Evaluation of the effects of strengthening steel beams with service hole by various methods on structural performance

Öz

In steel structures, it may be necessary to provide large openings in the beam webs, especially for plumbing transitions. However, such voids can significantly reduce the shear and moment carrying capacity of the beams and adversely affect the structural performance. Although the effects of web openings have been extensively studied in the literature, systematic and comprehensive approaches to mitigate these effects are limited. In this study, the effectiveness of different strengthening strategies to minimize the structural performance losses of an 8 m long steel beam with IPE600 cross-section and 400x700 mm plumbing openings in its web is investigated. Linear buckling and nonlinear analyses were performed on the simply supported beam modeled in accordance with Eurocode 3. The results were evaluated in terms of failure loads, moment capacities and deformation parameters. Based on these analyses, the strengthening arrangement that provides the closest results to the bearing capacity of the reference model was determined. The findings of the study indicate that structural performance can be improved by strengthening steel beams with web openings and that such optimal design approaches can be more widely used in the design process of steel structures.

Anahtar Kelimeler

• Steel beams
• Plumbing opening
• Structural reinforcement
• Structural stability
• Nonlinear analysis

Tesisat boşluklu çelik kirişlerin çeşitli yöntemlerle güçlendirilmesinin yapısal performans üzerindeki etkilerinin değerlendirilmesi

Öz

Çelik yapılarda, kiriş gövdelerine büyük boşluklar açılması, özellikle tesisat geçişleri nedeniyle gerekli olabilmektedir. Ancak, bu tür boşluklar kirişlerin kesme ve moment taşıma kapasitesini önemli ölçüde azaltarak yapısal performansı olumsuz etkileyebilir. Literatürde gövde boşluklarının etkileri geniş çapta incelenmiş olsa da bu etkileri azaltmaya yönelik sistematik ve kapsamlı yaklaşımlar sınırlıdır. Bu çalışmada, gövdesinde 400x700 mm boyutunda tesisat boşluğu açılmış IPE600 enkesitli 8 m uzunluğunda bir çelik kirişin yapısal performans kayıplarını en aza indirmek için farklı güçlendirme stratejilerinin etkinliği araştırılmıştır. Eurocode 3'e uygun şekilde modellenen basit mesnetli kiriş üzerinde lineer burkulma ve doğrusal olmayan analizler gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar, göçme yükleri, moment kapasiteleri ve şekil değiştirme parametreleri açısından değerlendirilmiştir. Bu analizler ışığında, referans modelin taşıma kapasitesine en yakın sonuçları sağlayan güçlendirme düzenlemesi belirlenmiştir. Çalışmanın bulguları, gövde boşluklu çelik kirişlerin güçlendirilmesi yoluyla yapısal performansın artırılabileceğini ve bu tür optimum tasarım yaklaşımlarının çelik yapıların tasarım süreçlerinde daha yaygın bir şekilde kullanılabileceğini göstermektedir.

Anahtar Kelimeler

• Çelik kirişler
• Tesisat boşluğu
• Yapısal takviye
• Yapısal stabilite
• Doğrusal olmayan analiz

Kaynakça

1. M. Maali and N. Çınar, Experimental and numerical tests on beams with web openings under cyclic loading, International Journal of Civil Engineering, 2024. https://doi.org/10.1007/s40999-024-01025-5.
2. F. Rodrigues, P. C. G. S. Da Vellasco, L. R. O. De Lima, S. A. L. De Andrade, and J. G. S. Da Silva, Finite element modelling of steel beams with web openings, Scientific Research Publishing Inc., vol. 6, pp. 886–913, 2014. https://doi.org/10.4236/eng.2014.613082.
3. A. K. Mata, B. S. Bhagat, and N. D. Gami, Parametric study of steel beam with web opening of different shape, size and position using finite element method, International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET), vol. 5, no. 4, pp. 3404–3408, 2018. https://www.irjet.net/archives/V5/i4/IRJET-V5I4767.pdf.
4. M. M. Abdel-Ghaffar, K. G. Metwally, and B. M. Allam, Effect of stiffening types on steel I-beams with web openings, Journal of Engineering and Applied Science, vol. 65, 2018. https://www.researchgate.net/publication/325314433.
5. G. Doğan, Berkitme levhalarının dairesel boşluklu çelik kirişlerin yük taşıma kapasitelerine etkilerinin sonlu elemanlar yöntemiyle analizi, Yüksek Lisans Tezi, Akdeniz Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Türkiye, 2021.
6. A. Al-Rifaie, A. S. Al-Husainy, T. Al-Mansoori, and A. Shubbar, Flexural impact resistance of steel beams with rectangular web openings, Case Studies in Construction Materials, vol. 14, pp. 1–6, 2021. https://doi.org/10.1016/j.cscm.2021.e00509.
7. M. F. Ertenli, I. Kalkan ve A. Büyükkaragoz, Gövde buruşmalarının elastik olmayan yanal burkulma sınır uzunluğuna etkisi. Politeknik Dergisi, 24(1), 347-354,2021. https://doi.org/10.2339/politeknik.821093.
8. J. L. Abbas, Behavior of steel I beams with web openings, Civil Engineering Journal (Iran), vol. 9, no. 3, pp. 596–617, 2023. https://doi.org/10.28991/CEJ-2023-09-03-08.

9. M. F. Ertenli, E. Erdal, A. Buyukkaragoz, I. Kalkan, C. Aksoylu, and Y. O. Özkılıç, Lateral torsional buckling of doubly-symmetric steel cellular I-beams, Steel and Composite Structures, vol. 46, no. 5, pp. 709–718, 2023. https://doi.org/10.12989/scs.2023.46.5.709.
10. R. Aydın, E. Yuksel, N. Yardımcı, M. H. Kısa and T. Gokce, In-plane behaviour of beam-to-column connections of corrugated web I-sections. Journal of Constructional Steel Research, 100, 183-196, 2014. https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2014.04.013.
11. K. F. Chung, T. C. H. Liu and A. C. H. Ko, Investigation on vierendeel mechanism in steel beams with circular web openings. Journal of Constructional steel research, 57(5), 467-490, 2001. https://doi.org/10.1016/S0143-974X(00)00035-3.
12. K. F. Chung, C. H. Liu and A. C. H. Ko, Steel beams with large web openings of various shapes and sizes: an empirical design method using a generalised moment-shear interaction curve, Journal of Constructional Steel Research, 59(9), 1177-1200, 2003. https://doi.org/10.1016/S0143-974X(03)00029-4.
13. K. D. Tsavdaridis and C. D'Mello, Web buckling study of the behaviour and strength of perforated steel beams with different novel web opening shapes. Journal of Constructional Steel Research, 67(10), 1605-1620, 2011. https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2011.04.004.
14. A. Z., Abidin and B. A. Izzuddin, Meshless local buckling analysis of steel beams with irregular web openings, Engineering Structures, 50, 197-206, 2013. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2012.10.006.
15. IDEA StatiCa, Structural Design Software for Steel and Concrete (24.1.1.1474), 2025. www.ideastatica.com.
16. Eurocode 3, Design of Steel Structures, 2005. https://eurocodes.jrc.ec.europa.eu/EN-Eurocodes/eurocode-3-design-steel-structures.