UPE ve IPE çelik konsol kirişlerin yanal burulmalı burkulmasının nonlineer sonlu elemanlar yöntemi ile analizi
Lateral torsional buckling of cantilever IPE and UPE steel beams with nonlinear finite element analysis
Yazar: ERKAN OKAY MUTLU
Danışman: PROF. DR. ÖZGÜR ANIL
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Çelik kirişler aynı anda eksenel kuvvet ve eğilme momenti etkisinde kalan yapısal elemanlardır. Bu türdeki çelik kirişler için yanal çarpılarak burkulma göçme modu en fazla risk yaratan ve istenmeyen göçme mekanizmalarının başında gelmektedir. Çelik kirişler atalet momentlerinin yüksek olduğu yönde eğilme momenti etkisi altında eğilme deformasyonu yaparken aynı anda düzlem dısında yatay deplasman ve burulma deformasyonları da aynı yükleme etkisinde çok daha düşük bir kapasite düzetinde oluşabilmektedir. İnce cıdarlı narin çelik kiriş elemanlarında yanal burulmalı burkulma göçme mekanizması istenmeyen, aniden meydana gelen bir stabilite bozulması olup, bu konuda yapılan deneysel ve nümerik çalışmalar son derece sınırlı sayıdadır. Yapılan literatür taraması sonucunda çelik yapılarda yangın olarak kullanılan IPE ve UPE türü profiller için yanal burulmalı burkulma stabilite bozulması için yapılan deneysel sonuçlar ile karşılaştırılarak doğrulanmış kapsamlı bir nümerik çalışmanın olmadığı görülmüştür. Bu nedenle nümerik bir çalışma planlanmış ve çalışma kapsamında 9 adet IPE160 ve 9 adet UPE80 konsol kiriş deney elemanının ABAQUS sonlu elemanlar programı kullanılarak nümerik analizi gerçekleştirilmiştir. Nümerik sonuçlar deneysel sonuçlar ile karşılaştırılmış ve ne ölçüde başarılı analiz sonuçları elde edilebildiği yorumlanmıştır. Sonlu elemanlar analizi iki aşamada yapılmıştır. İlk aşamada her örnek için özdeğer burkulma analizi yapılmıştır. Analiz sonucunda mod şekilleri elde edilmiştir ve elastik kritik burkulma yükü hesaplanmıştır. İlk aşamadan elde edilen sonuçlarla bir geometrik kusur belirlenerek ikinci aşamanın başlangıç modeli belirlenmiştir. İkinci aşamada, geometrik ve malzeme nonlineerliği kullanılarak nonlineer risk analizi yapılmıştır. Bu çalışma kapsamında önerilen sonlu elemanlar analizi prosedürünün, deneysel sounçlar ile ne ölçüde uyumlu sonuçlar verebildiği incelenmiştir. Deneysel çalışma ve nümerik analiz sonucunda elde edilen taşıma gücü, düşey deplasman ve burulma rotasyon açısı değerleri karşılaştırılmış ve yorumlanmıştır. Nümerik analiz sonucunda elde edilen taşıma gücü değerleri ve deneysel sonuçlar arasında çok daha büyük bir oranda benzeşim elde edilmiş ve aralarında ortlama %0.66 fark olduğu hesaplanmıştır. Nümerik analiz sonucunda elde edilen düşey deplasman ve burulma açısı değerleri, deneysel değerlerden sırasıyla ortalama %11.03 ve %47.5 değerlerinde farklı elde edilmiştir.

Abstract:
Steel beams are structural elements that are simultaneously under axial force and bending moment. For this type of steel beams, the lateral torsional buckling failure mode is one of the most risky and unwanted collapse mechanisms. While the steel beams bend under the effect of bending moment in the direction of high moment of inertia, horizontal displacement and torsional deformations at the same time can occur at a lower capacity level under the same loading effect. In the thin-walled slender steel beam elements, the lateral torsion buckling collapse mechanism is an undesirable, sudden deterioration of stability, and experimental and numerical studies on this subject are extremely limited. As a result of the literature review, it has been observed that there is no comprehensive numerical study, which is validated by comparing the experimental results for lateral torsional buckling stability deterioration for IPE and UPE type profiles which are widely used in steel structures. For this reason, a numerical study was planned and a numerical analysis of 9 IPE160 and 9 UPE80 cantilever beam test elements were made by using ABAQUS finite element program. Numerical results were compared with experimental results and the results of successful analysis were interpreted. Finite element analysis was performed in two stages. In the first stage, eigenvalue buckling analysis was performed for each sample.  The mode shapes were obtained and the elastic critical buckling load was calculated. A geometric imperfection was determined with the results obtained from the first stage and the initial condition of the second stage was determined. In the second stage, nonlinear riks analysis was performed by using geometric and material non-linearity. In this study, the results of the proposed finite element analysis procedure  compared with the experimental results. As a result of experimental study and numerical analysis, the critical buckling load, vertical displacement and maximum torsion rotation angle values were computed and interpreted. A great similarity was obtained between the critical load values obtained from the numerical analysis results and the experimental results and an average difference of 0.66% was calculated. The vertical displacement and torsional angle values obtained from the numerical analysis are different from the experimental values by 11.03% and 47.5%.