NONLINEAR FINITE ELEMENT ANALYSIS OF MECHANICALLY ANCHORED REINFORCED STEEL I BEAMS

Aim: Steel structural elements can lose their strength in vehicle crashes, fire, fatigue, decay, humidity, etc. Consequently, their load-bearing capacities reduce considerably. A widely used strengthening method for steel beams is fiber-reinforced polymer strips or plates. One of the most important problems for this practice is sudden end-strip debonding due to the high normal and shear stress concentration. In this study, the structural behavior of deformed steel I-beams strengthened by carbon composites under bending was studied numerically. Using a commercial nonlinear finite element program (ABAQUS), a finite element model verified with the formerly executed experimental study was presented. To examine the effect of Mechanical Anchorage on large samples, a parametric study was carried out with the verified finite element model. In the parametric study, mainly three parameters were considered. Flange slenderness ratio (Bf/tf), web slenderness ratio (H/tw), and length to cross-sectional depth ratio (L/bf). Results derived from the nonlinear analysis revealed that the employment of the bolt anchorage increases the load capacity of the deformed elements and sustains the elements to resist more loads. However, the behavior and strengthening capacity of this practice is accordingly dependent on the flange slenderness ratio and web slenderness ratio of the proposed beam. Obtained results also indicate that the efficiency of mechanical anchorage in short-span beams is higher compared to the long-span beams.

Keywords: Finite Element Analysis, Mechanical Anchorage, Strengthening, CFRP, Large Scale I Beam

Doi:10.17366/uhmfd.2022.16.1

Amaç: Çelik yapı elemanları araç çarpması, yangın, yorulma, çürüme, nem vb. birçok durumda dayanımlarını kaybedebilmektedir. Dolayısıyla taşıma kapasiteleri oldukça düşmektedir. Çelik kirişler için yaygın olarak kullanılan bir güçlendirme yöntemi, fiber takviyeli polimer şeritler veya plakalar kullanmaktır. Bu uygulama da en önemli sorunlardan biri, yüksek normal ve kesme gerilmesi konsantrasyonundan dolayı oluşan ani kopmalardır. Bu çalışmada, eğilme altında karbon fiber kompozitler ile güçlendirilen deforme olmuş çelik I-kirişlerin davranışı sayısal olarak incelenmiştir. Doğrusal olmayan sonlu elemanlar analizi yapabilen ABAQUS yazılımı kullanılarak, daha önce yürütülen deneysel çalışma ile doğrulanmış bir sonlu eleman modeli sunulmuştur. Fiber malzemelerde mekanik ankrajın büyük numuneler üzerindeki etkisini incelemek için doğrulanmış sonlu eleman modeliyle parametrik bir çalışma yürütülmüştür. Parametrik çalışmada temel olarak üç parametre dikkate alınmıştır. Başlık narinlik oranı (Bf/tf), gövde narinlik oranı (H/tw) ve uzunluk-kesit derinliği oranı (L/bf). Doğrusal olmayan analizlerden elde edilen sonuçlar, mekanik ankrajın kullanılmasının genel olarak, deforme olmuş elemanların yük kapasitesini arttırdığını ortaya koymuştur. Ancak kapasite artışının önerilen kirişin başlık narinlik oranına ve gövde narinlik oranına bağlı olarak değiştiği belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlar kısa açıklıklı kirişlerde mekanik ankraj veriminin uzun açıklıklı kirişlere göre daha yüksek olduğunu göstermiştir.

Anahtar Kelimeler: Sonlu Elemanlar Analizi, Mekanik Ankraj, Güçlendirme,CFRP, Gerçek Boyutlu I-Kiriş

Doi:10.17366/uhmfd.2022.16.1