Numerical Investigation of Second Order Effects In Plane Steel Frames

Abstract

During the earthquake, particularly large displacements may occur on vertical members in tall and heavy load bearing structure systems. These displacements bring about the second order effects. On the other hand, nonlinear static analysis is often used by the designers on the determination of earthquake resistance of structures. With this study, second order effects in plane steel frames are investigated with nonlinear static analysis. Plane steel frames were analyzed with or without second order effects. Two separate performance curves were created for each frame. With the increase of the ground story height, it was observed that the displacement values in the frames increased. It is recommended to consider second order effects in structural design for the case where the ratio between the ground story height and the normal story height is two or more.

Keywords

• Steel frame
• displacement
• nonlinear static analysis
• second order effect

DÜZLEM ÇELİK ÇERÇEVELERDE İKİNCİ MERTEBE ETKİLERİNİN NÜMERİK OLARAK İNCELENMESİ

Abstract

Deprem esnasında özellikle yüksek ve ağır yük taşıyan yapı sistemlerindeki düşey taşıyıcı elemanlarda yeter derecede küçük olmayan yer değiştirmeler oluşabilir. Bu yer değiştirmeler, ikinci mertebe etkisini beraberinde getirir. Öte yandan, yapıların deprem dayanımlarının belirlenmesinde doğrusal olmayan statik analiz, tasarımcılar tarafından sıklıkla kullanılmaktadır. Bu çalışma ile düzlem çelik çerçevelerde ikinci mertebe etkileri, doğrusal olmayan statik analiz ile incelenmiştir. Çerçeve tipi yapılar, ikinci mertebe etkileri dikkate alınarak ve alınmayarak analiz edilmiştir. Her çerçeve için iki ayrı performans eğrisi oluşturulmuştur. Zemin kat yüksekliğinin artmasıyla çerçevelerdeki yer değiştirme değerlerinin arttığı görülmüştür. Zemin kat yüksekliği ile normal kat yüksekliği arasındaki oranın iki ve ikiden büyük olması durumu için yapısal tasarımda ikinci mertebe etkilerinin dikkate alınması önerilmektedir.

Keywords

• Çelik çerçeve
• yer-değiştirme
• doğrusal olmayan statik analiz
• ikinci mertebe etkisi

References

1. 1. Deren, H., Uzgider, E., Piroğlu, F. ve Çağlayan, Ö. (2008) Çelik Yapılar, 3. Baskı, Çağlayan Kitabevi, İstanbul.
2. 2. Günaydın, A. ve Aydın, M.R. (2017) İkinci mertebe etkilerinin sistem serbest titreşim periyotlarına etkisi, 4. Uluslararası Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı.
3. 3. Ashwini, M. and Sangeeta, S. (2020) Seismic performance of flat slab buildings considering P-delta effect, Journal of Structural Engineering and Management, 7(1), 1-16.
4. 4. Walport, F., Gardner, L. and Nethercot, D.A. (2019) A method for the treatment of second order effects in plastically-designed steel frames, Engineering Structures, Imperial College, London, 200, doi:10.1016/j.engstruct.2019.109516
5. 5. Tong, J.Z., Pan, W.H. and Pi, Y.L. (2019) Exact solutions for second-order effect of imperfect beams and frames based on matrix structural analysis, Structures, Institution of Structural Engineers, Elsevier, 23, 677-689. doi:10.1016/j.istruc.2019.12.001
6. 6. Jain, T. and Patil, S.B. (2018) Optimum location of shear walls and visco-elastic dampers in R.C.C framed tall buildings considering second order effects, Techno Societal 2018, Springer, 1, 811-824.
7. 7. Dezhkam, B. (2017) Investigating performance of plastic hinge in steel frames by knee barcing, International Electronic Journal of Mathematics Education, 12(3), 431-445.
8. 8. Nguyen, P-C. and Kim, S-E. (2016) Advanced analysis for planar steel frames with semi-rigid connections using plastic-zone method, Steel and Composite Structures, 21(5), 1121-1144, doi:10.12989/scs.2016.21.5.1121

9. 9. Doan-Ngoc, T-N., Dang, X-L., Chu, Q-T., Balling, R.J. and Huu, C-N. (2016) Second-order plastic-hinge analysis of planar steel frames using corotational beam-column element, Journal Of Constructional Steel Research, 121, 413-426, doi:10.1016/j.jcsr.2016.03.016
10. 10. Hoang, V-L., Dang, H-N., Jaspart, J-P. and Demonceau, J-F. (2015) An overview of the plastic-hinge analysis of 3D steel frames, Asian Pasific Journal on Computational Engineering, 2:4, doi:10.1186/s40540-015-0016-9
11. 11. Torkamani, M.A., Sönmez, M. and Cao, J. (1997) Second-order elastic plane frame analysis using finite element method, Journal of Structural Engineering, 123, 1225- 1235, doi: 10.1061/(ASCE)0733-9445(1997)123:9(1225)
12. 12. Kural, M.E. ve Zeybek, Ö. (2011) Merkezi çelik çaprazla teşkil edilmiş çok katlı çelik yapıların ikinci mertebe analizi, İstanbul Ticaret Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, Yıl: 10, Sayı: 20, 1- 14.
13. 13. Kural, M.E., Zeybek, Ö. ve Seçer, M. (2012) Çelik yapı sistemlerinde ikinci mertebe analiz yöntemlerinin incelenmesi, DEÜ Mühendislik Fakültesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 13(2), 75- 87.
14. 14. Seçer, M. (2007) Investigation of practical geometric nonlinear analysis methods for semi rigid steel plane frames, Dumlupınar Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, Sayı: 13, 97-110.
15. 15. Chan, S.L. and Chui, P.P.T. (2000) Non-Linear Static And Cyclic Analysis of Steel Frames With Semi-Rijid Connections, Elsevier Science.
16. 16. Çakıroğlu, A. ve Özer, E. (1980) Malzeme Ve Geometri Bakımından Lineer Olmayan Sistemler, Cilt 1, Matbaa Teknisyenleri Basım Evi, İstanbul.
17. 17. Moghaddam, H. and Hajirasouliha, I. (2006) An investigation on the accuracy of pushover analysis for estimating the seismic deformation of braced steel frames, Journal of Constructional Steel Research, 64(4), 343-351, doi:10.1016/j.jcsr.2005.07.009
18. 18. TBDY (2018), Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği, İç İşleri Bakanlığı, Afet ve Acil Durum Yönetimi Başkanlığı, Ankara.
19. 19. ÇYTHYDE (2018), Çelik Yapıların Tasarım, Hesap ve Yapımına Dair Esaslar, Çevre ve Şehircilik Bakanlığı, Ankara.
20. 20. DBYBHY (2007), Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik, Bayındırlık ve İskân Bakanlığı, Ankara.
21. 21. Sap 2000 V.12, CSI Analysis Reference Manual. (2009), Education Version, Berkeley, California, USA.
22. 22. Yun, X. and Gardner, L. (2017) Stress-strain curves for hot-rolled steels, Journal of Constructional Steel Research, 133, 36- 46.
23. 23. FEMA (2000), Prestandard and Commentary for Seismic Rehabilitation of Buldings, Prepared by the American Society of Civil Engineers for the Federal Emergency Management Agency, (Report No. FEMA-356), Washington, D.C.
24. 24. EN 1993-1-1 (2005), Eurocode 3: Design of Steel Structures – Part 1-1: General rules and rules for buildings, European Committee For Standardization.