بررسی عددی حذف ورق پیوستگی افقی در اتصال تیر به ستون در ستون‌های جعبه‌ای در سیستم‌های قاب خمشی فولادی

نوع مقاله : پژوهشی اصیل (کامل)

نویسندگان
1 فارغ التحصیل کارشناسی ارشد داشنگاه علم و فرهنگ
2 عضو هیئت علمی دانشگاه علم و فرهنگ
10.48311/mcej.2025.99116.0
چکیده
ورق‌های پیوستگی در ستون‌های جعبه‌ای نقش کلیدی در انتقال بار از تیر به ستون را ایفا می‌نماید. بر اساس الزامات آیین‌نامه‌ای لرزه‌ای، این ورق‌ها اغلب با استفاده از جوش شیاری با نفوذ کامل به بال ستون متصل می‌شوند. جوش شیاری با نفوذ کامل ورق پیوستگی به ستون مشکلاتی نظیر عدم نفوذ کامل در گوشه‌ها، دشواری ترمیم جوش‌های معیوب، لزوم استفاده از وجه چهارم یا الکترواسلگ، پتانسیل وقوع تورق در ورق ستون و... را به همراه دارد. این مشکلات می‌توانند به کاهش کارایی و ایمنی سازه منجر شوند. در این مقاله، به‌منظور رفع چالش‌های تعبیه و نصب ورق‌های پیوستگی افقی در داخل ستون‌های جعبه‌ای که در مواردی به دلیل صعوبت دسترسی و هندسه و چیدمان خاص آن‌ها، ارضای صحیح و مناسب ضوابط طراحی لرزه‌ای را با چالش‌های بسیاری روبه‌رو می‌کند، اقدام به پیشنهاد اتصالاتی جدید و راهبردی با استفاده از تحلیل عددی شده‌است. این تحلیل‌ها با استفاده از نرم‌افزارهای پیشرفته اجزای محدود انجام شده و نتایج آن‌ها با اتصالات رایج مقایسه شده است. به‌منظور دستیابی به یک مسیر انتقال بار مناسب از تیر به ستون در ناحیه چشمه اتصال و همچنین سهولت مونتاژ و اجرای المان‌های قاب خمشی در ناحیه چشمه اتصال، استفاده از سخت‌کننده قائم داخلی به‌جای ورق‌های پیوستگی افقی رایج و تعریض بال‌های تیر به‌عنوان یک راهکار مناسب پیشنهاد و بررسی شده است. این راهکارها نه تنها به بهبود عملکرد سازه‌ای کمک می‌کنند، بلکه فرآیند ساخت و نصب را نیز ساده‌تر می‌سازند. علاوه بر این، در تکمیل این رویکرد اتصالاتی، استفاده از سخت‌کننده‌های قائم خارجی بر روی بال تیر در ناحیه اتصال تیر به ستون به همراه به‌کارگیری سخت‌کننده قائم داخلی به‌جای ورق پیوستگی افقی در ناحیه چشمه اتصال پیشنهاد شده‌است. از طرفی، تأثیر استفاده همزمان از تعریض بال‌های تیر، حضور سخت‌کننده‌های قائم خارجی بر روی بال تیر و جایگزین کردن سخت‌کننده قائم داخلی به‌جای ورق پیوستگی افقی در ناحیه چشمه اتصال نیز مورد بررسی قرار گرفته ‌است. بررسی‌های صورت گرفته با استفاده از تحلیل اجزای محدود بر روی نمونه‌های پیشنهادی انجام شده است. نتایج حاصل‌شده از تحلیل عددی اتصالات پیشنهادی نمایانگر کفایت مناسب اتصالات در قیاس با اتصالات رایج خمشی می‌باشد. اتصالاتی که با استفاده از تعریض بال‌های تیر ساخته شده‌اند، دارای ظرفیت جذب انرژی 18% بالاتر از اتصال رایج خمشی تا حداکثر جابه‌جایی 6% رادیان بوده‌اند، بدون آن که افت مقاومت شدیدی از خود نشان دهند. این درصد در اتصالات با به‌کارگیری سخت‌کننده قائم خارجی بر روی بال تیر و اتصالاتی که با استفاده از حضور همزمان تعریض بال‌های تیر و سخت‌کننده قائم خارجی بر روی بال‌های تیر ساخته شده‌اند، به‌ترتیب 14% و 28% بالاتر از نمونه رایج خمشی گزارش شده است. همچنین شاخص پارگی جوش در حالات مختلف مورد ارزیابی قرار گرفته است. نتایج نهایی نشانگر آن است که استفاده همزمان از تعریض بال‌های تیر و سخت‌کننده‌های قائم خارجی بر روی بال تیر در راستای جان تیر منجر به ایجاد یک مسیر انتقال بار مناسب از تیر به ستون در ناحیه چشمه اتصال می‌گردد. همچنین مکانیزم دورشدن مفصل پلاستیک از بر ستون در این ایده به خوبی محقق شده و امکان بروز شکست‌های ترد جوش نفوذی در محل اتصال تیر به ستون تقلیل می‌یابد
 

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Numerical Investigation of Removing Horizontal Continuity Plate in Beam to Column Connection in the Box Columns in Moment Resisting Frame Systems (MRFs)

نویسندگان English

Mohammadreza Rajaiee 1
Ali Razavi Tabatabaei 2
1 Master's Graduate from University of Science and Culture
2 Faculty Member at University of Science and Culture
چکیده English

 Continuity plates in box columns play a crucial role in transferring loads from beams to columns. According to seismic code requirements, these plates are often connected to the column flange using full penetration groove welds. Full penetration groove welding of continuity plates to columns presents challenges such as incomplete penetration at corners, difficulty in repairing defective welds, the necessity of using the fourth face or electroslag welding, potential delamination in the column plate, and more. These issues can lead to reduced structural efficiency and safety. In this paper, to address the challenges of embedding and installing horizontal continuity plates inside box columns, which in some cases, due to difficult access and specific geometry and layout, make it very challenging to properly and adequately satisfy seismic design criteria, new and strategic connections are proposed using numerical analysis. These analyses were performed using advanced finite element software, and their results were compared with conventional connections. To achieve a suitable load transfer path from the beam to the column in the connection region and to facilitate the assembly and execution of the frame elements in the connection region, the use of internal vertical stiffeners instead of conventional horizontal continuity plates and widening the beam flanges as a suitable solution has been proposed and examined. These solutions not only help improve structural performance but also simplify the construction and installation process. Additionally, to complement this connection approach, the use of external vertical stiffeners on the beam flange in the beam-to-column connection region, along with the use of internal vertical stiffeners instead of horizontal continuity plates in the connection region, has been proposed. Furthermore, the simultaneous use of widened beam flanges, the presence of external vertical stiffeners on the beam flange, and replacing internal vertical stiffeners instead of horizontal continuity plates in the connection region has also been investigated. The investigations were carried out using finite element analysis on the proposed samples. The results obtained from the numerical analysis of the proposed connections indicate adequate performance compared to conventional moment connections. Connections made using widened beam flanges exhibited an 18% higher energy absorption capacity than conventional moment connections up to a maximum displacement of 6% radians, without showing significant strength degradation. This percentage was reported to be 14% and 28% higher than the conventional moment connection for connections using external vertical stiffeners on the beam flange and connections made using the simultaneous presence of widened beam flanges and external vertical stiffeners on the beam flanges, respectively. Moreover, the rupture index of weld was evaluated in different scenarios. The final results indicate that the simultaneous use of widened beam flanges and external vertical stiffeners on the beam flange along the beam web leads to the creation of a suitable load transfer path from the beam to the column in the connection region. Additionally, the mechanism of moving the plastic hinge away from the column face in this idea has been well achieved, reducing the possibility of brittle fracture of the penetration weld at the beam-to-column connection. These findings highlight the potential for improved structural integrity and safety in seismic design.

کلیدواژه‌ها English

Horizontal Continuity Plate
Internal Vertical Stiffener
External Vertical Stiffener
Box Column
Steel Moment Frame
Rupture Index of Weld
دوره 26، شماره 3
بهمن و اسفند 1405