تعیین ظرفیت باربری بال و جان مقاطع جعبه ای تحت اثر بارهای متمرکز

فخار حسنی, نیما; حسین زاده, یوسف

doi:10.22065/jsce.2025.487940.3567

تعیین ظرفیت باربری بال و جان مقاطع جعبه ای تحت اثر بارهای متمرکز

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

نیما فخار حسنی ¹

یوسف حسین زاده ²

¹ دانشجوی کارشناسی ارشد سازه، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

² استاد، دانشکده عمران، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

10.22065/jsce.2025.487940.3567

چکیده

در طراحی اتصالات گیردار تیر به ستون فولادی، کنترل خرابی موضعی بال ستون تحت اثر بار متمرکز برای حالات حدی محتمل خرابی، ضرورت دارد. ضوابط موجود برای تعیین ظرفیت در حالات حدی خمش موضعی بال و تسلیم موضعی، لهیدگی موضعی و کمانش فشاری جان در برابر بارهای متمرکز، براساس نتایج تحقیق بر روی رفتار مقاطع بال پهن توسعه یافته‌اند و اطلاعات محدودی در مورد رفتار مقاطع جعبه‌ای وجود دارد. به همین دلیل توصیه شده است که از ظرفیت ستون‌های جعبه‌ای در برابر بارهای متمرکز چشم‌پوشی نموده و ورق پیوستگی به کل بار متمرکز طرح شود. در این مقاله، ظرفیت باربری بال و جان مقاطع جعبه‌ای تحت اثر بارهای متمرکز تعیین می‌شود. در ابتدا مدل اجزای محدود برای بررسی رفتار بال و جان ستون جعبه‌ای تحت اثر بار متمرکز ایجاد و دقت آن با استفاده از داده‌های آزمایشگاهی ارزیابی شد. در ادامه، رفتار هشت نمونه ستون جعبه‌ای تحت اثر سه نوع بارگذاری فشار یکطرفه، فشار دوطرفه و کشش یکطرفه تعریف شده در آیین‌نامه AISC 360-22 بررسی شد. ظرفیت بال و جان مقاطع جعبه‌ای در خرابی موضعی با استفاده از روابط آئین‌نامه تعیین و با نتایج تحلیل اجزای محدود مقایسه شد. بررسی نشان داد که مقادیر نظری تسلیم موضعی جان بین 66% تا 153% ظرفیت حاصل از تحلیل ستون‌ها، می‌باشد. از طرف دیگر، ظرفیت جان تعیین شده با استفاده از ضوابط آئین‌نامه برای لهیدگی موضعی جان، غیر محافظه‌کارانه بوده و بین 406% تا 932% ظرفیت واقعی جان ستون‌ها می‌باشد. همچنین رابطه مربوط به کمانش فشاری جان نیز غیر محافظ‌ کارانه و مقداری بین 1246% تا 3810% ظرفیت واقعی ستون ارائه می-کند. رابطه آئین‌نامه برای خمش موضعی بال ستون همواره محافظه‌کارانه بوده و مقادیری بین 38% تا 89% ظرفیت ستون‌ها ارائه می-کند. در ادامه پژوهش، روابطی برای تعیین ظرفیت ستون‌های جعبه‌ای در لهیدگی موضعی و کمانش فشاری جان پیشنهاد شده است.

کلیدواژه‌ها

ستون جعبه‌ای

خرابی موضعی

تسلیم موضعی جان

لهیدگی موضعی جان

کمانش فشاری جان

خمش موضعی بال

مدل اجزای محدود

موضوعات

تحلیل، طراحی و اجرای سازه های فولادی

عنوان مقاله English

Determination of the bearing capacity of the flange and web of box sections under concentrated loads

نویسندگان English

Nima Fakhar Hasani ¹

Yousef Hosseinzadeh ²

¹ Student in Structural Engineering. Faculty of Civil Engineering, University of Tabriz, Tabriz, Iran

² Professor, Structural Eng. Dept., Faculty of Civil Engineering, , University of Tabriz, Tabriz, Iran.

چکیده English

In the design of steel beam-to-column moment connections, controlling the local effects of concentrated loads on the column flange is essential. The available capacity of flange and web in local bending, web local yielding, web compression buckling, and web local crippling under concentrated loads are developed based on research on the behavior of wide flange sections, and limited information is available on the behavior of box sections. In this paper, the bearing capacity of the flange and web of box sections under concentrated loads is evaluated. A finite element model was created to investigate the behavior of the flange and web of a box column under a concentrated load, and its accuracy was evaluated using experimental data. Subsequently, the behavior of eight box column specimens under three types of loading defined in the AISC 360-22 specification, namely, single compression, double compression, and single tension, was investigated. The capacity of the flange and web of box sections in local failure was determined using code equations and compared with the results of finite element analysis. The results revealed that the theoretical local web yielding capacity is between 66% and 153% of the column capacity. On the other hand, the web local crippling capacity determined using AISC 360-22 specification is non-conservative and ranged from 406% to 932% of the actual capacity. Additionally, the design code relationship for web compression buckling is also non-conservative, providing a value between 1246% and 3810% of the actual column capacity. The code equation for local flange bending was always conservative, providing values between 38% and 89% of the column capacity. Two relationships are proposed for determining the web local crippling and web compression buckling capacities of box columns.

کلیدواژه‌ها English

Box Column

Local Failure

Web Local Yielding

Web Local Crippling

Web Compression Buckling

Flange Local Bending

Finite Element Model

[1] AISC (2022). Specification for Structural Steel Buildings, ANSI/AISC 360-22. American Institute of Steel Construction, Inc. Chicago, IL.

[2] Graham, J. Khabbaz, L. Sherbourne, A. and Jensen, C. (1959). Welded interior beam-column connections. AISC Publication. p. 59-57.

[3] Chen, W. and Oppenheim, I. (1970). Web buckling strength of beam-to-column connections

[4] Newlin, D. and Chen, W. (1971). Strength and Stability of Column Web in Welded Beam-to-Column Connections Fritz Engineering Laboratory.

[5] Roberts, T. (1981). Slender plate girders subjected to edge loading. Proceedings of the Institution of Civil Engineers. 71(3), p. 805-819.

[6] Elgaaly, M. and Nunan, W.L. (1989). Behavior of rolled section web under eccentric edge compressive loads. Journal of Structural Engineering. 115(7), p. 1561-1578.

[7] Elgaaly, M. and Salkar, R. (1991). Web crippling under edge loading. Proceedings of AISC National Steel Construction Conference.

[8] Lagerqvist, O. and Johansson, B. (1996). Resistance of I-girders to concentrated loads. Journal of Constructional Steel Research. 39(2), p. 87-119.

[9] Roberts, T. and Newark, A. (1997). Strength of webs subjected to compressive edge loading. Journal of Structural Engineering. 123(2), p. 176-183.

[10] Hajjar, J.F. Dexter, R.J. Ojard, S.D. Ye, Y. and Cotton, S.C. (2003). Continuity plate detailing for steel moment-resisting connections. Engineering Journal. 40(4), p. 189-211.

[11] Yam, M.C. Lam, A.C. Iu, V. and Cheng, J. (2003). Local web buckling strength of coped steel I beams. Journal of Structural Engineering. 129(1), p. 3-11.

[12] Graciano, C. and Edlund, B. (2003). Failure mechanism of slender girder webs with a longitudinal stiffener under patch loading. Journal of Constructional Steel Research. 59(1), p. 27-45.

[13] Carden, L.P. Pekcan, G. and Itani, A.M. (2007). Flange and web limit states in beams subjected to patch loading. Journal of Constructional Steel Research. 63(1), p. 45-54.

[14] Carden, L.P. Pekcan, G. and Itani, A.M. (2007). Web yielding, crippling, and lateral buckling under post loading. Journal of Structural Engineering. 133(5), p. 665-673.

[15] Salkar, R. Salkar, A. and Davids, W. (2015). Crippling of Webs with Partial Depth Stiffeners under Patch Loading. ENGINEERING JOURNAL-AMERICAN INSTITUTE OF STEEL CONSTRUCTION. 52(4), p. 221-232.

[16] Menkulasi, F. Farzana, N. Moen, C.D. and Eatherton, M.R. (2016). Revisiting web compression buckling for wide flange sections. Annual Stability Conference, Florida, USA.

[17] Sener, K. Witte, J. and Varma, A.H. (2019). On the influence of load width on web compression buckling strength. Proceedings of the Annual Stability Conference. St. Louis, MO.

[18] Rodilla, J.A. and Kowalkowski, K. (2021). Determination of Capacities of Eccentric Stiffeners Part 1: Experimental Studies. ENGINEERING JOURNAL-AMERICAN INSTITUTE OF STEEL CONSTRUCTION. 58(2), p. 79-98.

[19] Rodilla, J.A. and Kowalkowski, K. (2021). Determination of Capacities of Eccentric Stiffeners Part 2: Analytical Studies. ENGINEERING JOURNAL-AMERICAN INSTITUTE OF STEEL CONSTRUCTION. 58(2), p. 99-122.

[20] AISC (2022). Seismic Provisions for Structural Steel Buildings, ANSI/AISC 341-22. American Institute of Steel Construction, Inc. Chicago, IL.

[21] Norwood, J. and Prinzb, G.S. (2019). Effect of Continuity Plate Eccentricity on the Performance of Welded Beam-to-Column Connections. Engineering Structures. 198.

[22] Timoshenko, S.P. and Gere, J.M. (1985). Theory of elastic stabilityMcGraw-Hill

[23] Salmon, C.G. and Johnson, J.E. (2009). Steel structures: design and behavior: emphasizing load and resistance factor design

[24] ABAQUS (2020). "ABAQUS/Standard User’s Manuals, Version 6.14." Available at: http://62.108.178.35:2080/v6.14/books/hhp/default.htm?startat=pt02ch02s01.html.

[25] Bowman, M.D. and Quinn, B.P. (1994). Examination of Fillet Weld Strength. ENGINEERING JOURNAL-AMERICAN INSTITUTE OF STEEL CONSTRUCTION. 31, p. 98-108.

[26] Kartal, M. Molak, R.M. Turski, M. Gungor, S. Fitzpatrick, M.E. and Edwards, L. (2007). Determination of weld metal mechanical properties utilising novel tensile testing methods. Applied Mechanics and Materials. 7, p. 127-132.

[27] Rodilla, J.A. and Kowalkowski, K. (2019). Analysis and Design of Eccentric Stiffeners Part of Moment Connections to Column Flanges. Final Report for AISC, Chicago, Ill.