نشریه علمی سازه و فولاد

نشریه علمی سازه و فولاد

ارزیابی رفتار قاب مهاربندی‌ فولادی مجهز به میراگر صفحه فولادی تسلیم‌شونده و آلیاژ حافظه‌دار شکلی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشکده مهندسی عمران - دانشکدگان فنی - دانشگاه تهران
2 استاد دانشکدگان فنی، دانشگاه تهران
3 دانشکده مهندسی عمران - دانشگاه تهران
چکیده
زمینۀ پژوهش: استفاده از میراگرهای فولادی تسلیم‌شونده یکی از روش‌های مؤثر برای افزایش ظرفیت اتلاف انرژی در سازه‌های فولادی است؛ اما باقی‌ماندن تغییرشکل‌های ماندگار پس از زلزله، بهره‌برداری مجدد از سازه را با محدودیت مواجه می‌کند. آلیاژهای حافظه‌دار شکلی (SMA) به‎دلیل برخورداری از خاصیت خودبازگردانندگی، می‌توانند این ضعف را برطرف نمایند. هدف این پژوهش، بررسی تأثیر به‌کارگیری آلیاژهای حافظه‌دار شکلی در میراگرهای صفحه‌ای فولادی بر بهبود عملکرد لرزه‌ای، افزایش ظرفیت اتلاف انرژی و کاهش تغییرشکل‌های ماندگار قاب‌های مهاربندی هم‌محور فولادی است.
روش پژوهش: در این پژوهش، ۱۱ مدل اجزای محدود شامل یک مدل مرجع و ۱۰ مدل مجهز به آلیاژهای حافظه‌دار با طول، سطح مقطع و سختی‌های مختلف در نرم‌افزار ABAQUS توسعه داده شد. رفتار چرخه‌ای مدل‌ها تحت بارگذاری رفت و برگشتی بررسی و شاخص‌هایی شامل مقاومت نهایی، ظرفیت اتلاف انرژی، شکل‌پذیری، نسبت میرایی ویسکوز معادل و جابه‌جایی ماندگار ارزیابی و با یکدیگر مقایسه شدند.
یافته‌ها: نتایج نشان داد که استفاده از آلیاژهای حافظه‌دار شکلی موجب بهبود قابل‌توجه عملکرد لرزه‌ای سیستم می‌شود؛ به‌طوری‌که مقاومت نهایی تا ۱۲۲/۷ درصد و ظرفیت اتلاف انرژی تا ۸۱/۹ درصد نسبت به مدل مرجع افزایش یافت و جابه‌جایی ماندگار تا ۲۶/۱ درصد کاهش پیدا کرد. همچنین، رفتار هیسترزیس سیستم به الگوی پرچمی نزدیک‌تر شده و قابلیت خودبازگردانندگی آن بهبود یافت. بررسی پارامترهای مختلف نیز نشان داد که انتخاب مناسب طول و سختی آلیاژ، نقش تعیین‌کننده‌ای در ایجاد تعادل بین ظرفیت اتلاف انرژی و کاهش تغییرشکل‌های ماندگار دارد.
نتیجه‌گیری: به‌کارگیری آلیاژهای حافظه‌دار شکلی در میراگرهای صفحه‌ای فولادی، ضمن افزایش مقاومت و ظرفیت جذب انرژی، موجب کاهش تغییرشکل‌های دائمی و بهبود قابلیت بهره‌برداری سازه پس از زلزله می‌شود. بنابراین، این سیستم می‌تواند به‌عنوان راهکاری مؤثر برای ارتقای عملکرد لرزه‌ای و افزایش تاب‌آوری قاب‌های فولادی مهاربندی‌شده مورد استفاده قرار گیرد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Evaluation of the Behavior of Steel Braced Frames Equipped with Yielding Steel Plate Dampers and Shape Memory Alloy Dampers

نویسندگان English

Younos Majidi 1
Mehdi Ghassemieh 2
Moein Rezapour 3
1 School of Civil Engineering, University of Tehran
2 Professor at the College of Engineering, University of Tehran
3 School of Civil Engineering - University of Tehran
چکیده English

Background: Yielding steel dampers are widely used to enhance the energy dissipation capacity of steel structures; however, significant residual deformations after earthquakes may impair post-earthquake functionality. Owing to their self-centering capability, Shape Memory Alloys (SMAs) offer an effective solution to this limitation. This study aims to investigate the influence of incorporating SMAs into steel plate dampers on the seismic performance, energy dissipation capacity, and residual deformation of concentrically braced steel frames.
Methods: Eleven finite element models, including one conventional reference model and ten SMA-equipped models with different SMA lengths, cross-sectional areas, and stiffness values, were developed in ABAQUS. Cyclic loading analyses were performed to evaluate and compare ultimate strength, energy dissipation capacity, ductility, equivalent viscous damping ratio, and residual displacement.
Results: The results indicate that incorporating SMAs considerably improves the seismic performance of the system. Compared with the reference model, the ultimate strength and energy dissipation capacity increased by up to 122.7% and 81.9%, respectively, while the residual displacement decreased by as much as 26.1%. In addition, the hysteretic response gradually evolved toward a flag-shaped behavior, demonstrating enhanced self-centering capability. The results also revealed that the appropriate selection of SMA length and stiffness provides an effective balance between energy dissipation and residual deformation reduction.
Conclusion: Integrating Shape Memory Alloys with yielding steel plate dampers significantly enhances the seismic behavior of concentrically braced steel frames by simultaneously increasing strength and energy dissipation while reducing permanent deformations. Therefore, this system can be considered an efficient solution for improving seismic resilience and post-earthquake functionality of steel structures.

کلیدواژه‌ها English

Shape Memory Alloy
Seismic Damper
Self-Centering
Energy Dissipation
Ductility
[1] Spencer Jr, B.F., and Nagarajaiah, S. (2003), "State of the art of structural control", Journal of Structural Engineering, 129(7), pp.845-856.
[2] Soong, T.T., and Spencer Jr, B.F. (2002), "Supplemental energy dissipation: state-of-the-art and state-of-the-practice", Engineering Structures, 24(3), pp.243-259.
[3] Saaed, T.E., Nikolakopoulos, G., Jonasson, J.E., and Hedlund, H. (2015), "A state-of-the-art review of structural control systems", Journal of Vibration & Control, 21(5), pp.919-937.
[4] Ghasemieh, M., and Rezapour, M. (2016), "Application of shape memory alloys in structural engineering", Tehran: Tehran Academic Center for Education, Culture and Research (ACECR).
[5] Ocel, J., DesRoches, R., Leon, R.T., Hess, W.G., Krumme, R., Hayes, J.R., and Sweeney, S. (2004), "Steel beam-column connections using shape memory alloys", Journal of Structural Engineering, 130(5), pp.732-740.
[6] Asgarian, B., and Moradi, S. (2011), "Seismic response of steel braced frames with shape memory alloy braces", Journal of Constructional Steel Research, 67(1), pp.65-74.
[7] DesRoches, R., McCormick, J., and Delemont, M. (2004), "Cyclic properties of superelastic shape memory alloy wires and bars", Journal of Structural Engineering, 130(1), pp.38-46.
[8] McCormick, J., DesRoches, R., Fugazza, D., and Auricchio, F. (2007), "Seismic assessment of concentrically braced steel frames with shape memory alloy braces", Journal of Structural Engineering, 133(6), pp.862-870.
[9] Ghassemieh, M., and Kari, A. (2013), "Application of shape memory alloys in seismic control of steel structures", Advances in Materials Science and Applications, 2(2), pp.66-72.
[10] Ghassemieh, M., Bahaari, M.R., Ghodratian, S.M., and Nojoumi, S.A. (2012), "Improvement of concrete shear wall structures by smart materials", Open Journal of Civil Engineering, 2(3), pp.87.
[11] Motahari, S.A., Ghassemieh, M., and Abolmaali, S.A. (2007), "Implementation of shape memory alloy dampers for passive control of structures subjected to seismic excitations", Journal of Constructional Steel Research, 63(12), pp.1570-1579.
[12] Kari, A., Ghassemieh, M., and Badarloo, B. (2019), "Development and design of a new self-centering energy-dissipative brace for steel structures", Journal of Intelligent Material Systems & Structures, 30(6), pp.924-938.
[13] Bergman, D.M., and Goel, S.C. (1987), "Evaluation of cyclic testing of steel-plate devices for added damping and stiffness", Department of Civil Engineering, University of Michigan.
[14] 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(3), pp.505-528.
[15] Saeedi, F., Shabakhty, N., and Mousavi, S.R. (2016), "Seismic assessment of steel frames with triangular-plate added damping and stiffness devices", Journal of Constructional Steel Research, 125, pp.15-25.
[16] Behnamfar, F., and Almohammad-Albakkar, M. (2023), "Development of steel yielding seismic dampers used to improve seismic performance of structures: A comprehensive review", International Journal of Engineering, 36(4), pp.746-775.
[17] DesRoches, R., McCormick, J., and Delemont, M. (2004), "Cyclic properties of superelastic shape memory alloy wires and bars", Journal of Structural Engineering, 130(1), pp.38-46.
[18] Mohammadi, R.K., Nasri, A., and Ghaffary, A. (2017), "TADAS dampers in very large deformations", International Journal of Steel Structures, 17(2), pp.515-524.
[19] American Society of Civil Engineers. (2023), Seismic evaluation and retrofit of existing buildings (ASCE/SEI 41-23). Reston, VA: American Society of Civil Engineers.

  • تاریخ دریافت 26 آذر 1404
  • تاریخ بازنگری 02 بهمن 1404
  • تاریخ پذیرش 04 بهمن 1404
  • تاریخ اولین انتشار 01 فروردین 1405
  • تاریخ انتشار 01 فروردین 1405