Nonlinear analysis of steel frames considering lateral torsional buckling effect

Abstract

Yapı davranışının gerçeğe yakın şekilde belirlenmesinde doğrusal olmayan analiz yöntemlerinin kullanılması, son yıllarda gelişen bilgisayar teknolojileri doğrultusunda yaygın olarak tercih edilmektedir. Ancak, yapı davranışını önemli ölçüde etkileyen stabilite problemleri çoğu zaman doğrusal olmayan analizlerde ve bu analizlerin gerçekleştirilmesinde sıklıkla kullanılan bilgisayar programlarında ihmal edilmektedir. Stabilite problemlerinden biri olan yanal burulmalı burkulma davranışı da literatürde doğrusal olmayan analiz yöntemlerini kullanan birçok çalışmada bu stabilite probleminin ihmal edildiği kabulü yapılarak gerçekleştirilmiştir. Bunun sonucu olarak, yapıların davranışı gerçeğe yakın şekilde temsil edilememekte, yapıların öngörülen yük taşıma kapasitelerinden çok daha fazla yük taşıyabileceğine yönelik tasarımlar gerçekleştirilmektedir. Yapıların gerçeğe yakın davranışına ulaşılması gerekliliğinden dolayı bu çalışmada daha önce literatürde yanal burulmalı burkulma davranışını hesaplarda ihmal edildiği ve doğrusal olmayan analiz yöntemleriyle incelenen çelik çerçeveler seçilmiştir. Çelik çerçeveler yanal burulmalı burkulma etkisi hesaplarda dikkate alınarak ve alınmaksızın analiz edilerek bunun yapı davranışı üzerine etkileri gösterilmiştir. Bu analizlerin gerçekleştirilmesinde yönetmeliklerde sunulan hesap yaklaşımları kullanılmıştır. Yanal burulmalı burkulma etkisini dikkate alan analizler ilk olarak tek bir eleman üzerinde ardından çelik çerçevelerin doğrusal olmayan analiz adımlarında dikkate alınmıştır. Analiz sonuçları karşılaştırmalı olarak verilmiş ve yanal burulmalı burkulmanın yapının yük taşıma kapasitesine olan önemli etkileri gösterilmiştir. Bunun yanında, yanal burulmalı burkulmayı etkileyen farklı düzlem dışı hareketlerin önlendiği durumlar, farklı çerçeve açıklık uzunluğuna ve kat yüksekliğine sahip çelik çerçeveler incelenmiştir. Ayrıca, Çelik Yapıların Tasarım, Hesap ve Yapım Esasları ve TS 4561 standardı bu çalışmanın sonuçlarında karşılaştırılmıştır.Doğrusal olmayan analiz yöntemleri ile incelenen tüm çerçevelerde yanal burulmalı burkulmanın yapının yük taşıma kapasitesinde önemli oranda azalmaya neden olduğu görülmüştür. Ayrıca, çelik çerçevelerde oluşan plastik mafsal noktaları değişmiş ve çerçevelerin yer değiştirme kapasitelerinde yanal burulmalı burkulma etkisinden dolayı azalma olmuştur. Uygulanacak yeterli yanal desteklerle yer değiştirmelerin önlenebildiği ve sonucunda yanal burulmalı burkulma etkisinin giderilebildiği sonucuna varılmıştır. Elde edilen analiz sonuçlarına göre yanal burulmalı burkulmanın yapıların gerçek davranışının belirlenmesinde oldukça önemli olduğu ve analizlerde dikkate alınması gerektiği sonucuna varılmıştır.

The use of nonlinear analysis methods is widely preferred to determine the realistic behavior of the structures through the computer technologies developed in recent years. However, the stability problems that significantly affect the structure behavior are often neglected in nonlinear analysis and in computer programs that are frequently used to the realization of these analyses. Lateral torsional buckling behavior, which is one of the stability problems, is considered to be neglected in many studies using nonlinear analysis methods in the literature. As a result, the realistic behavior of the structures cannot be achieved, the designs are carried out that the structures can carry much more load than the foreseen load carrying capacities. Due to the necessity of achieving realistic behavior of the structures in this study, the steel frames are selected which are previously neglected in the literature for the calculation of lateral torsional buckling behavior and analyzed by nonlinear analysis methods. The steel frames are analyzed with and without considering lateral torsional buckling effect and their effect on the structure behavior are shown. Approaches presented in the regulations have been used in the analyses. The analysis taking into account the lateral torsional buckling effect is first carried out on a single element and followed by the nonlinear analysis steps of the steel frames. The results of the analysis are given comparatively and significant effects of lateral torsional buckling on the load carrying capacity of the structure have been demonstrated. Besides, out-of-plane motions are prevented by lateral supports, the frames with different frame span lengths and floor heights are also examined. Also, TSDC and TS 4561 regulations are compared in the results of this study. It has been observed that lateral torsional buckling reduces the load carrying capacity of the structures significantly in all the frames examined by the nonlinear analysis methods. Moreover, order of plastic hinge formations occurred in steel frames has changed and displacement capacities of frames have decreased because of the lateral torsional buckling effect. Horizontal displacements can be avoided with sufficient lateral support. Thus, the lateral torsional buckling effect can be eliminated. According to the obtained analysis results, it is concluded that lateral torsional buckling is very important in determining the actual behavior of the structures and that it should be taken into account in the analyses.