Kule krenlerin deprem etkisi altındaki dinamik davranışlarının teorik ve deneysel olarak incelenmesi
Investigation of dynamic behaviors of tower cranes under earthquake effect theoretically and experimentally
Yazar: HAMİT KENAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ CUMHUR OKTAY AZELOĞLU
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Deprem Mühendisliği = Earthquake Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Benzerlik teorisi = Similarity theory ; Deprem analizi = Earthquake analysis ; Kule vinç = Tower crane ; Modal analiz = Modal analysis ; Sonlu elemanlar yöntemi = Finite element method ; Vinç = Crane

Özet:
Kule krenlerin işletme durumunda taşıdıkları yüklerden veya rüzgâr, deprem gibi çevresel kaynaklardan meydana gelen dinamik zorlamalara maruz kalması ve diğer kren tiplerine göre narin yapıda olmaları dinamik yükler karşısında sergiledikleri davranışların araştırılması konusunda motivasyon sağlamaktadır. Bu çalışmada da kule krenlerin deprem etkisi altında göstereceği dinamik davranışın incelenmesi amacıyla teorik ve deneysel çalışmalar yürütülmüştür.
Teorik çalışmalar kapsamında, kule kren gibi kafes tipli yapıların dinamik analizlerinin yapılması için MATLAB ile bir sonlu elemanlar programı oluşturulmuş, deneysel çalışmalarda kullanılacak ölçekli fiziksel bir model benzerlik teorisi yardımıyla tasarlanmış ve modelin imalatı için izlenecek yöntem sunulmuştur. Öncelikle, yapıların dinamik karakteristiklerini sunan modal analiz konusuna değinilmiş ve sistemin hareket denkleminin sonlu elemanlar yöntemiyle kurulması ve dinamik bir girdi karşısında denklemin çözüm yöntemleri üzerine bilgi verilerek ilgili yapı için uygun olan çözüm yöntemine ait detaylar sunulmuştur. Sonlu elemanlar yöntemi kapsamında kafes yapılı bir sisteme ait modelin çerçeve elemanlar yardımıyla parametrik olarak nasıl oluşturulduğundan bahsedilmiştir. Bu kapsamda oluşturulan program yardımıyla kafes yapılı sistemlerin modal analizlerinin yapılması ve deprem girdisi karşısında yer değiştirme, hız ve ivme davranışlarının belirlenerek yapıya ait elemanlarda meydana gelen gerilmelerin hesaplanması mümkün olmuştur.
Deneysel çalışmalar kapsamında, ölçekli bir model ile çalışılması uygun görüldüğünden benzerlik teoremi hakkında literatür bilgisi verilmiştir. Teoremin uygulanmasına ait yöntemlerden bahsedilerek çalışmaya konu olan probleme ait çözümler sunulmuş ve deneysel çalışma için uygun bir ölçek değeri belirlenmiştir. Öncelikle ölçeklendirme sonrası belirlenmiş olan kesit ölçülerine ve yapı boyutlarına göre fiziksel model tasarımı ve imalatından bahsedilmiştir. Daha sonra deneysel modal analiz hakkında bilgi verilerek fiziksel model üzerinde modal analiz testleri gerçekleştirilmiştir. Bu testlerin sonuçları ile teorik çalışma kapsamında oluşturulan sonlu elemanlar programından elde edilen sonuçlar karşılaştırılmış ve sonlu elemanlar modelinin yapıyı ne derecede temsil ettiğinden bahsedilmiştir.
Son olarak deneylerle doğrulanmış sonlu elemanlar modeli ile farklı kafes tipleri ve farklı deprem girdileri kullanılarak çeşitli senaryolarla ilgili yapının sismik performanslarına ait sonuçlar sunulmuştur.

Abstract:
The fact that tower cranes are exposed to dynamic stresses caused by the loads they carry or environmental sources such as wind and earthquake in the operating state and their delicate structure compared to other crane types provide motivation to investigate their behavior in the face of dynamic loads. In this study, theoretical and experimental studies were carried out in order to examine the dynamic behavior of tower cranes under earthquake effect.
Within the scope of theoretical studies, a finite element program was created with MATLAB for dynamic analysis of lattice type structures such as tower cranes, a scaled physical model to be used in experimental studies was designed with the help of similitude theory and the method to be followed for manufacturing of the model was presented. Within the scope of the finite element method, it is mentioned how the model of a lattice system is created parametrically by frame elements. With the help of the program created in this context, it was possible to carry out modal analyzes of the lattice-structured systems and to calculate the stresses occurring in the elements of the structure against the earthquake input.
Within the scope of experimental studies, similitude theory is explained since it is deemed appropriate to work with a scaled model. By mentioning the methods of applying the theorem, a suitable scale value was determined for the experimental study. First of all, physical model design and manufacturing according to the cross-section dimensions and structure dimensions determined after scaling is mentioned. Then, modal analysis tests were carried out on the physical model. Theoretical and experimental modal analysis results were compared and it was mentioned to what extent the finite element model represents the structure.
Finally, the results of the seismic performances of the structure to various scenarios including different lattice types and different earthquake inputs are presented by using the finite element model verified by experiments.