شناسنامه مقاله

اسم مقاله:

رفتار کمانشی کلی مهاربندهای کمانش تاب تمام فولادی

Journal of Constructional Steel Research

مولف یا نویسنده:

مترجم:       

  1. Hoveidae
  2. Rafezy

چاپ و انتشار:

چکیده:

یکی از ملزومات اصلی رفتار مکانیکی مطلوب مهاربندهای کمانش تاب (BRBs) تحت بارکنش  شدید زمین لرزه، جلوگیری از کمانش سرتاسری است تا زمانی که قطعه مهاربند به تغییرشکل پلاستیک و شکل پذیری کافی برسد. این مقاله نتایج آنالیز المان محدود مهاربندهای تمام فولادی کمانش تاب را که پیشنهاد شده اند، ارائه می دهد. BRB های پیشنهادی دارای مقطع های مرکزی همانند ولی مکانیزم های کمانش ناپذیر (BRMs) متفاوت هستند. هدف از این آنالیز، انجام یک تحقیق پارامتری درباره BRB ها با مقدار شکاف متفاوت (بین هسته  و BRM) و نواقص اولیه است تا رفتار کمانشی کلی مهاربند بررسی شود. نتایج این آنالیز نشان داد که سختی خمشی BRM می تواند تاثیر زیادی را بر رفتار کمانشی مهاربند بدون توجه به اندازه شکاف داشته باشد. بعلاوه، کمترین نسبت بار کمانشی اویلر قطعه گیردار به مقاومت تسلیم هسته ( ) به منظور طراحی پیشنهاد شد. این نسبت، پارامتر اصلی کنترل کننده ی کمانش کلی BRB ها است.

واژگان کلیدی:

توصیف مدلها

آنالیز المان محدود

پروتکل بارکنش در مدلهای BRB

BRB

تاریخچه زمان-انرژی در مدل عددی

مقدمه:

قاب های مهارشده کمانش تاب (BRBs) برای مقاومت بار لرزه ای کاربرد گسترده ای را در سالهای اخیر یافته اند. یک BRBF با یک قاب مهارشده متداول فرق دارد زیرا تحت تنش و تراکم بدون کمانش قابل توجهی، تسلیم می شود. بیشتر قطعات مهاربند کمانش تاب (BRB) موجود به وسیله قرار دادن یک صفحه فولادی درون یک لوله فولادی پرشده با ملات  یا بتن ساخته می شوند. صفحه فولادی از کناره ها به ملات یا لوله فولادی محدود می شود و می تواند در فشار و تراکم و نیز تنش تسلیم گردد که این به مقاومت تسلیم و شکل پذیری قابل مقایسه و نیز رفتار هیستریکی پایدار در BRB ها می انجامد. اطلاعات زیادی درباره عملکرد BRBهای سنتی وجود دارد. بلک و همکارانش تست مولفه ای BRB ها را انجام دادند و یک منحنی هیستریکی را مدلسازی کردند تا نتایج تست را مقایسه نمایند (۱). آنها دریافتند که منحنی هیستریکی یک BRB  پایدار، متقارن و وسیع است. اینوئه و همکارانش مهاربندهای کمانش تاب را به عنوان میراگرهای هیستریکی معرفی کردند تا پاسخ لرزه ای سازه های ساختمانی را بهبود دهند (۲). همانطور که در شکل ۱ نشان داده شده، یک قطعه BRB معمولی شامل یک هسته فولادی، یک مکانیزم کمانش ناپذیر (BRM) و یک شکاف جداکننده یا عامل ضداتصال است که امکان تغییرشکل محوری مستقل هسته درونی را نسبت به BRM می دهد. محققان فراوانی آزمایشات و آنالیزهای عددی را روی BRB ها برای وارد کردن آنها در سیستم های مقاوم در برابر نیروی لرزه ای انجام داده اند. کیانگ درباره استفاده از BRB ها در کاربردهای عملی برای ساختمان ها در آسیا تحقیق نمود (۳). کلرک و همکارانش یک فرآیند طراحی را برای ساختمان های دربردارنده BRB ها پیشنهاد کردند (۴). سابلی و همکارانش  ملزومات BRB ها در زمین لرزه را از طریق آنالیز پاسخ ارتعاشی قاب های BRB گزارش کردند (۵). فانستاک و همکارانش آنالیز عددی و آزمایشات شبه دینامیکی قابل های BRB بزرگ مقیاس را در ایالات متحده ارائه کردند (۶).

رفتار کمانشی موضعی BRB ها توسط تاکئوچی و همکارانش مطالعه شده است (۷). بار کمانش موثر BRB ها با در نظر گرفتن سختی اتصال سر آنها اخیرا توسط تمباتا و همکارانش (۸) و کینوشیتا و همکارانش (۹) مطالعه شده است. تحقیقات قبلی پتانسیل تولید سیستم های BRB تماما ساخته شده از فولاد را ثابت کرده اند (۱۰). در یک BRB تمام فولادی متداول، هسته داخلی فولادی بین مکانیزم های کمانش ناپذیر کاملا ساخته شده از قطعات فولادی ساندویچ شده است، از این رو از هزینه ملات لازم در BRB های سنتی اجتناب شده است. این امر مراحل ساخت مربوط به ریختن و سخت شدن ملات یا بتن را حذف کرده و زمان و هزینه های ساخت را بسیار کاهش می دهد. بعلاوه چنین BRB را می توان به آسانی جدا کرد تا بعد از یک زمین لرزه آن را بازرسی نمود. مطالعات تحلیلی و تجربی درباره عملکرد تغییرشکل و پاسخ دینامیکی BRB ها توسط کاتو و همکارانش (۱۱)، واتانبل و همکارانش (۱۲) و اوسامی و همکارانش (۱۳) انجام شده اند. قطعه گیردار پیشنهاد شده قبلی یک مقطع فولادی پرشده از ملات بود که یک قطعه کاملا صلب را می ساخت. در چنین نوع BRB هایی، قطعه مهاربند و BRM به کار برده شده بودند و کمانش سرتاسری رخ نداده بود. با این همه در BRB های تمام فولادی که نسل جدیدی از BRB ها به شمار می روند، سیستم مهاربند کاملا از فولاد ساخته شده و سیستم BRM در مقایسه با BRB های سنتی سبک تر است و این پتانسیل بالایی را برای کمانش سرتاسری مهاربند ناشی از صلبیت و سختی اندک BRM نتیجه می دهد. رفتار هیستریکی BRB های تمام فولادی توسط ترمبلی و همکارانش (۱۰) به صورت تجربی بررسی شدند. یک مطالعه تجربی درباره رفتار هیستریکی BRB های تمام فولادی نیز توسط اریاسا و همکارانش (۱۴) ارائه شد.

مشخصات زیر برای عملکرد ایمن BRB ها ضروری به نظر می رسند: ۱) جلوگیری از کمانش سرتاسری، ۲) جلوگیری از کمانش موضعی هسته، ۳) جلوگیری از فرسودگی کم دوره ی قطعه مهاربند، ۴) مقاومت بالای قطعات مفصل و اتصالات. در این مقاله، مشخصه نخست (یعنی رفتار کمانش سرتاسری) بررسی می گردد.

فهرست:

چکیده

  1. مقدمه

شکل ۱. مولفه های یک BRB (10).

شکل ۲. نیرو و تغییرشکل یک BRB  (۲۰).

  1. معیار کمانش سراسری BRB ها

جدول ۱. خصوصیات نمونه BRB.

شکل ۳. (a) منحنی تنش-کشش منتج از تست (۱۰). (b) پاسخ هیستریکی کالیبره شده ی ماده فولادی (۱۹).

گشتاور خمشی در مرکز BRM را می توان به صورت زیر نوشت (۲۰):

  1. آنالیز المان محدود

۳-۱ توصیف مدلها

شکل ۴. پروتکل بارکنش در مدلهای BRB.

شکل ۵. سطح مقطع متداول BRB های پیشنهادی.

شکل ۶. مدل المان محدود یک BRB پیشنهادی.

شکل ۷. پاسخ های هیستریکی BRB های پیشنهادی (تراکم مثبت است).

شکل ۸. کمانش کلی BRB ها. (a) مدل   . (b) مدل   . (c) مدل  .

  1. نتایج و بحث

جدول ۲. نتایج آنالیز BRB های پیشنهادی.

شکل ۹. (a) بازشدگی BRM در مدل  . (b) کمانش موضعی هسته در مدل   . (نسخه رنگی به صورت آنلاین).

شکل ۱۰. تاریخچه زمان-انرژی در مدل عددی  .

  1. نتیجه گیری ها

نتیجه گیری:

یکی از ملزومات ضمنی مهاربندهای کمانش ناپذیر، عملکرد پیشگیری از کمانش سرتاسری است تا زمانی که قطعه مهاربند به جابجایی موردنظر و شکل پذری کافی برسد. این عملکرد لازم با سبک شدن BRB و کاهش مقاومت قطعه و صلبیت قطعه گیردار، اهمیت می یابد. نسل جدیدی از BRB ها به نام BRB های تمام فولادی، گروهی از BRB ها با قطعات کمانش ناپذیر سبک تر از BRB های سنتی هستند. در این گروه از BRB ها، یک قطعه فولاد سبک بعنوان یک قطعه گیردار به جای تیوب های پرشده از ملات در BRB های سنتی به کار برده شد که به دلیل صلبیت و مقاومت ناکافی قطعات گیردار می تواند منجر به کمانش سرتاسری مهاربند شود. در این مقاله، شرط پیشگیری از کمانش سرتاسری در BRB های تمام فولادی به وسیله روش آنالیز المان محدود به صورت عددی بررسی شده است. در بین ۱۳ مدل BRB، سه مدل که نسبت  کمتر از ۱.۲ داشتند، دچار کمانش سرتاسری در طی بارکنش دوره ای مهاربند تا رسیدن به کرنش ۲% در هسته شدند. در این BRB های کمانش یافته، نسبت های  کمتر از ضریب β در معادله ۷ بودند که اعتبار این معادله را تایید می کند. در حالی که در مدلهای دیگر، با نسبت  بزرگتر از ۱.۲، هیچ کمانشی در تراکم بوجود نیامد.  از این رو مولفان یک شرط پیشگیری از کمانش سرتاسری () را به جای معادله اصلی چیشنهاد شده توسط واتانابل و همکارانش (۱۶) پیشنهاد می کنند. با این همه تصور می شود این نسبت  مینیمم باید با اعمال یک ضریب ایمنی ۰.۸۵ به کار برده شود. درنتیجه می توان از نسبت  در طراحی استفاده نمود. بعلاوه نتایج نشان دادند که ایجاد یک شکاف بین هسته و BRM علی رغم برخی ناپایداری های نسبی که به کمانش مد بالایی هسته نسبت داده می شود، تاثیر زیادی را بر رفتار هیستریکی مهاربند نخواهد داشت، البته در صورتی که مقاومت و صلبیت BRM کافی باشد (یعنی ). تحقیقات تجربی و تحلیلی بیشتری لازم هستند تا شرط پیشگیری از کمانش سرتاسری BRB ها را با در نظر گرفتن اندازه های مختلف شکاف، انواع مختلف BRM و اثرات پاسخ اصطکاکی در مهاربندهای کمانش ناپذیر تمام فولادی بررسی نمایند.

 

منابع:

[۱] Black CJ, Makris N, Aiken ID. Component Testing, stability analysis, and characterization

of buckling restrained braced braces. Report No. PEER 2002/08, Univ. of

California, Berkeley, CA.

[۲] Inoue K, Sawaizumi S, Higashibata Y. Stiffening requirements for unbonded

braces encased in concrete panels. ASCE J Struct Eng 2001;127(6):712-9.

[۳] Qiang X. State of the art of buckling-restrained braces in Asia. J Constr Steel Res

۲۰۰۵;۶۱:۷۲۷-۴۸.

[۴] Clark P, Aiken I, Kasai K, Ko E, Kimura I. Design procedures for buildings incorporating

hysteretic damping devices. Proc., 69th annual convention. SEAOC; 1999.

  1. ۳۵۵-۷۱.

[۵] Sabelli R, Mahin S, Chang C. Seismic demands on steel braced frame buildings

with buckling-restrained braces. Eng Struct 2003;5:655-66.

[۶] Fahnestock LA, Sause R, Ricles JM. Seismic response and performance of

buckling-restrained braced frames. J Struct Eng 2007;133(9):1195-204.

[۷] Takeuchi T, Suzuki K, Marukawa T, Kimura Y, Ogawa T, Sugiyama T, et al. Performance

of compressive tube members with buckling restrained composed of mortar

in-filled steel tube. J Struct Constr Eng 2005;590:71-8.

[۸] Tembata H, Koetaka Y, Inoue K. Out-of-plane buckling load of buckling restrained

braces including brace joints. J Struct Constr Eng 2004;581:127-34.

[۹] Kinoshita T, Koetaka Y, Inoue K, Iitani K. Criteria of buckling-restrained braces to

prevent out-of-plane buckling. J Struct Constr Eng 2007;621:141-8.

[۱۰] Tremblay R, Bolduc P, Neville R, DeVall R. Seismic testing and performance of

buckling restrained bracing systems. Can J Civ Eng 2006;33(1):183-98.

[۱۱] Kato M, Usami T, Kasai A. A numerical study on cyclic elasto-plastic behavior of

buckling-restraining brace members. JSCE J Struct Eng 2002;48A:641-8.

[۱۲] Watanabe N, Kato M, Usami T, Kasai A. Experimental study on cyclic elasto-plastic behavior

of buckling-restraining braces. JSCE J Earthquake Eng 2003;27 [Paper No. 133].

[۱۳] Usami T. Guidelines for seismic and damage control design of steel bridges. Edited

by Japan Society of Steel Construction 2006; Gihodo-Shuppan, Tokyo [in

Japanese].

[۱۴] Eryasar M, Topkaya C. An experimental study on steel-encased buckling restrained

brace hysteretic damper. J Earthquake Eng Struct Dyn 2010;39:561-81.

[۱۵] AISC (American Institute of Steel Construction). Seismic provisions for structural

steel buildings, Chicago, IL; 2010.

[۱۶] Watanabe A, Hitomi Y, Yaeki E, Wada A, Fujimoto M. Properties of braces encased

in buckling-restraining concrete and steel tube. Proceedings of 9th world conference

on earthquake engineering; 1988. p. 719_24.

[۱۷] Iwata M, Murai M. Buckling-restrained brace using steel mortar planks; performance

evaluations a hysteretic damper. Earthq Eng Struct Dyn 2006;35:1807-26.

[۱۸] Matsui R, Takeuchi T, Hajjar JF, Nishimoto K, Aiken I. Local buckling restraint condition

for core plates in buckling-restrained braces. Proc. 14th World Conf. on

Earthquake Eng; 2008. Beijing, China, Paper No.05-05-0055.

[۱۹] Korzekwa A, Tremblay R. Numerical simulation of the cyclic inelastic behavior of

buckling restrained braces. London: Taylor & Francis Group978-0-415-56326-0; 2009.

[۲۰] Fujimoto M, Wada A, Saeki E, Watanabe A, Hitomi Y. A study on the unbonded

brace encased in buckling restraining concrete and steel tube. J Struct Constr

Eng 1988;34B:249-58 [in Japanese].

[۲۱] ABAQUS. Standard user’s manual version 6.3. Pawtucket, RI: Hibbitt, Karlsson &

Sorensen, Inc.; 2003.

[۲۲] Chou C, Chen S. Sub-assemblage tests and finite element analyses of sandwiched

buckling restrained braces. Eng Struct 2010;32:2108-21.

[۲۳] Usami T, Ge H, Luo X. Experimental and analytical study on high-performance

buckling restrained brace dampers for bridge engineering. Proceeding of 3rd International

Conference on Advances in Experimental Structural Engineering, October

۱۵-۱۶; ۲۰۰۹. San Francisco.

[۲۴] Powell S. Personal communication, Star Seismic LLC 2002. Park City, UT.

 

سال انتشار:

چند خط متن:

پاسخ های هیستریکی در همه مدلهای BRB توسط مدل المان محدود در هر دو بازه غیرخطی و کشسان بخوبی پیش بینی می شوند. شکل ۷ پاسخ های هیستریکی بهنجارشده ی مهاربندها را نشان می دهد که در آنها بعد افقی و بعد قائم به ترتیب نشان دهنده تغییرشکل محوری بهنجارشده هسته و نیروی محوری هستند.