بررسی رفتار خرابی گنبد کابلی با فرم ترکیبی و بهبود رفتار با ابزارهای محدودگر نیرو

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی سهند تبریز

2 گروه مهندسی عمران، دانشکده مهندسی محیط زیست، دانشگاه صنعتی ارومیه

چکیده

گنبدهای کابلی یکی از انواع بسیار کارا و مؤثر سازه‌های کش‌بستی می‌باشند. پایداری گنبدهای کابلی مرسوم از طریق یک رینگ فشاری صلب بتنی در پیرامون تأمین می‌شود که با اصل خود ایستایی سازه‌های کش‌بستی در تعارض است. در این پژوهش، ترکیب یک رینگ کش‌بستی به ­جای رینگ بتنی با گنبد کابلی از نوع Levy به ­عنوان یک سیستم کابل- دستکی (Cable-strut) ترکیبی جدید موردمطالعه قرار می‌گیرد. پس از معرفی هندسه‌ سازه ترکیبی، فرم‌یابی آن از طریق روش چگالی نیرو به­ همراه برنامه‌نویسی خطی انجام شده و پس از بارگذاری و طراحی سازه موردنظر با استفاده از آیین‌نامه‌های موجود، رفتار خرابی اولیه آن از طریق مدل‌سازی در نرم‌افزار ABAQUS موردمطالعه قرار می‌گیرد. بر روی این سازه، تأثیر تغییر تراز نیروهای پیش‌تنش نیز بررسی می‌شود. همچنین رفتار خرابی سازه گنبدی بدون حضور رینگ کش‌بستی نیز انجام گردیده و پس از انجام تحلیل‌های دینامیکی روی دو سازه‌ گنبد کابلی مرسوم و سازه‌ ترکیبی، تأثیر وجود رینگ کش‌بستی و عملکرد ترکیبی آن با سازه گنبدی و نیز کفایت تحلیل‌های استاتیکی بررسی می‌گردند. در نهایت با استفاده از چند نمونه از ابزارهای محدودگر نیرو، رفتار خرابی سازه‌های موردمطالعه به­ صورت سه مرحله‌ای بهبود داده می‌شود. نتایج نشان می‌دهند که استفاده از رینگ کش‌بستی باعث افزایش ظرفیت باربری به­ اندازه 7/3‌% و 34‌% تحت دو حالت بارگذاری متقارن و نامتقارن می‌گردد. همچنین به ­کارگیری ابزارهای محدودگر نیرو طی سه مرحله مقاوم‌سازی، باعث افزایش ظرفیت باربری سازه به مقدار 21‌% تا 34‌% می‌گردد که این درصد افزایش، مستقل از نوع ابزار به­ کار گرفته‌شده می‌باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Investigation into the Collapse Behavior of a Cable Dome with Hybrid Form and Improvement of the behavior with Force Limiting Devices

نویسندگان [English]

  • Rasoul Asghari 1
  • Karim Abedi 1
  • Mohammad Reza Chenaghlou 1
  • Behzad Shekastehband 2
1 Faculty of Civil Engineering, Sahand University of Technology, Tabriz. Iran
2 Faculty of Civil Engineering, Urmia University of Technology, Urmia, Iran
چکیده [English]

Tensegrity systems have been used as a class of light space structures in the various forms including flat modular systems, barrel vaults and cable domes. Conventional cable domes achieve their stability through a concrete compression ring, which is inconsistent with the self-support characteristic of tensegrity systems. The previous evidences also showed that the presence of a rigid support system such as a concrete ring around the space structure especially subjected to seismic loads may cause more structural damages in boundary region of structure. In this research, the combination of a Levy-type cable dome with a tensegrity ring created by the semi-regular modules is considered, which leads to a new hybrid cable-strut system. Form-finding of the studied structures is carried out using the force density method. After designing the hybrid structure, its initial collapse behavior is evaluated by the numerical finite elements method. In this regard, static and dynamic analyses are performed on both the hybrid structure and the cable dome attached to rigid supports to evaluate the effect of the tensegrity ring on the cable dome behavior and also the adequacy of static analyses to estimate capacity of the structures. After estimating the initial behavior and the collapse mechanism type of the studied structures, their behavior, are improved by equipping a number of critical struts with Force-limiting devices.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Cable dome
  • Tensegrity ring
  • Hybrid cable-strut system
  • Force density method
  • Retrofitting
  • Force limiting device
عابدی ک، شکسته ­بند ب، "تحلیل پایداری سازه‌های فضاکار"، دانشگاه صنعتی سهند، 1387.
عابدی ک، پورشریفی م، چناقلو م ر، "تحلیل پایداری چلیک فضاکار دولایه با ابزار محدودگر نیروی آکاردئونی"، نشریه مهندسی عمران و محیط زیست دانشگاه تبریز، 1400، 51 (2)، 73-82.
Abedi K, Shekastehband B, “Investigation into the stability behavior of tensegrity structures”, in IASS Symposium, Montpellier, France, 2004.
Abedi K, Shekastehband B, “Static Stability Behavior of Plane Double-Layer Tensegrity Structures”, International Journal of Space Structures, 2008, 23, 89-102.
American Society of Civil Engineers (ASCE), “ASCE 119/10: Structural Applications of Steel Cables for Buildings”, Reston, Virginia 20191, 2010.
Asghari R, Abedi K, Chenaghlou MR, “Investigation into pre-stress modes and optimal layout of a new hybrid cable-strut system”, Advances in Structural Engineering, 2020, 23, 1259-1275.
Chenaghlou MR, Kheirollahi M, Abedi K, Akbari A, Fathpour A, “Inherent adaptive structures using nature-inspired compound elements”, Frontiers in Built Environment, 2020, 186.
Krishnan S, “Prestressed cable domes: Structural behavior and design”, PhD Thesis, University of Illinois at Urbana-Champaign, US, 2015.
Mirzaaghazadeh K, Abedi K, Shekastehband B, “Collapse behavior of tensegrity barrel-vault structures based on di-pyramid (DP) units”, International Journal of Structural Stability and Dynamics, 2020, 20, 2050119.
Park G, “The behavior of space trusses incorporating novel compression members”, PhD Thesis, University of Surrey, Surrey, UK, 1988.
Saka T, Taniguchi Y, “Damage to spatial structures by the 1995 Hyogoken-Nanbu earthquake in Japan”, International Journal of Space Structures, 1997, 12, 125-133.
Schmidt LC, Hanaor A, “Force limiting devices in space trusses”, Journal of the Structural Division, 1979, 105, 939-951.
Shekastehband B, Abedi K, Dianat N, Chenaghlou MR, “Experimental and numerical studies on the collapse behavior of tensegrity systems considering cable rupture and strut collapse with snap-through”, International Journal of Non-Linear Mechanics, 2012, 47, 751-768.
Shekastehband B, “The influences of force-limiting devices and high-stiffness cables on behavior of tensegrity structures”, Archive of Applied Mechanics, 2018, 88, 2293-2316.
Tran HC, Park HS, Lee J, “A unique feasible mode of prestress design for cable domes”, Finite Elements in Analysis and Design, 2012, 59, 44-54.
Yuan X, Dong S, “Integral feasible prestress of cable domes”, Computers and structures, 2003, 81, 2111-2119.
Yuan X, Chen L, Dong S, “Prestress design of cable domes with new forms”, International Journal of Solids and Structures, 2007, 44, 2773-2782.
Zhu M, Dong S, Yuan X, “Failure analysis of a cable dome due to cable slack or rupture”, Advances in Structural Engineering, 2013, 16, 259-271.