Ikke-lineære seismiske analyser av plane, momentstive trerammer med duktile søyle-bjelke forbindelser
Abstract
Denne masteroppgaven er en del av forskningsprosjektet Woodsol. Hensikten med oppgavener å utvikle stålforbindelser til momentstive trerammer, som er duktile nok til å motståjordskjelv. Oppgaven bygger videre på tidligere forskning og erfaringer innenforforskningsprosjektet Woodsol, og er et bidrag til å fremme trekonstruksjoner blant andrevelkjente konstruksjonsmetoder.Arbeidsprosessen i oppgaven har i hovedsak to deler. Første del fokuserte på utvikling ogdesign av ulike forbindelser med hensyn på deres duktilitetsegenskaper. Forbindelsene bletestet for monoton og syklisk nedbøying ved hjelp av analyseprogrammet Abaqus. Det bletatt utgangspunkt i en momentstiv forbindelse designet av førsteamanuensis HarisStamatopoulos og Ph.d. stipendiat Aivars Vilguts. Målet i første del var å optimalisere denneforbindelsen for å oppnå ønskede duktilitetsegenskaper. Optimaliseringen baserte seg på åredusere flensbredden til IPE-profilet i forbindelsen ved hjelp av en sirkulær uthaking iflensene. 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 mmville være gunstig med hensyn på duktilitet. Videre fant vi også at å øke lengden på den delensom går i flyt ga økt duktilitet. Momentkapasiteten til forbindelsene kan til en viss gradkontrolleres ved å variere flensbredden i forbindelsene.I andre del ble to utvalgte forbindelser fra Abaqus modellert i Woodsols rammesystem ogundersøkt ved hjelp av ikke-lineære statiske analyser (pushover) og ikke-lineære dynamiskeanalyser (tidshistorie). Forbindelsene ble modellert i fire ulike rammer med travélengder påhenholdsvis 8, 3 og 8 meter, med antall etasjer fra 4 til 10 etasjer. Det ble modellert toforbindelser i hvert knutepunkt for å oppnå tilstrekkelig stivhet og for å kunne koble sammento dekkeelementer på en søyle. Forbindelsene som ble brukt for 4 og 6 etasjer hadde en totalrotasjonsstivhet på ca. 10 000 kNm/rad, og en lokal duktilitet på 9,5. For rammene med 8 og10 etasjer ble det benyttet forbindelser med total rotasjonsstivhet på ca. 18 000 kNm/rad, ogen lokal duktilitet på 6.De globale analysene ble gjennomført i elementmetode-programmet SAP2000. Det blebenyttet 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 tilslutt sett på sammenhengen mellom resultatene for pushover- og tidshistorieanalysene.I resultatene presenteres resultater for rammenes lokale- og globale duktilitet, med hensyn påpushover- og tidshistorieanalysene. Fra resultatene ser det ut til at ved å predimensjoneresøyler og bjelker/dekker etter pushoverresultatene, kan man oppnå en q-faktor på ca. 4. For 4og 6 etasjers rammer viste resultatene fra tidshistorieanalysene at en q-faktor på 4 kan oppnåsved en lokal duktilitet i forbindelsen på 7 eller høyere på sikker side. Rammer på 8 og 10 vilkunne oppnå en like høy q-faktor som 4 og 6 etasjer med forbindelser med lavere lokalduktilitet. Størst variasjon mellom resultatene fra pushover og tidshistorie er i verdiene forgrunnskjær. Her er verdiene for tidshistorie en del høyere enn for pushover. This master thesis is a part of the ongoing research project Woodsol, financed by theNorwegian Research Council. The main goal of this thesis is to develop ductile, momentresistingsteel connections for use in moment-resisting timber frames.A significant part of this thesis focused on the development of different designs for a ductilemoment-resisting connection. We used a model developed by associate professor HarisStamatopoulos and Ph.D. candidate Aivars Vilguts as a starting point. In our work, weoptimized this design towards improved ductility properties. We focused on concentrating theyield in the connections to the flanges. The width of the flanges was reduced by removingparts of the flanges in a circular cut on each side of flange. Different widths of the cut wereanalysed. It was found that the required ductility properties were obtained with a remainingflange width of 30 mm. This reduced flange width concentrated the yield to the flanges andincreased the ductility properties.Furthermore, we found that by increasing the length of the yielding member, we increased theductility in the connections. We were also able to control the moment capacity of theconnection by varying the thickness of the flanges. The connections were analysed withmonotonic and cyclic deformation analysis in Abaqus.After the initial screening, we further investigated two connections with non-linear staticanalysis (pushover) and non-linear dynamic (time history) analysis. These connections weremodelled in a 2D frame with bay lengths 8, 3, and 8 meters for frames with 4, 6, 8, and 10stories, respectively. Two connections were modelled for each connection point. This alsomade it possible to connect two-deck elements on the same column. The connection used for4 and 6 stories reached a maximal rotational stiffness of approximately 10000 kNm/rad, and alocal ductility of 9.5 before failure. The connections used for 8 and 10 stories reached arotational 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 wereanalysed with two pre-defined load combinations, light and heavy, referring to residential(light) and commercial (heavy) buildings, respectively. These pre-defined loads were used asstarting points for the non-linear load analysis. We could then investigate the impact on theframe’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 thatthe most significant difference between pushover- and the time history analysis were in thebase shear, where the time history results were larger than pushover.From the pushover- and time history analysis of the local and global ductility properties wefound that pushover analysis can be used to pre-dimension frames up to a q-factor ofapproximately 4. From the time history it is shown that this demand a local ductility of 7 inthe frames to be used to be on the safe side. The connections used in the frames with 4 and 6stories fulfilled this demand. The connections for the 8 and 10 story frames did not fulfil thisdemand. The time history analysis showed however that the higher frames in some casescould be used for the same q-factor as the lower frames with a connection with lower localductility.