Ondülin gövdeli kirişlerin optimizasyonu ve nihai yük taşıma kapasitelerinin analizi

Abstract

İnşaat mühendislerinin tasarladığı yapıların önemli bir kısmında yapının kullanım gereksinimleri nedeniyle geniş açıklıklara ihtiyaç duyulur. Geniş açıklıklı yapılar tasarlanırken hem yeterli derecede güvenli hem de ekonomik çözümler üretilmelidir. Yapılacak tasarımın güvenlik ve ekonomiklik niteliklerini taşıması doğrudan tasarımda kullanılacak olan malzemenin ağırlık-dayanım oranı ile ilgilidir. Çelik, malzeme özelliği olarak yüksek birim ağırlığa karşılık gelen dayanım oranıyla diğer yapı malzemelerine kıyasla daha uygun çözümler sunmaktadır. Bilindiği üzere inşaat sektöründe kutu kesitli, dairesel kesitli, I kesitli profiller gibi farklı kesit özelliklerine sahip çelik profil türleri mevcuttur. Bunlar arasından dolu gövdeli I kesitli çelik profiller geniş açıklıkların geçilmesinde yaygın olarak kullanılmaktadırlar. I kesitli çelik profiller tasarımın amacına ve taşıyacakları yüklerin durumuna göre dar ve geniş başlıklı profil türleri arasından seçilmektedir. Yapı sektöründeki gereksinimler doğrultusunda gün geçtikçe yeni profil türleri ortaya çıkmaya devam etmektedir. Büyük açıklıkların düşük maliyetle geçilmesi için tasarlanan yeni nesil çelik kirişlerin gövde yüksekliği artırılmış çelik kirişler vasıtasıyla atalet momentlerinin artırılması ve buna bağlı olarak kirişlerin yük taşıma kapasitelerinin de artması sağlanmaktadır. Fakat gövde yüksekliği artırılmış kirişlerde kesim ve kaynaklama maliyetinin yanı sıra kiriş gövdesi daha narin kalacağı için yanal burkulmaya ve gövde burkulmasına daha eğilimli olduğu görülmektedir. Gövde kesiti ince dalgalı çelik bir levhanın aynı malzeme özelliklerine sahip alt ve üst başlık görevi gören iki çelik plaka ile birleştirilmesi şeklinde geliştirilerek tasarlanan ondülin gövdeli kirişler (OGK), stabilite kaybına ve büyük deformasyonlara engel olurken, uygulanan yük kombinasyonları altında kirişin plastik limit noktasına gelmeden rijitlik kaybına bağlı burkulmasını engelleyerek kesme kuvvetine ve yerel etkilere karşı kirişin yük taşıma kapasitesini arttırmaktadır. Kiriş gövdesinin bu özel yapısı ile kiriş öz ağırlığının azalması ve yük taşıma kapasitesinin artması sağlanarak ekonomik kazanç elde edilmektedir. Bu tez çalışması kapsamında ilk olarak dalgalı gövdeli kirişlerin stokastik optimizasyon yöntemleri kullanılarak minimum ağırlığa sahip olacak şekilde optimum boyutlandırılması yapılmıştır. Bunun için yapma profil olan ondülin gövdeli kirişlerde gövde yüksekliği, gövde kalınlığı ve dalgalı gövdenin tepe noktaları arası mesafenin yanı sıra başlık genişliği ve başlık kalınlığı tasarım değişkeni olarak kabul edilmiştir. Bu tasarım parametrelerinin davranış ve geometrik sınırlayıcılar altında kiriş ağırlığını minimum yapacak değerleri elde edilmiştir. Formülasyonu oluşturulmuş yapısal optimizasyon problemlerinin çözümü yeni optimizasyon teknikleri olan av arama ve ateşböceği algoritması yöntemlerinin adaptasyonu ile elde edilerek bu iki yöntemin minimum ağırlığının bulunması sürecinde sergilediği performanslar kıyaslanmıştır. Tez çalışmasının ikinci ve esas aşaması olan deneysel süreçte ise; optimum boyutlandırmaları yapılan OGK'lerin farklı yükler altındaki dayanımları hidrolik güç üniteli basınç silindirine sahip yükleme çerçevesi kullanılarak test edilmiştir. Eleman bazında yapılan çelik kiriş testlerinden sonra dalgalı gövdeli kirişler kompozit olarak tasarlanan döşemelere etkiyen yük altındaki davranışları incelenerek nihai yük taşıma kapasiteleri hesaplanmıştır. Tezin son kısmında ise, OGK'lerinin gövde levhası burkulma analizleri ve taşıyabilecekleri kritik yüklerin hesabı sonlu elemanlar yazılımı kullanılarak yapılmış ve her farklı gövde kalınlığına ve boyuna sahip ondülin gövdeli kirişler için kaydedilen sonlu elemanlar analiz sonuçları deneysel çalışmadan elde edilen sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Ondülin gövdeli çelik kiriş sistemlerinin tasarımları için BS EN1993- 1:2005 (Annex-D, Eurocode 3) ve DIN 18-800 Teil-1 şartnamelerinde öngörülen tasarım kıstasları esas olarak kabul edilmiştir. Kompozit sistemler için bu şartnamelere ek olarak BS-8110'de öngörülen tasarım kıstasları esas olarak alınmıştır.