سلوك الأعتاب الفولاذيه المقوسة المحتوية على فتحات ومقواه بصفائح فولاذيه

رسالة ماجستير

اسم الباحث : زهراء علي ناصر

اسم المشرف : أ.م.د. سجاد عامر حمزه أ.م.د. زينب محمد رضا عبد الرسول

الكلمات المفتاحية :

الكلية : كلية الهندسة

الاختصاص : الهندسة المدنية

سنة نشر البحث : 2020

تحميل الملف : اضغط هنا لتحميل البحث

يهدف هذا البحث الى دراسة السلوك الانشائي لعتب فولاذي يحتوي على فتحات دائريه مقواة او غير مقواة باستخدام صفائح فولاذيه من خلال اجراء عمل مختبري ونظري بواسطة برنامج الاباكوس. اشتمل العمل المختبري على فحص سبعة نماذج من الاعتاب الفولاذيه المقوسة بسيطة الاسناد (مقطع (I وتم اختبارها تحت حملين مركزيين ومتناظرين. تم تصنيف الاعتاب الى مجموعتين بالإضافة الى عتب مرجعي بدون فتحات لغرض المقارنة. تكونت المجموعة الأولى من ثلاث اعتاب فولاذيه مقوسه تحتوي على فتحات غير مقواة بأعداد ومواقع مختلفه بينما تكونت المجموعة الثانية من ثلاثة اعتاب مقوسة تحتوي على فتحات دائرية، مثل تلك الخاصة بالمجموعة الأولى مع تقوية باستخدام صفائح فولاذية. اهم المتغيرات التي تم دراستها هي: تأثير وجود فتحات دائريه خلال العتب المقوس، موقع الفتحات، عدد الفتحات وتأثير التقوية باستخدام الواح فولاذيه.
بينت النتائج المختبرية للمجموعة الاولى من النماذج ان انشاء فتحات في وسط العتب تسبب في انخفاض احمال الفشل النهائية بنسبة (12.5) بينما الفتحات الطرفية تسببت في انخفاض أقل حوالي (9%). علاوة على ذلك، لوحظ انخفاض في الانحرافات الجانبية للنماذج بحوالي (9 إلى 33٪)، و (19 إلى 32٪) في الانحراف العمودي، عند مقارنتها بالعتب المرجع. في المقابل تراوحت نسب الانخفاض في احمال الفشل النهائي لنماذج المجموعة الثانية تقريبًا من (8 إلى 11٪)، بينما كانت الانخفاضات في نسب الانحرافات الجانبية (9 إلى 29٪) و (12 إلى 29٪) للانحراف العمودي إذا ما قورنت بالعتب المرجع. علاوة على ذلك، فإن تقوية منطقة الفتحات بواسطة الصفائح الفولاذية زادت بشكل طفيف من القوة النهائية بحوالي (1٪ إلى 3٪) إذا ما قورنت بالأعتاب غير المقواة.
تم إجراء تحليل العناصر المحدودة غير الخطية باستخدام برنامج الاباكوس 2017 لغرض المقارنة مع النتائج العملية بالإضافة الى دراسة متغيرات نظرية جديده: قطر الفتحة، عدد الفتحات، شكل الفتحة، اجهاد خضوع الفولاذ، إضافة الصفائح الفولاذيه، تغيير نصف قطر العتب المقوس، نوع الأسناد وتأثير التقوية باستخدام الصفائح الفولاذيه حول الفتحة. بينت النتائج ان هناك تقارب مقبول بين النتائج التجريبية والعددية من حيث الحمل النهائي، والانحراف الاقصى، ومنحنيات الانحراف- الحمل، ونمط الفشل. وجد أن متوسط الفرق في الحمل النهائي، الانحراف الاقصى الجانبي والانحراف الاقصى العمودي يساوي 1.97٪، 5.13٪ و22.66٪ على التوالي، مما يضمن دقة التحليل العددي. علاوة على ذلك، بينت النتائج النظريه المستحصله من تحليل الاعتاب الفولاذيه ان احمال الفشل النهائي للعتب المقوس الذي يحتوي على فتحات انخفضت مع زيادة قطر الفتحة من حوالي (2 الى 21٪) للأقطار (50 و125 مم) على التوالي للأعتاب التي تحتوي على فتحه وسطيه، بينما انخفضت سعة التحميل القصوى للعارضة المقوسة الفولاذية مع فتحات طرفيه بحوالي 26٪ عندما زاد القطر إلى 125 ملم مقارنةً بالعتب المرجع. زيادة اجهاد الخضوع للفولاذ يؤدي الى زيادة سعة الحمل القصوى لجميع أنواع الاعتاب، حيث تصل القوة النهائية للعتب المقوس بدون فتحات والعتب المقوس الذي يحتوي على فتحة وسطيه إلى (153.36، 142.2 كيلو نيوتن) على التوالي عند اجهاد الخضوع العملي وانخفضت بنحو 24٪ عند 248 ميجا باسكال وزادت بنحو (10٪ و36٪) عند (360و 450 ميجا باسكال) على التوالي. علاوة على ذلك، أدت الزيادة في نصف قطر الاعتاب المقوسه باستخدام انصاف اقطار (537.3، 797.5 و ∞) ملم إلى انخفاض في سعة التحميل القصوى للأعتاب. تؤدي إضافة صفائح فولاذية عند منطقة عزم الثني الاعظم ومنطقة القص القصوى إلى زيادة سعة التحمل القصوى للعتب بنسب (0.75٪، 1.8٪، 2.29٪، 7.60٪) لأعتاب مع صفائح تقوية مضافة بعدد (2، 4، 6 و9) على جانبي العارضة على التوالي، إذا ما قورنت بالعتب المرجع.

Behavior of Arch Steel Beams with Openings and Strengthened with Steel Stiffeners

This research aims to investigate the structural behavior of arched steel beams with and without web circular openings, strengthened and non-strengthened using steel stiffeners. For this purpose, experimental and numerical work was implemented. The experimental work included testing seven simply supported arched I-shape compact steel section beams under two concentrated and symmetrical loading. The beams were categorized into two groups, in addition to an additional beam without openings as a control beam. The first group consisted of three arched beams with different numbers of non-strengthened circular openings in various locations. On the other hand, the second group consisted of another three arched beams with circular openings strengthened by steel stiffeners. The studied parameters were: the existence of circular opening, location of the opening, number of openings and strengthening effect using steel stiffeners.
The experimental results for the first group revealed that creating openings at the mid-span decrease the ultimate load capacity by (12.5%) while edge openings had minimal effect on ultimate strength, nearly 9%, if compared with reference beam without opening. Furthermore, decreases in the horizontal displacement of the specimens were observed by about (9 to 33%), and (19 to 32%) in vertical mid span deflection, when compared with the control beam. In contrast, the reductions in the ultimate loads for the second group were nearly (8 to 11%), while the decreases in the horizontal displacement were (9 to 29 %) and (12 to 29%) for vertical mid span deflection when compared with the reference beam. Moreover, strengthening the openings’ region by steel stiffeners slightly increased the ultimate strength by nearly (1% to 3%) if compared with the non-strengthened beams.
Non-linear finite element analysis was performed using ABAQUS program to compare with experimental work and studying the effect of new parameter: opening diameter, openings number, opening shape, steel yielding stress, adding stiffeners, arched beam radius, support type and effect of strengthening using steel stiffeners around the opening. There was a reasonable convergence between the experimental and numerical results in terms of the ultimate load, maximum deformations, load-deformation curves, and mode of failure. The average difference in the ultimate load, the maximum horizontal displacement and the maximum vertical midspan deflection found to be equaled to 1.97%, 5.13% and 22.66% respectively.
Furthermore, the results obtained from the numerical analysis of the arched beams revealed that the ultimate failure loads decreased by nearly (2 to 21%) as the opening diameter at the middle web increases from (50 to 125mm) respectively. On the other hand, the ultimate failure load of the arched beams with openings near the supports decreased by about 26% when the diameter increased to 125mm in comparison with the control beam. Besides, the results revealed that the increase in the steel yielding stress increased the ultimate load capacity for all types of beams, in which the ultimate strengths of the arched beam without opening and arched beam with middle opening reached to (153.36, 142.2KN), respectively at experimental yielding stress (333 Mpa for the web and 340 Mpa for the flange) and decreased by about 24% at 248 MPa and increased by about (10% and 36%) at (360 Mpa and 450 MPa) respectively . Furthermore, increasing the radius of the arched beams (i.e. using 537.3, 797.5 and ∞ mm radii) caused a decrease in their ultimate load capacity and the stiffness. In addition, adding steel stiffeners at the maximum bending moment and maximum shear zones increased the ultimate failure load of the arched beams by (0.75%, 1.8%, 2.29%, 7.60%) when using 2, 4, 6 and 9 stiffeners, respectively at both sides of the beam if compared with the arched beam without added stiffeners.