Stiffnes requirements of shear diaphragms used to brace steel I-beams

Abstract

The buckling capacity of steel I-beams can be increased by providing lateral bracing along the length of the beams by either cross-frames or diaphragms. Metal sheeting that is often used in steel building and bridge constructions to support the fresh concrete, acts like a shear diaphragm and provides continuous bracing to steel beams. In building industry, metal deck forms are considered as a lateral support to the beams. However, due to their flexible connection detail between the girder and shear diaphragm, metal deck forms are not considered as a brace source for bridge construction industry. But with the recent studies, by improvements of the flexible connection details, metal decking can be used as a bracing system. An adequate bracing system must possess sufficient stiffness and strength. A computational study was conducted to investigate stiffness requirements of shear diaphragms used to brace stocky and slender steel I-beams. Both doubly and singly symmetric sections were studied. The computational study consists of eigenvalue buckling analyses on perfectly straight twin-girder system braced by shear diaphragms and large deformation analyses with imperfect girders with different configurations of girder sections and spans. A three dimensional computer programme was utilized to perform analytical studies. Analytical model is verified by a full-scale twin-girder system laboratory test that is carried out on a previous study. Stiffness requirements have been proposed for shear diaphragms used to brace stocky and slender steel I-beams.

Çelik I-kirişlerin burkulma kapasitesi, noktasal veya sürekli destek elemanları kullanılarak artırılmaktadır. Yapım aşamasında taze betonu taşımak için kiriş uzunluğunca kullanılan trapez sac kalıplar, bir kayma diyaframı gibi davranırlar ve çelik kirişlere sürekli destek sağlarlar. Çelik yapı endüstrisinde, sac kalıplar kirişlere yatay destek elemanı olarak değerlendirilirler. Fakat sac kalıplar, kiriş ve kalıp arasındaki bağlantı detayının esnekliğine bağlı olarak, çelik köprü endüstrisinde bir destek elemanı olarak değerlendirilmemektedir. Ama son zamanlardaki çalışmalar, bağlantı detaylarındaki iyileştirilmeler ile sac kalıpların destek elemanı olarak kullanılabileceğini göstermiştir. Bir destek elemanının görevini yerine getirebilmesi için yeterli rijitliğe ve dayanıma sahip olması gerekmektedir. Narin gövdeli çelik kirişleri destekleyen kayma diyaframlarının rijitlik gerekliliklerini araştırmak için sayısal bir çalışma yapılmıştır. Çift ve tek simetri eksenli kesitler incelenmiştir. Analiz çalışmaları mevcut yamukluğu olmayan kiriş ve kayma diyaframlarından oluşan sistemin öz-değer burkulma analizlerini ve mevcut kusuru bulunan kirişlerden oluşan kayma diyaframlarının büyük deformasyonlar teorisine göre analizlerinden oluşmaktadır. Analizleri yürütmek için üç boyutlu sonlu elemanlar programından yararlanılmıştır. Analitik model daha önceki çalışmalarda kullanılan tam ölçekli bir test modeline ait analiz sonuçlarıyla karşılaştırılmış ve doğrulanmıştır. Kiriş orta açıklığında noktasal destek elemanı bulunduran kirişler de analiz edilmiştir. Narin gövdeli çelik I-kirişleri destekleyen kayma diyaframları için minimum rijitlilik gereklilikleri önerilmiştir.