The effects of moisture content and load duration on the behaviour of glued laminated timber three-pinned portal frames with tapered members
Rutubetin ve yük etki süresinin değişken kesitli, üç mafsalli tutkalli lamine ahşap çerçevenin davranişina etkisi
- Tez No: 786291
- Danışmanlar: PROF. DR. GÜLİZ BAYRAMOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 93
Özet
1900'lerin başları, yapıştırılmış lamine ahşabın uzun tarihinin başlangıcıdır. Tutkallı lamine ahşap için inşaat yöntemi patenti ilk olarak İsviçre'de alındı. O zamandan beri, laminasyon teknikleri, yapışkan özellikleri ve üretim tesisleri gelişti ve bu, yapıştırılmış lamine ahşabın Dünya'ya yayılmasına yardımcı oldu. Tutkallı lamine ahşap, yapısal yapıştırıcılarla birbirine paralel iki veya daha fazla işlenmiş kereste katmanından oluşan, mühendislikte ortotropik malzeme olarak kullanılmakta olan yapısal bir malzemedir. Malzemenin mukavemeti ve sertliği, malzemenin yönüne ve bununla ilgili yükleme yönüne göre değişmektedir. Ahşabın kullanımının artması için birçok motivasyon vardır; daha kolay inşa edilebilirlik sağlayan hafif bir yapı malzemesi olması, hafif kütlesi nedeniyle daha az sismik yük gerçekleşmesi, karbon deposu görevi görerek karbon emisyonunu azaltan sürdürülebilir bir malzeme olması gibi. Bunlarla sınırlı olmamak üzere ahşap aynı zamanda yangın durumunda yavaş yanma ve öngörülebilir olması ile de dikkat çeken yangın performansı yüksek bir yapı malzemesidir. En yaygın tutkallı lamine ahşap yapılarından biri olan üç mafsallı moment çerçevesi bu tezin konusunu oluşturmaktadır. Tez, tutkallı lamine ahşabın nem, yük etki süresi ve kullanım sınıflarının üç mafsallı portal çerçeve elemanı üzerindeki etkisini ve yapıştırılmış lamine ahşap malzemenin yapısal davranışını anlamayı amaçlamaktadır. Çerçeve açıklıkları ve aralıkları, yaygın olarak kullanılan yapı malzemeleri dikkate alınarak seçilmiştir. Bu nedenle dikkate alınan mukavemet sınıfları; GL24, GL28, GL30 ve GL32. Analiz için tüm kullanım sınıfları ve uygulanabilir yük etki süreleri dikkate alınmıştır. Simetrik üç mafsallı portal çerçevesi, varsayılan 5 m çerçeve aralıkları ve 24 m açıklıkla tasarlanmıştır. Moment çerçevesinin boyut tasarımı, maksimum kapasitesi kullanımında analiz etmek için, en kritik malzeme, yükleme süresi ve kullanım sınıfı olan GL24 sınıfı ahşap, orta süreli yükleme ve kullanım sınıfı 3 olan değişkenlere göre belirlenmiştir ve kapasite kullanımı 1 de olacak şekilde boyutlandırılmıştır. Tüm kullanım sınıflarının üçü de bu çalışmaya dahil edilmiştir. Ancak, beş yük etki süresinden sadece ikisi dahil edilebilmiştir. Yük etki süreleri ise yük tipine ve birikmiş yük süresi aralığına göre EC5'te belirtilmiştir. Bu çalışma için, farklı yük etki sürelerine sahip olabilecek tek yük türü, orta ve kısa süreli yük etki süreleri olan kardır. Kullanım sınıfları, malzemenin nem içeriğine ve çevredeki ortamın nemine bağlı olarak 1 ile 3 arasında değişmektedir be ve nem içeriğinin yüksek olduğu yerlerde kullanım sınıfı daha yüksektir (British Standards Institution, 2004). Tutkallı lamine ahşap elemanların analiz ve tasarımı Eurocode standartlarına göre yapılmış olup, coğrafi bilginin gerekli olduğu ancak mevcut olmadığı durumlarda Türk standartları da dikkate alınmıştır. Bu nedenle, EC1-Bölüm 1.3' te Türkiye ayrıntılarının bulunmaması nedeniyle, karakteristik kar yükü TSE 498'den (Turkish Standards Institution, 1997) alınmıştır. Deprem yük analizi, EC8 spektral tip 1'e (yüksek sismik sınıfı) göre yapılmış ve yapının zemin ve deprem bölgesi parametreleri Türkiye Marmara bölgesindeki konumuna göre seçilmiştir. Referans pik yer ivmesi, Türkiye 475 dönüş periyodu sismik haritasından (TMMOB Chamber of Geology Engineers, 2022) alınmıştır. Sap2000 modelinde yatay deformasyonu belirlemek için kolonların tepesine toplam 1 kN yatay fiktif yük uygulanmış ve ilk olarak Rayleigh yöntemi ile yapının doğal titreşimin periyodu (T¬1) hesaplanmıştır. Ek olarak, T1 periyodu, sonuçları karşılaştırmak için SAP2000 modal spektrum analizi ile de bulunmuş ve karşılaştırılmıştır. Her iki sonucun da çok az farklı olduğu ve her ikisinin de TB ile TC arasında olduğu görülmüştür. Böylece taban kesme kuvveti, birinci periyoda ve tasarım spektrumunun ordinatına (Sd(T)) göre bulunmuştur. Bu tez çalışması, 2 boyutlu SAP2000 analizi, AutoCAD, TEDDS for Word ve MS Office programları ile çalışılmıştır. SAP2000'de EC0 ve EC5'e göre belirtilen yükleme ve kombinasyonlarla birlikte çerçeve elemanları, bağlantı serbestlikleri ve malzeme özellikleri atanmıştır. SAP2000 programı analiz sonucu olarak, moment, kesme ve eksenel kuvvet diyagramlarını sağladı. Kapasite kullanımı 1'de boyutlandırmaya göre, değişken kesitli kirişler ve kolonlar; kirişlerin enine kesitleri mahyadan diğer uca 0.4 m' den 1.225 m' ye ve kolonların mafsal uçtan diğer uca 0.5 m'den 1.3 m' ye artmaktadır. Kiriş ve kolon kesitlerinin genişlikleri de 0.25 m'dir. Detaylar 4. bölümde çizimlerle birlikte verilmiştir. Farklı yükleme ve farklı malzeme dayanımları altında kiriş ve kolon tasarımı için birden fazla analiz yapmak üzere, TEDDS programı ile hesaplama tablosu hazırlanmıştır. Bu formül sayfalarında, en kritik taşıma sınır durumu ve kullanılılabilirlik sınır durumu kombinasyonları dikkate alınmıştır. Sonuç olarak, taşıma kullanım sınıfının kritik olan kombinasyounun kiriş ve kolonlar içinde 1.35G + 1.5S olduğu görülmüştür. Kullanılılabilirlik sınır durumu için ise; düşey yerdeğiştirme için G + S olduğu, yatay yer yerdeğiştirme için G + W olduğu gözlenmiştir. Kapasite kullanım sonuçları, başlangıçta malzeme dayanım sınıfı, kullanım sınıfı ve kritik kesitin kiriş mi kolon mu olduğuna göre MS Excel ile toplanmış ve grafikler ile çizilmiştir. Bu grafiklerin yorumlarına sonuç kısmında yer verilmiştir. Sonuçların yorumlanması, dikkate alınan tüm materyaller için taşıma sınır durumu ve kullanılılabilirlik sınır durumu için ayrı ayrı yapılmıştır. Ek olarak, GL24 sınıfı malzeme için bir grafıkte taşıma sınır durumu ve kullanılılabilirlik sınır durumu ile sunulmuştur. GL24 malzemesinin hem kiriş hem de kolon için birleştirilmiş sınır durumları karşılaştırma grafikleri, taşıma sınır durumunun kullanılılabilirlik sınır durumundan %40'tan fazla bir farka sahip oldugunu göstermektedir. Genel karşılaştırma yapıldığında, 1 kapasite kullanımıyla, kolona kıyasla kirişin mukavemeti kritik olduğu görülmektedir. 1 kapasitede tasarım varsayımları; kullanım sınıfı 3, GL24 malzeme ve kar yükü yük etki süre sınıfı orta vadelidir. Ayrıca, çalışma sonucunda gürülmüştür ki, kolonların stabilite kapasitesi kritik iken, kirişlerin ise gerilme kapasitesi kritiktir. Ayrıca, aynı kmod katsayısı dolayısı ile kullanım sınıfları 1 ve 2'nin taşıma gücü kapasite kullanımının farklı yük etki süre sınıflarına göre eşit olduğunu, ancak bunun, kullanım sınıfı 3 için farklı olduğu görülebilir. Ayrıca, ekonomik çözümler için kiriş ve kolonların dayanım sınıflarının farklı seçilebileceği, çünkü kolonların kullanımının her zaman kirişlerin kullanımından daha az olduğu belirtilmiştir. Kullanılabilirlik sınır durumu, moment çerçeveleri düşey ve yatay yer değiştirme sınırlamalarına göre hesaplanmıştır. Sınırlama değerlendirmesi sırasında, portal çerçevesinin vince sahip olmadığı ve esnek olmayan, kırılgan parçaları destekleyebilecek bir çatı olduğu varsayımı yapılmıştır (Steel Construction Institute, 2006). Bulgulardan biri, dikey ve yatay sapmalar arasındaki kapasite kullanım farkının, bu sınır durumda yuksek olmasıdır. Dikey yer değiştirmenin yatay yerdegiştirmelerden daha kritik olduğunu gösterir. En yuksek düşey yer değiştirme kapasite kullanımı 0.524 iken, yatay yer değiştirme için 0.19 dir. Ek olarak, portal çerçevesinin düşey yerdeğiştermesi ani sehimde kritik iken, yatay deplasmanı nihai deformasyon ile yönetilir. Bundan dolayı kullanım sınıfları ve nem içerik etkisi düşey deplasman kullanılabilirlik sınır durumunda gözlenemez. Bu sonuçlar tasarımın daha efektif olmasını sağlayacak şekilde ileriki tasarımlarda kullanılabilir.
Özet (Çeviri)
The early 1900s were the beginning of the lengthy history of glued laminated timber's patent of the construction method was taken in Switzerland. Since then, the technics of lamination, adhesive properties and manufacturing facilities have developed, and this helped glued laminated timber to spread around the World. Glued laminated timber, which is usually treated as an orthotropic material in engineering (Mascia & Lahr, 2006), is made of two or more layers of processed lumbers parallel to each other with structural adhesives. The material's strength and stiffness differ based on the direction of the material and the direction of the loading therewithal. There are many motivations to increase the usage of timber, which are included but not limited to: being a light structural material that provides easier constructability, less seismic load due to light mass, reducing carbon emission by acting as a carbon store, being sustainable material, performing slow burn and being predictable during fire and more. The three-pinned portal frame, one of the most common glued laminated timber structures, is the subject of this thesis. The thesis aims to understand the effect of the moisture, load duration and the service classes of the glued laminated timber on three pinned portal frame members along with the glued laminated timber material's structural behaviour. The span and spacing of the frames have been chosen with consideration of commonly used construction products. Therefore, the strength classes considered are; GL24, GL28, GL30 and GL32. All service classes and the applicable load durations have been considered for the analysis. The symmetrical tapered portal frame was designed with 24 m of spanning with an assumed 5 m of frame spacing. To analyse the portal frame's maximum of 1 capacity utilisation capacity, the design of the portal frame has been determined based on the most critical material, loading term and the service class, which are GL24 class timber, medium-term loading and service class 3. There are three service classes, all of which have been included in this study. However, only two of the five load durations have been included in this study. The service classes differ from 1 to 3 depending on the material's moisture content and the surrounding environment's humidity. The class is higher where the moisture content is higher (British Standards Institution, 2004). On the other hand, the load durations are specified in EC5 according to the load type and the accumulated load duration range. For the study case, the only load that can have different load durations is snow, which the considered load durations are medium-term and short-term load durations. The analysis and design of the glued laminated timber members have been done primarily based on Eurocode standards, and where geographical information is required but not available, the Turkish standards have also been considered. So, the characteristic snow load has been taken from TSE 498 (Turkish Standards Institution, 1997) due to the lack of Turkey details in EC1-Part 1.3. The seismic load has been carried out per EC8, spectral type 1(higher seismic), and the ground and the seismic zone parameters have been chosen according to the structure's location, which is in Turkey, Marmara region. The reference peak ground acceleration is taken from the Turkey 475 return period seismic map (TMMOB Chamber of Geology Engineers, 2022). The fundamental period of vibration (T1) was first calculated with the Rayleigh method with the required fictitious of 1 kN horizontal load to be applied at the top of the columns in the Sap2000 model to determine the deflection. Additionally, the T1 period has been checked with modal response spectrum analysis to compare the results. It has been seen that both results are only slightly different, and they are both between TB and TC. So that the base shear force is found per the first period and the ordinate of the design spectrum (Sd(T)). This thesis study worked with the programs: 2-D SAP2000 analysis, AutoCAD, TEDDS for Word and MS Office. The frame members, the joint releases, and material properties have been assigned along with the specified loading and the combinations per EC0 and EC5 in the SAP2000. This software provided the moment bending, shear and axial force body diagrams in addition to the initial joint deflection. According to the first design, the tapered beams and columns are designed with 1.00 capacity utilisation capacity: the beams' thickness is from apex to the end, 0.4 m to 1.225 m, and the columns' are from pinned to the other end, 0.5 m to 1.3 m. The width of the beams and columns is 0.25 m. The details have been provided in section 4 with drawings. To run the analysis of beam and column design multiple times under different loadings and different materials strength, the calculation sheet has been prepared with the program TEDDS for Word. In these formula sheets, the most critical governing strength and deformation combinations are considered. The results showed that the ULS govern case is 1.35G + 1.5S for both columns and beams, whereas the SLS govern case is G + S for beams, and the governing case of the column is G + W. The capacity utilisation results have been gathered and plotted with MS Excel charts initially based on the material strength class, limit state, and whether it is a beam or a column. The interpretations of these graphs are provided in the conclusion, and additional graphs are included. The interpretation of results has been undertaken for ULS and SLS separately for all considered materials. Additionally, a combined ULS and SLS chart has been presented for the GL24 class material. The combined ULS and SLS graphs of GL24 material for both beam and column showed that the governing limit state is the ultimate limit state compared to the serviceability limit state with a capacity utilisation difference of more than %40. The overall governing case is the strength of the beam compared to the column with the capacity utilisation of 1.00 where the considerations are; service class 3 and load-duration class of snow is medium term. Also, one of the main interpretations is that the columns are governed by the stability capacity, whereas the beams are governed by stress capacity. It can also be seen that the ULS utilisation of both services, class 1 and 2 are equal due to the same kmod coefficient. However, this differs for service class 3 due to different load-duration classes of snow. Additionally, it is noted that the strength class of beams and columns can be selected differently for economical solutions because the capacity utilisation of columns is always less than the beams' capacity utilisation. The serviceability limit state has been calculated for portal frames' vertical and horizontal displacement limitations. During the limitation consideration, it is noted that the portal frame does not have any crane and the roof to support non-flexible or brittle parts (Steel Construction Institute, 2006). One of the findings is that the capacity usage difference between the vertical and horizontal deflections is significant in the serviceability limit state capacity utilisation. It demonstrates that vertical displacement is more critical than horizontal deflection. Vertical displacement has the highest serviceability capacity utilisation of 0.524, while horizontal displacement has 0.19. Additionally, the portal frame's vertical deflection is governed by the initial deflection, whereas the horizontal deflection limitation is governed by the final deflection. Thus, regardless of the service class difference, the SLS capacity utilisation is the same for vertical deflection. Therefore, no service class and moisture content impact can be observed on the portal frame's vertical deflection. These results can be used in future designs, making the design more efficient.
Benzer Tezler
- Kakao yağının serbest yağ asitliği düzeyini etkileyen proses parametrelerinin incelenmesi
Investigation of process parameters affecting the level of free fatty acid of cocoa butter
BÜŞRA ÇİÇEK
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NEŞE ŞAHİN YEŞİLÇUBUK
- Öngerilmeli betonarme köprülerde zamana bağlı yerdeğiştirmeler
Long-term deflections in pre-stressed structures
EREN YECAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ABDULLAH NECMETTİN GÜNDÜZ
PROF. DR. SIDDIK ŞENER