بررسی اثر سخت‌کننده عرضی از نوع فنر مارپیچ بر رفتار ستون‌های فولادی دو جداری پر شده با بتن (CFDST)

آتشی, امیر

doi:10.22065/jsce.2026.580119.3962

بررسی اثر سخت‌کننده عرضی از نوع فنر مارپیچ بر رفتار ستون‌های فولادی دو جداری پر شده با بتن (CFDST)

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسنده

امیر آتشی

مربی فنی ،گروه مهندسی عمران،دانشگاه فنی و حرفه ای،تهران،ایران

10.22065/jsce.2026.580119.3962

چکیده

ستون‌های فولادی پرشده با بتن به دلیل ظرفیت باربری بالا، شکل‌پذیری مناسب و عملکرد مطلوب در برابر بارهای فشاری، به طور گسترده در سازه‌های مدرن مورد استفاده قرار می‌گیرند. در این میان، ستون‌های فولادی پرشده با بتن دو‌لایه (CFDST) به دلیل وجود دو جدار فولادی و هسته بتنی، از قابلیت محصورشدگی و پایداری سازه‌ای بیشتری نسبت به ستون‌های معمولی برخوردار هستند. با این حال، در بارهای بالا امکان بروز کمانش موضعی در جدار فولادی و کاهش کارایی محصورشدگی بتن وجود دارد. از این رو، استفاده از تقویت‌کننده‌های خارجی می‌تواند نقش مؤثری در بهبود رفتار این نوع ستون‌ها ایفا کند. در این پژوهش، اثر سخت‌کننده عرضی از نوع فنر مارپیچ بر رفتار فشاری ستون‌های CFDST با استفاده از مدل‌سازی عددی در نرم‌افزار آباکوس مورد بررسی قرار گرفته است. در این مطالعه تأثیر دو پارامتر اصلی شامل گام فنر مارپیچ و قطر آن بر رفتار سازه‌ای ستون‌ها در 11 مدل، بررسی گردید. نتایج نشان داد که استفاده از فنر مارپیچ موجب افزایش قابل توجه ظرفیت باربری و بهبود عملکرد فشاری ستون‌های CFDST می‌شود. کاهش گام مارپیچ باعث افزایش محصورشدگی بتن و بهبود توزیع تنش در جدارهای فولادی شده و در بهترین حالت افزایش ظرفیت باربری تا حدود 66 درصد نسبت به مدل بدون تقویت‌کننده مشاهده شد. همچنین افزایش قطر فنر مارپیچ موجب افزایش سختی جانبی ستون و کاهش تغییرشکل‌های شعاعی گردید که در نتیجه آن ظرفیت باربری ستون افزایش یافت. نتایج این تحقیق نشان می‌دهد که استفاده از فنر مارپیچ به عنوان سخت‌کننده خارجی می‌تواند راهکار مؤثری برای بهبود عملکرد سازه‌ای ستون‌های مرکب فولادی–بتنی باشد.

کلیدواژه‌ها

ستون فولادی دو جداری پر شده با بتن (CFDST)

سخت کننده عرضی

فنر مارپیج

روش اجزای محدود

محصورشدگی بتن

ظرفیت باربری

موضوعات

مهندسی سازه و زلزله

عنوان مقاله English

The effect of transverse stiffeners in the form of helical springs on the behavior of concrete‑filled double‑skin steel tubular (CFDST) columns.

نویسنده English

amir atashi

Technical Instructor,Department of Civil Engineering, Technical and Vocational University (TVU), Tehran, Iran

چکیده English

Concrete-filled steel tubular (CFST) columns are widely used in modern structures due to their high load-carrying capacity, adequate ductility, and favorable performance under compressive loading. Among them, concrete-filled double-skin steel tubular (CFDST) columns, owing to the presence of two steel tubes and a concrete core, exhibit greater confinement capability and structural stability compared with conventional columns. However, under high loading levels, local buckling of the steel tubes may occur, leading to a reduction in the effectiveness of concrete confinement. Therefore, the use of external stiffening elements can play a significant role in enhancing the behavior of such columns. In this study, the effect of transverse stiffeners in the form of helical springs on the axial compressive behavior of CFDST columns is investigated using numerical modeling in ABAQUS. The influence of two main parameters, namely the pitch and diameter of the helical spring, on the structural response of the columns is examined through 11 numerical models.The results indicate that the use of helical springs leads to a significant increase in load-carrying capacity and an improvement in the axial performance of CFDST columns. Reducing the spring pitch enhances concrete confinement and improves stress distribution in the steel tubes, and in the best case, an increase of about 66% in load capacity compared with the unstrengthened model is observed. Moreover, increasing the spring diameter leads to higher lateral stiffness and reduced radial deformations, which in turn results in an increase in the load-carrying capacity of the column. The findings of this research demonstrate that employing helical springs as external stiffeners can be an effective strategy for improving the structural performance of composite steel–concrete columns.

کلیدواژه‌ها English

Concrete‑filled double‑skin steel tubular (CFDST) column transverse stiffener

helical spring

finite element method

concrete confinement

load‑carrying capacity

[1] Pratik, P., Arth , P. and Sharadkumar. Purohit. (2025). Confinement Studies on Concrete Filled Steel Tube Composite Columns: Numerical and Experimental Investigations. In: Recent Developments in Structural Engineering, 3, 245–254.

[2] Li, H., Fang, Y., Yang, H. and Wang, Y. (2026). Behaviour of concrete-filled double-skin steel tubular columns with outer galvanized corrugated steel tubes under monotonic and cyclic axial compression. Structures, 84, 111083.

[3] Jin, K.-Y., Zhou, X.-H., Ren, W., Wang, Y.-H. and Li, R.-F. (2024). Axial compressive behavior of concrete-filled double skin steel tubular columns with different stiffening constructions for wind turbine towers. Structures, 63, 106390.

[4] Wei, Y., Zhang, X., Wu, G. and Zhou, Y. (2018). Behaviour of concrete confined by both steel spirals and fiber-reinforced polymer under axial load. Composite Structures, 192, 577–591.

[5] Lin, C. and Zhou, J. (2023). Axial compressive behavior of circular composite columns with external confinement. Journal of Building Engineering, 77, 107516.

[6] Yang, Z., Sun, L. and Liu, M. (2025). Numerical study of high-strength spiral stirrup confined high-strength concrete filled high-strength square steel tubular short columns under axial compression. Structures, 72, 108246.

[7] Ahmed, M., Sheikh, M.N., Hadi, M.N.S. and Liang, Q.Q. (2023). Nonlinear analysis of square spiral-confined reinforced concrete-filled steel tubular short columns incorporating novel confinement model and interaction local buckling. Engineering Structures, 274, 115168.

[8] Sricharan, B.S., R.P.S. and Gangadhara, S. and Kumar, P.K. (2025). Experimental investigation on behaviour of circular concrete filled double skin tubular short columns (CFDST) under axial compressive loads. Architecture, Structures and Construction, 5(59).

[9] Guo, J., Li, P., Pan, S. and Chen, M. (2025). Numerical simulation on residual axial compression bearing capacity of square in square CFDST columns after lateral impact. Scientific Reports, 15, 24042.

[10] El Sherbiny, M.G., Serror, M.H., Ramadan, O.M.O. and Khalil, A.M. (2025). Gap study on concrete filled steel tube (CFST) and concrete filled double steel tube (CFDST) columns subjected to blast loads. Scientific Reports, 15, 43195.

[11] Patel, A.J. and Purohit, S.P. (2025). Experimental Investigation on Concrete Filled Double Skinned Steel Tubular (CFDST) Column with Concrete Imperfections. In: Proceedings of the 3rd International Conference on Advances in Concrete, Structural, and Geotechnical Engineering (ACSGE 2024). 205–218.

[12] Pham, D.-D., Vu, H.-P., Nguyen, H.-V., Trinh, V.-T. and Tu, D.-X. (2024). Behavior of CFDST Stub Columns Considering Various Concrete Strengths. In: Proceedings of the 3rd Annual International Conference on Material, Machines and Methods for Sustainable Development (MMMS 2022). 141–147.

[13] Casita, C.B., Suswanto, B. and Iranata, D. (2025). An Advancement in Structural Design: The Impact of Cross-Sectional Geometry on the Performance of CFDST Columns. In: Selected Articles from the 8th International Conference on Architecture and Civil Engineering (ICACE 2024), 635, 164–173.

[14] Ahmad, M.F., Abu Husain, M.K., Mukhlas, N.A., Ahmad, S. and Zaki, N.I.M. (2026). A review of the design equations for the axial capacities of circular concrete-filled double-skinned tubular columns. Innovative Infrastructure Solutions, 11, 166.

[15] Hindhumadhi, R. and Revathi, P. (2025). Capacity of concrete filled double skin tubular column under axial compression. Innovative Infrastructure Solutions, 10, 292.

[16] Alrebeh, S.K., Ahmed, A.D., Al-Asad, A.K. and Ekmekyapar, T. (2023). Experimental Performance Evaluation of Concrete-Filled Steel Tube Columns Confined by High-Strength Steel Bolts. International Journal of Steel Structures, 23, 1135–1147.

[17] Zhang, S., Miao, K., Wei, Y., Xu, X., Luo, B. and Shi, W. (2023). Experimental and Theoretical Study of Concrete-Filled Steel Tube Columns Strengthened by FRP/Steel Strips Under Axial Compression. International Journal of Concrete Structures and Materials, 17, 1.

[18] Cai, G., Wen, Y., Malla, P.B., Fujinaga, T. and Si Larbi, A. (2024). Effect of axial load and shear span on seismic performance of CFT columns reinforced with end-fixed ultra-high strength rebars. Bulletin of Earthquake Engineering, 22, 4515–4543.

[19] Sachdeva, A., Vyavahare, A. and Sachdeva, G. (2023). Concrete-Filled Tubular Column: A Comparative Study of EC4 and AISC 360-10. In: Proceedings of the Indian Structural Steel Conference (ISSC 2020), 319, 167–179.

[20] Hu, H.-S., Xu, L., Guo, Z.-X. and Shahrooz, B.M. (2020). Behavior of eccentrically loaded square spiral-confined high-strength concrete-filled steel tube columns. Engineering Structures, 216, 110743.

[21] Alrebeh, S.K. and Ekmekyapar, T. (2019). Structural behavior of concrete-filled steel tube short columns stiffened by external and internal continuous spirals. Structures, 22, 98–108.

[22] Ipek, S., Erdogan, A. and Guneyisi, E.M. (2021). Compressive behavior of concrete-filled double skin steel tubular short columns with the elliptical hollow section. Journal of Building Engineering, 38, 102204.