Vierkante en rechthoekige HSS-naar-HSS Moment verbindingen
door Jason McCormick
universitair hoofddocent, civiel & Environmental Engineering, University of Michigan, Ann Arbor, MI, USA
Moment verbindingen gemaakt van rechthoekige en vierkante holle structurele secties (HSS) hebben minder aandacht gekregen in vergelijking met HSS-naar-HSS verbindingen bestaande uit axiaal geladen leden (T-, Y-, cross-, en K-verbindingen). De meeste statische studies die zich richten op deze verbindingen hebben Vierendeel truss systemen overwogen. Deze systemen worden vaak gevormd door vierkante of rechthoekige boven-en onderakkoorden die verbonden zijn met vierkante of rechthoekige verticale web (tak) leden (figuur 1). Als gevolg van deze configuratie, ondergaat de chord-to-web verbinding aanzienlijke buiging samen met afschuiving en axiale belastingen en wordt niet beschouwd als een vastgemaakte verbinding zoals gewoonlijk wordt gedaan in typische truss systemen. Oorspronkelijk bedacht in 1896 door Arthur Vierendeel, was het pas toen HSS werd ontwikkeld dat het potentieel voor Vierendeel spanten begon te worden gerealiseerd (Korol et al. 1977), maar hun gebruik vereist een begrip van hoe het moment tussen HSS-naar-HSS T-verbindingen.
veel van de vroege studies van deze verbindingen richtten zich op het vermogen van de verbinding om de volledige momentcapaciteit van het taklid te ontwikkelen. Jubb en Redwood (1966) toonden aan dat wanneer de taksectie even breed was als de akkoordsectie (β=1) de volledige momentcapaciteit van het HSS-lid kon worden bereikt zonder versterking. In deze studie werd echter geen rekening gehouden met het potentiële verlies van momentcapaciteit als gevolg van de aanwezigheid van axiale belasting. Aan de andere kant, Korol et al. (1977) toonde aan dat verbindingen met een kleinere takbreedte dan het Akkoord de volledige momentcapaciteit van de tak niet konden ontwikkelen zonder te versterken door middel van een reeks van 29 verschillende verbindingsproeven waarbij 5 verschillende configuraties werden overwogen (niet versterkte, takflens versterkende platen, akkoordflensverstevigers, haunch, en afgeknotte piramide). In het algemeen neemt de sterkte en de stijfheid van niet-versterkte Vierendeel-verbindingen af met een toename van de slankheidsverhouding van het akkoord (B/t) en een afname van de tak-naar-akkoordbreedteverhouding (β). Als gevolg hiervan kunnen niet-gesplitste Vierendeel-trussverbindingen alleen als stijf worden beschouwd (d.w.z. minimale relatieve rotatie tussen het Akkoord en de tak ondergaan) wanneer de breedte-verhouding van de tak naar het akkoord 1,0 is en de slankheidsverhouding van het akkoord laag is of de verbinding wordt versterkt (Packer 1993).
omdat de maximale momenten in deze gewrichten kunnen optreden bij excessieve grote vervormingen, wordt een soortgelijke benadering gevolgd als die welke wordt gebruikt voor axiaal belaste vierkante en rechthoekige HSS-gewrichten, waarbij door een uiteindelijke draagvermogen of een vervormings-of draailimiet wordt gebruikt om het ontwerptemoment te karakteriseren (Wardenier 1982). AISC 360-10 (hoofdstuk K3) beschouwt drie grenstoestanden voor vierkante en rechthoekige HSS T-verbindingen onder statische In-plane buigen: akkoordwandplastificatie, zijwand lokale opbrengst, en lokale opbrengst van de tak als gevolg van ongelijke belastingverdeling. De plastificatie van de akkoordwand vindt plaats doordat de breedte van het takdeel kleiner is dan de breedte van het akkoord (β ≤ 0,85), waarbij de door het buigmoment geproduceerde spanning en drukbelasting via het relatief flexibele vlak van het akkoord moet worden overgebracht in plaats van rechtstreeks op de stijvere zijwanden. De limiettoestandvergelijking (AISC 360-10 vergelijking K3-6) kan worden afgeleid uit de opbrengstlijntheorie (Figuur 2):
Mn de nominale moment capaciteit van de verbinding, Fy is de gespecificeerde minimum vloeigrens van het akkoord, Hb is de totale hoogte van de tak, h is de lengte van de last-parameter gelijk is aan de hoogte van de tak gedeeld door de breedte van het akkoord (uitgaande van een 90o hoek tussen de koorde en gemeente lid is een typisch voorbeeld van Vierendeel-liggers)en Qf is een parameter voor het verminderen van de capaciteit van de gezamenlijke in de aanwezigheid van axiale compressie in het akkoord.
de andere twee grenstoestanden worden geassocieerd met verbindingen waarbij de breedte van het takdeel gelijk of bijna gelijk is aan de breedte van het akkoord (β > 0.85) betekent dat de spanning en compressie belastingen ontwikkeld in de flenzen van de tak lid worden bijna direct overgebracht naar de stijvere zijwanden van het akkoord. De limiettoestand voor de lokale opbrengst van de zijwand (AISC 360-10 vergelijking K3-7) van een T-verbinding kan dan worden afgeleid uit de lokale opbrengst van het webvergelijking voor geconcentreerde krachten die worden toegepast op een afstand van het einde van het lid groter dan zijn diepte (AISC 360-10 vergelijking J10-2):
Mn = 0.5Fyt(Hb + 5t)2
de Vergelijking 2
Voor de lokale opbrengst van de tak door ongelijke verdeling van de belasting (AISC 360-10 Vergelijking K3-8) in een T-verbinding, een effectieve breedte aanpak wordt gebruikt om de capaciteit van de brace lid verkrijgen van het nominale moment wordt toegepast door de beugel:
Fyb is de gespecificeerde minimale vloeigrens van de tak, Zb is de kunststof sectiemodulus van de tak rond de buigingsas, beoi is de effectieve breedte van de tak, Bb is de totale breedte van de tak en tb is de wanddikte van de tak.
omdat er beperkt experimenteel bewijs is om specifieke ontwerpmodellen te ondersteunen voor Vierendeel-trussverbindingen (t-verbindingen) onder ‘out-of-plane buiging’, worden analoge grenstoestanden als die voor ‘in-plane buiging’ gebruikt (Packer et al. 2010). Een extra limiettoestand van verstorende storing van het akkoord ontstaat uit het koppel dat door het aftakking-lid op het akkoord wordt toegepast als gevolg van het moment buiten het vlak. Dit koppel kan leiden tot rhomboïdale vervorming van het akkoord. De nominale moment vergelijkingen voor out-of-plane buigen kan worden gevonden in AISC 360-10 vergelijkingen K3-9, K3-10, K3-11, en K3-12. De vergelijkingen voor zowel in-plane als out-of-plane buigen van T-verbindingen zijn vergelijkbaar met die welke internationaal zijn aangenomen (Packer et al. 2010).
de bovenstaande ontwerpvergelijkingen werden afgeleid met betrekking tot Vierendeel-trusssystemen onder statische belastingen. Een recente studie (Fadden et al. 2015) heeft dit werk bevorderd om het gedrag van vierkante en rechthoekige HSS-naar-HSS moment verbindingen onder grote cyclische belastingen te overwegen voor gebruik in buis-gebaseerde seismische moment frame systemen (intermediate en speciale moment frames). Een dergelijk systeem lijkt te profiteren van de uitstekende axiale, buigen, en torsieeigenschappen, hoge sterkte-gewichtsverhouding, en architectonisch aangename aard van vierkante en rechthoekige HSS. De hoge torsieweerstand kan leiden tot een vermindering van de laterale versteviging van de bundel, terwijl de hoge sterkte-gewichtsverhouding resulteert in een lagere seismische massa. Dergelijke verbindingen moeten echter een stabiele kunststof scharnier van het Balk lid kunnen ondergaan, waarbij 80% van de kunststof capaciteit van het Balk lid wordt gehandhaafd op 0,2 rad. (IMF) of 0,4 rad. (SMF) van inter-verhaal drift (AISC 341-10). Gezien het feit dat het huidige seismische ontwerp van momentframesystemen vereist dat het grootste deel van het inelastische gedrag optreedt in het bundellid, moet het bundellid ook zijn volledige plastic capaciteit bereiken voordat het lokale knikken ondergaat. Fadden en McCormick (2014a) beschouwden zowel experimentele als eindige elementen modellen om limiterende breedte-dikte en diepte-dikte eisen voor HSS onder buigen te bepalen, aangezien die gespecificeerd in de huidige AISC seismische Bepalingen (AISC 341-10) grotendeels werden ontwikkeld op basis van tests van cyclisch axiaal geladen HSS leden.
om de juiste configuratie-en detailleringseisen te bepalen om aan deze sterkte-en rekbaarheid-vraag te voldoen, werden vier verschillende verbindingsconfiguraties experimenteel getest: twee direct gelaste niet-versterkte verbindingen (ongeëvenaard en matched) en twee versterkte verbindingen (door plaat en externe membraanplaat). Alle aansluitingen maakten gebruik van een HSS 10x10x5/8 kolom. De direct gelaste verbindingen gebruikt vooraf gekwalificeerde CJP lassen zoals gespecificeerd in AWS D1. 1 (2010). Voor de ongeëvenaarde verbinding was de balk een HSS 12x8x3 / 8 (β = 0.8) suggereert dat plastificering van het kolomvlak een punt van zorg kan zijn. Voor de op elkaar afgestemde aansluiting was de balk een HSS 12x10x3 / 8 (β = 1,0) waardoor de belastingen direct in de zijwand konden worden overgebracht. Het AISC-laadprotocol voor prekwalificatie van seismische moment-verbindingen werd gebruikt (AISC 341-10) om de verbindingen te laden. Het gedrag van de verbindingen was zoals verwacht met de ongeëvenaarde verbinding vertoond vervorming op de kolom gezicht, terwijl de overeenkomende verbinding was in staat om de belasting over te dragen aan de kolom zijwanden. Echter, beide verbinding mislukt als gevolg van breuk in het basismetaal van de kolom aan de teen van de hoek van de las (Figuur 3). Deze brosse storing bij rotaties van 0,4 rad. en 0,5 rad., respectievelijk, bevestigd dat direct gelaste verbindingen niet het juiste gedrag voor seismische toepassingen bieden.
De versterkte verbindingen werden vervolgens ontwikkeld door middel van platen en externe membraanplaten die vaak worden gebruikt in brede flensbundel-naar-HSS-kolomverbindingen om een beter mechanisme te bieden om de spanning en compressiekrachten over te brengen naar de zijwand van de kolom en de spanningsconcentraties op de lassen te minimaliseren.. Voor deze verbindingen waren de balken HSS 12x8x3/8 (β = 0.8) leden. Informatie met betrekking tot de specifieke procedure die wordt gebruikt om deze verbindingen te ontwerpen en te detailleren is te vinden in Fadden en McCormick (2014b) en Fadden et al. (2015). Geplaatst onder dezelfde belasting als de niet-versterkte verbindingen, vertoonden de verbindingen een stabieler gedrag waarbij de kunststof scharnier zich buiten het kolomvlak aan het einde van de door-of uitwendige membraanplaat bevond (Figuur 4). Beide verbindingen konden ook 0,4 rad bereiken. van rotatie voorafgaand aan het ondergaan van lokale knik, wat resulteerde in degradatie van het moment capaciteit. Echter, fractuur begon bij de hoek van de HSS-straal als gevolg van cycli bij grote rotatieniveaus van 0,7 rad. Een vergelijking van de genormaliseerde momentrotatiecurves voor de matched en externe membraanplaatverbindingen is te zien in Figuur 5. Over het algemeen waren de versterkte verbindingen veelbelovend voor het gebruik van HSS-naar-HSS seismische moment frame-systemen, maar er is meer werk nodig om deze verbindingen te verplaatsen naar een uiteindelijke prekwalificatie.
AISC. (2010). “Seismische Voorzieningen voor stalen Constructiegebouwen”. ANSI / AISC 341-10. American Institute of Steel Construction, Chicago, IL.
AISC. (2010). “Specificaties voor stalen Constructiegebouwen”. ANSI / AISC 360-10. American Institute of Steel Construction, Chicago, IL.
AWS. (2010). “Structurele Lascode”. ANSI / AWS D1. 1, American Welding Society, Miami, FL.
Fadden, F. en McCormick, J. (2014a). “Finite Element Model of the Cyclic buiging Behavior of Hollow Structural Sections”. Journal of Constructional Steel Research, 94, 64-75.
Fadden, F. en McCormick, J. (2014b). “HSS-to-HSS seismische Moment Connection Performance and Design”. Journal of Constructional Steel Research, 101, 373-384.
Fadden, F., Wei, D., and McCormick, J. (2015). “Cyclisch testen van gelaste HSS-naar-HSS Moment aansluitingen voor seismische toepassingen”. ASCE Journal of Structural Engineering, 141 (2), 04014109-1-14.* J. E. M. and Redwood, R. G. (1966). “Ontwerp van verbindingen naar Box secties”. The Institution of Structural Engineers, Conference on Industrial Building en The Structural Engineer, Institute of Structural Engineers, London.Korol, R. M., El-Zanaty, M., and Brady, F. J. (1977). “Ongelijke Breedteverbindingen van vierkante holle profielen in Vierendeel spanten”. Tijdschrift voor Civiele Techniek, 4, 190-201.
Packer, J. A. (1993). “Momentverbindingen tussen rechthoekige holle profielen”. Tijdschrift voor Wetenschappelijk Onderzoek, 25, 63-81.Packer, J. A., Wardenier, J., Zhao, X.-L., Van der Vegte, G. J. en Kurobane, Y. (2010). Design Guide 3: voor rechthoekige holle profielen (RHS) voegen onder overwegend statische belasting 2e editie. CIDECT, Canada.
Wardenier, J. (1982). “Holle Profielen”. Delft University Press, Delft, Nederland.
September 2016
download PDF
Leave a Reply