Farklı tiplerde kolon-kiriş bağlantı noktalarına sahip rijit ve yarı-rijit çelik çerçevelerin stokastik arama yöntemleri kullanılarak optimum boyutlandırılması
Optimum design of steel frames with rigid and different semi rigid connection types using stochastic search techniques
Yazar: SONER ŞEKER
Danışman: PROF. DR. CELALETTİN KOZANOĞLU ; YRD. DOÇ. DR. ERKAN DOĞAN
Celal Bayar Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Bu çalışmada, düzlemsel çelik çerçevelerin farklı tipte kolon-kiriş bağlantı tiplerine göre ağırlık optimizasyonu yapılmıştır. Çelik yapıların statik analizi kolon-kiriş birleşim noktaları, mafsal ya da tamamen rijit olarak kabul edilerek yapılır. Gerçekte bu birleşim noktalarındaki davranış ne mafsal ne de tamamen rijit bir davranıştır. Birleşim noktalarının davranışı bu iki davranış arasında olup, bu davranış kısmen önlenmiş ya da yarı rijit kolon-kiriş birleşimi davranışı olarak isimlendirilmektedir. Rijit birleşim davranışlarında kolon ve kiriş arasında her hangi bir dönmenin olmadığı, mafsallı birleşimde ise çok düşük moment değerlerinde bile dönmenin gerçekleşebildiği bilinmektedir. Yarı rijit bağlantılarda ise moment etkisi altında birleşimde bir  miktar dönme ile birlikte, birleşimin moment aktarabileceğinden de söz etmek mümkündür. Böyle bir durumda, dönme nedeniyle birleşim noktasındaki yer değiştirme ve yatay yük nedeniyle yapıdaki P-? etkisi artış göstermektedir. Bu olay yapıdaki moment dağılımını etkilemektedir. Birleşim noktalarının gerçekte yarı rijit bir davranış gösterdikleri kabulü ile yapısal analizlerde bu durumun göz önünde bulundurulması gerekmektedir.  Birleşim noktalarında oluşabilecek olan dönme davranışı yapıda yaylar ile modellenmektedir ve birleşim noktalarının esnekliği de hesaba katılmalıdır. Literatürde belirtilen yarı rijit bağlantı tiplerinden; uç levhalı takviyeli, uç levhalı takviyesiz,  alt ve üst başlık ve gövde korniyerli ve alın levhalı birleşim modelleri bu çalışmada ele alınarak, birleşim tiplerine göre yapıların ağırlıklarının değişimi araştırılmıştır. Öncelikle yapılar rijit düğüm noktası kabulüne göre, daha sonra yarı rijit bağlantı tiplerine göre modellenmiş ve yapı ağırlıkları karşılaştırılmıştır.
Yapıların boyutlandırılması; AISC-LRFD (Amerikan Çelik Konstrüksiyon Enstitüsü - Yük ve Direnç Faktörü Tasarımı) şartnamesinin öngördüğü hususlar göz önünde alınarak yapılmıştır. Yapıda bulunan tüm kolon ve kirişler I (W) kesitli profiller arasından seçilmiştir. Şartnameye göre; dayanım, deplasman ve kolon-kiriş birleşimindeki geometrik uygunluk şartları göz önüne alınarak yapılan uygun çözümler arasından yapı ağırlığının en düşük olduğu profil kesitlerinin seçilmesi için; parçacık sürü ve av arama optimizasyon yöntemlerinden faydalanılmıştır. Doğadaki kuşlar, balık ve böcekler hayatta kalabilmek için sürüler halinde hareket etmektedirler. Örneğin kuşların yiyecek bulmak için bir sürü halinde hareket etmeleri, onlara daha kısa sürede istedikleri yiyeceğe ulaşma olanağı sağlamaktadır. Parçacık sürü optimizasyon yöntemi, kuş sürüsünün yiyecek ararken davranışını taklit eden bir arama tekniğidir. Kuşların yiyecek aramasına benzer şekilde, optimizasyon işlemi de yapılarda en düşük ağılığı sağlayacak olan kolon ve kirişlerin kesitlerini aramaktadır. Sürü içerisinde hareket eden her bir kuş, optimizasyon işlemi için uygun bir aday çözümü ifade etmektedir. Çalışmada kullanılan diğer bir optimizasyon tekniği olan av arama tekniği ise aslan ve kurt gibi av hayvanlarının, avlarını yakalayabilmeleri için geliştirdikleri stratejilerin izlenmesi ve bu davranışlarının taklit edilmeleri sonucunda ortaya çıkmış olan bir arama tekniğidir. Bu av hayvanlarının sürü halinde geliştirdikleri strateji kapsamında her bir avcının belirli bir görevi bulunmaktadır. Geliştirilen strateji ile hareket eden sürüler kendilerinden çok daha güçlü, hızlı veya büyük olan hayvanları mümkün olan en kısa sürede yakalayarak kendilerine yiyecek yapabilmektedirler. Av arama tekniğinde, avcı hayvanların her birisi problemin bir parçasının çözümüne karşılık gelir. Avcı hayvanların her birinin avının yakalama çabası ile optimum çözümün aranması benzeştirilmiştir. Amaç fonksiyonunu olarak yapı ağırlığının en düşük olduğu optimizasyon problemleri için, parçacık sürü tekniği ve av arama tekniğinde geliştirilen algoritmalar kullanılarak rijit ve yarı rijit bağlantı noktalarına sahip çelik çerçevelerin tasarımı yapılmıştır.

Abstract:
In this study, weight optimization of planary steel frames is made according to different column-beam joint types. Static analysis of steel structures is performed while assuming column-beam joints as hinge or completely rigid. In the fact, the behavior in these joints is not hinge and completely rigid. The behavior of joints is between these two behaviors and this behavior is named as partly restrained or behavior of semi rigid column-beam. In rigid joints, it is known that there isn?t any rotation between column and beam, on the other hand  rotation may occur even in very low moment values in hinge joints. In semi rigid connections, moment transfer by the joint and some rotation under the effect of moment are possible to mention. This situation increases (P-?) effects in the structure with the displacement due to rotation of joint and contribution of vertical loads. This case effects the moment distribution in the structure. This situation shall be taken into consideration in structural analyses by the assumption of the semi rigid behavior of joints in the fact. Possible rotation behavior in joints is modelled by springs in the structure and flexure of joints shall also be taken into consideration. Semi rigid connections in the literature as end plate with stiffeners, end plate without stiffeners, top and seat angle with web angles and header plate models are taken in this study and weight change of structures according to joint types are investigated. First of all, the structures are modeled according to rigid connection assumption, then modeled according to semi rigid connection types and weights of the structures are compared.
Sizing of the structures are made according to cases proposed AISC-LRFD code. All column and beams in the structure are selected from W section profiles. Particle swarm and hunting search techniques are used by taking strength, displacement and geometrical conditions in column-beam joints into consideration to select the profile sections which provide the minimum weight of the structure in proper solutions. Birds, fishes and insects move together to survice in the nature. For example, when birds fly together to forage, they find the food they wanted in a short time. Particle swarm optimization method is a searching technique which imitates the forage behavior of bird flock. Column and beam sections which provide the least structure weight is searched in optimization process as similar to foraging of birds. Each bird moving in a flock represents a proper solution for optimization process. Hunting search, which is another optimization technique used in the study, occurs from the strategies which are developed by animals as lion and wolf while searching their preys and imitating these behaviors. There is a definite duty for each prey in the scope of the strategy developed by preys as flocks. Moving flocks may catch the stronger, faster and bigger animals which in a short time with the developed strategy. In hunting search, each predator is a part of the problem solution. Effort of predators while hunting for their preys equals optimum search of the solution. Design of rigid and semi rigid steel frames are completed for the structures having minimum weight as objective function by using algorithms in particle swarm and hunting search techniques