نشریه علمی سازه و فولاد

نشریه علمی سازه و فولاد

طراحی سخت‌کننده بهینه برای صفحات برشی فولادی با بازشوی مربعی مرکزی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشگاه گلستان، گرگان، ایران
2 دانشگاه گلستان، گرگان، ایران.
چکیده
در این پژوهش، از یک رویۀ نظام‌مند، مبتنی بر روش المان محدود، برای طراحی بهینۀ سخت‌کننده‌های صفحات برشی فولادی با بازشوی مربعی مرکزی استفاده می‌شود. شش آرایش مختلف از سخت‌کننده‌های افقی و عمودی که به یک سمت صفحات برشی دارای بازشوی مربعی با نسبت ابعاد مختلف، متصل شده‌اند مورد توجه قرار می‌گیرد. با استفاده از نتایج تحلیل‌های کمانشی مقادیر ویژه، ضخامت‌ها و ارتفاع‌های بهینۀ سخت‌کننده‌ها برای هر آرایش و نسبت ابعاد بازشو تعیین و به شکل نمودارهای طراحی ارائه می‌شود. هدف این است که سخت‌کننده‌ها (بهینه) به‌گونه‌ای طراحی شوند که با تشکیل خطوط گره‌ای، صفحه را به بخش‌های کوچک‌تر تقسیم کنند و درنتیجه، مود کمانش موضعی را با یک مود کمانش کلی جایگزین نمایند. نتایج تحلیل‌های کمانشی مدل‌ها نشان می‌دهد که حضور بازشو با نسبت بُعد بازشو به بعد صفحه ۰/۲، به‌طور نسبی ظرفیت کمانشی را حدود ۳۳٪ کاهش می‌دهد؛ درحالی‌که استفاده از سخت‌کننده در صفحات با بازشو، آن را بین ۳ تا ۲۵ برابر افزایش می‌دهد. نتایج همچنین تأیید می‌کند که حضور بازشو و آرایش سخت‌کننده‌ها، تأثیر قابل‌توجهی بر روی رفتار کمانشی و مشخصات سخت‌کنندۀ بهینه دارد. همچنین نتایج تحلیل‌های غیرخطی و چرخه‌ای نشان می‌دهد که برای یک آرایش مشخص از سخت کننده، رفتار کلی و قابلیت جذب انرژی صفحات سخت‌شده، تحت تأثیر مشخصات هندسی سخت‌کنندۀ بهینه نیست.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Optimal Stiffener Design for Steel Shear Plates with Central Square Openings

نویسندگان English

SAA Hosseinzadeh 1
S.A. Hosseini 2
1 Department of civil Eng., Golestan Uni., Gorgan, Iran
2 Department of civil Eng., Golestan Uni., Gorgan, Iran,
چکیده English

In this study, a systematic finite element analysis procedure is developed to facilitate optimal stiffener design for steel shear panels with central square openings. The research investigates six different arrangements of horizontal and vertical stiffeners connected to one side of shear panels with varying opening sizes. Based on buckling analysis results, optimal stiffener dimensions (thickness and height) are determined for each stiffener configuration and opening ratio, presented through design charts. The objective is to design stiffeners such that they partition the panel into smaller subpanels by forming nodal lines, thereby transforming the local buckling mode into a global one. The buckling analysis results of the models show that the presence of an opening (with opening dimension to plate dimension of 0.2) relatively reduces the buckling capacity by approximately 33%, while using stiffeners increases it by a factor of 3 to 25. Results also demonstrate that both the presence of openings and stiffener arrangement significantly influence buckling behavior and optimal stiffener dimensions. Furthermore, nonlinear static and cyclic quasi-static analysis results reveal that for specific stiffener configurations, the global behavior and energy dissipation capacity of optimally stiffened perforated plates remain consistent across different stiffener geometries.

کلیدواژه‌ها English

Steel Shear Panel
Local Buckling
Optimal Stiffener
Finite Element
Buckling
Cyclic Analysis
[1] Alinia, M.M., Habashi, H.R., and Khorram, A. (2009), “Nonlinearity in the postbuckling behaviour of thin steel shear panels”, Thin-Walled Structures, 47(4), pp.412-420.
[2] Driver, R.G., Kulak, G.L., Kennedy, D.J.L., and Elwi, A.E. (1996), “Seismic performance of steel plate shear walls based on a large-scale multi-storey test”, Proceedings on CD-ROM.
[3]  Driver, R.G., Kulak, G.L., Kennedy, D.L., and Elwi, A.E. (1998), “Cyclic test of four-story steel plate shear wall”, Journal of Structural Engineering, 124(2), pp.112-120.
[4] Ghobadi, F., and Ghaffarzadeh, H. (2023), “Finite element model evolution of perforated steel plate shear walls under cyclic loading”, In Structures, 52, pp.286-298.
[5] A.I.S.C. Steel design guide 20, (2007), steel plate shear walls. Chicago (IL), American Institute of Steel Construction.
[6] Driver, R.G., Kulak, G.L., Elwi, A.E., and Kennedy, D.L. (1998), “FE and simplified models of steel plate shear wall”, Journal of Structural Engineering, 124(2), pp.121-130.
[7] Rahmzadeh, A., Ghassemieh, M., Park, Y., and Abolmaali, A. (2016), “Effect of stiffeners on steel plate shear wall systems”, Steel and Composite Structures, 20(3), pp.545-569.
[8] Berman, J.W., and Bruneau, M. (2004), “Steel plate shear walls are not plate girders”, Engineering Journal, 41(3), pp.95-106.
[9] Chen, X., and Yuan, H. (2023), “Local buckling behaviour of longitudinally stiffened stainless steel plate girders under combined bending and shear”, Thin-Walled Structures, 184, pp.110541.
[10] Dos Santos, G.B., and Gardner, L. (2019), “Testing and numerical analysis of stainless steel I-sections under concentrated end-one-flange loading”, Journal of Constructional Steel Research, 157, pp.271-281.
[11] Alinia, M.M., and Dastfan, M. (2007), “Cyclic behaviour, deformability and rigidity of stiffened steel shear panels”, Journal of Constructional Steel Research, 63(4), pp.554-563.
[12] Alinia, M.M., and Shirazi, R.S. (2009), “On the design of stiffeners in steel plate shear walls”, Journal of Constructional Steel Research, 65(10-11), pp.2069-2077.
[13] Sabouri-Ghomi, S., and Sajjadi, S.R.A. (2012), “Experimental and theoretical studies of steel shear walls with and without stiffeners”, Journal of Constructional Steel Research, 75, pp.152-159.
[14] Es’haghioskui, F., Asl, M.H., Hosseinzadeh, Y., and Gallego, E. (2023), “Experimental and numerical investigation of a new type of steel plate shear wall with diagonal tension field guiding stiffeners”, Journal of Building Engineering, 76, pp.107181.
[15] Hosseinzadeh, S.A.A., and Seddighi, M. (2024), “Wall-frame interactive behavior in GFRP-reinforced steel plate shear walls with circular cutout openings”, In Structures, 61, pp.106061.
[16] Kordzangeneh, G., Showkati, H., Rezaeian, A., and Yekrangnia, M. (2021), “Experimental cyclic performance of steel shear walls with single rectangular opening”, The Structural Design of Tall and Special Buildings, 30(2), pp.1821.
[17] Hagen, N.C., and Larsen, P.K. (2009), “Shear capacity of steel plate girders with large web openings, part II: design guidelines”, Journal of Constructional Steel Research, 65(1), pp.151-158.
[18] Hosseinzadeh, S.A.A., and Tehranizadeh, M. (2012), “Introduction of stiffened large rectangular openings in steel plate shear walls”, Journal of Constructional Steel Research, 77, pp.180-192.
[19] Paslar, N., Farzampour, A., and Hatami, F. (2020), “Investigation of the infill plate boundary condition effects on the overall performance of the steel plate shear walls with circular openings”, In Structures, 27, pp.824-836.
[20] Bahrebar, M., Kabir, M.Z., Zirakian, T., Hajsadeghi, M., and Lim, J.B. (2016), “Structural performance assessment of trapezoidally-corrugated and centrally-perforated steel plate shear walls”, Journal of Constructional Steel Research, 122, pp.584-594.
[21] American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO) (2024), AASHTO LRFD Bridge Design Specifications, 10th ed., AASHTO, Washington, D.C.
[22] ABAQUS/ Standard theory manual, Version 6.20 (2020), hibbitt, Karlsson, Sorenson Inc, (HKS).
[23] Amani, M., Alinia, M.M., and Fadakar, M. (2013), “Imperfection sensitivity of slender/stocky metal plates”, Thin-Walled Structures, 73, pp.207-215.
[24] ANSI/AISC 360-22, (2022), Specification for Structural Steel Buildings, American Institute of Steel Construction.
[25] Timoshenko, S.P., and Goodier, J.N. (1970), “Two-dimensional problems in polar coordinates”, Theory of Elasticity, p.68.

  • تاریخ دریافت 03 آذر 1404
  • تاریخ بازنگری 08 دی 1404
  • تاریخ پذیرش 09 دی 1404
  • تاریخ اولین انتشار 09 دی 1404
  • تاریخ انتشار 01 مهر 1404