Sezgisel algoritmalar destekli topoloji eniyilemesi yöntemi ile kompozit kolonlarda kullanılan çelik profillerin tasarımı
Design of steel profiles in composite columns via metaheuristic algorithms aided topology optimization method
Yazar: ELİF GÖKÇE İNCE
Danışman: DOÇ. DR. FATİH MEHMET ÖZKAL
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Amaç: Bu çalışmada etrafı beton ile çevrelenmiş çelik kompozit kolonların yapısal başarımlarının artırılması amaçlanmaktadır. Bu amaçla topoloji eniyilemesi ve sezgisel algoritmalar kullanılarak çelik profilin optimum tasarımı yapılmış ve optimum tasarım işleminin kompozit kolonların performansı üzerine etkileri incelenmiştir. Farklı enkesit alanlarına sahip kompozit kolonların sonlu elemanlar yöntemi ile doğrusal olmayan analizleri yapılmıştır.
Yöntem: Yapılan çalışma kapsamında kompozit kolon içerisinde bulunan çelik profilin optimum tasarımı için öncelikle topoloji eniyilemesi yöntemi kullanılmıştır. Topoloji eniyilemesinden elde edilen sinüzoidal boşlukların geometrik boyutları birer sezgisel algoritma yöntemi olan Parçacık Sürü Optimizasyonu ve Armoni Arama algoritması ile belirlenmiştir. Optimum tasarımın kompozit kolonların yapısal başarımına etkisinin belirlenmesi için etrafı beton ile çevrelenmiş çelik kompozit kolonların sayısal modellemesi sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak yapılmıştır. Sayısal modellemede kompozit kolonlarda kullanılan malzemelerin doğrusal olmayan özellikleri dikkati alınmıştır. Sabit eksenel kuvvete ve artan yatay kuvvete maruz bırakılan kolonların hasar durumları incelenmiştir. Ayrıca analizi yapılan kolonlara ait yatay kuvvet – ötelenme grafikleri karşılaştırılmıştır.
Bulgular: Topoloji eniyilemesi sonucunda kompozit kolon içerisindeki çelik profil gövdesinde bırakılacak en uygun boşluk şeklinin sinüzoidal olduğu tespit edilmiştir.  Literatürde yer alan bir adet kompozit kolon deneyinin sayısal modeli kurularak sayısal modelin geçerliliği gösterilmiştir. Kompozit kolon içerisinde kullanılan çelik profilin gövde yüksekliğinin arttırılmasının yük taşıma kapasitesini, ötelenme yapabilme kapasitesini ve enerji tüketme kapasitesini önemli derecede arttırdığı belirlenmiştir. 
Sonuç: Etrafı beton ile çevrelenmiş kompozit kolonlar içerisinde kullanılan çelik profilin gövde yüksekliğinin sinüzoidal boşluklar bırakılarak arttırılması kompozit kolonların yapısal başarımlarını önemli derecede arttırmaktadır.

Anahtar Kelimeler:  kompozit kolon, doğrusal olmayan analiz, topoloji eniyilemesi, sezgisel algoritmalar

Abstract:
Purpose: This study aims to improve the structural performance of concrete encased steel composite columns. For this purpose, topology optimization and metaheuristic algorithms are used for the optimum design of the steel profile and the effects of the optimum design process on the performance of composite columns are investigated. Nonlinear analyses of composite columns with different cross-sectional areas are performed by finite element method.
Method: Within the scope of the study, topology optimization method was used for the optimum design of the steel profile in the composite column. The geometric dimensions of the sinusoidal openings obtained from topology optimization were determined by Particle Swarm Optimization and Harmony Search algorithms, which are metaheuristic algorithms. In order to determine the effect of the optimum design on the structural performance of composite columns, numerical modeling of concrete encased steel composite columns was performed using the finite element method. In the numerical modeling, the nonlinear properties of the materials used in the composite columns are considered. The damage conditions of the columns subjected to constant axial force and increasing horizontal force are analyzed. In addition, horizontal force - displacement graphs of the analyzed columns were compared.
Findings: As a result of the topology optimization, it was determined that the most suitable opening shape to be left in the steel profile body in the composite column is sinusoidal.  A numerical model of one composite column experiment in the literature is established and the validity of the numerical model is demonstrated. It was determined that increasing the body height of the steel profile used in the composite column significantly increases the load carrying capacity, displacement capacity and energy absorption capacity.
Results: Increasing the body height of the steel profile used in composite columns by leaving sinusoidal opening significantly increases the structural performance of composite columns.

Keywords: composite columns, nonlinear analysis, topology optimization, metaheuristic algorithms