A preliminary trial for finite element modeling of waste steel fiber reinforced cementitious composites
Atık çelik lif takviyeli çimento bazlı kompozitlerin sonlu elemanlar modellemesi için ön deneme
- Tez No: 905303
- Danışmanlar: PROF. DR. ÖZKAN ŞENGÜL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 89
Özet
Beton, dünya genelinde en yaygın kullanılan inşaat malzemelerinden biridir ve yüksek mukavemet, dayanıklılık ve kalıba uygunluk gibi özellikleri sayesinde çok çeşitli yapı projelerinde tercih edilmektedir. Özellikle köprüler, binalar, barajlar ve yollar gibi büyük ölçekli altyapı projelerinde betona duyulan ihtiyaç giderek artmaktadır. Bununla birlikte, betonun birtakım önemli dezavantajları bulunmaktadır. En dikkat çekici dezavantajlardan biri, betonun sünekliğinin düşük olmasıdır. Geleneksel beton yapılar, yeterli esnekliği göstermediğinden, ani yükler veya gerilim durumlarında kolayca çatlama eğilimindedir. Betonun yapısal bütünlüğünü ve dayanıklılığını olumsuz etkileyen çatlak oluşumu, betonun başarısızlık nedenlerinden biri olarak öne çıkmaktadır. Bu durum, beton yapılar için güvenlik ve kullanım ömrü açısından önemli bir sınırlamadır. Sektörde, atılan lastiklerin bir kısmı geri dönüştürülerek kauçuk elde edilmekte, ancak bu lastiklerden çıkarılan yüksek dayanımlı çelik lifler endüstriyel uygulamalarda kullanılmadığından hurda olarak değerlendirilmektedir. Sonuç olarak, bu çelik lifler, eritme işlemi ile geri dönüştürülmektedir. Ancak yüksek dayanımları nedeniyle bu lifler beton üretiminde kullanılabilir ve bu durum, yüksek dayanımlı lif ihtiyacını potansiyel olarak azaltabilir. Bu sorunu gidermek için betonun farklı malzemelerle takviye edilmesi, son yıllarda önemli bir araştırma konusu haline gelmiştir. Betonun performansını artırmak amacıyla en çok kullanılan yöntemlerden biri, betona lif eklenmesidir. Lif takviyeli betonlar, betonun çekme dayanımını ve çatlak direncini artırarak yapısal bütünlüğünü korur. Çelik lif takviyeli beton (ÇLTB) ise özellikle endüstriyel yapılarda tercih edilen bir malzeme haline gelmiştir. Çelik lifler, betonun elastik modülünü ve sürtünme direncini artırarak daha dayanıklı ve uzun ömürlü yapıların inşa edilmesine olanak tanır. ÇLTB'nin bu avantajları, köprü ve baraj gibi ağır yüke maruz kalan yapıların yapımında kullanımını artırmaktadır. Ayrıca, çelik liflerin, özellikle dinamik yükler altında betonun enerji yutma kapasitesini de artırdığı bilinmektedir. Bu durum, deprem riski taşıyan bölgelerde inşa edilen yapılarda çelik lif takviyeli betonun kullanımını teşvik etmektedir. Çelik liflerin beton üretiminde kullanımına yönelik ilginç bir kaynak, hurda çelik liflerin geri dönüştürülmesidir. Sanayi, bazı atık lastikleri geri dönüştürerek onlardan elde edilen kauçuğu çeşitli alanlarda kullanırken, bu lastiklerden elde edilen yüksek dayanımlı çelik lifler çoğunlukla endüstriyel kullanım alanı bulamamaktadır. Hurda olarak değerlendirilen bu çelik lifler, eritilerek yeniden çelik üretiminde kullanılmaktadır. Ancak, bu lifler yüksek mukavemet özelliklerine sahip olduklarından, betonun dayanımını artırmak amacıyla inşaat sektöründe değerlendirilebilir. Bu şekilde, hem çevresel sürdürülebilirlik sağlanabilir hem de yüksek mukavemetli liflere olan talep azalabilir. Çelik liflerin beton içerisine eklenmesi, betonun çekme ve eğilme dayanımlarını artırarak beton yapıların uzun ömürlü olmasını sağlar. Beton yapıların performansını değerlendirmek için kullanılan Sonlu Elemanlar Yöntemi (FEM) analizi, karmaşık yapısal sistemlerin sayısal olarak modellenmesini ve analiz edilmesini mümkün kılmaktadır. Sonlu elemanlar yöntemi (FEM) analizi, yapısal bileşenlerin modellenmesi ve analizinde daha hızlı ve maliyet etkin bir yaklaşım sağlar. Sunulan tez, atık çelik fiber donatılı çimento esaslı kompozitlerin davranışı üzerinde bir ön deneme gerçekleştirmeyi amaçlamaktadır. Çalışmada, toplamda 100x100×500 mm boyutlarında prizmatik numuneler, 3 farklı fiber içeriği (0%, 0.5% ve 3%) kullanılarak ABAQUS (2022 sürümü) yazılımıyla analitik olarak incelenmiştir. Bir numune, çelik lif içermeyen düz beton olarak kontrol örneği işlevi görmüştür. Bu örnek, deneysel çalışmalarda referans bir model olarak kullanılmak üzere seçilmiş ve çelik liflerin beton davranışına olan etkisini gözlemlemek amacıyla karşılaştırma yapılan temel numune olarak belirlenmiştir. Diğer numuneler ise, çelik liflerin beton içindeki dağılımının gerçeğe yakın bir şekilde taklit edilmesi amacıyla stratejik olarak dağılmış çelik liflerle güçlendirilmiştir. Bu lif dağılımı, deneysel testlerde gözlemlenen fiber düzenini simüle etmeyi amaçlamakta olup, aynı zamanda liflerin beton üzerindeki etkilerinin modellenmesi için bir ön temel oluşturmaktadır. Ayrıca, analitik prosedürün doğruluğunu değerlendirmek amacıyla, düz ve çelik lifli beton örneklerin doğrusal olmayan gerilme-gerinim davranışını inceleyen önceki bir deneysel test ile karşılaştırma yapılmıştır. Söz konusu deneysel çalışma kapsamında, numuneler yapıların temel performans parametrelerini belirlemek üzere üç nokta eğilme testine tabi tutulmuştur. Bu test, yapısal davranışları, çatlak ilerlemelerini, yük ile orta açıklık sapmaları arasındaki ilişkiyi ve yük-gerinim ilişkilerini belirlemek amacıyla gerçekleştirilmiştir. Deneysel testlerde elde edilen yük-sapma diyagramları, numunelere uygulanan yükler ve bu yükler ile ilişkili sapma değerleri kullanılarak çizilmiştir. Test ve analiz sonuçları arasındaki uyum, yüksek doğruluk derecesiyle karşılaştırıldığında, elde edilen veriler teorik modelin geçerliliğini desteklemiştir. Çalışma, çelik liflerin beton prizmlerin yük-sapma davranışları üzerinde belirgin bir etki gösterdiğini ortaya koymuştur. Özellikle, çelik liflerin beton içindeki dağılımı, numunelerin yük taşıma kapasitesini artırmış ve daha iyi bir deformasyon kontrolü sağlamıştır. Farklı prizmlerin yük-sapma davranışını daha detaylı incelemek amacıyla, hem deneysel hem de sayısal sonuçlar karşılaştırılmıştır. Sayısal modelleme, fiber yönelimlerini taklit etmekte sınırlı kalmış olsa da, deneysel verilerle analitik model arasında genel olarak kabul edilebilir bir uyum sağlanmıştır. Bu doğrultuda, fiberlerin gerçekteki dağılımı tam olarak simüle edilememiş olsa da, yükleme spektrumunun tamamında önemli ölçüde benzer sonuçlar elde edilmiştir. Sonuç olarak, analitik modelleme, çelik liflerin beton numunelerinin performansını önemli ölçüde iyileştirdiğini ortaya koymaktadır. Çelik lif takviyesi olmayan düz beton örneğiyle karşılaştırıldığında, lif oranındaki artış ile yük-sapma davranışının kademeli olarak iyileştiği gözlemlenmiştir. Özellikle, %3 oranında lif takviyesi yapılan numune, en iyi performansı göstererek, yük taşıma kapasitesi ve dayanım açısından en üstün özellikleri sergilemiştir.
Özet (Çeviri)
Concrete is the most extensively employed construction material on a global scale. A significant limitation of traditional concrete is its insufficient ductility. The primary factor contributing to the failure of regular concrete is the cracks developments. An effective approach to solve these problems is to enhance the structural integrity of the concrete by including fibers. Steel fiber-reinforced concrete is becoming more prevalent in major industrial projects because it shows improved elastic modulus, higher tensile strength, and better traction resistance. Although the industry recycles a portion of the discarded tires and utilizes the reclaimed rubber, the high-strength steel fibers extracted from these tires are deemed scrap because they are not used in industrial applications. Consequently, these steel fibers are recycled through a process of melting. However, because of their high strength, they can be used in the production of concrete, potentially decreasing the need for high-strength fibers. The finite element method analysis (FEM) allows for a faster and more cost effective approach to modelling and analyzing structural components. The presented thesis aims to conduct a preliminary trial on the behavior of waste steel fiber-reinforced cementitious composites. The study involved the analytical study of a total of prisms measuring 100x100×500 mm with 3 different fiber contents (0%, 0.5%, and 3%) using ABAQUS (2022 version) software. One specimen served as a control, consisting of plain concrete without steel fibers. The remaining specimens were reinforced with steel fibers, strategically distributed to simulate the fiber dispersion observed in experimental testing, providing a preliminary basis for modeling fiber distribution. In addition, in order to evaluate the accuracy of the analytical procedure, it has been compared with a previous experimental test that studied the nonlinear stress-strain behavior of plain and steel-fiber reinforced slurry-infiltrated concrete specimens. The prepared specimens in the experimental study were tested under three-point bending for the determination of their structural behavior, crack propagations, load versus mid-span deflections, and load-strain relations. The load-deflection diagrams of the tested prisms have been attained using loads and corresponding deflection values. The specimens were analyzed based on the theoretical method, and the results were compared with the experimental test results. The study's test and analysis results show an acceptable degree of accuracy. The study determines that steel fibers significantly impact the load-deflection characteristics of both plain and steel fiber-reinforced concrete prisms. An investigation was conducted to analyze the load-deflection of different prisms by examining both experimental and numerical results. Although the fiber orientation modeling in this study does not completely simulate the actual distribution of fibers in an experimental test, there is an acceptable agreement across the whole spectrum of loading. The analytical results demonstrate that incorporating steel fibers enhances the performance of concrete specimens. Compared to the reference specimen without fiber reinforcement, the load-deflection behavior improves progressively with increased fiber content. Notably, the specimen containing 3% fiber reinforcement exhibited the most favorable behavior.
Benzer Tezler
- Dolgu barajların tasarımında temel ilkeler ve İ.T.Ü. Göleti
Small earth fill dams and I.T.Ü. Dam
SERHAT BATMAZ
- Bursa Hocaalizade cami minaresi davranışının farklı deprem kayıtları altında doğrusal ve doğrusal olmayan analiz yaklaşımları ile incelenmesi
Investigation of the Bursa Hocaalizade mosque minaret behaviour under different earthquake records with linear and nonlinear analysis approaches
ELİF DURGUT
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALPER İLKİ
- Savaş gemilerinin pervane kaynaklı gürültü karakteristiklerinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemleriyle incelenmesi
Prediction of propeller noise of surface ships and submarines by using computational fluid dynamics methods
MÜNİR CANSIN ÖZDEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EMİN KORKUT
- Bir elektrikli ulaşım sisteminin modellenmesi ve simülasyonu
Modelling and simulation of an electrically driven transport system
SALMAN KURTULAN
Doktora
Türkçe
1992
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF. DR. ATİLLA BİR