مهندسی سازه و ساخت

مهندسی سازه و ساخت

تحلیل پارامتریک و آماری اتصال پایه ستون پیچ‌شده با نبشی تسلیم‌شونده تحت بارگذاری چرخه‌ای حول محور ضعیف

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان
1 دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی شهید نیکبخت، دانشگاه سیستان و بلوچستان، زاهدان، ایران
2 استاد، دانشکده مهندسی شهید نیکبخت، دانشگاه سیستان و بلوچستان، زاهدان، ایران
3 دانشیار، دانشکده مهندسی شهید نیکبخت، دانشگاه سیستان و بلوچستان، زاهدان، ایران
چکیده
اتصالات پایه ستون، به‌عنوان یکی از اجزای حیاتی در سیستم‌های سازه‌ای فولادی، نقش کلیدی در انتقال بارهای ثقلی و جانبی به فونداسیون ایفا می‌کنند. در سال‌های اخیر، توجه به طراحی اتصالات کم‌آسیب و قابل تعویض، به‌ویژه در شرایط بارگذاری چرخه‌ای، افزایش یافته است. در این راستا، پژوهش حاضر به بررسی رفتاری یک نوع اتصال پای ستون پیچ‌شونده با نبشی تسلیم‌شونده اختصاص دارد که با حذف جوشکاری در محل، ضمن تسهیل نصب، موجب کاهش آسیب‌های موضعی در ستون می‌شود. مطالعه حاضر شامل سه مرحله‌ی اصلی است: نخست، مدل اجزای محدود اتصال بر اساس داده‌های آزمایشگاهی صحت‌سنجی شد. سپس، با استفاده از روش طراحی آزمایش تاگوچی، تأثیر سه پارامتر کلیدی شامل ضخامت نبشی، نیروی محوری و فاصله میل‌مهار بر رفتار لرزه‌ای اتصال مورد بررسی عددی قرار گرفت. در ادامه، تحلیل واریانس و مدل رگرسیونی برای ارزیابی اهمیت نسبی متغیرها و پیش‌بینی پاسخ عملکردی توسعه داده شد. نتایج به‌دست‌آمده نشان می‌دهند که ضخامت نبشی مهم‌ترین عامل مؤثر بر ظرفیت خمشی اتصال است. اتصال در تمامی ترکیب‌ها رفتار مفصلی از خود نشان داده و انرژی قابل توجهی را در چرخه‌های بارگذاری مستهلک نموده است. تطابق نزدیک بین نتایج عددی و آماری، دقت مدل‌سازی و کارآمدی تحلیل تاگوچی را تأیید می‌کند. همچنین، مدل رگرسیونی توسعه‌یافته، ابزار ساده و مؤثری برای برآورد ظرفیت اتصال در طراحی عملکردی ارائه می‌دهد. دستاوردهای این پژوهش، می‌تواند به‌عنوان پایه‌ای علمی برای طراحی اتصالات لرزه‌ای کم‌آسیب و ارتقاء آیین‌نامه‌های مرتبط با طراحی سازه‌های فولادی مورد استفاده قرار گیرد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Parametric and Statistical Analysis of Bolted Column Base Connections with Yielding Angles under Cyclic Loading about the Weak Axis

نویسندگان English

Iman ََAghaei 1
mahmoud Miri 2
Hamed Ghohani Arab 3
1 Ph.D. Student, Shahid Nikbakht Faculty of Engineering, University of Sistan and Baluchestan, Zahedan, Iran
2 Professor, Shahid Nikbakht Faculty of Engineering, University of Sistan and Baluchestan, Zahedan, Iran
3 Associate Professor, Shahid Nikbakht Faculty of Engineering, University of Sistan and Baluchestan, Zahedan, Iran
چکیده English

Base plate connections are critical in transferring axial and lateral loads from steel columns to foundations, especially during seismic events. Recently, replaceable low-damage connections have gained attention for enhancing structural resilience. This study explores the seismic behavior of a bolted base connection with yielding angles that eliminate on -site welding and reduce column damage. The methodology involves three stages: (1) validating a finite element (FE) model using experimental data, (2) performing a parametric study via the Taguchi Design of Experiment (DoE) method to examine the effects of angle thickness, axial load level, and anchor bolt distance from the column flange, and (3) applying analysis of variance (ANOVA) and multiple regression to identify significant parameters and develop a predictive flexural capacity model. Results reveal that angle thickness is the most influential factor. All configurations showed semi-rigid to flexible rotational behavior, with notable energy dissipation under cyclic loading. The close agreement between numerical and statistical outcomes confirms both the accuracy of the FE model and the efficiency of the Taguchi method. The proposed regression equation serves as a practical tool for estimating connection strength in performance-based design. This research supports the development of advanced low- damage connection design strategies for steel structures.

کلیدواژه‌ها English

Column Base Connections
Yielding Angle
Finite Element Analysis (FEA)
Taguchi Method
Cyclic Loading
 
[1]    Kanvinde, A.M., Jordan, S.J., and Cooke, R.J., (2013). Exposed column base plate connections in moment frames — Simulations and behavioral insights. Journal of Constructional Steel Research. 84: p. 82-93.
[2]    Cui, Y., Wang, F., Li, H., and Yamada, S., (2019). Rotational behavior of exposed column bases with different base plate thickness. Steel and Composite Structures, An International Journal. 32(4): p. 497-507.
[3]    Fasaee, M.A.K., Banan, M.R., and Ghazizadeh, S., (2018). Capacity of exposed column base connections subjected to uniaxial and biaxial bending moments. Journal of Constructional Steel Research. 148: p. 361-370.
[4]    Fisher, J.M. and Kloiber, L.A.(2006), Base plate and anchor rod design, American Institute of Steel Construction.
[5]    Ekhlasi, F., Saberi, H., Ahmadvand, M., and Saberi, V., (2020). Parametric Investigation of Cyclic Behavior of Bolted End plate Connections. Journal of Structural and Construction Engineering. 7(2): p. 181-201.
[6]    Aghaei, I. and Miri, M., Experimental and analytical investigation of asymmetric friction connections in steel column bases, in 13th International Congress on Civil Engineering.(2023).
[7]    Zhang, R., Liu, J., Xu, J., and Jia, L.-J., (2024). Low-damage performance of blast resilient steel rocking column base with friction connection. Thin-Walled Structures. 197: p. 111598.
[8]    Zhang, R., Xie, J.-Y., Chouery, K.E., Liu, J., Jia, L.-J., Xiang, P., Zhao, X., Macrae, G.A., Clifton, G.C., and Dhakal, R.P., (2022). Strong axis low-damage performance of rocking column-base joints with asymmetric friction connections. Journal of Constructional Steel Research. 191: p. 107175.
[9]    Zhang, R., Yan, Z., Xie, J.-Y., Liu, J., Jia, L.-J., Xiang, P., Zhao, X., Macrae, G.A., Clifton, G.C., Dhakal, R.P., and Ramhormozian, S., (2024). Weak axis low-damage performance of seismic resilient rocking steel column base with friction connection. Journal of Building Engineering. 86: p. 108778.
[10]  Kamperidis, V.C., Karavasilis, T.L., and Vasdravellis, G., (2018). Self-centering steel column base with metallic energy dissipation devices. Journal of Constructional Steel Research. 149: p. 14-30.
[11]  Shen, P., Yang, P., Chen, Y., Yang, Y., and Zhou, J., (2024). Seismic performance of self-centering steel column base with buckling-restrained bars. Journal of Building Engineering. 91: p. 109474.
[12]  Li, Y.-W. and Koetaka, Y., (2022). Steel rocking column bases with replaceable cover plates: Cyclic loading behaviour and practical design. Engineering Structures. 264: p. 114467.
[13]  Wang, B., Zhu, S., Chen, K., Qiu, C.-X., and Chen, P., (2024). Damage-free self-centering steel columns incorporating SMA bolts and replaceable steel angles. Engineering Structures. 321: p. 119000.
[14]  Mohammadi, M. and Afkaneh, N., (2022). On the seismic performance of a New low damage Structure; Moment Resisting Frame with Post-Tensioned Connections and Frictional Braces. Journal of Structural and Construction Engineering. 9(7): p. 65-85.
[15]  Xiao, G., Wang, H., Pan, P., Pan, H., He, R., and Tian, G., (2024). Development of self-centering and energy-dissipating dual-stage reinforced concrete rocking column-base system. Engineering Structures. 321: p. 118943.
[16]  Hou, H., Sun, B., Qu, B., Wang, C., Zhang, S., and Liang, Y., (2021). Testing of bolted base connections for wide-flange columns under combined axial compression and weak-axis lateral forces. Journal of Constructional Steel Research. 179.
[17]  Hou, H., Wang, C., Qu, B., and Liang, Y., (2021). Cyclic testing of bolted base connections for wide-flange columns. Engineering Structures. 235.
[18]  Borzouie, J., (2015). Low damage steel base connections.
[19]  Izadinia, M. and Taravat, M., (2021). Finite element analysis of steel beam-hollow column angle connection with blind bolts. Journal of Structural and Construction Engineering. 7(4): p. 5-19.
[20]  Saberi, H., Saberi, V., Yazdaninejad, M., and Sadeghi, A., (2022). Investigation of Cyclic Behavior on Types of Reduced Beam Section Moment Connections in Flange. Journal of Structural and Construction Engineering. 9(4): p. 25-43.
[21]  ABAQUS, F., (2014). ABAQUS 6.14 Documentation. Dassault Syst Provid Google Scholar. 12: p. 129-130.
[22]  Hosseini, S. and Hosseini, M., (2021). Evaluation of the response of BFP and WFP connections under the blast loading. Journal of Structural and Construction Engineering. 7(Special Issue 4): p. 64-81.
[23]  (AISC), A.I.o.S.C., (2016). Seismic Provisions for Structural Steel Buildings (ANSI/AISC 341-16). Chicago, IL: American Institute of Steel Construction.
[24]  Madani, T., Boukraa, M., Aissani, M., Chekifi, T., Ziadi, A., and Zirari, M., (2023). Experimental investigation and numerical analysis using Taguchi and ANOVA methods for underwater friction stir welding of aluminium alloy 2017 process improvement. International Journal of Pressure Vessels and Piping. 201: p. 104879.
[25]  Nagaraja, B., Almeida, F., Yousef, A., Kumar, P., Ajaykumar, A.R., and Al-Mdallal, Q., (2023). Empirical study for Nusselt number optimization for the flow using ANOVA and Taguchi method. Case Studies in Thermal Engineering. 50: p. 103505.
[26]  Oymak, M., Yıldırım, H., Yıldız, M., Özcan, B., Çelebi, Y., Çelebi, M.A.E., and Çelik, V., (2024). Parameter Sensitivity Analysis for Machining Operation of Autofrettaged Cylinder Using Taguchi Method. Applied Sciences. 14(13): p. 5523.
[27]  Sharifi, H., Adib, A., Ahmadi, Z., Gemikonakli, E., and Shahedi Asl, M., (2024). Taguchi optimization of mask stereolithographic 3D printing parameters for tensile strengthening of functionally graded resins. International Journal on Interactive Design and Manufacturing (IJIDeM). 18(7): p. 4899-4910.
[28]  (AISC), A.I.o.S.C., (2016). Specification for Structural Steel Buildings (ANSI/AISC 360-16). Chicago, IL: American Institute of Steel Construction.

  • تاریخ دریافت 21 تیر 1404
  • تاریخ بازنگری 10 شهریور 1404
  • تاریخ پذیرش 29 شهریور 1404