۰۱مقالات
مقاله ژورنالی

Embedded Column Bases: Tensile Strength and Modes of Failure

کف ستون‌های فولادی مهار در بتن: مقاومت کششی و مودهای شکست

تاریخ انتشار: ۲۴ شهریور ۱۳۹۴
DOI10.4203/ccp.108.46مشاهده در سایت ناشر
مقاومت نهایی برکنشی(pull Out) میلگردهای ساده مدفون در بتن.pdf   Personal   Microsoft​ Edge 5 18 2026 6 03 23 Am

نویسندگان

Pouyan Pourakbar et all.

چکیده

Post-Kobe studies revealed that embedded column bases respond better to earthquake uplift forces than the exposed column bases. This paper presents the results of numerical and experimental studies for the static pullout strength and modes of failure of the steel column bases (‘roots’) embedded in unreinforced cuboid concrete blocks. The embedded roots have an end plate (headed roots) or are tapered in a single plane. The studies include the effect of the change in the size of the concrete block (its depth and plan dimensions), the boundary conditions of the concrete block, and the effect of the tapering angle. The numerical results are supported with experimental results. The embedded steel sections are proportioned to remain well under the yield point, hence, the pullout failure occurs only in the concrete block. The presence of the end plate dominates the overall pullout capacity and ‘masks’ the resistance provided by the ‘body’ of the embedded section. This effect leads to the conclusion that, for a specified embedding depth and size of the end plate, the shape of the embedded section will not seriously affect its pullout strength. The headed roots, normally, have a cone like (a ‘compound cone’) failure mechanism. The most common type of pullout failure of the tapered roots is splitting. For the embedded roots tapered in a single plane, however, the confining boundary conditions change the splitting failure of the concrete block into a ‘butterfly’ or ‘biconical’ type of failure. The biconical failure could double the pullout strength. Also, the tapered roots under similar conditions, sustain much larger displacements prior to the development of the peak pullout strength as compared with that of the headed roots. The headed and tapered embedded roots both can provide the design strength, stiffness and ductility with more freedom in detailing.

چکیده فارسی

مطالعات پس از زلزله کوبه نشان داد که پایه‌ستون‌های مدفون نسبت به پایه‌ستون‌های روکار، عملکرد بهتری در برابر نیروهای کششی ناشی از زلزله دارند. این مقاله نتایج مطالعات عددی و آزمایشگاهی مربوط به مقاومت کششی بیرون‌کشیدگی و مودهای شکست پایه‌ستون‌های فولادی («ریشه‌ها») مدفون در بلوک‌های مکعبی بتن غیرمسلح را ارائه می‌کند. ریشه‌های مدفون دارای ورق انتهایی (ریشه‌های سر‌دار) یا دارای شکل مخروطی در یک صفحه هستند. در این مطالعات، تأثیر تغییر ابعاد بلوک بتنی (عمق و ابعاد پلان)، شرایط مرزی بلوک بتن و همچنین تأثیر زاویه مخروطی‌شدن مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج عددی نیز با نتایج آزمایشگاهی پشتیبانی شده‌اند. مقاطع فولادی مدفون به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که تنش آن‌ها بسیار کمتر از نقطه تسلیم باقی بماند؛ بنابراین، شکست بیرون‌کشیدگی تنها در بلوک بتنی رخ می‌دهد. وجود ورق انتهایی بیشترین تأثیر را بر ظرفیت کلی بیرون‌کشیدگی دارد و مقاومت ایجادشده توسط «بدنه» مقطع مدفون را تحت‌الشعاع قرار می‌دهد. این موضوع منجر به این نتیجه می‌شود که برای عمق مدفون‌شدگی و ابعاد مشخص ورق انتهایی، شکل مقطع مدفون تأثیر قابل‌توجهی بر مقاومت بیرون‌کشیدگی نخواهد داشت. ریشه‌های سر‌دار معمولاً دارای مکانیزم شکست مخروطی‌شکل («مخروط مرکب») هستند. رایج‌ترین نوع شکست در ریشه‌های مخروطی، شکست شکافی (Splitting) است. با این حال، در ریشه‌های مدفون که تنها در یک صفحه دارای شکل مخروطی هستند، شرایط مرزی محصورکننده می‌تواند شکست شکافی بتن را به نوعی شکست «پروانه‌ای» یا «دو‌مخروطی» تبدیل کند. این شکست دومخروطی می‌تواند مقاومت بیرون‌کشیدگی را تا دو برابر افزایش دهد. همچنین، ریشه‌های مخروطی تحت شرایط مشابه، پیش از رسیدن به بیشینه مقاومت بیرون‌کشیدگی، تغییرمکان‌های بسیار بیشتری نسبت به ریشه‌های سر‌دار تحمل می‌کنند. هر دو نوع ریشه مدفون، یعنی سر‌دار و مخروطی، می‌توانند مقاومت، سختی و شکل‌پذیری موردنیاز طراحی را با آزادی عمل بیشتری در جزئیات اجرایی فراهم کنند.

کلیدواژه‌ها

embedded column base, tensile pullout strength, mode of failure, ultimate strength, steel-concrete interface.

متن مقاله

خلاصه

در این پژوهش، رفتار کششی و مکانیزم شکست پایه‌ستون‌های مدفون در سازه‌های فولادی مورد بررسی قرار گرفته است. مطالعات انجام‌شده پس از زلزله کوبه نشان می‌دهد این نوع اتصال در مقایسه با بیس‌پلیت‌های متداول، عملکرد لرزه‌ای بهتر، سختی بیشتر و ظرفیت بالاتری در برابر نیروهای کششی و بیرون‌کشیدگی دارد. به همین دلیل، استفاده از اتصالات مدفون در طراحی سازه‌های صنعتی و پروژه‌های فولادی اهمیت زیادی پیدا کرده است.

در این تحقیق، رفتار بیرون‌کشیدگی مقاطع فولادی مدفون دارای صفحه انتهایی و مقاطع شیب‌دار در بلوک‌های بتنی غیرمسلح به‌صورت عددی و آزمایشگاهی بررسی شد. نتایج نشان داد وجود صفحه انتهایی تأثیر قابل‌توجهی بر افزایش ظرفیت باربری اتصال دارد و نوع شکست را به شکست مخروطی تغییر می‌دهد. در مقابل، مقاطع شیب‌دار شکل‌پذیری بیشتری داشته و پیش از شکست، تغییرمکان بیشتری را تحمل می‌کنند.

همچنین بررسی‌ها نشان داد شرایط مرزی، ابعاد بلوک بتنی و زاویه شیب اتصال تأثیر مستقیمی بر مقاومت بیرون‌کشیدگی و مود شکست دارند. در صورت ایجاد محصورشدگی مناسب، نوع شکست از ترک‌خوردگی انفصالی به شکست دومخروطی تغییر می‌کند که می‌تواند ظرفیت کششی اتصال را تا دو برابر افزایش دهد.

نتایج این پژوهش نشان می‌دهد استفاده از تحلیل المان محدود و مدل‌سازی با نرم‌افزار Abaqus می‌تواند ابزار مؤثری برای طراحی و بهینه‌سازی اتصالات فولادی، پایه‌ستون‌های مدفون و سیستم‌های اتصال در سازه‌های فولادی باشد و در افزایش ایمنی و عملکرد لرزه‌ای سازه‌ها نقش مهمی ایفا کند.

Embedded Column Bases C C2015.pdf Personal Microsoft​ Edge 5 18 2026 6 40 59 Am

Embedded Column Bases C C2015.pdf and 1 More Page Personal Microsoft​ Edge 5 18 2026 11 44 27 Pm

Embedded Column Bases C C2015.pdf and 1 More Page Personal Microsoft​ Edge 5 18 2026 11 44 31 Pm

Embedded Column Bases C C2015.pdf and 1 More Page Personal Microsoft​ Edge 5 18 2026 11 44 40 PmEmbedded Column Bases C C2015.pdf and 1 More Page Personal Microsoft​ Edge 5 18 2026 11 44 44 PmEmbedded Column Bases C C2015.pdf and 1 More Page Personal Microsoft​ Edge 5 18 2026 11 44 48 Pm

Embedded Column Bases C C2015.pdf and 1 More Page Personal Microsoft​ Edge 5 18 2026 11 44 58 Pm

Embedded Column Bases C C2015.pdf and 1 More Page Personal Microsoft​ Edge 5 18 2026 11 45 01 Pm

Embedded Column Bases C C2015.pdf and 1 More Page Personal Microsoft​ Edge 5 18 2026 11 45 04 Pm

Embedded Column Bases C C2015.pdf and 1 More Page Personal Microsoft​ Edge 5 18 2026 11 45 08 Pm

Embedded Column Bases C C2015.pdf and 1 More Page Personal Microsoft​ Edge 5 18 2026 11 45 10 Pm

Embedded Column Bases C C2015.pdf and 1 More Page Personal Microsoft​ Edge 5 18 2026 11 45 15 Pm

نتیجه گیری

نتایج این پژوهش نشان می‌دهد کف‌ستون‌های مهار در بتن (Embedded Column Bases) توانایی ایجاد مقاومت و سختی مناسب در برابر نیروهای مختلف وارد بر اتصال ستون و فونداسیون را دارند و می‌توانند گزینه‌ای مؤثر برای اتصال سازه‌های فولادی به شالوده‌های بتنی باشند. بررسی رفتار بیرون‌کشیدگی ریشه‌های مدفون از نوع دارای ورق انتهایی (with End Plate) و همچنین نوع گوه ای (Tapered) نشان داد هر دو سیستم قادر به تأمین ظرفیت کششی موردنیاز در اتصالات سازه‌ای هستند.

مطالعات عددی و آزمایشگاهی نشان داد رفتار این اتصالات تحت تأثیر عواملی مانند اندرکنش فولاد و بتن، هندسه اتصال، شرایط مرزی و ترکیب نیروهای استاتیکی و دینامیکی قرار دارد. همچنین مشخص شد استفاده هم‌زمان از آزمایش‌های تجربی و مدل‌سازی عددی با نرم‌افزار Abaqus نقش مهمی در شناخت دقیق عملکرد این نوع اتصالات دارد.

نتایج تحلیل‌ها نشان داد نرم‌افزارهای تحلیل المان محدود می‌توانند رفتار پای ستون‌های مدفون در بتن و اتصالات فولادی را با دقت مناسبی شبیه‌سازی کنند، اما به دلیل ماهیت غیرهمگن بتن و پیچیدگی رفتار مشترک فولاد و بتن، همچنان اعتبارسنجی مدل‌ها با داده‌های آزمایشگاهی ضروری است.

این پژوهش همچنین تأکید می‌کند که بررسی رفتار نهایی ریشه‌های فولادی مهار در بتن تحت نیروهای چرخه‌ای محوری، برشی و خمشی می‌تواند نقش مهمی در بهبود طراحی اتصالات فولادی، سازه‌های صنعتی، برج های خنک کننده فولادی و سیستم‌های سازه فضاکار (Space Frame) داشته باشد و مسیر توسعه اتصالات مقاوم‌تر و اقتصادی‌تر را در پروژه‌های عمرانی و صنعتی فراهم کند.

منابع

  • [1]Grauvilardell J E, Lee D, Hajjar J F and Dexter R J, Synthesis of design, testing and analysis research on steel column base plate connections in high seismic zones, Structural Engineering Report No ST-04-02, Department of Civil Engineering, University of Minnesota, Minneapolis, 2005.
  • [2]Akiyama H, Kurosawa M, Wakuni N and Nishimura I, Strength and deformation of column bases embedded in base concrete, AIJ, 335, 45–53, 1984.
  • [3]Suzuki T, Nakashima S, An experimental study on steel column bases consolidated with reinforced concrete studs: Part 1–Tests on steel column base under bending moment and shearing force, Journal of Structural and Construction Engineering, AIJ, 368 37-48, 1986.
  • [4]Nakashima S, Igarashi S, Behaviour of steel square tubular column bases of corner columns embedded in concrete footings, Proceedings of International Conference on Steel and Aluminium Structures, Cardiff pp 376–385, 1987.
  • [5]Nakashima S, Mechanical characteristics of steel column-base connections repaired by concrete encasement, Proceedings of the Tenth World Conference on Earthquake Engineering, Madrid, Spain, pp 5131–5136, 1992.
  • [6]Nakashima S, Response of steel column bases embedded shallowly into foundation beams, Proceedings of the Eleventh World Conference on Earthquake Engineering, Acapulco, Mexico, 1996.
  • [7]Hitaka T, Suitaa K, and Kato M, CFT column base design and practice in Japan, Proceedings of International Workshop on Steel and Concrete Composite Construction (IWSCCC- 2003), National Centre for Research in Earthquake Engineering, Taipei, Taiwan, 35–45, 2003.
  • [8]Kohzu I, Kaneta K, Fujii A, Fujii K and Kida T, Experimental study on very shallowly embedded type steel column-to-footing connections, Journal of Structural and Construction Engineering, AIJ, 421, 59-68, 1991.
  • [9]Pertold J, Xiao RY, Wald F, Embedded steel column bases-I: experiments and numerical simulation, Journal of Constructional Steel Research, 56:253–270, 2000a.
  • [10] Pertold J, Xiao RY, Wald F, Embedded steel column bases-II: design model proposal. Journal of Constructional Steel Research, 56:271–286, 2000b.
  • [11] Morino S, Kawaguchi J, Tsuji A and Kadoya H, Strength and stiffness of CFT semi-embedded type column base, Proceedings of the International Conference on Advances in Structure, Sydney, Australia pp 3–14, 2003.
  • [12]Park Y M, Hwang W S, Yoon T Y and Hwang M O, A new base plate system using deformed reinforcing bars for concrete filled tubular column, Steel and Composite Structures, 5(5), 375–394, 2005.
  • [13]Kingsley A, Williams T, Lehman D and Roeder C, Experimental investigation of column-to-footing connections for high-strength vanadium steel concrete filled tube construction, International Journal of Steel Structures, 5, 377-87, 2005.
  • [14] Di Sarno L, Pecce M R and Fabbrocino G, Inelastic response of composite steel and concrete base column connections, Journal of Constructional Steel Research, No. 6, 63, 819-32, 2007.
  • [15]Pecce M and Rossi F, The nonlinear model of embedded steel–concrete composite column bases, Engineering Structures, 46, 247-63, 2013.
  • [16]Heristchian M, Motamedi M, Pourakbar P and Fadavi A, Tensile behaviour of tapered embedded column bases, Asian Journal of Civil Engineering, 15(4):485–499, 2014.
  • [17]Heristchian M, Motamedi M, Pourakbar P and Shams A, Tensile behaviour of embedded steel sections with end plates, Journal of Structural Engineering, DOI: 10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0001222.
  • [18]Heristchian M, Pourakbar P, Imeni S and Adib Ramezani M R, Ultimate tensile strength of embedded I-sections: a comparison of experimental and numerical results, International Journal of Advanced Structural Engineering, 6:169–180, 2014, DOI: 10.1007/s40091-014-0077-y.
  • [19]Grilli D A and Kanvinde A M, Experimental investigation of embedded column bases, Proceedings of the 10th National Conference on Earthquake Engineering, Earthquake Engineering Research Institute, Anchorage, AK, 2014.
  • [20] Karlsen G G (editor), Wooden Structures, Mir Publishers, Moscow, 1964.
  • [21] Zar M and Arena J R, Towers and Transmission Pole Structures, Chapter 24, Structural Engineering Handbook, Edited by Gaylord Jr E H and Gaylord C N, McGraw Hill, NY, 1979.
  • [22]Abrams DA Test of bond between concrete and steel. University of Illinois Bulletin No. 71, University of Illinois at Urbana-Champaign Urbana, IL, 1913.

مقالات مرتبط

گزارش فنی
Comparative Study of Space Frame Structures and Conventional Plate-Girder Sheds
مقاله ژورنالی
The Ultimate Strength of Hexa-node for Double-Layer Lattice Cooling Towers
مقاله ژورنالی
An Efficient Network-Based QoE Assessment Framework for Multimedia Networks Using a Machine Learning Approach
بازگشت به فهرست مقالات