مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

ارزیابی ظرفیت دیوارهای برشی فولادی سردنورد شده با استفاده از مدل‌سازی عددی و مدل جانشین رگرسیونی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
شاهین لعل عارفی 1
مهدی بیطرفان 2
1 گروه مهندسی عمران، مجتمع آموزش عالی اسفراین، اسفراین، ایران
2 استادیار پژوهشکده سازه، پژوهشگاه بین‌المللی زلزله‌شناسی و مهندسی زلزله، تهران، ایران
10.48311/mme.2026.118783.82940
چکیده
سازه‌های فولادی سرد نورد شده که به دلیل کارایی، مقرون‌به‌صرفه بودن و مزایای زیست‌محیطی شناخته‌شده‌اند، نقش مهمی در تأمین نیازهای جوامع برای سازه‌های مقاوم ایفا می‌کند. با این حال، آنچه پایداری و ایمنی آن را در برابر نیروهای جانبی همچون زلزله و باد تضمین می‌نماید، دیوارهای برشی فولادی است. در این مقاله یک مدل اجزای محدود بر اساس داده‌های آزمایشگاهی توسعه یافت، که شامل المان‌های پوسته تغییرشکل‌پذیر سه‌بعدی برای ستونک‌ها، تیرک‌ها و روکش فولادی است. در مطالعات قبلی به موضوع بررسی پیچ‌ها و فواصل آنها و همچنین تاثیر ضخامت ورقهای فولادی پرداخته نشده است. هدف این مقاله، بررسی عوامل تاثیرگذار بر روی دیوارهای برشی فولادی از طریق تجزیه و تحلیل داده‌های ناشی از تحلیل اجزای محدود دیوارهای برشی CFSاست. در ادامه با استفاده از مدل جانشینی رگرسیونی اثرات پارامترهای ضخامت ورق (t) و فاصله پیچ لبه (s) بر ظرفیت برشی ماکزیمم، جابجایی، سختی اولیه و اتلاف انرژی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد ظرفیت برشی ماکزیمم به طور غیرخطی با t افزایش و با s کاهش می‌یابد. جهت ارزیابی مدل ارائه شده از پارامترهای R2=0.9816،MAE =12.42 ،RMSE =17.28 استفاده گردید که این اعداد نشان دهنده کیفیت خوب برازش مدل با نتایج حاصل از مدلسازی عددی و آزمایشگاهی می باشد. یافته‌ها ابزارهای عملی برای بهینه‌سازی دیوارهای برشی CFS ارائه می‌دهند، عملکرد لرزه‌ای را بهبود می‌بخشند و شکاف‌های موجود را در پارامترهای کلیدی پر می‌کنند. در نهایت خروجی مدل به یک نقشه طراحی تبدیل شد که امکان برآورد مستقیم ظرفیت دیوارهای برشی در هر ترکیب (t,s) را فراهم می نماید.
کلیدواژه‌ها
سازه های فولاد سرد نورد شده
دیوار برشی
اتصالات
تحلیل عددی
مدل رگرسیون

موضوعات

عنوان مقاله English

Capacity Assessment of Cold Formed Steel Shear Walls Using Numerical Modeling and Regression Surrogate Model

نویسندگان English

Shahin Lale Arefi 1
Mahdi Bitarafan 2
1 Department of Civil Engineering, Esfarayen University of Technology, Esfarayen, Iran
2 International Institute of Earthquake Engineering and Seismology (IIEES), Tehran, Iran
چکیده English

Cold formed steel structures, known for their efficiency, cost-effectiveness and environmental benefits, play a pivotal role in meeting the needs of societies for durable, cost-effective and environmentally friendly structures. However, what ensures its stability and safety against lateral forces are steel shear walls. In this paper, a finite element model was developed based on laboratory data, which includes 3D deformable shell elements for columns, beams and steel cladding. In previous studies, the issue of bolts and their spacing, as well as the effect of steel sheet thickness, has not been addressed. The aim of this paper is to investigate the factors affecting steel shear walls through the analysis of data from the finite element analysis of CFS shear walls. Then, using a regression substitution model, the effects of the parameters of plate thickness (t) and edge screw spacing (s) on the maximum shear capacity, displacement, initial stiffness and energy dissipation of the investigated escapement were investigated. The results showed that the maximum shear capacity increases nonlinearly with t and decreases with s. To evaluate the proposed model, the performance metrics R²=0.9816, MAE=12.42, and RMSE=17.28 were used. These values indicate a very good fit between the model predictions and the results obtained from numerical simulations and experimental data. The findings provide practical tools for optimizing CFS shear walls, improving seismic performance and filling gaps in key parameters. Finally, the model output was converted into a design plan that allows for direct estimation of the shear wall capacity in each combination.

کلیدواژه‌ها English

Cold formed steel structures
shear wall
connections
numerical analysis
regression model
 
[1] D. Dinh-Cong, T. Vo-Duy, and Trung Nguyen-Thoi, “Damage assessment in truss structures with limited sensors using a two-stage method and model reduction,” Applied soft computing, vol. 66, pp. 264–277, May 2018, DOI:10.1016/j.asoc.2018.02.028.
[2] Z. Li, S. Xia, J. Wang, and X. Su, “Damage detection of cracked beams based on wavelet transform,” International Journal of Impact Engineering, vol. 32, no. 7, pp. 1190–1200, Jul. 2006, DOI:10.1016/j.ijimpeng.2004.09.012.
[3] Z. Luo, J. Chen, C. Chiu, R. Luo, and H. Liu, “Improved sensitivity equation of mode shapes and adaptive strategy with elastic net regularization for structural damage detection,” Structures, vol. 78, p. 109304, Aug. 2025, DOI:10.1016/j.istruc.2025.109304.
[4] S. L. Arefi, A. Gholizad, “Damage Detection of Truss Structures by Reduction of Degrees of Freedom Using the Serep Method,” The Baltic Journal of Road and Bridge Engineering, vol. 15, no. 1, pp. 1–25, Mar. 2020, DOI:10.7250/bjrbe.2020-15.459.
[5] S. L. Arefi, A. Gholizad, S.M. Seyedpoor, “A modified index for damage detection of structures using improved reduction system method,” Smart Structures and Systems, vol. 25, no. 1, pp. 1–22, Jan. 2020, DOI:10.12989/sss.2020.25.1.001.
[6] L. Wang, Z. Bai, B. Qian, Y. Hu, G. Zhou, and K. Di, “Research on the damage effects of buried explosions concerning the crater size and peak wave,” International Journal of Impact Engineering, vol. 206, pp. 105410–105410, Jun. 2025, DOI:10.1016/j.ijimpeng.2025.105410
 [7] Arefi, A. Gholizad, S.M. Seyedpoor, “Damage Detection of Structures Using Modal Strain Energy with Guyan Reduction Method,” Journal of Rehabilitation in Civil Engineering, vol 8, no. 4, pp. 47-60, Nov. 2020, DOI:10.22075/jrce.2020.19803.1384.
[8] S. L. Arefi, A. Gholizad, “Damage identification of structures by reduction of dynamic matrices using the modified modal strain energy method,” Structural Monitoring and Maintenance, vol. 7, no. 2, pp. 125–147, Jun. 2020,  DOI:10.12989/smm.2020.7.2.125.
[9] M. Bitarafan, S. Hashemkhani Zolfani, S. L. Arefi, and E. K. Zavadskas, “Evaluating the construction methods of cold-formed steel structures in reconstructing the areas damaged in natural crises, using the methods AHP and COPRAS-G,” Archives of Civil and Mechanical Engineering, vol. 12, no. 3, pp. 360–367, Sep. 2012, DOI:10.1016/j.acme.2012.06.015.
[10] M. Bitarafan, Y. Hossainzadeh, and S. Yaghmayi, “Evaluating the connecting members of cold-formed steel structures in reconstruction of earthquake-prone areas in Iran using the AHP methods,” Alexandria Engineering Journal, vol. 52, no. 4, pp. 711–716, Dec. 2013, DOI: 10.1016/j.aej.2013.07.007.
[11] M. Bitarafan, Y. Hussein-Zadeh, F. Pichkah, and S.L. Arefi, “Finite Elements Modeling and Analysis of Cold-Formed Steel Frame Shear Walls,” International Journal of Engineering and Technology, vol. 4, no. 6, pp 719-722. 2012. DOI:10.7763/IJET.2012.V4.471
[12] C. S. McCreless and T. S. Tarpy, “Experimental Investigation of Steel Stud Shear Wall Diaphragms,” In Proceedings of the 4th International Specialty Conference on Cold-formed Steel Structures. St. Louis, MO, USA’1978. pp 647-672.  https://scholarsmine.mst.edu/isccss/4iccfss/4iccfss-session3/9.
[13] Tarpy, T.S, J.D.Girard, "Shear Resistance of Steel Stud Wall Panels: a Summary Report" International Specialty Conference on Cold-Formed Steel Structures. 1, (1984).
[14] Landolfo R, Di Lorenzo G, Fiorino L,Attualità e prospettived eisistemi costruttivi cold-formed, Costruzioni metalliche, No.1, 2002.
[15] B. W. Schafer, “Review: The Direct Strength Method of cold-formed steel member design,” Journal of Constructional Steel Research, vol. 64, no. 7–8, pp. 766–778, Jul. 2008, DOI:10.1016/j.jcsr.2008.01.022.
[16] T.J.Kim, J.Wilcoski, D. A. Foutch, and M.H Lee, “Shaketable tests of a cold-formed steel shear panel,” vol. 28, no. 10, pp. 1462–1470, Aug. 2006, DOI:10.1016/j.engstruct.2006.01.014.
[17] R. Serrette, H. Nguyen, G. Hall. “Shear wall values for light weight steel framing”. Report No.LGSRG-3-96, Light Gauge Steel Research Group, Department of Civil Engineering, Santa Clara University. Santa Clara, CA, USA, 1996.
[18] A. J. Salenikovich, D.J. Dolan, S.W.Easterling, "Racking Performance of Long Steel-frame Shear Walls". CCFSS Proceedings of International Specialty Conference on Cold-Formed Steel Structures (1971 - 2018). 4 , 2000.
[19] Fiorino L, “Seismic Behavior of Sheathed Cold-Formed Steel StudShear Walls, An Experimental Investigation”, ph. D thesis. University of Napoli Federico II Italy, 2003.
[20] A. E. Branston, C. Y. Chen, F. A. Boudreault, C. A. Rogers, “Testing of light-gauge steel-frame - wood structural panel shear walls,” Canadian Journal of Civil Engineering, vol. 33, no. 5, pp. 561–572, May 2006, DOI: 10.1139/l06-014.
[21] S. Gunalan and M. Mahendran, “Finite element modelling of load bearing cold-formed steel wall systems under fire conditions,” Engineering Structures, vol. 56, pp. 1007–1027, Nov. 2013, DOI:10.1016/j.engstruct.2013.06.022.
[22] S. Liu, R. Feng, and Y. Zhong, “Numerical Study on the Seismic Performance of Cold-Formed Steel Shear Walls with Steel Sheathing and Gypsum Board,” Materials, vol. 16, no. 16, p. 5685, Aug. 2023, DOI:10.3390/ma16165685.
[23] Z. Yang, Y. Shi, W. Cao, H. Dong, and J. Bian, “Seismic behavior of lightweight steel frame with thin-walled steel skeleton-lightweight concrete wall,” Journal of Constructional Steel Research, vol. 222, p. 109003, Aug. 2024, DOI:10.1016/j.jcsr.2024.109003.
[24] M. Naghipour, A, Jahani, and Hasani, S.M.R, “Numerical investigation of the seismic performance of steel shear plate walls reinforced with cross-shaped and circular stiffeners,” Journal of Chinese Architecture and Urbanism, vol. 0, no. 0, pp. 5781–5781, Mar. 2025, DOI:10.36922/jcau.5781.
[25] L. Fiorino, Alessandro Prota, Amirhossein Nikpour, and Raffaele Landolfo, “Seismic Performance of Lightweight Steel Shear Walls with Gypsum Sheathing: Experimental Investigation,” Earthquake Engineering & Structural Dynamics, Jun. 2025, DOI:10.1002/eqe.70008.
[26] Yu, Guowang. Cold-formed Steel Framed Shear Wall Sheathed with Corrugated Sheet Steel, thesis, Denton, Texas, University of North Texas Libraries, UNT Digital Library, May, 2013.
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 26، شماره 6
خرداد 1405
صفحه 451-462