نشریه علمی سازه و فولاد

نشریه علمی سازه و فولاد

ارزیابی عملکرد اتصال گیردار فولادی مجهز شده به سیستم ترکیبی میراگر شکاف‌دار فولادی و مؤلفه مرکزگرای آلیاژ حافظه‌دار

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 کارشناس ارشد، دانشکده عمران، دانشکدگان فنی، دانشگاه تهران، تهران، ایران
2 استاد دانشکدگان فنی، دانشگاه تهران
3 دانشیار دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه بین‌المللی امام خمینی (ره)
چکیده
زمینۀ پژوهش: محدودنمودن دریفت پسماند، یکی از اهداف طراحی مهندسی در سازه‌های جدید است و کوچک‌بودن دریفت پسماند، تعمیرپذیری سازه را پس از وقوع زلزله ممکن می‌سازد. آلیاژ حافظه‌دار نایتینول یکی از مصالح گران‌قیمت مرکزگرای جدید است که خاصیت بازیابی تغییرشکل‌های پسماند را دارد. ازسوی دیگر استفاده از میراگرهای شکاف‌دار فولادی یکی از انواع مطلوب میراگرهای انرژی است. در این مقاله یک اتصال گیردار فولادی مجهز به یک سیستم ترکیبی میراگر شکاف‌دار فولادی و مؤلفۀ آلیاژ حافظه‌دار ناتینول مورد مطالعۀ عددی قرار می‌گیرد و عملکرد مشترک مؤلفۀ میراگر انرژی و مؤلفۀ مرکزگرا ارزیابی می‌شود.
روش پژوهش: در ابتدا یک نمونۀ آزمایشگاهی مجهز به میراگر شکاف‌دار، به‌عنوان نمونۀ مرجع در نظر گرفته می‌شود، سپس پیکربندی موازی مؤلفۀ میراگر فولادی و مؤلفۀ مرکزگرای آلیاژ حافظه‌دار معرفی و بررسی عددی می‌شود. در صنعت به‌دلیل گرانی مصالح نایتینول از سیم‌های نازک نایتینول استفاده می‌شود و استفاده از حالت سری دو مؤلفه به‌دلیل مصرف بالای مصالح نایتینول امکان‌پذیر نیست. در طراحی نمونه‌های عددی، سختی نمونۀ مرجع آزمایشگاهی به‌عنوان سختی مرجع ثابت در طراحی سیستم ترکیبی مؤلفۀ مرکزگرا و میراگر شکاف‌دار در نظر گرفته می‌شود. ۲۴ نمونۀ عددی با مدل‌سازی اجزای محدود ساخته می‌شود و پارامترهای دوران تسلیم، لنگر تسلیم، دوران پسماند، تنش‌های اعضای اتصال در تحلیل‌های چرخه‌ای و انرژی مستهلک‌شده مورد مطالعه قرار می‌گیرد.
یافته‌ها: نتایج نشان می‌دهد که قرارگیری موازی دو مؤلفه موجب افزایش محسوس مقاومت اتصال می‌شود و با افزایش سهم نایتینول، رفتار هیسترزیس تا حدی به شکل پرچمی نزدیک می‌شود. بااین‌حال، اثر مرکزگرایی در کاهش دریفت پسماند محدود بوده و حتی در نمونۀ دارای بیش‌ترین مقدار نایتینول، میزان کاهش دوران پسماند تقریباً ۱۵٪ است. همچنین مشخص شد استفاده از سخت‌کننده در ناحیۀ نشیمن برای حفظ صلبیت اتصال ضروری است.
نتیجه‌گیری: در مجموع، پیکربندی موازی برای افزایش مقاومت و ایجاد مقدار محدودی مرکزگرایی مناسب است، اما برای کاهش چشم‌گیر دریفت پسماند کافی نیست. درصورتی‌که هدف اصلی کاهش دریفت پسماند باشد، آرایش‌های دیگری، ازجمله پیکربندی سری، باید با توجه به مقدار نایتینول مورد نیاز، قابلیت ساخت و هزینه بررسی شوند.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Performance Evaluation of a Steel Moment-Resisting Connection Equipped with a Hybrid Steel Slit Damper and Shape Memory Alloy Self-Centering System

نویسندگان English

Behrad Baghaie 1
Mehdi Ghassemieh 2
Mohammad Soheil Ghobadi 3
1 M.Sc. Graduate, College of Engineering, School of Civil Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran
2 Professor at the College of Engineering, University of Tehran
3 Associate Professor at the Faculty of Technology and Engineering, Imam Khomeini International University
چکیده English

Background: Limiting residual drift is one of the objectives in the design of modern structures, as small residual drifts facilitate structural repairability following an earthquake. Nitinol shape memory alloy is an advanced and expensive self-centering material capable of recovering residual deformations. On the other hand, steel slit dampers are among the desirable types of energy dissipation devices. In this study, a steel moment-resisting connection equipped with a hybrid system comprising a steel slit damper and a Nitinol shape memory alloy component is numerically investigated, and the combined performance of the energy-dissipating and self-centering components is evaluated.
Methods: First, an experimentally tested connection equipped with a slit damper is considered as the reference specimen. Subsequently, a parallel configuration consisting of a steel damping component and a Nitinol self-centering component is introduced and numerically investigated. Due to the high cost of Nitinol in practical applications, thin Nitinol wires are employed, while a series configuration of the two components is not feasible because of its higher Nitinol material demand. In designing the numerical specimens, the stiffness of the experimental reference specimen is maintained as a constant reference stiffness for the hybrid slit damper–self-centering system. 24 finite element models are developed, and the yield rotation, yield moment, residual rotation, stresses in the connection components under cyclic loading, and dissipated energy are evaluated.
Results: The results indicate that the parallel arrangement significantly increases connection strength, while increasing the contribution of Nitinol causes the hysteretic response to become progressively more flag-shaped. However, the self-centering effect in reducing residual drift remains limited. Even in the specimen containing the largest amount of Nitinol, the reduction in residual rotation is approximately 15%. The results also demonstrate that a stiffener in the connection seat region is essential to maintain connection rigidity.
Conclusion: Overall, the parallel configuration is suitable for increasing connection strength and providing limited self-centering capability; however, it is insufficient for achieving a substantial reduction in residual drift. When residual drift reduction is the primary objective, alternative arrangements, including series configurations, should be investigated considering the required amount of Nitinol, constructability, and cost.

کلیدواژه‌ها English

Residual Drift
Self-Centering
Steel Slit Damper
Shape Memory Alloy
Moment-Resisting Connection
Hysteresis
[1] Oh, S.H., Kim, Y.J., and Ryu, H.S. (2009), "Seismic Performance of Steel Structures with Slit Dampers", Engineering Structures, 31(9), pp.1997–2008.
[2] Köken, A., and Köroğlu, M.A. (2015), "Experimental Study on Beam-to-Column Connections of Steel Frame Structures with Steel Slit Dampers", Journal of Performance of Constructed Facilities, 29(2), p.04014066.
[3] Hosseini, M., Haitao, L., Corbi, I., and Corbi, O. (2022), "Numerical Analysis of the Seismic Performance of Rigid Beam-to-Column Moment Connections Equipped with Steel Slit Damper (SSD)", Latin American Journal of Solids & Structures, 19(2), p.e436.
[4] Bayat, K., and Shekastehband, B. (2019), "Seismic Performance of Beam-to-Column Connections with T-Shaped Slit Dampers", Thin-Walled Structures, 141, pp.28–46.
[5] Lee, J., and Kim, J. (2017), "Development of Box-Shaped Steel Slit Dampers for Seismic Retrofit of Building Structures", Engineering Structures, 150, pp.934–946.
[6] Moghaddam, S.H., and Shooshtari, A. (2023), "Numerical and Experimental Investigation on Seismic Performance of Proposed Steel Slit Dampers", Journal of Constructional Steel Research, 200, p.107646.
[7] Naeem, A., and Kim, J. (2019), "Seismic Performance Evaluation of a Multi-Slit Damper", Engineering Structures, 189, pp.332–346.
[8] Bayat, K., and Shekastehband, B. (2020), "Structural Performance of Beam System with T-Stub Type Slit Damper", Engineering Structures, 205, p.109858.
[9] Gashi, F., Bontempi, F., and Petrini, F. (2021), "Experimental Study on Steel Slit and Shear Panel for Seismic Resistance", ce/papers, 4(2–4), pp.2036–2043.
[10] Nasab, M.S.E., Kim, J., and Ahn, T.S. (2024), "Seismic Performance Evaluation of a Steel Slit Damper for Retrofit of Structures on Soft Soil", Steel & Composite Structures, 51(1), pp.93–101.
[11] Song, G., Ma, N., and Li, H.N. (2006), "Applications of Shape Memory Alloys in Civil Structures", Engineering Structures, 28(9), pp.1266–1274.
[12] Yam, M.C., Fang, C., Lam, A.C., and Zhang, Y. (2015), "Numerical Study and Practical Design of Beam-to-Column Connections with Shape Memory Alloys", Journal of Constructional Steel Research, 104, pp.177–192.
[13] Speicher, M.S., DesRoches, R., and Leon, R.T. (2011), "Experimental Results of a NiTi Shape Memory Alloy (SMA)-Based Recentring Beam-Column Connection", Engineering Structures, 33(9), pp.2448–2457.
[14] Wang, W., Chan, T.M., Shao, H., and Chen, Y. (2015), "Cyclic Behavior of Connections Equipped with NiTi Shape Memory Alloy and Steel Tendons between H-Shaped Beam to CHS Column", Engineering Structures, 88, pp.37–50.
[15] Fang, C., Yam, M.C., Lam, A.C., and Xie, L. (2014), "Cyclic Performance of Extended End-Plate Connections Equipped with Shape Memory Alloy Bolts", Journal of Constructional Steel Research, 94, pp.122–136.
[16] Federal Emergency Management Agency (FEMA) (2018), "Seismic Performance Assessment of Buildings", Volume 1–Methodology. 2nd edn. FEMA P-58-1. Washington, DC: FEMA.
[17] American Institute of Steel Construction (2022), "Seismic Provisions for Structural Steel Buildings", ANSI/AISC 341-22. Chicago, IL: American Institute of Steel Construction.
[18] 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.
[19] Mortazavi, S.M.R. (2023), "Evaluating the Effectiveness of a Shape Memory Alloy on a Connection Equipped with Slit Damper", Journal of Vibration Engineering & Technologies, 11(3), pp.1271–1285.

  • تاریخ دریافت 22 اسفند 1404
  • تاریخ بازنگری 05 تیر 1405
  • تاریخ پذیرش 12 تیر 1405
  • تاریخ اولین انتشار 25 شهریور 1405
  • تاریخ انتشار 01 آبان 1405