Buckling behavior of plastically strained metallic panels
Plastik gerinime uğramış metal panellerin burkulma davranışı
- Tez No: 958784
- Danışmanlar: PROF. DR. ATA MUĞAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 86
Özet
Panel burkulmasıyla ilgili çalışmalar 1800'lü yıllarda başlamış; Navier, Saint Venant, Bryan ve Timoshenko gibi öncüler, burkulma problemlerine çeşitli teorik yaklaşımlar geliştirmiştir. Bu teoriler, panelin kenar şartlarına, yükleme durumlarına ve geometriye göre burkulma yüklerinin hesaplanmasını amaçlamıştır. 1950'lerde NACA tarafından yayımlanan Gerard ve Becker'in raporu, eğri panellerin elastik ve elastik olmayan burkulma davranışlarını inceleyen kapsamlı bir kaynak olmuştur. Bu çalışmada deneysel veriler ile teorik modeller arasındaki farklar da tartışılmıştır. Birçok araştırma, kesme ve eksenel yük gibi birleşik yüklemelere maruz kalan panellerin burkulma davranışlarına odaklanmıştır. Daha yeni çalışmalarda Kang, Leissa ve Xiang gibi isimler, panellerin burkulma yüklerini farklı sınır koşulları ve oranlar altında daha kesin yöntemlerle hesaplamışlardır. Burkulma sonrası davranış ise özellikle havacılık yapılarında, yapısal dayanımın optimize edilmesi ve kullanım ömrünün uzatılması açısından önemli bir araştırma alanı olmuştur. Alinia ve Amani gibi araştırmacılar, farklı malzemelerden yapılan düz panellerin burkulma sonrası tepkilerini ve ilk kusurların etkisini incelemişlerdir. Ghadami ve Broujerdian, kusurların etkisini dikkate alan bir yük azaltma katsayısı önererek literatüre katkı sunmuşlardır. Ljubinković, Amani, Park ve Melcon gibi araştırmacılar; eğrilik ve oranların, burkulma ve burkulma sonrası davranış üzerindeki etkilerini incelemiş, bu panellerin özellikle kesme ve basma yükleri altındaki davranışlarını analiz etmişlerdir. Yalnızca düz veya eğik paneller değil; kafes kirişler, burkulma önleyici takviyeli paneller de kapsamlı şekilde araştırılmıştır. Geleneksel burkulma teorileriyle deneysel sonuçlar karşılaştırılmış, farklı malzemeden yapılmış panellerin nihai taşıma kapasitelerini FEM modelleriyle analiz etmiş ve farklı kesitler kullanılarak yeni tasarım önerileri geliştirmiştir. Bunun yanı sıra takviyelerin burkulma dayanımını nasıl artırdığını ve yük dağılımına olan katkılarını hem deneysel hem sayısal yöntemlerle ortaya koymuşlardır. Bu çalışmalarda, takviye şekli, yönü ve malzeme özelliklerinin önemli rol oynadığı gösterilmiştir. Tüm bu yapılan çalışmaların yanında metal panellerin burkulma sonrası davranışı sırasında öngörülemeyen servis yüklerine maruz kalabilirler. Bu hesaba katılmayan yükler panelin sertliğini ve burkulma direncini etkileyecek şekilde plastik gerinme oluşturabilir. Ancak oluşan bu sertlik değişimi, burkulma direncindeki değişim ve metal panellerin yapısal performansının nasıl etkilendiği mevcut literatürde yeterince kapsamlı bir şekilde incelenmemiştir. Bu tezin amacı, burkulma sonrası aşamada oluşan plastik gerinmenin, düzlem içi kesme yüküne maruz kalan panellerin kritik burkulma yükü üzerindeki etkisini araştırmaktır. Bu kapsamda, plastik gerinmenin etkilerini değerlendirmek üzere hem deneysel çalışmalar hem de sonlu elemanlar analizleri yapılmıştır. Deneysel çalışma kapsamında numune olarak 330 mm kenar uzunluğuna ve 1 mm kalınlığa sahip AL-1050 alaşımlı kare panel kullanılmıştır. Panelin kenarlarında düzlem içi dönmeleri ve düzlem dışı deformasyonları önlemek amacıyla, yükleme resim çerçevesi test düzeneği kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Yükleme sırasında hem elastik hem de plastik gerilmeleri ölçmek için panele sırt sırta olacak şekilde iki adet rozet tipi gerinim ölçer yerleştirilmiştir. Gerinim bilgisini ölçmek için DEWESOFT marka veri toplama cihazı kullanılmıştır. Yapılan test sonucunda elde edilen veriler, geliştirilen sonlu eleman modeli sonuçları ile karşılaştırılmış ve yüksek uyum gösterdiği tespit edilmiştir. Kritik burkulma yükleri ve gerinim değerlerinde %2–6 aralığında düşük hata oranları elde edilmiştir. Bu durum, modelin farklı malzemeler ve geometrik özellikler için güvenle kullanılabileceğini göstermektedir. Deneysel çalışmalara ek olarak, plastik gerinmenin burkulma yükü üzerindeki etkisini daha kapsamlı analiz edebilmek adına ABAQUS yazılımı kullanılarak sonlu elemanlar analizleri gerçekleştirilmiştir. Sayısal analizlerde farklı malzeme türleri (AL-5754 ve ST-37) ve farklı panel boyutları (kenar uzunlukları 500 mm, 750 mm ve 1000 mm; kalınlıkları 2 mm, 3 mm ve 4 mm) göz önünde bulundurularak toplam 18 farklı model oluşturulmuştur. Öncelikle her bir model için Lanczos metodu lineer burkulma yükü hesaplanmıştır. Bu analizde elde edilen birinci mod şekli burkulma sonrası analizlerinde kusur olarak tanımlanmıştır. Ardından Statik Riks yöntemi kullanılarak panellerin burkulma sonrası davranışları hesaplanmıştır. Bu adıma kadar yapılan hesaplar literatürde sıkça karşılaşılan hesaplamalardır. Burkulma sonrası analizlerde hesaplanan plastik gerinme seviyelerinin %25, %50, %75 ve %100'i başlangıç sınır koşulu olarak tanımlanmıştır. Lineer burkulma hesabında kullanılan Lanczos metot ile ikincil burkulma yükleri hesaplanmıştır. Hesaplanan bu değerler kendi aralarında, farklı malzemeler için ve hiç plastik gerinmenin olmadığı durumlar için karşılaştırılmıştır. Sonuçlar incelendiğinde açıkça plastik gerinim artışının ikincil burkulma yükünü azaltıcı yönde etki ettiği açıkça görünmektedir. Bu etki, yüksek narinlik oranlarına ve düşük kalınlıklara sahip panellerde daha belirgin hale gelirken, kalın ve kısa paneller için burkulma dayanımlarının yüksek oranda korunduğu sonuçlar ile göz önüne serilmiştir. Farklı malzemeler karşılaştırıldığında, elastisite modülü yüksek malzemeden yapılmış (ST-37) paneller plastik gerinime karşı direnç açısından elastisite modülü düşük malzemeden (AL-5754) yapılmış panellerden daha iyi performans göstermiştir. Örneğin, %100 plastik gerinimde, 375 narinlik oranına sahip AL-5754 panel %48,9'a varan bir azalma gösterirken, aynı boyuttaki ST-37 panel yalnızca %33'lük bir azalma göstermiştir. İncelenen paneller arasında, ST-37 malzemesinden üretilen, 2 mm kalınlığında ve 500 mm kenar uzunluğuna sahip panel, plastik gerinime karşı en düşük hassasiyeti göstermiş ve %2'den daha az bir kapasite kaybıyla neredeyse tam burkulma kapasitesini korumuştur. Buna karşılık, AL-5754 malzemesinden üretilen, 2 mm kalınlığında ve 750 mm kenar uzunluğuna sahip panel en yüksek hassasiyeti göstermiştir. Bu bulgular hem malzeme seçiminin hem de geometrik özelliklerin (incelik oranı ve kalınlık gibi) panelin ikincil burkulma yükü ve burkulma sonrası performansı üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğunu ortaya koymuştur. Panellerin plastik deformasyona uğrayıp yeniden yüklenebileceği yapısal uygulamalar için ST-37, burkulma sonrası yüksek stabilite ve yük taşıma kapasitesi gerektiren tasarımlar açısından daha güvenilir bir malzeme olarak öne çıkmıştır; özellikle daha kısa ve kalın konfigürasyonlarda. Bu da ST-37'yi, aşırı yükleme veya yeniden yükleme durumlarıyla karşılaşabilecek yapılar için uygun bir seçenek hâline getirmektedir. Yapılan tüm bu çalışmaların ardından çalışmanın ana amacı, başlangıçtaki kritik burkulma yüklerini farklı plastik gerinim seviyeleri altında hesaplanan ikincil burkulma yükleriyle karşılaştırmak ve burkulma yükündeki azalma oranı ile panel boyutları arasındaki ilişkiyi ortaya koymaktır. Elde edilen bulgular, plastik deformasyona uğramış metal panellerin burkulma davranışının daha derinlemesine anlaşılmasına katkı sağlayacak ve mühendislik uygulamalarında yük taşıyan yapıların tasarımı ve güvenliği açısından önemli öngörüler sunacaktır.
Özet (Çeviri)
During the post-buckling stage, plastic strain can be occurred due to unexpected service loads, which alters the stiffness of the panel and affects their buckling resistance. However, the extent of this reduction and its impact on structural performance have not been thoroughly studied. The objective of this thesis is to investigate the effect of plastic strain on the critical buckling load of panels under in-plane shear loading. To achieve this, both experimental and numerical analyses were conducted. In the experimental study, an AL-1050 alloy square panel with 330 mm side length and 1 mm thickness of was utilized using a picture frame test setup. Two strain gauges were mounted in a back-to-back on the panel to measure both elastic and plastic strains during loading For the numerical study, finite element simulations were performed in Abaqus to evaluate the effect of different levels of plastic strain (25%, 50%, 75% and 100%) on the secondary buckling load. These plastic strain levels were taken from the post-buckling condition at the ultimate buckling load, and used as predefined inputs to recalculate the buckling loads. A total of 18 panel models were created using AL-5754 and ST-37 materials for the numerical study. For each material, panels were modelled with side lengths of 500 mm, 750 mm, and 1000 mm, and thicknesses of 2 mm, 3 mm, and 4 mm. The aim of the study is to compare the initial critical buckling loads with the secondary buckling loads calculated under different levels of plastic strain, and to identify a relationship between the reduction percentage and the dimension of the panel. The findings contribute to a deeper understanding of buckling behavior in plastically strained metallic panels and provide important insights for the design and safety of load-bearing structures in engineering applications.
Benzer Tezler
- Seismic behavior of steel I-beams modified by a welded haunch and reinforced with glass fiber reinforced polymers
Polimerle güçlendirilmiş cam elyaf ile desteklenmiş, kemer takviyeli çelik I kirişlerinin sismik davranışı
TİMUR ÖZDEMİR
Yüksek Lisans
İngilizce
2009
İnşaat Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsüİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. OĞUZ ÖZĞÜR EĞİLMEZ
- Gemi kirişinin nihai mukavemetinin tayini
Determination of ultimate strength of the ship girder
GÖKHAN TANSEL TAYYAR
Doktora
Türkçe
2011
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ERTEKİN BAYRAKTARKATAL
- Malzeme ve geometrik bakımdan lineer olmayan çok katlı uzay çerçevelerinin optimum boyutlandırılması
Optimum design of multi storey spaces frames, materially and geometrically non-linear
ESEN YÜKSEL
Doktora
Türkçe
2004
İnşaat MühendisliğiFırat Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF.DR. MEHMET ÜLKER
- Performansa dayalı tasarım ilkeleri ile betonarme çerçeve yapılar için pratik hasar tahmin yöntemi
Practical damage state prediction method for reinforced concrete frame structures with the principles of performance based design
DORUK BUĞDAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ABDULLAH GEDİKLİ
- Çelik plakalı perde duvar sistemleri
Steel plate shear walls
HALİL FURKAN TAŞTAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖMER TUĞRUL TURAN
DOÇ. DR. BARLAS ÖZDEN ÇAĞLAYAN