بررسی عددی رفتار ستون های فولادی سرد نورد شده جزئی پر شده با بتن تحت اثر بارگذاری همزمان بار محوری فشاری استاتیکی و بار ضربه ای محوری

قندی, الهام; اسماعیلی نیاری, شیرین; محمدی رعنا, نیر

doi:10.22065/jsce.2020.232284.2145

بررسی عددی رفتار ستون های فولادی سرد نورد شده جزئی پر شده با بتن تحت اثر بارگذاری همزمان بار محوری فشاری استاتیکی و بار ضربه ای محوری

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

¹ هیات علمی دانشگاه محقق اردبیلی، دانشگاه محقق اردبیلی، دانشکده فنی و مهندسی

² هیات علمی دانشگاه محقق اردبیلی، دانشکده فنی مهندسی

³ دانشجوی کارشناسی ارشد دانشگاه محقق اردبیلی دانشکده فنی مهندسی

10.22065/jsce.2020.232284.2145

چکیده

ستون های فولادی پرشده با بتن (CFT) گروهی از مقاطع مرکب هستند که به دلیل ظرفیت باربری بیشتر، شکل پذیری خوب و مقاومت مناسب، مورد توجه بوده است. این مقاطع به طور گسترده ای در ساختمان های بلند مرتبه، سازه های دریایی، ایستگاه های مترو و پایه های پل ها کاربرد دارند. بنابراین این سازه ها ممکن است در معرض بارهای دینامیکی مانند بار ضربه محوری قرار بگیرند. یکی از تکنیک های مهم در کاربرد ستون های CFT استفاده از ستون های فولادی جزئی پر شده با بتن می باشد که به دلیل مقرون به صرفه بودن و به دلیل کاهش وزن سازه به خصوص در پایه های پل ها و اسکله ها مورد استفاده قرار می گیرند. با توجه به افزایش کاربرد ستون های فولادی جزئی پرشده با بتن در سازه های مختلف شناخت رفتار آنها در برابر بارگذاری ضربه ای محوری ضروری است. در این مقاله به بررسی پاسخ دینامیکی ستون های فولادی سرد نورد شده جزئی پر شده با بتن در مقابل بارگذاری هم زمان بار محوری فشاری استاتیکی و بارگذاری ضربه ای محوری با استفاده از نرم افزار عناصر محدود ABAQUS با انجام تحلیل های دینامیکی غیر خطی پرداخته می شود.مطالعات پارامتریکی برای بررسی تاثیر پارامترهای سرعت ضربه وارده، نسبت ارتفاع بتن پر شده به ارتفاع کل ستون، ارتفاع سقوط ضربه زننده، نسبت جرم ضربه زننده به جرم کل ستون، نسبت بار محوری فشاری استاتیکی و خروج از مرکزیت بار ضربه ای محوری بر پاسخ ضربه ای ستون های مورد نظر با مقطع مستطیلی انجام می شوند. نتایج حاصل از این تحقیق نشان می دهد که با افزایش پارامترهای نسبت بار محوری فشاری، نسبت پرشدگی و خروج از مرکزیت ضربه محوری و ارتفاع سقوط ضربه زننده، بار ضربه ای کاهش می یابد. همچنین افزایش نسبت جرم و سرعت ضربه باعث افزایش بار ضربه ای می شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

مهندسی سازه و زلزله

عنوان مقاله [English]

Numerical study of the behaviour of partially concrete- filled cold-formed steel columns, under simultaneous loading of static axial compressive load and axial impact loading

نویسندگان [English]

Elham Ghandi ¹
Shirin Esmaeili Niari ²
Nayer Mohammadi Rana ³

¹ Assistant Professor, Faculty of Technical and Engineering, University of Mohaghegh Ardabili,

² Assistant Professor, Faculty of Technical and Engineering, University of Mohaghegh Ardabili,

³ M.Sc. student in Structural Engineering, Faculty of Technical and Engineering, University of Mohaghegh Ardabili

چکیده [English]

Concrete-filled tubular (CFT) steel columns are a group of composite sections that are considered due to their higher load-bearing capacity, good ductility and good strength. These sections are widely used in a variety of high-rise buildings, offshore structures, subway stations and bridge piers. Therefore, these structures may be exposed to dynamic loads such as axial impact loads (due to accidents or intentional impacts such as falling and releasing various devices, military or terrorist activities). One of the most important techniques in the application of CFT columns is the use of partially concrete-filled steel columns, which are now available due to their cost-effectiveness and weight reduction of the structure, especially in bridge piers and docks. Due to the increasing use of partially concrete-filled steel columns in various structures, it is necessary to know their behavior against axial impact loading, which has not been considered to date. In this paper, the dynamic response of partially concrete-filled cold-formed steel columns against simultaneous loading of static axial compressive load and axial impact load using finite element modeling in ABAQUS software by performing nonlinear dynamic analysis are discussed. Parametric studies to investigate the effects of impact speed, the ratio of the height of the filled concrete to the total height of the column, the height of the impact hammer falling, the ratio of the impact mass to the total mass of the column, the ratio of static axial compressive load and eccentricity of axial impact load are performed. The desired columns have rectangular cross section. The results of this study show that with increasing the parameters of static axial compressive load, filling ratio, eccentricity of axial impact load and the height of the impact hammer falling, the impact load decreases. Also, with increasing the mass ratio and impact speed, the impact load increases.

کلیدواژه‌ها [English]

Axial impact loading
Partially concrete-filled steel column
Cold-formed steel
Finite element modelling
Nonlinear dynamic analysis

مراجع

[1] TIAN, Z. Ping. W. and Jianwei, J. (2008). Dynamic Response of RPC12-Filled Steel Tubular Columns with High Load Carrying Capacity under Axial Impact Loading. China Trans Tianjin University, 14, 441-449.

[2] Yan, Xi. and Yali, S. (2012). Impact Behaviors of CFT and CFRP Confined CFT Stub Columns. American Society of Civil Engineers, 16, 662-670.

[3] Dass Goel, Manmohan. (2015). Numerical investigation of the axial impact loading behaviour of single, double and stiffened circular tubes. International Journal of Crashworthiness, 1-11.

[4] Mirmomeni, M. Heidarpour, A. Zhao, X.L. Mahaidi, R. and Packer, J. (2016), Size-dependency of concrete-filled steel tubes subject to impact loading. International Journal of Impact Engineering, 100, 90_101.

[5] Rifaie A. Jones, S. Wang, Q. and Guan, Z. (2018). Experimental and numerical study on lateral impact response of concrete filled steel tube columns with end plate connections. International Journal of Impact Engineering, 121, 20-34.

[6] Du, G. Andjelic, A. Li, Z. Lei, Z. and Bie, X. (2018). Residual Axial Bearing Capacity of Concrete-Filled Circular Steel Tubular Columns (CFCSTCs) after Transverse Impact. Mdpi Journal, 93, 1-17.

[7] Xu, W. Zhu, A. and Gao, K. (2018). Parameter Analysis on the Anti-Impact Behavior of PCFT Columns under Lateral Impact Load. In: MATEC Web of Conferences. City: published by EDP Sciences, 1-4.

[8] Huang, L. Gao, C. Yan, L. Yu, T. and Kasal, B. (2018). Experimental and numerical studies of CFRP tube and steel spiral dual-confined concrete composite columns under axial impact loading. Composites, 1-31.

[9] Zhang X. Chen, Y. Shen, X. and Zhu, Y. (2019). Behavior of Circular CFT Columns Subjected to Different Lateral Impact Energy. Mdpi Journal, 34, 1-23.

[10] Zhang, YT. Shan, B. and Xiao, Y. (2019). Axial impact behaviors of stub concrete-filled square steel tubes. Structural Engineering, 1-14.

[11] Zhu, J. Ren, Ch. Zhang, X. Huang, X. and Ye W (2019). Dynamic analysis of cold-formed steel channel-section columns under axial impact loading. Elsevier, Engineering Failure Analysis, 102, 260–269.

[12]LAN, T. Qin, G. Zhuan, J. Wang, Y. Zheng, Q. and Ding, M. (2019). Axial Impact Load of a Concrete-Filled Steel Tubular Member with Axial Compression Considering the Creep Effect. Materials Journal, 1-15.

[13] Ferdynus, M. Kotełko, M. and Urbaniak, M. (2019). Crashworthiness performance of thin-walled prismatic tubes with corner dents under axial impact - Numerical and experimental study. Thin-Walled Structures, 144, 1-13.

[14] Shan, B. Zhang, Y. Monti, G. Li, T. and Xiao, Y. (2020). Axial Impact Behavior of FRP-Confined Concrete Stub

Columns with Square and Circular Cross Section. ASCE, 1-16.

[15] Zhu Zhu, A. Xu, W. Gao, K. Ge, H. and Zhu, J. (2018), Lateral impact response of rectangular hollow and partially concrete-filled steel tubular columns. Thin-Walled Structures, 130, 114–13.