Geri Dön

Finite element analysis of rebar cutting using hydraulic system

Hidrolik sistem kullanarak inşaat demiri kesimi için sonlu eleman analizi

PDF İndir

  1. Tez No: 973076
  2. Yazar: ANAHİTA SARNİZEHDOOST
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ VEDAT TEMİZ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Konstrüksiyon Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Bu tez, betonarme yapılarda kullanılan çelik çubukların (rebar) hidrolik sistemler kullanılarak kesilme sürecini incelemekte ve güvenilir, deneysel olarak doğrulanmış bir sonlu elemanlar analizi (FEA) çerçevesi geliştirmeyi amaçlamaktadır. Çelik çubuklar, betonarme yapıların temel bileşenleri olup, yapıya çekme dayanımı kazandırmakta ve binaların, köprülerin ve diğer altyapı unsurlarının genel stabilitesine doğrudan katkı sağlamaktadır. Dolayısıyla, çubukların kesimindeki verimlilik ve hassasiyet yalnızca boyutsal doğruluğun sağlanması açısından değil, aynı zamanda güvenlik, yapısal performans ve ekonomik sürdürülebilirlik açısından da kritik öneme sahiptir. Günümüzde hidrolik çelik çubuk kesiciler, yüksek kuvvet üretme kapasiteleri ve güvenilirlikleri sayesinde inşaat sektöründe yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak, çelik çubuk kesimi sırasında ortaya çıkan gerilme dağılımı, deformasyon biçimleri ve kırılma mekanizmaları gibi ayrıntılı mekanik davranışların literatürde yeterince açıklığa kavuşturulmamış olması, önemli bir bilgi boşluğunu işaret etmektedir. Bu çalışma, hesaplamalı simülasyon ile deneysel doğrulamayı bir araya getirerek bu eksikliği gidermeyi hedeflemektedir. Araştırmanın ilk aşamasında, hidrolik kesme sisteminin üç boyutlu geometrik modeli SolidWorks yazılımında geliştirilmiş ve ANSYS Explicit Dynamics (2025 R1) ortamında analiz edilmiştir. Model, 10 mm çapında AISI 1045 çeliğinden çubuklar ve SPK 1.2080 takım çeliğinden üretilmiş iki bıçaktan oluşmaktadır: sabit silindirik bıçak ve hidrolik piston koluna bağlı U-oluklu hareketli bıçak. Bu sayısal modelleme sürecinde, büyük plastik şekil değiştirmelerin, karmaşık doğrusal olmayan temasların, çatlak başlangıcının ve geçici dinamik etkilerin doğru şekilde temsil edilmesi için ANSYS Explicit Dynamics tercih edilmiştir. Çelik çubuğunun elastoplastik davranışı ve kırılma karakteristiği Johnson–Cook (JC) malzeme modeli ve kırılma kriteri kullanılarak tanımlanmıştır. JC modeli, gerinim oranı etkilerini ve hasar evrimini de içermekte, böylece kesme sırasında malzemenin yüksek lokalize gerilmeler altındaki davranışı doğru şekilde temsil edilmektedir. Bıçak–çubuk temas yüzeylerinde doğrusal olmayan sürtünme koşulları tanımlanmış, gerçekçi kesme koşullarını yansıtmak için sürtünme katsayısı 0,42 olarak dikkate alınmıştır. Ayrıca, temas bölgelerinde ağ yoğunlaştırması yapılmış, kritik gerilme bölgelerinin doğru yakalanması sağlanmış ve yakınsama testleriyle sonuçların güvenilirliği doğrulanmıştır. Deneysel doğrulama, CNC etriye bükme makinesine entegre hidrolik kesme sistemi üzerinde gerçekleştirilmiştir. Bu makine, 6 mm ile 12 mm çap aralığındaki çelik çubukların doğrultma, bükme ve kesme işlemlerini operatör tarafından tanımlanan koşullar altında gerçekleştirebilmektedir. Kesme kuvveti ölçümleri doğrudan değil, hidrolik basınç değerlerinin basınç göstergesi aracılığıyla kaydedilmesi ve piston alanı üzerinden kuvvete dönüştürülmesiyle elde edilmiştir. Her bir bıçak geometrisi için deneyler üçer kez tekrarlanarak sonuçların tutarlılığı sağlanmıştır. Çalışmada üç farklı sabit bıçak açısı (86°, 88° ve 90°) incelenmiş, diğer tüm parametreler (malzeme, çubuk çapı ve kesme hızı) sabit tutulmuştur. Ek olarak, yüksek hızlı kamera kullanılarak çubuğun kesim sırasında deformasyon ve kırılma davranışı niteliksel olarak değerlendirilmiştir. Sayısal analizlerden elde edilen sonuçlar, deneysel bulgularla yüksek uyum göstermiştir. Tahmin edilen kesme kuvvetleri ile deneysel değerler arasındaki fark %6'nın altında kalmıştır. Kuvvet–zaman diyagramları, kesme sürecinin üç temel aşamadan oluştuğunu göstermiştir: (1) elastik ve erken plastik deformasyona karşılık gelen doğrusal kuvvet artışı, (2) gerinim pekleşmesi ile karakterize edilen doğrusal olmayan ikinci aşama, (3) maksimum kuvvete ulaşıldıktan sonra kırılmanın başlamasıyla birlikte kuvvetin keskin şekilde azaldığı nihai aşama. 90° bıçak için maksimum kesme kuvveti yaklaşık 39,9 kN olarak bulunmuş, buna karşılık 88° bıçak için 35,8 kN ve 86° bıçak için 34,5 kN değerleri elde edilmiştir. Bu sonuçlar, daha keskin bıçak açılarının kesme direncini azalttığını, ancak aynı zamanda bıçak kenarında gerilme yoğunlaşmalarını artırarak takım ömrünü olumsuz etkilediğini ortaya koymaktadır. Gerilme dağılımı analizleri, çelik çubuğun üzerindeki maksimum gerilmelerin bıçak–çubuk temas yüzeyine yakın bölgelerde yoğunlaştığını ve 900 MPa'a kadar ulaştığını göstermiştir. Bıçaklarda ise von Mises gerilmelerinin özellikle keskin kenarlarda toplandığı ve maksimum 1710–1800 MPa aralığına ulaştığı belirlenmiştir. Bu değerler, SPK 1.2080 takım çeliğinin dayanım sınırlarına oldukça yakındır ve daha küçük açılı bıçakların tekrar eden yüklemeler altında aşınma veya kenar kırılması riskini artırabileceğini göstermektedir. Deformasyon analizleri ise farklı bıçak açıları arasında benzer yer değiştirme desenleri ortaya koymuş, çubuk üzerinde maksimum yönlü yer değiştirmeler 1,8–1,9 mm arasında bulunmuştur. Plastik şekil değiştirmenin kesme bölgesinde yoğunlaştığı ve nihai olarak malzeme ayrılmasına yol açtığı gözlemlenmiştir. Bu bulgular, bıçak geometrisinin çift yönlü rolünü vurgulamaktadır: daha küçük kenar açıları kesme verimliliğini artırırken (daha düşük kuvvet gereksinimi), aynı zamanda takım dayanıklılığını azaltmaktadır. Dolayısıyla, kesme performansı ile takım ömrü arasında optimum bir denge kurulması gerektiği anlaşılmaktadır. Ayrıca, bu tez kapsamında geliştirilen ve deneysel olarak doğrulanan FEA çerçevesi, farklı malzeme ve işlem koşulları altında kesme performansını değerlendirmek için güvenilir bir öngörü aracıdır. Bu çalışmanın katkıları üç temel başlık altında toplanabilir. İlk olarak, hidrolik çelik çubuk kesimi için gelişmiş malzeme modelleri, doğrusal olmayan temas mekaniği ve optimize edilmiş ağ stratejilerini bir araya getiren doğrulanmış bir sayısal model oluşturulmuştur. İkinci olarak, bıçak geometrisi, kesme kuvveti ve gerilme dağılımı arasındaki nicel ilişkiler ortaya konmuş ve bu sayede hidrolik kesici tasarımının optimizasyonuna doğrudan katkı sağlanmıştır. Üçüncü olarak, sayısal analiz ile deneysel verilerin entegrasyonu için uygulanabilir bir metodoloji sunulmuş, bunun endüstriyel kesme sistemlerinde yorulma, aşınma ve termomekanik etkilerin gelecekteki araştırmalarına zemin hazırlayacağı gösterilmiştir. Sonuç olarak, bu tez, hidrolik çelik çubuk kesme sürecine ilişkin mevcut bilgi birikimini genişletmekte, malzeme davranışı ve takım performansına dair derinlemesine içgörüler sunmakta ve endüstride doğrudan uygulanabilecek pratik kılavuzlar sağlamaktadır. Geliştirilen yöntem, farklı çubuk çapları, alternatif takım malzemeleri ve daha karmaşık bıçak geometrileri için genişletilebilir. Ayrıca, nervürlü çubukların kesilmesi, ısıl–mekanik etkileşimlerin modele dahil edilmesi ve uzun dönemli yorulma ile aşınma analizlerinin yapılması, gelecekteki araştırmalar için önerilmektedir. Bu yönleriyle tez, daha güvenli, verimli ve ekonomik inşaat uygulamalarına katkı sağlamayı hedeflemektedir.

Özet (Çeviri)

The present thesis investigates the cutting process of reinforcing steel bars (rebars) using hydraulic systems, with a focus on developing a reliable and validated finite element analysis (FEA) framework. Rebars, as essential elements in reinforced concrete structures, provide tensile strength and significantly contribute to the overall stability of buildings and infrastructure. The efficiency and precision of rebar cutting operations are therefore critical not only to ensure dimensional accuracy but also to guarantee safety, structural performance, and economic sustainability in construction projects. Although hydraulic rebar cutters are widely adopted in practice due to their ability to generate large forces with high reliability, the detailed mechanical behavior of rebar cutting—including stress distribution, deformation, and fracture mechanisms—remains insufficiently understood. This research addresses these limitations by combining computational simulation and experimental validation in a comprehensive study. A three-dimensional geometric model of the hydraulic cutting system was first developed using SolidWorks. The model consists of a 10 mm diameter AISI 1045 rebar and two blades manufactured from SPK 1.2080 tool steel: a fixed cylindrical blade and a moving blade with a U-shaped notch attached to the piston rod of a hydraulic cylinder. The numerical analysis was carried out using ANSYS Explicit Dynamics (2025 R1), selected for its robustness in handling large plastic deformations, severe nonlinear contact, fracture initiation, and transient dynamics. The Johnson–Cook constitutive and fracture models were applied to represent the elastoplastic and failure behavior of the rebar under high localized stresses, incorporating strain-rate effects and damage evolution. Nonlinear contact conditions were defined at the blade–rebar interfaces, with frictional interactions explicitly modeled to reflect realistic cutting conditions. Mesh refinement was applied selectively in the contact regions to capture local stress gradients, while convergence tests were performed to ensure the reliability of the results. The findings showed strong agreement between simulation and experiment, with differences below 6%. Force–time diagrams indicated three distinct stages: an initial elastic–plastic increase, a nonlinear strain-hardening region, and a final peak force followed by a rapid drop during fracture. Maximum cutting force was obtained for the 90° blade, while significantly lower values were recorded for the 88° and 86° blades. Stress distribution analysis revealed critical zones near blade–rebar contact, particularly at sharp blade edges where localized stresses were concentrated. The combined experimental and numerical analyses highlight the dual role of blade geometry: while smaller edge angles enhance cutting efficiency by reducing the required force, they also compromise tool durability by increasing localized stress levels. These insights underscore the importance of selecting an optimal blade geometry that balances cutting performance with tool life. Furthermore, the validated FEA framework developed in this thesis provides a reliable predictive tool for evaluating cutting performance under various material and process conditions. The contributions of this research are threefold. First, it establishes a validated numerical model of hydraulic rebar cutting, integrating advanced constitutive modeling, nonlinear contact mechanics, and mesh optimization techniques. Second, it provides quantitative insights into the relationship between blade geometry, cutting force, and stress distribution, contributing directly to the optimization of hydraulic cutter design. Third, it demonstrates a practical methodology for linking simulation results with experimental validation, offering a pathway for future studies on fatigue, wear, and thermal effects in industrial cutting systems. In conclusion, this study enhances the understanding of material behavior and tool performance in hydraulic rebar cutting and delivers practical guidelines for the design and operation of cutting tools. The developed methodology can be extended to different rebar diameters, alternative tool materials, and more complex blade geometries.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    756074

    Rollform ile soğuk şekillendirme prosesini etkileyen parametrelerin nümerik yöntemlerle incelenmesi

    Investigation of the parameters affecting the cold forming process with Rollform by numerical methods

    ABDULLAH PALA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Mekatronik MühendisliğiBursa Teknik Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ CELALETTİN YÜCE

  2. Tez No

    887251

    Nervürlü inşaat demirlerinin üretiminde kullanılan tempcore prosesinin malzemenin mekanik özelliklerine olan etkisinin sonlu elemanlar yöntemi ile analizi

    Analysis of the effect of tempcore process used in the production of ribbed rebar on the mechanical properties of the material by finite element method

    AHMET ATİLLA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Makine MühendisliğiGebze Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FEVZİ BEDİR

  3. Tez No

    421026

    Betonarme perdeli sistemlerin itme analizi için yeni bir sonlu eleman

    A new finite element for push-over analysis of reinforced concrete shear wall systems

    DELAL DOĞRU ORMANCI

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AHMET IŞIN SAYGUN

  4. Tez No

    657088

    Sıcak haddelemede merdanelerin kalibresine uygulanan kuvvetlerin sonlu elemanlar yöntemi ile analizi

    Analysis of the forces acting of the calibre of hot rolled rollers by finite element method

    MOHSEN KALANTARI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Makine MühendisliğiGazi Üniversitesi

    İmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUAMMER NALBANT

  5. Tez No

    109838

    Pnömatik tekerlerin termomekanik davranışının sonlu elemanlar yöntemiyle incelenmesi

    Investigation thermomechanical behaviour of pneumatic tires by finite element method

    HAKKI TUNCAY YÜKSEL

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2002

    Makine MühendisliğiKaradeniz Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SAMİ KARADENİZ

Geri Dön