مطالعه آزمایشگاهی و عددی ابزار محدود کننده نیرو- سیستم لوله در لوله

قلعه جوقی, جعفر; شیدایی, محمد رضا; تاریوردیلو, سعید

doi:10.22065/jsce.2020.205729.1979

مطالعه آزمایشگاهی و عددی ابزار محدود کننده نیرو- سیستم لوله در لوله

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

¹ گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد ارومیه، ارومیه، ایران

² گروه مهندسی عمران دانشگاه ارومیه

³ گروه مهندسی عمران، دانسکده فنی مهندسی، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران

10.22065/jsce.2020.205729.1979

چکیده

رفتارکمانشی عضو فشاری نقش تعیین کننده‌ای در رفتار خرابی سازه دارد. با استفاده از ابزار پیشنهادی محدودکننده نیرو- سیستم لوله در لوله، می‌توان از کمانش و افت ظرفیت ناگهانی عضو فشاری جلوگیری و رفتار ترد پس‌کمانشی آن را به رفتار شکل‌پذیر تبدیل نمود. این سیستم شامل دو لوله است که یکی از لوله‌ها در داخل دیگری قرار می‌گیرد. بطوریکه لوله داخلی، نیروی محوری را تحمل و لوله خارجی به عنوان غلاف عمل می‌نماید. در تحقیق حاضر، ابتدا به بررسی تعدادی نمونه‌ آزمایشگاهی پرداخته شده و سپس تحلیل عددی آنها توسط نرم‌افزار اجزای ‌محدود صورت گرفته است. در ادامه نمونه‌های عددی بیشتری مورد مطالعه قرار گرفت تا رفتار ابزار محدود کننده نیرو- سیستم لوله در لوله، تحت پارامترهای مهمی نظیر گپ بین دو لوله، ضریب لاغری لوله داخلی و نسبت طول لوله خارجی به طول لوله داخلی تعیین گردد. نتایج نشان می‌دهد که این سیستم روشی موثر، ساده و اقتصادی برای جلوگیری از کمانش عضو فشاری بوده و می‌تواند منجر به افزایش مطلوب ظرفیت باربری و شکل‌پذیری عضو فشاری ‌شود. ظرفیت باربری این سیستم با اندازه گپ رابطه معکوس، و با نسبت طول لوله خارجی به طول لوله داخلی رابطه مستقیم دارد؛ در صورتی که اندازه گپ کمتر از 43 درصد شعاع ژیراسیون لوله داخلی و نسبت طول لوله خارجی به طول لوله داخلی بیش از 55 درصد باشد، ظرفیت باربری عضو با افزایش چشمگیری مواجه می‌گردد. این موضوع بویژه زمانی که لوله بیرونی سرتاسر طول لوله داخلی را دربر می‌گیرد، دارای نمود بیشتری است. سیستم پیشنهادی لوله در لوله کارایی لازم در حذف کمانش عضو فشاری و تامین قیود مناسب و کافی برای تسلیم عضو فشاری با لاغری مختلف را دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

تحلیل، طراحی و اجرای سازه های فولادی

عنوان مقاله [English]

Experimental and numerical study of a pipe in pipe force limiting device (PPFLD)

نویسندگان [English]

Jafar Ghalejoughi ¹
Mohammad Reza Sheidaii ²
Saeed Tariverdilo ³

¹ Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering, Urmia Branch, Islamic Azad University, Urmia, Iran

² Sciens , Faculty of Engineering , Civil Engineering Department , Urmia University , Urmia , Iran .

³ Civil Engineering Department, Faculty of Engineering, Urmia University, Urmia, Iran

چکیده [English]

The buckling behavior of compression member has a decisive role in the collapse behavior of a structure. The buckling and sudden capacity loss of the compression member can be prevented using a proposed PPFLD and the brittle post-buckling behavior of the compression member can be converted into ductility behavior. The PPFLD consists of two pipes, one of which is placed into the other pipe and the axial force applied to the inner pipe. Thus, the outer pipe operates as a casing for the inner pipe. The present study investigated a number of experimental specimens. Next, numerical analysis of these specimens has been done using finite element software. Further, the behavior of the PPFLD have been investigated under important parameters such as the gap between two pipes, the inner pipe slenderness coefficient, and the ratio of outer pipe length to inner pipe length, by studying more numerical specimens. The results indicate this PPFLD is an effective, simple and economical method to prevent the buckling of compression member and can lead to a favorable increase in the bearing and deformability capacity of the compression member. The bearing capacity of this PPFLD is inversely related to the size of the gap, and is directly related to the ratio of the outer pipe length to inner pipe length. The bearing capacity of the member will increase significantly, if the gap size is less than 43% of the inner pipe's gyration radius, and the the ratio of the outer pipe length to inner pipe length is greater than 55%. This is more sensible especially when the outer pipe covers the entire length of the inner pipe. The proposed PPFLD has the potential of eliminating the buckling of compression member and providing adequate and sufficient restraints to make yielding at compression member with different slenderness.

کلیدواژه‌ها [English]

Force limiting device (FLD)
Pipe in pipe (PP)
Non-linear analysis
Finite element
Post-buckling behavior

مراجع

[1] ANSI/AISC 341-16. (2016), Seismic Provisions for Structural Steel Buildings, Chicago: American Institute of Steel Construction.

[2] Wu, B., & Mei, Y. (2015). Buckling mechanism of steel core of buckling-restrained braces. Journal of Constructional Steel Research, 107, 61-69.

[3] Wu, B., Lu, J., Mei, Y., & Zhang, J. (2017). Buckling mechanism and global stability design method of buckling-restrained braces. Journal of Constructional Steel Research, 138, 473-487.

[4] Lu, J., Wu, B., & Mei, Y. (2018). Buckling mechanism of steel core and global stability design method for fixed-end buckling-restrained braces. Engineering Structures, 174, 447-461.

[5] Iwata, M., Katoh, T. and Wada, A., (2001). “Performance Evaluation of Buckling-Restrained Braces on Damage Controlled Structures: Parts 1 and 2”. In Summaries of technical papers of annual meeting, Architectural Institute of Japan, Structural Engineering Section (III), 658-662. Tokyo: Architectural Institute of Japan. (in Japanese).

[6] Ozcelik, R., Dikiciasik, Y., & Erdil, E. F. (2017). The development of the buckling restrained braces with new end restrains. Journal of Constructional Steel Research, 138, 208-220

[7] Ding, Y., Zhang, Y., & Zhao, J. (2009). Tests of hysteretic behavior for unbonded steel plate brace encased in reinforced concrete panel. Journal of Constructional Steel Research, 65(5), 1160-1170.

[8] Iwata, M., & Murai, M. (2006). Buckling‐restrained brace using steel mortar planks; performance evaluation as a hysteretic damper. Earthquake engineering & structural dynamics, 35(14), 1807-1826.

[9] Satake N., Mase S., Terada T., Isoda K., (2001). “Development of unbounded brace damper restrained by channel section steel (Part 2 static loading test using full-scale specimens)”, In: Summaries of technical papers of annual meeting, Architectural Institute of Japan. Volume 9, 665- 666. Tokyo: Architectural Institute of Japan.

[10] Mateus, J. A. S., Tagawa, H., & Chen, X. (2019). Buckling-restrained brace using round steel bar cores restrained by inner round steel tubes and outer square steel tube. Engineering Structures, 197, 109379.

[11] Dehghani, E., Babaei, N., & Zarrineghbal, A. (2019). Investigation of the Distribution of Cumulative Ductility Demand Parameter in Various Storeys of Buckling Restrained Braced Frames. Journal of Rehabilitation in Civil Engineerin, 7(3), 148-161.

[12] Md. Soebur Rahman, Mahbuba Begum, Raquib Ahsan, (2016), Comparison between Experimental and Numerical Studies of Fully Encased Composite Columns, International Journal of Structural and Construction Engineering, Vol:10, No:6.

[13] Hanaor, A., & Schmidt, L. C. (1980). Space truss studies with force limiting devices. Journal of the Structural Division, 106(11), 2313-2329.

[14] El-Sheikh, A. (1999). Effect of force limiting devices on behaviour of space trusses. Engineering structures, 21(1), 34-44.

[15] Kim, C. H., Chae, W. T., Oh, Y. S., & Kim, C. Y. (2013). A Study on the Development of Force Limiting Devices (FLD) which Induce Yielding before Elastic Buckling. Journal of Korean Society of Steel Construction, 25(3), 279-287. (in Korean).

[16] Oh, Y. S., Kim, C. H., Kim, C. Y., & Chae, W. T. (2013). A Study on the Post-Buckling Behavior of Slit Type FLD (Force Limiting Device). Journal of Korean Society of Steel Construction, 25(5), 475-486. (in Korean).

[17] Kim, C.H., Chae, W.T., and Do, C.G. (2014). “A Study on the Development of the Force Limiting Device with Folded types” In: Annual Conference Korean Society of Steel Construction, KSSC. Korea, 113-114 (in Korean).

[18] Kim, C. H., & Chae, W. T. (2015). A Study on the Development of Force Limiting Devices of Cross-Section Cutting Types. Journal of Korean Society of Steel Construction, 27(1), 77-85.

[19] Poursharifi, M., Abedi, K., & Chenaghloua, M. (2017). 05.32: Experimental and numerical study on the collapse behavior of an all‐steel accordion force limiting device. ce/papers, 1(2-3), 1315-1324.

[20] Mukai, H., Wada, A., Watanabe, A., & Iwata, M. (1993). Ductile truss structures and scaled model experiments. In Space structures 4 (pp. 1841-1850).

[21] Riks, E. (1979). An incremental approach to the solution of snapping and buckling problems. International journal of solids and structures, 15(7), 529-551.