Çelik I profillerde farklı geometrik önkusur düzenlerinin yanal burulmalı burkulmaya etkisi
The effects of differnt geometric imperfection patterns on the lateral stability of steel I beams
Yazar: ELİF AYDIN
Danışman: DOÇ. DR. İLKER KALKAN
Kırıkkale Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Çelik yapı elemanları, üretiminden şantiyede montajları gerçekleşinceye kadar hesaba katılmayan birtakım yüklere maruz kalırlar. Bu durum çelik elemanının teorik olarak kusursuz geometride olduğu düşünülerek yapılan tasarımlarda öngörüldüğü gibi davranmamasına neden olur. Çelik yapı tasarımında dikkate alınması gereken esas kriter burkulma halidir. Yanal burulmalı burkulma, çelik yapıların tasarım şartnamelerinde kirişlerin dayanımına ve doğrudan yapının güvenliğine etki eden durumlardan birisi olarak kabul görmektedir. Özellikle eğilme elemanları olan çelik kirişlerde yanal burulmalı burkulma davranışı ve bu davranışı etkileyen parametreler önem arz etmektedir. Bu parametrelerden biri de geometrik önkusur halidir. Geçmiş çalışmalarda önkusurun yanal stabiliteye etkisi araştırılmış; geometrik önkusurlu kirişlerin burkulma yüklerinin ve burkulma momentlerinin, önkusursuz kirişlere göre daha düşük olduğu görülmüştür. Fakat yapılan araştırmalarda geometrik önkusur deseninin (şeklinin) burkulma yüküne, burkulma deformasyonuna ve yük deformasyon eğrisine olan etkisinin incelenmediği tespit edilmiştir. Bu çalışmada; farklı önkusur  şekline sahip çift simetri eksenli kompakt I- enkesitli çelik profillerin yanal burulmalı burkulma davranışı ABAQUS sonlu elemanlar analiz programı ile araştırılmıştır. Bu kapsamda, başlangıç burulma açısı bulunduran veya bulundurmayan ve başlangıç yanal deformasyonu kiriş uzunluğu boyunca yarım sinüs dalgası, tam sinüs dalgası ve tam parabol şeklinde dağıtılmış olan standart IPN 300 kesitli kirişlerin elastik yanal burulmalı burkulma davranışları nümerik ve analitik olarak inlenmiştir. Analitik hesaplarda Amerikan ve Avrupa yapısal çelik yönetmeliklerinin yanal burulmalı burkulma formülleri ile literatürde bulunan ve sıklıkla kullanılan bir teorik formül kullanılmıştır. Her önkusur deseni için ve önkusursuz referans analizlerde elastik burkulma sınırları içinde kalan farklı serbest kiriş açıklığı değerleri kullanılmıştır. Yapılan analitik ve nümerik analizler, kiriş ekseninin yarım sinüs dalgası şekline yaklaşmasıyla kritik burkulma momenti değerlerinin azaldığını ve üst başlığa doğru artan başlangıç burulma açısının varlığının bu azalmayı arttırdığını göstermiştir. Ayrıca, Avrupa yapısal çelik yönetmeliğinde yer alan önkusur katsayısının da etkisiyle, geometrik önkusurlu kirişlerde bu formülün tercih edilmesinin daha güvenli olacağı da ortaya konmuştur.

Abstract:
The steel structural members are subjected to unexpected loads until their mantling i the construction site. This situation causes the steel members to behave different from the theoretical expectations, which assume that the members are geometrically perfect. Stability is the fundamental criretion in the design of steel structures. Lateral torsional buckling is one of the limit states in the structural steel design codes, which influences the strength of steel beams and the structural safety. Particularly, the lateral torsional buckling affects the behavior of bending members and there are certain parameters affecting this behavior.  The initial geometric imperfection is one of these parameters. In  the previous studies, the effects of initial geometric imperfection on the lateral stability behavior was investigated and the buckling moments and loads of the imperfect beams were observed to be lower than the respective values of their perfect counterparts. However, the previous studies were observed not to investigate the effects of the initial imperfection shape of a beam on the buckling load, deformations and load-deflection curve. In this study, the lateral torsional buckling behavior of doubly-symmetric steel I-beams with different shapes of initial imperfection was investigated numerically with the help of the ABAQUS finite element program. Within this scope, the elastic lateral torsional buckling behavior of beams with standart IPN 300 section, with or without initial twist angle and half sinusoidal, full sinusoidal and full parabolic distribution of sweep along the beam length was examined both analytically and numerically. In the analytical calculations, the American and European structural steel code lateral torsional buckling formulations and a theoretical formula in the literature, which is commonly used, were adopted. Different unbraced span length values within the elastic lateral torsional buckling limits were considered for each of the imperfection patterns and for the reference perfect beams. The conducted analytical and numerical analyses indicated that the closeness of the lateral bow of a beam to the half-sinusoidal distribution of sweep along the span decreases the buckling moment and the presence of the initial twisting angle, which results in greater deformations at the top, exacerbates this decrease. Moreover, the lateral torsional buckling formulation of the European structural steel code was found to be safer to use in geometrically imperfect steel beams due to the presence of the geometric imperfection factor.