dairesel, kare, altıgen ve sekizgen boşluk tiplerine sahip olacak şekilde toplamda 19 çerçeve modeli üzerinden analiz yapılmıştır. Statik analiz kapsamında, dört farklı yükleme durumu ele alınmış ve toplamda 76 model çözülerek toplam yer değiştirme, asal gerilmeler, Von-Mises gerilmesi ve maksimum kayma gerilmeleri değerlendirilmiştir. Dinamik analizlerde, serbest titreşim analizi ile birlikte zorlanmış titreşim analizleri (sönümsüz ve sönümlü) gerçekleştirilmiştir. Serbest titreşimin analizinde, ilk 10 modun maksimum yer değiştirme değerleri dikkate alınmış, zorlanmış titreşim analizinde ise yatay ve düşey dinamik yükleme altında sönüm oranlarının etkisi araştırılmıştır. Sönümsüz ve sönümlü durumlar arasında elde edilen sonuçlar karşılaştırılarak petek çerçeve modellerinin boşluk tiplerinin ve kolon-kiriş kombinasyonlarının dinamik davranışları üzerindeki etkileri incelenmiştir. Analiz sonuçları, petek çerçeve sistemlerinde kiriş ve kolonların boşluk tiplerine göre yapıların statik ve dinamik performanslarının farklılık gösterdiğini ortaya koymuştur. Özellikle sekizgen ve altıgen boşluk tipleri, toplam yer değiştirme ve gerilme değerlerinde önemli farklar yaratmıştır. Ayrıca, yapısal sönüm oranının artırılması ile çerçevelerin dinamik yük altındaki performanslarının iyileştiği gözlemlenmiştir.

Abstract:
Castellated frames are defined as steel structures created using castellated beams and columns instead of traditional flat steel structural elements, with the aim of improving structural performance while reducing the weight of the structures without compromising their strength. In this study, two different frame models are analyzed, each with various web opening types, through static and dynamic analyses. The analyses are conducted using the finite element method in three dimensions with the ANSYS 2024 software. The frame elements, specifically the columns and beams, are modeled using the IPE200 section profile. The columns are evaluated in two different types (solid and with square web opening), while the beams are analyzed across five different web opening types (solid, circular, square, hexagonal, and octagonal), resulting in a total of 19 frame models.
In the static analysis, four different loading conditions are considered, and a total of 76 models are solved to evaluate the total displacement, principal stresses, Von-Mises stress, and maximum shear stresses. In the dynamic analyses, both free vibration analysis and forced vibration analysis (undamped and damped) are performed. The free vibration analysis focused on the maximum displacement values for the first 10 modes, while the forced vibration analysis investigated the effects of damping ratios under horizontal and vertical dynamic loading. The results obtained from undamped and damped cases are compared, examining the impact of web opening types and column-beam combinations on the dynamic behavior of the castellated frame models. The analysis results revealed that the static and dynamic performances of castellated frame systems vary based on the web opening types of the beams and columns. Notably, the octagonal and hexagonal web openings led to significant differences in total displacement and stress values. Additionally, it was observed that increasing the structural damping ratio improved the performance of the frames under dynamic loading conditions.