مدل تحلیلی برای اعمال اثر نیروی اهرمی در طراحی اتصالات پیچی

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری سازه، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران

2 استاد دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران

3 دانشیار دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

چکیده

عملکرد اهرمی در اتصالات پیچی تیر به ستون، با افزایش نیروی پیچ به مقداری بیشتر از مقاومت طرح آن، می‌تواند باعث خرابی ترد اتصال شود. در روش مرسوم طراحی، نیروی اهرمی پیچ با استفاده از مدل‌های تحلیلی تعیین می‌شود. مدل‌های تحلیلی موجود، بر اساس تحقیقات روی اتصالات پیچی با قطعات T شکل نورد شده ایجاد شده‌اند. در اتصالات گیردار پیچی با ورق انتهایی، قطعه T با جوش نفوذی ورق‌های فولادی ایجاد می‌شود. در این تحقیق مدلی تحلیلی برای تعیین نیروی اهرمی در اجزای T شکل ساخته شده از ورق فولادی پیشنهاد شده است. به این منظور با ساخت و انجام آزمایش بر روی نمونه‌های اتصالات با اجزای T ساخته شده از ورق با مودهای گسیختگی شکل‌پذیر، رابطه نیرو- جابجایی، توزیع کرنش و ظرفیت اتصالات تعیین شد. با ایجاد مدل اجزای محدود اتصالات مورد بررسی و اعتبارسنجی آن با استفاده از داده‌های تجربی پژوهش، مطالعه پارامتریک برای ارزیابی تاثیر مشخصات هندسی و مکانیکی اتصال در مقدار و موقعیت برآیند نیروی اهرمی، خروج از مرکزیت نیروی پیچ و موقعیت مفصل‌های پلاستیک انجام گرفت. رابطه‌ای برای تعیین موقعیت برآیند نیروی اهرمی تعیین شد. نشان داده شد که مفصل پلاستیک در فاصله حدود 10 میلی‌متر از محل اتصال جان به بال T، شکل می‌گیرد. همچنین با تعیین مقدار میانگین برای خروج از مرکزیت نیروی پیچ، کاهش ظرفیت اسمی پیچ در حدود 35 درصد به دست آمد. با این داده‌ها، مدل تحلیلی ساده شده برای پیش‌بینی ظرفیت اتصال با فرض موقعیت تعیین شده برای نیروی پیچ، نیروی اهرمی و مفصل پلاستیک، ایجاد شد. با استفاده از این مدل، مقدار نیروی اهرمی و ظرفیت اتصال پیچی تعیین گردید. نتایج بررسی نشان داد که با استفاده از مدل پیشنهادی، علاوه بر ساده نمودن فرآیند طراحی، به طور میانگین 10.6 درصد بهبود در دقت روش تعیین ظرفیت اتصال پیچی حاصل می‌شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Analytical Model for Applying the Effect of Prying Force in the Design of Bolted Connections

نویسندگان [English]

  • Soheil Alipour Sajedi 1
  • Mohammad Reza Sheidaii 2
  • Yousef Hosseinzadeh 3
1 Ph.D. Candidate, Civil Eng. Dept., Faculty of Engineering, , University of Urmia, Urmia, Iran
2 Professor, Civil Eng. Dept., Faculty of Engineering, , University of Urmia, Urmia, Iran
3 Associate Professor, Structural Eng. Dept., Faculty of Civil Engineering, , University of Tabriz, Tabriz, Iran
چکیده [English]

Prying action in bolted beam-to-column connections may cause brittle failure due to increasing the bolt force to a value greater than its design strength. In the most common design methods, the prying force is generally determined using analytical models. Existing analytical models are based on the research for the bolted connections with rolled T-stubs. In the end plate connections, the T-stub is fabricated by the complete joint penetration welding of steel plates. In this research, an analytical model is proposed for determining the prying force in built-up T-stubs. For this purpose, three specimens were tested under monotonic loading to determine the load-displacement relationship and the load-carrying capacity of T-stubs. An advanced non-linear finite element model was established to evaluate the load-carrying capacity of the bolted T-stubs, and it was validated using the experimental data. A parametric study was performed to evaluate the effects of geometric and mechanical properties of the connections on the magnitude and location of the prying force resultant, the eccentricity of the bolt force, and the location of plastic hinges. Consequently, a formula was proposed to determine the location of the prying force resultant. It was shown that a plastic hinge is formed at a distance of about 10 mm from the T-stub web. Also, it was shown that the eccentricity of the bolt force reduces the nominal capacity of the bolt by about 35%. With these data, a simplified analytical model was developed to predict the T-stub load-carrying capacity assuming the location determined for the bolt force, prying force, and plastic hinge. The magnitude of prying force and T-stub load-carrying capacity were determined using the proposed model. The results showed that by using the proposed model, an average of 10.6% improvement in the accuracy of the bolted T-stub load-carrying capacity determination is achieved.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bolted Connections
  • Prying Force
  • Failure Mechanism
  • Finite Element Model
  • Analytical Model
  • Built-up T-stub

مراجع

  1. Miller, D.K. (1998). Lessons learned from the Northridge earthquake. Engineering structures, 20 (4-6): p. 249-260.
  2. Bai, R., S.-L. Chan, and J.-P. Hao. (2015). Improved design of extended end-plate connection allowing for prying effects. Journal of Constructional Steel Research, 113 p. 13-27.
  3. Gödrich, L., F. Wald, J. Kabeláč, and M. Kuříková. (2019). Design finite element model of a bolted T-stub connection component. Journal of Constructional Steel Research, 157 p. 198-206.
  4. Segui, W.T., (2012), Steel design. Fifth ed. United States of America: Cengage Learning. 752.
  5. ANSI/AISC-360-16, Specification for Structural Steel Buildings in American Institute of Steel Construction, Chicago-Illinois. 2016.
  6. Carlo Lini, P. (2016). A Slightly Longer Look at Prying. Available from: https://www.aisc.org/globalassets/modern-steel/archives/2016/07/a-slightly-longer-look-at-prying_july-2016.pdf.
  7. AISC, (2017), Steel Construction Manual, 15th Ed.: American Institute of Steel Construction,Chicago.
  8. Hu, D., J. Papadopoulos, and G.G. Adams. (2020). Prying action in an elastic T-stub tensile connection. Journal of Constructional Steel Research, 169 p. 106027.
  9. Huang, F., D. Zhang, W. Hong, and B. Li. (2017). Mechanism and calculation theory of prying force for flexible flange connection. Journal of Constructional Steel Research, 132 p. 97-107.
  10. Abidelah, A., A. Bouchaïr, and D.E. Kerdal. (2014). Influence of the flexural rigidity of the bolt on the behavior of the T-stub steel connection. Engineering structures, 81 p. 181-194.
  11. Francavilla, A.B., M. Latour, V. Piluso, and G. Rizzano. (2015). Simplified finite element analysis of bolted T-stub connection components. Engineering structures, 100 p. 656-664.
  12. Yang, J.-G., J.-H. Park, H.-K. Kim, and M.-C. Back. (2013). A prying action force and contact force estimation model for a T-stub connection with high-strength bolts. Journal of Asian Architecture and Building Engineering, 12 (2): p. 309-316.
  13. ANSI/AISC-358-16, Prequalified Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames for Seismic Applications, including Supplement No. 1. 2018, American Institute of Steel Construction, Chicago.
  14. Hantouche, E.G., A.R. Kukreti, G.A. Rassati, and J.A. Swanson. (2015). Prying models for strength in thick-flange built-up T-stubs with complete joint penetration and fillet welds. Journal of Structural Engineering, 141 (2): p. 04014102.
  15. Liang, G., H. Guo, Y. Liu, D. Yang, and S. Li. (2019). A comparative study on tensile behavior of welded T-stub joints using Q345 normal steel and Q690 high strength steel under bolt preloading cases. Thin-Walled Structures, 137 p. 271-283.
  16. Bezerra, L.M., J. Bonilla, W.A. Silva, and W.T. Matias. (2020). Experimental and numerical studies of bolted T-stub steel connection with different flange thicknesses connected to a rigid base. Engineering structures, 218 p. 110770.
  17. Bruneau, M., C.M. Uang, and S. Rafael Sabelli, (2011), Ductile design of steel structures. Second ed.: McGraw-Hill Education.
  18. Wang, W., C. Zhang, Z. Li, and X. Gan. (2021). A Study on the Application of Two Different Material Constitutive Models Used in the FE Simulation of the Cyclic Plastic Behavior of a Steel Beam-Column T-Stub Connection. Advances in Civil Engineering, 2021.

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 24 مرداد 1400
  • تاریخ بازنگری: 11 آبان 1400
  • تاریخ پذیرش: 18 آبان 1400

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار