۰۱مقالات
مقاله ژورنالی

Ultimate tensile strength of embedded I-sections: a comparison of experimental and numerical results

مقاومت کششی نهایی مقاطع آی شکل مدفون: مقایسه نتایج آزمایشگاهی و عددی

ناشر: International Journal of Advanced Structural Engineering (IJASE) تاریخ انتشار: ۲۳ آبان ۱۴۰۰
DOI10.1007/s40091-014-0077-yمشاهده در سایت ناشردانلود فایل پیوست
Read Me (how to Install) Notepad 2 24 2026 4 01 18 Am

نویسندگان

Pouyan Pourakbar et all.

چکیده

Exposed baseplates together with anchor bolts are the customary method of connection of steel structures to the concrete footings. Post-Kobe studies revealed that the embedded column bases respond better to the earthquake uplift forces. The embedded column bases also, offer higher freedom in achieving the required strength, rigidity and ductility. The paper presents the results of the pullout failure of three embedded IPE140 sections, tested under different conditions. The numerical models are then, generated in Abaqus 6.10-1 software. It is concluded that, the steel profiles could be directly anchored in concrete without using anchor bolts as practiced in the exposed conventional column bases. Such embedded column bases can develop the required resistance against pullout forces at lower constructional costs.

چکیده فارسی

صفحات ستون‌های نمایان همراه با بولت‌های مهاری، روش متداول اتصال سازه‌های فولادی به فونداسیون‌های بتنی هستند. مطالعات پس از زلزله کوبه نشان داد که پایه ستون‌های مدفون عملکرد بهتری در برابر نیروهای کششی ناشی از زلزله دارند. همچنین این نوع پایه ستون‌ها آزادی عمل بیشتری برای دستیابی به مقاومت، سختی و شکل پذیری موردنیاز فراهم می‌کنند. این مقاله نتایج گسیختگی بیرون کشیدگی سه مقطع مدفون آی پی ای ۱۴۰ را که تحت شرایط مختلف آزمایش شده‌اند ارائه می‌دهد. سپس مدل‌های عددی این آزمایش‌ها با استفاده از نرم افزار تحلیل اجزای محدود ایجاد شده‌اند. نتایج نشان می‌دهد که مقاطع فولادی را می‌توان بدون استفاده از بولت‌های مهاری، مستقیماً در بتن مهار کرد؛ برخلاف روش رایج در پایه ستون‌های نمایان متداول. چنین پایه ستون‌های مدفونی می‌توانند با هزینه اجرایی کمتر، مقاومت لازم در برابر نیروهای بیرون کشیدگی را تأمین کنند.

کلیدواژه‌ها

Steel section embedded in concrete Pullout test Ultimate load Numerical modelling

متن مقاله

خلاصه

در سازه‌های فولادی و بولت‌های مهاری (Anchor Bolts) رایج‌ترین روش برای اتصال ستون‌ها، مهاربندها و اعضای خرپایی به فونداسیون‌های بتنی محسوب می‌شوند. با این حال، عملکرد این اتصالات در زلزله‌های شدید، به‌ویژه تحت نیروهای کششی و برشی، محدودیت‌هایی را نشان داده است. به همین دلیل، استفاده از پایه‌ ستون‌های مدفون (Embedded Column Bases) به‌عنوان جایگزینی برای سیستم‌های متداول مورد توجه پژوهشگران و طراحان سازه قرار گرفته است. در این روش، بخشی از مقطع فولادی مستقیماً در بتن مدفون شده و انتقال نیرو بدون استفاده از بولت‌های مهاری انجام می‌شود. مطالعات لرزه‌ای نشان می‌دهد این نوع اتصال فولادی مدفون در بتن می‌تواند سختی دورانی بیشتر، شکل‌پذیری بالاتر و ظرفیت اتلاف انرژی مناسب‌تری نسبت به بیس‌پلیت‌های متداول فراهم کند.

در این پژوهش، رفتار کششی و مکانیزم بیرون‌کشیدگی چند نوع پایه‌ستون مدفون شامل مقاطع یکنواخت، مقاطع دارای صفحه انتهایی و مقاطع فولادی شیب‌دار مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می‌دهد مکانیزم انتقال نیرو در هر یک از این اتصالات متفاوت است. در مقاطع یکنواخت، مقاومت عمدتاً از طریق چسبندگی و اصطکاک بین فولاد و بتن تأمین می‌شود، در حالی که در اتصالات دارای صفحه انتهایی، مقاومت فشاری و پانچ بتن نقش اصلی را در تحمل نیروهای کششی ایفا می‌کند. در اتصالات مدفون شیب‌دار نیز ترکیبی از اصطکاک و نیروهای فشاری ناشی از زاویه شیب، عامل اصلی مقاومت در برابر نیروهای بیرون‌کشیدگی (Pull-out Resistance) محسوب می‌شود.

بخش مهمی از این تحقیق به بررسی آزمایشگاهی رفتار نمونه‌های مدفون تحت بار کششی اختصاص یافته است. نتایج آزمایش‌ها نشان داد مقاطع دارای صفحه انتهایی، ظرفیت باربری بیشتری نسبت به مقاطع ساده دارند، اما رفتار آن‌ها تردتر است. در مقابل، مقاطع فولادی شیب‌دار پیش از شکست، تغییرمکان بیشتری تحمل کرده و رفتار شکل‌پذیرتری از خود نشان می‌دهند. همچنین مشخص شد کاهش زاویه شیب موجب افزایش تغییرمکان پیش از رسیدن به بار نهایی می‌شود، در حالی که افزایش زاویه شیب، ظرفیت نهایی اتصال را افزایش داده اما از میزان شکل‌پذیری می‌کاهد. این ویژگی‌ها در طراحی سازه‌های فولادی صنعتی اهمیت بالایی دارند.

برای تحلیل دقیق‌تر رفتار این نوع اتصالات، مدل‌سازی عددی با استفاده از نرم‌افزار Abaqus انجام شد. در این مدل‌ها، رفتار غیرخطی فولاد و بتن، ترک‌خوردگی، لغزش اتصال و اصطکاک میان فولاد و بتن شبیه‌سازی شد. نتایج تحلیل عددی تطابق مناسبی با داده‌های آزمایشگاهی داشت و نشان داد در اتصالات بدون صفحه انتهایی، بخش عمده مقاومت توسط تنش‌های چسبندگی و اصطکاک تأمین می‌شود، در حالی که در نمونه‌های دارای صفحه انتهایی، پس از آغاز لغزش، قسمت عمده نیرو از طریق صفحه انتهایی به بتن منتقل می‌شود.

بررسی مکانیزم‌های شکست نشان داد ابعاد بلوک بتنی و شرایط مرزی اطراف اتصال، تأثیر تعیین‌کننده‌ای بر نحوه گسیختگی دارند. در ابعاد کوچک‌تر، شکست معمولاً به‌صورت ترک‌خوردگی انفصالی بتن (Splitting Failure) رخ می‌دهد، اما در صورت تأمین محصورشدگی مناسب بتن، شکست می‌تواند به حالت دو‌مخروطی (Biconical Failure) تغییر کند که بیشترین ظرفیت باربری را برای اتصال فراهم می‌کند. همچنین مشخص شد مقاطع مدفون شیب‌دار نسبت به اتصالات دارای صفحه انتهایی، حساسیت بیشتری به ابعاد بلوک بتنی و شرایط مهاربندی اطراف دارند.

در مجموع، نتایج این پژوهش نشان می‌دهد پایه‌ستون‌های مدفون فولادی، به‌ویژه مقاطع شیب‌دار و دارای صفحه انتهایی، می‌توانند جایگزینی مؤثر و قابل اعتماد برای سیستم‌های متداول مبتنی بر بولت مهاری در سازه‌های فولادی، سازه‌های مرکب باشند. این اتصالات علاوه بر بهبود عملکرد لرزه‌ای و افزایش ظرفیت باربری، امکان ساده‌سازی جزئیات اجرایی و ایجاد انعطاف بیشتر در طراحی اتصالات سازه‌ای را فراهم می‌کنند و می‌توانند نقش مهمی در توسعه سیستم‌های نوین سازه‌های صنعتی ایفا کنند.

پایه‌ستون مدفون فولادی در سازه فضاکار شامل مدل بدون صفحه انتهایی و مدل دارای صفحه انتهاییانواع پایه‌ستون مدفون در سازه فضاکار شامل اتصال بدون صفحه انتهایی و دارای صفحه انتهایی

S40091 014 0077 Y.pdf and 1 More Page Personal Microsoft​ Edge 5 12 2026 11 09 17 Pm

بررسی مکانیزم‌های شکست اتصال تحت شرایط مرزی مختلف در سازه فضاکار

S40091 014 0077 Y.pdf and 1 More Page Personal Microsoft​ Edge 5 12 2026 11 09 31 Pm

نتیجه گیری

در این پژوهش، رفتار بیرون‌کشیدگی استاتیکی مقاطع فولادی مدفون در بتن مورد بررسی قرار گرفته و سه آزمایش کششی بر روی مقاطع IPE140 انجام شده است. همچنین رفتار لغزش و چسبندگی میان فولاد و بتن و داده‌های آزمایشگاهی مرتبط با آن تحلیل شد تا عملکرد اتصالات فولادی مدفون در شرایط بارگذاری کششی ارزیابی شود. در ادامه، مدل‌های عددی نمونه‌های آزمایشگاهی با استفاده از نرم‌افزار Abaqus نسخه 6.10-1 توسعه داده شدند تا رفتار کششی پایه‌ستون‌های مدفون فولادی و سیستم‌های اتصال در سازه‌های فولادی شبیه‌سازی شود.

نتایج نشان داد در نمونه M1 که دارای مقطع یکنواخت در تمام طول مدفون بود، اصلی‌ترین عامل مقاومت در برابر بیرون‌کشیدگی، تنش‌های چسبندگی و اصطکاک بین فولاد و بتن بوده است. در مقابل، در نمونه‌های M2 و M3 که دارای صفحه انتهایی بودند، مقاومت ناشی از صفحه انتهایی تنها پس از آغاز لغزش در سطح تماس فولاد و بتن فعال شده و نقش مؤثری در انتقال نیرو و افزایش ظرفیت باربری اتصال ایفا کرده است.

بررسی مدل‌های عددی نشان داد در صورت استفاده از داده‌های مناسب و تعریف صحیح پارامترهای رفتاری مصالح، تحلیل‌های عددی می‌توانند رفتار کششی پایه‌ستون‌های مدفون را با دقت قابل قبولی و با هزینه‌ای کمتر نسبت به آزمایش‌های فیزیکی شبیه‌سازی کنند. با این حال، به دلیل محدود بودن مطالعات عددی موجود در زمینه اتصالات فولادی مدفون در بتن، برخی پارامترهای مدل همچنان نیازمند کالیبراسیون بر اساس داده‌های آزمایشگاهی هستند و نتایج تحلیل‌ها به‌طور کامل مستقل از آزمایش‌های تجربی محسوب نمی‌شوند.

این پژوهش همچنین تأکید می‌کند که برای افزایش دقت و قابلیت اطمینان مدل‌های عددی، لازم است دامنه تغییرات و تأثیر پارامترهای مؤثر در رفتار اتصال به‌صورت گسترده‌تر مطالعه شود تا در آینده، مدل‌های تحلیلی بدون نیاز به کالیبراسیون مستقیم با آزمایش‌های قبلی قابل استفاده باشند. علاوه بر این، انجام آزمایش‌های بیشتر با هندسه‌ها و جزئیات متفاوت برای مقاطع فولادی مدفون ضروری است تا شناخت دقیق‌تری از رفتار بیرون‌کشیدگی و عملکرد لرزه‌ای این نوع اتصالات در سازه‌های فولادی و سازه‌های صنعتی حاصل شود.

در نهایت، پیشنهاد شده است آزمایش‌هایی انجام شوند که در آن‌ها تکیه‌گاه‌های جک و نقاط واکنش، فاصله بیشتری از ناحیه مخروط بیرون‌کشیدگی داشته باشند؛ زیرا چنین شرایطی می‌تواند رفتار واقعی پایه‌ستون‌های مدفون فولادی را در پروژه‌های دقیق‌تر شبیه‌سازی کند و درک کامل‌تری از عملکرد این نوع اتصالات در شرایط واقعی بهره‌برداری فراهم آورد.

منابع

  • [1]Abaqus 6.10 (2010) Abaqus analysis user manual—Dassault Systemes Simulia Corp
  • [2]Abrams DA (1913) Test of bond between concrete and steel. University of Illinois Bulletin No. 71, University of Illinois at Urbana-Champaign Urbana, IL
  • [3]Eligehausen R, Sawade G (1989) A fracture mechanics based description of the pull-out behaviour of headed studs embedded in concrete. In: Elfgren L (ed) Fracture mechanics of concrete structures, Report of RILEM TC-90-FMA. Chapman and Hall, London, pp 281–299
  • [4]Eligehausen R, Bouska P, Cervenka V, Pukl R (1992) Size effect of the concrete cone failure load of anchor bolts. In: Bazant ZP (ed) FramCoS 1. Elsevier applied science, Breckenridge, pp 517–525
  • [5]Fabbrocino G, Verderame G, Manfredi G, Cosenza E (2002) Influence of smooth reinforcement on seismic capacity of joints in RC GLD frames. University of Naples Federico II, Italy
  • [6]Feldman LR, Bartlett FM (2005) Bond strength variability in pull-out specimens with plain reinforcement. ACI Struct J 102(6):860–867
  • [7]Heristchian M, Motamedi M, Pourakbar P, Fadavi A (2014) Tensile behaviour of tapered embedded column bases. Asian J Civil Eng 15(4):485–499
  • [8]Hitaka T, Suitaa K, Kato M (2003) CFT Column Base Design and Practice in Japan. In: Proceedings of the International Workshop on Steel and Concrete Composite Construction (IWSCCC-2003), Report No. NCREE-03-026, National Center for Research in Earthquake Engineering, Taipei, Taiwan. pp 35–45
  • [9]Kohzu I, Kaneta K, Fujii A, Fujii K, Kida T (1991) Experimental study on very shallowly embedded type steel column-to-Footing connections. J Struct Constr Eng AIJ 421:59–68
  • [10]Morino S, Kawaguchi J, Tsuji A, Kadoya H (2003) Strength and stiffness of CFT semi-embedded type column base. In: Proceedings of the International Conference on Advances in Structure, Sydney, Australia. pp 3–14
  • [11]Nakashima S (1992) Mechanical characteristics of steel column-base connections repaired by concrete encasement. In: Proceedings of the Tenth World Conference on Earthquake Engineering, Madrid, Spain, pp 5131–5136
  • [12]Nakashima S (1996) Response of steel column bases embedded shallowly into foundation beams. In: Proceedings of the Eleventh World Conference on Earthquake Engineering, Acapulco, Mexico
  • [13]Nakashima S, Igarashi S (1987) Behaviour of steel square tubular column bases of corner columns embedded in concrete footings. In: Proceedings of International Conference on Steel and Aluminium Structures, Cardiff. pp 376–385
  • [14]Ožbolt J, Eligehausen R (1990) Numerical analysis of headed studs embedded in large plain concrete blocks. Internal Report Nr. 4/10-90/9, Institut fur Werkstoffe im Bauwesen, Stuttgart University, Germany
  • [15]Ožbolt J, Kozar I, Eligehausen R, Periškic G (2005) Three-Dimensional FE analysis of headed stud anchors exposed to fire. Comp Concr 2(4):249–266
  • [16]Ožbolt J, Eligehausen R, Periškić G, Mayer U (2007) 3D FE analysis of anchor bolts with large embedment depths. Eng Fract Mech 74:168–178
  • [17]Pertold J, Xiao RY, Wald F (2000a) Embedded steel column bases-I: experiments and numerical simulation. J Constr Steel Res 56:253–270
  • [18]Pertold J, Xiao RY, Wald F (2000b) Embedded steel column bases-II: design model proposal. J Constr Steel Res 56:271–286
  • [19]Suzuki T, Nakashima S (1986) 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. J Struct Constr Eng AIJ 368:37–48
  • [20]Verderame GM, Ricci P, De Carlo G, Manfredi G (2009) Cyclic bond behaviour of plain bars. Part I: experimental investigation. Constr Build Mater 23:3499–3511
  • [21]Wahalathantri BL, Thambiratnam DP, Chan THT, Fawzia SA (2011) Material model for flexural crack simulation in reinforced concrete elements using abaqus. In: Proceedings of the First International Conference on Engineering, designing and developing the built environment for sustainable wellbeing, Queensland University of Technology, Brisbane, Qld. pp 260–264
  • [22]Weathersby JH (2003) Investigation of bond slip between concrete and steel reinforcement under dynamic loading conditions. PhD diss. Louisiana State University
  • [23]Yeun KW, Hong KN, Kim J (2012) Development of a retrofit anchor system for remodelling of building exteriors. Struct Eng Mech 44(6):839–856

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