بررسی رفتار سازه‌ای اتصالات صفحه پای ستون در ستون‌های CFST با مقطع صلیبی تحت بارگذاری چرخه‌ای

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

گروه مهندسی عمران، واحد نور، دانشکده آزاد اسلامی، نور، ایران

چکیده

اتصالات صفحه پای ستون از اجزای حیاتی در انتقال بار و تضمین پایداری سازه‌ها تحت بارهای جانبی و لرزه‌ای به شمار می‌روند. در ستون‌های فولادی پرشده با بتن (CFST) با مقطع صلیبی، ترکیب رفتار فولاد و بتن همراه با ویژگی‌های هندسی خاص، تحلیل و طراحی این اتصالات را پیچیده‌تر می‌سازد. پژوهش حاضر با هدف بررسی پارامتریک رفتار سازه‌ای اتصالات صفحه پای ستون در ستون‌های CFST صلیبی تحت بارگذاری چرخه‌ای انجام شد. بدین منظور، یک مدل اجزای محدود دقیق در نرم‌افزار آباکوس توسعه یافت که قابلیت شبیه‌سازی رفتار غیرخطی مصالح، تماس لغزشی اجزا، و مدل‌سازی پیچ‌های مهاری و نواحی تماس بتن و فولاد را دارا بود. سه پارامتر اصلی شامل ضخامت صفحه پای ستون (۳۰ تا ۵۰ میلی‌متر)، قطر پیچ‌های مهاری (۲۰ تا ۳۰ میلی‌متر) و نیروی محوری ستون فولادی به‌صورت سیستماتیک مورد ارزیابی قرار گرفتند. یافته‌ها بیانگر آن است که ضخامت صفحه پای ستون، مؤثرترین پارامتر در افزایش ظرفیت و سختی، قطر میل‌مهارها بیشترین اثر را در بهبود میرایی و جذب انرژی، و نسبت نیروی محوری نقش مهمی در محصورشدگی بتن و پایداری چرخه‌ای دارد. بهینه سازی همزمان این سه عامل، نقش مهمی در ارتقای عملکرد لرزه‌ای اتصالات صفحه پای ستون در ستون‌های CFST با مقطع صلیبی دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Investigation of Structural Behavior in Base Plate Connections of Cruciform-Shaped CFST Columns under Cyclic Loading

نویسنده [English]

  • Sepideh Rahimi
Department of Civil Engineering, No.C., Islamic Azad University, Noor, Iran
چکیده [English]

Base plate connections are critical elements in structural systems, ensuring reliable load transfer and stability under lateral and seismic actions. In cruciform concrete-filled steel tubular (CFST) columns, the combined interaction of steel and concrete, along with the geometric complexity of the section, makes their design and analysis particularly demanding. This study presents a parametric investigation of the seismic behavior of base plate connections in cruciform CFST columns under cyclic loading. A finite element model was developed in Abaqus, incorporating nonlinear material properties, slip contact interactions, and explicit modeling of anchor bolts and steel–concrete interfaces. Three parameters were examined: base plate thickness (30–50 mm), anchor bolt diameter (20–30 mm), and axial load level. Overall, the findings highlight that base plate thickness is the most influential parameter for stiffness and strength enhancement, anchor bolt diameter primarily improves energy absorption and damping, and axial load ratio contributes to confinement and cyclic stability. The optimized combination of parameters is recommended to achieve superior seismic performance of CFST base connections with nonstandard geometries.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Concrete-filled steel tube (CFST) column
  • Base plate connection
  • Cruciform section
  • Cyclic loading
  • Finite element analysis
[1] Roller K, Billah AHMM, Bin Kabir MA, Elshaer A, Iqbal A. Experimental investigation of exposed column base plate connections subjected to combined axial load and biaxial bending. Engineering Structures. 2025; 342: 120890. doi: 10.1016/j.engstruct.2025.120890
[2] Jiang S, Billah AHMM. Finite element simulation and parametric study of exposed column base plate connections under axial compression and Bi-directional lateral loading. Journal of Building Engineering. 2025; 111: 113188. doi: 10.1016/j.jobe.2025.113188
[3] Hasan MM, Tao Z, Ghafar WA, Huangfu S-E, Zhang Z. Investigating the axial compressive behavior of cruciform CFST columns: An experimental study. Structures. 2024; 69: 107538. doi: 10.1016/j.istruc.2024.107538
[4] Wu L, Han G, Oluwadahunsi S, Sun Y. Compressive capacity of cruciform-shaped concrete-filled steel tubes. Structures. 2024; 69: 107592. doi: 10.1016/j.istruc.2024.107592
[5] Tao Z, Hasan MM, Han D, Qin Q, Abdul Ghafar W. Study of the Axial Compressive Behaviour of Cross-Shaped CFST and ST Columns with Inner Changes. Buildings. 2023; 13(2): 423. doi: 10.3390/buildings13020423
[6] Zheng Y, Lin Y, Ma S. Axial compressive behavior of stiffened and multi-cell cross-shaped CFST stub columns. Journal of Constructional Steel Research. 2024; 213,108399. doi: 10.1016/j.jcsr.2023.108399
[7] Genikomsou AS, Polak MA. Finite element analysis of punching shear of concrete slabs using damaged plasticity model in ABAQUS. Engineering structures. 2015; 98: 38-48. doi: 10.1016/j.engstruct.2015.04.016
[8] Alfarah B, López-Almansa F, Oller S. New methodology for calculating damage variables evolution in Plastic Damage Model for RC structures. Engineering Structures. 2017; 132: 70-86. doi: 10.1016/j.engstruct.2016.11.022
[9] Popovics S. A numerical approach to the complete stress-strain curve of concrete. Cement and concrete research. 1973; 3(5): 583-599. doi: 10.1016/0008-8846(73)90096-3
[10] Sanez LP. Discussion of equation for the stress-strain curve of concrete’by Desayi and Krishnan. Journal of American Concrete Institute. 1964.
[11] Balan TA, Spacone E, Kwon M. A 3D hypoplastic model for cyclic analysis of concrete structures. Engineering Structures. 2001; 23(4): 333-342. doi: 10.1016/S0141-0296(00)00048-1
[12] Han LH, Wang WD, Zhao XL. Behaviour of steel beam to concrete-filled SHS column frames: Finite element model and verifications. Engineering Structures. 2008; 30(6): 1647-1658. doi: 10.1016/j.engstruct.2007.10.018
[13] Han LH, Yao GH, Tao Z. Performance of concrete-filled thin-walled steel tubes under pure torsion. Thin-Walled Structures. 2007; 45(1): 24-36. doi: 10.1016/j.tws.2007.01.008
[14] Mohurd A. Code for design of concrete structures GB 50010-2010. China Architecture & Building Press, Beijing (in Chinese), 2010.
[15] Wang M, Yang W, Shi Y, Xu J. Seismic behaviors of steel plate shear wall structures with construction details and materials. Journal of Constructional Steel Research. 2015; 107: 194-210. doi: 10.1016/j.jcsr.2015.01.007
[16] You YC, Lee D. Effect of anchors on the seismic performance of exposed column-base plate weak-axis connections. Journal of Building Engineering. 2020; 32: 101803. doi: 10.1016/j.jobe.2020.101803
[17] You YC, Lee D. Development of improved exposed column-base plate strong-axis joints of low-rise steel buildings. Journal of Constructional Steel Research. 2020; 169: 106062. doi: 10.1016/j.jcsr.2020.106062
[18] Aichouche MEA, Abidelah A, Bouchaïr A, Kerdal DED,  Seghir A, and Vatansever C. Effects of stiffeners on anchor rod flexural strength in column base-plate connections.  Journal of Constructional Steel Research. 2024; 222: 108983. doi: 10.1016/j.jcsr.2024.108983
[19] AISC. Seismic Provisions for Structural Steel Buildings (ANSI/AISC 341-22). American Institute of Steel Construction, 2022; 1-460.
[20] Chen Z, Xu J, Zhou T, and Su J. Seismic research on column base joint of L-shaped CFST columns under cyclic loading. Structures. 2022; 45: 1212-1224. doi: 10.1016/J.ISTRUC.2022.09.095
CAPTCHA Image