مطالعه ی آزمایشگاهی عملکرد لرزه‌ای مهاربندهای کمانش‌ ناپذیر سه هسته‌ای

نوع مقاله : پژوهشی اصیل (کامل)

نویسندگان
علی چیگویی 1
محمد علی رهگذر 2
محسن ایزدی نیا 3
1 دانشجوی دکتری
2 دانشگاه اصفهان
3 استادیار دانشگاه آزاد واحد نجف آباد
چکیده
چکیده- مهاربندها به عنوان نوعی سیستم کنترل غیرفعال، نقش موثری در ایجاد مقاومت سازه در برابر نیروهای جانبی مانند زلزله و باد دارند. یکی از روش­های بهره­گیری بیشتر و اقتصادی­تر از قابلیت مهاربندها استفاده از ظرفیت غیر ارتجاعی آن­ها است. مهاربندهای معمولی تحت کشش دارای عملکرد خوبی هستند، ولی تحت فشار دچار کمانش شده و رفتار نامطلوب از خود نشان می­دهند. این مشکل می‌تواند باعث کاهش ظرفیت اتلاف انرژی و شکل­پذیری شود، که نقش مهمی در بارگذاری چرخه­ای مانند زلزله به دلیل ماهیت بارهای لرزه­ای دینامیکی دارد. به همین دلیل مهاربندهای کمانش ناپذیر در کشورهای مختلف به شکل قابل توجهی محبوب شده­ اند. مهاربندهای کمانش ناپذیر شامل هسته و غلاف فولادی می­باشند. اگر چه هسته فولادی دارای ظرفیت فشاری ناچیز است، ولی ظرفیت آن را می­توان با استفاده از یک غلاف فولادی یا غلاف محدود کننده­ی کمانش افزایش داد. به همین منظور در این مقاله جهت بهبود رفتار لرزه‌ایی مهاربند‌های کمانش ناپذیر تک هسته‌ایی، مهاربند‌های کمانش ناپذیر سه هسته‌ایی پیشنهاد گردید که در آن از سه هسته با تنش تسلیم متفاوت به صورت موازی استفاده شده است. مهاربندهای کمانش ناپذیر به دو صورت تک هسته­ایی و سه هسته­ایی با ظرفیت کششی و فشاری یکسان ساخته شد و تحت پروتکل بارگذاری ATC-24 به صورت یک عضو محوری در آزمایشگاه تحت نیروی کشش و فشار قرار گرفتند. نمودار چرخه هیسترزیس هر کدام از مهاربندها به دست آمد و مورد بررسی و مقایسه قرار گرفت. نتایج نشان می­دهد حلقه­ی هیسترزیس مهاربند سه هسته­ایی نسبت به مهاربند تک هسته­ایی 3/16 % چاق­تر و مساحت بیشتری دارد، این مطلب نمایان­گر این است که مهاربند سه هسته­ایی از ظرفیت جذب و استهلاک انرژی بالاتر و عملکرد لرزه‌ایی بهتری برخوردار است، همچنین میرایی در مهاربند سه هسته‌ای از دریفت 25/0% تا 1% با اختلاف 6/15% ، از دریفت 1% تا 5/1% با اختلاف 1/10% و در دریفت 5/2% با اختلاف 8/8% نسبت به مهاربند تک هسنه‌ای بیشتر می‌باشد.مهاربندها به عنوان نوعی سیستم کنترل غیرفعال، نقش موثری در ایجاد مقاومت سازه در برابر نیروهای جانبی مانند زلزله و باد دارند. یکی از روش­های بهره­گیری بیشتر و اقتصادی­تر از قابلیت مهاربندها استفاده از ظرفیت غیر ارتجاعی آن­ها است. مهاربندهای معمولی تحت کشش دارای عملکرد خوبی هستند، ولی تحت فشار دچار کمانش شده و رفتار نامطلوب از خود نشان می­دهند. این مشکل می‌تواند باعث کاهش ظرفیت اتلاف انرژی و شکل­پذیری شود، که نقش مهمی در بارگذاری چرخه­ای مانند زلزله به دلیل ماهیت بارهای لرزه­ای دینامیکی دارد. به همین دلیل مهاربندهای کمانش ناپذیر در کشورهای مختلف به شکل قابل توجهی محبوب شده­ اند. مهاربندهای کمانش ناپذیر شامل هسته و غلاف فولادی می­باشند. اگر چه هسته فولادی دارای ظرفیت فشاری ناچیز است، ولی ظرفیت آن را می­توان با استفاده از یک غلاف فولادی یا غلاف محدود کننده­ی کمانش افزایش داد. به همین منظور در این مقاله جهت بهبود رفتار لرزه‌ایی مهاربند‌های کمانش ناپذیر تک هسته‌ایی، مهاربند‌های کمانش ناپذیر سه هسته‌ایی پیشنهاد گردید که در آن از سه هسته با تنش تسلیم متفاوت به صورت موازی استفاده شده است. مهاربندهای کمانش ناپذیر به دو صورت تک هسته­ایی و سه هسته­ایی با ظرفیت کششی و فشاری یکسان ساخته شد و تحت پروتکل بارگذاری ATC-24 به صورت یک عضو محوری در آزمایشگاه تحت نیروی کشش و فشار قرار گرفتند. نمودار چرخه هیسترزیس هر کدام از مهاربندها به دست آمد و مورد بررسی و مقایسه قرار گرفت. نتایج نشان می­دهد حلقه­ی هیسترزیس مهاربند سه هسته­ایی نسبت به مهاربند تک هسته­ایی 3/16 % چاق­تر و مساحت بیشتری دارد، این مطلب نمایان­گر این است که مهاربند سه هسته­ایی از ظرفیت جذب و استهلاک انرژی بالاتر و عملکرد لرزه‌ایی بهتری برخوردار است، همچنین میرایی در مهاربند سه هسته‌ای از دریفت 25/0% تا 1% با اختلاف 6/15% ، از دریفت 1% تا 5/1% با اختلاف 1/10% و در دریفت 5/2% با اختلاف 8/8% نسبت به مهاربند تک هسنه‌ای بیشتر می‌باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله English

Experimental Investigation of Seismic Performance of Three-core buckling restrained braces

نویسندگان English

ali Chigoi 1
Mohammad Ali Rahgozar 2
Mohsen Izadinia 3
1 PhD student
2 Assistant Professor
3 Assistant Professor
چکیده English

Abstract:

As a passive control system, braces have an effective role in creating structural resistance to lateral forces such as earthquakes and winds. One of the ways to make the braces more economical is to use their inelastic capacity. Ordinary braces perform well in tension; however they buckle under pressure and exhibit undesirable behavior. This problem can reduce dissipated energy due to lack of plasticity, which plays an important role in cyclic loading such as earthquakes. For this reason, buckling-restrained brace (BRB) have become increasingly popular in different countries. BRBs include yielding steel core and an outer steel hollow section. Although the yielding steel core has a low compressive capacity, its capacity in pressure can be increased by limiting its buckling due to the outer steel hollow section. So far BRBs introduced as mentioned have a single yielding core, however

In this paper, in order to improve the seismic behavior of BRBs, buckling-restrained brace with three parallel cores with different yield stress have been suggested and introduced. The buckling braces were made in one and three steel core with the same tensile and compressive capacity. These braces were subjected to cyclic tensile and compressive loads in the laboratory under the ATC-24 loading protocol. Hysteresis cyclic performances of each brace were obtained and examined. The experimental results show that: 1) the hysteresis loop of the 3-core brace is thicker and higher than the 1-core brace, 2) indicating that the three core brace has 16.3% and 8.8% higher energy absorption and damping capacity, respectively compared to that of the single core brace. Furthermore, it has better seismic performance.


کلیدواژه‌ها English

Buckling
single core brace
three core brace
hysteresis cycle
[1] Clark; p; Aiken; I; Kasai; K; Kimura; I; “Design procedures for buildings incorporating hysteretic damping devices”; Proc. 69th Annu. Conv. SEAOC; 1999.
[2] Black; C.J; Makris; N; Aiken; I.D; “Component testing, stability analysis and characterization of buckling restrained braces”; Report No. PEER 2002/08; 2002.
[3] Chen; C.C; Chen; S.Y; Liaw; J.J; “Application of low yield strength steel on controlled plastification ductile concentrically braced frames”; Can. J. Civ. Eng; 28, 2001, 823–836.
[4] Higgins; C; Newell; J; “Confined steel brace for earthquake resistance design”; AISC Eng.J (4th Quart); 41 (4), 2004, 187–202.
[5] Takeuchi; T; Hajjar; J.F; Matsui; R; Nishimoto; K; Aiken; I.D; “Effect of local buckling core plate restraint in buckling restrained braces”; Eng. Struct.; 44, 2012, 304–311.
[6] Watanabe; A; Hitomi; Y; Yaeki; E; Wada; A; Fujimoto; M; “Properties of brace encased in buckling-restraining concrete and steel tube”; Proc. 9th World Conf. Earthquake Engineering; 1988, 19–724.
[7] Lin; Wu; A. C; Tsai; K. C; “High-mode buckling responses of buckling-restrained brace core plates. Earthquake Engineering & Structural Dynamics”; 43(3), 375-393.
[8] zsornoczay; A; Dunai; l; “Type Testing of Buckling Restrained Braces according to EN 15129-EWC800”; Department of structural Engineering, Budapest University of Technology and Economics; 2011.
[9] jia; M; Lu; D; Guo; L; “Experimental research and cyclic behavior of buckling-restrained braced composite frame” Journal of constructional Steel research; 2014, 95, 90-105.
[10] Tremblay; R; Degrange; G; Blouin; J; “Seismic rehabilitation of a four-story building
with a stiffened bracing system”; Proc. 8th Can. Conf. Earthquake Engineering; 1999, 549–554.
[11] Fahnestock; L; Ricles; J; Sause; R; “Experimental evaluation of a large-scale buckling restrained braced frame”; J Struct Eng; 2007,133(9), 1205–14.
[12] Della Corte; G; D’Aniello; M; Landolfo; R; “Field Testing of All-Steel Buckling Restrained Braces Applied to a Damaged Reinforced Concrete Building” J Struct Eng; 2015; 141(1), 401-404.
[13] Tremblay; R; Bolduc; p; Neville; r; Devall; R; “Seismic testing and performance of buckling-restrained bracing systems”; Canadian Journal of Civil Engineering; 2006, 33(2), 183-198.
[14] Black; C; Makris; N; Aiken; I; “Component testing, stability analysis and characterization of buckling-restrained unbonded braces”; Pacific Earthquake Engineering Research Center; 2002.
[15] Merrit; S; Uang; C; Benzoni; G; “Sub assemblage testing of core brace buckling-restrained braces. San Diego”; La Jolla, California: University of California; 2003.
[16] Newell; J; Uang; C; Benzoni; G; “Sub assemblage testing of core brace buckling-restrained braces (G Series)”; La Jolla. San Diego: California: University of California; 2006.
[17] Hoveidae; N; Rafezy; B; “Overall buckling behavior of allsteel buckling restrained races”; J. Constr. Steel Res; 2012, 79(Dec), 151-158.
[18] Hosseinzadeh; Sh; Mohebi; B; “Seismic evaluation of all-steel buckling restrained bracessing finite element analysis”; J. Constr. Steel Res; 2016, 119(Dec), 76–84.
[19] Zhu; B.-L; Guo; Y.-L; Zhou; P; Bradford; M. A; Pi; Y.-L; “Numerical and experimental studies of corrugated-web-connected buckling-restrained braces”; Eng. Struct; 2017, 134, 107–124.
[20] Palmer; K. D. Roeder; C. W.; Lehman; D. E.; Okazaki; T.; Shield; C. “Experimental Performance of Steel Braced Frames Subjected to Bidirectional Loading”; J. Struct. Eng., 2013, 139, 1274- 1284.
[21] Aguaguiñaa; Mario; Zhoua; Ying; Zhoub; Yun; “Loading protocols for qualification testing of BRBs considering global Engineering Structures”;189, 2019, 440–457.
[22] Zsarnoczay; A; Dunai; L; “Type Testing of Buckling Restrained Braces according to EN 15129-EWC800”; Department of Structural Engineering, Budapest University of Technology and Economics; 2011.
[23] Gholhaki; M; Pachideh; G; “Investigating of damage indexes results due to presence of shear wall in building with various stories and spans”; Int J Rev Life Sci; 5(1), 2015, 992-997.
[24] Pachideh; G; Gholhaki; M; Lashkari; R; Rezayfar; O; “Behavior of BRB Equipped with a Casing Comprised of Steel and Polyamide”; Proceedings of the Institution of Civil Engineers - Structures and Buildings; 2020, https://doi.org/10.1680/jstbu.19.00206.
[25] Pachideh; G; Gholhaki; M; Saedi Daryan; A; “Analyzing the damage index of steel plate shear walls using pushover analysis”; structures, 20, 2019, 437-451.
[26] Ozcelik; R; Dikiciasik; Y; Erdil; E; (2017) “The development of the buckling restrained braces with new end restrains”, Journal of Constructional Steel Research 138, 208–220.
[27] Junda; E; Leelataviwat; S; Doung; P; (2018) “Cyclic testing and performance evaluation of buckling-restrained knee-braced frames”, Journal of Constructional Steel Research 148, 154–164
[28] ATC; A; “Seismic evaluation and retrofit of concrete building”; Applied Technology Council, report ATC-40, 1996, Redwood City.
[29] FEMA; “Quantification of Building Seismic Performance Factors”; 2009, 695.
[30] AISC (American Institute of Steel Construction); “Seismic Provisions for Structural Steel Building”; AISC, 2005, Chicago, IL.
[31] ATC 24; “Guidelines for cyclic seismic testing of components of steel structures; Applied Technology Council (ATC); Washington DC, 1992.
مهندسی عمران مدرس
دوره 20، شماره 5
آذر و دی 1399
صفحه 37-48