Investigation of orthotropic steel deck design using fem
Ortotropik çelik tabliye tasarımının sem kullanılarak incelenmesi
- Tez No: 406577
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. SERKAN BEKİROĞLU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: SEM, ortotropik çelik tabliye, karayolu köprüleri, kinematik pekleşme, süneklik, enleme kiriş, tabliye levhası, yorulma mukavemeti, boyuna nervür, gerilme analizi, tabliye üst kaplaması, bağ katmanı, Eurocode 3, FEM, orthotropic steel deck, highway bridges, kinematic hardening, ductility, cross- beam, deck plate, fatigue, logitudinal stiffener, stress analysis, wearing surface, bonding layer, Eurocode 3
- Yıl: 2015
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 140
Özet
Dünyada nicel veya nitel nedenlerden dolayı hasarlı bir çok ortotropik çelik karayolu köprüsü mevcuttur. Nicel nedenler arasında uygunsuz veya yanlış dizayn, işçilik veya malzeme kullanımı sayılırken, nitel nedenler olarak genelde trafik yükünde meydana gelen artış ve köprünün taşıyıcı sisteminin boyutlandırılması sayılır. Çoğunluğu 1960' lı yıllarda Almanya' da yapılmış olan bu köprülerde artan trafik/ taşıt yoğunluğu nedeniyle özellikle ağır taşıt şeritinde hasarlar görülmektedir. Bu çalışmada çelik karayolu köprülerinde hasar oluşumuna sebeb olan nitel nedenler konservatif statik tekerlek yükleri kullanılarak araştırılmaktadır. Araştırma esnasında köprü taşıyıcı sisteminin bir boyutu sürekli değiştirilirken diğer tüm boyutlar sabit tutulmaktadır. Bu araştırmayı yapabilmek için ortotropik çelik köprüyü oluşturan taşıyıcı elemanların her birinin boyut ve açıklıkları ANSYS- SEM (Sonlu Eleman Metodu) programında değişken olarak tanımlanmaktadır. Bunun için APDL (ANSYS Parametrik dizayn kodu) kullanılarak bir algoritma yazılmıştır. Giriş bölümünde ortotropik çelik tabliyelerin tarihsel gelişimi özetlenerek tanınmış ortotropik çelik köprülerden örnekler verilmiştir. Daha sonra, ortotropik çelik tabliyelerin genel dizaynı taşıyıcı sistem elemanlarıyla birlikte tanıtılmaktadır. En sonunda ise ortotropik çelik tabliyedeki iç kuvvet ve gerilmeleri elde etmek için kullanılan analiz metodları verilmektedir. İkinci bölümde çeliğin sünekliği, yani doğrusal olmayan malzeme davranışı (bünye deklemi) SEM ile incelenmektedir. Çeliğin sünek savranışı plastik mafsal oluşumuna sebeb olarak gerilme değerlerinin azalmasına ve yapı elemanlarının taşıma gücününartmasına neden olmaktadır. Gerilme hesaplarında çeliğin sünekliği ya hesaplarda basitleştirmeler yapılarak ya da doğrusal olmayan bünye denklemleri vasıtasıyla göz önüne alınmaktadır. Örneğin çelik kafeslerin gerilme hesabında çeliğin sünek davranışı çubukların birleşim noktalarında mafsallı oldukları varsayımıyla işlemlerin basitleştirilmesi olmaktadır. Çelik taşıyıcı sistemin bu basitleştirmeye olanak vermeyecek derecede karmaşık bir geometriye sahip olması durumunda, çeliğin sünekliğini hesaplarda göz önüne alabilmek için doğrusal olmayan bünye denklemleri doğrudan hesaplarda göz önüne alınmaktadırlar. Çelik taşıyıcı sistem elemanlarının karmaşık geometrilerini ve doğrusal olmayan malzeme davranışını gerilme hesaplarında bir arada göz önüne almak ancak SEM ile mümkün olmaktadır. Tabliye levhası, enleme kirişlerin içiden geçen boyuna nervürler, oyuk enleme kirişler, ana taşıyıcı kirişler ve yayaların geçişine olanak sağlayan köprü eklentilerinin oluşturduğu ortotropik çelik köprüler hem sünek davranış gösteren çelik malzemeden yapılmışlardır hem de karmaşık bir geometriye sahiptirler. Sonuç olarak, ortotropik çelik köprülerin gerilme hesabı çeliğin sünek davranışı nedeniyle gerilme azalması konusunu incelemek için mükemmel bir örnek teşkil etmektedir. Ortotropik çelik karayolu köprülerinin geleeksel detay ve boyutları Eurocode 3 Kısım 2 de verilmektedir. Bu çalışmanın kapsamında Eurocode 3 Kısım 2' de önerilen boyutlara ve çeliğin doğrusal olmayan malzeme davranışını temsil eden bünye denklemlerine dayanılarak köprünün bir SE- modeli hazırlanmaktadır. Süneklik nedeniyle gerilmelerde oluşan azalmanın gösterilmesi için hesaplar doğrusal ve doğrusal olmayan malzeme davranışları gözetilip tekrarlanmakta ve bulunan sonuçlar birbirleriyle karşılaştırılmaktadırlar. Bölüm 3 kapsamında ortotropik çelik tabliye kaplaması üniform yayılı yük olarak idealize edilmektedir. Ortotropik çelik köprünün boyutları Eurocode 3 Kısım 2' ye göre seçilerek köprü analizi için tasarlanmış bir SE- modeli ile incelenmiştir. Bu incelemede ortotropik çelik tabliye levhası kalınlığının 12, 14 ve 16 mm olması durumlarının sonuçlara etkileri araştırılmaktadır. Tabliye levhasının genleme değerleri üzerindeki etkisini ortaya koymak amacıyla hesap sonuçları birbirleriyle karşılaştırılarak sunulmaktadırlar. Bu genleme değerleri çelik köprünün taşıyıcı elamanlarında ortaya çıkan hasar büyüklüğünün göstergesi niteliğindedirler. Bölüm 4' de enleme kirişin gövde et kalınlığı ve açıklığının gerilme sonuçlarına etkisi araştırılmaktadır. Sonuç olarak enleme kirişin et kalınlığı ve açıklığına bağlı olarak boyutsal ve konstrüktif kurallar verilmektedir. Bölüm 5' de köprünün yorulma mukavemeti açısından hasar oluşumuna hassas dört bölgesi için yorulma ömrü hesaplanmaktadır. Bu bölgeler enleme kirişin oyulmuş kesiti, tabliye lavhasını boyuna nervüre bağlayan kaynaklar, boyuna nervürlerin kendileri ve tabliye levhasının kendisidir. En sonunda bu dört bölgenin yorulma ömürleri ve dizayn kategorilerine bağlı olarak sahip olmaları gereken boyut ve açıklıklar verilmektedir. Bölüm 6' da enleme kiriş açıklığına bağlı olarak boylama nervürlerin atalet momentleri Eurocode 3 Kısım 2' de önerildiği gibi seçilmektedir. Bu çalışmada yapılan Sonlu Eleman Analizleri (SEA) sonuçları Eurocode 3 Kısım 2' de verilen önerileri doğrulamaktadırlar. Bölüm 7' de trapez boyuna nervürlere yoğunlaşılmaktadır, çünkü trapez boyuna nervürler endüstride sıkça kullanılmaktadırlar. Trapez boyuna nervürlerin gövde eğiminin sonuçlara etkisi diğer boyutlar sabit tutularak SEM ile incelenmektedir. Sonuçlar göstermektedir ki, özellikle enleme kirişlerde ortaya çıkan gerilmeler ve tabliye levhasında gerçekleşen deplasmanlar trapez nervürlerin gövde eğimlerine bağlı olarak değişmektedirler. Bölüm 8' de tabliye levhası ve üstündeki kaplama içindeki gerilmelerdeki değişim kaplamanın elastik modulü, Poison oranı ve kalınlığına bağlı olarak incelenmektedir. Bölüm 9' da boylama nervürün genişliğinin yüksekliğine ve nervürler arası mesafenin tabliye levhası kalınlığına oranları, bu parametrelerin farklı değerleri için ortaya çıkan gerilmeler aracılığıyla incelemektedir. Bu çalışmada elde edilen sonuçlara dayanılarak trapez nervürlere sahip ortotropik çelik tabliyeler için önerilerde bulunulmaktadır. Son bölümde bulunan tüm sonuçlar belirtilerek üzerlerinde tartışılmakta ve tüm bölümlerin özeti verilmektedir.
Özet (Çeviri)
There are many orthotropic steel highway bridges in the world including damages, which are induced by either qualitative or quantitative reasons. Qualitative reasons of damages can be inadequate design, workmanship or material, whereas quantitative reasons are in general increased traffic loads and dimensions of load bearing structures. Most of these bridges especially built in Germany in 1960s show damages as a result of constantly increasing traffic density in heavy traffic lanes. In this thesis the quantitative reasons of damages in steel highway bridges will be assessed under conservative static wheel loads by changing one chosen unique dimension, while keeping other costants. So as to make this investigation possible, all dimensions and spans of orthotropic steel bridge are defined as variables in well known commercial FE- method programme ANSYS by means of APDL (Ansys Parametric Design Language). In the first introductory chapter the history of orthotropic steel deck is summarized and famous bridges possessing orthotropic steel deck are given. Afterwards, the general design of orthotropic steel deck together with its load carrying components are introduced. Finally the methods used to analyse deck structure to obtain the internal forces and stresses are briefly explained. In the second chapter, the ductility of steel ever known as non- linear material property, which causes stress relief with plastic hinge formation and increases the load carrying capacity of structures made of steel, and its contribution to stress calculations are investigated by means of Finite Element Method (FE- method). The ductility of steel is considered in stress calculations either as a simplification in calculations or directly incorporated into calculations as non- linear material property. For instance the stress calculation of truss structures is reduced in calculation of only normal forces aligned with members' direction, due to plastic hinge formations, which indeed is consequence of steel ductility. In case the form of structure composed of steel load- bearing components is complex because of geometry, not like truss members, the ductility of steel shall be taken into account by incorporating material non- linearity into stress calculations. The phenomenon, incorporating the complex geometry of steel components and material non- linearity in stress calculations can be achieved by means of FE- method. Steel orthotropic highway bridges, which are composed of deck- plate, longitudinal stiffeners going through cross – beams, cross- beams with cut- outs, main girders, bridge extensions for pedestrians, are extremely complex in geometry and are made of steel, which is ductile in nature. As a result, stress calculation of orthotropic steel bridge using FE- method is a perfect example for the investigation of ductility induced stress relief. The traditional constructional details and their dimensions of steel orthotropic highway bridges are given in Eurocode 3 Part 2. In the scope of this thesis, based on dimensions recommended in Eurocode 3 Part 2 and kinematic hardening material property of steel material, a FE- model of steel highway bridge is prepared. Results of calculations with and without material non- linearity are presented and compared with each other in order to demonstrate the decrease in stress because of steel ductility. In the scope of the third chapter wearing coarse on deck plate is considered as uniformly distributed dead load. The dimensions of steel orthotropic bridge are chosen depending on Eurocode 3 Part 2 and a FE- model of orthotropic steel highway bridge will be prepared to analyze the effect of deck plate thicknesses of 12, 14 and 16 mm. Results of calculations will be presented and compared with each other in order to demonstrate the effect of deck plate on strain amplitudes, which are indicators of damages developed in structural parts of orthotropic steel deck. In the fourth chapter, effects of cross beam web thickness and cross beam spacing on orthotropic steel bridge are assessed by means of a parameter study. Consequently, dimensional and constructional recommendations in association with cross beam thickness and spacing are presented. In the fifth chapter, fatigue lives of four fatigue sensitive structural parts of orthotropic steel bridge are calculated. These are critical section in web of cross girder due to cut- outs, weld connecting deck plate to trapezoidal rib, continuous longitudinal stringer and deck plate. Finally, required thicknesses and spacings of these structural parts depending on their fatigue lives and design categories are given. In the sixth chapter, moment of inertia of longitudinal stiffeners depending on cross- beam spacing is chosen as recommended in Eurocode 3 Part 2. The results of FE- analyses performed in this thesis state a numerical proof and validity for recommendations of Eurocode 3 Part 2 regarding longitudinal stiffener and cross beam spacing. In the seventh chapter, it is focused on trapezoidal ribs, since they are dominantly used in industry. Three different slopes of trapezoidal rib web are assessed using FE- method, while rib width, height, spacing, span and thickness are kept constant. Results show that stresses especially in cross- beam and deflections of deck plate change depending on slope of trapezoidal stiffener webs. In the eight chapter, effect of Elastic moduli, Poisson ratio and thickness of wearing surface on the stresses emerged in steel deck and wearing surface itself is investigated,while wearing surface is modeled by 3D finite elements, instead of considering as dead load. In the ninth chapter, rib width to height and rib spacing to deck plate thickness ratios are assessed by means of the stresses developed under different ratios of these parameters. Afterwards necessary FE-analyses are performed to reveal the stresses developed under different rib width to height and rib spacing to deck plate thickness ratios. Based on the results obtained in this thesis, recommendations regarding these ratios are provided for orthotropic steel deck occupying trapezoidal ribs. In the last section results and discussions obtained so far are restated and a summary of all chapters is given.
Benzer Tezler
- Use of carbon fiber layers and steel plates to repair fatigue damage at the rib-to-rib butt-welded connections of orthotropic steel deck under fatigue loading
Yorulma tipi yüklemeye maruz orthotropik çelik tabliyelerin uç uca kaynaklı boyuna kirislerindeki yorulma hasarlarının karbon fiber takabakalar ve çelik levhalarla tamiri
SAIFALDIEN SHAKIR
Doktora
İngilizce
2020
İnşaat MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ FATİH ALEMDAR
- Experimental and analytical investigation of fatigue life on trapezoidal longitudinal ribbed on steel bridge decks
Çelik köprü tabliye boyuna nervürlerinin deneysel ve analitik olarak ıncelenmesi
MOHAMMED NAJEEB ABDULGHANI ABDULGHANI
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
İnşaat MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. FATİH ALEMDAR
- Kompozit boru kesiti konfigürasyonunun ısı transferine etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of heat transfer composite pipe section configuration
GÜLHAN ÜNSAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2011
Makine MühendisliğiKırıkkale ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. M. HÜSNÜ DİRİKOLU
- Çok katlı ahşap yapıların deprem yükü altında performanslarının incelenmesi
Investigation of performances under earthquake load of of multi storey timber buildings
YUSUF GÜREL
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
İnşaat MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SERKAN BEKİROĞLU
- Ahşap yapım sistemlerinin deprem bölgeleri için potansiyellerinin incelenmesi: Katharina Av Köşkü örneği
Investigation of the potential of wooden construction systems for earthquake zones: the case of Katharina Av Köşkü
FURKAN HAYDAROĞLU