Haliç metro köprüsü gergin eğik askı tabliye ankraj bölgesinin yorulma analizi
Fatigue analysis of cable stayed Golden Horn metro bridge's anchor zone between cable and steel deck
Yazar: ÖMER FARUK ÖZGÜR
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖMER TUĞRUL TURAN ; DOÇ. DR. BARLAS ÖZDEN ÇAĞLAYAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Yorulma, tekrarlı yükler altında çatlakların oluşması ve büyümesi sürecidir. Eğer çatlak genişliğinin yeterince büyümesine izin verilirse iç kuvvetin aktarılmasını sağlayan çatlamamış kesit alanı azalacağı için elemanda göçme meydana gelir. Bu olay statik yükler altında hesaplanan eleman gerilme dayanımına göre çok küçük gerilme değerlerinde oluşabilir. Kirişlerin, kolonların ve diğer yapı elemanlarının boyutlandırılmasında kullanılan standart yöntemler, alışılmış mukavemet kurallarına ve gerilme analizine dayanmaktadır. Statik yüklere göre yapının iç kuvvetlerinin elde edilerek elemanın boyutlandırılması yönetmeliklerce uygundur. Fakat, tekrarlı yüklere maruz kalan yapılarda yorulma performansının belirlenerek yapıda hizmet süresi boyunca yorulma esaslı olası güç kaybının engellenmesi gerekmektedir. Bu sebeple, yapı mühendisleri için yorulma davranışının anlaşılması son derece önemlidir. Özellikle çelik köprüler, kren kirişleri, deniz yapıları, bacalar ve direkler gibi tekrarlı yüklere maruz kalan yapıların yorulma performansı belirlenmeden yapının güvenilirliğinden söz edilemez. Bu tez kapsamında yorulma kavramının anlaşılması için haliç metro geçiş köprüsünün gergin eğik askılarının çelik tabliyeye bağlandığı bölgenin yorulma analizi yapılmıştır. 
Tez çalışması beş bölümden oluşmaktadır. İlk bölümde, tezde incelenecek konunun açıklaması ve tezin yapılış amacı anlatılmıştır. Tekrarlı çevrimsel yüklere maruz kalan yapıların yorulma performansının belirlenmesi gerektiği belirtilmektedir. Bu sebeple, bu tezde, belirtilen yükleme tipine maruz kalan metro geçiş köprüsünün kablo-tabliye arası ankraj bölgesinin yorulma analizinin yapılması amaçlanmıştır.
İkinci bölümde, yorulma olayının tanımı yapılarak, inşaat mühendisliği açısından önemi anlatılmıştır. Bir yapının yorulma performansının belirlenmesinde kullanılacak tasarım yaklaşım yöntemleri açıklanmıştır. Yorulma ömrünün tahmin edilmesi için kullanılan ömür tahmin yöntemlerinin açıklanması ve birbirleriyle karşılaştırması yapılmıştır. Yorulma davranışının daha iyi anlaşılabilmesi için temel kırılma mekaniği konsepti anlatılarak, tezde yapılan hesaplarda kullanılan gerilme ömür yönteminin detaylı açıklaması yapılmıştır. Yorulma değişkenlerinin tanımlanması ile S-N eğrilerinin elde edilişi ve yorulma değerlendirmesi için önemi anlatılmıştır. Yorulmanın kırılma mekaniği analizi yapılarak, hesapların daha anlaşılır olması için uygun zemin hazırlanmıştır. Yorulma konusunun temel prensipleri anlatıldıktan sonra ortalama gerilme etkilerinin yorulma ömrü üzerine etkisi ve değişken gerilme aralıklarına sahip yükleme durumları için hesap yöntemleri açıklanmıştır. Yorulma hesabının Avrupa Norm'una göre nasıl yapıldığı açıklanarak konunun yönetmeliklerde ele alınış biçimi açıklanmıştır. Son olarak yorulma dayanımını ve ömrünü etkileyen faktörler açıklanarak yorulma kavramının anlatımı tamamlanmıştır.
Üçüncü bölümde, Haliç Metro Köprüsü hakkında genel bilgi verildikten sonra köprünün yapısal sistemi tanıtılmıştır. Daha sonra SAP2000 modelinde köprünün gergin eğik askılı bölümünün modeli oluşturulmuştur ve 25 farklı durum yüklemesi yapılarak metro geçişi simüle edilmiştir. Yapılan yükleme sonucu askılara gelen eksenel iç kuvvet değerleri Abaqus/CAE sonlu elemanlar modelinde kullanılması için elde edilmiştir. Abaqus/CAE programında gergin eğik askıların tabliye ankraj bölgesi modellenerek SAP2000'den elde edilen eksenel iç kuvvetler etkitilmiştir.
Dördüncü bölümde, analiz sonuçlarının elde edilmesi ve EN 1993-1-9'a göre yorulma analizi hesapları yapılmıştır. Analiz sonucuna göre yorulma ömrü kritik olan beş farklı bölge seçilmiştir. Seçilen bölgelerin detay kategorileri belirlendikten sonra yapının 100 yıllık servis ömrü için maruz kalacağı tahmin edilen yük tekrar sayısına bağlı yorulma dayanımı elde edilmiştir. Yükleme sonucu oluşan gerilme değerleri her bir detay kategorisi için elde edilen yorulma dayanımlarıyla kıyaslanmıştır.
Beşinci ve son bölümde, yapının yorulma performansıyla ilgili çıkan sonuçlar verilmiştir. Yapılan kabullere göre yapının incelenen bölgesinin yorulma performansının yeterli olduğu sonucuna varılmıştır. Yapılan kabullerin değişmesi durumunda hesapların tekrar gözden geçirilmesi önerilmektedir.

Abstract:
Fatigue is the process of the initiation and growth of cracks under the repeated loads. If the crack width is allowed to grow sufficiently, there will be a failure in the element, as the un-cracked section area that providing the internal force to be transferred will decrease. This event may occur at very small stress values based on element stress strength calculated under static loads. Standard methods used in designing beams, columns and other building elements are based on conventional rules of strength and stress analysis. The design of the element by obtaining the internal forces of the structure according to the static loads is appropriate by the regulations. However, it is important to determine fatigue performance in structures exposed to repeated loads and prevent fatigue-based possible strength loss during the service period in the structure. Therefore, it is extremely important for structural engineers to understand fatigue behavior. In particular, the reliability of the structure could not be mentioned without determined the fatigue performance of the structures exposed to repeated loads such as steel bridges, crane beams, marine structures, chimneys and poles. Within the scope of this thesis, fatigue analysis of Cable Stayed Golden Horn Metro Bridge's anchor zone between with cable and steel deck was carried out in order to understand the concept of fatigue. 
The thesis study consists of five parts. In the first chapter, the explanation of the subject to be examined in the thesis and the purpose of the thesis are explained. It is indicated that the fatigue performance of structures exposed to repetitive cyclical loads should be determined. For this reason, in this thesis, it is aimed to perform fatigue analysis of the anchorage zone between cable and steel deck of the metro crossing bridge exposed to the specified loading type. By finding the axial tensile force changes in the cables during train passage, the relationship between the stresses occurring in the anchorage area and the number of train passes that the structure will be exposed to during its service life is examined and the adequacy of the fatigue strength of the structure has been tried to be determined.
In the second part, Fatigue is defined and its importance for civil engineering was described. The history of fatigue is explained. The safe-life, damage-tolerant, infinite-life and fail-safe design approach methods to be used to determine the fatigue performance of a structure was explained. The life estimation methods used to estimate the fatigue life were explained and compared with each other. To better understand fatigue behavior, the basic fracture mechanics concept was explained, and the stress life method used in the calculations of the thesis is explained. The comparison of cracks in elements with different types of geometry in terms of fatigue was made. By explaining the fatigue limit state, the findings obtained in fracture mechanics were adapted to fatigue. Identification of fatigue variables and their importance for obtaining S-N curves and fatigue assessment were explained. The fracture mechanics analysis of fatigue was explained to understand the concept of fatigue. After explaining the basic principles of fatigue, the effect of average stress effects on fatigue life and calculation methods for loading situations with variable stress ranges was explained. Three methods that examine the effect of average stress Gerber, Goodman, and Soderberg on fatigue life were described. It has to take into account the stress ranges of different values that occur in the building details and their repetitions in variable numbers. Therefore, methods Rainflow Counting Method and Palmgren-Miner, which are necessary to understand the loading cases with variable stress range, are explained. How the fatigue account was done according to the European Norm is explained and the way the issue is dealt with in the regulations was explained. Finally, the description of the phenomenon of fatigue has been completed by explaining the factors affecting fatigue resistance and life span. 
In the third part, the structural system is explained after general information about Golden Horn Metro Bridge was shared. Golden Horn Metro Bridge; It consists of 5 main sections: the main tension inclined suspension bridge, the opening-closing bridge, the single span bridge and two approach bridges. Except for approach bridges, other sections are steel structure. There are two 90-meter side spans and a 180-meter main span on the stretched inclined suspension bridge, which is the subject of this thesis. The orthotropic steel deck is 17 meters above the water level. In the bridge, 3 different cross-section cables are used. The cables consist of 7-wire ropes with a diameter of 15.7 mm. Within the scope of this thesis, only the cable-stayed section of the Golden Horn Bridge was modeled with SAP2000 v20.2.0. Elements are considered as 1D frame element. The finite element model of the bridge was created by examining the technical drawings provided by Istanbul Transportation. Simplified mathematical model consists of deck, pylons, cables and piles. Pylons consist of 6 different cross sections. Cables are modeled only tension load resisting member. Then, 25 different situation loadings were assigned, and metro passage was simulated in SAP2000 program. As a result of the loading, the axial internal force values coming to the cables were obtained for use in the Abaqus/CAE finite element model. The anchorage zone between the cable and the steel deck was modeled in the Abaqus/ CAE program. In the Abaqus / CAE finite element program, all the elements that make up the connection are modeled as solid elements. "Tie" type constraint was used in the program to ensure the load transfer continuity of welded parts. "Tie" is used to limit the relative movements of the two plates. While the boundary conditions of the hull plates are determined to prevent longitudinal and vertical movement, the boundary conditions of the upper and lower deck plates are defined in a way that prevents horizontal longitudinal and transverse movement. The axial internal forces obtained from SAP2000 were loaded into Abaqus/ CAE model. 
In the fourth chapter, Fatigue analysis was calculated according to EN 1993-1-9 by obtaining the analysis results. According to the results of the analysis, five different regions with critical fatigue life were selected. After the detail categories of the selected regions were determined, fatigue resistance was obtained depending on the number of load cycle that the structure is estimated to be exposed to for a service life of 100 years. The stress values resulting from the loading were compared with the fatigue strengths obtained for each detail category. Results are based on the assumption that the Fatigue performance target is the damage-tolerant design approach and that there are no residual stresses in the examined area.
In the fifth and final section, the results of the fatigue performance of the structure are given. According to the acceptances made, it was found that the fatigue performance of the region of the structure examined was sufficient. In case of change of admissions, it is recommended to review the accounts.