توسعه مدل خرپایی برای تخمین ظرفیت برشی تیرهای دارای بازشوی لوبیایی در جان

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسنده

عضو هیات علمی، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران

چکیده

ایجاد بازشو در جان تیر یکی از امور متداول در سازه‌های فولادی می‌باشد. در حال حاضر برآورد مقاومت این نواحی بر اساس روابطی استوار می‌باشد که مبتنی بر اندرکنش خمش، برش و نیروی محوری در ناحیه مذکور است. با توجه به بررسی‌های به عمل آمده عملکرد این نواحی را می‌توان به صورت رفتار خرپایی جان تیر تحت نیروهای وارده توصیف نمود. بر همین اساس، هدف تحقیق حاضر توسعه یک مدل خرپایی برای نواحی یاد شده از تیرها و ارائه روابط حاکم برای برآورد ظرفیت باربری آنها می‌باشد. بدین منظور، ابتدا هندسه و ابعاد خرپای مذکور شرح داده شده و ظرفیت برشی تیر در ناحیه با جان کاهش یافته بر حسب پارامترهای هندسی المان‌های قطری خرپا محاسبه شده است. برای بررسی دقت هندسه پیشنهادی، دو مدل المان محدود تیر با ابعاد مختلف بازشو در نرم افزار آباکوس تولید و با استفاده از بهینه‌سازی پارامترهای هندسی مجهول، ابعاد و هندسه المان‌های خرپایی مد نظر تعیین و با مقادیر تعیین شده توسط روابط پیشنهادی مقایسه شده است. طبق نتایج این مقایسه، هندسه پیشنهادی برای مدل خرپایی مطابقت مناسبی با نتایج حاصل از بهینه سازی هندسی توسط نرم‌افزار دارد. در ادامه، نمودارهای طراحی برای محاسبه ظرفیت برشی مقطع با جان کاهش یافته به صورت تابعی از مشخصات هندسی تیر و بازشوی جان ارائه شده و پیش‌بینی های حاصل با نتایج تحلیل مدل المان محدود مقایسه شده است. بر همین اساس و با مقایسه پیش‌بینی‌های روش پیشنهادی با نتایج حاصل از 120 نمونه المان محدود، میانگین قدر مطلق خطا برابر با 6% و انحراف از معیار آن برابر با 7/3 % تعیین گردید. علیرغم سادگی و سهولت کاربرد مدل پیشنهادی، می‌توان گفت که دقت آن در محدوده قابل قبولی قرار داشته و استفاده از آن برای برآورد ظرفیت برشی مقاطع با جان کاهش یافته قابل توصیه می‌باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Development of Strut Model for Evaluating Shear Capacity of Beams With Elongated Circular Web Openings

نویسنده [English]

  • Vahid Akrami
Assistant Professor, Faculty of Engineering, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran
چکیده [English]

There are a number of reasons for considering web openings in steel structures with I-sections. Design of these structural members is always a practical challenge in steel construction. There are several design methods available in the literature for design of these components. Most of these methods rely on the moment-shear-axial interaction curves. However, the preliminary studies have shown that the real performance of these reduced sections is in the form of diagonal struts. The objective of this study is to present a new model based on the tensile and compressive action of diagonal struts at reduced web region to calculate shear strength of the perforated section.For this purpose, the geometry and dimensions of the diagonal struts are described and the shear strength of reduced section is calculated accordingly. To assess the accuracy of proposed geometry and dimensions for diagonal struts, a topology optimization is conducted for two finite element models and results are compared to the proposed values based on which a good agreement is found between optimized and proposed geometries. Next, design curves are presented for calculation of shear strength followed by comparison of proposed model and its predictions with the ones obtained from numerical analysis. Comparing the predictions of the proposed model with the results of 120 finite element samples, the absolute mean error and standard deviation of absolute error were calculated to be 6% and 3.7%, respectively. This comparison shows that, although the presented model is simple and easy to use, it has acceptable accuracy and can be utilized for calculation of shear strength in perforated steel I-beams.

کلیدواژه‌ها [English]

  • steel beam
  • web opening
  • strut model
  • Shear strength
  • Finite Element
  1. Verweij, J.G., Cellular beam-columns in portal frame structures. 2010, Master thesis, Civil Engineering Department, Delft University of Technology.
  2. Redwood, R.G. and J. McCutcheon, Beam tests with unreinforced web openings. Journal of the Structural Division, Proceedings of the ASCE, 1968. Vol. 94.
  3. Bower, J.E., Ultimate strength of beams with rectangular holes. Journal of the Structural Division. Proceedings of the ASCE, 1968. Vol. 94.
  4. Congdon, J.G. and R.G. Redwood, Plastic behavior of beams with reinforced holes. J. Struct. Div., 1970. 96(ST9): p. 1933-1956.
  5. Clawson, W.C. and D. Darwin, Composite beams with web openings. 1980, Univ. of Kansas: Lawrence, KS.
  6. Redwood, R.G., H. Baranda, and M.J. Daly, Tests of thin-webbed beams with unreinforced holes. J. Struct. Div., 1978. 104(ST3): p. 577–595.
  7. Chung, K.F., C.H. Liu, and A.C.H. Ko, Steel beams with large web openings of various shapes and sizes: an empirical design method using a generalised moment-shear interaction curve. Journal of Constructional Steel Research, 2003. 59(9): p. 1177-1200.
  8. Lawson, R.M., Design for openings in the webs of composite beams, in SCI Publication 068 (SCIP068). 1987, The Steel Construction Institute: Berkshire, U.K.
  9. Darwin, D., Steel and Composite Beams with Web Openings. 1990, Steel Design Guide Series 2, American Institute of Steel Construction (AISC).
  10. Redwood, R.G. and S.H. Cho, Design of steel and composite beams with web openings. J. Constr. Steel Res., 1993. 25(1-2): p. 23–41.
  11. Tsavdaridis, K.D. and C. D'Mello, Vierendeel Bending Study of Perforated Steel Beams with Various Novel Web Opening Shapes through Nonlinear Finite-Element Analyses. Journal of Structural Engineering, 2012. 138(10).
  12. Ward, J.K., Design of composite and non-composite cellular beams. 1990, The Steel Construction Institute Publication 100 (SCI P100).
  13. SEI/ASCE23, Proposed specification for structural steel beams with web opening, in SEI/ASCE 23-97. 1997: Reston, VA.
  14. Akrami, V. and S. Erfani, Review and Assessment of Design Methodologies for Perforated Steel Beams. Journal of Structural Engineering, 2015: p. 04015148.
  15. Panedpojaman, P., T. Thepchatri, and S. Limkatanyu, Novel simplified equations for Vierendeel design of beams with (elongated) circular openings. Journal of Constructional Steel Research, 2015. 112: p. 10-21.
  16. Panedpojaman, P. and T. Rongram. Design Equations for Vierendeel Bending of Steel Beams with Circular Web Openings. in Proceedings of the World Congress on Engineering 2014 (WCE 2014). 2014. London, U.K.
  17. Abambres, M., K. Rajana, K. Tsavdaridis, and T. Ribeiro, Neural Network-based formula for the buckling load prediction of I-section cellular steel beams. Computers, 2019. 8(1): p. 2.
  18. Aschheim, M. and A. Halterman. Reduced web section beams, Phase One: Experimental findings and design implications. in 7th US national conference on earthquake engineering, Boston, Massachusetts. 2002.
  19. Shin, M., S.-P. Kim, A. Halterman, and M. Aschheim, Seismic toughness and failure mechanisms of reduced web-section beams: Phase 1 tests. Engineering Structures, 2017. 141: p. 198-216.
  20. Shin, M., S.-P. Kim, A. Halterman, and M. Aschheim, Seismic toughness and failure mechanisms of reduced web-section beams: Phase 2 tests. Engineering Structures, 2017. 141: p. 607-623.
  21. Akrami, V. and S. Erfani, Effect of local web buckling on the cyclic behavior of reduced web beam sections (RWBS). Steel Composite Structures An International Journal, 2015. 18(3): p. 641-657.
  22. Akrami, V., Development of truss model for evaluating load carrying capacity of reduced web beams. 2019, University of Mohaghegh Ardabili, Ardbil, Iran.: Research project report, Faculty of Engineering.