تحليل عددي ستون هاي CFST تحت بار سيكلي جانبي و تعيين تاثير مقاومت فشاري بتن و ضخامت ورق فولادي

Numerical analysis of CFST columns subjected to lateral cyclic loading and influence of concrete compression strength and steel plate thickness

بتن ماده اي است كه به دليل كارايي و مقاومت فشاري زياد كاربرد گسترده اي در مهندسي عمران دارد. مقاومت كم بتن در برابر تنش هاي كششي، به ويژه در محصوريت پايين ضرورت استفاده از سيستم هاي مركب فولاد و بتن را فراهم مي كند. در ستون هاي فولادي پر شده با بتن (CFST)، محصوريت بتن توسط فولاد تامين شده و كمانش موضعي فولاد به وسيله ي هسته ي بتني بهبود مي يابد. در اين پژوهش ابتدا با استفاده از روش اجزاي محدود نرم افزار آباكوس نتايج عددي ستون CFST با نتايج آزمايشگاهي موجود مقايسه شده و از درستي مدل سازي، اطمينان حاصل شده است. سپس اثر تغيير ضخامت جداره ي مقطع فولادي و مقاومت فشاري بتن بر رفتار ستون هاي CFST مورد بررسي قرار گرفت. براي در نظر گرفتن اثر تغيير اين پارامترها از 9 مدل ستون CFST با سه ضخامت متفاوت جداره ي مقطع فولادي و سه مقاومت فشاري مختلف بتن استفاده شد. رفتار غيرخطي فولاد با استفاده از مدل سخت شوندگي مركب كه شامل سخت شوندگي ايزوتروپيك و سينماتيك مي باشد مورد استفاده قرار گرفت. روابط و نمودارهاي تنش-كرنش و پارامترهاي خرابي فشاري و كششي بتن به طور كامل شرح داده شده است. تاثير افزايش ضخامت فولاد و مقاومت بتن بر جذب انرژي سازه، سختي اوليه و ظرفيت ستون مورد بررسي قرار گرفت. با توجه به نتايج تحليل، تاثير افزايش ضخامت جداره ي مقطع فولادي در عملكرد ستون هاي CFST نسبت به افزايش مقاومت بتن قابل توجه مي باشد. بررسي ظرفيت جذب انرژي و تغيير مقاومت نهايي ستون هاي CFST نشان مي دهد كه اثر تغيير مقاومت فشاري بتن براي مدل هاي با فولاد محصور كننده ي با ضخامت كمتر قابل توجه مي باشد. در مقاطع فولادي با ضخامت زياد جداره، تغيير مقاومت فشاري بتن تاثير زيادي در جذب انرژي نداشته و مقاومت ستون را به مقدار كمي افزايش مي دهد. در نتيجه براي بهبود عملكرد سازه هاي داراي ستون هاي CFST از لحاظ جذب انرژي، سختي و ظرفيت مطلوب است از مقاطع فولادي با ضخامت مناسب جداره و بتن با مقاومت معمولي استفاده شود.

Concrete is widely used in civil engineering because of its high compressive strength and efficiency. Low resistance of concrete against tensile stresses, especially in low confinement systems necessitates the use of steel-concrete composite systems. In concrete-filled steel tubes, the confinement of concrete is supplied by steel and the local buckling of steel is improved by concrete core. In this paper, using the Abaqus software finite element method, the numerical results of the CFST column are compared with the experimental results and have been assured of the correctness of the modeling. Then, the effect of changing the thickness of the steel and the compressive strength of the concrete on the behavior of CFST columns is investigated. To consider the effect of changing these parameters, 9 CFST column models with three different steel thicknesses and three different compressive strengths of concrete have been used. Nonlinear behavior of steel using a mixed hardening model incorporating both isotropic and kinematic hardening was used in modeling. Concrete’s stress-strain relations and compression-tensile damage parameters are fully described. The effect of increasing thickness of steel and concrete strength on structural energy absorption, initial stiffness and column capacity were investigated. According to the results of the analysis, the effect of increasing the thickness of steel on the performance of CFST columns relative to the increase in concrete strength is significant. Investigating the energy absorption capacity and the resistance of the CFST columns shows that the effect of changing the compressive strength of concrete for confinement steel with less thickness is significant. In confinement steel with high thickness, the change in concrete compressive strength does not have a significant effect on energy absorption and increases the column's strength slightly. As a result, to improve the performance of structures with CFST columns, in terms of energy absorption, stiffness and capacity, it is desirable to use suitable thickness for steel and normal strength for concrete.