نشریه علمی سازه و فولاد

نشریه علمی سازه و فولاد

طراحی و ارزیابی مهاربند قطری تعمیرپذیر با میراگر برشی چندسطحی از جنس فولاد با تنش تسلیم پایین

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشجوی دکتری، پژوهشکده سازه، پژوهشگاه بین المللی زلزله شناسی و مهندسی زلزله، تهران، ایران
2 دانشیار، پژوهشگاه بین المللی زلزله شناسی و مهندسی زلزله، تهران، ایران
چکیده
بررسی زلزله‌های اخیر نشان می‌دهد که هرچند بسیاری از سازه‌ها که طبق ضوابط آیین‌نامه‌ای طراحی شده‌اند، توانسته‌اند ایمنی جانی ساکنان را تأمین نمایند؛ اما در زلزله‌های شدید دچار آسیب‌های گسترده‌ای شده‌اند و تخریب کلی سازه ناگزیر بوده است. تحمیل خسارات اقتصادی و اجتماعی قابل‌توجه وارده به مناطق آسیب‌دیده، ضرورت توسعۀ رویکردهایی نوین در طراحی لرزه‌ای سازه‌ها را یادآور می‌شود که مطابق آن در کنار حفظ جان انسان‌ها، امکان تعمیرپذیری پس از زلزله نیز فراهم باشد. در پاسخ به این نیاز، پژوهش حاضر با به‌کارگیری یک میراگر تسلیمی برشی خاص، ساخته‌شده از فولاد با تنش تسلیم پایین، به معرفی نوعی سیستم مهاربندی قطری نوین با قابلیت تعمیرپذیری می‌پردازد. با هدف تأمین هم‌زمان سختی و شکل‌پذیری موردنیاز متناسب با شدت تقاضای لرزه‌ای و جذب انرژی زلزله در تمامی سطوح لرزه‌ای، از خفیف تا شدید، برای سیستم پیشنهادی چندین سطح عملکردی تأمین شده است. این سطوح به‌نحوی طراحی شده‌اند که با افزایش شدت بارهای زلزله، سختی و جذب انرژی کل سیستم به‌صورت مرحله‌ای افزایش یابد. برای ارزیابی دقیق عملکرد سیستم پیشنهادی، مدلی بر پایۀ روش اجزای محدود توسعه یافت. پیش از تحلیل نهایی، به‌منظور اعتبارسنجی مدل عددی، نمونه‌ای آزمایشگاهی با مشخصاتی مشابه از ادبیات فنی انتخاب شد و مدل‌سازی آن انجام گرفت. تطابق بالای نتایج تحلیل عددی با داده‌های تجربی، دقت بالای فرآیند مدل‌سازی را نشان داد. در نهایت، با انجام تحلیل‌های لرزه‌ای بر روی مدل پیشنهادی، مشخص شد که این سیستم علاوه بر تعمیرپذیری، دارای عملکرد چندسطحی و قابلیت افزایش مرحله‌ای سختی و استهلاک بالای انرژی است.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Design and Evaluation of a Repairable Diagonal Brace with Multi-Performance-Level Shear Damper Using Low-Yield-Point (LYP) Steel

نویسندگان English

Jamal Mahmoudi 1
Abdolreza Sarvghad Moghadam 2
Behrokh Hosseini Hashemi 2
1 PhD Student, Structure Department, International Institute of Earthquake Engineering and seismology , Tehran, Iran
2 Associate Professor, International Institute of Earthquake Engineering and Seismology, Tehran, Iran
چکیده English

Recent investigations into major earthquakes have revealed that although many structures are designed in compliance with code provisions and ensure life safety, they still suffer significant damage under severe seismic events. Such damage often leads to complete loss of functionality, necessitating demolition and imposing substantial socio-economic impacts on affected communities. Consequently, developing innovative seismic design strategies that ensure both life safety and post-earthquake reparability has become essential. To address this need, this study proposes a novel reparable diagonal bracing system by integrating a shear-yielding metallic damper, fabricated from low-yield-point (LYP) steel, into conventional braces. The system is engineered to deliver stiffness and ductility aligned with seismic demand, dissipate energy across a full range of intensity levels (from minor to major), and enhance structural reliability. It incorporates a multi-performance-level mechanism in which components are progressively activated as seismic intensity increases, enabling staged enhancement in both energy dissipation capacity and system stiffness. A finite element model (FEM) was developed to evaluate the system’s performance. For validation, a laboratory specimen with analogous specifications from previous studies was simulated, and the high correlation between numerical and experimental results confirmed the model accuracy. Seismic analyses demonstrated the system’s reparability, multi-performance-level behavior, and gradual increases in both stiffness and energy dissipation.

کلیدواژه‌ها English

Diagonal Bracing
Reparability
Shear-Yielding Damper
Multi-Performance-Level
LYP Steel
[1] Bertero, V.V. (1994), “Performance of steel building structure during the Northridge earthquake”, Report No. UCB/EERC-94/09.
[2] Popov, E.P., and Kasai, K. (1978), "Eccentrically Braced Steel Frames for Earthquakes", Journal of the Structural Division, ASCE, 104, pp.1409–1427.
[3] Tsai, K.C., Chen, H.W., Hong, C.P., and Su, Y.F. (1993), "Design of Steel Triangular Plate Energy Absorbers for Seismic-Resistant Construction", Earthquake Spectra, 9, pp.505–528.
[4] Chan, R.W.K., Albermani, F., and Kitipornchai, S. (2013), "Experimental Study of Perforated Yielding Shear Panel Device for Passive Energy Dissipation", Journal of Constructional Steel Research, 91, pp.14–25.
[5] Maleki, S., and Mahjoubi, S. (2013), "Dual-Pipe Damper", Journal of Constructional Steel Research, 85, pp.81–91.
[۶] احمدی، ا.، علیرضایی، م.، و شریفی، م. (1403)، "ارزیابی آزمایشگاهی قاب مهاربندی‌شده فولادی برای دو سطح عملکرد"، نشریۀ علمی پژوهشی مهندسی سازه و ساخت، شماره 11، ص. 260-280.
[7] Symans, M.D., Charney, F.A., Whittaker, A.S., Constantinou, M.C., Kircher, C.A., Johnson, M.W., and McNamara, R.J. (2008), “Energy dissipation systems for seismic applications: current practice and recent developments”, Journal of Structural Engineering, 134(1), pp.3-21.
[۸] تیزهوش سردرودی، ح.، و معاضد، ا. (1400)، "ارزیابی آزمایشگاهی و عددی میراگر لوله‌ای دوسطحی"، نشریۀ علمی پژوهشی مهندسی سازه و ساخت، شماره 8، ص. 75-95.
[9] Zahrai, S.M., and Vosooq, A.K. (2013), “Study of an innovative two-stage control system: Chevron knee bracing and shear panel in series connection”, Structural Engineering and Mechanics, 47(6), pp.881-898.
[10] Hosseini Hashemi, B., and Alirezaei, M. (2015), “Experimental investigation of a combined system in steel braced frames”, Journal of Seismology and Earthquake Engineering, 17(3), pp.181-191.
[11] Cheraghi, A., and Zahrai, S.M., (2019), “Cyclic testing of multilevel pipe in pipe damper”, Journal of Earthquake Engineering, 23(10), pp.1695-1718.
[12] Pachideh, G., Kafi, M., and Gholhaki, M. (2020), “Evaluation of cyclic performance of a novel bracing system equipped with a circular energy dissipater”, In Structures, 28, pp.467-481.
[13] Ibrahim, Y.E., Marshall, J., and Charney, F.A. (2007), “A visco-plastic device for seismic protection of structures”, Journal of Constructional Steel Research, 63(11), pp.1515-1528.
[14] Kim, D.H., Ju, Y.K., Kim, M.H., and Kim, S.D. (2014), “Wind‐induced vibration control of tall buildings using hybrid buckling‐restrained braces”, The Structural Design of Tall and Special Buildings, 23(7), pp.549-562.
[15] Lee, C.H., Kim, J., Kim, D.H., Ryu, J., and Ju, Y.K. (2016), "Numerical and Experimental Analysis of Combined Behavior of Shear-Type Friction Damper and Non-Uniform Strip Damper for Multi-Level Seismic Protection", Engineering Structures, 114, pp.75–92.
[16] Shamshiri Dareini, H., and Hashemi, B.H. (2011), "Use of Dual Systems in Tadas Dampers to Improve Seismic Behavior of Buildings in Different Levels", Procedia Engineering, 14, pp.2788–2795.
[17] Kim, D.H., Lee, C.H., and Ju, Y.K. (2017), “Experimental investigation of hybrid buckling-restrained braces”, International Journal of Steel Structures, 17(1), pp.245-255.
[18] Hosseini Hashemi, B., and Moaddab, E. (2017), “Experimental study of a hybrid structural damper for multi-seismic levels”, Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Structures and Buildings, 170(10), pp.722-734.
[19] He, Z., Zhou, Y., and Chen, Q. (2012), “Advance in research and application of steel shear panel dampers”, Dizhen Gongcheng yu Gongcheng Zhendong (Earthquake Engineering and Engineering Vibration), 32(6), pp.124-135.
[20] Xu, L., Nie, X., and Fan, J. (2016), "Cyclic Behaviour of Low-Yield-Point Steel Shear Panel Dampers", Engineering Structures, 126, pp.391–404.
[21] Li, Z., Shu, G., and Huang, Z. (2019), "Development and Cyclic Testing of an Innovative Shear-Bending Combined Metallic Damper", Journal of Constructional Steel Research, 158, pp.28–40.
[22] Guo, L., Wang, J., Wang, W., and Wang, H. (2021), “Experimental, numerical and analytical study on seismic performance of shear-bending yielding coupling dampers”, Engineering Structures, 244, p.112724.
[23] Wu, Z., Zhuang, L., Zhao, Y., Fan, L., Zhang, K., Yang, K., Li, Y., and Wang, W. (2025), “Development and Application of a Novel Restoring Force Model for Metallic Dampers”, In International Conference on Civil Engineering, pp.377-388.
[24] Nakashima, M., Akazawa, T., and Tsuji, B. (1995), “Strain-hardening behavior of shear panels made of low-yield steel. II: Model”, Journal of Structural Engineering, 121(12), pp.1750-1757.
[25] Jiaojiao, W., Yongjiu, S., and Yuanqing, W. (2015), “Experimental study on the low yield point steel LYP100 under cyclic loading”, Journal of Zhejiang University, Engineering Science, 49(8), pp.1401-1409.
[26] Wang, J., Shi, Y., and Wang, Y. (2016), “Constitutive model of low-yield point steel and its application in numerical simulation of buckling-restrained braces”, Journal of Materials in Civil Engineering, 28(3), p.04015142.
[27] Shi, G., Gao, Y., Wang, X., and Zhang, Y. (2018), “Mechanical properties and constitutive models of low yield point steels”, Construction and Building Materials, 175, pp.570-587.
[28] Shi, G., Wang, X., Gao, Y., and ZHANG, Y. (2018), “Experimental study on domestic low yield point steels under cyclic loading”, Engineering Mechanics, 35(8), pp.30-38.
[29] Shi, G., Gao, Y., Wang, X., and Zhang, Y. (2019), “Low cycle fatigue properties of low yield point steels”, China Civil. Engineering, Journal, 52, pp.20-26.
[30] Shi, G., Gao, Y., Wang, X., et al. (2018), "Energy-Based Low Cycle Fatigue Analysis of Low Yield Point Steels", Journal of Constructional Steel Research, 150, pp.346–353.
[31] Huang, X., Yuan, Y., Zhao, J., and Li, R. (2022), “Investigation of extremely low cycle fatigue behavior of low yield strength steel LY225 under different stress states”, Construction and Building Materials, 350, p.128907.
[۳۲] زهرائی، س.م. و چراغی، ع. (1402)، "ارزیابی رفتار میراگر تسلیمی لوله در لوله با استفاده از تحلیل دینامیکی فزاینده (IDA)"، نشریۀ علمی و پژوهشی سازه و فولاد، دورۀ 13، شمارۀ 25، ص. 5-15.
[۳۳] غفوری‌نژاد، ا.، علیرضایی، م.، میرحسینی، س.م.، و ضیغمی احسان، ا. (1403)، "عملکرد لرزه‌ای قاب مهاربندی زانویی با میراگر اصطکاکی و مقایسۀ آن با سیستم قاب زانویی"، نشریۀ علمی و پژوهشی سازه و فولاد، دورۀ 18، شمارۀ 43، ص. 76-92.
[۳۴] عسگری، ه.، زهرایی، س.م.، وجدیان، م.، و میرحسینی، س.م. (1402)، "بررسی عددی میراگر دوسطحی با ورق روسری در اتصال خمشی تیر به ستون"، نشریۀ علمی و پژوهشی سازه و فولاد، دورۀ 17، شمارۀ 41، ص. 5-26.
[35] ASCE/SEI 7-22, (2022), Minimum Design Loads and Associated Criteria for Buildings and Other Structures, American Society of Civil Engineers.
[36] CEN, (2004), Eurocode 8: Design of Structures for Earthquake Resistance, Part 1: General Rules, Seismic Actions and Rules. for Buildings, European Committee for Standardization.
[37] AIJ, (2010), Guidelines for Seismic Performance Evaluation of Buildings, Architectural Institute of Japan.
[38] استاندارد ۲۸۰۰، (1393)، آیین‌نامه طراحی ساختمان‌ها در برابر زلزله، چهارمین ویرایش، مرکز تحقیقات راه، مسکن و شهرسازی.
[39] نشریه شماره ۳۶۰، (1392)، دستورالعمل بهسازی لرزه‌ای ساختمان‌های موجود، تجدید نظر اول، سازمان برنامه و بودجه کشور.
[40] Pan, Y., Gao, H., Zeng, H., and Li, Y. (2024), "Laboratory Study on Energy Dissipation Performance of Low-Yield-Point Steel Shear Panel Dampers", Journal of Constructional Steel Research, 213, pp.1–15.

  • تاریخ دریافت 20 شهریور 1404
  • تاریخ بازنگری 26 شهریور 1404
  • تاریخ پذیرش 05 مهر 1404
  • تاریخ اولین انتشار 05 مهر 1404
  • تاریخ انتشار 01 تیر 1404