Gövde Buruşmalarının Elastik Olmayan Yanal Burkulma Sınır Uzunluğuna Etkisi

Öz

Çift simetri eksenli I-enkesitli çelik kirişlerin gövde narinlik oranları büyük olduğunda, yanal buruşmalı burkulma (YBŞB) olarak adlandırılan bir göçme şekli ortaya çıkmaktadır. YBŞB, yanal burulmalı burkulma modu ile gövde yerel burkulma modunun etkileşimi sonucu ortaya çıkan bir burkulma şeklidir. Gövde narinliği ve başlık kompaktlığı, YBŞB modu üzerinde önemli etkilere sahiptir. Bu çalışma, çift simetri eksenli I-enkesitli çelik kirişlerin inelastik YBŞB davranışlarını araştırmaktadır. Kiriş serbest açıklığı azaldıkça elastik olmayan davranışın arttığı ve gövde kesitinde (tarafsız eksen ile basınç başlığı arasındaki bölgede) akmanın başlamasıyla gövde buruşmalarının oluştuğu bilinmektedir. Özellikle inelastik davranan kirişlerde gövde buruşmaları daha sık gözlenmektedir. Bu çalışmada, farklı gövde narinliklerine sahip kesitler için Çelik Yapıların Tasarım, Hesap ve Yapım Esaslarına Dair Yönetmelikte önerilen inelastik burkulma sınır uzunluk (Lr) formülünden elde edilen analitik değerler ile sonlu elemanlar analizinden elde edilen ilgili uzunluklar karşılaştırılmıştır. Yapılan çalışma ile gövdede meydana gelen buruşmaların, kesitin inelastik davrandığı serbest uzunluk aralığını genişlettiği görülmüştür. Gövde buruşmalarının oluşmasında akmanın etkin bir parametre olduğu tespit edilmiştir. İlgili analizlerde genel olarak, YBŞB etkisiyle yönetmelik tahminlerinden daha yüksek Lr değerleri elde edilmiştir. Ancak kesitlerin gövde narinlikleri arttıkça nümerik yöntem ile belirlenen Lr değerlerinin analitik formül ile belirlenen Lr değerlerine oranı artmaktadır. Yapılan çalışma ile yürürlükte bulunan çelik yapı tasarım şartnamesine, önemli bir stabilite problemi olan YBŞB formüllerinin de dahil edilmesi gerekliliği gösterilmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Yanal buruşmalı burkulma
• yanal burulmalı burkulma
• lokal burkulma
• elastik olmayan burkulma boyu
• sonlu elemanlar modeli

Influence of Web Distortions on Inelastic Lateral Buckling Length

Öz

A critical failure mode is encountered in double symmetric steel I-beams, which is known as lateral distortional buckling (LDB), when the web slenderness ratio of the section is relatively high. LDB is a buckling mode arising through the interaction of the well-known lateral torsion buckling (LTB) and web buckling, i.e. local buckling (LB), modes. Web slenderness and flange compactness have significant effects on LDB. This study focused on the inelastic LDB behavior of doubly-symmetric steel I-beams. The inelastic behavior increases and web distortions take place with the initiation of yielding in the web (between neutral axis and compression flange) with decreasing beam length. Generally, web distortions are encountered more commonly in the inelastic range of buckling. In this study, analytical limiting unbraced length (Lr) values of the beams with different web slenderness values from the inelastic LTB (Lr) formula of the Turkish Steel Structures Design Code (TSSDC 2016) were compared to the respective finite element results. Lr values were observed to increase due to web distortions. Yielding was determined to be the most influential parameter on web distortions. As a result of LDB, numerical Lr values were higher than the respective analytical estimates from code formulations. However, as the web slenderness of the section increases, the numerical-to-analytical Lr ratio was shown to increase. The study underscored the need to include LDB formulas into the current steel structure design specifications.

Anahtar Kelimeler

• Lateral distortional buckling
• lateral torsional buckling
• local buckling
• inelastic buckling length
• finite element model

Kaynakça

1. [1] Bradford M. A. and Ronagh H. R., “Generalized elastic buckling of restrained I-beams by FEM,” Journal of Structural Engineering (J. Struct. Eng.) 123:1631-1637., (1997).
2. [2] Bradford M. A., “Inelastic distortional buckling of I-beams,” Computers & Structures (Comput. Struct.), Volume 24, Issue 6: 923-933 (1986).
3. [3] Trahair N., “Deformations of Geometrically Imperfect Beams,” Journal of the Structural Division (J. Struct. Div.) Vol. 95, Issue 7:1475-1496, (1969).
4. [4] Southwell R. V., “On the Analysis of Experimental Observations in Problems of Elastic Stability,” Proceedings of the Royal Society A Mathematical, Physical and Engineering Sciences (Proc. R. Soc. A Math. Phys. Eng. Sci.) Volume 135, Issue 828:601-616, (1932).
5. [5] Massey C., “Elastic and inelastic lateral instability of I-beams.,” The Engineer, 216:672–4., (1963).
6. [6] Trahair N. S., “Lateral–distortional buckling of monorails,” Engineering structures (Eng. Struct.), vol. 31, no. 12, pp. 2873–2879, Dec. (2009).
7. [7] Bradford M. A., “Lateral-Distortional buckling of steel I-Section members,” Journal of Constructional Steel Research (J. Constr. Steel Res.) Volume 23, Issues 1–3:97-116, (1992).
8. [8] Zirakian T. and Showkati H., “Experiments on distortional buckling of I-beams,” Journal of Structural Engineering (J. Struct. Eng.) 133:1009-1017, (2007).

9. [9] ANSI/AISC 360-10, "American Institute of Steel Construction, ANSI/AISC 360-10. Specification for Structural Steel Buildings,", (2010).
10. [10] AS4100, "Standards Association of Australia, AS 4100 steel structures." (1998).
11. [11] Pi Y. L. and Trahair N. S., “Distortion and warping at beam supports,” Center for Advanced Structural Engineering Research Report No. R790. Sydney, Australia: University of Sydney; (1999).
12. [12] Pi Y. L. and Trahair N. S., “Distortion and warping at beam supports,” Journal of Structural Engineering (J. Struct. Eng.) 126:1279-1287 New York, N.Y., (2000).
13. [13] Kalkan I. and Buyukkaragoz A., “A numerical and analytical study on distortional buckling of doubly-symmetric steel I-beams,” Journal of Constructional Steel Research (J. Constr. Steel Res.), vol. 70, pp. 289–297, Mar. (2012).
14. [14] Ellobody E., “Interaction of buckling modes in castellated steel beams,” Journal of Constructional Steel Research (J. Constr. Steel Res.), vol. 67, no. 5, pp. 814–825, May (2011).
15. [15] Nethercot D. A. and Trahair N. S., “Inelastic lateral buckling of determinate beams,” Journal of the Structural Division (ASCE J Struct Div.), 102(ST4):701–17. (1976).
16. [16] "Çelik Yapıların Tasarım, Hesap ve Yapım Esaslarına Dair Yönetmelik" (2016).
17. [17] Simulia 3DS, “Abaqus Analysis User’s Manual (version 6.12),” University of Cambridge - Faculty of Mathematics, (2015).
18. [18] ANSI/AISC 360-16, "American Institute of Steel Construction, ANSI/AISC 360-16. Specification for Structural Steel Buildings”, (2016).