Bjelker med åpninger i steget

Abstract

Den europeiske standardiseringsorganisasjonen, CEN, har siden 2015 arbeidet med et nytt tillegg som skal utvide bruksområdet til EN 1993-1-1 og EN 1993-1-5, kalt EN 1993-1-13. Tillegget omhandler krav og metoder for hvordan åpninger i bjelkesteget skal behandles i både bruks- og bruddgrense tilstand. Målet med oppgaven har vært å undersøke om formlene gitt i EC3-1-13 gir nøyaktige estimater på bruddkapasiteten til bjelker med uavstivede rektangulære, eller forlengede sirkulære, åpninger i steget, samt komme med forslag til endringer hvor det kan være hensiktsmessig.

For å undersøke om formlene i EC3-1-13 er gode, er det utført et parameterstudium av 18 ulike varianter av åpningsgeometrier. Parameterstudiet dekker åpningshøyder, ho, som utgjør 41 % og 65 % av bjelkehøyden, med en åpningslengde som varierer mellom 0,6ho, 1,2ho og 2,4ho. Slankheten på steget, hw/tw, varierer også mellom 86,2, 57,5 og 43,1. Elementanalyseprogrammet Abaqus 2019 ble brukt til å finne bruddlastene til bjelkene. De numeriske modellene ble kalibrert opp mot laboratorieforsøk for å sørge for at resultatene fra analysene er pålitelige.

Konklusjonen fra parameterstudiet er at EC3-1-13 underestimerer bruddkapasiteten til bjelkene med de undersøkte åpningsgeometriene. Avvikene varierer stort avhengig av hvilken bruddform som blir utslagsgivende. Det viser seg at det er spesielt i tilfeller hvor EC3-1-13 pålegger elastiske kapasitetsberegninger for motstanden mot Vierendeel-bøyning at de største forskjellene oppstår. Disse funnene er i samsvar med tidligere studier utført ved NTNU.

På bakgrunn av dette, er det foreslått to endringer som gjør at de estimerte bruddkapasitetene er nærmere bruddlastene fra de numeriske analysene. Den første er å alltid regne kapasiteten mot Vierendeel-bøyning plastisk med et effektivt tverrsnitt, forutsatt at flensen er i tverrsnittsklasse 1 eller 2. Den andre er å hensynta radien i hjørnene til rektangulære åpninger på tilsvarende måte som EC3-1-13 gjør for sirkulære og forlengede sirkulære åpningsgeometrier. Begge disse endringene kan føre til en betydelig økning av de beregnede kapasitetene til bjelkene.

The European Committee for Standardization, CEN, have since 2015 prepared a new Part to give supplementary provisions that extend the application of EN 1993-1-1 and 1993-1-5, called EN 1993-1-13. This new Part will provide guidelines on how steel beams with web openings can be treated in both ultimate- and servicability limit state. The purpose of this thesis has been to examine if the formulas provided in EC3-1-13 predicts the failure load for steel beams with openings of rectangular and elongated circular geometry acurataly, and propose changes if suitible.

A parametric study on 18 different variations of rectangular openings has been conducted. Opening heights, h_o, vary between 41% and 65% of the beam height, and opening lengths vary from 0,6ho, 1,2ho and 2,4ho. The web slenderness, h_w/t_w, also varies between 86,2, 57,5 and 43,1. The finite element program Abaqus 2019 has been used to simulate the mechanical behaviour of the beams. Results from experiments of two steel beams with different rectangular openings was used to calibrate the finite element models to ensure reliable results from the simulations.

Conclusions are that EC3-1-13 may severely underestimate the capacity of beams with web openings. Results are especially inaccurate for opening sizes were EC3-1-13 imposes elastic shear resistance to Vierendeel bending. These findings are simular to other studies conducted at NTNU.

Two changes are proposed to ensure more simular results between calculations and simulations. The first is to always calculate plastic resitance to Vierendeel bending with an effective crosssection. The second is to also consider including the cornerradius of rectangular openings in the formulas used to calculate the resitance to Vierendeel bending, similarly to what is already done for circular and elongated circular openings. Both these propositions may result in a substansual increase in the calculated load-carrying capacity of the beams.