Düzenli gövde boşluklu çelik I profillerin yanal stabilitelerinin sonlu elemanlar yöntemiyle incelenmesi
Numerical and analytical investigation of lateral stability of steel I-beams with regular web openings
Yazar: MEHMET FETHİ ERTENLİ
Danışman: DOÇ. DR. İLKER KALKAN
Kırıkkale Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Çelik yapıların inşasında çeliğin ekonomik olarak kullanılması yapının maliyetinin düşürülmesini sağlar. Böylece doğal kaynak olan demir cevherinin israfı da önlenir ve ülke ekonomisine de katkı sağlanmış olur. Maliyetten tasaaruf sağlanırken yapı emniyetinin düşürülmesi mühendislik ilkeleri ile bağdaşmaz. Bu sebeple yapı güvenliğinden hiçbir şekilde taviz vermeden çelikten tasarruf etmeyi sağlayan petek kiriş sistemleri geliştirilmiştir.
Yanal burulmalı burkulma, çelik yapıların tasarım şartnamelerinde kirişlerin dayanımına ve doğrudan yapının güvenliğine etki eden durumlardan birisi olarak kabul görmektedir. Bu çalışmada sonlu elemanlar programı ile modellenen kirişlerin analizi sonucu elde edilen Pcr yükleri, dünyanın farklı bölgelerinde kabul gören şartnamelerden (AISC, AS, EuroCode) ve geçmiş çalışmalarda geliştirilmiş analitik formüllerden elde edilen kritik yük değerleri ile kıyaslanarak yanal burulmalı burkulma ifadelerinin tutarlılığı incelenmiştir.
Kuvvetli başlık-narin gövde kesitli çelik I profillerde gövdenin narinliği sebebiyle kesit gövdesinde buruşmalar ortaya çıkmaktadır. Geçmiş çalışmalar, zayıf gövde kesitli uzun açıklıklı kirişler için gövde buruşmalarının, kirişlerin yanal burkulma davranışını önemli ölçüde etkilediğini ortaya koymaktadır. Bu çalışmalar, gövde narinliğinin kirişlerde yerel burkulma ve yanal burulmalı burkulmanın kombine çalışıp kirişin yanal buruşmalı burkulmasına neden olduğunu belirtmiştir.
Sonlu elemanlar programı Abaqus CAE kullanılarak hücresel boşluklu çelik I profillerin yanal burulmalı burkulma davranışları tespit edilmiştir. Elastik analiz yapılan kirişlerin tümü basit mesnetli olarak teşkil edilmiştir. Yükleme, hücresel kirişlerin üst başlığına açıklık ortalarından kiriş eksenine dik olacak şekilde sonlu eleman ağı üzerindeki düğüm noktalarına düşey olarak etkitilmiştir.
Yapılan çalışma neticesinde düzenli gövde boşluklu I kesitli çelik kirişlerin yanal burulmalı burkulma performansına etki eden birçok parametrenin olduğu görülmüştür. Genel olarak şartnamelerin stabilite hesaplarında gövde buruşmalarını dikkate almamasından dolayı şartnamelerden hesaplanan kritik yük değerleri, numerik analizler sonucu elde edilen değerlerin altında kalmaktadır.
Anahtar kelimeler: Hücresel Kiriş, Yanal Burulmalı Burkulma, Yerel burkulma, Yanal Buruşmalı Burkulma, Sonlu Eleman Analizi

Abstract:
Limiting the amount of material used in a steel construction contributes to the overall economy of a structure. This limited use also contributes to the national economy. The strength and behavior of a structure should not be altered majorly while improving the overall economy of construction. Cellular beam systems, which are designed to have adequate strength and ductility while limiting the amount of material in a beam, constitute a significant alternative to the conventional solid beams in steel construction.
Steel design specifications accept lateral torsional buckling as a primary mode of failure in steel beams. In I beams with stocky flanges and slender webs, web distortions generally take place before lateral torsional buckling (LTB), resulting in a combined buckling mode denoted as lateral distortional buckling (LDB). The present study aimed at investigating the lateral stability behavior of cellular steel beams with doubly-symmetric I-section, both numerically and analytically. The buckling load values obtained from finite element analyses were compared to the load estimates from the steel design codes and from analytical expressions developed in previous studies in the literature. The influence of LDB mode on the buckling loads of cellular beams was also examined.
The finite element analyses were conducted with the help of the finite element analysis program Abaqus CAE. In analyses, the beams were simply supported in and out of plane and subjected to uniform distributed loading accross the span, applied at midwidth of the top flange.
The study showed that there are several parameters affecting the lateral stability of steel I-beams with regular web openings. The lateral stability behavior of cellular beams were found to be significantly influenced by web distortions. The analytical estimates from the LTB formulations in the codes generally remain below the numerical values since these formulations do not account for the reductions in the buckling loads due to the web distortions.
Key Words: Celular beams, Lateral tortional buckling, Local bucking, Lateral distortional buckling, Numerical Analysis