af Jason McCormick
lektor, Civil & miljøteknik, University of Michigan, Ann Arbor, MI, USA

Momentforbindelser lavet af rektangulære og firkantede hule strukturelle sektioner (HSS) har modtaget mindre overvejelse sammenlignet med HSS-til-HSS-forbindelser, der består af aksialt belastede medlemmer (T-, Y-, cross-og K-enheder), der-forbindelser). Størstedelen af statiske undersøgelser med fokus på disse forbindelser har overvejet Vierendeel truss systemer. Disse systemer er ofte dannet af firkantede eller rektangulære top-og bundakkorder, der er forbundet med firkantede eller rektangulære lodrette bane (gren) medlemmer (Figur 1). Som et resultat af denne konfiguration gennemgår akkord-til-netforbindelsen betydelig bøjning sammen med forskydning og aksiale belastninger og betragtes ikke som en fastgjort forbindelse, som det ofte gøres i typiske trussystemer. Oprindeligt udtænkt i 1896 af Arthur vierendeel, var det først, før HSS blev udviklet, at potentialet for Vierendeel bindingsværk begyndte at blive realiseret (Korol et al. 1977), men deres anvendelse krævede en forståelse af, hvordan man overfører øjeblik mellem HSS-til-HSS T-forbindelser.

mange af de tidlige undersøgelser af disse forbindelser fokuserede på forbindelsens evne til at udvikle filialmedlemmets fulde momentkapacitet. Jubb og Rødved (1966) viste, at når grenafsnittet havde en lige bredde som akkordafsnittet (prisT=1), kunne HSS-medlemmets fulde momentkapacitet opnås uden forstærkning. Denne undersøgelse overvejede imidlertid ikke det potentielle tab af momentkapacitet på grund af tilstedeværelsen af aksial belastning. På den anden side, Korol et al. (1977) viste, at forbindelser med en mindre grenbredde end akkorden ikke kunne udvikle grenens fulde øjeblikskapacitet uden at forstærke gennem en række 29 forskellige forbindelsestests i betragtning af 5 forskellige konfigurationer (ikke-forstærkede, grenflangeforstærkningsplader, akkordflangeforstærkere, haunch og afkortet pyramide). Generelt falder styrken og stivheden af ikke-forstærkede forbindelser af Vierendeel-typen med en stigning i akkordens slankhedsforhold (B/t) og fald i gren-til-akkord-breddeforhold (liter). Som et resultat kan ustiffede vierendeel truss-type forbindelser kun betragtes som stive (dvs.gennemgå minimal relativ rotation mellem akkord og gren), når forholdet mellem gren og akkord er 1,0, og akkordens slankhedsforhold er lavt, eller forbindelsen forstærkes (Packer 1993).

fordi de maksimale øjeblikke i disse samlinger kan forekomme ved for store deformationer, vedtages en lignende tilgang til den, der anvendes til aksialt belastede firkantede og rektangulære HSS-samlinger, hvor der ved en ultimativ bæreevne eller en deformation eller rotationsgrænse bruges til at karakterisere designmomentet (fængselsinspektør 1982). AISC 360-10 (Kapitel K3) betragter tre grænsestater for firkantede og rektangulære HSS T-forbindelser under statisk bøjning i Plan: akkordvægplastificering, sidevæg lokal ydelse og lokal ydelse af grenen på grund af ujævn belastningsfordeling. Akkordvægsplastificering forekommer som et resultat af, at grendelens bredde er mindre end akkordens bredde (0,85), hvilket kræver, at spændings-og kompressionsbelastninger produceret af bøjningsmomentet overføres gennem akkordens relativt fleksible flade snarere end direkte til de stivere sidevægge. Grænsestatsligningen (AISC 360-10 ligning K3-6) kan afledes af flydelinjeteori (figur 2):

Mn er forbindelsens nominelle momentkapacitet, Fy er den specificerede minimumsudbyttestyrke for akkorden, Hb er grenens samlede højde, h er belastningslængdeparameteren lig med grenens højde divideret med akkordens bredde (forudsat en 90o vinkel mellem akkorden og grenelementet, som det er typisk for Vierendeel spær) er en parameter for at reducere ledets kapacitet i nærvær af aksial kompression i akkorden.

de to andre grænsestater er forbundet med forbindelser, hvor bredden af grenelementet er lig med eller næsten lig med bredden af akkorden (kur > 0.85) hvilket betyder, at de spændings-og kompressionsbelastninger, der udvikles i grendelens flanger, overføres næsten direkte til akkordens stivere sidevægge. Grænsestaten for sidevægs lokal ydelse (AISC 360-10 ligning K3-7) af en T-forbindelse kan derefter udledes af banen lokal ydende ligning for koncentrerede kræfter påført i en afstand fra enden af elementet større end dens dybde (AISC 360-10 ligning J10-2):

mn = 0.5Fyt(HB + 5t)2
ligning 2

til lokal udbytte af grenen på grund af ujævn belastningsfordeling (AISC 360-10 ligning K3-8) i en T-forbindelse anvendes en effektiv breddemetode til at reducere kapaciteten af afstivningselementet for at opnå det nominelle øjeblik, der anvendes af bøjlen:

Fyb er den specificerede mindste udbyttestyrke for grenen, SB er grenens plastafsnitsmodul omkring bøjningsaksen, beoi er grenens effektive bredde, Bb er grenens samlede bredde, og tb er grenens designvægtykkelse.

fordi der er begrænset eksperimentel dokumentation til understøttelse af specifikke designmodeller til vierendeel truss-forbindelser (T-forbindelser) under bøjning uden for plan, anvendes analoge grænsestater som dem til bøjning i Plan (Packer et al. 2010). En yderligere grænsetilstand for akkordforvrængningsfejl udvikler sig fra det drejningsmoment, der påføres akkorden af grenelementet som et resultat af øjeblikket uden for flyet. Dette drejningsmoment kan føre til rhomboidal forvrængning af akkorden. De nominelle momentligninger for bøjning uden for plan kan findes i AISC 360-10 ligninger K3-9, K3-10, K3-11 og K3-12. Ligningerne for både in-plane og Out-of-plane bøjning af T-forbindelser ligner dem, der er blevet vedtaget internationalt (Packer et al. 2010).

ovenstående designligninger blev afledt i betragtning af Vierendeel truss-systemer under statiske belastninger. En nylig undersøgelse (Fadden et al. 2015) har fremmet dette arbejde for at overveje opførelsen af firkantede og rektangulære HSS-til-HSS-momentforbindelser under store cykliske belastninger til brug i rørbaserede seismiske momentrammesystemer (mellemliggende og specielle momentrammer). Et sådant system ser ud til at drage fordel af de fremragende aksiale, bøjnings-og vridningsegenskaber, høj styrke-til-vægt-forhold og arkitektonisk tiltalende karakter af firkantede og rektangulære HSS. Den høje vridningsmodstand kan føre til en reduktion i bjælkens laterale afstivning, mens det høje styrke-til-vægt-forhold resulterer i lavere seismisk masse. Sådanne forbindelser skal imidlertid være i stand til at gennemgå stabil plasthingning af stråleelementet, hvor 80% af stråleelementets plastkapacitet opretholdes til enten 0,2 rad. (IMF) eller 0,4 rad. (SMF) af Inter-story drift (AISC 341-10). I betragtning af at det nuværende seismiske design af momentrammesystemer kræver, at størstedelen af den uelastiske opførsel forekommer i stråleelementet, stråleelementet skal også nå sin fulde plastkapacitet, inden det gennemgår lokal buckling. Fadden og McCormick (2014A) overvejede både eksperimentelle og endelige elementmodeller til bestemmelse af begrænsende krav til bredde-tykkelse og dybde-tykkelse for HSS under bøjning, da de, der er specificeret i de nuværende AISC seismiske bestemmelser (AISC 341-10) stort set blev udviklet baseret på test af cykliske aksialt belastede HSS-medlemmer.

for at bestemme passende konfigurations-og detaljeringskrav for at imødekomme dette behov for styrke og duktilitet blev fire forskellige forbindelseskonfigurationer eksperimentelt testet: to direkte svejsede ikke-forstærkede forbindelser (uovertruffen og matchet) og to forstærkede forbindelser (gennem plade og ekstern membranplade). Alle forbindelser anvendte en HSS 10h10h5 / 8 kolonne. De direkte svejsede forbindelser anvendte prækvalificerede CJP-svejsninger som specificeret i AV D1. 1 (2010). For den uovertrufne forbindelse var strålen en HSS 12h8h3 / 8 (pr = 0.8) antyder, at plastificering af søjlefladen kan være en bekymring. Til den matchede forbindelse var strålen en HSS 12h10h3 / 8 (prisT = 1,0), der gjorde det muligt at overføre belastningerne direkte ind i sidevæggen. AISC-indlæsningsprotokollen til prækvalifikation af seismiske momentforbindelser blev brugt (AISC 341-10) til at indlæse forbindelserne. Forbindelsens opførsel var som forventet med den uovertrufne forbindelse, der viste deformation ved søjlefladen, mens den matchede forbindelse var i stand til at overføre belastningen til søjlens sidevægge. Imidlertid mislykkedes begge forbindelser på grund af brud i søjlens uædle metal ved tåen på hjørnet af svejsningen (figur 3). Denne skøre svigt ved rotationer på 0,4 rad. og 0,5 rad. bekræftede, at direkte svejsede forbindelser ikke giver den rette adfærd til seismiske applikationer.

de forstærkede forbindelser blev derefter udviklet under hensyntagen til plade-og eksterne membranplader, der ofte bruges i brede flangebjælke-til-HSS-søjleforbindelser for at give en bedre mekanisme til at overføre spændings-og kompressionskræfterne til søjlens sidevæg og minimere spændingskoncentrationer placeret på svejsningerne. For disse forbindelser var bjælkerne HSS 12h8h3 / 8 (pr = 0,8) medlemmer. Oplysninger om den specifikke procedure, der anvendes til at designe og detaljere disse forbindelser, findes i Fadden and McCormick (2014b) og Fadden et al. (2015). Placeret under samme belastning som de ikke-forstærkede forbindelser viste forbindelserne en mere stabil opførsel med plasthængslet, der forekom væk fra søjlefladen i slutningen af den gennemgående eller ydre membranplade (figur 4). Begge forbindelser var også i stand til at nå 0,4 rad. at gennemgå lokal buckling, hvilket resulterede i nedbrydning af momentkapaciteten. Imidlertid startede fraktur i hjørnet af HSS-bjælken på grund af cykling ved store rotationsniveauer på 0,7 rad. En sammenligning af de normaliserede momentrotationskurver for de matchede og eksterne membranpladeforbindelser kan ses i figur 5. Samlet set viste de forstærkede forbindelser løfte om brug af HSS-til-HSS seismiske momentrammesystemer, men mere arbejde er nødvendigt for at flytte disse forbindelser mod eventuel prækvalifikation.

AISC. (2010). “Seismiske bestemmelser for strukturelle stålbygninger”. ANSI / AISC 341-10. American Institute of Steel Construction, Chicago, IL.

AISC. (2010). “Specifikationer for strukturelle stålbygninger”. ANSI / AISC 360-10. American Institute of Steel Construction, Chicago, IL.

ÅÅÅÅ. (2010). “Strukturel Svejsekode”. D1. 1, Det Amerikanske Svejsesamfund, Miami, FL.Fadden, F. og McCormick, J. (2014a). “Endelig Elementmodel af den cykliske Bøjningsadfærd for hule strukturelle sektioner”. Tidsskrift for Konstruktionsstålforskning, 94, 64-75.Fadden, F. og McCormick, J. (2014b). “HSS-til-HSS seismisk øjeblik forbindelse ydeevne og Design”. Tidsskrift for Konstruktionsstålforskning, 101, 373-384.Fadden, F., D. og McCormick, J. (2015). “Cyklisk test af svejsede HSS-til-HSS-Momentforbindelser til seismiske applikationer”. ASCE Journal of Structural Engineering, 141 (2), 04014109-1-14.Jubb, J. E. M. Og R. G. (1966). “Design af samlinger til Bokssektioner”. Institut for bygningsingeniører, konference om industrialiseret bygning og bygningsingeniør, Institut for bygningsingeniører, London.

Korol, R. M., El-Janaty, M. og Brady, F. J. (1977). “Ulige Breddeforbindelser af firkantede hule sektioner i Vierendeel spær”. Canadisk Tidsskrift for civilingeniør, 4, 190-201.

Packer, J. A. (1993). “Momentforbindelser mellem rektangulære hule sektioner”. Tidsskrift for Konstruktionsstålforskning, 25, 63-81.

Packer, J. A., fængselsinspektør, J.-L., van der Vegte, G. J. og Kurobane, Y. (2010). Design Guide 3: til rektangulære hule sektion (RHS) Samlinger under overvejende statisk belastning 2.udgave. Cidect, Canada.

fængselsinspektør, J. (1982). “Hule Sektionsfuger”. Delft University Press, Delft, Holland.

September 2016

Hent PDF