مقایسه رفتار لرزه‌ای قاب‌های فولادی مجهّز به مهاربند‌های کمانش‌تاب ساخته‌شده از هسته فولادی و آلیاژ حافظه‌دار شکلی بر پایه آهن

کورهلی, سید سینا; هویدایی, نادر; رجبی هریس, هادی

doi:10.22065/jsce.2024.441239.3352

مقایسه رفتار لرزه‌ای قاب‌های فولادی مجهّز به مهاربند‌های کمانش‌تاب ساخته‌شده از هسته فولادی و آلیاژ حافظه‌دار شکلی بر پایه آهن

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

سید سینا کورهلی ¹

نادر هویدایی ²

هادی رجبی هریس ³

¹ استادیار، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه شهید مدنی آذربایجان، تبریز، ایران

² دانشیار، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه شهیدمدنی آذربایجان، تبریز، ایران

³ دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه شهید مدنی آذربایجان، تبریز، ایران

10.22065/jsce.2024.441239.3352

چکیده

مهاربند‌ها از جمله عناصر سازه‌ای می‌باشند که برای مقابله با نیروهای جانبی و تأمین شکل‌پذیری و سختی در سازه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. با این حال، با توجه به ضعف سیستم‌های مهاربندی معمولی از جمله افت شکل‌پذیری، کمانش در اثر نیروهای فشاری و همچنین کاهش ظرفیت استهلاک انرژی در بارگذاری‌های چرخه‌ای، نسل جدیدی از مهاربند‌ها با نام مهاربند‌های کمانش‌تاب، به عنوان جایگزینی برای سیستم‌های مهاربندی معمولی ارائه شده است. در سال‌های اخیر، از مصالح نوینی نظیر آلیاژهای حافظه‌دار شکلی در صنعت ساختمان استفاده گردیده است. از این رو نسل جدیدی از این نوع آلیاژها، با نام آلیاژهای حافظه‌دار شکلی بر پایه آهن با ویژگی‌هایی از جمله جوش‌پذیری، شکل‌پذیری بالا، قابلیت نورد بالا و ارزان قیمت بودن، توجه بسیاری از مهندسین و محقّقین را برای استفاده در اجزای سازه‌ای به خود جلب کرده است. با توجه به اینکه مصالح آلیاژ حافظه‌دار شکلی بر پایه آهن تقریباً هم‌قیمت فولاد بوده و در عوض عمر خستگی بسیار بالایی داشته و سختی پس از تسلیم آنها نیز به مراتب بیشتر از فولاد نرمه می‌باشد، کاربرد آنها در هسته مهاربندهای کمانش‌تاب قابل‌توجیه می‌باشد. برای همین منظور، سازه‌های 4، 10 و 15 طبقه، مهاربندی کمانش‌تاب با هسته ساخته شده از فولاد نرمه و آلیاژ حافظه‌دار شکلی بر پایه آهن مدل‌سازی و طراحی شدند و با انجام تحلیل‌های غیرخطی در نرم‌افزار سایزمواستراکت رفتار لرزه‌ای آن‌ها مورد بررسی قرار داده شدند. با استفاده از تحلیل‌های دینامیکی افزایشی، مقادیرضریب شکل پذیری، اضافه مقاومت و ضریب رفتار در دو سیستم مهاربندی ارزیابی و مقایسه شده است. با توجه به نتایج به دست آمده، مقدار ضریب شکل‌پذیری 11/5، ضریب اضافه مقاومت 76/1، ضریب رفتار67/8 برای سیستم‌های مهاربندی کمانش‌تاب با هسته فولادی و برای سیستم‌های مهاربندی کمانش‌تاب با هسته آلیاژ حافظه‌دار شکلی بر پایه آهن مقدار ضریب شکل‌پذیری 69/4، ضریب اضافه مقاومت 29/2 و ضریب رفتار 62/10 بدست آمد.

کلیدواژه‌ها

قاب مهاربندی کمانش‌تاب

هسته فولادی

هسته با آلیاژ حافظه‌دار شکلی بر پایه آهن

رفتار لرزه‌ای

تحلیل‌ دینامیکی افزایشی

موضوعات

تحلیل، طراحی و اجرای سازه های فولادی

عنوان مقاله English

Comparison of Seismic Response of Steel Frames Equipped with Buckling-Restrained Braces Made of Steel and Fe-Based Shape Memory Alloy Cores

نویسندگان English

Seyed Sina Kourehli ¹

Nader Hoveidae ²

Hadi Rajabi heris ³

¹ Assistant Professor, Faculty of Technology and Engineering, Azarbaijan Shahid Madani University, Tabriz, Iran

² Associate professor, Faculty of Technology and Engineering, Azarbaijan Shahid Madani University, Tabriz, Iran

³ M. Sc student, Faculty of Technology and Engineering, Azarbaijan Shahid Madani University, Tabriz, Iran

چکیده English

Braces are one of the structural elements used to withstand lateral forces and provide ductility and stiffness in structures. However, due to the weaknesses of conventional bracing systems such as deformation reduction, buckling under compressive forces, and reduced energy dissipation capacity in cyclic loading, a new generation of braces called shape memory braces has been introduced as a replacement for conventional bracing systems. In recent years, innovative materials such as iron-based shape memory alloys have been used in the construction industry. As a result, a new generation of these alloys, known as iron-based shape memory alloys, with features such as weldability, high formability, high rollability, and cost-effectiveness, has attracted the attention of many engineers and researchers for use in structural components. Given that shape memory alloys based on iron are almost the same price as steel, but have a much higher fatigue life and post-yield stiffness than soft steel, their use in the core of shape memory braces is justified. For this purpose, 4, 10, and 15-story structures were modeled and designed with shape memory bracing with a core made of soft steel and iron-based shape memory alloys, and their seismic behavior was investigated by performing non-linear analyses in SeismoStruct software using incremental dynamic analyses, the values of ductility coefficients, additional resistance, and behavior coefficients in the two bracing systems were evaluated and compared. According to the obtained results, the value of ductility factor is 5.11, additional resistance factor is 1.76, behavior factor is 8.67 for buckling bracing systems with steel core and for buckling bracing systems with iron-based shape memory alloy core, the value of ductility factor is 4.69 the added resistance coefficient was 2.29 and the behavior coefficient was 10.62.

کلیدواژه‌ها English

Buckling-restrained braced frame

Steel core

Fe-based shape memory alloy

core

Seismic response Incremental Dynamic Analysis

[1] M. H. Hatampour, "A Review on Buckling Restrained Braces," Journal of Civil Engineering Researchers, vol. 4, no. 3, pp. 1-10, 2022.

[2] M. J. Ebrahimi Majumerd, "Feasibility study of using endurance time method for seismic evaluation of self-centering buckling restrained braced frame (SC-BRC-BF)," Modares Civil Engineering journal, vol. 22, no. 2, pp. 107-123, 2022.

[3] W. Carofilis, E. Kim, D. Jung, and J. Pinargote, "Numerical Evaluation of Self-Centering Buckling-Restrained Braces with Prestressed Iron-Based Shape Memory Alloy Tendons," in Canadian Society of Civil Engineering Annual Conference, 2022: Springer, pp. 671-683.

[4] G. FIRSTOV, Y. M. KOVAL, V. FILATOVA, V. ODNOSUM, G. GERSTEIN, and H. MAIER, "DEVELOPMENT OF HIGH-ENTROPY SHAPE-MEMORY ALLOYS: STRUCTURE AND PROPERTIES," Uspehi Fiziki Metallov, vol. 24, no. 4, 2023.

[5] M. Gholhaki, G. Pachideh, O. Rezayfar, and S. Ghazvini, "Specification of response modification factor for steel plate shear wall by incremental dynamic analysis method [IDA]," Journal of Structural and Construction Engineering, vol. 6, no. Special Issue 2, pp. 211-224, 2019.

[6] Hoveidae, N., Tremblay, R., Rafezy, B., and Davaran, A. (2015). Numerical investigation of seismic behavior of short-core all-steel buckling restrained braces. Journal of Constructional Steel Research, 114, 89-99.

[7] Pandikkadavath, M. S., and Sahoo, D. R. (2016). Analytical investigation on cyclic response of buckling-restrained braces with short yielding core segments. International Journal of Steel Structures, 16(4), 1273-1285.

[8] Pandikkadavath, M. S., and Sahoo, D. R. (2017). Cyclic testing on hybrid buckling‐restrained Braces (HBRBs), Proceeding of Eurosteel 2017, Copenhagen, Denmark, 3200-320.

[9] Hou, H., Li, H., Qiu, C., and Zhang, Y. (2018). Effect of hysteretic properties of SMAs on seismic behavior of self‐centering concentrically braced frames. Structural Control and Health Monitoring, 25(3), 2110.

[10] N. Babaei, E. Dehghani, and A. Zarrineghbal, "Investigation of the Distribution of Cumulative Ductility Demand Parameter in Various Stories of Buckling Restrained Braced Frames," Journal of Rehabilitation in Civil Engineering, vol. 7, no. 4, pp. 100-113, 2019.

[11] Ghowsi, A. F., Sahoo, D. R., and Kumar, P. A. (2020). Cyclic tests on hybrid buckling-restrained braces with Fe-based SMA core elements. Journal of Constructional Steel Research, 175, 106323.

[12] Vignoli, L. L., Savi, M. A., and El-Borgi, S. (2020). Nonlinear dynamics of earthquake-resistant structures using shape memory alloy composites. Journal of intelligent material systems and structures, 31(5), 771-787.

[13] G. Pachideh, M. Gholhaki, R. Lashkari, and O. Rezayfar, "Behavior of BRB equipped with a casing comprised of steel and polyamide," Institution of Civil Engineers-Structures and Buildings, 2020.

[14] T. Wang, J. Shao, C. Zhao, W. Liu, and Z. Wang, "Shaking table test for evaluating the seismic performance of steel frame retrofitted by buckling-restrained braces," Shock and vibration, vol. 2021, pp. 1-17, 2021.

[15] Rosa, D. I. H., Hartloper, A., e Sousa, A. d. C., Lignos, D. G., Motavalli, M., and Ghafoori, E. (2021). Experimental behavior of iron-based shape memory alloys under cyclic loading histories. Construction and Building Materials, 272, 121712.

[16] Qiu, C., Zhang, A., Jiang, T., and Du, X. (2022). Seismic performance analysis of multi-story steel frames equipped with FeSMA BRBs. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 161, 107392.

[17] A. Khosravikhor, M. Gholhaki, O. Rezaifar, and G. Pachideh, "Effect of Ni-Ti shape memory alloy on ductility and response modification factor of SPSW systems," Steel and Composite Structures, vol. 48, no. 3, p. 353, 2023.

[18] P. Mishra and A. Y. Vyavahare, "Experimental and Numerical Studies on All-Steel Buckling Restrained Brace with Light-Weighted Restrainer," International Journal of Steel Structures, pp. 1-14, 2024.

[19] Z.-X. Zhang, J. Zhang, C. Fang, Y. Zhang, and Y. Li, "Emerging steel frames with Fe-SMA U-shaped dampers for enhancing seismic resilience," Journal of Infrastructure Preservation and Resilience, vol. 4, no. 1, p. 6, 2023.

[20] Y. Wang, T. Jiang, C. Qiu, A. Zhang, J. Liu, and X. Du, "Experimental tests and numerical simulations of miniature buckling-restrained braces using iron-shape memory alloy bar," Smart Materials and Structures, vol. 33, no. 2, p. 025013, 2024.

[21] T. Alkateeb and A. Sunny, "Seismic performance of steel frames with shape memory alloy (SMA) bracing system," in Recent Developments in Sustainable Infrastructure (ICRDSI-2020)—Structure and Construction Management: Conference Proceedings from ICRDSI-2020 Volume 1, 2022: Springer, pp. 839-846.

[22] Matsumiya T, Suita K, Chusilp P, Nakashima M. [2004] “Full-scale test of three-storey steel moment frames for examination of extremely large deformation and collapse behaviour”, Proceedings of the 13th World Conference on Earthquake Engineering, Vancouver, Paper No. 3471, 1–6 August 2004.

[23] Nakashima M., Matsumiya T, Suita K, Liu D. [2006] “Test on full-scale three-storey steel moment frame and assessment of ability of numerical simulation to trace cyclic inelastic behaviour”, Earthquake Engineering and Structural Dynamics, No. 35, pp. 3-19.

[24] Asgarian, B., Jamalian, A. and Jalaeefar, A. (2021). Response Modification Factor of Steel Braced Frames Equipped with Smart Hybrid Re-Centering Device. International Journal of Steel Structures, 21, 2004-2017.