فهرست مطالب
نشریه سازه و فولاد
سال هجدهم شماره 45 (پاییز 1403)
- تاریخ انتشار: 1403/09/11
- تعداد عناوین: 6
-
-
صفحات 5-14
در سازه های فولادی، تیرهای قاب خمشی به دلیل این که عضو شکل پذیر سازه می باشند، از نقش حائز اهمیتی برخوردار هستند. ظرفیت تیرهای فولادی متعارف از کم ترین ظرفیت پلاستیک و ظرفیت کمانش جانبی-پیچشی محاسبه می شود. به منظور دست یافتن به ظرفیت پلاستیک تیرها، وقوع کمانش جانبی-پیچشی با استفاده از مهارهای جانبی-پیچشی به تعویق انداخته می شود تا ظرفیت پلاستیک مقطع حاکم شود. در بعضی از سازه ها امکان جانمایی مهارهای جانبی-پیچشی مناسب وجود ندارد؛ به همین دلیل، اجرایی بودن بعضی از تیرها با چالش هایی مواجه است. راهکار مناسب برای رفع این چالش، استفاده از مقاطع دوبل ناودانی به جای مقاطع I شکل و استفاده از قیدهای متصل کننده ناودانی ها به یکدیگر به جهت بالابردن ظرفیت کمانشی مقطع است. در این مطالعه، چندین قید میانی جهت اتصال تیرهای دوبل ناودانی به یکدیگر در نظر گرفته شدند و از بین آن ها، قید میانی با بهترین عملکرد به عنوان قید میانی مناسب، جهت اتصال دوبل ناودانی ها به یکدیگر معرفی شدند. در این تحقیق با استفاده از نرم افزار آباکوس به مدل سازی تیرهای دوبل ناودانی و مقایسه آن با تیرهای دارای مقطع I شکل پرداخته شده است. جهت اعمال حالت های مختلف بارگذاری، لنگر متمرکز اعمال شده در یک انتهای تیر، به صورت ضریبی از لنگر اعمال شده در انتهای دیگر تیر در نظر گرفته شد. همچنین در این مطالعه، جهت بررسی طول تیرها، چهار طول تیر یعنی 4، 6، 8 و 10 متر استفاده شد. نتایج تحقیق نشان داد که از بین طول های متنوع درنظرگرفته شده برای فواصل بین قیدهای میانی اتصال دوبل ناودانی ها به یکدیگر، مقدار طول مهاری استفاده شده برای تیر با مقطع ناودانی تک مناسب می باشد. علاوه بر این، نتایج تحقیق تایید می کند که قید میانی ملحوظ شده برای اتصال ناودانی ها به یکدیگر دارای عملکرد مناسبی است و منجر می شود که ظرفیت خمشی در تیرهای دوبل ناودانی، مشابه ظرفیت خمشی در تیرهای I شکل متناظر باشد.
کلیدواژگان: دوبل ناودانی، قیدهای متصل کننده، کمانش جانبی-پیچشی، ظرفیت خمشی -
صفحات 15-27
هدف از این تحقیق، ارزیابی هزینه چرخه عمر قاب های فولادی با مهاربندی همگرای ضربدری بهینه سازی شده در چهارچوب نگرش طراحی مبتنی بر عملکرد می باشد. امروزه تاثیر زلزله بر طراحی یک سازه با هدف بهینه نمودن وزن سازه و کاهش هزینه ساخت اولیه سازه، در نظر گرفته می شود. چنین سازه ای اگرچه کم ترین هزینه ساخت را خواهد داشت ولی در رابطه با هزینه اعمالی در اثر وقوع زلزله در طول مدت بهره برداری از آن، نمی توان برآوردی داشت. تحلیل هزینه چرخه عمر، روشی مناسب جهت بررسی هزینه و عملکرد سازه هایی است که برای مدت طولانی باید خدمت رسانی داشته باشند. این تحقیق مشتمل بر دو گام اصلی است؛ در گام اول، دو قاب سه دهانه 10 طبقه با سیستم مهاربند ضربدری با موقعیت قرارگیری مهاربند در دهانه وسط و دهانه های کناری، با استفاده از الگوریتم فراابتکاری مرکز جرم در چهارچوب روش طراحی مبتنی بر عملکرد و با درنظرگیری وزن سازه به عنوان تابع هدف و روش تابع جریمه خارجی، بهینه سازی شده اند. در این فاز از مطالعه، از نرم افزار OpenSees، جهت انجام مدل سازی و تحلیل های غیرخطی، و از نرم افزار متلب برای پیاده سازی موضوع بهینه سازی استفاده شده است. در گام دوم به بررسی هزینه چرخه عمر قاب های حاصل از روند بهینه سازی، با استفاده از رابطه ون و کانگ پرداخته شده است. با توجه به نتایج به دست آمده، مشاهده شد که قرارگیری مهاربند در دهانه های کناری موجب کاهش تقریبا 10% هزینه چرخه عمر اعضای سازه ای نسبت به قاب های مهاربندی با قرارگیری مهاربند در دهانه وسط، می شود.
کلیدواژگان: هزینه چرخه عمر، الگوریتم فراابتکاری مرکز جرم، بهینه سازی مبتنی بر عملکرد، قاب مهاربندی ضربدری -
صفحات 28-42
یکی از روش های جلوگیری از انتقال مستقیم نیروی زلزله از زمین به سازه، جداسازی لرزه ای است. درواقع در جداسازی لرزه ای، هدف اصلی کاهش مقدار شتاب ها و نیروهایی است که در اثر زلزله به سازه منتقل می شود. این هدف با نصب سازه بر روی لایه های جداکننده که انعطاف پذیری افقی زیادی دارند انجام می گیرد. به این ترتیب هنگام زلزله که زمین زیر سازه به شدت ارتعاش می کند، حرکات چندانی به سازه منتقل نمی شود. در این پژوهش به ارائه یک شاخص جدید جهت مقایسه عملکرد سیستم جداسازی پایه پرداخته شده است که می تواند باعث طراحی سیستم جداسازی پایه با عملکرد بهتر برای سازه گردد. با استفاده از این شاخص به نام عملکرد نسبی وزنی (WRPI)، می توان عملکرد سازه و سیستم جداسازی پایه را علاوه بر درنظرگرفتن مقدار انرژی کرنشی جذب شده در سازه و جداساز، برای مقدار شتاب ماکزیمم و جابه جایی ایجاد شده در سازه و جداساز نیز مقایسه و طراحی کرد. جهت بررسی کارایی شاخص پیشنهادی و مقایسه با شاخص های پیشین، یک قاب خمشی فولادی شش طبقه با و بدون جداساز مورد مطالعه قرار گرفت. به صورت کلی شاخص WRPI نسبت به شاخص های مورد استفاده پیشین، دارای کارایی و عملکرد بهتری به ویژه در سازه های حساس به شتاب و تغییر شکل های بین طبقه ای می باشد.
کلیدواژگان: شاخص عملکرد نسبی وزن دار، جداساز لرزه ای، سیستم جداسازی پایه، سیستم کنترل غیرفعال، ارزیابی عملکرد سازه -
صفحات 43-54
در این پژوهش، یک مهاربند کمانش تاب (BRB) نوآورانه مجهز به الاستومر مورد تحلیل عددی قرار گرفت. تحلیل ها با استفاده از نرم افزار Abaqus انجام شد. اجزای مهاربند شامل غلاف، هسته، الاستومر و نحوه اتصال آن ها به یکدیگر تشریح شد. نحوه اتصال الاستومر به سایر اجزا توضیح داده شد. سپس جزئیات مدل سازی عددی تشریح گردید. هیسترزیس نیرو-جابه جایی BRB مجهز به الاستومر و یک BRB بدون الاستومر با همان ابعاد مقایسه شد. همچنین توزیع تنش در نقاط بحرانی هسته و غلاف مورد بررسی قرار گرفت. مود خرابی این BRB به صورت کمانش قسمت تسلیم شونده هسته دیده شد. مشاهده شد که افزودن الاستومر به BRB موجب افزایش سختی پس از تسلیم و کاهش جابه جایی پسماند می گردد. مدل سازی با نسبت سختی دو برابری الاستومر نسبت به نمونه آزمایش نیز مورد بررسی قرار گرفت. این افزایش سختی الاستومر، افزایش 20 درصدی سختی پس از تسلیم را نشان داد. همچنین BRB مجهز به الاستومر توانایی جذب انرژی بیش تری نسبت به BRB بدون الاستومر دارد. در مقایسه با BRBهای مرسوم، مهاربند مجهز به الاستومر حتی پس از گسیختگی هسته، پایداری سازه را به دلیل نقش الاستومر در نواحی بحرانی حفظ می نماید. این ویژگی، کارایی بالای این سیستم را در بهبود رفتار لرزه ای سازه ها نشان می دهد.
کلیدواژگان: مهاربند کمانش تاب، BRB، الاستومر، سختی پس از تسلیم -
صفحات 55-66
با توجه به افزایش روزافزون استفاده از اسکلت های فولادی در ساختمان های ساخته شده در ایران و افزایش قیمت پروفیل نسبت به ورق خام، استفاده از تیرورق در ساخت اسکلت های فولادی رونق فراوان یافته است. اتصالات در تمامی سازه ها ازجمله سازه های فولادی یکی از اجزای اساسی بوده و عامل اصلی یکپارچگی سیستم های سازه ای به شمار می آیند. هدف از این پژوهش تعیین ابعاد مطلوب برای اتصالات صفحه انتهایی جهت کاهش هزینه به کمک الگوریتم بهینه سازی ازدحام ذرات است؛ به طوری که محدودیت های مکانیکی مربوط به لنگر خمشی و سختی آغازین حاصل و همچنین ایمنی و یکپارچگی اتصال به خطر نیافتد. در مدل بهینه سازی، شش متغییر طراحی ازجمله ابعاد، ضخامت صفحه انتهایی، قطر و محل پیچ ها انتخاب شدند تا مقادیر به دست آمده با نتایج ادبیات گذشته مقایسه شوند. برای محاسبه ممان خمشی و سختی دورانی اتصال از "روش مولفه ای" موجود در یوروکد 3 بخش 8-1 استفاده شده و همچنین تجزیه و تحلیل و طراحی بهینه اتصالات تیر به ستون برای قاب های فولادی دوبعدی در محیط محاسباتی MATLAB صورت پذیرفت. خروجی این برنامه نتایج کاملا رضایت بخشی را در مقایسه با نتایج موجود در ادبیات گذشته نشان می دهد؛ به طوری که نتایج به دست آمده با استفاده از الگوریتم بهینه سازی یادشده هزینه اتصالاتA ،B ، C و D از قاب مورد بررسی به ترتیب 46/24 درصد، 5/29 درصد، 55/10 درصد و 56/44 درصد در مقایسه با پژوهش کابرو و بایو در سال 2005 و همچنین هزینه اتصالاتA و C از قاب مورد بررسی به ترتیب 8/07 درصد و 0/22 درصد نسبت به پژوهش دیاز و همکاران در سال 2012 کاهش یافت.
کلیدواژگان: روش مولفه ای، بهینه سازی سازه، اتصالات تیر به ستون فولادی، اتصالات صفحه انتهایی پیچی، الگوریتم بهینه سازی ازدحام ذرات -
صفحات 67-81
میراگرهای تسلیمی به دلیل قابلیت بالای جذب انرژی و بهبود پایداری سازه، به عنوان یکی از روش های موثر در کاهش اثرات مخرب زلزله مورد توجه قرار گرفته اند. در این پژوهش، رفتار میراگر غلطکی بیضوی به عنوان نمونه ای بهینه از این نوع میراگرها بررسی شده است. میراگر غلطکی بیضوی، با اضافه شدن غلطک به میراگر بیضوی متداول که از نوع تسلیمی است، قابلیت تحمل مقدار قابل توجهی بار ثقلی و بار قائم زلزله را به این میراگر می افزاید و باعث کاهش بار مرده بر دیگر اجزای سیستم باربر ثقلی می شود. با استفاده از مدل سازی عددی در نرم افزار آباکوس، تاثیر پارامترهای هندسی مانند طول، عرض، ضخامت، ارتفاع و تعداد غلطک ها بر عملکرد میراگر مورد تحلیل قرار گرفت. نتایج نشان داد که افزایش عرض و ضخامت و کاهش ارتفاع موجب بهبود عملکرد میراگر در جذب انرژی و افزایش مقاومت جانبی می شود؛ درحالی که افزایش طول و تعداد غلطک ها اثری بر منحنی هیسترزیس ندارد اما می تواند در پایداری عملکرد و سازگاری با بارهای ثقلی موثر باشد. علاوه بر این، میراگر غلطکی بیضوی توانایی ارائه چرخه های هیسترزیس پایدار در زوایای مختلف بارگذاری را دارا می باشد. در پایان، طراحی بهینه ای برای استفاده از این میراگر در جداسازهای لرزه ای ارائه شد که انتظار می رود به طور موثر در کاهش انتقال انرژی زلزله به سازه و بهبود پایداری آن موثر باشد.
کلیدواژگان: تحلیل اجزای محدود، منحنی هیسترزیس، مطالعه پارامتریک، میراگر غلطکی بیضوی، جداساز لرزه ای
-
Pages 5-14
In steel structures, beams in Moment-Resisting Frames play an essential role due to their ductile nature as structural members. The capacity of conventional steel beams is determined by the lower of the plastic moment capacity and the lateral-torsional buckling capacity. In order to attain the plastic moment capacity of the beams, lateral-torsional bracing is applied to postpone lateral-torsional buckling, allowing the plastic moment of the section to control the behavior. However, in some structures, it is a challenge to appropriately place lateral-torsional bracing, leading to difficulties in the execution of certain beams. A practical solution to this challenge is to use double channel sections instead of I-sections, along with intermediate connectors between the channels to improve the section's buckling capacity. In this study, several intermediate connectors were considered for joining double channel beams, and among them, the connector with the best performance was identified as the most suitable intermediate connector for joining double channels. Using ABAQUS software, this research modeled double channel beams and compared them with I-shaped beams. To apply different loading conditions, the concentrated moment applied at one end of the beam was considered as a multiple of the moment applied at the other end. Additionally, in this study, four different beam lengths—4, 6, 8, and 10 m—were used to examine the effect of beam length. The research results revealed that, among the various spacing lengths considered for the intermediate connectors in the double channel sections, the restraining length used for the single channel section beams was found to be appropriate. Moreover, the study confirmed that the intermediate connector used to join the channels performed effectively, leading to a flexural capacity in double channel beams comparable to that of equivalent I-shaped beams.
Keywords: Double Channel, Intermediate Connectors, Lateral-Torsional Buckling, Flexural Capacity -
Pages 15-27
The purpose of this research is to evaluate the life cycle cost of performance-based optimally designed concentrically braced frames. Today, the effect of earthquake on the design of a structure is considered with the aim of optimizing the weight and reducing the initial construction cost of the structure. Although such a structure will have the lowest construction cost, it is not possible to estimate the cost due to an earthquake during its operation. Life cycle cost analysis is a suitable method to examine the cost and performance of structures that should be in service for a long time. In the first step of this study, two three-span ten-story frames with a concentrically bracing system with the position of the bracing in the middle span and the side spans, using the center of mass meta-heuristic algorithm in the framework of the performance-based design method, and considering the weight of the structure as the objective function and the external penalty function method have been optimized. In this study, OpenSees software was used to perform nonlinear modeling and analysis, and MATLAB software was used to implement the optimization problem. In the second step, the life cycle of the frames resulting from the optimization process has been investigated using the Wen and Kang relationship. According to the obtained results, placing the brace in the side spans reduces the structural component life cycle by almost 10% compared to the brace frames with the placement of the brace in the middle span.
Keywords: Life Cycle Cost, Center Of Mass Algorithm, Performance-Based Optimization, Concentrically Braced Frame -
Pages 28-42
One of the methods to prevent the direct transmission of earthquake forces from the ground to a structure is seismic isolation. The main goal of seismic isolation is to reduce the amount of acceleration and forces transferred to the structure during an earthquake. This goal is achieved by installing the structure on separating layers that possess high horizontal flexibility. In this way, when the ground beneath the structure vibrates strongly during an earthquake, minimal movement is induced in the structure. In this research, a new index has been introduced to compare the performance of base isolation systems, which can lead to the design of base isolation systems with improved performance for the structure. By utilizing the proposed index, known as the Weighted Relative Performance Index (WRPI), the performance of both the structure and the base isolation system can be evaluated. This evaluation considers the amount of strain energy absorbed in the structure and the isolator, as well as the maximum acceleration value and the displacement created in both the structure and the isolator. To evaluate the effectiveness of the proposed index and compare it to previous indices, a 6-story steel moment frame with and without base isolation system was studied. Overall, the WRPI index demonstrates better efficiency and performance than previously used indices, particularly in structures sensitive to acceleration and inter-story drifts.
Keywords: Weighted Relative Performance Index, Seismic Isolator, Base Isolation System, Passive Control System, Evaluate Structure Performance -
Pages 43-54
In this study, an innovative buckling-restrained brace (BRB) equipped with an elastomer was numerically analyzed. The analyses were performed using Abaqus software. The components of the BRB, including the casing, core, and elastomer, as well as their connections, were described in detail. The elastomer's connection method to other components was also detailed. Subsequently, the numerical modeling process was thoroughly explained. The force-displacement hysteresis of a BRB equipped with elastomer was compared to that of a BRB without elastomer and of the same dimensions. Additionally, stress distribution in critical areas of the core and casing was examined. The failure mode of this BRB was identified as buckling of the yielding portion of the core. It was observed that incorporating an elastomer into the BRB increased the post-yield stiffness and reduced residual displacements. A model with an elastomer stiffness twice that of the experimental specimen was also studied, demonstrating a 20% increase in post-yield stiffness. The BRB equipped with elastomer has a greater energy dissipation capacity compared to the BRB without elastomer. Compared to conventional BRBs, BRBs equipped with elastomers maintained structural stability even after core fractures, owing to the elastomers' role in critical regions. This characteristic highlights the high efficiency of this system in improving the seismic performance of structures.
Keywords: Double Channel, Intermediate Connectors, Lateral-Torsional Buckling, Flexural Capacity -
Pages 55-66
Due to the increasing use of steel frames in buildings built in Iran and the increase in the price of profiles compared to raw sheets, the use of plate girders in the construction of steel frames has become significantly popular. Connections are one of the basic components in all structures, including steel structures, and are considered the main factor in the integrity of structural systems. The purpose of this research is to determine the optimal dimensions for the end plate connections to reduce the cost using particle swarm optimization algorithm, so that the mechanical limitations related to the bending moment and the resulting initial stiffness, as well as the safety and integrity of the connection, are not compromised. In the optimization model, six design variables including the dimensions and thickness of the end plate, the diameter and location of the bolts were selected to compare the obtained values with the results of the past literature. To calculate the bending moment and rotational stiffness of the connection, the "component method" found in Eurocode 3-part 1-8 was used, and the analysis and optimal design of beam-to-column connections for two-dimensional steel frames was done in the MATLAB computing environment. The output of this program shows completely satisfactory results compared to the results in the past literature, so that the results obtained by using the aforementioned optimization algorithm show the cost of connections A, B, C and D of the investigated frame, respectively cost reductions of 46.24%, 5.29%, 55.10% and 56.44% by compared to the research of Cabrero and Bayo in 2005. Also, the cost of connections A and C of the examined frame decreased by 8.07% and 0.22%, respectively, compared to Diaz et al.'s research in 2012.
Keywords: Component Method, Steel Moment Connection, Structural Optimization, Steel Beam-Column Connections, Bolted End-Plate Connections, Particle Swarm Optimization Algorithm -
Pages 67-81
Yielding dampers are widely regarded as an effective method for reducing the destructive effects of earthquakes due to their high energy absorption capability and enhancement of structural stability. Elliptical roller damper integrates rollers into the conventional elliptical damper that is a yielding type, enabling it to sustain substantial gravity and vertical earthquake loads, and alleviates the dead load imposed on other components within the gravity load-bearing system. In this study, the performance of the elliptical roller damper, as an optimized example of such dampers, was investigated. Using numerical modeling in Abaqus software, the effects of geometric parameters such as length, width, thickness, height, and the number of rollers on the damper's performance were analyzed. The results showed that increasing the width and thickness and reducing the height significantly improved the energy absorption capacity and lateral strength of the damper, while increasing the length and number of rollers had no effect on the hysteresis curve but contributed to the stability of the damper under gravity loads. Furthermore, the elliptical roller damper demonstrated stable hysteresis loops in various loading angles, indicating its capacity to withstand different directions of loading. Finally, an optimized design for using this damper in seismic isolators was proposed, which is expected to effectively reduce the transfer of seismic energy to the structure and enhance its overall stability.
Keywords: Finite Element Analysis, Hysteresis Curve, Parametric Study, Elliptical Roller Damper, Seismic Base Isolator