Improving Behavior of Castellated Beam by Adding Spacer Plat and Steel Rings

 العتبات الفولاذية القلعوية هي تلك الاعضاء الانشائية التي تصنع من مقاطع فولاذي قياسية بعد قطع جذع المقطع بشكل متعرج ثم تزحيف الجزئيين وربطهما بواسطة اللحام لتشكيل عتبة قلعوية ذات فتحات سداسية مما يؤدي لزيادة عمق مقطع العتبة الفولاذية. بصورة عامة ان الفتحات المتكونة في جذع العتبة القلعوية تكون بشكل سداسي مع ذلك يمكن الحصول على فتحة ثمانية الشكل باضافة صفيحة من الفولاذ بين الجزئين (Spacer Plate) لزيادة عمق العتبة. اصبح استخدام العتبات القلعوية في انشاء الابنية منتشر بشكل واسع بسبب العديد من الايجابيات مثل سهولة مد الخدمات و المقاومة العالية والكلفة المنخفضة بالمقارنة بالمقطع الام. هذه الدراسة تركز على تحسين سلوك العتبات القلعوية ذات الفتحات السداسية الشكل و الفتحات ثمانية الشكل والمجهزة صفيحة فولاذية لزيادة العمق. التحمل الاقصى للعتبة الام تزداد مع زيادة عمق العتبة. لكن الزيادة بعمق العتبة القلعوية يؤدي لحدوث فشل الانبعاج في الجذع مع انواع اخرى من الفشل عند تسليط الاحمال الخارجية. اثبتت نتائج التحليل ان استخدام حلقة فولاذية كتقوية حول الفتحة الثمانية تساهم بتقوية جذع العتبة و تقليل هكذى انوع من الفشل.  بالاضافة لذلك ان استخدام الحلقة الفولاذ يقلل من تركز الاجهادات حول حافة الفتحات ويحسن من سلوك هذه العتبات من خلال زيادة التحمل الاقصى وتقليل انفعال التشوه. تم استخدام طريقة العناصر المحددة لتحليل العتبات القلعوية ذات الفتحات السداسية والثمانية الشكل التي تم صناعتها من مقطع فولاذي نوع (IPN140). من خلال دراسة النتائج العددية التي حصلنا عليه بواسطة استخدام برنامج ANSYS 14  , لوحظ ان التحمل الاقصى للعتبات القلعوية يمكن تحسينها باضافة صفائح فولاذية و حلقة فولاذية كتقوية حول الفتحات. اذ لوحظ  ان التحمل الاقصى للعتبات القلعوية ذات الفتحات ثمانية الشكل يمكن ان تزداد لحد (53%) اكثر من التحمل الاقصى للعتبة الام (IPN140) مع اضافة فولاذ( صفائح مع حلقة فولاذية) بنسبة (13%) من الوزن الكلي للعتبة الام.Castellated steel beams are those members which are made from hot rolled steel I-section firstly by cutting the web in zigzag pattern and rejoining the two halves by welding together to form a hexagonal castellated beam such that the depth of section will be increased. Generally, the openings made in the web are with hexagonal shape; however, octagonal shape of web openings is typically obtained by providing spacer plate which is utilized to increase the depth of beam. Nowadays, using castellated beams in building construction becomes very popular because of their useful functions such as ease of service provision, strength and low cost. This study focuses on improving the behavior of hexagonal and octagonal castellated beam with spacer plate. The ultimate strength of the original (parent) I- section beam increases due to the increasing its depth. The increment of castellated beam depth; however, leads to post buckling in its web and to many other modes of failure when these beams are subjected for loading. Hexagonal and octagonal castellated beams which are fabricated using parent I-section (IPN140) are analyzed using finite element model (FEM).The analysis results revealed that using ring stiffeners around edge of holes contributes effectively in strengthening the web. It was found that using ring steel stiffeners can reduce the stress concentration around the edge of holes and improve the behavior of these beams by increasing the ultimate strength and minimizing the deflection. From the numerical (FEM) results obtained by using ANSYS14, it is concluded that ultimate strength of castellated beam can be improved by providing spacer plate and ring stiffeners around the web hole. Also, the results showed that ultimate strength of octagonal castellated steel beam can be increased up to (53%) more than the parent beam (IPN140) with providing only (13.0%) weight of steel (spacer plate plus ring steel stiffeners)

EXPERIMANTAL STUDY OF EFFECT OF HEXAGONAL HOLES DIMENSIONS ON ULTIMATE STRENGTH OF CASTELLATED STEEL BEAM

Nowadays, use of castellated steel beams (CSBs) has become very common because of their advantageous implementations in construction of buildings. Castellated Steel Beams (CSBs) are those members that are fabricated from standard hot rolled steel (HRS) I- sections by cutting along its web in "zigzag" pattern and thereafter rejoining the two halves on one another by welding together to form a castellated beam, so that generally the depth of  a section will be increased. This research analyses the experimental results of six specimens of castellated steel beams and compares with control beam (Parent section). The purpose of this study is to investigate the effect of hexagonal hole dimensions on the ultimate strength and stiffens response of the castellated steel beam. Also, the effect of number of holes on the behavior of the castellated steel beams that have the same span and ratio of expansion was investigated. All specimens of the castellated steel beam were fabricated from hot rolled steel section (IPE140) and were expanded to (1.56) times the parent section depth. From the test results, it is observed that best dimension of castellated steel beam was (span length to holes space ratio L/S = 8.0); hole depth to Castellated beam depth ratio is h/H=0.56, and hole space to the castellated beam depth ratio is S/H = 1.03. The ultimate strength of the castellated steel beam was increased about (50%) stronger than the original beam

Experimental Study for Improving Behavior of Castellated Steel Beam Using Steel Rings

Castellated beams are made from a hot rolled steel I-section in a few steps. Firstly, the web of the parent I-section is cut in a particular zigzag pattern and the two halves are reconnected by welding to form a castellated beam with hexagonal openings. In other cases, a spacer plate is placed between the two halves to produce octagonal openings, which increase the section depth. Increasing the depth by adding spacer plates leads to web-post buckling. This study focuses on improving the castellated beam to obtain high strength with relatively low cost by placing a steel ring inside the octagonal openings to strengthen the weakest part, which is its web. The results show that the steel ring is effective in strengthening the web-post

Дослідження режимів руйнування при вигині і зсуві перфорованих сталевих балок змінного перерізу з використанням розширювальних пластин

Using modern technologies for fabricating steel, I-beams can be easily made by welding, and hot-rolled beams can often be produced at an economical price with slender webs and equal flanges. Experimental and theoretical studies of the behavior of tapered castellated steel beams were carried out. Due to the cost reductions associated with tapered castellated steel beams, they are a feasible alternative to prismatic components. This study assessed the influence of tapered castellation on the bending capacity and flexural stiffness of tapered castellated steel beams (TCBs) with simply supported end conditions experimentally and theoretically. Four three-point bending tests on TCBs with H/h values of 1, 1.2, 1.4 and 1.6 were conducted utilizing a standard parent I-section beam (IPE140) as the control specimen. The test findings include the ultimate load vs. mid-span deflection response curves and failure mechanisms. The testing findings indicated that the TCBs' ultimate load capacity might be up to 140 percent of that of the parent section. The Abaqus program was used to conduct a finite element (FE) analysis of TCB, which allows for material and geometric nonlinearity. The derived finite element models exhibit excellent agreement with the experimental results in terms of ultimate load capacity vs. mid-span deflection response and failure mechanisms. Based on the results of the work, TCBs can be used for increasing the strength and stiffness of the I-section parent beam with adding expansion plates. The maximum load capacity of TCBs can be enhanced when adding expansion plates up to 40 % above that of the parent beam. A TCB has lower ductility than its parent beam. Moreover, a TCB fulfills serviceability requirements since its mid-span depth exceeds that of its parent beam.З використанням сучасних технологій виготовлення сталі, двотаврові балки можна легко виготовляти зварюванням, а гарячекатані балки часто можна виробляти за економічною ціною з тонкими стінками та рівними полицями. Проведено експериментальні та теоретичні дослідження поведінки перфорованих сталевих балок змінного перерізу. Завдяки низькій вартості, вони є можливою альтернативою призматичним компонентам. В даному дослідженні експериментально і теоретично оцінювався вплив перфорування змінного перерізу на згинальну здатність та згинальну жорсткість перфорованих сталевих балок змінного перерізу (ПБЗП) з вільно опертими кінцями. Проведено чотири випробування на триточковий вигин на ПБЗП зі значеннями H/h 1, 1,2, 1,4 і 1,6 з використанням стандартної вихідної двотаврової балки (IPE140) в якості контрольного зразка. Результати випробувань включають в себе криві залежності граничного навантаження від прогину в середині прольоту і механізми руйнування. Результати показали, що несуча здатність ПБЗП може становити до 140 відсотків від несучої здатності основної балки. Для проведення аналізу ПБЗП методом скінченних елементів (МСЕ) з урахуванням матеріальної та геометричної нелінійності використовувалася програма Abaqus. Отримані скінчено-елементні моделі відмінно узгоджуються з експериментальними результатами по несучій здатності в залежності від прогину в середині прольоту і механізмів руйнування. За результатами роботи, ПБЗП можуть бути використані для підвищення міцності і жорсткості основної двотаврової балки з додаванням розширювальних пластин. Несуча здатність ПБЗП може бути збільшена шляхом додавання розширювальних пластин до 40 % вище, ніж у основної балки. ПБЗП має більш низьку пластичність, ніж вихідна балка. Крім того ПБЗП відповідає вимогам до умов експлуатації, оскільки довжина середини її прольоту перевищує довжину середини прольоту основної балки