Yanal Burulmalı Burkulma için Tanımlanan Elastik ve Plastik Sınır Uzunluklarına Gövde Buruşmasının Etkisinin Gövde Şekil Değiştirme Sonuçları ile Tahmini

Bu çalışmada, çelik kirişlerdeki gövde buruşmasının Amerikan çelik yapılar yönetmeliğinde yanal burulmalı burkulma için verilen elastik (Lr) ve plastik (Lp) sınır serbest boyları üzerine olan etkisinin tahmin edilmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla, ABAQUS sonlu elemanlar (FE) programı kullanılarak yapılan burkulma analizlerinde W44x335 kirişi göz önüne alınmıştır. Kirişin orta açıklığında bulunan gövde kesitinin ortasındaki şekil değiştirme değerleri kritik kontrol parametreleri olarak dikkate alınmıştır. Kiriş serbest açıklığı (L) elastik burkulma için önerilen sınır değere (Lr) eşit olduğunda, gövde de elde edilen şekil değiştirme değerinin akma şekil değiştirmesinden oldukça büyük olduğu görülmüştür. Bu nedenle, elastik burkulma için (Lr) sınır uzunluğunun yönetmeliğin önerdiği değerden daha büyük dikkate alınmasının gerekliliği ortaya konulmuştur. Kesitin gövdede maksimum şekil değiştirme değerine kiriş serbest açıklığının (L) plastik burkulma için önerilen sınır değere (Lp) eşit olmadan önce ulaştığı sonucuna varılmıştır. Bu sebeple, yönetmeliğin plastik burkulma için önerdiği uzunluğun (Lp) sonlu elemanlar analizi ile elde edilen uzunluk değerinden çok daha küçük olacağı tahmin edilmiştir. Bu sonuçlar, yönetmeliğin yanal burulmalı burkulma için önerdiği sınır değer formüllerinde, kesitin burulma ve çarpılma rijitliklerinde azalmaya sebep vereceği tahmin edilen gövde buruşmasını dikkate almadığını göstermiştir. Yapılan çalışma ile yönetmelikte bulunan farklı kesitler ve serbest açıklıklar için daha fazla nümerik analizler yapılarak bir azaltma katsayısının belirlenmesi önerilmiştir.

Anahtar Kelimeler:

Gövde buruşması, yanal burulmalı burkulma, elastik ve plastik sınır uzunluk, sonlu elemanlar yöntemi

Estimation of Web Distortion Effect on the Elastic and Plastic Limiting Lengths for Lateral Torsional Buckling through the Web Strain Results

The present study is aimed to estimate the influence of the web distortion on the elastic (Lr) and plastic (Lp) limiting lengths given in the American Institute of Steel Construction (AISC code) for the lateral torsional buckling behavior of steel beams. For this aim, the W44x335 beam is adopted in the buckling analyses carried out by the ABAQUS finite element (FE) program. The strain results at mid-height of the web at mid-span of the beam are taken into account as monitoring parameters. The web strain results are found highly greater than the yield strain value when L/Lr is equal to 1.0. Hence, the elastic limiting length (Lr) is required to be considered greater than the calculated length as per the code formulation. The section is obtained to reach the maximum strain value at the web before the unbraced length (L) is equal to the plastic limiting length (Lp). Therefore, the calculated Lp is estimated with the given analytical formulation to be highly shorter than the length through the FE analysis. These outcomes prove that the formulations of the limiting lengths proposed in the AISC code don’t consider the influence of the web distortion that is predicted to lead to reducing the torsional and warping rigidity of the section. With the study, it is proposed to determine a reduction coefficient by performing more numerical analyzes for different cross sections and free openings in the regulation.

Keywords:

Web distortion, lateral torsional buckling, elastic and plastic limiting length, finite element method,

PDF

___

[1] Timoshenko S.P. and Gere J.M., “Theory Of Elastic Stability”, McGraw-Hill Inc., (1961).
[2] Nethercot D.A. and Rockey, K.C. “A unified approach to the elastic lateral buckling of beams”, Engineering Journal, American Institute of Steel Construction, 9: 96-107, (1972).
[3] Galambos T.V. “Guide to Stability Design Criteria For Metal Structures”, John Wiley & Sons, (1998).
[4] AISC, “Steel Construction Manual”, American Institute of Steel Construction, Chicago, Illinois, US, (2005).
[5] Eurocode-3(EC3), “EN 1993-1-1: Design Of Steel Structures-Part 1-1: General Rules and Rules for Buildings”, European Committee for Standardization, Brussels, Belgium, (2005).
[6] AS4100, “Steel Structures”, Standards Association of Australia, Sydney, Australia, (1998).
[7] Baˇzant Z.P. and Cedolin L., “Stability of Structures—Elastic, Inelastic, Fracture and Damage Theories”, Oxford University Press, New York, USA, (1991).
[8] Trahair, N.S., “Flexural-Torsional Buckling of Structures”, CRC Press, Boca Raton, FL, (1993).
[9] Simitses G.J. and Hodges D.H., “Fundamentals of Structural Stability”, Elsevier, Amsterdam, (2006).
[10] Galambos T.V. and Surovek A.E., “Structural Stability of Steel, Concepts and Applications for Structural Engineers”, Wiley, New York. USA, (2008).
[11] Kalkan I. and Buyukkaragoz A., “A numerical and analytical study on distortional buckling of doubly-symmetric steel I-beams”, Journal of Constructional Steel Research, 70: 289-297, (2012).
[12] Dahmani L. and Boudjemia A., “Lateral torsional buckling response of steel beam with different boundary conditions and loading”, Strength of Materials, 46: 429-432, (2014).
[13] Aydin R., Gunaydin A. and Kirac N., “On the evaluation of critical lateral buckling loads of prismatic steel beams”, Steel and Composite Structures, 18: 603-621, (2015).
[14] Kala Z. and Valeš J., “Global sensitivity analysis of lateral-torsional buckling resistance based on finite element simulations”, Engineering Structures, 134: 37-47, (2017).
[15] Bas S., “Lateral torsional buckling of steel I-beams: effect of initial geometric imperfection”, Steel and Composite Structures, 30: 483-492, (2019).
[16] ABAQUS, “Standard user’s manual”, Dassault Systèmes, Waltham, MA, USA, (2018).
[17] Zirakian T. and Showkati H., “Experiments on distortional buckling of I-beams”, Journal of Structural Engineering (ASCE), 133:1009–17, (2007)