Computational modeling the non-linear behavior of critical members causing progressive collapse in steel lattice towers

Abstract

Investigations from past earthquakes have revealed that the strong seismic loads and strong wind loads can cause damage and even collapse of the steel lattice transmission towers. The effective use of all emergency equipment and infrastructure in natural disasters relies on the functioning of the electricity and communication lines. For this reason, it is very crucial to reduce the risk of damage on steel lattice towers and to maintain its functionality during and after disasters. This thesis is aimed at investigating the collapse mechanism of steel lattice transmission tower under seismic loads and wind loads, as well as predicting the weak areas of tower. For this purpose, a systematic, accurate and reliable numerical computational model of a 55m high steel lattice tower exposed to seismic and wind loads has been created within the ABAQUS / Explicit software. With the proposed numerical computational model, the critical elements of the steel lattice tower that triggered progressive collapse were accurately and reliably predicted. Under the highest permissible wind loads, very little damage was calculated on the leg members in the panel M of the tower, whereas under seismic loads, severe damage was calculated on all vertical leg elements in the panel M and N of the tower. It was observed that these results obtained from the numerical analysis match with collapse mechanism and weak areas formed by critical elements as a result of observation on damaged and collapsed steel towers in the field. The numerical computational model proposed in this study can be used as a guide during the design of a new tower, or it can be used to accurately predict the structural behavior and critical elements of the existing towers.

Geçmiş depremlerden yapılan araştırmalar, güçlü sismik yüklerin ve güçlü rüzgar yüklerinin, çelik kafes iletim kulelerinin hasar görmesine ve hatta çökmesine neden olabileceğini ortaya koymuştur. Doğal afetlerde tüm acil durum ekipmanların ve altyapısının etkili kullanımı, elektrik ve iletişim hatlarının işlevlerini yerine getirmesine dayanmaktadır. Bu nedenle çelik kafes kulelerinin hasar riskini azaltmak ve afet sırası ve sonrası işlevselliğini korumak çok önemlidir. Bu tez çalışmasında, enerji nakil hatlarında kullanılan çelik kafes kulelerin, sismik yükler ve rüzgar yükleri altında çökme mekanizmasının incelenmesi ve kulenin zayıf alanlarının tahmin edilmesi amaçlanmıştır. Bu amaç doğrultusda, sismik ve rüzgar yüklerine maruz 55m yüksekliğindeki bir çelik kafes kulenin ABAQUS/Explicit yazılımı bünyesinde, sistematik, doğru ve güvenilir bir sayısal hesaplama modeli oluşturulmuştur. Önerilen sayısal hesaplama modeli ile çelik kafes kulenin, aşamalı göçmeyi tetikleyen kritik elamanları doğru ve güvenilir bir şekilde tahmin edilmiştir. Analizlerde izin verilen en yüksek rüzgar yük altında, kulenin M panelinde bulunan bacak elemenlarında çok az hasar hesaplanırken, sismik yükler altında ise, külenin M ve N panelindeki tüm dikey bacak elemenlarında ciddi bir şekilde hasar hesaplanmıştır. Sayısal analizlerden elde edilen bu sonuçların, sahada hasar görmüş ve çökmüş çelik kuleler üzerinde yapılan gözlem sonucu tespit edilen kritik elemanların oluşturduğu zayıf alanlar ve göçme mekanizması ile uyuştuğu görülmüştür. Bu çalışma kapsamında önerilen sayısal hesaplama modeli, yeni bir kulenin sismik tasarımı sırasında bir kılavuz görevi görebileceği gibi veya mevcut kulelerin, sismik yükler ve rüzgar yükleri altında yapısal davranışını ve göçmeyi tetikleyen kritik elamanları doğru ve güvenilir bir şekilde tahmin etmek için kullanılabilir.