An experimental and numerical study of welded T-joints between rectangular hollow sections

Abstract

I dette studiet blir sveiste T-knutepunkter av rektangulære hulprofiler (RHS) med lik elller nesten lik bredde undersøkt. Slike knutepunkt er brukt i Vierendeel-fagverk, bæresystemer i bygninger og momentstive rammer hvor det kan være både betydelige bøyemoment i bjelken og store aksialkrefter i søylen.

Ut i fra tilgjengelig litteratur om RHS T-knutepunkt, virker det som det ikke har blitt gjennomført noen eksperimentelle knutepunktstester under disse forholdene. I beregninsstandarden prEN 1993-1-8, er funksjonen, Qf, brukt for å ta hensyn til den reduserte momentkapasiteten til knutepunktene når det er en aksialkraft i søylen. Denne er derimot basert på eksperimentelle tester utført på knutepunkt med et forhold mellom bredden på bjelken og søylen på 0.6, hvor det er en annen bruddform.

For å undersøke oppførselen til knutepunktene med bøyemoment i bjelken og aksialkrefter i søylen, ble åtte knutepunktstester gjennomført i laboratorium. Testene viste at formlene i standarden prEN 1993-1-8 er veldig konservative i beregningen av hvor stor aksialkraft man kan ha i søylen når bøyemomentet i bjelken er nær momentkapasiteten til knutepunktet. Dette kan tyde på at kreftene i bjelken blir overført mer effektivt til søylen, slik at det er mulig å ha større laster i bjelken.

I tillegg til de eksperimentell testene ble det også utviklet en FE-modell for å kunne kjøre elementmetodesimuleringer av knutepunktene. FE-modellen ble kalibrert og validert ved hjelp av resultatene fra de eksperimentelle testene og det ble vist at modellen var i stand til å gjenskape både lastkapasiteten og deformasjonen til knutepunktene.

The present study examines the behavior of welded T-joints between rectangular hollow section members of similar width. Such joints are used in Vierendeel trusses, moment resisting frames and building diaphragms, where the connections might have significant bending moments from the brace and high axial forces in the chord.

Based on the available literature on RHS T-joints, there seems to be no experimental tests performed on joint under these conditions. In the design recommendations, the chord stress function, Qf, which is used to account for the reduced moment resistance in the joint due to the presence of an axial force in the chord, is based on experimental results on joints with a brace-width-to-chord-width-ratio of 0.6, which have a different failure mechanism.

To investigate the behavior of such RHS T-joints, experimental tests of eight joints were performed. The experimental tests revealed that the design recommendations in prEN 1993-1-8 are very conservative in predicting the allowed compression force in the chord when the in-plane bending moment from the brace is close to the design moment resistance of the joint. This might indicate that the loads from the brace are transferred to chord in a more efficient manner, thus allowing for higher loads in the brace.

In addition to the experimental testing, a finite element model for predicting the behavior of RHS T-joints of similar width, submitted to an axial compressive load in the chord and an in-plane bending from the brace, was developed. The constructed FE model was calibrated and validated with the new experimental test results and it was shown that the model was able to predict both the deformation pattern and the resistance of the joints.