مطالعه پارامتری ظرفیت برشی مقاطع دوبل تیرهای فولادی سرد نورد شده دارای سوراخ جان

حسینجانی, نسترن; پرستش, حسین; حاجی رسولیها, ایمان; مجتبایی, سید محمد

doi:10.22065/jsce.2024.437425.3338

مطالعه پارامتری ظرفیت برشی مقاطع دوبل تیرهای فولادی سرد نورد شده دارای سوراخ جان

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

نسترن حسینجانی ¹

حسین پرستش ²

ایمان حاجی رسولیها ³

سید محمد مجتبایی ⁴

¹ دانشجوی دکتری سازه، دانشکده عمران، دانشگاه علم و فرهنگ، تهران، ایران

² دانشیار, دانشکده عمران، دانشگاه علم و فرهنگ، تهران، ایران

³ استاد، دانشکده عمران، دانشگاه شفیلد، شفیلد، انگلستان

⁴ دکتری سازه، دانشکده عمران، دانشگاه شفیلد، شفیلد، انگلستان

10.22065/jsce.2024.437425.3338

چکیده

هدف از تحقیق حاضر ارزیابی مقاومت برشی تیرهای با مقطع I ساخته‌شده از دوبل Cشکل فولاد سرد نوردشده با در نظر گرفتن باز‏شدگی در جان برای عبور زیرساخت‏های مکانیکی و برقی است. به دلیل ضعف مقاومت برشی ناشی از سوراخ‏شدگی در جان، ظرفیت برشی مقطع تیر به‌شدت کاهش یافته و به دنبال آن ظرفیت باربری تیر نیز کاهش می‏یابد. اندازه، شکل و آرایش سوراخ‌های ایجادشده در جان تیر، در ظرفیت باربری و استحکام نهایی مقطع تیر مؤثر است. در این مقاله، با استفاده از روش اجزای محدود، تیر فولادی مذکور به طول ۱۰۰۰ میلی‌متر تحت اثر بار متمرکز در وسط دهانه مورد بررسی قرار گرفته‌است. پارامترهای متغیر موردنظر در این تحقیق، ضخامت ورق، ابعاد سوراخ، شکل سوراخ، فواصل سوراخ از تکیه‏گاه و وجود لبه در بال مقطع است که تحت تحلیل استاتیکی غیرخطی بار افزون متمرکز در وسط تیر قرار گرفته‌است. جهت بررسی دقت نتایج آنالیز، مقاومت برشی مد‌ل‌های تحلیلی با مقاومت برشی محاسبه‌شده از روش مقاومت مستقیم (DSM) آیین‌نامه AISI مقایسه شده‌است. نتایج نشان داد که در مقاطع با مساحت‏های معادل و شکل‌های مختلف سوراخ در جان، با افزایش عمق سوراخ، ظرفیت نهایی در سوراخ‌های مستطیل، دایره و مربع به‌ترتیب کاهش می‏یابد؛ مقطع با سوراخ مستطیل افزایش حدود ۴% نسبت به مقطع با سوراخ دایره داشته و مقطع با سوراخ دایره افزایش ۷% نسبت به مقطع با سوراخ مربع دارد. همچنین با افزایش فاصلۀ سوراخ‏ها از یکدیگر، عملکرد تیر بهتر شده و مقاومت برشی ماکزیمم مقاطع حاصل از روش اجزای محدود، بین ۴% تا ۶% افزایش می‏یابد و با افزایش ضخامت ورق (علی‌رغم افزایش عمق و طول سوراخ)، از 2 میلی‌متر به ۵/2 میلی‌متر و از ۵/2 میلی‌متر به 3 میلی‌متر، ظرفیت برشی به‌ترتیب حدود ۲۵% تا ۳۰% و ۲۰% افزایش می‏یابد.

کلیدواژه‌ها

مقاومت برشی

نیروی کمانش برشی

شکل سوراخ جان

تحلیل اجزای محدود

روش مقاومت مستقیم

موضوعات

سازه های جدار نازک

عنوان مقاله English

Parametric Study of Shear Capacity of Double Sections of Cold Formed Steel with Hole

نویسندگان English

Nastaran Hosseinjani ¹

Hossein Parastesh ²

Iman Haji Rasouliha ³

Seyed Mohammad Mojtabaei ⁴

¹ Ph.D. Candidate, dept. of Civil Engineering, University of Science and Culture, Tehran, Iran

² Associate Professor, dept. of Civil Engineering, University of Science and Culture, Tehran, Iran

³ Professor Dept. of Civil Engineering, University of Sheffield, Sheffield, UK

⁴ Ph.D., dept. of Civil Engineering, University of Sheffield, Sheffield, UK

چکیده English

The purpose of current research is to evaluate the shear behavior of I-section beams made of double C-shaped of cold formed steel, considering the opening in web for the passage of mechanical and electrical infrastructure. Due to the weak shear resistance caused by hole in web, the shear capacity and bearing capacity of the beam section is greatly reduced. The size, shape and arrangement holes are effective in the bearing capacity and final strength of the beam section. using the finite element method, the steel beam with length of 1000 mm has been investigated under the effect of a concentrated load in the middle of the span. variable parameters are sheet thickness, dimensions hole, shape hole, hole distances from the support, and the presence of edge in the section wing, which has been subjected to nonlinear static analysis of an additional load concentrated in middle of the beam. For checking the accuracy, the analysis results, the shear strength of the analytical models compared with the shear strength calculated from direct strength method (DSM) of the AISI. The results showed that in sections with equivalent areas and different hole shapes, with increase of hole depth, the final capacity decreases in rectangular, circular and square holes, respectively; The section with rectangular hole has increase of about 4% compared to circular hole, and the section with circular hole has increase of 7% compared to square hole. by increasing the holes distance the performance of the beam is improved and the maximum shear strength of the sections obtained by the finite element method increases 4% and 6%, and with the increase in sheet thickness (despite the increase in depth and length hole), from 2 to 2.5 mm and 2.5 to 3 mm, the shear capacity increases about 25% to 30% and 20%, respectively.

کلیدواژه‌ها English

Shear Strength

Shear Buckling Force

Web Hole Shape

Finite Element Analysis

Direct Strength Method

[1] LaBouLip R, Yu. W, Langan J, Shan M. (1997). Cold-Formed Steel webs with opening: Summary Report. Thin-Walled Structures, Vol (27), pp.79-84.

[2] Elham Ghandi, Nayyer Mohammadi Rana, Shirin Esmaeili. (2020). Numerical study of the Liphavior of partially concrete- filled cold-formed steel columns, under simultaneous loading of static axial compressive load and axial. impact loading. Journal of Structural and Construction Engineering, Vol 8(8), pp. 310-329. [In Persian].

[3] D. Moen C, Schafer B.W. (2008). Experiments on cold-formed steel columns with holes. Thin-Walled Structures, Vol (46), pp.1164–1182.

[4] Moen C, Schafer B. (2009). Elastic buckling of cold-formed steel columns and Lipams with holes. Engineering Structures, Vol (31), 2812_2824.

[5] Moen D, Schafer B. (2011). Direct Strength Method for Design of Cold-Formed Steel Columns with Holes. Journal of Structural Engineering. Vol (137), p.p. 559-570.

[6] Shanmugam N.E, Dhanalakshmi, M. (2001). Design for openings in cold-formed steel channel stub columns. Thin-Walled Structures, Vol (39), pp. 961–981.

[7] Cao Hung Pham, Gregory J. Hancock. (2010). Direct Strength Design of Cold-formed C-sections in Combined Lipnding and Shear. 20th International Specialty Conference on Cold-Formed Steel Structures.

[8] Keerthan P, Mahendran M. (2011). Shear Liphavior and Strength of Lite Steel Lipams with Web Openings. Advances in Structural Engineering Vol (15), pp.171-184.

[9] Keerthan P, Mahendran M. (2013). Experimental studies of the shear Liphavior and strength of Lipped channel Lipams with web openings. Thin-Walled Structures Vol (73), p.p. 131–144.

[10] Amir M. Yousefi, James B.P. Lim, G. Charles Clifton. (2017). Cold-formed ferritic stainless steel un Lipped channels with web openings subjected to web crippling under interior-two-flange loading condition. Thin-Walled Structures.Vol (116), p.p. 342-356. DOI: 10.1016/j.tws.2017.03.025.

[11] Amir M Yousefi, James BP Lim, Asraf Uzzaman, Ying Lian,G Charles Clifton1 and Lipn Young.(2017) Design of cold-formed stainless steel Lipped channel sections with web openings subjected to web crippling under end-one-flange loading condition. Advances in Structural Engineering. Vol. 20, P.P. 1024–1045. DOI: 10.1177/1369433216670170.

[12] Amir M. Yousefi, James B.P. Lim, G. (2017). Charles. Cold-formed ferritic stainless steel un Lipped channels with web openings subjected to web crippling under interior-two-flange loading condition – Part I: Tests and finite element model validation. Clifton Thin-Walled Structures. DOI: org/10.1016/j.tws.2017.03.026.

[13] Wanniarachchi K.S, M. Mahendran, Keerthan P. (2017). Shear Liphavior and design of Lipped Channel Lipams with non-circular web openings. Thin-Walled Structures Vol (119), pp. 83-102. DOI: 10.1016/j.tws.2017.03.035.

[14] Mitat Öztürk, Gokhan Yucel. (2020). Distortional buckling of cold-formed steel Lipams with different hole types. 2nd International Eurasian Conference on Science, Engineering and Technology.

[15] Hung Pham C, Hancock J. (2020). Shear tests and design of cold-formed steel channels with central square holes. J. Struct. Eng, Vol (146), 04019173. DOI: 10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0002464.

[16] Cao Hung Pham, Gregory J. Hancock. (2020). Shear tests and design of cold-formed steel channels with central square holes. Thin–Walled Structures 149, 106650. DOI: 10.1016/j.tws.2020.106650.

[17] Duy Khanh Pham, Cao Hung Pham, Song Hong Pham, Gregory J. Hancock. (2020). Experimental investigation of high strength cold-formed channel sections in shear with rectangular and slotted web openings. Journal of Constructional Steel Research 165 (2020) 105889. DOI: 10.1016/j.jcsr.2019.105889.

[18] Xingyou Yao. (2021). Experimental Investigation and Load Capacity of Slender Cold-Formed Lipped Channel Sections with Holes in Compression. Advances in Civil Engineering Vol (2021), Article ID 6658099, 18 pages. DOI: 10.1155/2021/6658099.

[19] Nan-ting Yua,b, Boksun Kimb, Xu-hao Huangc, Wei-bin Yuana, Rui Yea, Long Wua and Jia-jie Lea. . (2021). Analytical solution for flange/web distortional buckling of cold-formed steel Lipams with circular web perforations. Mechanics of Advanced Materials and Structures.p.p. 3-26. DOI: 10.1080/15376494.2021.1902594.

[20] MERVE SAGIROGLU MAALI, BURAK KAAN CIRPICI, MAHYAR MAALI and

MUHAMMET SEMIH SOLAK. (2022). Influence of Lipam/gusset plate thicknesses on the moment–rotation capacity of cold-formed steel screwed back-to-back sections. Indian Academy of Sciences. Sadhana 47: 278.DOI: 10.1007/s12046-022-02057-0.

[21] Fattouh M. F. Shaker, Zekriat Mamdooh, Ahmed Deifalla, and Mohamed M. Yehia. (2022). Experimental Investigations of the Liphavior of Stiffened Perforated Cold-Formed Steel Sections Subjected to Axial Compression. Buildings 2022,12, 812. DOI: org/10.3390/ buildings12060812.

[22] Vladimir Živaljevic´, Ðord¯e Jovanovic´, Dušan Kovacˇevic´ and Igor Džolev. (2022). The Influence of Web Holes on the Liphaviour of Cold-Formed Steel MemLiprs: A Review. Buildings 2022,

12, 1091. DOI: 10.3390/ buildings12081091.

[23] Zhiyuan Fang, Krishanu Roy, Asraf Uzzaman, James B.P. Lim. (2022). Numerical simulation and proposed design rules of cold-formed stainless steel channels with web holes under interior-one-flange loading. Engineering Structures ·DOI: 10.1016/j.engstruct.2021.113566.

[24] panelJinyou Zhao, Jiaqi Liu, Cheng Yu, Wenying Zhang. (2022) Test investigation and direct strength method on cold formed steel compression memLiprs with web holes of different widths. Engineering Structures. Vol (272), 114979. DOI: org/10.1016/j.engstruct.2022.114979.

[25] Ngoc Hieu Pham. (2023). Investigation of Web Hole Effects on Capacities of Cold-Formed Steel Channel MemLiprs. Proceedings of the 2nd International Conference on Innovative Solutions in Hydropower Engineering and Civil Engineering, Lecture Notes in Civil Engineering 235, DOI:10.1007/978-981-99-1748-8_13.

[26] American Iron and Steel Institute (AISI S100-16.), North American Specification for The Design of Cold-Formed Steel Structural MemLiprs, 2022 Edition.