| dc.description.abstract | Sammendrag
Denne masteroppgaven er en del av forskningsprosjektet Woodsol. Hensikten med oppgaven er å utvikle stålforbindelser til momentstive trerammer, som er duktile nok til å motstå jordskjelv. Oppgaven bygger videre på tidligere forskning og erfaringer innenfor forskningsprosjektet Woodsol, og er et bidrag til å fremme trekonstruksjoner blant andre velkjente konstruksjonsmetoder.
Arbeidsprosessen i oppgaven har i hovedsak to deler. Første del fokuserte på utvikling og design av ulike forbindelser med hensyn på deres duktilitetsegenskaper. Forbindelsene ble testet for monoton og syklisk nedbøying ved hjelp av analyseprogrammet Abaqus. Det ble tatt utgangspunkt i en momentstiv forbindelse designet av førsteamanuensis Haris Stamatopoulos og Ph.d. stipendiat Aivars Vilguts. Målet i første del var å optimalisere denne forbindelsen for å oppnå ønskede duktilitetsegenskaper. Optimaliseringen baserte seg på å redusere flensbredden til IPE-profilet i forbindelsen ved hjelp av en sirkulær uthaking i flensene. På denne måten kunne en konsentrere flyt i forbindelsen til flensene.
Fra Abaqus analysene fant vi at en reduksjon i flensbredde helt ned til en bredde på 30 mm ville være gunstig med hensyn på duktilitet. Videre fant vi også at å øke lengden på den delen som går i flyt ga økt duktilitet. Momentkapasiteten til forbindelsene kan til en viss grad kontrolleres ved å variere flensbredden i forbindelsene.
I andre del ble to utvalgte forbindelser fra Abaqus modellert i Woodsols rammesystem og undersøkt ved hjelp av ikke-lineære statiske analyser (pushover) og ikke-lineære dynamiske analyser (tidshistorie). Forbindelsene ble modellert i fire ulike rammer med travélengder på henholdsvis 8, 3 og 8 meter, med antall etasjer fra 4 til 10 etasjer. Det ble modellert to forbindelser i hvert knutepunkt for å oppnå tilstrekkelig stivhet og for å kunne koble sammen to dekkeelementer på en søyle. Forbindelsene som ble brukt for 4 og 6 etasjer hadde en total rotasjonsstivhet på ca. 10 000 kNm/rad, og en lokal duktilitet på 9,5. For rammene med 8 og 10 etasjer ble det benyttet forbindelser med total rotasjonsstivhet på ca. 18 000 kNm/rad, og en lokal duktilitet på 6.
De globale analysene ble gjennomført i elementmetode-programmet SAP2000. Det ble benyttet to forskjellige lasttilfeller for hver ramme som representerer bolig- og næringsbygg. I tidshistorieanalysene ble det valgt ut 10 akselerogram fra jordskjelv i hele verden. Det er til slutt sett på sammenhengen mellom resultatene for pushover- og tidshistorieanalysene.
I resultatene presenteres resultater for rammenes lokale- og globale duktilitet, med hensyn på pushover- og tidshistorieanalysene. Fra resultatene ser det ut til at ved å predimensjonere søyler og bjelker/dekker etter pushoverresultatene, kan man oppnå en q-faktor på ca. 4. For 4 og 6 etasjers rammer viste resultatene fra tidshistorieanalysene at en q-faktor på 4 kan oppnås ved en lokal duktilitet i forbindelsen på 7 eller høyere på sikker side. Rammer på 8 og 10 vil kunne oppnå en like høy q-faktor som 4 og 6 etasjer med forbindelser med lavere lokal duktilitet. Størst variasjon mellom resultatene fra pushover og tidshistorie er i verdiene for grunnskjær. Her er verdiene for tidshistorie en del høyere enn for pushover. | |
| dc.description.abstract | Abstract
This master thesis is a part of the ongoing research project Woodsol, financed by the Norwegian Research Council. The main goal of this thesis is to develop ductile, moment-resisting steel connections for use in moment-resisting timber frames.
A significant part of this thesis focused on the development of different designs for a ductile moment-resisting connection. We used a model developed by associate professor Haris Stamatopoulos and Ph.D. candidate Aivars Vilguts as a starting point. In our work, we optimized this design towards improved ductility properties. We focused on concentrating the yield in the connections to the flanges. The width of the flanges was reduced by removing parts of the flanges in a circular cut on each side of flange. Different widths of the cut were analysed. It was found that the required ductility properties were obtained with a remaining flange width of 30 mm. This reduced flange width concentrated the yield to the flanges and increased the ductility properties.
Furthermore, we found that by increasing the length of the yielding member, we increased the ductility in the connections. We were also able to control the moment capacity of the connection by varying the thickness of the flanges. The connections were analysed with monotonic and cyclic deformation analysis in Abaqus.
After the initial screening, we further investigated two connections with non-linear static analysis (pushover) and non-linear dynamic (time history) analysis. These connections were modelled in a 2D frame with bay lengths 8, 3, and 8 meters for frames with 4, 6, 8, and 10 stories, respectively. Two connections were modelled for each connection point. This also made it possible to connect two-deck elements on the same column. The connection used for 4 and 6 stories reached a maximal rotational stiffness of approximately 10000 kNm/rad, and a local ductility of 9.5 before failure. The connections used for 8 and 10 stories reached a rotational stiffness of approximately 18000 kNm/rad, and a local ductility of 6.
The non-linear analysis was carried out in the FEA-software SAP2000. All frames were analysed with two pre-defined load combinations, light and heavy, referring to residential (light) and commercial (heavy) buildings, respectively. These pre-defined loads were used as starting points for the non-linear load analysis. We could then investigate the impact on the frame’s ductility properties of these two initial loads.
The time history analysis was based on ten earthquakes from different places in the world. The difference between the pushover and time history analysis was discussed and found that the most significant difference between pushover- and the time history analysis were in the base shear, where the time history results were larger than pushover.
From the pushover- and time history analysis of the local and global ductility properties we found that pushover analysis can be used to pre-dimension frames up to a q-factor of approximately 4. From the time history it is shown that this demand a local ductility of 7 in the frames to be used to be on the safe side. The connections used in the frames with 4 and 6 stories fulfilled this demand. The connections for the 8 and 10 story frames did not fulfil this demand. The time history analysis showed however that the higher frames in some cases could be used for the same q-factor as the lower frames with a connection with lower local ductility. | |