A Comparison of design methods in multi-story large span steel structures

Abstract

ÖZET Bu çalışma, çok katlı bir çelik yapının plastik ve plastik- komposit dizayn metodlarınm birbiri ve geleneksel elastik dizayn metodu ile karşılaştırılmasını sağlamak amacı ile yapılmıştır. İncelenen yapı 16 metre yüksekliğinde olup, beş kattan ve birbirini 4'er metre aralıklarla izleyen onrijid çerçeveden oluşmaktadır. Her çerçeve ise 12 'ör metre açıklığında üç gözden oluşmuştur. Yapının I. derece deprem bölgesinde bulunduğu ve sert kil zemin üzerine inşa edileceği kabul edilmiştir. Malzeme olarak St 37 yapı çeliği ve B.225 betonu seçilmiştir. Yapının T. S. 498'e göre yapılan elastik hesabında sis tem düşey yükler altında enine doğrultuda, Wang tarafından geliştirilmiş bilgisayar programı kullanılarak, Cross metodu ile., kat çerçeveleri olarak : çözülmüş, boyuna doğrultuda ise sürekli kiriş olarak boyutlandırılmıştır.Deprem yükü rüzgâr yüküne göre daha elverişsiz olduğundan yatay yük olarak kabul edilmiş ve bu yük enine ve boyuna doğrultuda yerleştirilen düşey kafes sistemlerine dağıtılmıştır.Düşey kafes sistemlerinin yerinin ve sayısının uygun olarak belirlenmesi sayesinde kolonlara fazla yük gelmesinden, dolayısıyle büyük kesit ve takviyeden kaçınılmıştır. Yatay yükün kafes sistemlere dağıtımından sonra, her çerçevede düşey yükleme sonucu boyutlanan ancak yatay yük durumunda yetersiz görülen kolon ve kiriş kesitleri takviye edilmiştir. Kolon kesitleri IPB, kiriş kesitleri I, kafes diagonallerinin kesitleri t ve I, seçilerek, birleşim elemanı olarak kaynağa oranla maliyet tasarrufu sağlayan ön gerilmeli bulan kullanılmıştır. Yapının T. S. 4561 'e dayanan plastik hesabında ağırlık türünde sabit yükler 1.70, haraketli yükler ve deprem yükü ise 1.50 katsayısıyla arttırılmıştır. Yatay yük, düşey kafes sistemlere aktarılarak, yapının yanal deplasmanları önlenmiş olduğundan yalnızca kirişlerde plastik hesap gözönüne alınmıştır. Plastik hesapta mekanizma metodu kullanılarak enine doğrultudaki kat çerçevelerinde ve boyuna doğrultudaki sürekli kirişlerde mümkün olabilecek tüm yıkılma mekanizmaları incelenmiş ve kritik mekanizma durumunun enine doğrultu için, her açıklığın iki ucu ve ortasında plastik mafsal oluşumunu içeren, bağımsız yıkılma mekanizmalarından meydana geldiği saptanmıştır. Hesap sonunda daha küçük kiriş kesitlerinin elde edilmesi; plastik dizayn yönteminin akışkan malzemelerde, elastik limit üzerinde bulunan büyük ölçüdeki rezerve yük- taşıma kapasitesinin kullanılması prensibine dayanmasıdır. Yapının plastik komposit dizayn ile karşılaştırılacak ikinci plastik çözümünde ise kolaylık sağlanması amacı ileXI sistem enine doğrultuda da sürekli kiriş olarak ele alınmış, boyuna doğrultuda ise ilk plastik dizaynla belirlenmiş sürekli kiriş kesitleri kullanılmıştır. Yapının komposit dizaynında ise, komposit geniş açıklıklı çerçeve ve sürekli, kirişler için ideal çözüm olarak belirlenen; çelik yapılar için geliştirilmiş plastik metod ile kesitin maximum taşıma gücünün bulunmasını sağlayan basit kuralların birleştiriminden oluşan metod kullanılmıştır. Negatif moment bölgelerinde, komposit kiriş kesit hesapları, davranış benzerliğinden ötürü, çekme donatılı betonarme T kirişi hesaplarına benzer olarak yapılmıştır. Çelik ve betonun birlikte çalışmasını sağlayan kayma bağlantılarının taşıma gücünün hesabı ise beton basınç mukavemeti, basınç yüzeyi şekli ve makaslama eğilme dayanımına bağlı olarak bulunmuş tur. Plastik dizayn incelemelerinde momentin, elemanda ye terli sayıda plastik mafsal oluşarak, yıkılma mekanizması meydana gelinceye kadar süren daha az gerilmeye maruz (akma gerilmesine ulaşmamış) kesitlere dağılması işleminin özellikle kirişlerde oluştuğu, buna karşılık özellikle simetrik çerçevelerde kesme kuvvetinin bu şekilde yeniden dağılımının olmadığı görülmüştür. Bu durum kayma bağlantılarının yer- leştiriminde esas alınarak, bağlantıların moment sıfır ve moment extremum noktaları arasına eşit mesafelerle yerleş tir imi uygun görülmüştür. Bu çözümde bulunan kiriş kesitlerinin, elastik ve ikinci plastik çözümle elde edilmiş kesitlere oranla hem daha küçük olması, hem de sehimden ötürü arttırılmaması, betonarma döşemeyi ağırlık yükü ol maktan çıkarıp, çelikle beraber sabit ve hareketli yüklereXll karşı çalışmasını sağlayan komposit çözümün büyük yükler altında, geniş açıklıkları sehim problemi olmaksızın aşma sından kaynaklanmaktadır. Sistemi enine doğrultuda kat çerçevesi olarak ele alan plastik çözümle bulunan kesitlerin, komposit çözüme göre daha küçük kesitler vermesi yanıltıcı olmakla beraber, çok katlı binaların kat çerçeveleri olarak ele alınmasının hem daha doğru bir yaklaşım, hem de ekonomik çözüm olduğunu göstermektedir. Çalışmanın son bölümünde bulgular, ilgili çözüm yöntemler için gerekli çelik malzeme ağırlığı olarak değerlendirilmiş ve incelenen yapıyla benzer özelliklere sahip, inşaat mühendisliği uygulamalarında büyük yer tutan endüstri yapıları ve otopark binalarının en ekonomik çözümü hakkında fikir verilmiştir.

ABSTRACT The purpose of this study is to provide a comparison of plastic and plastic composite methods of design both with each other and with older methods for the design of multi storey framed building structures. The structure to be investigated was chosen as a 16 m. high, five-storey, three-span building consisting of ten rigid frames each 4 m. apart. Each span is 12 m wide. The building site was assumed to be in earthquake zone classification I and to be constructed on a base soil consisting of stiff clay. B 225 concrete and ST 37 structural steel was used as construction materials. In elastic design, based on TS 498, the structure was investigated under vertical loading as a rigid frame in the transverse direction using a moment and shear distribution computer program for multi-storey frames developed by Wang (1966) and as continuous beams in the longitudinal direction. Since it was found out that earthquake loading was more critical than wind, earthquake loads were distributed to vertical bracing trusses placed both in transverse andVI longitudinal directions.. By appropriate arrangement of these trusses, it was possible to avoid excessive loading of columns^ and therefore, unnecessarily large sections or stiff ener plates. Following distribution of lateral loads in to ver tical) bracing trusses, insufficient column and beam sections were stiffened in every frame in accordance to their respective lateral loading conditions. IPB sections in columns, I sections in beams, £ and L. sections in diagonals of the vertical? 'bracing trusses were chosen, and high-strength bolts were used in connections, which are a much more economical alternative to welding. In plastic design based on TS 4561, dead loads were increased by a factor of 1.70, live loads and earthquake loading was increased by a factor of 1.50. Since lateral displacements of the structure were prevented due to the presence of vertical bracing trusses, plastic design was applied only for the beams. The mechanism method of plastic design was used and all possible failure mechanisms in both the transverse stories and longitudinal continuous beams were investigated. The critical mechanism was found to consist of the independent collapse of each of the beams, with hinges at both ends and at midspan. The fact that shallower sections were established in the end of the design shows that plastic design utilizes a considerable reserve of load-carrying capacity present beyond the elastic limit in ductile materials.vıı In the second plastic design solution of. the structure to be compared with plastic composite design results, the system was assumed for simplicity to consist of continuous beams in the transverse direction also, and beam sections found in the first plastic design solution were used again in the longitudinal direction. The ideal design method for a continuous composite beam frame with wide spans would be the plastic design met hod for steel structures, combined with simple, rules for finding the ultimate moment of resistance of a cross-section. The design of reinforced concrete T-beams is simplified by assuming an effective width for the compression flange, and it is convenient to use the same method in the negative mo ment region for composite beams. Ultimate strength calculation of the shear connectors which provide the single unit action of concrete and steel was accomplished depending on the compression strength of concrete, the compressive stress distribution, and the resistance to shearing action of the keys. Plastic design analysis had shown that extensive redistribution of bending moment would occur in the beams as the load was increased from the working to the ultimate value. In symmetrical frames, there was no corresponding redistribution of shear force. It was therefore possible to design the shear connectors in equal intervals between zero and maximum moment points. The fact that shallower sections were established in com parison to both elastic and plastic methods of design, andviii that no stiffening due to deflection was necessary shows the advantages of the composite solution in utilizing the concrete slabs to work together with the steel beams in carrying their corresponding dead and live loads and in passing wide spans carrying large loads with no deflection problems.Even though the fact that the first plastic design solution based on taking the structure into consideration as a frame in the transverse direction gives shallower sections than the plastic composite design solution is misleading, this fact shows that investigating multi-storey building structures as a frame instead of seperate continuous beams leads to a more accurate and economical solution. In the last stage of the study, results for all design methods were evaluated in terms of corresponding total over all steel weights of the structure, and principles applicable to similar multi-storey, wide-span building structures such as industrial or multi-storey parking buildings were de veloped.