Analyse av boltede bjelke-søyle knutepunkt påkjent av bøyning om sterk og svak akse

Abstract

Anvendelse av elementmetoden for dimensjonering av stålkonstruksjoner har vokst frem som et raskere, enklere og mer nøyaktig alternativ enn å dimensjonere i henhold til Eurocode 3. IDEA StatiCa er et eksempel på programvare dedikert til dimensjonering av stålkonstruksjoner. Den anvender elementmetoden for å analysere konstruksjonen, og kontrollerer resultatene opp mot Eurocode 3. For å tilby raske beregninger har programvaren implementert forenklinger som kan påvirke nøyaktigheten. Målet med denne oppgaven er å utforske IDEA StatiCas muligheter og begrensninger for dimensjonering av knutepunkter i stål.

Tre forskjellige typer av boltede bjelke-søyle knutepunkter med åpne I- og H-tverrsnitt undersøkes. Mesteparten av oppgaven fokuserer på knutepunkt der bjelken utsettes for en kombinasjon av bøyemoment om bjelkens sterke akse og aksialkraft. Knutepunkt der enten bjelken eller søylen utsettes for bøyemoment om sin svake akse blir også undersøkt. Elementmodeller av knutepunktene i Abaqus ble først validert mot eksperimentelle resultater, før modeller i IDEA StatiCa ble verifisert mot Abaqus-modellene og håndberegninger basert på Eurocode 3 og relevant litteratur. I tillegg til dette ble det utført parameterstudier for å utforske flere geometrikonfigurasjoner og lastbetingelser.

Resultatene viser at IDEA StatiCa beregner en lavere momentkapasitet enn Abaqus for alle betraktede tilfeller, men generelt sett en høyere kapasitet enn Eurocode 3. Årsaken til avvikene kan i stor grad tilskrives neglisjeringen av geometriske imperfeksjoner og geometrisk ikke-linearitet. Beregnet rotasjonsstivhet viser også avvik, men dette kan i hovedsak tilskrives måten IDEA StatiCa definerer rotasjonsstivheten på (sekantstivheten ved 2/3 av momentkapasitet). Til tross for avvikene, konkluderes det med at IDEA StatiCa er et pålitelig og praktisk dimensjoneringsverktøy, som fasiliter ukomplisert dimensjonering av knutepunkt i stål.

Applying finite element analysis in the design of steel structures has emerged as a faster, simpler, and more accurate alternative than designing according to Eurocode 3. IDEA StatiCa is an example of software dedicated to the design of steel members and joints. It employs finite element analysis combined with design checks according to Eurocode 3 to analyze and verify structures. To offer short computation time, the software has adopted some simplifications, which might affect its accuracy. This thesis aims to explore IDEA StatiCa’s possibilities and limitations for the design of steel joints.

Three different types of bolted beam-to-column joints with open I and H-sections are investigated. Most of the thesis focus on major axis joints, where the beam is subjected to a combination of bending moment (about the major axis) and axial force. Additionally, minor axis joints are explored, where either the beam or the column is subjected to bending moment about its weak axis. Finite element models of the joints were assembled in Abaqus and validated against experimental results before models in IDEA StatiCa were verified against the Abaqus models and manual calculations based on Eurocode 3 and relevant literature. Parametric studies were carried out to explore different geometric configurations and load conditions.

It was found that IDEA StatiCa predicts a lower moment resistance than Abaqus for all cases considered. However, in general, it predicted a higher resistance than Eurocode 3. The cause for the discrepancies can, to a large extent, be attributed to IDEA StatiCa's neglect of geometric imperfections and geometric nonlinearity. The calculated rotational stiffness also shows some discrepancies, which can mainly be ascribed to the way IDEA StatiCa defines the initial stiffness (the secant stiffness at 2/3 of the moment resistance). Despite these discrepancies, it was found that IDEA StatiCa is a reliable and convenient design tool, that facilitates simple design of steel joints.