Evaluation of the Effect of Sheet Thickness on Reinforcement of Floors with Steel Sheet in Timber Structures Using Modal and Static Analysis

Abstract

Steel sheet applications, which are widely used in the reinforcement of timber floors encountered in rural and historical buildings today, may reduce the rigidity of the structure and may cause structural instabilities when applied unconsciously. This study systematically evaluates the effects of the change in steel sheet thickness on the timber floor behavior through modal analysis and static deflection studies. Eight different steel sheet thickness scenarios ranging from 0.1 mm to 20 mm were analyzed on the finite element model created using SAP2000 software. The first mode period value, mode shape and maximum deflection amount were evaluated for each model and the effects on the structural rigidity were compared. The findings showed that thin sheets such as 0.1 mm reduce rigidity and cause torsional mode; while the deflection values increase significantly due to the added mass at thicknesses of 5 mm and above and negatively affect the structural performance. The most efficient sheet thickness was determined between 0.2 mm and 0.5 mm both dynamically and statically. As a result of the study, it was revealed that the understanding of “the thicker the sheet, the stronger the structure” seen in unconscious timber floor reinforcements is invalid. It is emphasized that optimum sheet thickness should be determined based on engineering data in steel sheet reinforcement applications in timber structures. These findings reveal the importance of engineering-based reinforcement approaches in making traditional structures safer and more durable.

Keywords

• Timber structures
• steel sheet
• finite element method
• modal analysis
• reinforcement

Ahşap Yapılarda Döşemelerin Çelik Sac ile Güçlendirilmesinde Sac Kalınlığının Etkisinin Modal ve Statik Analiz ile Değerlendirilmesi

Abstract

Günümüzde kırsal ve tarihi yapılarda karşılaşılan ahşap döşemelerin güçlendirilmesinde yaygın olarak kullanılan çelik sac uygulamaları, bilinçsiz yapıldığında yapının rijitliğini azaltmakta ve yapısal kararsızlıklara neden olabilmektedir. Bu çalışma, çelik sac kalınlığının değişiminin ahşap döşeme davranışı üzerindeki etkilerini modal analiz ve statik sehim incelemeleri aracılığıyla sistematik olarak değerlendirmektedir. SAP2000 yazılımı kullanılarak oluşturulan sonlu eleman modeli üzerinde, 0.1 mm ile 20 mm arasında değişen sekiz farklı çelik sac kalınlığı senaryosu analiz edilmiştir. Her model için birinci mod periyot değeri, mod şekli ve maksimum sehim miktarı değerlendirilmiş, yapı rijitliği üzerindeki etkiler karşılaştırılmıştır. Bulgular, 0.1 mm gibi ince sacların rijitliği düşürdüğünü ve burulma moduna neden olduğunu; 5 mm ve üzeri kalınlıklarda ise kütle artışıyla birlikte sehim değerlerinin aşırı yükseldiğini ve yapı performansını olumsuz etkilediğini göstermiştir. En verimli sac kalınlığı hem dinamik hem statik açıdan 0.2 mm ile 0.5 mm arasında belirlenmiştir. Çalışma sonucunda, bilinçsiz ahşap döşeme güçlendirilmelerinde görülen “sac kalınlaştıkça yapı daha sağlam olur” anlayışının geçersiz olduğu ortaya konmuştur. Ahşap yapılarda çelik sacla güçlendirme uygulamalarında optimum sac kalınlığının mühendislik verilerine dayalı olarak belirlenmesi gerektiği vurgulanmaktadır. Bu bulgular, geleneksel yapıların daha güvenli ve dayanıklı hale getirilmesinde mühendislik temelli güçlendirme yaklaşımlarının önemini ortaya koymaktadır.

Keywords

• Ahşap yapılar
• çelik sac
• sonlu elemanlar metodu
• modal analiz
• güçlendirme

References

1. Batur, A. (2004). Gelişmiş ahşap yapım sistemleri ve Türkiye koşulları yönünden değerlendirilmesi. (Tez no. 150239) [Yüksek Lisans Tezi, Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü].
2. Bilici, S. (2006). Ahşap konut üretim sistemleri; Almanya örneği. (Tez no. 245731) [Yüksek Lisans Tezi, Selçuk Üniversitesi].
3. Çetin, F., & Gündüz, G. (2017). Türkiye’deki bazı ağaç türü odunlarının mekanik özellikleri üzerine yapılan araştırmaların değerlendirilmesi. Bartın Orman Fakültesi Dergisi, 19(1), 161–181.
4. Uzun, S. (2018). Tarihi ahşap yapı taşıyıcı sistemlerin incelenmesi ve Boğaziçi örneği: Amcazade Hüseyin Paşa Yalısı. (Tez no. 517952) [Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi].
5. Hiraoğlu, E. E. (2007). Ahşap ve çelik makas sistemlerin malzeme ve sistem özelliklerinin incelenmesi, bir örnek yapı üzerinde değerlendirilmesi (Tez no. 201175) [Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi].
6. Kaplan, B. (2013). Geleneksel Osmanlı mimarisine sahip ahşap yapıların deprem kuvveti altında incelenmesi ve güçlendirme teknikleri. (Tez no. 335753) [Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi].
7. Kretschmann, D. (2010). Wood handbook: Wood as an engineering material. Forest Products Laboratory, Madison, WI, USA.
8. Erkoç, E. (2004). Günümüz teknolojileriyle üretilen ahşap konutların tasarım-uygulama-kullanım üçgeninde değerlendirilmesi: İstanbul örnekleri. (Tez no. 151646) [Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi].

9. Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği (TBDY-2018). (2018). T.C. Resmî Gazete, Sayı: 30364.
10. European Committee for Standardization. (2004). Eurocode 5: Design of timber structures.
11. Çelik, H. K., & Şakar, G. (2022). Geçmişin ve geleceğin yapı malzemesi olarak ahşap: Yapı mühendisliği çerçevesinde bir inceleme. Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, 36, 298–304. https://doi.org/10.31590/ejosat.1108072
12. Çalışkan, Ö., Meriç, E., & Yüncüler, M. (2019). Ahşap ve ahşap yapıların dünü, bugünü ve yarını. Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 6(1), 109–118. https://doi.org/10.35193/bseufbd.531012
13. Hosford, W. F., & Caddell, R. M. (2011). Metal forming: Mechanics and metallurgy. Cambridge University Press.
14. Simpson, P. H. (1999). Cheap, quick, & easy: Imitative architectural materials, 1870–1930. University of Tennessee Press.
15. ASTM International. (t.y.). ASTM A653/A653M: Standard specification for steel sheet, zinc-coated or zinc-iron alloy-coated by the hot-dip process.
16. Tuhta, S., & Günday, F. (2019). Application of OMA on the bench-scale aluminum bridge using micro tremor data. International Journal of Advance Research and Innovative Ideas in Education, 5(5), 912–923.
17. Kasımzade, A. A., Tuhta, S., Günday, F., & Aydın, H. (2021). Obtaining dynamic parameters by using ambient vibration recordings on model of the steel arch bridge. Periodica Polytechnica Civil Engineering, 65(2), 608–618. https://doi.org/10.3311/PPci.16422
18. Günday, F. (2023). The effect of using molybdenum profile in model steel structure columns on the modal parameters. Turkish Journal of Science and Technology, 18(2), 415–424. https://doi.org/10.55525/tjst.1256534
19. Wright, H. D., Evans, H. R., & Harding, P. W. (1987). The use of profiled steel sheeting in floor construction. Journal of Constructional Steel Research, 7(4), 279–295.
20. Mirra, M., Ravenshorst, G., & van de Kuilen, J. W. (2020). Experimental and analytical evaluation of the in-plane behaviour of as-built and strengthened traditional wooden floors. Engineering Structures, 211, 110432. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2020.110432
21. Gubana, A. (2015). State-of-the-art report on high reversible timber to timber strengthening interventions on wooden floors. Construction and Building Materials, 97, 25–33. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.06.035
22. Gattesco, N., & Macorini, L. (2014). In-plane stiffening techniques with nail plates or CFRP strips for timber floors in historical masonry buildings. Construction and Building Materials, 58, 64–76. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2014.02.010
23. Valluzzi, M. R., Garbin, E., Dalla Benetta, M., & Modena, C. (2010, June). In-plane strengthening of timber floors for the seismic improvement of masonry buildings. In 11th World Conference on Timber Engineering, Riva del Garda.
24. Nunes, M., Bento, R., & Lopes, M. (2020). In-plane stiffening and strengthening of timber floors for the improvement of seismic behaviour of URM buildings. https://doi.org/10.1504/ijmri.2020.104847
25. Wdowiak-Postulak, A., Wieruszewski, M., Bahleda, F., Prokop, J., & Brol, J. (2023). Fibre-reinforced polymers and steel for the reinforcement of wooden elements experimental and numerical analysis. Polymers, 15(9), 2062. https://doi.org/10.3390/polym15092062
26. Vella, N., Kyvelou, P., Buhagiar, S., & Gardner, L. (2024). Experimental study of composite cold-formed steel and timber flooring systems with innovative shear connectors. Thin-Walled Structures, 205, 112571. https://doi.org/10.1016/j.tws.2024.112571
27. Chocholaty, B., Roozen, N. B., Hoppe, K.-A., Maeder, M., & Marburg, S. (2024). Vibration and impact sound properties of hybrid steel-timber floor structures. Acta Acustica, 8(11), 1–18. https://doi.org/10.1051/aacus/2024001
28. Al Hunaity, S. A., Far, H., & Saleh, A. (2022). Vibration behaviour of cold-formed steel and particleboard composite flooring systems. Steel and Composite Structures, 43(3), 403–417. https://doi.org/10.12989/scs.2022.43.3.403
29. Liu, G. R., & Quek, S. S. (2013). The finite element method: A practical course. Butterworth-Heinemann.
30. Fish, J., & Belytschko, T. (2007). A first course in finite elements (Vol. 1). John Wiley & Sons.
31. Cook, R. D. (1994). Modeling for stress analysis. Wiley.
32. Güler, M., & Şen, S. (2016). Sonlu elemanlar yöntemi hakkında genel bilgiler. Ordu Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, 5(1), 56–66.
33. Kasımzade, A. A. (2018). Finite element method: Foundation and application to earthquake engineering. Nobel Academic Publishing, Ankara, Turkey.
34. Türk Standartları Enstitüsü. (1979). TS 647: Ahşap yapıların hesap ve yapım kuralları. https://intweb.tse.org.tr/Standard/Standard/Standard.aspx?081118051115108051104119110104055047105102120088111043113104073087057052114079112107055056111086
35. Yıldırım, M. N. (2015). Ahşap oturma elemanlarının mukavemet analizinde sonlu elemanlar metodunun uygulanması. (Tez no. 405885) [Doktora Tezi, Karabük Üniversitesi].
36. Türk Standartları Enstitüsü. (1980). TS 648: Çelik yapıların hesap ve yapım kuralları. https://intweb.tse.org.tr/Standard/Standard/Standard.aspx?081118051115108051104119110104055047105102120088111043113104073100102050113114085113079068057082
37. Kasımzade, A. A. (2018). Fundamentals of structural dynamics and applications in earthquake engineering. Nobel Academic Publishing, Ankara, Turkey