Numerisk og eksperimentell studie av momentkapasiteten til X-knutepunkt med sentrisk og eksentrisk plasserte rektangulære hulprofiler

Abstract

I denne studien blir det sett på sveiste X-knutepunkt av rektangulære hulprofiler (RHS). Knutepunktet belastes med et like stort og motsatt rettet ut-av-planet bøyemoment i hver sekundærbjelke. Å kunne beskrive oppførselen til slike knutepunkt er sentralt for blant annet konstruksjoner som tak, gulv og andre bjelkerist-systemer. Eksentrisk plassering av sekundærbjelkene på hovedbjelken kan gjøres for å spare plass eller materialer. Det finnes enda ikke beregningsgrunnlag for slike eksentriske knutepunkt i Eurokode, men med sentrisk plasserte sekundærbjelker er formlene allerede etablert.

Det blir sett på flytelinjemekanismer både for sentriske og eksentriske RHS X-knutepunkt. Med utgangspunkt i disse blir det utledet uttrykk for momentkapasiteten til knutepunktene basert på størrelsesforholdet β=b_1/b_0 og profilenes andre dimensjoner. Momentkapasiteten fra flytelinjebetraktningen for det sentriske knutepunktet ble funnet identisk med den som allerede er oppgitt i Eurokode. For det eksentriske knutepunktet ble det etablert en ny formel.

For å undersøke oppførselen til knutepunktet ble det gjennomført to eksperiment. Det første er et sentrisk RHS X-knutepunkt og det andre et eksentrisk RHS X-knutepunkt, begge med størrelsesforhold β=0.625. Både fra flytelinjebetraktningene og eksperimentene er det tydelig at eksentrisk plassering av sekundærbjelkene svekker knutepunktet.

Det ble også laget FE-modeller for å kunne kjøre elementmetodesimuleringer av knutepunktene. FE-modellen ble kalibrert med materialparametre funnet fra strekktester. Videre ble modellen validert gjennom resultatene fra eksperimentene og det ble vist at FE-modellen klarer å gjenskape deformasjoner og momentkapasitet. Til slutt ble elementmetodesimuleringene brukt til en parameterstudie hvor det ble sett på effekten av ulike belastninger i hovedbjelken. En hovedbjelke belastet med trykk viste seg å minske kapasiteten i knutepunktet betraktelig.

This study examines welded X-joints of rectangular hollow sections (RHS). The joint is subjected to equally large and oppositely directed out-of-plane bending moments in each brace. Understanding the behavior of such joints is crucial for the design of structures like roofs, floors, and other beam-grid systems. Eccentric placement of braces on the chord can be done to save space or materials. The difference between eccentrically placed braces and centrally placed braces is investigated here.

Previous studies have rarely addressed the capacity of eccentric joints, and there is currently no basis for calculating their capacity in Eurocode. This is not the case for centric joints, which already have well-established formulas in Eurocode.

The study examines the yield line mechanisms for both centric and eccentrically RHS X-joints. Based on these mechanisms, formulas for the moment capacity of the joints are derived, taking into account the ratio β=b_1/b_0 and the other dimensions of the profiles. The moment capacity from yield lines for the centrically placed joint was found to be identical to the one already provided in Eurocode. For the eccentrically placed joint, a new equation was established.

To investigate the behavior of the joint, two experiments were conducted. The first experiment involved a centrically placed RHS X-joint, while the second experiment involved an eccentrically placed RHS X-joint, both with a ratio of β=0.625. Both the yielding line method and the experiments clearly indicate that eccentric placement of the brace weakens the joint. It is the sidewalls of the chord that yield under this type of moment loading.

A finite element (FE) model was also created to perform numerical simulations of the joints. The FE model was calibrated using material parameters obtained from tensile tests. Furthermore, the model was validated against the experimental results, demonstrating its ability to replicate deformations and moment capacity. Finally, the finite element simulations were used for a parametric study investigating the effect of different loading on the chord. The study considered the effects of moment-loaded, tension-loaded, and compression-loaded chord. It was observed that a chord subjected to compression significantly reduced the capacity of the joint.