Determination of effective breadth width of stiffened steel plate structures based on nonlinear finite element analysis

Abstract

An economical and effective design of plates loaded by out-of-plane loads such as pressure or blast can be obtained by using stiffeners instead of increasing plate thickness. Therefore, stiffened steel plates are widely used in many different industries for different purposes and structures. For marine structures, for instance ships, stiffened steel plate walls are used as ship skeleton for resisting wind, hydrostatic and dynamic pressures. In aerospace engineering, these systems are used to resist especially wind pressure. Similarly, such steel wall systems are also widely used in petrochemical industry especially in offshore and onshore platforms as blast walls and blast resistant steel structures as control rooms, office buildings, and living quarters in areas with a high risk of explosion, fire, or danger from toxic materials in petrochemical industry. For such steel wall structures ultimate strength capacity, wall stiffness, and requirement for weld connection between the wall plate and stiffeners depends on effective breadth of plate, which is the part or breadth of plate working with each stiffener as its flange. This breadth width is typically predicted based on plate nonlinear stress distribution occurring due to out-of-plane loading such as pressure, blast, wind etc. Although there are a number of studies for such cold formed plate systems, they are mainly focused on effective width concept, which is based on in-plane loading only. In other words, there is a need for research to generate engineering design guidelines for predicting effective breadth width for stiffened steel plates subjected to out-of-plane loads. In the first part of this study, nonlinear finite element models of stiffened plate structures subjected to uniform out-of-plane pressure loading was generated by using purpose finite element program Abaqus CAE. The effective breadth of these wall systems was calculated using nonlinear stress distribution through plate thickness and along plate width to determine axial load carried by plate. The effective breadth width was calculated as the plate width needed to carry the same axial load but with a uniform stress, which is equal to the maximum computed stress from the model, along the plate width as defined in the literature. A parametric study was also conducted to determine effects of walls design parameters such as spacing of stiffeners, plate thickness and type of stiffener. For this purpose, a wide range of plate thickness from 30 mm to 10 mm was studied. Similarly, for stiffener angle, flat, boxed and tee sections were also considered. Additionally, seven different spacing ranging 150 cm to 75 cm for the stiffeners were included in the parametric study. In the second part, effective breadth of the walls was investigated by using simple beam method. In this method, such structures were modeled as a simple beam because modelling and analyzing of these walls require a lot of computational time, high-performance computer, costly finite element software package as well as expert engineering judgment. For this purpose, three prototype walls for different cases; plate yields first, flange yields first, both yield at the same time, were created. At the same time, the walls that have the same geometric and material properties were modeled as simple beams. The correlation between walls and simple beams were discussed by using support reaction per stiffener versus vertical displacement curve. In summary, this part investigates how close the behavior of different featuring walls can be modeled by simple beam method.

Basınç veya patlama yükleri gibi düzlem dışı yüklemeler altında kullanılan çelik plakaların ekonomik ve efektif tasarımı plaka kalınlığını arttırmak yerine takviye elemanları kullanılarak yapılabilmektedir. Bu yüzden, takviyeli çelik plaka yapıları sıklıkla farklı endüstri alanlarında çeşitli amaçlarla kullanılmaktadır. Deniz yapıları için, gemi iskeletlerinde kullanılarak rüzgâr, hidrostatik ve dinamik basınca karşı çalışması sağlanır. Havacılık ve uzay mühendisliğinde özellikle rüzgâr basıncına karşı bu yapılar inşa edilmektedir. Benzer şekilde, bu tip yapılar yangın, patlama ve zehirli madde tehlikesinin yüksek şekilde bulunduğu petrokimya sanayilerinde kullanılan kıyı ve açık deniz platformlarının yönetim odalarında, ofis binalarında ve yaşam alanlarında, patlama duvarı ve patlamaya dayanıklı yapılar olarak kullanılmaktadır. Takviyeli çelik plaka yapılarında en yüksek dayanım, rijitlik ve duvar ile takviye elemanı arasında gerekli kaynak bağlantısı, plakanın efektif genişliğine bağlıdır. Bu genişlik plakanın takviye elemanı ile birlikte üst başlık gibi çalışan kısmı ya da uzunluğudur. Plakaların efektif genişliği, basınç, rüzgâr ve patlama gibi düzlem dışı yüklemeler altında plakada oluşan doğrusal olmayan gerilmelere bağlı olarak hesaplanır. Her ne kadar efektif genişlik alanında soğuk biçimlenmiş çelik sistemler için birçok çalışma bulunsa da bunlar genel olarak düzlem içi yüklemelere odaklanan çalışmalardır. Diğer bir deyişle, düzlem dışı yüklemeler altında takviyeli çelik plaka yapılarının efektif genişliğini hesaplamak için tasarım esaslarını oluşturacak çalışmalara ihtiyaç duyulmaktadır. Çalışmanın ilk kısmında, takviyeli çelik plaka yapılarının doğrusal olmayan çoklu elemanlar modelleri, genel amaçlı sonlu eleman programı Abaqus CAE ile yapılmıştır. Plaka tarafından taşınan eksenel yükü belirlemek için hesaplanan efektif genişlik, plaka genişliği ve kalınlığı boyunca düzlem dışı basınç sonucu oluşan gerilmelere bağlı olarak hesaplanmıştır. Literatür de tanımlandığı şekilde, plakaların efektif genişliği aynı eksenel kuvveti taşıyacak, fakat oluşan maksimum doğrusal olmayan gerilme dağılımına denk gelen, hesaplanmış tekdüze olan gerilme dağılımının genişliği olarak belirlenmiştir. Yapının tasarım parametrelerini oluşturan plaka kalınlığı, takviye elemanları arası genişliği ve profil tipi, parametrik çalışma ile incelenerek efektif genişlik üzerine olan etkisi incelenmiştir. Bu amaçla; 150 cm’den 75 cm’ye kadar olan takviye elemanlar arası genişlik, 30 mm’den 10 mm’ye kadar değişen plaka kalınlıkları ve 4 farklı takviye elemanı tipi parametrik olarak incelenmiştir. Tezin ikincisi kısmında, yapıların etkin genişliği basit kiriş modellemesi kullanılarak değerlendirilmiştir. Bu metotta, yapılar basit bir kiriş olarak modellenmeye çalışılmıştır, çünkü bu tip yapıların birçok kez modellenmesi ve analiz edilmesi çok fazla işlem zamanı, yüksek maliyetli sonlu elemanlar paketleri ve uzman mühendislik talep etmektedir. Bu amaçla, üç prototip yapı modellenmiştir. Bu yapılar sırasıyla; ilk plakada akma, ilk takviye elemanında akma ve takviye elemanı ile plakanın aynı anda aktığı üç durumu ayrı ayrı ele almaktadır. Aynı zamanda, tamamen aynı geometrik ve malzeme özelliklere sahip basit kirişler oluşturularak onların da analizi gerçekleştirilmiştir. Takviyeli çelik plaka yapıları ve basit kiriş modellerinin birbirleri ile olan ilişkileri mesnet reaksiyon tepkisi-yatay yer değiştirme eğrilerinin kıyaslanmasıyla sonucu belirlenmiştir. Özet ile, bu kısımda yapıların basit kiriş olarak modellenmesinin ne kadar doğru sonuç verdiği test edilmiştir.