Geri Dön

Advanced modeling of nonlinear bending behavior in functionally graded graphene nanoplatelet reinforced composite structures

Fonksiyonel dereceli grafen nanolevha takviyeli kompozit yapılarda doğrusal olmayan eğilme davranışının ileri düzeyde modellenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 1010336
  2. Yazar: İSMAİL ÖNDER KARTAL
  3. Danışmanlar: PROF. DR. REHA ARTAN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: İnşaat Mühendisliği, Deprem Mühendisliği, Civil Engineering, Earthquake Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Nano grafen, Nanokompozitler, Nano graphene, Nanocomposites
  7. Yıl: 2026
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Deprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Deprem Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Fonksiyonel dereceli grafen nanolevha takviyeli kompozit yapılarda doğrusal olmayan eğilme davranışının ileri düzeyde modellenmesi konulu bu tez çalışması, nanomalzeme destekli yapı elemanlarının deprem mühendisliği uygulamalarında kullanılabilirliğini araştırmakta ve yüksek doğruluklu analitik bir model önermektedir. Çalışmada, grafen nanolevha (Graphene Nanoplatelet, GPL) takviyesiyle güçlendirilmiş, kalınlık boyunca malzeme özellikleri kademeli olarak değişen fonksiyonel dereceli kompozit kirişlerin (Functionally Graded Graphene Nanoplatelet Reinforced Composite Beams, FG-GPLRC) doğrusal olmayan eğilme davranışı incelenmiştir. Bu yapıların karmaşık yükleme koşulları altındaki deformasyon özelliklerini tanımlamak amacıyla, enerji temelli bir yaklaşım benimsenmiş ve Touratier tarafından geliştirilen yüksek mertebeli kayma deformasyon teorisi (Higher Order Shear Deformation Theory, HSDT) kullanılmıştır. Geleneksel kiriş teorileri, küçük deformasyonlar için yeterli hassasiyet sunsa da, yüksek yük seviyelerinde meydana gelen geometrik ve malzeme doğrusal olmayan etkileri tam olarak açıklayamaz. Bu durum, özellikle deprem gibi dinamik ve tekrarlı yükler altında çalışan yapı elemanlarında önemli belirsizliklere yol açar. Bu çalışmada geliştirilen model, doğrusal olmayan eğilme davranışını temsil etmek üzere yüksek mertebeli deplasman bileşenlerini, kayma deformasyonlarını ve eksen dışı gerilmeleri dikkate alan genel bir denge sistemi kurmuştur. Toplam potansiyel enerji prensibi kullanılarak, enerji değişiminin sıfır olduğu koşuldan hareketle denge denklemleri ve sınır koşulları elde edilmiştir. Böylece, ince ya da kalın fark etmeksizin, farklı mesnet ve yükleme tiplerinde geçerli olabilecek genel bir formülasyon oluşturulmuştur. Tezde ele alınan başlıca amaç, fonksiyonel dereceli grafen nanolevha takviyeli kompozit kirişlerin yük altındaki karmaşık deformasyon davranışlarını matematiksel olarak açıklayabilecek, doğrusal olmayan etkileri içeren gelişmiş bir kuramsal model geliştirmektir. Modelin özgünlüğü, hem geometrik doğrusal olmayanları hem de malzeme sertliğindeki fonksiyonel değişimleri aynı çatı altında birleştirmesidir. Böylece, enerji depolama kapasitesi yüksek, sünek davranış gösteren ve aynı zamanda hasar üretmeden enerji sönümleme potansiyeline sahip malzeme sistemlerinin davranışı ayrıntılı biçimde incelenmiştir. Fonksiyonel dereceli malzemeler (Functionally Graded Materials, FGM), farklı bileşenlerin kalınlık boyunca sürekli olarak dağıtıldığı, arayüzsel gerilmelerin ve ayrılmaların minimize edildiği gelişmiş kompozit sistemlerdir. Bu tür malzemelerde metal, seramik veya polimer gibi farklı fazlar sürekli bir geçişle birleşir ve bu geçiş sayesinde hem termal hem mekanik dayanım artar. FG-GPLRC malzemelerde ise, grafen nanolevhalar polimer matris içerisine belirli oranlarda ve belirli kalınlık profilleriyle yerleştirilir. Grafenin üstün elastisite modülü ve çekme dayanımı sayesinde, küçük miktarlarda bile eklendiğinde kompozitin genel rijitliği ve mukavemeti belirgin biçimde artar. Literatürde yapılan çalışmalar, yalnızca yüzde bir ağırlık oranında grafen takviyesinin bile karbon nanotüp takviyeli sistemlerle benzer mekanik performans sergilediğini göstermektedir. Bu çalışma, fonksiyonel dereceli grafen nanolevha takviyeli kirişlerin deprem mühendisliği açısından sunduğu potansiyeli ortaya koymaktadır. Deprem etkisi altında yapı elemanları, yalnızca elastik sınırlar içinde kalmaz; büyük deformasyonlara, tekrarlayan yüklemelere ve enerji birikimine maruz kalır. Geleneksel betonarme ve çelik elemanlar, bu enerjiyi plastik deformasyon ve kalıcı hasar yoluyla sönümler. Bu durum, yapının deprem sonrası kullanımını sınırlar ve onarım maliyetlerini artırır. Oysa fonksiyonel dereceli grafen nanolevha takviyeli kompozitler, yüksek dayanım ve enerji yutma kapasitesini elastik sınırlar içinde sağlayabildiği için, deprem etkilerine karşı daha sürdürülebilir bir alternatif sunar. Tezde yapılan analizlerde, grafen nanolevhaların dağılım fonksiyonu, malzeme oranı ve kalınlık boyunca değişim profili doğrudan denge denklemlerine dahil edilmiştir. Bu sayede, grafen oranının ve dağılım tipinin (örneğin alt yoğunluk, üst yoğunluk, simetrik dağılım gibi) yapısal performans üzerindeki etkileri parametrik olarak incelenmiştir. Uniform yük, üçgen dağılımlı yük ve farklı sınır koşulları altında (basit mesnetli, ankastre gibi) yapılan çözümler, kirişin sehim, dönme, kesme gerilmesi ve moment değişimlerinin konum boyunca nasıl farklılaştığını göstermektedir. Sonuçlar, grafen takviyesinin yalnızca elastisite modülünü artırmakla kalmadığını, aynı zamanda enerji depolama kapasitesini de genişlettiğini ortaya koymuştur. Özellikle fonksiyonel dereceli dağılıma sahip örneklerde, yük altında daha dengeli bir deformasyon profili elde edilmiştir. Homojen grafen dağılımlı sistemlerde görülen ani rijitlik değişimleri yerini daha kontrollü bir eğilme davranışına bırakmıştır. Bu da deprem gibi tekrarlı yükleme koşullarında malzemenin yorulma ömrünü uzatabilecek bir etki yaratmaktadır. Elde edilen sayısal sonuçlar, Touratier modelinin yüksek mertebeli kayma deformasyonları dikkate alması sayesinde klasik kiriş teorilerine göre çok daha gerçekçi sonuçlar verdiğini göstermiştir. Bu modelin enerji temelli doğası, sistemin potansiyel enerji minimumuna ulaştığı denge durumlarını doğru biçimde yakalayabilmektedir. Böylece, malzeme ve geometrik doğrusal olmayanlıkların birlikte etkili olduğu karmaşık eğilme durumları için güvenilir bir çözüm yöntemi sunulmuştur. Yapılan literatür araştırması, fonksiyonel dereceli grafen nanolevha takviyeli kompozitlerin (FG-GPLRC) son on yılda mekanik ve havacılık mühendisliği alanlarında hızla gelişen bir araştırma konusu haline geldiğini göstermektedir. Song, Shen, Yang, Wang ve diğer araştırmacılar bu malzemelerin eğilme, burkulma ve titreşim davranışlarını farklı sıcaklık ve yükleme koşullarında incelemişlerdir. Ancak bu çalışmaların büyük kısmı statik veya termal yükler altında gerçekleştirilmiştir. Oysa deprem mühendisliği açısından önemli olan, malzemenin tekrarlı ve değişken yükler altındaki doğrusal olmayan tepkisidir. Yee ve diğ. (2022) tarafından geliştirilen model, enerji temelli bir yaklaşımla grafen takviyeli kompozitlerde doğrusal olmayan eğilme analizini başarıyla açıklamıştır. Bu tez çalışması, Yee'nin yaklaşımını geliştirerek, farklı mesnet koşulları ve deprem yüklerini temsil eden yükleme biçimleri için genelleştirilmiş bir çözüm önermekte ve bu modeli yapı mühendisliğine uyarlamaktadır. Bu çalışma sonucunda elde edilen bulgular, deprem mühendisliği uygulamaları açısından önemli çıkarımlar sunmaktadır. Fonksiyonel dereceli grafen nanolevha takviyeli kompozitler, köprü kirişlerinde, taban izolasyon sistemlerinde, enerji sönümleyici bağlantı elemanlarında ve yüksek performanslı hafif yapı bileşenlerinde kullanılabilir. Bu tür malzemeler, deprem sırasında enerjiyi elastik sınırlar içinde depolayıp geri kazanma kapasitesine sahiptir. Bu özellik, klasik sünek tasarım anlayışına alternatif olarak, enerji verimliliği yüksek, hasarsız ve bakım gereksinimi düşük sistemlerin geliştirilmesini desteklemektedir. Tezin özgün katkısı, nanomalzeme tabanlı bir kompozit sistemin davranışını deprem mühendisliği ilkeleriyle birleştiren bir teorik ve analitik çerçeve önermesidir. Model, sadece eğilme davranışını açıklamakla kalmayıp, gelecekte yapılacak titreşim, burkulma ve sönümleme analizleri için de kullanılabilir. Bu yaklaşım, nano ölçekte geliştirilen malzeme yeniliklerinin, makro ölçekte yapı performansına nasıl yansıtılabileceğini gösteren bir geçiş modeli sunmaktadır. Sonuç olarak, bu tez çalışması, nanoteknoloji ile yapı mühendisliği arasındaki kesişim alanında yer almakta ve deprem dayanımı yüksek, hafif, rijit ve çevresel olarak sürdürülebilir yapı sistemlerinin tasarımı için yeni bir yaklaşım önermektedir. Fonksiyonel dereceli grafen nanolevha takviyeli kompozitler, enerji temelli modellemelerle birleştirildiğinde, performans esaslı deprem tasarımında yeni bir malzeme paradigması olarak değerlendirilebilir. Bu yönüyle çalışma, hem akademik hem mühendislik pratiği açısından ileriye dönük yenilikçi bir katkı sunmaktadır.

Özet (Çeviri)

This study investigates the applicability of nanomaterial-based structural components in earthquake engineering and proposes a high-accuracy analytical model for their nonlinear mechanical performance. The research focuses on the nonlinear bending response of functionally graded composite beams reinforced with graphene nanoplatelets (FG-GPLRCs), where material properties vary continuously along the thickness of the section. To accurately describe the complex deformation mechanisms under different loading conditions, an energy-based analytical framework is adopted using the Higher Order Shear Deformation Theory (HSDT) proposed by Touratier. Traditional beam theories provide reasonable accuracy for small deflections but fail to capture the coupled effects of geometric and material nonlinearities that become significant at higher deformation levels. This limitation is critical for structures subjected to dynamic and cyclic loads such as seismic actions. The model developed in this study formulates a generalized equilibrium system incorporating higher order displacement components, shear deformations, and off-axis stresses to represent nonlinear bending behavior with high precision. By applying the total potential energy principle, the governing equations and boundary conditions are derived from the stationary condition of energy, yielding a unified formulation applicable to both thin and thick beams under various boundary and loading conditions. The main objective of the research is to develop a theoretical model that can represent the complex deformation of functionally graded graphene nanoplatelet reinforced composite beams under different loads while accounting for both geometric and material nonlinearities. The originality of the study lies in integrating geometric nonlinearity and functional material gradation within a single analytical framework, providing a more accurate understanding of how high-stiffness and high-energy-absorption composites behave under extreme conditions without causing irreversible damage. Functionally graded materials (FGMs) are advanced composite systems in which two or more constituent materials are continuously distributed through the thickness of the structural element, thereby eliminating interfacial stresses and delamination issues. This continuous gradation enhances the mechanical and thermal properties, leading to improved structural integrity and energy absorption capacity. In FG-GPLRC systems, graphene nanoplatelets are embedded in a polymer matrix with specified weight fractions and thickness-dependent distributions. Due to their outstanding elastic modulus and tensile strength, even a small amount of graphene reinforcement significantly increases stiffness and strength. Literature studies have shown that a one percent weight fraction of graphene can yield mechanical properties comparable to those of carbon nanotube reinforced composites. The analyses in this research demonstrate that the distribution function, concentration ratio, and thickness profile of graphene nanoplatelets considerably affect structural performance. Parametric studies were performed for different GPL distribution types, including bottom-concentrated, top-concentrated, and symmetric configurations, as well as for various boundary conditions such as simply supported and clamped beams. The results indicate that functionally graded distributions produce more balanced deformation profiles and improved energy dissipation capacities compared to homogeneous distributions. From an earthquake engineering perspective, the outcomes of this study are particularly significant. Conventional reinforced concrete and steel structures dissipate seismic energy through plastic deformation, which leads to residual damage and costly repairs. In contrast, FG-GPLRC structures can provide superior strength and damping capacity within the elastic range, allowing for the development of lightweight, sustainable, and damage-resistant structural systems. The results further show that Touratier's HSDT-based model delivers more accurate predictions than classical beam theories, especially in representing through-thickness shear behavior without requiring correction factors. The literature review reveals that while FG-GPLRC materials have been extensively studied in mechanical and aerospace contexts, their potential applications in earthquake engineering have received limited attention. Yee et al. (2022) demonstrated the efficiency of an energy-based nonlinear bending analysis for graphene reinforced composites, validating the relevance of HSDT formulations. Building upon this foundation, the present research extends the method to boundary and loading conditions representative of seismic actions. This provides a theoretical and analytical bridge between nanoscale material innovation and macroscale structural resilience. The findings of the study indicate that functionally graded graphene nanoplatelet reinforced composites can be effectively utilized in components such as bridge girders, base isolation systems, and energy dissipative connectors. These materials offer enhanced energy storage and recovery capability, enabling structures to withstand large deformations elastically. Consequently, this study contributes to the development of performance-based earthquake engineering by integrating nanomaterial advancements into the design of high-efficiency, low-maintenance, and sustainable structural systems.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    467190

    Synthesis of some functional conducting polymers, characterization, Mott-Schottky analysis and sensor applications

    Bazı fonksiyonel iletken polimerlerin sentezi, karakterizasyonu, Mott-Schottky analizi ve sensor uygulamaları

    TOLGA KARAZEHİR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ABDÜLKADİR SEZAİ SARAÇ

    PROF. DR. MURAT ATEŞ

  2. Tez No

    965870

    Killi ortamda üstyapı etkileşimli sayısal modelde kazıklı yayılı temellerin optimizasyonu

    Optimization of piled raft foundations with superstructure interaction in a clayey soil using numerical modeling

    DAMLA KILİÇ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    İnşaat MühendisliğiSakarya Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SEDAT SERT

  3. Tez No

    833245

    Süneklik düzeyi yüksek moment aktaran çelik çerçevelerde güçlü kolon-zayıf kiriş koşulunun yapı davranışına etkisinin araştırılması

    Effect of strong column-weak beam ratio on steel special moment frames' behavior

    BARIŞ YÜKSEKKAYA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. CAVİDAN YORGUN

  4. Tez No

    736166

    Design and optimization of variable stiffness composite structures modeled using Bézier curves

    Bézier eğrileriyle modellenen değişken katılıklı kompozit yapıların tasarımı ve optimizasyonu

    ONUR COŞKUN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HALİT SÜLEYMAN TÜRKMEN

  5. Tez No

    152123

    Sürtünmesiz çelik basınç çubukları

    Unbond brace

    TOLGA YAZAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2004

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF.DR. ERDOĞAN UZGİDER

Geri Dön