Çelik konsol sistem endüstriyel bir bacanın tasarımı ve doğrusal olmayan analizi
Design and nonlinear analysis of self supporting steel stack
Yazar: HAŞİM ÇAYIR
Danışman: DOÇ. DR. CÜNEYT VATANSEVER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Yapı Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Yüksek çelik yapılar = High steel structures ; Çelik bacalar = Steel stacks

Özet:
Dünya üzerinde sanayi ve enerji üretim tesislerinin artması ile beraber bu tesislerde meydana gelen zararlı gazların neden olduğu atmosfer kirliliği de artmıştır. Meydana gelen atmosfer kirliliğini azaltmak ve gazların atmosferden yükseklere salınımını sağlamak için endüstriyel bacalar inşa edilmeye başlanmıştır. Bu bacaların davranışını etkileyen birçok yük olmakla beraber bacalar yüksek ve narin yapılar olduğundan rüzgâr yüklerinden daha fazla etkilenmektedir. 
Bu tez kapsamında endüstriyel çelik bir bacanın tasarımı ASME-STS-1, TS EN 1991-1-4, TS EN 1993-3-2, IS 6533-Bölüm 2, Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği ve Çelik Yapıların Tasarım, Hesap ve Yapımına Dair Esaslar dikkate alınarak ve SAP2000 programı kullanılarak yapılmış, boyutlandırılan çelik bacanın Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği esas alınarak performansı araştırılmıştır. Bu araştırma; uygulanan tasarım esaslarının, zaman tanım alanında doğrusal olmayan analizler gerçekleştirilerek elde edilen sonuçlar doğrultusunda değerlendirilmesini kapsamaktadır.   
Tezin birinci bölümünde amaç ve kapsam açıklandıktan sonra bacalarının kullanım amaçlarından bahsedilmiştir. Bacaların tasarımı ve performansları ile ilgili literatür incelemesi bu bölümde yer almaktadır.
İkinci bölümde, endüstri bacalarını diğer yüksek yapılardan ayıran özelliklerine vurgu yapılmış ve dünya genelinde şimdiye kadar kullanılan bacalar sınıflandırılmıştır. Bu sınıflandırmada en çok tercih edilen kendinden destekli çelik bacalar ile gergili çelik bacalar karşılaştırılmıştır. Son olarak çelik bir bacanın temel kısımları gösterilmiş, gövde boşluklarının tipleri ve boyutları açıklanmıştır. 
Üçüncü bölümde, ele alınan örnek çelik baca tanıtılmış, geometrik ve malzeme özellikleri verilmiştir. Bacanın davranışını etkileyen yükler açıklanmış, deprem ve rüzgâr yükleri detaylandırılmıştır. Tasarım için kullanılabilecek yük birleşimleri, dayanım ve yerdeğiştirme sınırları gösterilmiştir. Tüm detaylar açıklandıktan sonra SAP2000 programında çubuk ve kabuk eleman kullanılarak bacanın tasarımı yapılmıştır. 
Dördüncü bölümde, yapı sistemlerinin performanslarının değerlendirilmesi için kullanılan zaman tanım alanında doğrusal olmayan dinamik analiz ile statik itme analizi açıklanmıştır. Tasarıma esas olan yer hareket düzeyi ile uyumlu deprem yer hareketi kayıtları seçilmiş ve kayıtlar TBDY 2018'e uygun olacak şekilde ölçeklendirilmiştir. Performans analizlerinde kullanılacak malzeme modelleri tanıtılmıştır. Tasarımı yapılan çelik baca, farklı modelleme teknikleriyle, farklı yazılımlar (SAP2000, ABAQUS ve OpenSees) ve sonlu eleman yöntemi kullanılarak modellenmiştir. Böylece, farklı yazılımlardan elde edilen analiz sonuçları karşılaştırılarak, çelik bacanın yapısal davranışının anlaşılması ve modellerin doğrulanması sağlanmıştır. Son olarak ABAQUS programında bacanın kabuk ve katı eleman kullanan sonlu eleman modelleri geliştirilmiş ve yapılan analizler sonucunda elde edilen sonuçlar değerlendirilmiştir. 
Beşinci ve son bölümde ise tez çalışmasında elde edilen genel sonuçlar sıralanmıştır. Bu sonuçlara göre, çelik endüstri bacalarının tasarımında rüzgâr yüklerinin etkin olduğu, tasarımı yerdeğiştirme sınırının kontrol ettiği, rüzgâr etkilerine göre tasarımı yapılmış bacada deprem sırasında oluşması beklenen dayanım talebinin bacanın kapasitesinin altında olacağı ve baca gövdesinde açılan boşluğun bacanın dayanımını düşürdüğü söylenebilir. Ayrıca analiz sonuçlarına göre, tasarım aşamasında dikkate alınan esasların, bu tür çelik bacaların boyutlandırılması için uygulanabilir esaslar olduğu belirtilebilir.

Abstract:
Atmospheric pollution caused by harmful gases in these facilities has also increased with the increase of industrial and energy production facilities around the world. Industrial stacks have begun to be built in order to reduce atmospheric pollution and release gases from the atmosphere. Although there are many loads that affect the behavior of these stacks, stacks are more affected by wind loads because they are high and slender structures.
In this thesis, the design of a self-supporting stack was made by using the SAP2000 structural program according to ASME-STS-1, TS EN 1991-1-4, TS EN 1993-3-2, IS 6533-Part 2, Design, Calculation and Construction Requirements of Steel Structures Code - 2016 and Turkish Building Seismic Code – 2018, the performance of the designed steel stack were investigated based on Turkish Building Seismic Code – 2018. This investigation covers the evaluation of applied design principles in line with the results obtained by nonlinear time history analysis and pushover analysis.
In the first chapter of this thesis, after the purpose and scope are explained, the usage purposes of the stacks are mentioned. This section also includes that literature review on the design and performance of stacks.
In the second part, the features that distinguish industrial stacks from other high-rise structures are emphasized and the stacks used worldwide are classified. In this classification, self-supporting steel stacks and guyed steel stacks are compared. Finally, the basic parts of a steel stack are shown, the types and dimensions of the flue opening are explained.
In the third chapter, the sample stack is introduced, and its geometric and material properties are given. The loads that affect the behavior of the stack are explained, seismic and wind loads are detailed. Load combinations, strength and displacement limits that can be used for design are shown. After explaining all the details, the stack was designed using frame and shell element in the SAP2000 structural program.
In the fourth chapter, nonlinear time history analysis and pushover analysis used to evaluate the performance of structural systems are explained. Earthquake ground motion records have been selected and scaled according to design earthquake level in accordance with Turkish Building Seismic Code – 2018. Material models to be used in performance analysis are introduced. The designed steel stack was modeled using different modeling techniques, different softwares (SAP2000, ABAQUS and OpenSees) and finite element method. Thus, the structural behavior of the steel stack was understood, and the models were verified by comparing the analysis results obtained from different softwares. Finally, in the ABAQUS finite element software, finite element models of the stack using shell and solid elements were developed and the results obtained from the analysis were evaluated.
In the fifth and last part, the general results obtained in the thesis are listed. According to these results, it can be said that wind loads are effective in the design of steel industry stacks, displacement limit is controlled the design, the required demand expected to occur during an earthquake in the stack designed according to the wind load will be below the capacity of the stack, and the flue opening in the stack reduces the stiffness of the stack. In addition, it can be stated that the principles taken into consideration during the design are applicable principles for designing such steel stacks according to the analysis results.