مجله ی مهندسی عمران شریف

مجله ی مهندسی عمران شریف

بررسی اجزاء محدود اتصال جدید نیمه‌گیردار با موقعیت آسیب کنترل‌شده در قاب‌‌های فولادی سرد‌ نوردشده (CFS)

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان
محمدرضا فرج پور 1
جمشید صبوری 2
یوسف حسین زاده 3
1 گروه مهندسی عمران، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد تبریز، تبریز، ایران.
2 گروه عمران، واحد تبریز، دانشگاه آزاد اسلامی، تبریز، ایران
3 گروه مهندسی عمران، دانشکده‌ی مهندسی عمران، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران.
10.24200/j30.2025.67113.3437
چکیده
در پژوهش حاضر، نوع جدیدی از اتصال نیمه‌گیر‌دار با موقعیت آسیب کنترل‌‌شده برای قاب ‌های فولادی سرد نوردشده (CFS) معرفی و رفتار آن به کمک مدل‌سازی اجزاء محدود و آزمایش‌های تجربی بررسی شده است. اتصال مذکور به‌گونه‌ای طراحی شده است که با ایجاد یک فیوز خمشی در محل اتصال تیر به ستون، تمرکز آسیب از ستون دور شود و به ناحیه‌ای از پیش تعیین‌شده برای تسلیم موضعی انتقال یابد. پارامترهای هندسی مختلف، شامل: ضخامت ورق، زاویه‌ی شیب قطعات اتصال، طول قطعه‌‌ی کنترلی، و اندازه‌ی لبه‌ی سخت‌کننده‌ی بال بررسی شده‌اند. نتایج نشان داده‌اند که افزایش ضخامت ورق موجب رشد قابل‌ملاحظه‌ی مقاومت خمشی و افزایش سختی اولیه شده است. در تحلیل پارامتریک نیز افزایش طول قطعه‌ی کنترلی منجر به افزایش مقاومت خمشی تا 18% و سختی اولیه تا 12% شده است؛ در حالی‌ که حذف قطعه‌ی اخیر مانع از هدایت مفصل پلاستیک به محل از پیش تعیین‌شده می‌شود. تغییر زاویه‌ی بخش شیب‌دار، اتصال مقاومت خمشی را حدود 13% افزایش داده و افزایش اندازه‌ی لبه‌ی سخت‌کننده‌ی بال باعث رشد مقاومت خمشی تا 35% شده است، هر چند سختی بیش ‌از حد می‌تواند احتمال کمانش موضعی در تیر را افزایش دهد. بررسی منحنی‌های لنگر– دوران حاکی از آن است که اتصال جدید، رفتار نیمه‌گیردار مناسبی داشته و به‌‌طورمؤثر کمانش اعضاء تیر و اتصال را در ناحیه‌ی فیوز کنترل کرده است؛ به‌گونه‌ای که در بیشتر نمونه‌ها تا دوران 07/0 رادیان، هیچ‌گونه کمانش موضعی در تیر یا ستون مشاهده نشده است.
کلیدواژه‌ها
قاب فولادی سبک سرد ‌نوردشده (CFS)
اتصال‌های نیمه‌گیردار
مدل‌سازی اجزاء محدود
منحنی لنگر-دوران
موقعیت آسیب کنترل‌شده
رفتار مونوتونیک
موضوعات

عنوان مقاله English

Finite Element Investigation of Novel Semi-Rigid Connection with Controlled Damage Position in CFS Frames

نویسندگان English

Mohammad Reza Farajpour 1
Jamshid Sabouri 2
Yousef Hosseinzadh 3
1 Department of Civil Engineering, Ta. C., Islamic Azad University, Tabriz, Iran.
2 Department of Civil Engineering, Ta. C., Islamic Azad University, Tabriz, Iran
3 Faculty of Civil Engineering, University of Tabriz, Tabriz, Iran
چکیده English

In this study, a novel semi-rigid connection with a Controlled Damage Position (CCDP) is introduced for cold-formed steel (CFS) frames, and its structural performance is thoroughly evaluated through both finite element (FE) modeling and experimental tests. The connection is specifically designed to incorporate a flexural fuse at the beam-to-column joint, thereby effectively relocating damage concentration away from the column and directing it toward a predefined region intended for controlled localized yielding. The proposed connection was fabricated using galvanized steel plates, which were carefully cut and bent to thicknesses of 1-, 2-, and 3-mm. Comparative results between FE simulations and experimental tests demonstrated excellent agreement, with the maximum deviation being less than 9%, confirming the reliability of the FE modeling approach. A detailed parametric investigation was conducted to assess the influence of key geometric parameters, including plate thickness, inclination angle of the connecting components, length of the control segment, and the size of flange stiffeners. The results indicated that increasing plate thickness significantly enhanced both the flexural strength and the initial stiffness of the connection. Furthermore, the parametric analysis revealed that extending the control segment length increased the flexural capacity by up to 18% and the initial stiffness by up to 12%, whereas removal of this segment prevented the proper localization of the plastic hinge. Increasing the inclination angle of the sloped component improved flexural capacity by approximately 13%, while enlarging the flange stiffener length enhanced the flexural resistance by up to 35%, although excessive stiffening could potentially increase the likelihood of local buckling in the beam. Among all the studied configurations, the specimen with 2-mm plates and a 70-mm control segment exhibited the highest moment capacity and initial stiffness. Moreover, the obtained moment–rotation curves confirmed that the CCDP connection provided reliable semi-rigid behavior and effectively controlled buckling within the designated fuse region; in most specimens, no local buckling was observed in either the beam or the column up to a rotation of 0.07 radians.

کلیدواژه‌ها English

Cold-formed steel frames (CFS)
semi-rigid connections
finite element modeling
moment-rotation curve
controlled damage position and monotonic behavior
 
1.    YE, J., Becque, J., Hajirasouliha, I., Mojtabaei, S. M. and LIM, J. B. P. 2018. Development of optimum cold-formed steel sections for maximum energy dissipation in uniaxial bending. Engineering Structures, 161, pp. 55-67. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2018.01.070.
2.    Mojtabaei, S. M. Kabir, M. Z. Hajirasouliha, I. M. Kargar. 2018. Analytical and experimental study on the seismic performance of cold-formed steel frames. Journal of Constructional Steel Research, 143, pp.18-31. https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2017.12.013.
3.       Serror, M.H., E.M. Hassan, and S.A. Mourad. 2016. Experimental study on the rotation capacity of cold-formed steel beams. Journal of Constructional Steel Research, 121, pp.216-228. https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2016.02.005.
4.       James B.P Lim, Gregory J. Hancock, G. Charles Clifton, Cao Hung Pham, 2016. DSM for ultimate strength of bolted moment-connections between cold-formed steel channel members. Journal of Constructional Steel Research, 117, pp.196-203. https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2015.10.005.
5.       Ye, J., Mojtabaei, S. M., Hajirasouliha, I. 2019. Seismic performance of cold-formed steel bolted moment connections with bolting friction-slip mechanism. Journal of Constructional Steel Research, 156, pp. 122-136. https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2019.01.013.
6.       Ye, J., Mojtabaei, S. M., Hajirasouliha, I. and Pilakoutas, K. 2020. Efficient design of cold-formed steel bolted-moment connections for earthquake resistant frames. Thin-Walled Structures, 150. https://doi.org/10.1016/j.tws.2018.12.015.
7.          McCrum, D. P., Simon, J., Grimes, M., Broderick, B. M., Lim, J. B. P. and Wrzesien, A. M. 2019. Experimental cyclic performance of cold-formed steel bolted moment resisting frames. Engineering Structures, 181, pp.1-14. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2018.11.063.
8.       Hassan, E. M., Serror, M. H. and Mourad, S. A. 2017. Numerical prediction of available rotation capacity of cold-formed steel beams. Journal of Constructional Steel Research, 128,  pp.84-98. https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2016.08.010.
9.       Bagheri Sabbagh, A., Petkovski, M., Pilakoutas, K. and Mirghaderi, R,. 2012. Cyclic behaviour of bolted cold-formed steel moment connections, FE modelling frame buildings. Journal of constructional steel research, 80, pp.100-108. https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2012.09.010.
10.   Seok, S., Lee, J., Sik Choi, C. and Hwang, H. S., 2022. A practical design of cold-formed steel bolted moment connection: numerical investigation with an improved bolt slip bearing model. J. Build Engineering, 62. pp.1-20. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2022.105345.
11.   Papargyriou, I., Mojtabaei, S. M., Hajrasouliha, I., Becque, J. and Pilakoutas, K. 2022. Cold-formed steel beam-to-column bolted connections for seismic applications. Thin-Walled Structures, 172. https://doi.org/10.1016/j.tws.2021.108876.
12.   Senapati, S. and Sangle, K. K. 2022. Nonlinear static analysis of cold-formed steel frame with rigid connections. Results in Engineering, 15. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2022.100503.
13.   Shahini, M., Sabbagh, A. B., Davidson, P. and Mirghaderi. 2019. Development of cold-formed steel moment-resisting connections with bolting friction-slip mechanism for seismic applications. Thin-walled structures, 141, pp. 217-231. https://doi.org/10.1016/j.tws.2019.04.011.
14.   Ghasem Pachideh, Mohammadali Kafi, Majid Gholhaki. 2020. Evaluation of cyclic performance of a novel bracing system equipped with a circular energy dissipater. Structures, 28, pp. 467-481. https://doi.org/10.1016/j.istruc.2020.09.007.
15.   Ghasem Pachideh, Majid Gholhaki and Mohammadali Kafi. 2020. Experimental and Numerical Evaluation of an Innovative Diamond-Scheme Bracing System Equipped with a Yielding Damper, Steel and Composite Structures, 36(2), pp. 197-211. https://doi.org/10.12989/scs.2020.36.2.197.
16.   Mohamed E. M., Alao E. S., Ahmed E., Ahmed E. and Hani S., Effect of end-bearing connection configuration on static response of full-scale CFS trusses. 2026. Journal of Constructional Steel Research, 236. https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2025.109988.
17.   AISI-S100-24. 2024. North American specification for the design of cold-formed steel structural members. USA, Chicago. https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2016.08.010.
18.   Eurocode 3. 2023. Design of Steel Structures, Part 1-1: General Rules and Rules for Buildings.
19.   M.R. Farajpour, J. Saburi., Y. Hosseinzadeh. 2026. DSM-based design framework and monotonic behavior of a novel semi-rigid flexural fuse moment connection for cold-formed steel frames. Journal of Structures, submitted.
مجله ی مهندسی عمران شریف
دوره 42، شماره 1 - شماره پیاپی 1
مقالات شماره بهار در حال بارگذاری می باشد
بهار 1405
صفحه 59-74