On the Ultimate Limit State Capacity of Slender Steel Beams with Unstiffened Web Openings

Abstract

Teoretisk kunnskap om bjelker med åpninger i steget har eksistert lenge. På grunn av mangelen på standardiserte retningslinjer for dimensjonering, ble det i 2015 påbegynt utvikling av et tillegg til Eurokode 3, EN 1993-1-13: \textit{Beams with large web openings}. Dette tillegget skal etter planen publiseres i 2026, og denne oppgaven er basert på det gjeldende utkastet per 26. september 2022.

Formålet med prosjektet er å bygge videre på den tidligere forskningen som er utført ved NTNU på temaet, spesielt ved å evaluere de gjeldende beregningsreglene i EN 1993-1-13. Totalt er det utført syv laboratorieforsøk på bjelkeprøver med ulike åpninger i steget, og elementmodeller ble utviklet og kalibrert i basert på forsøkene. Disse modellene ga en generell feil på 3 \% sammenlignet med resultatene fra eksperimentene. Blant de syv bjelkeprøvene ble de to siste testet spesielt for dette prosjektet, og begge bjelkene gikk til brudd på grunn av Vierendeel-bøyning, som er en grunnleggende bruddform i dette studiet.

De numeriske modellene ble brukt til å gjennomføre en omfattende parameterstudie av stålbjelker med åpninger i steget. Totalt 128 elementanalyser ble utført på ulike typer stegåpninger, og modellenes bruddlast ble sammenlignet med beregninger i henhold til Eurokoden. Parameterstudien var begrenset til enkeltstående og uavstivede åpninger, sentrert på bjelkenes nøytralakse. Videre ble kun rektangulære, med og uten avrunding, og sirkulære åpningsformer vurdert. Parameterne betraktet i studien, var moment-skjær-forhold, tverrsnittsklassifisering av T-utstikk, åpningsstørrelse og -geometri, samt plastiske/elastiske beregningsmetoder.

Moment-skjær-forholdet viste seg å ha liten betydning i parameterstudien, trolig på grunn av geometriske begrensninger i bjelkeprøvene. Formler som tar hensyn til effekten av hjørneradius i rektangulære åpninger ble foreslått. Det har blitt vist at disse formlene gir konservative kapasitetsberegninger basert på 56 analyserte, rektangulære stegåpninger. Basert på en analyse av 102 åpninger ble det utarbeidet et tillegg til EN 1993-1-13 punkt 4.2(5) for definisjon av små stegåpninger. Til slutt, basert på 44 forskjellige åpninger, ble det observert at utnyttelse av T-tverrsnittenes plastiske dimensjoneringskapasitet ikke resulterte i en eneste overestimering av bjelkenes totale bæreevne, uavhengig av gjeldende tverrsnittsklasse for T-utstikkene.

Theoretical knowledge on beams with web openings has existed for a long time. However, due to the lack of standardized design guidelines the development of an addition to Eurocode 3, EN 1993-1-13: \textit{Beams with large web openings}, began in 2015. This extension is scheduled to be published in 2026, and this paper is based on the current draft as of September 26th, 2022.

The purpose of this paper is to build upon the previous research conducted at NTNU regarding the topic, specifically by evaluating the current design rules of EN 1993-1-13. In total, seven laboratory experiments has been conducted on beam specimens with various web openings and finite element models were developed and calibrated accordingly. These models yielded a general error of 3 \% compared to the experimental results. Among the seven beam specimens, the last two were specifically tested for this project, and both beams failed due to Vierendeel bending, which is a fundamental failure mode within this study.

The numerical models were utilized to conduct a comprehensive parameter study on the topic of steel beams with web openings. A total of 128 finite element analyses were performed on various types of openings, and the maximum capacities of the models were compared to their corresponding Eurocode design calculations. The parameter study was limited to singular and unstiffened web openings, centered on the beams' neutral axis. Furthermore, the study only considered rectangular, elongated and circular opening shapes. Key parameters taken into account during the study included the moment-shear ratio, Tee outstand classification, opening size and geometry, as well as plastic/elastic design methods.

The moment-shear ratio was found to have little significance in the parameter study, likely due to geometric limitations imposed by the beam specimens. Additional formulae accounting for effects of corner radius in rectangular openings were proposed. Based on 56 analyzed rectangular openings, the formulae were considered to yield conservative design capacities. An addition to EN 1993-1-13 Clause 4.2(5) was formulated to address small openings, based on an analysis of 102 openings. Lastly, based on 44 different web openings, it was observed that the utilization of the plastic design capacity of the Tees did not result in a single overestimation of the ultimate load-carrying capacity of the beams, regardless of the current Tee class definition.