Investigation of Mechanical Behavior of Steel Column Base Plates

Abstract

Major earthquakes in the world led engineers and scientists to work on the connections of steel structures. Since the capacities of the connections, which are one of the important components of a steel structure, significantly affect the capacity of the entire structure, scientists are trying to design new connections and determine the limit states of these connections. At this point, column-base plate connections, which are an interface between reinforced concrete foundation and column, are of great importance in steel structures. In this study, the connections designed using base plates with different thicknesses, different numbers of anchor rods and different column types are analyzed under static loads, and comparative results are introduced in terms of stress and deformations occurred on the connection components. Analyzes were performed using ANSYS, a finite element software that is frequently used in engineering disciplines. The results obtained are interpreted and the advantages and disadvantages of the different types of column base plate connections are revealed. The results of the research show that the thickness of the baseplate used in the connection has a significant effect on the total deformation and stresses on the connection and its components. In addition, it has been determined that the number of anchor rods used in the base-plate connections affects the deformation and stresses. It has been observed that the total rigidity of the connections has a dominant role in the mechanical behavior of the joints.

Keywords

• Finite element method
• Column base plates
• Steel connections

Çelik Kolon Taban Levhalarının Mekanik Davranışlarının İncelenmesi

Abstract

Dünyada meydana gelen büyük depremler, mühendisleri ve bilim adamlarını çelik yapıların birleşimleri üzerinde çalışmaya yönlendirmiştir. Bir çelik yapının önemli bileşenlerinden olan birleşimlerinin kapasiteleri, bütün yapının kapasitesini önemli ölçüde etkilediğinden, bilim adamları yeni birleşimler tasarlamaya ve bu birleşimlerin limit durumlarını belirlemeye çalışmaktadırlar. Bu noktada, betonarme temel ile kolon arasında bir arayüz olan kolon-taban levhası birleşimleri çelik yapılarda büyük önem taşımaktadır. Bu çalışmada, farklı kalınlıklara sahip taban levhaları, farklı sayıda ankraj çubukları ve farklı kolon tiplerinden oluşturulan birleşimler statik yükler altında analiz edilerek, birleşim elemanlarında oluşan gerilme ve deformasyonlar karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Analizler, mühendislik disiplinlerinde sıklıkla başvurulan bir sonlu elemanlar yazılımı olan ANSYS kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlar yorumlanarak, farklı kolon taban levhası birleşimlerinin birbirine göre avantaj ve dezavantajları ortaya konulmuştur. Araştırma sonuçları, birleşimde kullanılan taban levhası kalınlığının, birleşim ve elemanları üzerinde ortaya çıkan toplam deformasyon ve gerilmeler üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğunu göstermiştir. Ayrıca, birleşimlerde kullanılan ankraj çubuğu sayısının da deformasyon ve gerilmeleri etkilediği tespit edilmiştir. Birleşimlerin mekanik davranışlarında, birleşimin toplam rijitliğinin baskın bir role sahip olduğu gözlenmiştir.

Keywords

• Sonlu elemanlar metodu
• Kolon taban levhası
• Çelik birleşimler

References

1. J. Jin and S. El-Tawil, "Seismic performance of steel frames with reduced beam section connections," Journal of Constructional Steel Research, vol. 61, no. 4, pp. 453-471, 2005.
2. J. Ocel et al., "Steel beam-column connections using shape memory alloys," Journal of Structural Engineering, vol. 130, no. 5, pp. 732-740, 2004.
3. J. Shen, T. A. Sabol, B. Akbas, N. Sutchiewcharn, and W. Cai, "Seismic demand on column splices in steel moment frames," Engineering Journal-Chicago, vol. 47, no. 4, p. 223, 2010.
4. P. Hussein, "Çelik yapılarda kullanılan kolon taban levhalarının analitik olarak incelenmesi," Yüksek Lisans, Selçuk Üniversitesi, 2015.
5. URL-1. (10.07.2020). [Online]. Available: https://insapedia.com/celik-yapilarda-kolon-ayaklari-temel-kolon-birlesimleri/.
6. H. Deren, E. Uzgider, F. Piroğlu, and Ö. Çağlayan, Çelik Yapılar. İstanbul: Çağlayan Kitabevi, 2012.
7. Y. Odabaşı, Ahşap ve Çelik Yapı Elemanları. İstanbul: Beta Basım Yayım Dağıtım AŞ., 1997.
8. A. Kanvinde, D. Grilli, and F. Zareian, "Rotational stiffness of exposed column base connections: Experiments and analytical models," Journal of structural engineering, vol. 138, no. 5, pp. 549-560, 2012.

9. V.-E. Rosca, E.-C. Teleman, E. Axinte, and G. Baetu, "Design of steel column base connections for large eccentricities," Buletinul Institutului Politehnic din lasi. Sectia Constructii, Arhitectura, vol. 59, no. 6, p. 137, 2013.
10. O. Civelek, "Süneklik Düzeyi Yüksek Çok Katlı Bir Çelik Yapının Tasarımı," Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul., 2010.
11. J. Fisher and L. Kloiber, "Base plate and anchor rod design, Steel Design Guide Series 1, American Institute of Steel Construction," Inc., Chicago, 2006.
12. J. Pertold, R. Xiao, and F. Wald, "Embedded steel column bases: I. Experiments and numerical simulation," Journal of constructional steel research, vol. 56, no. 3, pp. 253-270, 2000.
13. J. Pertold, R. Xiao, and F. Wald, "Embedded steel column bases: II. Design model proposal," Journal of Constructional Steel Research, vol. 56, no. 3, pp. 271-286, 2000.
14. S. Adany, L. Calado, and K. Dunai, "Experimental studies on cyclic behavior modes of base-plate connections," in Proceedings of the Third International Conference on the Behavior of Steel Structures in Seismic Areas (STESSA 2000), Montreal, Canada, 2000, pp. 97-104.
15. P. M. Amaral, "Steel column bases under biaxial loading conditions," 2014.
16. A. Astaneh-Asl and G. Bergsma, "Cyclic behavior and seismic design of steel base plates," in Structural Engineering in Natural Hazards Mitigation, 1993: ASCE, pp. 409-414.
17. J. Borzouie, G. MacRae, J. Chase, and C. Clifton, "Experimental studies on cyclic behaviour of steel base plate connections considering anchor bolts post tensioning," 2014.
18. ANSYS. (2018). Engineering Simulation & 3D Design Software. [Online]. Available: https://www.ansys.com/.
19. I. Computers and Structures. (2018). Structural and Earthquake Engineering Programme. [Online]. Available: https://www.csiamerica.com/, Accessed on: 01.01.2018.
20. Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik, 2007.
21. S. Sozen and M. Guler, "Determination of displacement distributions in bolted steel tension elements using digital image techniques," Optics and lasers in engineering, vol. 49, no. 12, pp. 1428-1435, 2011.
22. Z. Ü. Aslan, "Mevcut Çok Katlı Betonarme Bir Yapının Çok Katlı Çelik Yapı Olarak Tasarlanması ve Maliyetlerinin Karşılaştırılması: Tokat Ahi Evleri Örneği," Yüksek Lisans Tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Gaziosmanpaşa Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Tokat., 2015.