dc.description.abstract | 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 | 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, momentresisting
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. | |