نشریه علمی سازه و فولاد

نشریه علمی سازه و فولاد

تأثیر نوع اتصال گیردار بر سختی جانبی قاب‌های خمشی فولادی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشجوی دکترای عمران، واحد اراک، دانشگاه آراد اسلامی، اراک، ایران
2 گروه عمران، واحداراک، دانشگاه آزاد اسلامی، اراک، ایران
چکیده
زمینۀ پژوهش: آیین‌نامۀ AISC اتصالات گیردار ازپیش‌تأییدشده‌ای معرفی کرده که عملکرد لرزه‌ای قابل‌قبولی برای قاب‌های خمشی تضمین می‌کنند. در طراحی‌های متداول، نوع اتصال در مدل‎سازی نرم‌افزاری لحاظ نمی‌شود و تمامی اتصالات خمشی به یک صورت تعریف می‌شوند. این درحالی است که رفتار واقعی هر اتصال تفاوت‌های قابل‌توجهی در سختی جانبی، جذب انرژی و شکل‌پذیری ایجاد می‌کند. هدف این تحقیق، بررسی تأثیر سه نوع اتصال گیردار WUF-W، WFP و BFP بر سختی جانبی قاب‌های خمشی فولادی به‌صورت ترکیبی آزمایشگاهی و عددی است.
روش پژوهش: سه قاب خمشی فولادی در مقیاس کامل با دهانۀ ۲/۸ و ارتفاع ۱/۸ متر ساخته شدند. مقاطع تیر و ستون به‌ترتیب معادل IPE270 و IPB180 در نظر گرفته شدند و اصل تیر ضعیف-ستون قوی کنترل شد. نمونه‌ها تحت پروتکل بارگذاری چرخه‌ای ATC-24 با کنترل تغییرمکان قرار گرفتند. تغییرمکان تسلیم قاب ۲۰ میلی‎متر و بارگذاری تا ۱۰۰ میلی‎متر ادامه یافت. مدل‎سازی عددی با Abaqus انجام گرفت. از المان‌های C3D8R، مدل سخت‌شوندگی هم‌بازگشت و معیار فون‎میسز استفاده شد. جوش‌ها با قید صلب و پیچ‌ها با المان‌های جامد و پیش‌تنیدگی شبیه‌سازی و نتایج عددی با داده‌های آزمایشگاهی اعتبارسنجی شدند. پارامترهای سختی اولیه، فراتسلیم، سکانتی، انرژی پلاستیک و میرایی از منحنی‌های هیسترزیس استخراج شدند.
یافته‌ها: استفاده از ورق‌های فوقانی و تحتانی در اتصال WFP نسبت به WUF-W، سختی اولیه را ۸۳ درصد و مقاومت نهایی را ۸۹ درصد افزایش می‌دهد. اما شکل‌پذیری را ۹ درصد و میرایی را ۱۷ درصد کاهش می‌دهد. اتصال BFP با سختی اولیه ۰/۴۶ و مقاومت ۲۱/۵ تن، عملکرد میانی دارد. در اتصال WUF-W، مفصل پلاستیک در چشمه اتصال تشکیل شده اما در دو اتصال دیگر به ستون مجاور منتقل می‌شود. مقایسۀ نتایج عددی و آزمایشگاهی تطابق خوب با خطای ۶ تا ۱۲ درصد را نشان می‌دهد.
نتیجه‌گیری: انتخاب اتصال باید بر اساس اولویت طراحی باشد. در مناطق لرزه‌خیز، اتصال WUF-W با بالاترین شکل‌پذیری و میرایی و تشکیل مفصل پلاستیک در تیر توصیه می‌شود. برای سختی و مقاومت بالا، اتصال WFP مناسب‌تر است. برای تعمیرپذیری و رفتار متعادل، اتصال BFP پیشنهاد می‌شود.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

The Effect of Rigid Connection Type on Lateral Stiffness of Steel Bending Frames

نویسندگان English

Khosro Pilevarian 1
Mehdi Alirezaei 2
Mohammad Mir Hossini 2
Ehsanollah Zeighami 2
1 Ph.D. Candidate, Department of Civil Engineering Arak Branch, Islamic Azad University, Arak, Iran
2 Department of Civil Engineering, Ar.C., Islamic Azad University, arak, Iran
چکیده English

Background: AISC prequalifies several rigid connections that provide acceptable seismic performance for steel moment-resisting frames. In conventional design practice, the connection type is often not explicitly considered in numerical modeling, and different rigid connections are commonly modeled in a similar manner. However, the actual behavior of each connection can result in significant differences in lateral stiffness, energy dissipation, and ductility. This study investigates the effects of three rigid connection types, namely welded unreinforced flange–bolted web (WUF-W), welded flange plate (WFP), and bolted flange plate (BFP) connections, on the lateral stiffness of steel moment-resisting frames through a combined experimental and numerical approach.
Methods: Three full-scale steel moment frames with a span of 2.8 m and a height of 1.8 m were constructed. Beam and column sections were equivalent to IPE270 and IPB180, respectively, and the strong-column–weak-beam criterion was satisfied. The specimens were subjected to the ATC-24 cyclic loading protocol under displacement control. The yield displacement was 20 mm, and loading continued to a maximum displacement of 100 mm. Numerical modeling was performed using Abaqus with C3D8R elements, combined isotropic–kinematic hardening, and the von Mises yield criterion. Welds were modeled using tie constraints, while bolts were modeled as solid elements with prestressing. The numerical results were validated against the experimental data. Initial, post-yield, and secant stiffness, cumulative plastic energy, and damping were extracted from the hysteresis curves.
Results: The results showed that the use of top and bottom flange plates in the WFP connection, compared with the WUF-W connection, increased the initial stiffness by 83% and the ultimate strength by 89%, while reducing ductility by 9% and damping by 17%. The BFP connection exhibited intermediate behavior, with an initial stiffness of 0.46 ton/mm and an ultimate strength of 21.5 ton. In the WUF-W connection, plastic hinging occurred in the panel zone, whereas in the WFP and BFP connections, plastic deformation shifted toward the adjacent column. The comparison of the numerical and experimental results showed good agreement, with differences ranging from 6% to 12%.
Conclusion: The selection of connection type should be based on the design priorities. For seismic applications, the WUF-W connection is recommended because of its higher ductility and damping and its beam-hinging behavior. For higher stiffness and strength, the WFP connection is more suitable. The BFP connection is recommended when repairability and balanced structural behavior are prioritized.

کلیدواژه‌ها English

Moment Frame
Lateral Stiffness
Rigid Connection
Connection Plates
Prequalified Connections
[1] American Institute of Steel Construction (AISC). (2022), Prequalified Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames for Seismic Applications (ANSI/AISC 358-22). Chicago, IL: AISC.
[2] Ministry of Roads and Urban Development of Iran. (2022), Iranian National Building Code, Part 10: Design and Construction of Steel Structures (4th ed.). Tehran, Iran: National Building Regulations Office. (in Persian)
[3] Mao, C., Ricles, J., Lu, L.W., and Fisher, J. (2001), "Effect of Local Details on Ductility of Welded Moment Connections", Journal of Structural Engineering, 127(9), pp.1036-1044.
[4] Bleck, W., Dahl, W., Nonn, A., Amlung, L., Feldmann, M., Schäfer, D., and Eichler, B. (2009), "Numerical and Experimental Analyses of Damage Behaviour of Steel Moment Connection", Engineering Fracture Mechanics, 76(10), pp.1531-1547.
[5] Ashrafi, Y., Rafezy, B., and Howson, W.P. (2009), "Evaluation of the Performance of Reduced Beam Section (RBS) Connections in Steel Moment Frames Subjected to Cyclic Loading", In Proceedings of the World Congress on Engineering, 2, pp.1-3.
[6] Gholami, M., Deylami, A., and Tehranizadeh, M. (2013), "Seismic Performance of Flange Plate Connections Between Steel Beams and Box Columns", Journal of Constructional Steel Research, 84, pp.1-12.
[7] Kulkarni, S. A., and Vesmawala, G. (2014), "Study of Steel Moment Connection with and without Reduced Beam Section", Case Studies in Structural Engineering, 1, pp.26-31.
[8] Bayat, M. (2025), "A Case Study for Optimising the Geometry and Moment-Protected Zones: Seismic Retrofit Using Reduced Web Section (RWS) Connections", Frontiers in Built Environment. (in Persian)
[9] Altheeb, A., Alshaikh, I.M., Abadel, A.A., Nehdi, M.L., and Abu Bakar, B.H. (2026), Investigation of 3D Steel Frames with a Reduced Beam Section and Various Web-Opening Shapes under Internal Column Loss", Journal of Asian Architecture & Building Engineering, 25(1), pp.491-514.
[10] Ghamari, A. (2025), "Novel Ductile Moment-Resisting Frame Composed of Gusset Plate Steel Connections and FRP Profiles", Polymers, 9(6), pp.280.
[11] Stevens, R.T., Hebdon, M.H., and Eatherton, M.R. (2024), "Seismic Behavior of Steel Moment Frame Connections with Repairs in the Plastic Hinge Region", Journal of Structural Engineering, 150(5), pp.04024042.
[12] Deutsches Institut für Normung (DIN). (1980), Steels for general structural purposes; quality standard (DIN 17100:1980). Berlin, Germany: DIN.
[13] Applied Technology Council. (1992), Guidelines for Cyclic Seismic Testing of Components of Steel Structures (ATC-24). Redwood City, CA: ATC.
[14] Research Council on Structural Connections (2020), Specification for Structural Joints Using High-Strength Bolts. Chicago, IL: Research Council on Structural Connections.

  • تاریخ دریافت 19 آذر 1404
  • تاریخ بازنگری 18 اسفند 1404
  • تاریخ پذیرش 21 اسفند 1404
  • تاریخ اولین انتشار 01 تیر 1405
  • تاریخ انتشار 01 تیر 1405