بررسی آزمایشگاهی و تحلیلی شکل پذیري حلقه فولادي مرکب جهت نصب در مهاربندهاي هم محور 

چکیده  

در دهههاي گذشته، تحقیقات مختلفی جهت افزایش شکلپذیري مهاربندهاي هممحور صورت گرفته است. یکی از روشهاي افزایش شکلپذیري و کنترل کمانش عضو فشاري مهاربندها، استفاده از المان شکلپذیر حلقه فولادي است. حلقه تعبیهشده تحت اثر نیروي محوري در مهاربند، تحت خمش قرار گرفته و با استفاده از جمع شدن و بازگشت به حالت اولیه و ورود به مرحله غیرخطی و تشکیل مفاصل خمیري، در استهلاك انرژي زلزله تأثیر بهسزایی خواهد داشت. از آنجایی که تنوع حلقههاي فولادي محدود و تهیه آنها متناسب با ظرفیت مورد نیاز سازه مقدور نیست، لذا اتخاذ روشی جهت افزایش ظرفیت باربري حلقههاي موجود از جمله کمبودهاي پژوهشی در این زمینه میباشد. هدف از این مقاله، افزایش ظرفیت باربري المان حلقه با استفاده از دو حلقه متداخل فولادي است که فضاي بین آنها توسط ماده پلاستیک صنعتی (یا تفلون) پر شده است. در این پژوهش، علاوه بر مطالعات آزمایشگاهی، مدلسازي عددي با استفاده از نرمافزار ABAQUS و تحت اثر بار چرخهاي، مطالعه شده است. نتایج حاصله نشان داده است که تحلیل نظري المان مورد مطالعه از دقت لازم برخوردار بوده و با نتایج آزمایشگاهی انطباق خوبی دارد .همچنین المان مورد مطالعه داراي منحنی هیسترزیس پهن بوده و میتواند شکلپذیري و جذب انرژي مناسبی از خود نشان دهد که ضریب شکلپذیري کششی آن 77/2 میباشد .براین اساس ،بیشترین نیروي کششی قابل تحمل المان و جابهجایی قائم نظیر آن به ترتیب 48/99 کیلونیوتن و 01/16 میلیمتر میباشد. این مقادیر در اثر اعمال نیروي فشاري به ترتیب 55/101 کیلونیوتن و 50/11 میلیمتر نتیجه شده است .

 

کلیدواژهها: آزمایشگاهی، المان محدود، حلقه فولادي، شکلپذیري ،مهاربند هممحور.

 

 

1– مقدمه 

براي پایداري و مقاومسازي سازهها در برابر نیروي زلزله باید از روشهایی استفاده کرد تا آسیبهاي وارد به سازه به حداقل برسد. براي تحقق چنین امري میتوان دو روش کلی را پیشنهاد کرد. روش اول؛ ساخت سازههایی با ضریب اطمینان بالاست، به مفهوم ساخت سازهاي که داراي مقاومت و سختی بالایی باشد، که این روش از نظر اقتصادي مقرون به صرفه نیست و توجیهی براي بهرهمندي در سازههاي متداول ندارد. روش دوم؛ کاهش انرژي وارده از طرف زمین به سازه و اتلاف این انرژي در سازه میباشد.

اتلاف انرژي در سازه توسط بعضی از اعضاي تعبیهشده در آن صورت میگیرد که از آسیبدیدگی اعضاي اصلی سازه جلوگیري میکند. به همین جهت، انتخاب اولیه در طراحی لرزهاي سازهها ،استهلاك انرژي زلزله و شکلپذیري سازهها از طریق تغییر شکلهاي غیر الاستیک اعضا و اتصالات آنها میباشد (Marshall و Charney، 2010). 

مهاربندهاي هممحور از جمله رایجترین سیستمهاي مقاوم لرزهاي در ساختمانها بهشمار میآیند. مهاربندهاي هممحور به دلیل داشتن مزایایی چون سختی زیاد، سهولت و پایین بودن هزینه اجرا، تغییر شکل کم و حساسیت کمتر به نوع اتصالات، همواره موردتوجه خاص طراحان قرار گرفته است. این سیستم مقاوم لرزهاي داراي سرعت بالاي بازسازي پس از وقوع زلزله نیز میباشد. زیرا تعمیر و بازسازي سازهها پس از وقوع زلزله ،تابع گستردگی المانهاي مقاوم در کل آن سازه خواهد بود .سیستمهاي مهاربندي به دلیل حضور در یک یا چند دهانه، نسبت به سیستم قاب خمشی که شامل عناصر سازهاي در کل سازه میباشد، از سرعت بازسازي بیشتري برخوردار هستند. این مزیت

میتواند در کنار کاهش هزینههاي بازسازي در سیستمهاي مهاربندي، از درجه اهمیت بیشتري نیز برخوردار گردد (Abbasnia و همکاران ،2008). در کنار تمامی این مزایا ،ضعف عمده مهاربندهاي هممحور ،کمانش عضو فشاري مهاربند در هنگام وقوع زلزله و محدود شدن شکلپذیري و کاهش ظرفیت باربري سازه میباشد (Murthy، 2005). بهنحوي که پس از کمانش عضو فشاري، چندان جذب انرژي وجود نداشته و سازه با کوچکترین نیروي وارده دچار آسیب و خسارت میشود. از طرفی کم بودن شکلپذیري مهاربندهاي هممحور، موجب کاهش ضریب رفتار سازه میگردد که نتیجه بهکارگیري چنین سیستم مقاومی ،افزایش نیروي زلزله وارده به سازه خواهد شد. با توجه به شکلپذیري پایین مهاربندهاي هممحور ،عملکرد لرزهاي آنها اندك است که به همین جهت ،برخی آییننامههاي ساختمانی از جمله استاندارد 2800، کاربرد آنها را محدود کردهاند. بنابراین در سازههاي با مهاربندي هممحور، افزایش شکلپذیري گام بسیار مهمی در جهت بهبود عملکرد سازه محسوب میشود.

سیستمهاي مقاوم در برابر نیروهاي جانبی به منظور حفظ قابلیت و کارایی سازه، میبایست دو مشخصه مهم سختی و شکلپذیري را در کنار مشخصه مقاومت به همراه داشته باشند. در دهههاي گذشته ،تحقیقات مختلفی به منظور افزایش شکلپذیري مهاربندهاي هممحور انجام شده است که از آن جمله میتوان به مطالعات Mualla ،(2000) Butterworth و Belev (2002) و Clark و همکاران (2000) در استفاده از اتصالات اصطکاکی اشاره کرد .میراگرهاي اصطکاکی بر پایه استهلاك انرژي بهوسیله لغزش و بالاتر بردن زمان تناوب ارتعاشی سیستم عمل میکنند. در همین زمینه نیز تحقیقاتی به منظور بهبود اتصالات اصطکاکی انجام شده است.

Grigorian و همکاران (1993) به منظور افزایش مقاومت سایشی و بالا بردن کارایی میراگرهاي اصطکاکی از فلز برنج ما بین سطوح لغزش استفاده کردند.

Pall و Marsh (1982) نیز یک نوع میراگر اصطکاکی به-خصوص براي مهاربندهاي متقاطع با استفاده از اتصال لوبیایی طراحی کردند. از مطالعات دیگر در زمینه افزایش شکلپذیري مهاربندهاي هممحور، میتوان به مطالعات Rezaieian (2002) و Roufegarinejad و Sabouri (2002) در خصوص استفاده از غلاف پوششی به منظور افزایش بار کمانش مهاربند تحت نیروي فشاري اشاره کرد. بهکارگیري مهاربندهاي کمانش تاب، یکی دیگر از روشهاي افزایش شکلپذیري مهاربندهاي هممحور و کنترل کمانش آن تحت فشار میباشد .

استفاده از المانهاي شکلپذیر با عملکرد خمشی- برشی در محلی از مهاربند، از جمله روشهاي دیگر در زمینه افزایش شکلپذیري مهاربندهاي هممحور به حساب میآید. در این خصوص نیز میتوان به مطالعات Chen و Vetr ،(1990) Lu (1997)، Maheri و Thomopoulos ،(2003) Akbari و Koltsakis (2003) و Tehranizadeh (2000) اشاره کرد. از انواع مختلف المانهاي خمشی، المان زانویی و مهاربندهاي داراي المان زانویی است که توسط Balendra (1997) در طی 7 سال مورد بررسی قرار گرفت. حساسیت طراحی این المان نسبت به طول آن و ایجاد نیروي برشی در ستون قاب، از معایب این سیستم بهشمار میآید.

Tsie (1993) المان خمشی مثلثی شکل فولادي تحت عنوان TADAS را معرفی کرد. عدم قابلیت استفاده از این المان در مهاربندهاي ضربدري و مشکلات اجرایی آن از معایب المان معرفی شده محسوب میشود .در سالهاي اخیر المان شکلپذیر خمشی با دیدگاههاي جدید نیز مطرح شده است. در این خصوص میتوان به مطالعات Malek و همکاران (2006) در بهکارگیري میراگر غیرفعال حلقوي با مقطع قوطی در محل تقاطع مهاربند ضربدري اشاره کرد. همچنین تحقیقات گستردهاي در جهت افزایش شکلپذیري مهاربندها با استفاده از وسایل ویسکو- هایپرالاستیک در ساختار مهاربندي، توسط KrishnaMurthy (2005) انجام شده است که نتایج آن نیز، در راستاي افزایش استهلاك انرژي زلزله در سیستم میباشد.

Abbasnia و همکاران( 2008) المان خمشی حلقه فولادي را جهت افزایش شکلپذیري مهاربندهاي هممحور پیشنهاد کردند .آنها از یک لوله فولادي بدون درز با قطر خارجی 220، ضخامت 12 و طول 100 میلیمتر بهره گرفتند. تصویر آزمایش آنها در شکل (1) ارائه شده است .المان معرفی شده، با اضافه شدن در انتهاي عضو مهاربندي، میتواند علاوه بر افزایش شکلپذیري، از کمانش عضو فشاري نیز جلوگیري کند. بنابراین در صورت به-کارگیري المان شکلپذیر حلقه، تسلیم عضو مهاربندي بر کمانش آن مقدم میگردد .این المان به عنوان یک عضو فدا شونده و یا به اصطلاح فیوز، با تغییر شکلهاي خمشی و غیر الاستیک خود در هنگام زلزله، موجب استهلاك انرژي مخرب زلزله میگردد .از آنجایی که ظرفیت باربري حلقه فولادي از بار کمانش مهاربند کمتر در نظر گرفته میشود ،اعضاي اصلی سازه در حالت الاستیک باقیمانده و از آسیبدیدگی آنها جلوگیري میشود. در نتیجه تمامی خرابیها به المان حلقه محدود خواهد شد .آنها همچنین گزارش کردند که المان شکلپذیر حلقه فولادي، داراي منحنی هیسترزیس پهن و متقارن بوده و میتواند به عنوان جاذب بسیار مناسب انرژي زلزله در مهاربندهاي هممحور بهکار رود .از دیگر مزایاي این ایده میتوان به هزینه پایین، اجراي آسان و امکان تعویض حلقه فولادي بعد از آسیب دیدن آن در زلزله اشاره و تولید انبوه آن را به عنوان یک سیستم اجرایی در کشور معرفی کرد.

المان حلقه فولادي را میتوان در انواع مهاربندها بهکار برد .

Bazzaz و همکاران (2012 و 2015) شکلپذیري و جذب انرژي حلقه فولادي در مهاربندهاي نیم دروازهاي را مورد بررسی قرار دادند و گزارش کردند که المان حلقه قابلیت جذب بالاي انرژي زلزله در سیستم مهاربند دروازهاي را دارد و میتواند به عنوان یک فیوز سازهاي، جهت افزایش شکلپذیري در این مهاربندها بهکار رود. این نتیجه در راستاي تحقیق Esmaeeli (2011) نیز میباشد.

ظرفیت باربري حلقه فولادي تابعی از طول، شعاع، ضخامت و تنش تسیم آن است و این امر موجب میشود تا با تغییر هر یک از عوامل فوق بتوان امکان طراحی المان حلقه متناسب با نیازهاي سازه را فراهم نمود (Abbasnia و همکاران ،2008). با افزایش نیروي محوري مهاربند، میبایست قطر حلقه کاهش و ضخامت آن افزایش یابد. به عبارت دیگر، ظرفیت باربري المان حلقه محدود بوده و با افزایش قطر، میزان شکلپذیري آن کاهش و با افزایش ضخامت، میزان شکلپذیري آن افزایش مییابد. اگرچه ظرفیت باربري المان حلقه به عنوان یک فیوز سازهاي میبایست همواره کمتر از نیروي محوري مهاربندها در نظر گرفته شود، ولی با افزایش ظرفیت مهاربندي ناگزیر به استفاده از فیوزهاي با ظرفیت بالاتر خواهیم بود .لیکن استفاده از حلقههاي موجود در بازار و مقرون به صرفه بودن مصالح، مسئله مهمی است که باید بدان توجه گردد. با توجه به اینکه لولههاي بدون درز در قطر و ضخامتهاي مختلف در بازار موجود نیست، لذا براي حل این مشکل روشهایی پیشنهاد شده است. از آن جمله میتوان به مطالعه Andalib و همکاران (2014) که به بررسی رفتار حلقههاي ساخته شده از ورقهاي فولادي در مهاربندهاي هممحور پرداخته شد، اشاره کرد .در این تحقیق مقایسهاي بین حلقههاي جوشی با خطوط مختلف جوش و حلقههاي پیچی انجام شد. نتایج تحقیق نشان داد که اتصال حلقههاي ساخته شده از ورق به ورقهاي اتصال میانی به صورت پیچی، شکلپذیري را افزایش میدهد ،ولیکن در مدل پیچی امکان جداشدگی افزایش مییابد و ظرفیت باربري کاهش پیدا میکند. همچنین آزمایشهاي انجام شده روي نمونهها نشان داد که جوشهاي برگشتی داخل حلقه، موجب کاهش شکلپذیري شده و باعث رفتار ترد و شکننده آنها میشود .بنابراین پس از معرفی المان شکلپذیر حلقه فولادي به عنوان یک سیستم اتلاف انرژي غیرفعال نوین، تحقیقات جدید میبایست در جهت افزایش ظرفیت باربري آن انجام گیرد. به همین منظور پیشنهاد استفاده از حلقههاي تودرتو با ضخامت کم موجود در بازار و پر کردن آنها با مواد مقاوم فشاري مطرح شد.

هدف از این مقاله ،بررسی افزایش ظرفیت باربري المان شکلپذیر حلقه، با قرار دادن دو حلقه فولادي تودرتو و فاصلهدار که فضاي بین آنها بهوسیله مواد پلاستیک صنعتی به نام تفلون پر شده است، میباشد. این المان جدید مانند یک فیوز خمشی براي محدوده بارهاي وارده عمل کرده و از ورود دیگر اعضاي سازه به مرحله غیرخطی جلوگیري مینماید .بدین منظور رفتار المان جدید توسط مطالعات آزمایشگاهی و تحلیلی با استفاده از نرمافزار المان محدود غیرخطی ABAQUS (2011) مورد بررسی قرار گرفته است .

 

2- مشخصات المان مورد مطالعه       شکل (2)، ابعاد المان پیشنهادي و چگونگی قرارگیري آن در نقطه اتصال یک

مهاربند قطري به صفحه اتصال گوشه را نمایش میدهد. بر این اساس، المان موردنظر از دو حلقه فولادي با قطر خارجی 170 و 90 میلیمتر و قطر داخلی 156و 80 میلیمتر و با طول 50 میلیمتر از لوله مانیسمان (بدون درز) از نوع 37ST تهیه شده است .

دو حلقه فولادي توسط چهار پیچ پر مقاومت با رده مقاومتی 8/8 و به صورت عمود بر هم و با قطر و طول به ترتیب 10 و 70 میلیمتر به هم متصل شدهاند و فضاي بین آنها بهوسیله ماده پلاستیک صنعتی (یا تفلون) پرشده است. مشخصات مکانیکی حلقه و ورقهاي اتصال و ماده پرکننده تفلون در جدول (1) ارائه شده است .

 

 

شبیهسازي شده بار زلزله طبق پروتکل آییننامه 40 ATC (1992) میباشد که تاریخچه بارگذاري آن در شکل (5) مشاهده میگردد .بر این اساس، ماکزیمم جابهجایی بارگذاري برابر 24 میلیمتر و تعداد چرخههاي با دامنه جابهجایی ماکزیمم برابر 4 و جابهجایی تسلیم میراگر برابر 5 میلیمتر مفروض میباشد.

در این آزمایش، نیرو توسط دو جک فشاري با ظرفیت 20 تن و به صورت چرخهاي اعمال میشود. مقادیر اندازهگیري شده در آزمایش به صورت نیرو- جابهجایی است و در هر مرحله میزان     جابهجاییهاي قائم حلقه توسط دو کرنشسنج 10 سانتیمتري در

(الف)  اثر اعمال نیروي کششی و فشاري ثبت میشوند. یک کرنشسنج   نیز روي ناودانی مهاربند نصب شده است تا بهوسیله آن بتوان میزان انحراف عمودي سیستم آزمایش را کنترل نمود و در صورت وجود انحراف نسبت به اصلاح سیستم اقدام کرد.

شکل 4– جزئیات و نحوه انجام آزمایش 

 

جدول 1- مشخصات مکانیکی اعضاء

مدول           الاستیسیته (N/mm2)	کرنشنهایی	تنش نهایی (N/mm2)	تنش تسلیم (N/mm2)	اجزاي تشکیل دهنده المان پیشنهادي
2/1×105	0/3	370	240	حلقهها و ورقهاي اتصال
150	0/3	24	15	ماده پرکننده (تفلون)

 

3– آزمایش حلقه فولادي مرکب        مطابق شکلهاي (3) و (4)، براي اتصال المان شکلپذیر موردنظر به دستگاه آزمایش، از ورقهاي فولادي از نوع 37ST استفاده شده است. در این پژوهش بار اعمالشده، بار چرخهاي

– 1– نتایج آزمایش حلقه فولادي مرکب        شکل (6)، المان پیشنهادي را در دو حالت کشش و فشار نشان میدهد. با اعمال نیروي فشاري، حلقه خارجی بهخوبی تغییر شکل داده و به شکل بیضی در آمده است. با توجه به وجود مواد پلاستیکی پرکننده در فضاي بین دو حلقه و پیچهاي پر مقاومت، این پیچها در فشار ناشی از نیرو بهخوبی مقاومت کرده و تغییر شکل و نیرو بهخوبی به حلقه داخلی منتقل شده است که تغییر شکل حلقه داخلی نیز بهخوبی قابل مشاهده است. مطابق نتیجه آزمایشگاهی، در اثر اعمال نیروي کششی ،شکست المان در حلقه خارجی و در محل اتصال حلقه به ورقهاي اتصال رخ داده است. این گسیختگی نشان از توزیع یکنواخت بار در طول المان را دارد که در محل حداکثر لنگر خمشی پلاستیک اتفاق میافتد. در مرحله کشش که حلقه خارجی شکسته شد، تغییر شکلی در المان دیده نمیشود که نشان دهنده این است که مواد پلاستیکی به-خوبی بعد از شکست نیرو را منتقل نمیکنند و عملالاً المان در کشش کار نمیکند.

در شکل (7)، نتایج تحلیل بار چرخهاي المان مورد مطالعه با عنوان منحنی هیسترزیس نیرو- جابهجایی قائم نشان داده شده است .بر این اساس ،منحنی به دست آمده پهن بوده و نشان دهنده قابلیت بالاي شکلپذیري المان میباشد و باوجود استفاده از مواد پرکننده در حلقه، جذب انرژي خوبی از خود نشان داده و ظرفیت حلقه در برابر تغییر مکان نسبت به تک حلقه فولادي (Abbasnia و همکاران، 2008) افزایش یافته است. براي بهتر نشان دادن رفتار المان، پوش منحنی هیسترزیس نیرو- جابهجایی قائم به یک نمودار دوخطی تبدیل شد. در این نمودار، مقدار ∆ با ترسیم منحنی الاستوپلاستیک معادل بر روي پوش منحنی هیسترزیس بار- تغییر مکان به دست میآید. مقدار  ∆نیز جابهجایی نهایی و یا تغییر شکل نظیر 20 درصد افت بار حداکثر میباشد.

در شکل (8)، رفتار المان پیشنهادي در اثر اعمال بار چرخهاي، توسط پوش منحنی هیسترزیس نیرو- جابهجایی قائم حلقه فولادي مرکب و نمودار دوخطی نشان داده شده است .همچنین در جدول (2)، خلاصه منحنی عملکرد دو خطی و پوش منحنی هیسترزیس المان مورد مطالعه ارائه شده است.

مطابق شکل (8)، رفتار المان در بارهاي کششی و فشاري متفاوت است. المان موردنظر داراي بیشینه نیروي کششی به میزان 48/99 کیلونیوتن در جابهجایی 01/16 میلیمتر میباشد .

درحالیکه این مقادیر در اثر اعمال نیروي فشاري به ترتیب 55/101 کیلونیوتن و 50/11 میلیمتر نتیجه شده است. بنابراین بیشینه نیروي فشاري 2 درصد بیشتر از بیشینه نیروي کششی به دست آمده است.

شکل 8– پوش منحنی هیسترزیس و منحنی عملکرد دوخطی

المان پیشنهادي

 

Abbasnia و همکاران (2008) میزان ظرفیت باربري المان تک حلقه فولادي را در حالت کششی و فشاري به ترتیب 7/87 و 7/73 کیلونیوتن و با بیشینه تغییر طول قائم 8/19 میلیمتر تعیین کردند. بنابراین ظرفیت باربري المان مورد مطالعه در این پژوهش به میزان 12 و 28 درصد نسبت به المان تک حلقه افزایش یافته است .حضور پلاستیک فشرده در فضاي بین حلقهها موجب گردید که ظرفیت فشاري المان بیشتر گردد. درحالیکه حلقه فولادي تنها داراي ظرفیت کششی بالاتري بود و دلیل آن تغییر قطر افقی حلقه و تأثیر آن بر بازوي بار در معادله تعادل حلقه میباشد.

میزان ضریب شکلپذیري المان مورد مطالعه(  ) در حالت اعمال نیروي کششی( ) و فشاري( ) و ضریب شکلپذیري متوسط( μ ) به ترتیب در روابط (1) تا( 3) ارائه شده است .

Abbasnia و همکاران (2008) ضریب شکلپذیري المان حلقه فولادي تنها را 66/4 گزارش کردند که در این مطالعه ضریب شکلپذیري المان پیشنهادي به میزان 47 درصد کمتر از ضریب شکلپذیري حلقه فولادي تنها بهدست آمده است. این موضوع

مقدار	پارامتر
	عملکرد کششی
124/40	(KN)
99/48	(KN) = 0.8
16/01	∆ (mm)
5/78 17/21	∆ (mm)
	عملکرد فشاري
126/95	(KN)
101/55	(KN) = 0.8
11/50	∆ (mm)
5/32 19/09	∆ (mm)

میتواند به دلیل وجود مواد پرکننده پلاستیکی با مقاومت فشاري بالا در فضاي بین حلقهها باشد. همچنین سختی الاستیک اولیه المان مورد مطالعه در دو حالت اعمال نیروي کششی( ) و فشاري( ) به ترتیب در روابط (4) و( 5) ارائه شده است. این سختی نسبت به حلقه فولادي تنها در حالت کششی و فشاري به ترتیب به میزان 16 و 10 درصد کاهش یافته است .   ∆           16.01 = ∆                                                             = 5.78 = 2.77                  (1)     ∆          11.5                     (2)                                          16.2 = 32.5 =      ∆ =                                                                                                                                                                                                             (3)                                             = + = 2.               = 2.47 2 (4)                                             = ∆              =                    = 17.21  KN                    (5)                                             =  =            = 19.09   KN ∆

منحنیهاي انرژي- جابهجایی قائم و انرژي تجمعی- جابهجایی قائم المان مورد مطالعه به ترتیب در شکلهاي (9) و (10) ارائه شده است. با توجه به چرخه بارگذاري آزمایش، در هر مرحله انرژي جذب شده محاسبه و سپس به صورت تجمعی این انرژيها محاسبه گردیده است. مطابق شکل (9)، مقدار ماکزیمم انرژي در چرخههاي غیر الاستیک برابر با 5543 ژول و مقدار ماکزیمم انرژي در چرخههاي الاستیک برابر با 260 ژول میباشد. این مقادیر در خصوص المان تک حلقه فولادي به ترتیب 5/4198 و 86/37 ژول تعیین گردید .بنابراین المان موردنظر در این مطالعه قادر است تا در آخرین چرخه غیرالاستیک و الاستیک به ترتیب تا 31 و 58 درصد جذب انرژي بالاتري از خود نشان دهد. مطابق رابطه( 6) ملاحظه میگردد که انرژي چرخهاي غیرالاستیک بیشتر از 21 برابر انرژي آخرین چرخه الاستیک میباشد که بیانگر این مفهوم است که جذب انرژي در چرخههاي غیرالاستیک بسیار بیشتر از چرخههاي الاستیک میباشد. بر این اساس، المان مورد مطالعه با داشتن شکلپذیري بالا به عنوان فیوز سازهاي تحت بار چرخهاي معرفی میگردد. مطابق شکل (10)، مجموع انرژي مستهلک شده المان مورد مطالعه در کل آزمایش برابر با 33400 ژول میباشد. بنابراین المان موردنظر از لحاظ جذب انرژي بالا در محدوده غیرخطی، گزینه مناسبی جهت نصب در مهاربندهاي هم-محور و جلوگیري از کمانش عضو فشاري مهاربند در جهت مطالعات محققان Abbasnia و همکاران (2006) و Vetr و همکاران (2006) میباشد. جدول (3)، مقایسه عملکردي المان مورد مطالعه و المان تک حلقه فولادي را نشان میدهد .

جهت صحتسنجی مدلسازي تحلیلی از تطابق منحنیهاي هیسترزیس آزمایشگاهی و تحلیلی نیرو- جابهجایی قائم المان استفاده گردید که در شکل (13) نشان داده شده است. چنانکه مشاهده میگردد، بین دو منحنی آزمایشگاهی و تحلیلی انطباق خوبی برقرار است و میزان جذب انرژي بالایی از خود نشان میدهند. همچنین ظرفیت باربري المان در تحلیل آزمایشگاهی و عددي به یکدیگر نزدیک است. مطابق شکل (13)، ظرفیت کششی و فشاري تحلیلی المان موردنظر از نتایج نظیر آزمایشگاهی کمتر است. بر این اساس، نیروي قابل تحمل المان مورد مطالعه در حالت کششی و فشاري به ترتیب 5/117 و 6/113 کیلونیوتن نتیجه شده است. این مقادیر نسبت به ظرفیت کششی و فشاري المان در آزمایشگاه، به ترتیب 5 و 10 درصد کاهش را نشان میدهند .با توجه به عدم تأثیر تغییر شکل هندسی حلقه در نرمافزار، این موضوع در مطالعه Abbasnia و همکاران (2008) نیز به چشم میخورد .بنابراین طراحی المان موردنظر بر اساس نتایج تحلیلی در جهت اطمینان میباشد .

Andalib و همکاران( 2014) با بهکارگیري المان تکحلقه در مهاربندهاي نیم دروازهاي، گزارش کردند که ظرفیت باربري المان در کشش و فشار به ترتیب 64/114 و 42/84 کیلونیوتن میباشد .

درحالیکه میزان جذب انرژي المان حدود 4200 ژول محاسبه گردید. در مقایسه نتایج المان پیشنهادي در این مطالعه میتوان متذکر شد که میزان جذب انرژي در صورت بهکارگیري حلقههاي تودرتو و پلاستیک فشرده در فضاي بین آنها تا 32 درصد افزایش مییابد.

 

• نتیجهگیري

در این مقاله، افزایش ظرفیت باربري حلقه فولادي به عنوان یک فیوز خمشی جهت افزایش شکلپذیري و کنترل کمانش عضو فشاري مهاربندهاي هممحور، به شیوه نوینی مورد بررسی قرار گرفت .بر این اساس ،المان حلقه فولادي مرکب که از دو حلقه متداخل فولادي و ماده پلاستیکی با مقاومت فشاري بالا تشکیل شده است، مورد ارزیابی آزمایشگاهی و تحلیلی قرار گرفت. در بررسیهاي آزمایشگاهی مشخص شد که المان پیشنهادي داراي قابلیت جذب بالاي انرژي زلزله در سیکلهاي رفت و برگشتی است و میتواند گزینه مناسبی جهت نصب در مهاربندهاي هممحور به حساب آید. همچنین ظرفیت کششی المان شکلپذیر پیشنهادي به میزان 48/99 کیلونیوتن در جابهجایی 01/16 میلیمتر میباشد. این مقادیر در خصوص ظرفیت فشاري به ترتیب 55/101 کیلونیوتن و 50/11 میلیمتر میباشد. در المان پیشنهادي، ضریب شکلپذیري نسبت به تک حلقه فولادي کاهش مییابد. این در حالی است که ظرفیت کششی و فشاري آن افزایش یافته است.

المان پیشنهادي قادر است که در حالت غیرالاستیک بیش از 21 برابر حالت الاستیک، انرژي زلزله را جذب نماید که این حکایت از شکلپذیري المان مورد مطالعه دارد. در مدلسازي عددي المان پیشنهادي نیز مشخص شد که نتایج تحلیل سهبعدي المان با نرم-افزار ABAQUS از دقت لازم برخوردار بوده و با نتایج آزمایشگاهی انطباق خوبی دارد .همچنین تحلیل نظري، نیروي قابل تحمل المان مورد مطالعه را در اثر اعمال نیروي کششی و فشاري به ترتیب 5 و 10 درصد از نتایج آزمایشگاهی کمتر نشان میدهد. بر اساس نتایج تحلیلی، بیشترین تنشهاي محیطی در حلقه خارجی و در محل اتصال به ورقهاي فولادي رخ میدهد. یعنی همان محلی که المان موردنظر در آزمایشگاه از آنجا گسیخته شد .

 

• مراجع

Abbasnia R, Vetr MG, Ahmadi R, Kafi MA, ‘‘Experimental and Analytical Investigation on the Steel Ring Ductility’’, Sharif Journal of Science and Technology, 2008, 52, 41-48.

Abbasnia R, Vetr MG, Kafi MA, ‘‘A study on functionality of dutiable element in ductility concentrically braces’’, 7^th International Congress on Civil Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran, 2006.

Andalib Z, Kafi MA, Kheyroddin A, Bazzaz M, ‘‘Experimental investigation of the ductility and performance of steel rings constructed from plates’’, Journal of Constructional Steel Research, 2014, 103, 77-88.

ATC40. Guidelines for Seismic Testing of Components of Steel Structures, Washington (DC), 1992.

Balendra T, Lim EL, Liaw CY, ‘‘Large-Scale Seismic Testing of Knee-Brace-Frame”, Journal of

Structural Engineering, 1997, 123 (1), 11-.91

Bazzaz M, Kheyroddin A, Kafi MA, Andalib Z, ‘‘Evaluation of the seismic performance of off-center bracing system with ductile element in steel frames’’, Steel and Composite Structures, 2012, 12 (5), 445-464.

Bazzaz M, Andalib Z, Kafi MA, Kheyroddin A, ‘‘Evaluating the performance of OBS-C-O in steel frames under monotonic load’’, Earthquakes and Structures, 2015, 8 (3), 697-710.

Butterworth J, ‘‘Ductile concentrically braced frames using slotted bolted joints’’, SESOC Journal, 2000, 13 (1), 39-48.

Chen CC, Lu LW, ‘‘Development and experimental investigation proceedings of a ductile CBF system’’, the 4th National Conference of Earthquake Engineering, 1990, 2, 575-5.48

Clark W, Tasia K, Aiken ID, Kimura I, ‘‘Evaluation of design methodologies for structures incorporating steel unbounded braces for energy dissipation’’, Proceedings of the 12th World Conference on Earthquake Engineering, Upper Hutt, New Zealand, 2000, 22-.04

Esmaeeli H, Kheyroddin A, kafei MA, Nikbakht H, “Comparison of Nonlinear Behavior of Steel Moment Frames Accompanies with RC Shear Walls or Steel Bracings” Journal of the Structural Design of Tall and Special Buildings, 2013, 22 (14), 10621074.

Grigorian CE, Yang TS, Popov EP, M EERE, ‘‘Slotted bolted connection energy dissipaters’’, Journal of Earthquake Spectra, 1993, 9 (3), 491-.405

Hibbitt D, Karlsson B, Sorensen P, ‘‘Abaqus Standard User′s Manual’’, Version (6.11-)3, .1102

Maheri MR, Akbari R, ‘‘Seismic behavior factor, R, for steel X-braced and knee-braced RC buildings’’, Journal of Engineering Structures,2003, 25 (12), 1505-1513.

Malek S, Pabsang P, Lohghalam A, ‘‘Introducing a new inactive dissipate system and comparing it with TADAS dissipate’’, First International Congress on Seismic Retrofitting, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran, 2006.

Marshall JD, Charney FA, ‘‘A hybrid passive control device for steel structures’’, I: Development and analysis, Journal of Constructional Steel Research, 2010, 66 (10), 1278-1286.

Marshall JD, Charney FA, ‘‘A hybrid passive control device for steel structures’’, II: Physical testing, Journal of Constructional Steel Research, 2010, 66 (10), 1287-1294.

Mualla IH, Belev B, ‘‘Performance of steel frame with a new friction damper device under earthquake excitation’’, Journal of Engineering Structures 2002, 24 (3), 365-371.

Murthy ANCK, “Application of Visco-Hyperelastic Devices in Structural Response Control structures’’, The Degree of Master of Sciense, Civil Engineering Department, Blacks-burg Polytechnic Institiute, Virginia Polytechnic Institute and State University, 2005.

Pall AS, Marsh C, ‘‘Response of friction damped braced frames’’, Journal of Structural Division, 1982, 108, No. ST6.

Rezaieian A, ‘‘Improving earthquake behavior of concentrically braced frames by being ductility them’’, Civil Engineering M.Sc. Thesis, Civil Engineering Department, Science & Technology University of Iran, Iran, 2002.

Roufegarinejad A, Sabouri S, ‘‘Nonlinear behavior of yielding damped bracing frames’’, 15^th ASCE Engineering Mechanics Conference, Columbia University, New York, 2002.

Tehranizadeh M, ‘‘Passive energy dissipation device for typical steel frame building in Iran’’, Journal of Engineering Structures, 2000, 23 (6), 643-655.

Thomopoulos K, Koltsakis E, ‘‘Connections of CHS concrete-filled diagonals of X-bracings’’, Journal of Constructional Steel Research, 2003, 59 (6), 665678.

Tsai KC, EERI M, Chen HW, Hong CP, Su YF, ‘‘Design of steel Triangular Plate Energy Absorbers for Seismic Resistant Construction”, Journal of Earthquake Spectra, 1993, 9 (3), 505-5.82

Vetr MG, ‘‘Seismic behavior analysis and design of vertical sheering’’, Ph.D. Dissertation, T.U. Darmeatadt Germang, 1997.

Vetr MG, Abbasnia R, Kafi MA, ‘‘Energy absorption increase in braced frame with concentrically braces’’, First International Congress on Seismic Retrofitting, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran, 2006.

 

 

 

  EXTENDED ABSTRACTS   

 

Experimental and Analytical Study on Ductility of Steel Ring Filled with Compressive Plastic, Situated in Concentric Bracing System

 

Mohammad Ali Kafi ^*, Ali Kheyroddin, Mohammad Hajforoush

 

Faculty of Civil Engineering, Semnan University, Semnan 3513119111, Iran

 

Received: 01 August 2017; Accepted: 23 September 2018

 

 

Keywords: 

Experimental, Finite element, Steel ring, Ductility, Braced frame.  

 

 

1.  Introduction

Over the past few decades, a number of researches have been conducted to enhance the ductility of concentric braces, located in the plane of the frame as diagonal braces. The seismic performance of concentric braces is low because of their poor ductility. Therefore, some building codes, limit their usage. As mentioned by Murthy (2005), one of the weaknesses of these systems is lower ductility and early buckling under compressive loading. Various methods have been studied to increase the ductility of concentric braces. Bending members compared to axial members have more ductility. Hence, adding one bending member to the concentric bracing system leads to an increase in the ductility of such frames. The use of energy-dissipating fuses with bending is one such method (Thomopoulos, 2003). Regarding this, the usage of steel rings made of steel pipes as an energy dissipater has been considered for solving the weakness of ductility. The geometry of the steel ring would be changed provided that bending was applied. Eventually, these changing cause dissipation of energy from bending operation. The ductile bracing system has been commonly used throughout the world, and recently, it has gained wide attention for many applications in steel structures in order to increase the force reduction factor.

Following this, the main objective of this study is to assess evaluate experimentally the dynamic behavior of steel ring filled with compressive plastic (S.R.P.) situated at the intersection of the braces. In addition, this connection was modeled by means of finite element (FE) method employing ABAQUS software, where the effect of this type of connection on the performance and bearing capacity was investigated.

 

2.  Methodology

2.1.  Experimental study

The configuration of the S.R.P. ring is shown in Fig. 1, where ST37 steel was used for inner and outer rings. Another matter is that the plastic ring with high compressive strength was installed between two steel rings. The diameters of inner and outer steel rings are 90 and 170 mm, respectively. Meanwhile, the thickness of them is equal to 7mm. The subjected load in this research is cyclic for simulation of earthquake loads. The method of loading is according to the proposed method of ATC 40 code (1992). After preparation, the connection was embedded in the apparatus for applying a load, and then the related strain gauge and displacement gauge were attached. Later on, loading was performed using a hydraulic jack.

 

 

 

 

* Corresponding Author

E-mail addresses: mkafi@semnan.ac.ir (Mohammad Ali Kafi), kheyroddin@semnan.ac.ir (Ali Kheyroddin), mhajforoush@semnan.ac.ir (Mohammad Hajforoush).

Mohammad Ali Kafi et al. / J. Civ. Env. Eng. 50 (2020) 

1.1.  Numerical modeling

Based on the experimental data and results and to study the ductile specimen in more detail, the numerical software ABAQUS was used to model the ring, and the computational and experimental results were compared.

 

2. Results and discussion

2.1.  Test results

Fig. 2 shows the hysteresis loops push force-vertical displacement plot. The maximum vertical displacement and corresponding vertical displacement of the system at the end of the tensile elastic limit are 16.01 mm and 5.78 mm, respectively. The maximum vertical displacement and corresponding vertical displacement of the system at the end of the compressive elastic limit are 11.50 mm and 5.32 mm, respectively. Concerning this matter, the brace with the S.R.P. ring shows a steady and wide hysteresis curve where a tensile ductility factor of 2.77 was achieved. The total dissipated energy at the end of the loading cycle is 33400 J.

1.1.  Investigation of stress distribution values in FE model

Based on an experimental study, as presented in Fig. 3, experimental results and numerical model were compared to each other. As shown in Fig. 3, the accuracy of the FE models is confirmed using outputs of experimental studies where the numerical curve has a good compatibility with the experimental curve. Another matter is that the maximum stress of this connection was obtained numerically in the failure zone, as indicated in experimental results (Fig. 4).

Mohammad Ali Kafi et al. / J. Civ. Env. Eng. 50 (2020) 

 

 

 

Fig. 3. Comparative hysteresis plots for the test

 

 

Fig. 4. Numerical model S.R.P.

 

2. Conclusions

Results indicate that the S.R.P. constructed from steel plates and plastic has a suitable performance relative to the pipe ring and exhibits good ductility and energy absorption. The increase in displacement of element contribute to the reduction of displacement for the frame and therefore leading to more dissipation of energy using S.R.P. connection. In addition, this connection can enhance the ductility of concentric braces in seismic loads. Furthermore, the maximum tensile load and corresponding vertical displacement were 99.48 KN, 16.01 mm, respectively, and also the maximum compressive load and corresponding vertical displacement were 101.55 KN and 11.50 mm, respectively.

 

3. References

ATC40. Guidelines for Seismic Testing of Components of Steel Structures, Washington (DC), 1992.

Bazzaz M, Andalib Z, Kafi M A, Kheyroddin A, ‘‘Evaluating the performance of OBS-C-O in steel frames under monotonic load’’, Earthquakes and Structures, 2015, 8 (3), 697-.017

Hibbitt D, Karlsson B, Sorensen P, ‘‘Abaqus Standard User′s Manual’’, Version (6.11-)3, .1102

Murthy ANCK, “Application of Visco-Hyperelastic Devices in Structural Response Control’’, The Degree of Master of Sciense, Civil Engineering Department, Blacks-burg Polytechnic Institiute, Virginia Polytechnic Institute and State University, 2005.

Thomopoulos K, Koltsakis E, “Connections of CHS concrete-filled diagonals of X-bracings’’, Journal of Constructional Steel Research, 2003, 59 (6), 578-665.