بررسی رفتار کمانشی ستون‌های فولادی سرد نورد شده با مقطع مرکب تحت اثر آتش

اسماعیلی نیاری, شیرین; قندی, الهام; سمیعی, پریسا

doi:10.22065/jsce.2020.232335.2146

بررسی رفتار کمانشی ستون‌های فولادی سرد نورد شده با مقطع مرکب تحت اثر آتش

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

¹ عضو هیات علمی،دانشگاه محقق اردبیلی ،دانشکده فنی و مهندسی، گروه مهندسی عمران

² هیات علمی دانشگاه محقق اردبیلی

³ دانشجوی کارشناسی ارشد سازه، دانشگاه محقق اردبیلی

10.22065/jsce.2020.232335.2146

چکیده

در سال‌های اخیر، استفاده از اعضای فولادی سرد نورد شده(Cold-formed steel (CFS)) به عنوان اعضای سازه‌ای باربر در ساختمان‌های مسکونی و تجاری رواج گسترده‌ای پیدا کرده است. تحقیقات اندکی در مورد رفتار در برابر آتش ستون‌های CFS وجود دارد. مخصوصا ستون‌های CFS با مقطع مرکب (Built-up section) که بیشتر در ساختمان‌سازی متداول هستند، کمتر مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین، استانداردهای طراحی سازه‌های فولادی سرد نورد شده موجود، ضوابط طراحی کافی برای طراحی در برابر آتش ستون‌های CFS ارائه نداده‌اند. بنابراین در این مقاله، به بررسی رفتار کمانشی ستون‌های CFS با مقطع مرکب تحت بار محوری در دماهای بالا با استفاده از روش عددی پرداخته شده است. همچنین امکان استفاده از روش مقاومت مستقیم (DSM) در ارزیابی ظرفیت باربری ستون‌های مرکب در دماهای بالا مورد بررسی قرار گرفته است. از روش تحلیل عددی با استفاده از نرم‌افزار عناصر محدود ABAQUS برای ارزیابی رفتار مدل‌ها استفاده شده است. پس از مدل‌سازی عددی و صحت‌سنجی آن با استفاده از نتایج آزمایشات انجام یافته، به انجام مطالعات پارامتریک برای بررسی چگونگی تاثیر پارامترهای مختلفی از قبیل ضخامت مقطع و نوع فولاد در رفتار کمانشی ستون‌های CFS در دماهای بالا پرداخته شده است. ظرفیت باربری نهایی ستون‌های CFS با استفاده از نمودارهای بار-تغییرمکان محوری حاصل از تحلیل‌های عددی استخراج شده و مودهای خرابی نمونه‌ها نیز بدست آمده و مورد بررسی قرار گرفته است. با استفاده از روش مقاومت مستقیم نیز ظرفیت باربری ستون‌های CFS با مقطع مرکب بدست آمده و با مقادیر بدست آمده از تحلیل‌های عددی مقایسه شده است. نتایج نشان داد که روش DSM ظرفیت باربری نهایی ستون‌ها را خیلی نزدیک به مقادیر بدست آمده از روش تحلیل عددی و البته کمی بیشتر بدست می‌دهد. استفاده از فولاد پرمقاومت به جای فولاد کم مقاومت، باعث افزایش ظرفیت باربری نمونه‌ها در دماهای مختلف شده است، اگرچه مقدار افزایش خیلی هم قابل ملاحظه نیست.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

مهندسی سازه و آتش

عنوان مقاله [English]

Investigation of Buckling Behaviour of Cold- Formed Steel Columns with Built-up Sections Subjected to Fire

نویسندگان [English]

shirin esmaeili niari ¹
Elham Ghandi ²
parisa samiee ³

¹ University of Mohaghegh Ardabili, faculty of engineering

² university of mohaghegh ardabili, faculty of engineering

³ Ms.c student, university of mohaghegh ardabili

چکیده [English]

In recent years, the use of Cold-formed steel (CFS) as load bearing structural members in residential and commercial buildings has become widespread. There are a few researches about fire performance of CFS columns. In particular, CFS columns with a built-up section, which are more common in construction, have been less studied. Also, the existing standards for the design of cold-formed steel structures do not provide sufficient design criteria for designing against fire. In this research project, a numerical study will be conducted to investigate the buckling behavior of CFS columns with built-up cross sections, in fire conditions. Numerical analysis method using ABAQUS finite element software has been used to evaluate the models. After numerical modeling and validation using the results of previous experiments, parametric studies have been performed to investigate the effect of various parameters such as cross-sectional thickness, type of steel, etc. on the buckling behavior of CFS columns at elevated temperatures.
The load bearing capacity of CFS columns is extracted from load-displacement curve obtained from numerical analysis. Also, using the direct strength method (DSM), the axial resistance of the CFS columns is computed and compared with the results of numerical analysis. Failure modes of CFS columns have also been obtained and discussed. The results showed that the DSM method estimates the ultimate load capacity of the columns very close to the values obtained from the numerical analysis method. Also, the use of high-strength steel has increased the load-bearing capacity of the columns at different temperatures, although the amount of increase is not very significant.

کلیدواژه‌ها [English]

Cold-Formed steel (CFS) columns
built-up section
elevated temperature
numerical analysis
DSM method

مراجع

[1] Kolarkar P.N. (2010(. Srtuctural and thermal performance of cold-formed steel stud wall systems under fire condition. Ph.D. thesis. Queensland University of Technology, Brisbane, QLD 4000, Australia.

[2] Heva Y.B. and Mahendran M. (2013). Flexural-torsional buckling tests of cold-formed steel compression members at elevated temperatures. Steel and Composite Structures, 14 (3):205–227.

[3] Gunalan S., Heva Y.B. and Mahendran M. (2014). Flexural–torsional buckling behaviour and design of cold-formed steel compression members at elevated temperatures. Engineering Structures. 79:149–168.

[4] Gunalan S., Heva Y.B. and Mahendran M. (2014). Design of cold-formed steel columns at elevated temperatures subject to ﬂexural-torsional buckling, Proceedings of the 7th European Conference on Steel and Composite Structures.

[5] Gunalan S., Heva Y.B. and Mahendran M. (2015). Local buckling studies of cold-formed steel compression members at elevated temperatures. Journal of Constructional Steel Research, 108: 31–45.

[6] Feng M., Wang Y.C. and Davies J.M. (2003). Structural behaviour of cold-formed thin walled short steel channel columns at elevated temperatures. Part 1: Experiments. Thin-Walled Structures, 41 (6): 543–570.

[7] Ranawaka T. and Mahendran M. (2009). Distortional buckling tests of cold-formed steel compression members at elevated temperatures. Journal of Constructional Steel Research, 65 (2):249–259.

[8] Almeida S.J., Rodrigues J.P.C. and Neto J.M. (2012). Behaviour of Compressed Cold Formed Steel Elements at High Temperatures. 7 th International Conference on Structures in Fire, Zurich, Switzerland, June 6-8.

[9] Yang J., Wang W., Shi Y., Xu L. (2020). Experimental study on fire resistance of cold-formed steel built-up box columns. Thin–Walled Structures, 147.106564.

[10] Yang J., Shi Y., Wang W., Xu L., Al-azzani H. (2020). Experimental and numerical studies on axially restrained cold-formed steel built-up box columns at elevated temperatures. Journal of Constructional Steel Research. 171,106143.

[11] Kankanamge N.D. (2010). Structural behavior and design of cold-formed steel beams at elevated temperatures. Ph.D. thesis. Queensland University of Technology, Brisbane, QLD 4000, Australia.

[12] Craveiro, H.D.S. 2015. Fire resistance of cold-formed steel columns. Ph.D. thesis, University of Coimbra.

[13] BS 5950-8 (1990), Structural Use of Steelwork in Building - Part 8: Code of Practice for Fire Resistance Design. British Standards Institution (BSI), London, UK.

[14] Eurocode 3: Design of steel structures. Part 1-3: Design of cold-formed steel structures, ECCS – European Convention for Constructional Steelwork, Wiley-Blackwell, 676 p.

[15] SCI Publication P 129 (1993), Building Design using Cold-formed Steel Section: Fire Protection.

[16] Kankanamge N.D. and Mahendran M. (2011). Mechanical properties of cold-formed steels at elevated temperatures. Thin-Walled Structures, 49: 26–44.

[17] Ranawaka T. and Mahendran M. 2009. Experimental study of the mechanical properties of light gauge cold-formed steels at elevated temperatures. Fire Safety Journal, 44: 219–229.

[18] Lu Y., Zhou T., Li W. and Wu H. (2017). Experimental investigation and a novel direct strength method for cold formed built-up I-section columns. Thin-Walled Structures, 112:125–139.

[19] ABAQUS/Standard, Version 6.11.