۰۱مقالات
مقاله ژورنالی

The Tensile Strength and Modes of Failure of Headed and Tapered Embedded Column Roots

مقاومت کششی و انواع گسیختگی ریشه‌های مدفون ستونی دارای صفحه انتهایی و شیب‌دار

ناشر: Iranian Journal of Structural Engineering تاریخ انتشار: ۱۱ تیر ۱۳۹۵
دانلود فایل پیوست
Read Me (how to Install)   Notepad 2 24 2026 4 01 18 Am

نویسندگان

Pouyan Pourakbar et all.

چکیده

The post-Kobe studies revealed that the embedded column bases respond better to the 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 the 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. In a headed root, the presence of 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 نمایان، عملکرد بهتری در برابر نیروهای کششی ناشی از زلزله دارند. این مقاله نتایج مطالعات عددی و آزمایشگاهی مربوط به مقاومت بیرون‌کشیدگی استاتیکی و انواع گسیختگی پایه‌های فولادی مدفون در بلوک‌های مکعب‌مستطیلی بتن غیرمسلح را ارائه می‌کند. این پایه‌های مدفون یا دارای صفحه انتهایی هستند و یا در یک صفحه به‌صورت شیب‌دار طراحی شده‌اند. در این پژوهش، تأثیر تغییر ابعاد بلوک بتنی (عمق و ابعاد پلان)، شرایط مرزی بلوک بتن و همچنین زاویه شیب‌دارشدگی بررسی شده است. نتایج عددی نیز با نتایج آزمایشگاهی پشتیبانی و مقایسه شده‌اند. مقاطع فولادی مدفون به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که تنش آن‌ها بسیار کمتر از نقطه تسلیم باقی بماند؛ بنابراین گسیختگی بیرون‌کشیدگی تنها در بلوک بتنی رخ می‌دهد. در پایه‌های دارای صفحه انتهایی، وجود این صفحه نقش اصلی را در ظرفیت نهایی بیرون‌کشیدگی ایفا می‌کند و عملاً مقاومت ناشی از بدنه مقطع مدفون را تحت تأثیر قرار می‌دهد. این موضوع نشان می‌دهد که برای عمق مدفون‌شدگی و ابعاد مشخص صفحه انتهایی، شکل مقطع مدفون تأثیر قابل‌توجهی بر مقاومت بیرون‌کشیدگی ندارد. پایه‌های دارای صفحه انتهایی معمولاً دارای مکانیزم گسیختگی مخروطی هستند. در مقابل، رایج‌ترین نوع گسیختگی در پایه‌های شیب‌دار، ترک‌خوردگی و شکافت بتن است. با این حال، در پایه‌های مدفون شیب‌دار در یک صفحه، شرایط مرزی محصورکننده می‌تواند گسیختگی شکافتی بتن را به نوعی گسیختگی پروانه‌ای یا دو‌مخروطی تبدیل کند. این نوع گسیختگی دو‌مخروطی می‌تواند مقاومت بیرون‌کشیدگی را تا دو برابر افزایش دهد. همچنین پایه‌های شیب‌دار، در شرایط مشابه، پیش از رسیدن به بیشینه مقاومت بیرون‌کشیدگی، تغییرمکان‌های بسیار بیشتری نسبت به پایه‌های دارای صفحه انتهایی تحمل می‌کنند. هر دو نوع پایه مدفون، یعنی پایه‌های دارای صفحه انتهایی و پایه‌های شیب‌دار، 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

اتصالات پایه‌ستون در سازه‌های فولادی معمولاً با استفاده از بولت‌های مهاری انجام می‌شوند؛ سیستمی که سال‌ها به‌عنوان روش رایج انتقال نیرو میان فولاد و بتن شناخته شده است. با این حال، عملکرد لرزه‌ای این اتصالات و آسیب‌های مشاهده‌شده در زلزله‌هایی مانند زلزله کوبه ۱۹۹۵، توجه پژوهشگران را به استفاده از پایه‌ستون‌های مدفون جلب کرده است. در این نوع اتصال، به‌جای بولت‌های مهاری، بخشی از مقطع فولادی مستقیماً در بتن قرار می‌گیرد و نیروهای کششی، فشاری و برشی از طریق خود پروفیل فولادی به بتن منتقل می‌شوند. مطالعات نشان می‌دهد این سیستم‌ها نسبت به پایه‌ستون‌های متداول، سختی دورانی بیشتر، شکل‌پذیری بالاتر و ظرفیت اتلاف انرژی مناسب‌تری دارند.

در این پژوهش، رفتار کششی و مکانیزم شکست سه نوع ریشه یا پایه مدفون شامل مقاطع یکنواخت، مقاطع دارای صفحه انتهایی و مقاطع شیب‌دار مورد بررسی قرار گرفته است. مکانیزم انتقال نیرو در هر یک از این سیستم‌ها متفاوت است؛ در مقاطع یکنواخت مقاومت عمدتاً از طریق چسبندگی فولاد و بتن تأمین می‌شود، در مقاطع دارای صفحه انتهایی، مقاومت فشاری و پانچ بتن نقش اصلی را دارد و در مقاطع شیب‌دار، اصطکاک ناشی از زاویه شیب عامل اصلی مقاومت در برابر بیرون‌کشیدگی محسوب می‌شود.

نتایج تحلیل‌ها و آزمایش‌ها نشان می‌دهد مقاطع دارای صفحه انتهایی ظرفیت باربری بالاتری نسبت به مقاطع ساده دارند، اما مقاطع شیب‌دار رفتار شکل‌پذیرتری از خود نشان می‌دهند و پیش از شکست، تغییرمکان بیشتری را تحمل می‌کنند. همچنین زاویه شیب تأثیر مستقیمی بر عملکرد اتصال دارد؛ به‌طوری‌که زوایای کم، تغییرمکان و شکل‌پذیری بیشتری ایجاد می‌کنند، در حالی که زوایای بزرگ‌تر باعث افزایش مقاومت نهایی و کاهش تغییرمکان می‌شوند. در نمودارهای بار–تغییرمکان، مقاطع شیب‌دار پس از رسیدن به بار اوج نیز بخشی از ظرفیت خود را حفظ می‌کنند که نشان‌دهنده رفتار پایدارتر آن‌ها نسبت به اتصالات دارای صفحه انتهایی است.

پژوهش همچنین نشان می‌دهد نوع و ابعاد بلوک بتنی اطراف اتصال تأثیر تعیین‌کننده‌ای بر نحوه شکست دارند. در ابعاد کوچک‌تر، شکست به‌صورت ترک‌خوردگی انفصالی بتن رخ می‌دهد، اما در صورت تأمین محصورشدگی کافی و افزایش ابعاد بلوک، شکست به حالت دو‌مخروطی (Biconical Failure) تغییر می‌کند که متناظر با بیشترین ظرفیت بیرون‌کشیدگی اتصال است. نتایج نهایی بیانگر آن است که استفاده از پایه‌ستون‌های مدفون، به‌ویژه مقاطع شیب‌دار، می‌تواند جایگزینی مؤثر و قابل‌اعتماد برای سیستم‌های متداول مبتنی بر بولت مهاری در سازه‌های فولادی و مرکب باشد.

کاربرد پروفیل‌های مدفون (Embedded Profiles) در مهاربندی دکل‌های مهاری و سازه‌های تیر انتقال نیرو

کاربرد پروفیل‌های مدفون (Embedded Profiles) در مهاربندی دکل‌های مهاری و سازه‌های تیر انتقال نیرو

ارائه چند پیشنهاد برای استفاده از پایه‌های ستونی مدفون در سازه فضاکار (اسپیس فریم)، شامل بهبود طراحی اتصال ستون به فونداسیون و افزایش عملکرد سازه‌ای در سیستم space frame و سازه‌های شبکه‌ای فلزی و بررسی رفتار اتصال در پای ستون‌های مدفون

چند پیشنهاد برای استفاده از پایه‌های ستونی مدفون (Embedded Column Bases)

بررسی مکانیزم انتقال بار کششی در ریشه‌های مدفون در سازه فضاکار (اسپیس فریم)، شامل تحلیل ظرفیت بیرون‌کشیدگی (pullout) و رفتار اتصال در سیستم space frame و سازه‌های شبکه‌ای فلزی و عملکرد پیوندهای مدفون در انتقال نیرو به فونداسیون

مکانیزم انتقال بار کششی در ریشه‌های مدفون (Embedded Roots)

هندسه ریشه‌های مدفون در سازه فضاکار (اسپیس فریم)، شامل حالت بدون صفحه انتهایی و با صفحه انتهایی، و بررسی تأثیر جزئیات اتصال در عملکرد سازه‌ای و انتقال نیرو در سیستم space frame و سازه‌های شبکه‌ای فلزی و پای ستون‌های مدفون

هندسه ریشه‌های مدفون: (a) بدون صفحه انتهایی، (b) با صفحه انتهایی

بررسی بیرون‌کشیدگی مقطع I یکنواخت بدون صفحه انتهایی در سازه فضاکار (اسپیس فریم)، شامل تحلیل مکانیزم pullout و رفتار اتصال در سیستم space frame و سازه‌های شبکه‌ای فلزی و عملکرد مقطع فولادی در انتقال نیرو به فونداسیون

بیرون‌کشیدگی (Pullout) مقطع I یکنواخت بدون صفحه انتهایی

ابعاد بلوک بتنی و جزئیات ریشه‌های مدفون شامل ریشه سر‌دار و ریشه مخروطی در سازه فضاکار (اسپیس فریم)، بررسی هندسه و ابعاد اتصالات و نقش آن‌ها در عملکرد سازه‌ای سیستم space frame و سازه‌های شبکه‌ای فلزی در انتقال نیرو به فونداسیون

ابعاد بلوک بتنی (چپ)، ریشه سر‌دار (بالا راست) و ریشه مخروطی (پایین راست)

نمودار تغییرات مقاومت بیرون‌کشیدگی (Pullout Strength) برحسب نسبت h/he در سازه فضاکار (اسپیس فریم)، شامل تحلیل پارامتریک رفتار اتصال و ظرفیت باربری در سیستم space frame و سازه‌های شبکه‌ای فلزی و بررسی تأثیر عمق مدفون‌شدگی بر مقاومت کششی ریشه‌های مدفون

h\heتغییرات مقاومت بیرون‌کشیدگی برحسب نسبت

نمودار تغییرات مقاومت بیرون‌کشیدگی (Pullout Strength) برحسب نسبت‌های d/he و b/he در سازه فضاکار (اسپیس فریم)، شامل تحلیل پارامتریک اثر ابعاد مقطع بر ظرفیت کششی ریشه‌های مدفون و رفتار اتصال در سیستم space frame و سازه‌های شبکه‌ای فلزی

d/he و b/he تغییرات مقاومت بیرون‌کشیدگی برحسب نسبت‌های

بررسی تأثیر زاویه مخروطی‌شدن بر مقاومت بیرون‌کشیدگی (Pullout Strength) و جابجایی در سازه فضاکار (اسپیس فریم)، شامل تحلیل پارامتریک رفتار اتصال و عملکرد ریشه‌های مدفون در سیستم space frame و سازه‌های شبکه‌ای فلزی و اثر هندسه بر ظرفیت و تغییرشکل سازه‌ای

تأثیر زاویه مخروطی‌شدن بر مقاومت بیرون‌کشیدگی و جابجایی

نمودارهای بار–تغییرمکان نرمال‌شده (Normalized Pullout Load–Displacement) برای ریشه‌های مخروطی و سر‌دار در سازه فضاکار (اسپیس فریم)، شامل مقایسه رفتار اتصال و ظرفیت کششی در سیستم space frame و سازه‌های شبکه‌ای فلزی و تحلیل عملکرد ریشه‌های مدفون تحت بار بیرون‌کشیدگی

نمودارهای بار–تغییرمکان نرمال‌شده بیرون‌کشیدگی: (a) ریشه‌های مخروطی، (b) ریشه‌های سر‌دار

بررسی حالت‌های گسیختگی ریشه‌های مخروطی مدفون شامل شکافت و شکست دو‌مخروطی در سازه فضاکار (اسپیس فریم)، تحلیل رفتار خرابی اتصال و مکانیزم شکست در سیستم space frame و سازه‌های شبکه‌ای فلزی و عملکرد ریشه‌های مدفون تحت بار کششی و بیرون‌کشیدگی

(Biconical) شکست دو‌مخروطی (c) ,ترک‌خوردگی و شکافت ،(a) و (b):گسیختگی ریشه‌های مخروطی مدفون

نتیجه گیری

مطالعات عددی و آزمایشگاهی بر روی ریشه‌های مدفونِ دارای سر (Headed Roots) و مخروطی‌شده (Tapered Roots) نشان می‌دهد که هر دو نوع ریشه قادر به تأمین ظرفیت کششی موردنیاز هستند. توانایی ریشه‌های مدفون در ایجاد مقاومت و سختی مناسب در برابر نیروهای مختلف موجود در پایه‌ستون، می‌تواند امکانات جدیدی برای اتصال سازه‌های فولادی به فونداسیون‌های بتنی فراهم کند.

در این مقاله، برخی جنبه‌های مربوط به رفتار بیرون‌کشیدگی پایه‌ستون‌های مدفونِ دارای سر و مخروطی بررسی شده است. داده‌های تحلیلی و آزمایشگاهی، جنبه‌های مطرح‌شده برای اتصالات پایه‌ستون مدفون (ریشه ستون‌ها) را تأیید می‌کنند.

پایه‌ستون‌های مدفون می‌توانند دارای پیچیدگی‌هایی از جمله اندرکنش فولاد و بتن، هندسه خاص اتصال، و وجود هم‌زمان نیروهای استاتیکی و/یا دینامیکی متعدد باشند. برای درک عمیق‌تر این رفتارها، انجام تحقیقات عددی و آزمایشگاهی به‌صورت هم‌زمان ضروری است.امروزه نرم‌افزارهای المان محدود قادرند بسیاری از رفتارهای سازه‌ای را با دقت مهندسی موردنیاز و با هزینه‌ای نسبتاً پایین شبیه‌سازی کنند. با این حال، در برخی موارد برای درک دقیق‌تر پدیده‌ها، لازم است نتایج عددی با آزمایش‌های تجربی کالیبره و اعتبارسنجی شوند.

برای مثال، محیط ذاتاً ناهمگن بتن معمولاً در مدل‌سازی به‌صورت محیطی همگن در نظر گرفته می‌شود؛ موضوعی که در واقع بیشتر شبیه‌سازی بتن خودتراکم (SCC) است تا بتن معمولی سنتی که دارای سنگدانه‌های درشت می‌باشد. موارد مشابه بسیاری نیز وجود دارد که می‌توان به آن‌ها اشاره کرد.همچنین ظرفیت نهایی ریشه‌های مدفون تحت اثر هم‌زمان نیروهای چرخه‌ای محوری، عرضی و خمشی نیز در زمره مسائلی قرار می‌گیرد که نتایج عددی آن‌ها باید با نتایج آزمایشگاهی تأیید و تطبیق داده شوند.

منابع

  • [1]Heristchian M, Pourakbar P. Embedded Column Bases: Tensile Strength and Modes of Failure. in J. Kruis, Y. Tsompanakis, B.H.V. Topping, (Editors), Proceedings of the Fifteenth International Conference on Civil, Structural and Environmental Engineering Computing, Civil-Comp Press, Stirlingshire, UK, 46, 2015.
  • [2]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
  • [3]Akiyama H, Kurosawa M, Wakuni N and Nishimura I. Strength and deformation of column bases embedded in base concrete. Journal of Structural and Construction Engineering, 335, 45–53, 1984
  • [4]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, 368, 37-48, 1986
  • [5]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, 376–385, 1987
  • [6]Nakashima S. Mechanical characteristics of steel column-base connections repaired by concrete encasement, Proceedings of the Tenth World Conference on Earthquake Engineering, Madrid, Spain, 5131–5136, 1992
  • [7]Nakashima S. Response of steel column bases embedded shallowly into foundation beams, Proceedings of the Eleventh World Conference on Earthquake Engineering, Acapulco, Mexico, 1996
  • [8]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 , National Centre for Research in Earthquake Engineering, Taipei, Taiwan, 35–45, 2003.
  • [9]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, 421, 59-68, 1991.
  • [10]Pertold J, Xiao RY, Wald F. Embedded steel column bases-I: experiments and numerical simulation. Journal of Constructional Steel Research, 56, 253–270, 2000.
  • [11]Pertold J, Xiao RY, Wald F. Embedded steel column bases-I: experiments and numerical simulation. Journal of Constructional Steel Research, 56, 253–270, 2000.
  • [12]Pertold J, Xiao RY, Wald F. Embedded steel column bases-II: design model proposal. Journal of Constructional Steel Research, 56, 271–286, 2000.
  • [13]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, 3–14, 2003.
  • [14]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.
  • [15]Di Sarno L, Pecce M R and Fabbrocino G. Inelastic response of composite steel and concrete base column connections. Journal of Constructional Steel Research, 63, 819-832, 2007.
  • [16]Pecce M and Rossi F. The nonlinear model of embedded steel–concrete composite column bases. Engineering Structures, 46, 247-63, 2013.
  • [17]Heristchian M, Motamedi M, Pourakbar P and Fadavi A. Tensile behaviour of tapered embedded column bases. Asian Journal of Civil Engineering, 15, 485–499, 2014.
  • [18]Heristchian M, Motamedi M, Pourakbar P and Shams A, Tensile behaviour of embedded steel sections with end plates. Journal of Structural Engineering, 141, 1-14, 2014.
  • [19]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.
  • [20]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.
  • [21]Karlsen G G (editor), Wooden Structures, Mir Publishers, Moscow, 1964.
  • [22]Zar M and Arena J R, Towers and Transmission Pole Structures, Chapter 24, Structural Engineering Handbook, Edited by Gaylord J,and Gaylord C, McGraw Hill, NY 1979.
  • [23]Abrams DA. Test of bond between concrete and steel. University of Illinois Bulletin. 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