فهرست مطالب

نشریه سازه و فولاد
سال هفدهم شماره 41 (پاییز 1402)

  • تاریخ انتشار: 1402/09/10
  • تعداد عناوین: 6
|
  • هادی عسگری، سید مهدی زهرائی*، مهدی وجدیان، سید محمد میرحسینی صفحات 5-26

    زلزله های گذشته با تحمیل خسارت های زیاد، بیانگر ضعف عملکرد لرزه ای سازه ها به خصوص در محل اتصال تیر به ستون بوده و کاربرد قطعاتی مثل میراگرهای اصطکاکی و جاری شونده جهت استهلاک انرژی زلزله و کاهش ارتعاشات ناشی از آن، به یکی از ضرورت های مهندسی عمران تبدیل گردیده است. سیستم های کنترل غیرفعال چندسطحی یکی از مواردی است که در دهه اخیر مورد توجه محققین قرار گرفته است. ایده کلی در سیستم های مذکور، ترکیب دو سیستم کنترل غیرفعال با سختی متفاوت بوده که تحت نیروهای با شدت مختلف، موجب تغییر در مشخصات سیستم و بروز رفتارهای متفاوت تحت سطوح انرژی است. در این تحقیق در ابتدا یک سیستم کنترل دوسطحی با میراگر غیرفعال اصطکاکی-جاری شونده در ورق روسری در محل اتصال گیردار تیر به ستون، با قابلیت جذب انرژی و تغییر سختی در سطوح متفاوت زلزله، جهت کاهش ارتعاشات لرزه ای سازه ها ارایه گردیده و با انجام تحلیل های استاتیکی غیرخطی با استفاده از نرم افزار اجزاء محدود ABAQUS عملکرد آن ها مورد ارزیابی قرار گرفته است. با توجه به نتایج ارزیابی، بهبود عملکرد نمونه های تحلیلی با نسبت بهینه طول به ضخامت ورق روسری بوده و افزایش پایداری و مساحت زیر منحنی های هیسترزیس و به تبع آن افزایش استهلاک انرژی از اثرات آن است. مقایسه منحنی های هیسترزیس میراگر پیشنهادی در محل اتصال گیردار، گویای رفتار شکل پذیر با عملکرد دوسطحی مناسب مطابق انتظار بوده و اتلاف انرژی در سطوح مختلف نیرویی را به خوبی فراهم آورده است، طوری که ضوابط طرح لرزه ای برای اتصال خمشی ویژه را بر اساس آیین نامه AISC تامین می کند. همچنین میراگر پیشنهادی به عنوان عضو مستهلک کننده انرژی در سطوح مختلف زلزله، باعث جذب انرژی شده و با تحمل لغزش و تسلیم، قادر به کنترل لرزه ای سازه خواهد بود.

    کلیدواژگان: کنترل دوسطحی، میراگر اصطکاکی-جاری شونده، ورق روسری، شکل پذیری، تحلیل استاتیکی غیرخطی
  • محمدصادق شهیدزاده*، ابراهیم شاهلونژاد، امیرحسین درخشان نژاد صفحات 26-39

    بررسی عملکرد سازه ها به خصوص سازه های فولادی در برابر بار انفجار از اهمیت زیادی برخوردار است. یکی از پیش بینی های مهم برای مواجهه با نیروهای جانبی مخرب در سازه ها، کاربرد سیستم های باربر سازه ای فولادی است. در این پژوهش، تعداد 7 نمونه از سیستم های باربرجانبی فولادی در سازه فولادی 5 طبقه ایجاد شدند که با درنظرگرفتن ضوابط و استاندارد 2800 با نرم افزار ABAQUS و SAP2000، تحت بار انفجار مورد تحلیل عددی قرار گرفتند. انفجار از نوع هوایی در نظر گرفته شد و مقدار ماده منفجره به میزان  200 کیلوگرم بر حسب T.N.T و در فاصله 2 متری از محور چشمه اتصال تیر و ستون سیستم قاب با اتصال صلب و در ارتفاع 8/2 متری از سطح زمین ایجاد شد. نتایج نشان داد که در تمامی مدل ها ستون مجاور با مبدا انفجار، دچار اعوجاج شدید گشته و در ناحیه چشمه اتصال آن ها خرابی پلاستیک به وجود آمد. همچنین تنش ها در جان تیر و ورق های اتصال در پای ستون به مقدار بیشینه رسید. این رخداد، در مدل های قاب خمشی کم تر دیده شد و در مدل های قاب خمشی متوسط و قاب خمشی ویژه، سیستم عملکرد بهتری داشت و در مدل های مختلف دیوار برشی، آسیب های پلاستیک در پای ستون مجاور به مبدا انفجار، مشاهده نشد و میزان جذب انرژی نسبت به وزن سازه به دست آمد. در نتیجه، قاب خمشی ویژه بیش ترین میزان جذب انرژی را داشت و کم ترین آن نیز مربوط به قاب خمشی هم محور بود.

    کلیدواژگان: سیستم های باربرجانبی فولادی، بار انفجار، نرم افزار آباکوس، دیوار برشی فولادی
  • دانیال پسران بهبهانی، نادر فنائی* صفحات 40-59

    مطالعات پیشین، ایجاد پارگی های ترد و زود هنگام در اتصال تیر پیوند به ستون را در مجاورت جوش های شیاری اتصال بال تیر پیوند به بال ستون و در مواجه با زلزله نشان داده اند؛ این نوع پارگی به صورت مشابه در اتصال های فلنجی تیر پیوند به تیر خارج از پیوند نیز مشاهده شده است. در این تحقیق ایده استفاده از تیر پیوند قوطی شکل با مقطع کاهش یافته در نرم افزار اجزای محدود آباکوس، به منظور کاهش مقدار تقاضای کرنش پلاستیک ایجاد شده در انتهای بال تیر پیوند و در نتیجه جلوگیری از ایجاد پارگی در این ناحیه مورد بررسی قرار گرفت و مشاهده شد که استفاده از مقطع کاهش یافته منجر به کاهش مقدار تقاضای کرنش پلاستیک معادل در انتهای بال های تیر پیوند قوطی شکل تا 38٪ برای تیرهای پیوند برشی، تا 41٪ برای تیرهای پیوند متوسط و تا 68٪ برای تیرهای پیوند بلند و در نتیجه جلوگیری از ایجاد پارگی های زود هنگام در ناحیه مجاور جوش شیاری اتصال بال تیر  به ورق انتهایی می گردد؛ مقدار کرنش پلاستیک معادل در انتهای تیر پیوند قوطی، با کاهش پارامترهای a و bو افزایش پارامتر c (پارامتر های هندسی مقطع کاهش یافته) کاهش می یابد و پارامتر c بیش ترین و b کم ترین تاثیر را بر مقدار این پارامتر دارد؛ همچنین با استفاده از مقطع کاهش یافته در تیر پیوند قوطی شکل، مقدار اتلاف انرژی تیر پیوند به دلیل افزایش مشارکت بال در اتلاف انرژی، تا 35٪ برای تیر های پیوند برشی، تا 158٪ برای تیر های پیوند متوسط و تا 250٪ برای تیر های پیوند بلند افزایش می یابد.

    کلیدواژگان: قاب مهاربندی واگرا، تیر پیوند قوطی شکل، کرنش پلاستیک معادل، مدل سازی اجزای محدود
  • سید علی رضوی طباطبایی*، علی مردانی صفحات 60-75

    دیوار برشی دیواری است که برای مقاومت در برابر اثر توام تلاش محوری، تلاش خمشی و تلاش برشی ناشی از بارهای قایم و بار زلزله طراحی می شود. سیستم های باربر لرزه ای دیوار برشی بتن آرمه، با توجه به شکل پذیری زیاد و سختی بالا به طور گسترده ای در سازه های بلند اعم از فولادی و بتنی استفاده می شوند. این نوع سیستم های باربر لرزه ای، در زلزله ها عملکرد مناسبی از خودشان نشان داده اند. اما عمده مشکل این نوع دیوارها خرابی و خردشدگی بتن در پای دیوار و کمانش آرماتورهای این ناحیه است، که تعمیر و بهبودپذیری سازه ها را بعد از زلزله دچار مشکل می کند و حتی در مواردی سازه را به طور کلی از سرویس پذیری خارج می کند. اگر یک قطعه تعویض پذیر در پای دیوار که تمرکز خرابی در آن ناحیه است قرار داده شود، عملکرد سازه به مقدار قابل توجهی بهبود می پذیرد و باعث می شود با جایگزین کردن سریع قطعه تعویض پذیر جدید، هزینه ها و مدت زمان تعمیر سازه بعد از زلزله به مقدار قابل توجهی کاهش یابد و سازه به یک سازه تاب آور تبدیل شود. در این تحقیق عملکرد یک قطعه تعویض پذیر فولادی در پای دیوار برشی بتن آرمه در سازه های فولادی بررسی و با نمونه دیوار برشی بتن آرمه متداول مقایسه شده است. به همین منظور قاب های 6 و 12 طبقه با سیستم باربر جانبی دیوار برشی بتن آرمه با و بدون المان مرزی فولادی در نرم افزار Seismostruct2020  مدل شده اند و تحلیل های غیرخطی همچون تاریخچه زمانی دینامیکی و دینامیکی افزایشی روی قاب ها انجام شده است. در این پژوهش پارامترهای طراحی همچون ضریب اضافه مقاومت، ضریب شکل پذیری و ضریب رفتار سازه با استفاده از تحلیل دینامیکی غیرخطی افزایشی محاسبه شده اند. همچنین منحنی های هیسترزیس قاب های 6 و 12 طبقه در هر دو حالت ترسیم و سطح زیر منحنی ها محاسبه شده است. نتایج نشان داد با اضافه شدن المان مرزی فولادی به دیوار برشی بتن آرمه رفتار سازه بهبود یافته و شکل پذیری افزایش می یابد به نحوی که ضریب رفتار قاب مجهز به مهاربند کمانش تاب در ساختمان 6 طبقه، 30 درصد و در ساختمان 12 طبقه 20 درصد افزایش یافت.

    کلیدواژگان: دیوار برشی بتن آرمه، تاب آوری، المان مرزی فولادی، شکل پذیری، قطعه تعویضپذیر، کمانش تاب
  • امیرحسین طاهرخانی، مجید امین افشار* صفحات 75-96

    استفاده از اعضای با مقطع متغیر به علت صرفه اقتصادی کاربرد فراوانی در سازه های فولادی به خصوص سوله های صنعتی دارد. اما با افزایش دمای ناشی از تغییرات حرارتی، مشخصات مقاومتی و سختی اعضای قاب های صنعتی به سرعت کاهش می یابد. برای طرح کامل و ایمن لازم است پایداری (کمانش حرارتی) در قاب های صنعتی بررسی شود. در مقاله حاضر، کمانش حرارتی و ارتعاشات ناشی از تغییرات حرارتی ستون های الاستیک غیرمنشوری با روش رایلی-ریتز بررسی می شود. در گام اول، با استفاده از روش همیلتون، معادله دیفرانسیل حاکم استخراج می گردد. در گام بعدی، شکل ضعیف معادله دیفرانسیل محاسبه شده و از سری چبیشف به عنوان تابع تغییرمکان عرضی و تابع وزن استفاده می گردد. در گام آخر، پس از استخراج ماتریس های سختی مصالح، سختی هندسی و ماتریس جرم در نهایت مقادیر ویژه معادله بررسی می شوند. نتایج نشان می دهد که افزایش هم زمان شیب مقطع (β) و ضریب تغییرات حرارتی (γ) تاثیر قابل توجهی در افزایش ضریب طول موثر (K) و کاهش ظرفیت بارکمانشی (Pcr) در تمامی شرایط مرزی تکیه گاهی مختلف دارد. هم چنین افزایش هم زمان شیب مقطع (β) و ضریب تغییرات حرارتی (γ)  بسته به نوع شرایط مرزی تکیه گاهی سبب افزایش یا کاهش فرکانس طبیعی بی بعد (ω) می گردد. برای به کارگیری نتایج در محاسبات مهندسی، از منحنی های هم تراز برای ارایه نتایج و نمایش نمودارها استفاده می شود. از نتایج تحقیق های پیشین برای اعتبارسنجی استفاده می شود. تطابق قابل قبولی بین نتایج حاضر و تحقیق های پیشین برقرار است.

    کلیدواژگان: پایداری، کمانش حرارتی، پایداری مقاطع متغیر، اصل همیلتون، تحلیل مقدار ویژه
  • سلمان محمدی*، امین محب خواه صفحات 96-112

    دیافراگم ها علاوه بر تحمل بارهای ثقلی و انتقال این بارها به المان های قایم سازه ای، وظیفه جمع آوری نیروهای جانبی و توزیع آن بین سامانه های مقاوم جانبی را بر عهده دارند. طراحان سازه در برخی موارد به دلیل وجود ملاحظات معماری در طراحی قاب های ساختمانی فولادی مهاربندی شده، ناچار به جابجا نمودن مهاربندها در پلان سازه هستند که در دسته سازه های با نامنظمی خارج از صفحه طبقه بندی می شوند. در چنین سازه هایی، دیافراگم افقی واقع در مرز ناپیوستگی باید نیروهای برشی ناشی از زلزله را انتقال دهد؛ بنابراین بررسی رفتار این دیافراگم ها برای تحلیل و طراحی سازه دارای اهمیت است. هدف از این پژوهش، بررسی رفتار لرزه ای، ظرفیت جابجایی نسبی، ضریب اضافه مقاومت و میزان آسیب پذیری قاب های مهاربندی همگرای ناپیوسته در برابر زلزله است. بدین منظور سازه های سه و شش طبقه با مهاربندهای همگرا در دو حالت با و بدون جابجایی خارج از صفحه مهاربندها با درنظرگرفتن رفتار غیر ارتجاعی دیافراگم تحت تحلیل پوش اور و تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی غیر خطی با استفاده از نرم افزار آباکوس قرار گرفتند. بررسی نتایج نشان داد که دیافراگم بتنی موجود در ناحیه ناپیوستگی با ضخامت پنج سانتی متر در ناحیه انتقال ناپیوستگی مهاربندها، با زاویه 45 درجه دچار آسیب شده و توانایی انتقال نیروی برشی که ناشی از بار جانبی مهاربندها می باشد را ندارد. این در حالی است که در ضخامت های 10 و 20 سانتی متر، دیافراگم در ناحیه مذکور دچار آسیب نمی شود. با توجه به مطالب بیان شده به نظر می رسد که با حداقل ضخامت تعیین شده در مبحث نهم مقررات ملی ساختمان، دیافراگم بتنی در برابر نیروهای برشی انتقال یافته، آسیب پذیر است. همچنین نیاز جابجایی نسبی میان طبقه ای سازه های مورد بررسی، بیش از مقادیر محاسبه شده طبق روابط آیین نامه است.

    کلیدواژگان: دیافراگم، ساختمان های نامنظم، ناپیوستگی مهاربندها، تحلیل تاریخچه زمانی، رفتار لرزه ای
|
  • Hadi Asgari, Seyed Mehdi Zahrai*, Mehdi Vajdian, S. Mohammad Mirhosseini Pages 5-26

    In previous earthquakes, many steel frames suffered damage to their ordinary rigid moment beam-to-column connections. As a result, the use of multi-level control systems in structures has gained attention from engineers in recent years. The main idea in this system is to combine two separate control systems with different stiffness and strength, thus creating dual seismic behaviors. In this study, a two-level friction-yielding damper passive control system is presented for beam-to-column connections, and its cyclic behavior is evaluated using nonlinear static analysis with the finite element method using ABAQUS software. The evaluation results demonstrate that the performance of the samples improves with an optimal ratio of length to thickness. This improvement is reflected in increased stability and area of the hysteresis curves, ultimately leading to higher energy absorption. Additionally, the hysteresis curves indicate a ductile behavior for the proposed damper in the moment connection. Moreover, the obtained hysteresis curves show that the system reliably dissipates energy at different earthquake levels, satisfying the seismic criteria for special moment resistant connections based on the AISC code. The proposed damper serves as an energy dissipating device, effectively dissipating energy at different levels of earthquakes by facilitating slip and yielding, thereby controlling the seismic response of the structure.

    Keywords: Two-level control system, friction- yielding damper, Top plates, ductility, nonlinear static analysis
  • M.S. Shahidzadeh, E. Shahlunejad, A.M. Derakhshannejad Pages 26-39

    The performance evaluation of structures, particularly steel structures against blast loads, is of great importance. One important prediction for dealing with destructive lateral forces in structures is the application of structural steel framing systems. In this study, seven samples of lateral load-resisting systems were developed in a five-story steel structure, considering the provisions of Standard 2800. Using ABAQUS and SAP2000 software, numerical analysis was performed on these systems under blast loads. An aerial explosion was considered, with an explosive material quantity of 200 kg in terms of T.N.T, located at a distance of 2 meters from the centerline of the beam-column connection, in a height of 2.8 meters from the ground level. The results showed that in all models, the adjacent column to the explosion source experienced severe deformation, and plastic damage occurred in the connection region. Additionally, the stresses in the beam web and connection plates at the base of the column reached their maximum values. This occurrence was less observed in moment frame models, while special moment frames and intermediate moment frames demonstrated better performance. In various shear wall models, no plastic damage was observed at the base of the adjacent column to the explosion source, and the energy absorption per unit weight of the structure was obtained. Consequently, the special moment frame had the highest energy absorption capacity, and the lowest was associated with the concentric moment frame.

    Keywords: Steel lateral bearing systems, Blast load, Abaqus software, Steel shear wall
  • D. Pesaran Behbahani, N. Fanaie* Pages 40-59

    Previous studies have demonstrated the occurrence of brittle and early stage cracks in the connection between the link beam and the column, specifically in the vicinity of the groove welds  that connect  the flanges of the link beam to the column, when subjected to seismic activity. A similar type of rupture has also been observed in the end-plate connections of the link beam to the external link beam. This research explors the consept of utilizing a box-shaped link beam with a reduced cross-section in the Abaqus finite element software to magnitude the plastic strain demand generated at the flange ends of the box link beam. The objective is to prevent rupture in this specific region. The results indicate that the maximum equivalent plastic strain at the end of the link beam flanges can be reduced by up to 38% for short link beams, up to 41% for intermediate link beams, and up to 68% for long link beams. Consequently, this approach effectively prevents premature ruptures in the area adjacent to the groove weld connecting the beam flange to the end plate. The magnitude of the equivalent plastic strain at the end of the box link beam decreases as parameters "a" and "b" decrease, and parameter "c" (geometric parameters of the reduced cross-section) increases. Parameter "c" exhibits the most significant influence on this parameter, while parameter "b" has the least significant impact. Additionally, the adoption of a reduced cross-section in the box link beam results in an increase of up to 35% in the energy dissipation of the link beam due to enhanced participation of the flanges in energy dissipation for short link beams, up to 158% for intermediate link beams, and up to 250% for long link beams.

    Keywords: Eccentrically braced frame, Box link beam, Equivalent plastic strain, Finite element modeling
  • S.Ali Razavi*, Ali Mardani Pages 60-75

    Reinforced-Concrete Shear Wall (RCSW) is a common lateral resisting system especially in mid and high-rise structures. This popularity among engineers is due to high ductility and in-plane stiffness of the RCSWs. RCSWs have shown good performance as seismic load-bearing systems in past earthquakes. However, the main disadvantage of RCSWs is the crushing of concrete at the foot of the wall and as a result the buckling of the reinforcement in this area, which makes it difficult and, in some cases, impossible to repair after the earthquake. As a solution, using Buckling-Restrained Brace (BRB) as boundary elements at the base of the RCSWs is proposed and investigated in this research. For this purpose, two sets of 6 and 12-storey structures with conventional RCSW and BRB-RCSW as lateral resisting system were designed, and their seismic response were assessed through static (monotonic and cyclic), dynamic Nonlinear Time History (NLTH) and Incremental Nonlinear Dynamic Analyses (NIDA). The results indicate improved structural performance and an increase of response modification factor from 4.4 in conventional RCSW to 5.47 in RCSW-BRB. Furthermore, the proposed system prevents the induced damage at the foot of the RCSW while the replaceable BRBs act as the fuses, increasing the resiliency of the structure. So that the behavior factor of the frame equipped with buckling-restrained braces increased by 30 percent in the 6-story building and 20 percent in the 12-story building.

    Keywords: Reinforced concrete shear wall, Resilient, Steel boundary element, Ductility, Replaceable element, Buckling-restrained
  • AmirHossein Taherkhani, Majid Amin Afshar Pages 75-96

    Due to economic efficiency, members with variable cross-sections are widely used in steel structures, especially industrial sheds. But with the increase in temperature caused by thermal changes, the strength and hardness characteristics of industrial frame members decrease rapidly. It is necessary to check stability (thermal buckling) in industrial frames for a safe and complete design. In this article, thermal buckling and vibrations caused by thermal changes of non-radiative elastic columns are investigated by the Rayleigh-Ritz method. In the next step, the weak form of the differential equation is calculated and the Chebyshev series is used as the transverse displacement function and the weight function. In the last step, after extracting material stiffness matrices, geometric stiffness, and mass matrix, the eigenvalues of the equation are checked. The results show that the simultaneous increase of the slope of the section and the coefficient of thermal changes significantly affect the effective length coefficient and reduce the buckling load capacity in all the boundary conditions of different supports. Also, the simultaneous increase of the slope of the cross-section and the coefficient of thermal variation, depending on the type of boundary conditions of the support, cause an increase or decrease in the dimensionless natural frequency. Aligned curves are used to present results and display graphs to apply results in engineering calculations. The results of previous research are used for validation. There is an acceptable agreement between the present results and previous studies.

    Keywords: Stability, Thermal buckling, Stability of variable sections, Hamilton's principle, Eigenvalue analysis
  • Salman Mohammadi*, Amin Moheb Khah Pages 96-112

    Diaphragms, beyond supporting gravity loads and transferring them to vertical structural elements, play a crucial role in collecting lateral forces and distributing them among lateral resistant systems. In some cases, due to architectural considerations in the design of braced steel building frames, structural designers are compelled to shift the braces in the structure's plan, classifying them under structures with out-of-plane offset irregularity. In such structures, the horizontal diaphragm between the shifted braces must effectively transfer the shear forces induced by earthquakes. Therefore, investigating the behavior of these diaphragms is imperative for the analysis and design of these structures. The objective of this research is to investigate the seismic behavior, drift demands, over-strength factor, and the degree of vulnerability of discontinuous concentrically braced frames (CBFs) when subjected to earthquakes. To achieve this goal, two three-dimensional CBFs of 3 and 6 stories, both with and without out-of-plane offset irregularity, incorporating inelastic diaphragm behavior, were taken into account through pushover and nonlinear time-history dynamic analyses using ABAQUS. The examination of the results indicated that the concrete diaphragm existing in the discontinuity region, with a thickness of five centimeters, has been damaged at a 45-degree angle. It lacks the ability to transfer the shear force resulting from the lateral load of the braces. This is in contrast to thicknesses of 10 and 20 centimeters, where the diaphragm in the mentioned area remains undamaged. Given the information provided, it seems that, with the minimum thickness specified in Iranian National Building Code (part 9), was vulnerable to the transferred shear forces. Additionally, it was found that the inter-story drift demands of the frames exceed the estimations proposed by the building code.

    Keywords: Diaphragm, Irregular Buildings, Discontinuity in Braces, Time-history Dynamic Analysis, Seismic Behavior