مطالعه‌ی عددی مهارهای زانویی قوسی شکل برای تأمین سیستم باربر لرزه‌ای در گوشه‎های قاب ساده فولادی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه تهران، تهران، ایران

2 دانشکده عمران دانشگاه تهران

چکیده

قاب‌های مهاربندی‌شده و خمشی، سیستم‌هایی هستند که برای مقابله با بارهای جانبی مورداستفاده قرار می‌گیرند. قاب‌های مهاربندی متداول در مقایسه با قاب‌های خمشی دارای سختی جانبی بالایی بوده اما شکل‌پذیری پایینی دارند. قاب‌های خمشی دارای شکل‌پذیری بالایی بوده اما به علت سختی جانبی کم به هنگام زلزله تغییرمکان‌های بزرگی از خود نشان می‌دهند که مطلوب نیست. علاوه بر این در قاب‌های خمشی ناحیه اتصال تیر به ستون، یک ناحیه بحرانی است که اغلب در هنگام اعمال بارهای جانبی دچار خرابی می‌شود. در این تحقیق با استفاده از استقرار مهارهای زانویی کمانی شکل بریده‌شده از ورق فولادی در گوشه قاب‌های ساده و تسلیم آن‌ها، با ایجاد یک سیستم باربر جانبی مناسب توسط این قطعات، بهبود عملکرد لرزه­ای این قاب‌های فولادی بررسی می­شود. این قطعات به علت وجود خروج از مرکزیت موجود، به‌صورت اندرکنشی از نیروی محوری و لنگر خمشی تسلیم شده و مشابه یک میراگر جاری شونده، انرژی ورودی را مستهلک می‎کنند. در این مطالعه، ابتدا منحنی هیسترزیس قطعات کمانی شکل با فولاد ST37، با استفاده از نرم‌افزار اجزای محدود آباکوس به دست آمد و سپس این عضو کمانی با تطابق منحنی هیسترزیس به‌دست‌آمده، در نرم‌افزار SAP مدل‌سازی گردید. در ادامه قاب‌های خمشی 3، 6 و 9 طبقه و قاب های ساده مشابه به همراه قطعات کمانی، مدل‌سازی شده و تحت تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی رکورد زلزله‎های مختلف قرار گرفتند. بر اساس نتایج به‌دست‌آمده، حداکثر جابه‌جایی بام و جابه‌جایی نسبی طبقات، در حالت قاب ساده به همراه قطعات قوسی نسبت به حالت قاب خمشی تنها، به‌طور میانگین، به ترتیب 22 و 8 درصد کاهش یافت. همچنین در قاب‌های ساده به همراه قطعات کمانی، به‌طور میانگین 46 درصد انرژی ورودی توسط این قطعات مستهلک شده که حاکی از عملکرد نسبی خوب این سیستم می‌باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Numerical study of arch corner brace segments in simple steel frames to provide seismic resisting system

نویسندگان [English]

  • Nima Abbasmaram 1
  • S. Mehdi Zahrai 2
1 Graduate student, School of Civil Engineering, The University of Tehran, Tehran, Iran
2 School of Civil Engineering, the University of Tehran
چکیده [English]

Braced and rigid frames are the most typical systems that are used to resist lateral loads. Typical braced frames, in comparison with rigid frames, have higher stiffness they have low ductility. On the other hand, rigid frames have high ductility but due to their low lateral stiffness, they maintain large displacements throughout the earthquake, which is not favorable. Furthermore, in rigid frames, the beam to column connection is a critical area that often experiences damage during the earthquake. In this research, the objective is to create a lateral load-carrying system and improve the seismic performance of steel frames using the placement of arch segments cut of steel plates at the corner of simple steel frames and they are yielding. Due to the eccentricity, these components are subjected to an interaction of axial and flexural forces and like yielding dampers absorb the major part of the input energy. In this study, first, the hysteresis curve of arch segments made by ST37 steel was achieved using finite element software, ABAQUS.  Then this damper was modeled in SAP software to create the same hysteresis curve. Then, 3, 6, and 9-story bare rigid frames and simple frames with arch segments were modeled and subjected to time-history analysis of 12 different earthquakes. Based on achieved results, maximum roof displacement and maximum story drifts of frames, in simple frames with arch segments compared to bare rigid frames in average reduced 22 and 8%, respectively. Also in simple frames with arch segments on average 46% of input energy was absorbed by arch segments that indicate the relatively good performance of this system.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Lateral load-carrying system
  • arch segments
  • rigid frame
  • time-history analysis
  • energy dissipation

مراجع

[1] T.T. Soong, G.F. Dargush, Passive energy dissipation systems in structural engineering,  (1997).
[2] J.M. Kelly, R.I. Skinner, A.J. Heine, Mechanisms of energy absorption in special devices for use in earthquake resistant structures, Bulletin of NZ Society for Earthquake Engineering, 5(3) (1972) 63-88.
[3] R.I. Skinner, J.M. Kelly, A.J. Heine, Hysteretic dampers for earthquake‐resistant structures, Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 3(3) (1974) 287-296.
[4] A.S. Whittaker, V.V. Bertero, C.L. Thompson, L.J. Alonso, Seismic testing of steel plate energy dissipation devices, Earthquake Spectra, 7(4) (1991) 563-604.
[5] K.-C. Tsai, H.-W. Chen, C.-P. Hong, Y.-F. Su, Design of steel triangular plate energy absorbers for seismic-resistant construction, Earthquake spectra, 9(3) (1993) 505-528.
[6] C.W. Roeder, E.P. Popov, Eccentrically braced steel frames for earthquakes, Journal of the Structural Division, 104(3) (1978) 391-412.
[7] J.M. Ricles, E.P. Popov, Dynamic analysis of seismically resistant eccentrically braced frames, University of California, Earthquake Engineering Research Center, 1987.
[8] J.M. Ricles, E.P. Popov, Composite action in eccentrically braced frames, Journal of Structural Engineering, 115(8) (1989) 2046-2066.
[9] J.D. Aristizabal-Ochoa, Disposable knee bracing: improvement in seismic design of steel frames, Journal of Structural engineering, 112(7) (1986) 1544-1552.
[10] T. Balendra, M.T. Sam, C.Y. Liaw, Diagonal brace with ductile knee anchor for aseismic steel frame, Earthquake engineering & structural dynamics, 19(6) (1990) 847-858.
[11] T. Balendra, M.-T. Sam, C.-Y. Liaw, S.-L. Lee, Preliminary studies into the behaviour of knee braced frames subject to seismic loading, Engineering structures, 13(1) (1991) 67-74.
[12] T. Balendra, E.L. Lim, C.Y. Liaw, Large-scale seismic testing of knee-brace-frame, Journal of structural engineering, 123(1) (1997) 11-19.
[13] J. Boukamp, M. Vetr, Design of eccentrically braced test frame with vertical shear link, Proceedings of the 2nd Int. Con. On Earthquake Resistant Construction and Design,  (1994).
[14] S.M. Zahrai, A. Moslehi Tabar, Cyclic behaviour of steel braced frames having shear panel system, Asian Journal of Civil Engineering (Building and Housing), 7(1) (2006) 13-26.
[15] H.S. Dareini, B.H. Hashemi, Use of dual systems in Tadas dampers to improve seismic behavior of buildings in different levels, Procedia engineering, 14 (2011) 2788-2795.
[16] M. Mahmoudi, M.G. Abdi, Evaluating response modification factors of TADAS frames, Journal of Constructional Steel Research, 71 (2012) 162-170.
[17] H.L. Hsu, J.L. Juang, C.H. Chou, Experimental evaluation on the seismic performance of steel knee braced frame structures with energy dissipation mechanism, steel and composite structures, 11(1) (2011) 77-91.
[18] S.M. Zahrai, A.K. Vosooq, Study of an innovative two-stage control system: Chevron knee bracing & shear panel in series connection, Structural Engineering and Mechanics, 47(6) (2013) 881-898.
[19] S.M. Zahrai, M. Jalali, Experimental and analytical investigations on seismic behavior of ductile steel knee braced frames, Steel and Composite Structures, 16(1) (2014) 1-21.
[20] T. Trombetti, S. Silvestri, G. Gasparini, I. Ricci, Stiffness-Strength-Ductility-Design Approaches for Crescent Shaped Braces, The open construction and building technology journal, 3(1) (2009).
[21] M. Fintel, F.R. Khan, Shock-absorbing soft story concept for multistory earthquake structures, in:  Journal Proceedings, 1969, pp. 381-390.
[22] M. Palermo, S. Silvestri, G. Gasparini, T. Trombetti, Crescent shaped braces for the seismic design of building structures, Materials and Structures, 48(5) (2015) 1485-1502.
[23] M. Palermo, L. Pieraccini, A. Dib, S. Silvestri, T. Trombetti, Experimental tests on Crescent Shaped Braces hysteretic devices, Engineering Structures, 144 (2017) 185-200.
[24] O. Kammouh, S. Silvestri, M. Palermo, G.P. Cimellaro, Performance‐based seismic design of multistory frame structures equipped with crescent‐shaped brace, Structural Control and Health Monitoring, 25(2) (2018) e2079.
[25] C.-M. Uang, D. Bondad, C.-H. Lee, Cyclic performance of haunch repaired steel moment connections: experimental testing and analytical modeling, Engineering Structures, 20(4-6) (1998) 552-561.
[26] A. Torabi, M.R. Maheri, Seismic Repair and Retrofit of RC Beam–Column Joints Using Stiffened Steel Plates, Iranian Journal of Science and Technology, Transactions of Civil Engineering, 41(1) (2017) 13-26.
[27] H.L. Hsu, H. Halim, Improving seismic performance of framed structures with steel curved dampers, Engineering Structures, 130 (2017) 99-111.
[28] H.L. Hsu, H. Halim, Brace performance with steel curved dampers and amplified deformation mechanisms, Engineering Structures, 175 (2018) 628-644.
[29] A.T. Council, M.-A.E. Center, M.C.f.E.E. Research, P.E.E.R. Center, U.S.F.E.M. Agency, N.E.H.R. Program, Interim testing protocols for determining the seismic performance characteristics of structural and nonstructural components, Federal Emergency Management Agency, 2007.
[30] R. Pekelnicky, S.D. Engineers, S. Chris Poland, N.D. Engineers, ASCE 41-13: Seismic Evaluation and Retrofit Rehabilitation of Existing Buildings, in:  Proceedings, SEAOC 2012 Convention, 2012.
نشریه مهندسی عمران امیرکبیر
دوره 53، شماره 2
اردیبهشت 1400
صفحه 687-706

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار