ÖNSÖZ
Tez çalışmam süresince araştırma konusu ve kapsamının oluşturulmasında beni
değerli fikirleriyle yönlendiren, bilgi ve yardımlarını esirgemeyen ve sürekli destek
veren saygıdeğer Hocam Sayın Prof. Dr. Reha ARTAN’a sonsuz teşekkürlerimi
sunarım.
Bugüne kadar beni maddi ve manevi olarak destekleyen, sabır ve özverilerini
esirgemeyen aileme teşekkür ederim.
İÇİNDEKİLER
TABLO LİSTESİ
ıv
ŞEKİL LİSTESİ
v
SEMBOL LİSTESİ
ıx
ÖZET
x
SUMMARY
xıv
1. GİRİŞ
1
2. TEMEL DENKLEMLER
2
3. TEMEL DENKLEMLERİN BOYUTSUZ İFADELERLE
DÜZENLENMESİ
4
4. KESİTİ SABİT DAİRESEL ÇUBUK İÇİN UYGULAMA
6
4.1. Kesiti sabit dairesel çubuğun lineer ve nonlineer teoriye göre çözümü
6
4.2. Kesiti sabit dairesel çubuğun nonlineer teoriye göre yapılan
çözümünün doğruluğunun gösterilmesi
21
5. KESİTİ DEĞİŞKEN DAİRESEL ÇUBUK İÇİN UYGULAMA
26
5.1. Kesiti değişken dairesel çubuğun lineer ve nonlineer teoriye göre çözümü 26
5.2. Kesiti değişken dairesel çubuğun nonlineer teoriye göre yapılan
çözümünün doğruluğunun gösterilmesi
41
6. SONUÇLAR
46
KAYNAKLAR
47
EKLER
48
A : Uygulanan değişik yükler için yer değiştirme, dönme ve kesit
tesiri değerleri
49
B : Normal doğrultusundaki yer değiştirmelerin kemer
üzerinde gösterilmesi
73
TABLO LİSTESİ
Sayfa No
Tablo A.1 : P=1 yükü için sabit kesitli dairesel kemerin nonlineer
çözüm sonuçları ...
49
Tablo A.2 : P=2 yükü için sabit kesitli dairesel kemerin nonlineer
çözüm sonuçları ...
51
Tablo A.3 : P=5 yükü için sabit kesitli dairesel kemerin nonlineer
çözüm sonuçları ...
53
Tablo A.4 : P=10 yükü için sabit kesitli dairesel kemerin nonlineer
çözüm sonuçları
55
Tablo A.5 : P=0.2 yükü için değişken kesitli dairesel kemerin nonlineer
çözüm sonuçları ...
57
Tablo A.6 : P=0.4 yükü için değişken kesitli dairesel kemerin nonlineer
çözüm sonuçları ...
59
Tablo A.7 : P=1 yükü için değişken kesitli dairesel kemerin nonlineer
çözüm sonuçları ...
61
Tablo A.8 : P=2 yükü için değişken kesitli dairesel kemerin nonlineer
çözüm sonuçları ...
63
Tablo A.9 : P=0.2 yükü için değişken kesitli dairesel kemerin lineer
çözüm sonuçları ...
65
Tablo A.10 : P=0.4 yükü için değişken kesitli dairesel kemerin lineer
çözüm sonuçları ...
67
Tablo A.11 : P=1 yükü için değişken kesitli dairesel kemerin lineer
çözüm sonuçları ...
69
Tablo A.12 : P=2 yükü için değişken kesitli dairesel kemerin lineer
ŞEKİL LİSTESİ
Sayfa No
Şekil 2.1
Şekil 4.1
Şekil 4.2
Şekil 4.3
Şekil 4.4
Şekil 4.5
Şekil 4.6
Şekil 4.7
Şekil 4.8
Şekil 4.9
Şekil 4.10
Şekil 4.11
Şekil 4.12
Şekil 4.13
Şekil 4.14
Şekil 4.15
Şekil 4.16
Şekil 4.17
Şekil 4.18
Şekil 4.19
Şekil 4.20
: Dairesel çubuk kesiti üzerinde kesit tesiri bileşenleri
ve yayılı yükler ...
: Tekil yükle yüklenmiş kesiti sabit dairesel kemer ...
: Dairesel sabit kesitli kemerin üç boyutlu gösterimi...
: Sabit kesitli kemer için hesaplamaların yapıldığı
çubuk bölgesi ...
: Çubuk ekseni boyunca sabit kesit değişimi...
: P=1 için, boyutsuz teğet doğrultudaki lineer ve nonlineer
yer değiştirmeler ...
: P=2 için, boyutsuz teğet doğrultudaki lineer ve nonlineer
yer değiştirmeler ...
: P=5 için, boyutsuz teğet doğrultudaki lineer ve nonlineer
yer değiştirmeler ...
: P=10 için, boyutsuz teğet doğrultudaki lineer ve nonlineer
yer değiştirmeler ...
: P=1 için, boyutsuz normal doğrultudaki lineer ve nonlineer
yer değiştirmeler ...
: P=2 için, boyutsuz normal doğrultudaki lineer ve nonlineer
yer değiştirmeler ...
: P=5 için, boyutsuz normal doğrultudaki lineer ve nonlineer
yer değiştirmeler ...
: P=10 için, boyutsuz normal doğrultudaki lineer ve nonlineer
yer değiştirmeler ...
: P = 1 için, boyutsuz binormal doğrultudaki lineer ve nonlineer
dönmeler ...
: P = 2 için, boyutsuz binormal doğrultudaki lineer ve nonlineer
dönmeler ...
: P = 5 için, boyutsuz binormal doğrultudaki lineer ve nonlineer
dönmeler ...
: P = 10 için, boyutsuz binormal doğrultudaki lineer ve nonlineer
dönmeler ...
: P = 1 için, boyutsuz lineer ve nonlineer
eğilme momentleri ...
: P = 2 için, boyutsuz lineer ve nonlineer
eğilme momentleri...
: P = 5 için, boyutsuz lineer ve nonlineer
eğilme momentleri ...
: P = 10 için, boyutsuz lineer ve nonlineer
eğilme momentleri ...
2
6
6
7
7
10
10
10
10
12
12
12
12
14
14
14
14
16
16
16
16
Şekil 4.21
Şekil 4.22
Şekil 4.23
Şekil 4.24
Şekil 4.25
Şekil 4.26
Şekil 4.27
Şekil 4.28
Şekil 4.29
Şekil 4.30
Şekil 4.31
Şekil 4.32
Şekil 4.33
Şekil 4.34
Şekil 5.1
Şekil 5.2
Şekil 5.3
Şekil 5.4
Şekil 5.5
Şekil 5.6
Şekil 5.7
Şekil 5.8
Şekil 5.9
Şekil 5.10
Şekil 5.11
Şekil 5.12
: P=1 için, boyutsuz teğet doğrultudaki lineer ve nonlineer
kesme kuvveti ...
: P=2 için, boyutsuz teğet doğrultudaki lineer ve nonlineer
kesme kuvveti ...
: P=5 için, boyutsuz teğet doğrultudaki lineer ve nonlineer
kesme kuvveti ...
: P=10 için, boyutsuz teğet doğrultudaki lineer ve nonlineer
kesme kuvveti ...
: P=1 için, boyutsuz normal doğrultudaki lineer ve nonlineer
kesme kuvveti ...
: P=2 için, boyutsuz normal doğrultudaki lineer ve nonlineer
kesme kuvveti ...
: P=5 için, boyutsuz normal doğrultudaki lineer ve nonlineer
kesme kuvveti ...
: P=10 için, boyutsuz normal doğrultudaki lineer ve nonlineer
kesme kuvveti ...
: Y
1[
] fonksiyonunun sıfıra yakınsak olduğunun
gösterilmesi ...
: Y
2[
] fonksiyonunun sıfıra yakınsak olduğunun
gösterilmesi ...
: Y
3[
] fonksiyonunun sıfıra yakınsak olduğunun
gösterilmesi ...
: Y
4[
] fonksiyonunun sıfıra yakınsak olduğunun
gösterilmesi ...
: Y
5[
] fonksiyonunun sıfıra yakınsak olduğunun
gösterilmesi ...
: Y
6[
] fonksiyonunun sıfıra yakınsak olduğunun
gösterilmesi ...
: Tekil yükle yüklenmiş kesiti değişken dairesel kemer ...
: Dairesel değişken kesitli kemerin üç boyutlu gösterimi...
: Değişken kesitli kemer için hesaplamaların yapıldığı
çubuk bölgesi ...
: Çubuk ekseni boyunca (1+Sin
) kesit değişimi ...
: P=0.2 için, boyutsuz teğet doğrultudaki lineer ve nonlineer
yer değiştirmeler ...
: P=0.4 için, boyutsuz teğet doğrultudaki lineer ve nonlineer
yer değiştirmeler ...
: P=1 için, boyutsuz teğet doğrultudaki lineer ve nonlineer
yer değiştirmeler ...
: P=2 için, boyutsuz teğet doğrultudaki lineer ve nonlineer
yer değiştirmeler ...
: P=0.2 için, boyutsuz normal doğrultudaki lineer ve nonlineer
yer değiştirmeler ...
: P=0.4 için, boyutsuz normal doğrultudaki lineer ve nonlineer
yer değiştirmeler ...
: P=1 için, boyutsuz normal doğrultudaki lineer ve nonlineer
yer değiştirmeler ...
: P=2 için, boyutsuz normal doğrultudaki lineer ve nonlineer
yer değiştirmeler ...
18
18
18
18
20
20
20
20
22
22
23
24
24
25
26
26
27
27
30
30
30
30
32
32
32
32
Şekil 5.13
Şekil 5.14
Şekil 5.15
Şekil 5.16
Şekil 5.17
Şekil 5.18
Şekil 5.19
Şekil 5.20
Şekil 5.21
Şekil 5.22
Şekil 5.23
Şekil 5.24
Şekil 5.25
Şekil 5.26
Şekil 5.27
Şekil 5.28
Şekil 5.29
Şekil 5.30
Şekil 5.31
Şekil 5.32
Şekil 5.33
Şekil 5.34
Şekil B.1
Şekil B.2
Şekil B.3
: P = 0.2 için, boyutsuz binormal doğrultudaki lineer ve nonlineer
dönmeler ...
: P = 0.4 için, boyutsuz binormal doğrultudaki lineer ve nonlineer
dönmeler ...
: P = 1 için, boyutsuz binormal doğrultudaki lineer ve nonlineer
dönmeler ...
: P = 2 için, boyutsuz binormal doğrultudaki lineer ve nonlineer
dönmeler ...
: P = 0.2 için, boyutsuz lineer ve nonlineer
eğilme momentleri ...
: P = 0.4 için, boyutsuz lineer ve nonlineer
eğilme momentleri...
: P = 1 için, boyutsuz lineer ve nonlineer
eğilme momentleri ...
: P = 2 için, boyutsuz lineer ve nonlineer
eğilme momentleri ...
: P=0.2 için, boyutsuz teğet doğrultudaki lineer ve nonlineer
kesme kuvveti ...
: P=0.4 için, boyutsuz teğet doğrultudaki lineer ve nonlineer
kesme kuvveti ...
: P=1 için, boyutsuz teğet doğrultudaki lineer ve nonlineer
kesme kuvveti ...
: P=2 için, boyutsuz teğet doğrultudaki lineer ve nonlineer
kesme kuvveti ...
: P=0.2 için, boyutsuz normal doğrultudaki lineer ve nonlineer
kesme kuvveti ...
: P=0.4 için, boyutsuz normal doğrultudaki lineer ve nonlineer
kesme kuvveti ...
: P=1 için, boyutsuz normal doğrultudaki lineer ve nonlineer
kesme kuvveti ...
: P=2 için, boyutsuz normal doğrultudaki lineer ve nonlineer
kesme kuvveti ...
: S
1[
] fonksiyonunun sıfıra yakınsak olduğunun
gösterilmesi ...
: S
2[
] fonksiyonunun sıfıra yakınsak olduğunun
gösterilmesi ...
: S
3[
] fonksiyonunun sıfıra yakınsak olduğunun
gösterilmesi ...
: S
4[
] fonksiyonunun sıfıra yakınsak olduğunun
gösterilmesi ...
: S
5[
] fonksiyonunun sıfıra yakınsak olduğunun
gösterilmesi ...
: S
6[
] fonksiyonunun sıfıra yakınsak olduğunun
gösterilmesi ...
: Kesiti sabit dairesel kemerin P=1 yükü için normal
doğrultuda büyütülmüş lineer deformasyonu ...
: Kesiti sabit dairesel kemerin P=1 yükü için normal
doğrultuda büyütülmüş nonlineer deformasyonu ...
: Kesiti sabit dairesel kemerin P=2 yükü için normal
doğrultuda gerçek lineer deformasyonu ...
34
34
34
34
36
36
36
36
38
38
38
38
40
40
40
40
42
42
43
44
44
45
74
74
75
Şekil B.4
Şekil B.5
Şekil B.6
Şekil B.7
Şekil B.8
Şekil B.9
Şekil B.10
Şekil B.11
Şekil B.12
Şekil B.13
Şekil B.14
Şekil B.15
Şekil B.16
: Kesiti sabit dairesel kemerin P=2 yükü için normal
doğrultuda gerçek nonlineer deformasyonu ...
: Kesiti sabit dairesel kemerin P=5 yükü için normal
doğrultuda gerçek lineer deformasyonu ...
: Kesiti sabit dairesel kemerin P=5 yükü için normal
doğrultuda gerçek nonlineer deformasyonu ...
: Kesiti sabit dairesel kemerin P=10 yükü için normal
doğrultuda gerçek lineer deformasyonu ...
: Kesiti sabit dairesel kemerin P=10 yükü için normal
doğrultuda gerçek nonlineer deformasyonu ...
: Kesiti sabit dairesel kemerin P=0.2 yükü için normal
doğrultuda büyütülmüş lineer deformasyonu ...
: Kesiti sabit dairesel kemerin P=0.2 yükü için normal
doğrultuda büyütülmüş nonlineer deformasyonu ...
: Kesiti sabit dairesel kemerin P=0.4 yükü için normal
doğrultuda büyütülmüş lineer deformasyonu ...
: Kesiti sabit dairesel kemerin P=0.4 yükü için normal
doğrultuda büyütülmüş nonlineer deformasyonu ...
: Kesiti sabit dairesel kemerin P=1 yükü için normal
doğrultuda gerçek lineer deformasyonu ...
: Kesiti sabit dairesel kemerin P=1 yükü için normal
doğrultuda gerçek nonlineer deformasyonu ...
: Kesiti sabit dairesel kemerin P=2 yükü için normal
doğrultuda gerçek lineer deformasyonu ...
: Kesiti sabit dairesel kemerin P=10 yükü için normal
doğrultuda gerçek nonlineer deformasyonu ...
75
76
76
77
77
78
78
79
79
80
80
81
81
SEMBOL LİSTESİ
t
u
: Teğet doğrultudaki yer değiştirme
tl
: Lineer teoriye göre boyutsuz teğet doğrultudaki yer değiştirme
tn
: Nonlineer teoriye göre boyutsuz teğet doğrultudaki yer değiştirme
nu
: Normal doğrultudaki yer değiştirme
nl
: Lineer teoriye göre boyutsuz normal doğrultudaki yer değiştirme
nn
: Nonlineer teoriye göre boyutsuz normal doğrultudaki yer değiştirme
b
: Binormal doğrultudaki dönme
bl
: Lineer teoriye göre boyutsuz binormal doğrultudaki dönme
bn
: Nonlineer teoriye göre boyutsuz binormal doğrultudaki dönme
b
M
: Binormal doğrultudaki moment
o
M
: Başlangıçtaki eğilme momenti
bl
: Lineer teoriye göre boyutsuz binormal doğrultudaki moment
bn
: Nonlineer teoriye göre boyutsuz binormal doğrultudaki moment
n
T
: Normal doğrultudaki kesme kuvveti
no
T
: Başlangıçtaki normal doğrultudaki kesme kuvveti
nl
: Lineer teoriye göre boyutsuz normal doğrultudaki kesme kuvveti
nn
: Nonlineer teoriye göre boyutsuz normal doğrultudaki kesme kuvveti
t
T
: Teğet doğrultudaki kesme kuvveti
to
T
: Başlangıçtaki teğet doğrultudaki kesme kuvveti
tl
: Lineer teoriye göre boyutsuz teğet doğrultudaki kesme kuvveti
tn
: Nonlineer teoriye göre boyutsuz teğet doğrultudaki kesme kuvveti
b
D
: Binormal doğrultudaki eğilme rijitliği
bo
D
: Başlangıçtaki binormal doğrultudaki eğilme rijitliği
R
: Eğrilik yarıçapı
DÜZLEMİNDE YÜKLÜ DEĞİŞKEN KESİTLİ DAİRESEL ÇUBUKLARDA
SONLU TEORİ
ÖZET
Yapılarda, geniş bir kullanım alanına sahip taşıyıcı elemanlardan biri çubuktur.
Elastik ve uzamaz çubukların sonlu yer değiştirme yapmaları durumunda çözüm
lineer ve nonlineer teori adı altında iki farklı kabul üzerine kurulur. Lineer teoride,
çubukların yer değiştirmelerinin çubuk kalınlığına göre çok küçük olduğu kabul
edilir ve denge denklemlerinin yazımında çubuğun şekil değiştirmemiş hali
kullanılır. Yapıdaki çubuk elemanlarının yaptığı yer değiştirmelerin, diğer
boyutlarının yanında çok küçük olması lineer teorinin geçerli olduğunu gösterir.
Ancak bazı yapı elemanlarının ( ince çubuklar gibi ) yaptığı yer değiştirmeler ihmal
edilmeyecek kadar büyüktür. Bu durumda lineer teori ile yapılan çözüm gerçeği
yansıtmamaktadır. Bu nedenle, çubukların doğrusal olmayan davranışlarının
incelenmesinin gerekliliği ortaya çıkmıştır. Nonlineer teoride, büyük yer
değiştirmeler söz konusu olduğundan, ikinci ve daha yüksek mertebeden terimler
ihmal edilmeyip denklemler çubuğun şekil değiştirmiş hali üzerinden yazılır. Bu
yaklaşım gerçek sonuçlara ulaşmamızı sağlamaktadır.
Bu çalışmanın birinci bölümünde, problem tanıtılmış ve temel denklemler
verilmiştir. Daha sonraki bölümlerde kendi düzleminde yüklü sabit ve değişken
kesitli dairesel çubuklara ait iki uygulama yapılmıştır. Birinci uygulamada, iki ucu
mafsallı ve orta noktasından tekil yükle yüklenmiş ve sınır koşulları (T
n(0)=-P/2,
T
t(0)=0,
b(0)=0, U
t(
/2)=0, U
n(
/2)=0, M
b(
/2)=0) olan kesiti sabit dairesel kemer
incelenmiştir. İkinci uygulamada ise, iki ucu ankastre ve orta noktasına mafsal
yerleştirilmiş ve sınır koşulları (T
n(0)=-P/2, U
t(0)=0, M
b(0)=0, U
t(
/2)=0, U
n(
/2)=0,
b(
/2)=0) olan kesiti değişken dairesel kemer çözümlenmiştir. Bu uygulamalarda
çubuğa ait yer değiştirme, dönme ve kesit tesirleri bileşenleri lineer ve nonlineer
teoriye göre ayrı ayrı hesaplanmıştır. Ve iki kabul arasındaki fark grafiklerle
gösterilmiştir. Nonlineer teorinin daha gerçekci sonuçlar verdiği görülmüştür.
Hesaplamalarda çubuğun yapıldığı malzemenin elastik ve homojen olduğu kabul
edilmiştir ve çözümler için başlangıç sınır koşullarının bilinmesi yeterli olmuştur.
Düzleminde yüklü dairesel çubuğa ait lineer temel denklemler aşağıda verilmiştir.
t n
du
1
u
0
R d
R
(1)
t n bu
1 du
0
R d
R
(2)
b b bd
M
1
0
R d
D
(3)
b n b
dM
1
T
m
R d
(4)
t n nT
1 dT
p
R d
R
(5)
t n tdT
1
T
p
R d
R
(6)
Bu bölümde kullanılan ifadelerden u
tçubuk ekseninin teğeti, u
nçubuk ekseninin
normali doğrultusundaki yer değiştirmeleri,
bbinormal doğrultudaki dönmeyi, T
tteğet doğrultusundaki kesme kuvvetini, T
nnormal doğrultusundaki kesme kuvvetini,
M
bbinormal doğrultudaki eğilme momentini göstermektedir. p
tve p
nçubuk
ekseninin teğeti ve normali doğrultusundaki yayılı yükler, m
bise binormal
doğrultusundaki yayılı momenttir. D
beğilme rijitliğidir.
Düzleminde yüklü dairesel çubuğa ait nonlineer temel denklemler aşağıda
verilmiştir.
t n bdu
1
u
Cos
1 0
R d
R
+
(7)
t n bu
1 du
Sin
0
R d
R
(8)
b b bd
M
1
0
R d
D
(9)
b n b t b bdM
1
T Cos
T Sin
m
R d
(10)
t n nT
1 dT
p
R d
R
(11)
t n tdT
1
T
p
R d
R
(12)
Boyutsuzlaştırma ifadeleri aşağıda verilmiştir.
bo b
D
D
f ( )
(13)
b bl bn boM
μ
μ
R
D
(14)
n nn nlu
ν
ν
R
(15)
t tn tlu
ν
ν
R
(16)
2 nn n nl bo
R
τ
τ
T
D
(17)
2 tn t tl boR
τ
τ
T
D
(18)
2 b b boR
β
m
D
(19)
3 t t boR
α
p
D
(20)
3 n n boR
α
p
D
(21)
Burada
f ( )
kesit değişimini ifade eder.
Lineer homojen denklemler boyutsuz ifadelerle düzenlenirse;
tl nl
dν
ν
0
d
(22)
nl tl bld
0
d
(23)
bl bld
f ( )
0
d
(24)
bl nl bd
d
(25)
nl n tld
d
(26)
tl t nld
d
(27)
Nonlineer homojen denklemler boyutsuz ifadelerle düzenlenirse;
tn nn b
dν
ν
Cos
+1 0
d
(28)
nn tn bd
Sin
0
d
(29)
bn bnd
f ( )
0
d
(30)
bn nn b tn b b
d
Cos
Sin
d
(31)
nn tn nd
d
(32)
tn nn td
d
(33)
Çalışma boyunca Fortran Power Station, Mathematica, MS Word, AutoCAD 2000,
Math Type, CINEMA 4D XL, Macromedia Fireworks programları kullanılmıştır.
FINITE THEORY OF CIRCULAR RODS OF VARIABLE CROSS SECTION
FOR IN-PLANE LOADING
SUMMARY
One of the structural elements most widely used in buildings is the rod. There are
two different calculation methods of thin elastic rod with inextensible axis. In the
case of linear behaviour, it is assumed that the displacements of these rods are very
small compared to the thickness of the rods. Thus, the equilibrium equations are
written on the undeformed shape of the rod. As the displacements of the frame
elements are small compared to the other dimensions of the element, linear theory is
valid. However, the displacements of some structural elements ( like thin rods ) are
so large that can not be neglected. In this case, the solutions obtained by linear theory
is not realistic. In the nonlinear behaviour when large deflections occur second and
higher order terms should not be neglected on equation are written on deformed
shape of the rod.
In the first part of the study, the problem is introduced and basic equations are
shown. The following parts, two samples are given related to circular rods of
constant and variable cross section. At first sample for circular rod of constant cross
section, the rod hinged at both ends loaded by a singular vertical force P and the rod
for boundary conditions (T
n(0)=-P/2, T
t(0)=0,
b(0)=0, U
t(
/2)=0, U
n(
/2)=0,
M
b(
/2)=0). At second sample sample for circular rod of variable cross section, the
rod hinged at centre loaded by a singular vertical force P and the rod for boundary
conditions (T
n(0)=-P/2, U
t(0)=0, M
b(0)=0, U
t(
/2)=0, U
n(
/2)=0,
b(
/2)=0). In
these samples, the components of the finite displacements, rotations and stress
resultants of rod are calculated for different theories. Then graphs are presented to
show between the linear and nonlinear theory. By the comparison of the both curves
for different sigular vertical force P we reach the conclusion that the nonlinear
solutions are different. In this case, the solutions obtained by nonlinear theory is
realistic. The basic linear equations of a circular rods for in-plane loading are given
below.
t ndu
1
u
0
R d
R
(1)
t n bu
1 du
0
R d
R
(2)
b b bd
M
1
0
R d
D
(3)
b n bdM
1
T
m
R d
(4)
t n n
T
1 dT
p
R d
R
(5)
t n tdT
1
T
p
R d
R
(6)
where
u is the displacement components along the tangent;
tu is the displacement
ncomponents along the normal;
bis the rotation around the binormal;
T is the
tshear force along the tangent;
T is the shaer force along the normal and
nM
bis the
moment around the binormal.
p and
tp are distributed loads, respectively, along
nthe circumferential and radial directions with respect to the circle.
m
bis distributed
bending couple.
D is the bending rigidity.
bThe basic nonlinear equations of a circular rods for in-plane loading are given below.
t n b
du
1
u
Cos
1 0
R d
R
+
(7)
t n bu
1 du
Sin
0
R d
R
(8)
b b bd
M
1
0
R d
D
(9)
b n b t b bdM
1
T Cos
T Sin
m
R d
(10)
t n nT
1 dT
p
R d
R
(11)
t n tdT
1
T
p
R d
R
(12)
The following dimensionless quantities are defined for convenience:
bo b
D
D
f ( )
(13)
b bl bn boM
μ
μ
R
D
(14)
n nn nlu
ν
ν
R
(15)
t tn tlu
ν
ν
R
(16)
2 nn n nl bo
R
τ
τ
T
D
(17)
2 tn t tl boR
τ
τ
T
D
(18)
2 b b boR
β
m
D
(19)
3 t t boR
α
p
D
(20)
3 n n boR
α
p
D
(21)
where
f ( )
expresses the change in the cross-section.
In terms of dimensionless quantities linear homogeneous equations become
tl nl
dν
ν
0
d
(22)
nl tl bld
0
d
(23)
bl bld
f ( )
0
d
(24)
bl nl bd
d
(25)
nl n tld
d
(26)
tl t nld
d
(27)
Also in terms of dimensionless quantities nonlinear homogeneous equations become
tn nn b
dν
ν
Cos
+1 0
d
(28)
nn tn bd
Sin
0
d
(29)
bn bnd
f ( )
0
d
(30)
bn nn b tn b bd
Cos
Sin
(31)
nn tn n
d
d
(32)
tn nn td
d
(33)
Fortran Power Station, Mathematica, MS Word, AutoCAD 2000, Math Type,
CINEMA 4D XL and Macromedia Fireworks programmes are used for calculations.
1. GĠRĠġ
Yapı Mühendisliğinde en çok kullanılan taşıyıcı elemanlardan biri çubuktur. Elastik
ve uzamaz çubukların sonlu yer değiştirme yapmaları durumunda çözüm iki farklı
kabul üzerine kurulur.
Bu kabullerden birincisi; şekil ve yer değiştirmeler ile dönmelerin küçük olduğu
kabulüdür. Bu kabule göre elde edilen denge ve uygunluk denklemleri lineer
karakterlidir.
Bu kabullerden ikincisi; şekil değiştirmeler küçük, yer değiştirme ve dönmelerin
büyük olduğu kabulüdür. Bu kabule göre elde edilen denge ve uygunluk denklemleri
nonlineer karakterlidir.
Literatürde bu ikinci kabul altında çubukların yer değiştirmelerini ve kesit tesirlerini
analitik olarak veren bir hesaplama tekniği yoktur. Bu çalışmada, daire eksenli
elastik çubukların lineer ve nonlineer karakterli diferansiyel denklemleri belirli sınır
şartları altında çözülmüştür. Ve iki kabul arasındaki farklar değişik yükler altında
gösterilmiştir.
Hesaplarda aşağıdaki kabuller de kullanılmıştır;
1- Çubuk ince ve elastik olup, eğrilik yarıçapı yanında enkesit boyutları küçüktür.
2- Çubuğun ilk eksenine dik ve düzlem olan kesitler deforme durumdaki çubuk
eksenine dik ve düzlem kalırlar.
3- Yer değiştirme esnasında enkesit boyutları değişmez.
4- Çubuk boyu sabit kalır.
Diferansiyel denklemlerin çözümü için Fortran programlama dilinde bir bilgisayar
programı yapılmıştır. Elde edilen sonuçların doğruluğu tezde gösterilmiştir.
2. TEMEL DENKLEMLER
Çubukların sonlu yer değiştirme yapmaları durumunda, yer ve şekil değiştirmeler ile
dönmelerin küçük olduğu kabul edilerek, kendi düzlemi içerisinde yüklü dairesel
çubuklar için düzenlenmiş denklemler aşağıda verilmiştir. [1], [2], [3], [4]
t n
du
1
u
0
R d
R
(2.1)
t n bu
1 du
0
R d
R
(2.2)
b b bd
M
1
0
R d
D
(2.3)
b n bdM
1
T
m
R d
(2.4)
t n nT
1 dT
p
R d
R
(2.5)
t n tdT
1
T
p
R d
R
(2.6)
Şekil 2.1. Dairesel çubuk kesiti üzerinde kesit tesiri bileşenleri ve yayılı yükler
R
d
O
M
T
nT
tp
np
tm
bT
toT
noM
oÇubukların sonlu yer değiştirme yapmaları durumunda, şekil değiştirmelerin küçük,
yer değiştirme ve dönmelerin büyük olduğu kabul edilerek, kendi düzlemi içerisinde
yüklü dairesel çubuklar için düzenlenmiş denklemler aşağıda verilmiştir. [1], [2],
[3],[4] .
t n bdu
1
u
Cos
1 0
R d
R
+
(2.7)
t n bu
1 du
Sin
0
R d
R
(2.8)
b b bd
M
1
0
R d
D
(2.9)
b n b t b bdM
1
T Cos
T Sin
m
R d
(2.10)
t n nT
1 dT
p
R d
R
(2.11)
t n tdT
1
T
p
R d
R
(2.12)
Bu bölümde kullanılan ifadelerden u
t, u
nçubuk ekseninin teğeti ve normali
doğrultusundaki yer değiştirmeleri,
bbinormal doğrultudaki dönmeyi, T
t, T
nve M
bkesit tesiri bileşenlerini ve eğilme momentini göstermektedir. p
tve p
nçubuk
ekseninin teğeti ve normali doğrultusundaki yayılı yükler, m
bise binormal
3. TEMEL DENKLEMLERĠN BOYUTSUZ ĠFADELERLE DÜZENLENMESĠ
Temel denklemlerin boyutsuz olarak düzenlenmesindeki amaç, elde edilen sonuçları
istenilen boyutlara çevirebilme kolaylığıdır. Boyutsuzlaştırma ifadeleri aşağıda
verilmiştir.
bo bD
D
f ( )
(3.1)
b bl bn boM
μ
μ
R
D
(3.2)
n nn nlu
ν
ν
R
(3.3)
t tn tlu
ν
ν
R
(3.4)
2 nn n nl boR
τ
τ
T
D
(3.5)
2 tn t tl boR
τ
τ
T
D
(3.6)
2 b b boR
β
m
D
(3.7)
3 t t boR
α
p
D
(3.8)
3 n n boR
α
p
D
(3.9)
Bu bölümde kullanılan ifadelerden
tl,
nlçubuk ekseninin teğeti ve normali
doğrultusundaki lineer teoriye göre boyutsuz yer değiştirmeleri,
tn,
nnise nonlineer
teoriye göre boyutsuz yer değiştirmeleri göstermektedir.
blve
bnbinormal
doğrultudaki lineer ve nonlineer teoriye göre dönmeyi,
tl,
nlve
tn,
nnlineer ve
nonlineer teoriye göre boyutsuz kesit tesiri bileşenlerini,
blve
bnlineer ve nonlineer
teğeti ve normali doğrultusundaki boyutsuz yayılı yükler,
bise binormal
doğrultusundaki boyutsuz yayılı momenttir. f(
) kesit değişimini ifade eder.
(2.1)-(2.6) denklemleri (3.1)-(3.9) ifadelerine göre düzenlenirse, lineer teoriye uygun
boyutsuz denklem takımı aşağıdaki gibi oluşur.
tl nl
dν
ν
0
d
(3.10)
nl tl bld
0
d
(3.11)
bl bld
f ( )
0
d
(3.12)
bl nl bd
d
(3.13)
nl n tld
d
(3.14)
tl t nld
d
(3.15)
(2.7)-(2.12) denklemleri (3.1)-(3.9) ifadelerine göre düzenlenirse, nonlineer teoriye
uygun boyutsuz denklem takımı aşağıdaki gibi oluşur.
tn nn b
dν
ν
Cos
+1 0
d
(3.16)
nn tn bd
Sin
0
d
(3.17)
bn bnd
f ( )
0
d
(3.18)
bn nn b tn b bd
Cos
Sin
d
(3.19)
nn tn nd
d
(3.20)
tn nn td
d
(3.21)
4. KESĠTĠ SABĠT DAĠRESEL ÇUBUK ĠÇĠN UYGULUMA
4.1 Kesiti sabit dairesel çubuğun lineer ve nonlineer teoriye göre çözümü
Bu bölümde orta noktasından tekil yükle yüklü, iki ucu mafsallı, kesiti sabit dairesel
kemerin çözümü yapılmıştır. Çözüm boyutsuz büyüklükler cinsinden yapılacaktır.
Problem şekillerle aşağıda açıklanmıştır.
Şekil 4.1 Tekil yükle yüklenmiş kesiti sabit dairesel kemer
Şekil 4.2 Dairesel sabit kesitli kemerin üç boyutlu gösterimi
R
Şekil 4.3 Sabit kesitli kemer için hesaplamaların Şekil 4.4 Çubuk ekseni boyunca
yapıldığı çubuk bölgesi sabit kesit değişimi
Hesaplar simetriden faydalanarak yarım kemer üzerinde yapılmıştır. Şekil 4.3’te
görüldüğü gibi
açısı A noktasından B noktasına ilerlemektedir. A noktası U
t(0),
U
n(0), T
t(0), T
n(0), M
b(0),
b(0) değerlerine, B noktası U
t(
/2), U
n(
/2), T
t(
/2),
T
n(
/2), M
b(
/2),
b(
/2) değerlerine karşılık gelmektedir.
Lineer kabule uygun (3.10)-(3.15) denklem takımı, f(
)=1 ve dış yükler yok iken
(4.1)-(4.6) homojen denklemleri şeklinde düzenlenmiştir. Bu diferansiyel denklem
takımının çözümü (4.7)-(4.12)’de verilmiştir.
tl nl
dν
ν
0
d
(4.1)
nl tl bld
0
d
(4.2)
bl bld
0
d
(4.3)
bl nld
0
d
(4.4)
nl tld
0
d
(4.5)
tl nld
0
d
(4.6)
2 1 1 2 tl 3 4 5 6(C
2C
) Cos
(C
2C
)Sin
C
C
C Cos
C Sin
4
(4.7)
nl 1 2 2 1 4 6 51
(((C
2C
) Cos
(C
2C
)Sin ) 4 (C
C Cos
C Sin ))
(4.8)
R
P/2
A Bbl
C
3C
4C Cos
2C Sin
1
(4.9)
bl(C Cos
1C Sin ) C
2 4
(4.10)
nlC Cos
2C Sin
1
(4.11)
tlC Cos
1C Sin
2
(4.12)
(4.7)-(4.12) denklemlerinde probleme uygun sınır şartları (
nl(0)=-P/2,
tl(0)=0,
bl(0)=0,
tl(
/2)=0,
nl(
/2)=0,
bl(
/2)=0) kullanılarak bilinmeyenler elde
edilmiştir.
Nonlineer kabule uygun (3.16)-(3.21) denklem takımı, f(
)=1 ve dış yükler yok iken
(4.13)-(4.18) homojen denklemleri şeklinde düzenlenmiştir.
tn nn b
dν
ν
Cos
+1 0
d
(4.13)
nn tn bd
Sin
0
d
(4.14)
bn bnd
0
d
(4.15)
bn nn b tn bd
Cos
Sin
0
d
(4.16)
nn tnd
0
d
(4.17)
tn nnd
0
d
(4.18)
(4.13)-(4.18) diferansiyel denklemleri probleme uygun sınır şartları (
nn(0)=-P/2,
tn(0)=0,
bn(0)=0,
tn(
/2)=0,
nn(
/2)=0,
bn(
/2)=0 ) altında çözülmüştür.
Çözümler dört değişik yük (P=1, P=2, P=5, P=10) için yapılmıştır. Her yük için
lineer ve nonlineer teoriye göre yer değiştirme ve kesit tesirlerini veren fonksiyonlar
elde edilmiş ve iki kabul arasındaki fark grafiklerle gösterilmiştir.
P=1 yükü için hesaplanmış
tl,
tnfonksiyonları;
2 tl1
3 Cos
(2 4
3
) Sin
1
1
2
(
) Cos
2
2
8
8
4
2
1
1
(
) Sin
4
(4.19)
9 6 2 3 4 5 6 7 8 9 tn7.76363 10
0.0205781
3.40057 10
0.0407121
0.0322424
0.00704693
0.00206652
0.00197121
0.000611308
0.0000645824
(4.20)
P=2 yükü için hesaplanmış
tl,
tnfonksiyonları;
2 tl
3 Cos
(4 8
6
) Sin
1
4
1
( 1
) Cos
4
8
4
1
2
(
2 ) Sin
4
(4.21)
8 2 3 4 5 6 7 8 9 tn5.87414 10
0.0449159
0.0000716288
0.0978253
0.08806
0.0219535
0.011784
0.011308
0.00344291
0.00035042
(4.22)
P=5 yükü için hesaplanmış
tl,
tnfonksiyonları;
2 tl
5
5
15 Cos
(10 20
15
) Sin
1
5
10
(
) Cos
2
2
8
8
4
2
1
5
(
5 ) Sin
4
(4.23)
6 2 3 4 5 6 7 8 9 tn2.09017 10
0.151195
0.00280613
0.404901
0.392151
0.00980076
0.227323
0.142551
0.0322748
0.00180269
(4.24)
P=10 yükü için hesaplanmış
tl,
tnfonksiyonları;
2 tl
15 Cos
(20 40
30
) Sin
1
20
5 5
( 5
) Cos
4
8
4
1
10
(
10 ) Sin
4
(4.25)
2 3 4 5 6 7 8 9 tn0.0000367535 0.628838
0.0943166
3.32419
5.97204
6.99465
7.15523
5.185598
2.05074
0.325126
(4.26)
0.25
0.5
0.75
1
1.25
1.5
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
0.006
0.007
tl
,
tn
Şekil 4.5 P=1 için, boyutsuz teğet doğrultudaki lineer ve nonlineer yer değiştirmeler
0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5
j
0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014n
tl,
n
tnŞekil 4.6 P=2 için, boyutsuz teğet doğrultudaki lineer ve nonlineer yer değiştirmeler
0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5
j
0.01 0.02 0.03 0.04n
tl,
n
tnŞekil 4.7 P=5 için, boyutsuz teğet doğrultudaki lineer ve nonlineer yer değiştirmeler
0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5
j
0.025 0.05 0.075 0.1 0.125 0.15n
tl,
n
tnŞekil 4.8 P=10 için, boyutsuz teğet doğrultudaki lineer ve nonlineer yer değiştirmeler
____
Lineer
_ _ _
Nonlineer
____
Lineer
_ _ _
Nonlineer
____
Lineer
_ _ _
Nonlineer
____
Lineer
_ _ _
Nonlineer
P=1 yükü için hesaplanmış
nl,
nnfonksiyonları;
2 nl1
1
1
(2 4
3
) Cos
3 Sin
((
) Cos
4(
))
4
2
8
8
1
1
2
(
) Sin
4
2
(4.27)
6 2 3 4 5 6 7 8 9 nn0.02055809 7.62555 10
0.104656
0.0833559
0.00035411
0.0113601
0.00193613
0.00047927
0.00027917
0.0000474516
(4.28)
P=2 yükü için hesaplanmış
nl,
nnfonksiyonları;
2 nl
1
2
(4 8
6
) Cos
3 Sin
((
2 ) Cos
4( 1
))
4
8
4
1
4
( 1
) Sin
4
(4.29)
2 3 4 5 6 7 8 9 nn0.0449193 0.0000160749
0.218945
0.166744
0.0109536
0.0349128
0.0144353
0.00797591
0.00306788
0.000449086
(4.30)
P=5 yükü için hesaplanmış
nl,
nnfonksiyonları;
2 nl
1
5
5
(10 20
15
) Cos
15 Sin
((
5 ) Cos
4(
))
4
2
8
8
1
5
10
(
) Sin
4
2
(4.31)
2 3 4 5 6 7 8 9 nn0.15106 0.0000766981
0.636306
0.397379
0.257269
0.492818
0.480585
0.304728
0.102751
0.0139425
(4.32)
P=10 yükü için hesaplanmış
nl,
nnfonksiyonları;
2 nl
1
10
(20 40
30
) Cos
15 Sin
((
10 ) Cos
4( 5
))
4
8
4
1
20
( 5
) Sin
4
(4.33)
2 3 4 5 6 7 8 9 nn0.633225 0.0101674
1.796555
0.460681
7.46582
14.5
14.8278
8.41473
0.2.47511
0.293888
(4.34)
0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5
j
-0.01 -0.005 0.005 0.01 0.015 0.02n
nl,
n
nnŞekil 4.9 P=1 için, boyutsuz normal doğrultudaki lineer ve nonlineer yer değiştirmeler
0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5
j
-0.02 -0.01 0.01 0.02 0.03 0.04n
nl,
n
nnŞekil 4.10 P=2 için, boyutsuz normal doğrultudaki lineer ve nonlineer yer değiştirmeler
0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5
j
-0.05 0.05 0.1 0.15n
nl,
n
nnŞekil 4.11 P=5 için, boyutsuz normal doğrultudaki lineer ve nonlineer yer değiştirmeler
0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5
j
-0.1 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6n
nl,
n
nnŞekil 4.12 P=10 için, boyutsuz normal doğrultudaki lineer ve nonlineer yer değiştirmeler
____
Lineer
_ _ _
Nonlineer
____
Lineer
_ _ _
Nonlineer
____
Lineer
_ _ _
Nonlineer
____
Lineer
_ _ _
Nonlineer
P=1 yükü için hesaplanmış
bl,
bnfonksiyonları;
bl1
Cos
Sin
2
2
2
(4.35)
9 2 3 4 5 6 7 8 9 bn7.7875 10
0.188723
0.249977
0.0428525
0.0208557
0.00168244
0.000462498
0.00236709
0.000821018
0.0000831885
(4.36)
P=2 yükü için hesaplanmış
bl,
bnfonksiyonları;
bl
2 Sin
1
Cos
(4.37)
7 2 3 4 5 6 7 8 9 bn1.14633 10
0.392929
0.499788
0.0628201
0.0477613
0.00163943
0.0183666
0.0176693
0.00529394
0.00052025
(4.38)
P=5 yükü için hesaplanmış
bl,
bnfonksiyonları;
bl
5
5
5 Cos
5 Sin
2
2
2
(4.39)
6 2 3 4 5 6 7 8 9 bn4.39751 10
1.12586
1.24322
0.0822097
0.346217
0.377865
0.48062
0.266508
0.0590763
0.00354214
(4.40)
P=5 yükü için hesaplanmış
bl,
bnfonksiyonları;
bl
10 Sin
5 5
5 Cos
(4.41)
2 3 4 5 6 7 8 9 bn0.0000849848 3.31215
2.40753
2.29145
3.40096
1.95869
1.94611
4.10967
2.31587
0.434132
(4.42)
0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5
j
-0.04 -0.03 -0.02 -0.01 0.01 0.02 0.03W
bl,
W
bnŞekil 4.13 P=1 için, boyutsuz binormal doğrultudaki lineer ve nonlineer dönmeler
0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5
j
-0.075 -0.05 -0.025 0.025 0.05 0.075W
bl,
W
bnŞekil 4.14 P=2 için, boyutsuz binormal doğrultudaki lineer ve nonlineer dönmeler
0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5
j
-0.2 -0.1 0.1 0.2W
bl,
W
bnŞekil 4.15 P=5 için, boyutsuz binormal doğrultudaki lineer ve nonlineer dönmeler
0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5
j
-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.2 0.4W
bl,
W
bnŞekil 4.16 P=10 için, boyutsuz binormal doğrultudaki lineer ve nonlineer dönmeler
____ Lineer
_ _ _
Nonlineer
____
Lineer
_ _ _
Nonlineer
____
Lineer
_ _ _
Nonlineer
____
Lineer
_ _ _
Nonlineer
P=1 yükü için hesaplanmış
bl,
bnfonksiyonları;
bl1
Cos
Sin
2
2
(4.43)
2 3 4 5 6 7 8 9 bn0.18872 0.49999
0.12888
0.816269
0.0138796
0.00700866
0.00601541
0.000160695
0.00158145
0.000337376
(4.44)
P=2 yükü için hesaplanmış
bl,
bnfonksiyonları;
bl
2 Cos
1
Sin
(4.45)
2 3 4 5 6 7 8 9 bn0.392934 0.999974
0.192811
0.167923
0.0589318
0.0048011
0.0043837
0.0311992
0.0200888
0.00350692
(4.46)
P=5 yükü için hesaplanmış
bl,
bnfonksiyonları;
bl
5
5 Cos
5 Sin
2
2
(4.47)
2 3 4 5 6 7 8 9 bn1.12626 2.50104
0.799922
0.49883
0.686291
1.53342
2.72036
2.35712
0.922292
0.135308
(4.48)
P=10 yükü için hesaplanmış
bl,
bnfonksiyonları;
bl
10 Cos
5
5 Sin
(4.49)
2 3 4 5 6 7 8 9 bn3.32014 5.1471
2.74858
9.74364
61.556
139.166
165.762
105.579
34.0175
4.36616
(4.50)
0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5
j
-0.15 -0.1 -0.05 0.05 0.1m
bl,
m
bnŞekil 4.17 P=1 için, boyutsuz lineer ve nonlineer eğilme momentleri
0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5
j
-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.1 0.2m
bl,
m
bnŞekil 4.18 P=2 için, boyutsuz lineer ve nonlineer eğilme momentleri
0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5
j
-1 -0.75 -0.5 -0.25 0.25 0.5m
bl,
m
bnŞekil 4.19 P=5 için, boyutsuz lineer ve nonlineer eğilme momentleri
0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5
j
-3 -2 -1 1 2m
bl,
m
bnŞekil 4.20 P=10 için, boyutsuz lineer ve nonlineer eğilme momentleri