نشریه علمی سازه و فولاد

نشریه علمی سازه و فولاد

مدل‌سازی اجزای محدود آسیب‌ لرزه‌ای رمپ پله فولادی با روش جداسازی ستونک فشاری

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
گروه عمران،دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه قم، قم، ایران
چکیده
پله‌ها به‌‌عنوان یکی از مهم‌ترین اجزای غیرسازه‌ای، نقشی حیاتی در تخلیۀ ایمن ساکنان هنگام وقوع زلزله ایفا می‌کنند. بااین‌حال در طراحی‌های متداول، اغلب اندرکنش لرزه‌ای دستگاه پله با سازۀ اصلی نادیده گرفته ‌شده و این امر می‌تواند منجربه عملکرد آن به‌‌عنوان یک مهاربند ناخواسته، باعث تمرکز تنش و آسیب‌پذیری شود که درنهایت، مسیر خروج اضطراری را مسدود می‌سازد. این پژوهش با هدف بررسی آسیب لرزه‌ای رمپ پلۀ فولادی دوطرفه در سازۀ قاب خمشی بتن‌آرمه و ارزیابی کارایی دو روش متصل و جداسازی‌شده با ستونک فشاری برای حفظ عملکرد آن انجام شده است. بدین منظور، از روش تحلیل اجزای محدود در نرم‌افزار ABAQUS استفاده شد. یک قاب خمشی بتن‌آرمۀ یک‌طبقه در سه حالت مختلف مدل‌سازی شد. رفتار لرزه‌ای مدل‌ها با استفاده از تحلیل استاتیکی غیرخطی (Pushover) تحت تغییرمکان جانبی ۱۰ سانتی‌متری در دو راستای اصلی، موازی (محور X) و عمود (محور Z) بر امتداد پله، ارزیابی شد. همچنین تحلیل تاریخچه زمانی تحت رکوردهای تغییرمکانی به‌دست‌آمده از تحلیل یک مدل کلی سازه بر روی قاب پلۀ مدل‌سازی شده اعمال شده است. نتایج تحلیل‌ها نشان داد که رفتار لرزه‌ای سیستم به اندرکنش پله و سازه، به‌ویژه در راستای موازی با شمشیری‌ها وابسته است. در مدل‌ با پلۀ متصل، حداکثر 9% افزایش مقاومت و حداکثر 8% افزایش سختی مشاهده شد. این مشارکت در باربری جانبی منجربه تمرکز تنش و تشکیل مفاصل پلاستیک در نواحی بحرانی پله، مانند محل شکست شمشیری‌ها و اتصالات شد؛ اما آسیب‌ها به‌گونه‌ای نبود که موجب اختلال در قابلیت‌ بهره‌برداری دستگاه پله بشوند. بااین‌حال روش جداسازی با ستونک فشاری آسیب‌های کم‌تری را متحمل شده است. این روش‌ با جداکردن مؤثر دستگاه پله از حرکت جانبی قاب، از انتقال نیروهای مخرب به آن جلوگیری کرده و بخش‌های عمدۀ دستگاه پله و عناصر جداساز را در محدودۀ رفتار الاستیک حفظ نمودند.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Finite Element Modelling of Seismic Damage in a Steel Stair Ramp Using the Compression Post Separation Method

نویسندگان English

Shakiba Kamali
Ehsan Dehghani
Seyed Mohammad Chavoshi
Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering, University of Qom, Qo
چکیده English

Stairs, as critical non-structural components, play a vital role in the safe evacuation of occupants during seismic events. However, conventional design practices often neglect the seismic interaction between the stair assembly and the primary structure. This oversight can lead to the stair acting as an unintended brace, causing stress concentration and vulnerability, which ultimately may obstruct the emergency egress route. This study aims to investigate the seismic damage of a steel switchback ramp staircase within a reinforced concrete (RC) moment-resisting frame. It also evaluates the efficacy of two methods for preserving its functionality: a conventional "connected" method and a "separated" method utilizing a compression post. To this end, the Finite Element Method (FEM) was employed using ABAQUS software. A single-story RC moment-resisting frame was modeled in three different configurations. The seismic behavior of the models was evaluated using nonlinear static (Pushover) analysis under a 10 cm lateral displacement in two principal directions: parallel (X-axis) and perpendicular (Z-axis) to the stair's span. Furthermore, time-history analysis was conducted, applying displacement records derived from an analysis of the overall structural model to the modeled stair frame. The analysis results indicated that the system's seismic behavior is dependent on the stair-structure interaction, particularly in the direction parallel to the stair stringers. In the "connected" model, a maximum increase of 9% in strength and 8% in stiffness was observed. This participation in lateral load-bearing resulted in stress concentration and the formation of plastic hinges in critical regions of the stair, such as at the stringer breaks (landings) and connections. However, the damage was not severe enough to compromise the serviceability of the stair assembly. Conversely, the "separated" method utilizing a compression post sustained significantly less damage. This approach effectively decoupled the stair assembly from the frame's lateral movement, preventing the transfer of destructive forces and maintaining the primary stair components and isolation elements within the elastic range.

کلیدواژه‌ها English

Steel Staircase
Reinforced Concrete Moment-Resisting Frame
Seismic Damage
Seismic Isolation
Compression Post
[1] Hosseini Hashemi, B., and Keykhosro Kiany, B. (2018), “Performance of Steel Structures and Associated Lessons to be Learned from November 12, 2017, Sarpol-e Zahab-Ezgeleh Earthquake (MW 7.3)”, Journal of Seismology and Earthquake Engineering, 20(3), pp.33–46.
 [2]نوری‌فرد، آ.، تابش‌پور، م.، و مهدی‌زاده سراج، ف. (1394)، "خسارات لرزه‌ای ناشی از نادیده‌گرفتن راه‌پله در طراحی و اجرای ساختمان ها", پژوهشنامه زلزله‌شناسی و مهندسی زلزله، 18 (4)، ص 55.
[3] Jiang, H.J., Gao, H.Y., and Wang, B. (2012), “Seismic damage analyses of staircases in RC frame structures”, Advanced Materials Research, 446, pp.2326-2330.
[4] Black, C., Aiken, I., Smith, K., Belvin, R., and Peachey, A. (2017), “Seismically-resilient stair systems for buildings”, In the Proceedings of the Structural Engineers Association Annual Convention. Paper. (22).
[5] Higgins, C. (2009), “Prefabricated steel stair performance under combined seismic and gravity loads”, Journal of Structural Engineering, 135(2), pp.122-129.
[6] Jiang, H.J., Gao, H.Y., and Wang, B. (2012), “Seismic damage analyses of staircases in RC frame structures”, Advanced Materials Research, 446, pp.2326-2330.
[7] کافی، م.ع.، رادفر، ا. (1392)، "ارائه روش‌های پیشنهادی جهت بهسازی المان‌های دستگاه پله تحت ترکیب بارهای ثقلی و جانبی"،  هفتمین کنگره ملی مهندسی عمران. زاهدان.
[8] Wang, X., and Hutchinson, T.C. (2018), “Computational assessment of the seismic behavior of steel stairs”, Engineering Structures, 166, pp.376-386.
[9] Sorosh, S., Hutchinson, T.C., Ryan, K.L., Smith, K., Belvin, R., and Black, C. (2024), “High‐fidelity finite element modeling of the seismic response of prefabricated steel stairs”, Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 53(8), pp.2491-2510.
[10] Sorosh, S., Hutchinson, T.C., Ryan, K.L., Smith, K.W., Kovac, A., Zabet, S., and Pei, S. (2025), “Experimental Characterization of a Full‐Scale Stair System Detailed to Achieve Seismic Resiliency”, Earthquake Engineering and Structural Dynamics.
[11] کافی، م.ع.، خیرالدین، ع.، و رادفر، ا. (1392)، "بررسی عملکرد المان‌های پله به روش اجزای محدود تحت ترکیب بارلرزه‌ای و ثقلی"،  چهارمین کنفرانس ملی زلزله و سازه. کرمان.
[12] Montalbán Turón, C., and Vargas Alzate, Y.F. (2023), “Special braced stairs versus typical braced frames. New architectural‐structural‐seismic approach to stair design”, The Structural Design of Tall and Special Buildings, 32(5-6), p.e1997.
[13] Wen, M., Tian, H., Wang, W., Chen, B., and Fu, H. (2022), “Research on seismic performance of frame structure with beam staircases”, Buildings, 12(8), p.1106.
[14] Bai, L., Liang, X., Xin, L., Liu, M., Yu, Z., and Chu, Y. (2023), “Investigation on the Seismic Performance of RC Frame Buildings with Rubber Isolation Bearing Installed in Staircases”, Buildings, 13(3), p.616.
[15] Ghaderi Garakani, M., Mahjoubi, S. and Maleki, S. (2017), “Effects of Modeling Staircases on Seismic Responses of Concrete Frames”, In Advanced Engineering Forum. 23, pp.72-87.
 [16]خیرالدین، ع.، و رضایی، م. (1400)، "تأثیر مدل‌سازی پله با آویز کششی بر رفتار لرزه‌ای قاب‌های خمشی بتن"،  سومین کنفرانس ملی پژوهش‌های نوین در مهندسی و علوم کاربردی. بروجرد.
[17] Cong, S., Zhang, Z., Zheng, Q., and Xu, Z. (2021), “Seismic behavior of reinforced concrete frame staircase with separated slab stairs”, In Structures, 34, pp.4284-4296.
[18] Thorenfeldt, E. (1987), “Mechanical properties of high-strength concrete and applications in design”, In Symposium Proceedings, Utilization of High-Strength Concrete, Norway.
[19] Wahid, N., Stratford, T., and Bisby, L. (2019), “Calibration of concrete damage plasticity model parameters for high temperature modelling of reinforced concrete flat slabs in fire”, Applications of Structural Fire Engineering, Singapore.
[20] Han, Y., Li, N., and Zhang, G. (2023), “Study on flexural behavior of corroded i-shaped steel beams strengthened with hybrid CFRP/GFRP sheets”, Materials, 16(14), p.5080.
[21] Ben Saoud, M., Orafi, M., Gundogay, A., Yaman, S., Eren, V., and Tekeli Kabas, H. (2024), “An Experimental Study on Repairing of Reinforced Concrete Beams Having Damaged Longitudinal Bars”, Applied Sciences, 14(23), p.11310.

  • تاریخ دریافت 20 مهر 1404
  • تاریخ بازنگری 24 آبان 1404
  • تاریخ پذیرش 14 آذر 1404
  • تاریخ اولین انتشار 14 آذر 1404
  • تاریخ انتشار 01 مهر 1404