Lifli beton kullanılan betonarme yapıların meta sezgisel yöntemlerle maliyet optimizasyonu
Cost optimization of reinforced concrete structures using fibers concrete using with meta-heuristic methods
Yazar: SEDA TURAN
Danışman: DOÇ. DR. İBRAHİM AYDOĞDU ; PROF. DR. NİYAZİ UĞUR KOÇKAL
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Lifli beton yapılar, taşıma kapasitesini artırarak donatı ihtiyacını azaltmaktadır. Ancak, liflerin betona eklenmesi ek bir maliyet oluşturur. Bu nedenle, literatürde lif kullanımının maliyet açısından avantajlı olup olmadığı konusunda net bir bilgi bulunmamaktadır. Bu çalışmada, lifli ve lifsiz betonarme yapıların optimum maliyet üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Bu amaçla, lifli betonarme sistemlerin optimum boyutlandırılmasını sağlayan iki program geliştirilmiştir. İlk program, lifli betonarme kirişlerin optimum boyutlandırmasını MATLAB ortamında yapabilmektedir. İkinci program ise lifli ve lifsiz betonarme çerçevelerin optimum boyutlandırılmasını VB.net programlama dili ile OAPI platform yardımıyla ETABS sonlu elemanlar programı ile senkronize şekilde gerçekleştirmektedir. Lifli betonun tasarımında, Fib Model Kod (2010) tarafından önerilen hesap yöntemi kullanılmıştır. Ayrıca, lifli betonun tasarımı için çatlak ağzı genişliği (CMOD) test verilerine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu test, EN 14651 standardına uygun olarak yapılmış ve çatlak ağız açıklığı deformasyonuna karşılık gelen çekmede eğilme değerleri elde edilmiştir. Elde edilen bu değerler, lifli beton tasarım esaslarında kullanılmıştır.
Bu çalışmada, lifli ve lifsiz betonun yapılarda maliyet performansını karşılaştırmak amacıyla geliştirilen programlarda çerçeve tasarımı kullanılmıştır. Çerçeve tasarımında, yalnızca kiriş elemanları lifli olarak tasarlanmıştır. Bu tasarımların optimize edilmesi, ekonomik yapıların inşa edilmesine olanak sağlamaktadır. Optimum tasarım analizleri için yazılan lifli betonarme kiriş ve lifli ile lifsiz betonarme çerçeve tasarımı programlarında meta-sezgisel yöntemler kullanılmıştır. Kullanılan yöntemler arasında Yapay Arı Kolonisi Optimizasyonu (YAKO), Biyocoğrafya Tabanlı Optimizasyon (BTO), Ağaç Tohum Optimizasyonu (ATO) gibi performansı kanıtlanmış yöntemlerin yanı sıra Vahşi At Optimizasyonu (VAO) gibi yeni bir yöntem de bulunmaktadır. Hem VAO 'nun performansı, çeşitli mühendislik problemlerinde diğer optimizasyon yöntemleriyle karşılaştırılmış hem de özellikleri iyileştirilerek İyileştirilmiş Vahşi At Optimizasyonu (İVAO) geliştirilmiştir. Optimizasyon yöntemlerinin performanslarının kıyaslanabilmesi için yazılan ilk programda, tek açıklıklı kirişlerin yayılı yük altındaki farklı açıklıklara sahip örnekleri kullanılmıştır. İkinci programda ise iki boyutlu altı elemanlı çerçeve örneği ile referans alınmış iki boyutlu ve üç boyutlu betonarme çerçeve örnekleri kullanılmıştır. Çerçeve örnekleri üzerinde yapılan analizler, lifli tasarımın donatı miktarını azaltarak lifsiz tasarıma kıyasla daha ekonomik bir çözüm sunduğunu göstermektedir. Bu çalışma, özgün akademik yayınlara katkı sağlamasının yanı sıra inşaat sektöründe maliyet etkinliğini artırma açısından da önemli bir yere sahiptir.

Abstract:
Fiber-reinforced concrete structures increase load-bearing capacity and consequently reduce the need for reinforcement. However, adding fibers to concrete incurs additional costs. Therefore, there is no clear information in the literature on whether fiber usage is advantageous in terms of cost. This study investigates the impact of fiber-reinforced and non-fiber-reinforced concrete structures on optimal costs. For this purpose, two programs were developed to optimize the sizing of fiber-reinforced concrete systems. The first program can optimize the sizing of fiber-reinforced concrete beams in MATLAB. The second program optimizes the sizing of both fiber-reinforced and non-fiber-reinforced concrete frames using the VB.net programming language synchronized with the ETABS finite element software via the OAPI platform. In the design of fiber-reinforced concrete, the calculation method recommended by the Fib Model Code (2010) was used. Additionally, the design of fiber-reinforced concrete requires certain test data, provided by the Crack Mouth Opening Displacement (CMOD) test. This test is conducted according to the EN 14651 standard, yielding tensile bending values corresponding to crack mouth opening deformations. These values are used in the design principles of fiber-reinforced concrete.
In this study, frame design was used in the programs developed to compare the cost performance of fiber-reinforced and non-fiber-reinforced concrete in structures. In the frame design, only beam elements were designed with fibers. Optimizing these designs enables the construction of economical structures. Metaheuristic methods were employed in the programs developed for the optimal design analyses of fiber-reinforced concrete beams and fiber-reinforced and non-fiber-reinforced concrete frames. Among the methods used were Artificial Bee Colony Optimization (ABCO), Biogeography-Based Optimization (BBO), and Tree-Seed Optimization (TSO), which are proven methods, as well as a new method called Wild Horse Optimization (WHO). The performance of WHO was compared with other optimization methods in various engineering problems, and its features were enhanced to develop an Improved Wild Horse Optimization (IWHO). For comparing the performance of optimization methods, the first program used examples of single-span beams with different spans under distributed load. The second program used a two-dimensional six-member frame example and reference two-dimensional and three-dimensional reinforced concrete frame examples. Analyses performed on frame examples showed that fiber-reinforced design offers a more economical solution compared to non-fiber-reinforced design by reducing the amount of reinforcement. This study not only contributes to original academic publications but also holds significant importance in enhancing cost efficiency in the construction industry.