رفتار کمانشی سیلوهای حلقوی فولادی تحت فشار محوری

پورزینلی, پرهام; معززی مهر طهران, علیرضا

doi:10.22065/jsce.2025.502652.3643

رفتار کمانشی سیلوهای حلقوی فولادی تحت فشار محوری

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

پرهام پورزینلی ¹

علیرضا معززی مهر طهران ²

¹ دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه زلزله، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران

² استادیار، گروه سازه، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران

10.22065/jsce.2025.502652.3643

چکیده

سیلوهای فولادی استوانه‌ای به طور گسترده در ذخیره‌سازی مواد دانه‌ای در صنایع مختلف کاربرد دارند. به دلیل ضخامت کم دیواره، این سازه‌ها به شدت مستعد کمانش تحت بارهای وارده هستند. سیلوهای فولادی به شکل‌های مختلفی همچون سیلوهای ورق صاف، ورق موجدار و سیلوهای حلقوی ساخته می‌شوند. علیرغم استفاده گسترده از سیلوهای حلقوی، بیشتر مطالعات پیشین معطوف به بررسی رفتار سیلوهای ورق صاف و ورق موجدار بوده است. از این روی، پژوهش حاضر به عنوان یکی از اولین مطالعات در خصوص سیلوهای حلقوی، سعی در تبیین رفتار این سازه‌ها دارد. سیلوها با توجه به کاربری خود، ابتدا لازم است تحت بارهای ثقلی ناشی از محتویات دانه‌ای طی فرآیند بارگیری و تخلیه، طراحی شوند. در این خصوص آئین‌نامه‌های پیشرو طراحی، همچون آئین‌نامه اروپا به ارائه روابط باربری کمانشی تحت فشار محوری می‌پردازد. در همین راستا رفتار کمانشی این سیلوها تحت فشار محوری در این مطالعه مورد ارزیابی قرار می‌گیرد. سیلوهای حلقوی با توجه به مزایایی همچون ساخت نیمه اتوماتیک و اتصالات دستگاهی، سرعت ساخت بالایی دارند. همچنین، در محل درز اتصال با توجه به روش ساخت این سیلوها، سخت‌کننده‌هایی یکپارچه در پیرامون و سراسر ارتفاع سازه شکل گرفته که منجر به بهبود رفتار کمانشی این سیلوها می‌شود. از این روی، به طور مشخص اثر شکل خاص این سازه، زاویه سخت‌کننده‌های پیرامونی و میزان حساسیت به نقص هندسی طی تحلیل‌های المان محدود در نرم افزار آباکوس مطالعه شده است. همچنین، جهت بررسی اثرات شکل خاص سیلوهای حلقوی بر ظرفیت کمانشی، مقایسه‌ای‌ بین این نوع و نمونه سیلوهای ورق صاف معادل صورت پذیرفته است.

کلیدواژه‌ها

سیلوهای فولادی حلقوی

کمانش محوری

سخت‌کننده‌های پیرامونی

حساسیت به نقص

تحلیل المان محدود

موضوعات

سازه های جدار نازک

عنوان مقاله English

Axial Buckling of Spiral Steel Folded Silo

نویسندگان English

Parham Pourzeynali ¹

Alireza Moazezi Mehretehran ²

¹ Master student , Earthquake Engineering, Division, Civil Engineering Department, Sharif University of Technology, Tehran, Iran

² Assistant Professor, Structural Engineering Division, Civil Engineering Department, Sharif University of Technology, Tehran, Iran

چکیده English

Cylindrical steel silos are widely used for storing granular materials in industry. Due to their thin wall thickness, these structures are highly susceptible to buckling under applied loads. Steel silos are constructed in various forms, such as flat sheet, corrugated sheet, and spiral silos. Despite the widespread use of spiral silos, most previous studies have focused on the behavior of flat sheet and corrugated silos. Accordingly, this study is the first research to investigate the buckling behavior of spiral silos. Silos, depending on their use, must first be designed to withstand gravity loads caused by granular materials during the loading and unloading process. Therefore, current design codes, such as the Eurocode, provide equations for buckling loads under axial compression. Hence, the buckling behavior of these silos subjected to axial compression is assessed in this research by considering the relevant Eurocode provisions. Spiral silos offer advantages such as, semi-automated construction and mechanical connections, which leading to faster construction. Due to the construction method, spiral rings are formed around the entire height of the silo which improving the buckling behavior. Hence, the specific shape of the silo, the angle of the circumferential rings, and the sensitivity to geometric imperfections are studied in detail through finite element analysis using Abaqus software. Furthermore, to investigate the effects of the specific shape of spiral silos on buckling strenght, a comparison is made between this type and equivalent flat sheet silos.

کلیدواژه‌ها English

Spiral Steel Folded Silo

Axial Buckling

Circumferential stiffener

Imperfection sensitivity

Finite Element Analysis

[1] Li, Z. Pasternak, H. and Jäger-Cañás, A. (2021). “Buckling of ring-stiffened cylindrical shell under axial compression: Experiment and numerical simulation”, Thin-Walled Structures, Volume 164, Pages (1-11).

[2] Wagner, H. Hühne, C. Niemann, S. Tian, K. Wang, B. and Hao, P. (2018). “Robust knockdown factors for the design of cylindrical shells under axial compression: Analysis and modeling of stiffened and unstiffened cylinders”, Thin-Walled Structures, Volume 127, Pages (629–645).

[3] Castro, S. Zimmermann, R. Arbelo, M. Khakimova, R. Hilburger, M. and Degenhardt, R. (2014). “Geometric imperfections and lower-bound methods used to calculate knock-down factors for axially compressed composite cylindrical shells”, Thin-Walled Structures, Volume 74, Pages (118–132).

[4] Pasternak, H. Li, Z. Juozapaitis, A. and Daniūnas, A. (2022). “Ring Stiffened Cylindrical Shell Structures: State-of-the-Art Review”, Applied Sciences (Switzerland), 12(22).

[5] Wang, B. Du, K. Hao, P. Zhou, C. Tian, K. Xu, S. Ma, Y. and Zhang, X. (2016). “Numerically and experimentally predicted knockdown factors for stiffened shells under axial compression”, Thin-Walled Structures, Volume 109, Pages (13–24).

[6] Wang, P. Zhu, X. Liu, M. and Li, Y. (2017). “Buckling behaviors and simplified design method for steel silos under locally distributed axial load”, Journal of Constructional Steel Research, Volume 134, Pages (114–134).

[7] Sadowski, A.J. and Rotter, J.M. (2011). “Steel silos with different aspect ratios: I - Behaviour under concentric discharge”, Journal of Constructional Steel Research, 67(10), Pages (1537–1544).

[8] EN 1991-4, Eurocode 1: Actions on structures – Part 4: Silos and tanks, CEN, Brussels, 2006.

[9] Cao, Q. and Zhao, Y. (2017). “Buckling design of large steel silos with various slendernesses”, Journal of Zhejiang University: Science A, 18(4), Pages (282–305).

[10] Wójcik, M. and Tejchman, J. (2015). “Simulation of buckling process of cylindrical metal silos with flat sheets containing bulk solids”, Thin-Walled Structures, Volume 93, Pages (122–136).

[11] Mehretehran, A. M. and Maleki, S. (2022). “Axial buckling of imperfect cylindrical steel silos with isotropic walls under stored solids loads: FE analyses versus Eurocode provisions”, Engineering Failure Analysis, Volume 137.

[12] EN 1993-4-1, Eurocode 3: Design of steel structures - Part 4-1: Silos, CEN, Brussels, 2007.

[13] EN 1993-1-6, Eurocode 3: Design of steel structures - Part 1-6: Strength and stability of shell structures, CEN, Brussels, 2007.

[14] Rezaee, K. and Mehretehran, A. M. (2024). “Effects of cutouts on the axial buckling strength of steel thin-walled cylindrical shells”, Engineering Structures.

[15] Mancini, S. Tavares, D. S. Gomes, F. C. Gandia, R. M. Lacerda, W. S. Yanagi Junior, T. and De Paula, W. C. (2023). “Use of artificial neural networks in the prediction of horizontal and friction pressures in a slender silo”, Brazilian Journal of Development, 9(6), Pages (18761–18785).

[16] AUSTRALIAN STANDARD AS 3774. (1996) Loads on bulk containers. Sydney. AS 3774 Supplement 1 (1996).” Loads on bulk containers – Commentary. Sydney.

[17] Sadowski, A. J. and Filippidis, A. (2025). “The capacity curve framework of EN 1993-1-6 (2025): Cylindrical shells under uniform meridional compression vs uniform bending”, Journal of Constructional Steel Research, Volume 225.

[18] Pichugin, S. and Oksenenko, K. (2019). “Comparative analysis of design solutions of metal silos”, ACADEMIC JOURNAL Series: Industrial Machine Building, Civil Engineering, 2(53), Pages (54–60).

[19] Pichugin, S. Oksenenko, K. Hajiyev, M. and Sulewska, M. (2021). “Features of structures and calculation of steel spiral- fold silos”, E3S Web of Conferences, Volume 280.

[20] Dassault Systems, ABAQUS 6.13—Software Package, 2017.

[21] J.P. Peterson, P. Seide, V.I. Weingarten, “Buckling of thin-walled circular cylinders NASA SP-8007”, Technical Report, 1 November 2020.