Beam-to-column joints in steel frames

Abstract

469 σ.Tα τελευταία χρόνια αναδεικνύεται συνεχώς περισσότερο η δυνατότητα αξιοποίησης της στροφικής απόκρισης των κόμβων δοκού-υποστυλώματος στην ανάλυση και τον σχεδιασμό των μεταλλικών κατασκευών. Τα οφέλη που προκύπτουν από την εκμετάλλευση της δυνατότητας αυτής αφορούν αφενός την οικονομία των υλικών και την ταχύτητα ανέγερσης και αφετέρου την αξιοποίηση της μετελαστικής απόκρισης των κόμβων για την βελτίωση της αξιοπιστίας και αποτελεσματικότητας της κατασκευής σε περιπτώσεις σχεδιασμού με αυξημένες απαιτήσεις πλαστιμότητας. Στην παρούσα διατριβή επιχειρείται η ανάπτυξη αξιόπιστων μεθόδων εκτίμησης της μη γραμμικής στροφικής συμπεριφοράς κόμβων δοκού-υποστυλώματος, με απώτερο στόχο την διάδοση της συμμετοχής τους στην ανάλυση των κατασκευών, ως ουσιαστικών παραμέτρων σχεδιασμού. Το ενδιαφέρον επικεντρώνεται στις κοχλιωτές συνδέσεις, οι οποίες συμβάλλουν στην ευκολία ανέγερσης και επιπλέον είναι σε θέση να εξασφαλίσουν υψηλή διαθέσιμη πλαστιμότητα. Η περιοχή της εφελκυόμενης ζώνης των συνδέσεων αυτών θεωρείται κρίσιμη παράμετρος της συνολικής συμπεριφοράς του κόμβου και για την περιγραφή της απόκρισης της αναπτύσσεται ένα επαυξητικό προσομοίωμα βραχέος ταυ. Με το προσομοίωμα αυτό αντιμετωπίζονται σύνθετα χαρακτηριστικά της απόκρισης της σύνδεσης βραχέος ταυ, όπως είναι μεταξύ άλλων τα φαινόμενα επαφής, η μη γραμμικότητα υλικού και η τρισδιάστατη εντατική κατάσταση. Το προσομοίωμα αυτό ενσωματώνεται έπειτα ως συστατικό μέρος μηχανικών προσομοιωμάτων κοχλιωτών κόμβων δοκού-υποστυλώματος χρησιμοποιώντας διάφορες εναλλακτικές διασυνδέσεις ελατηρίων. Με τα συγκεκριμένα μηχανικά προσομοιώματα, υπολογίζεται η πλήρης καμπύλη ροπής-στροφής των κόμβων. Η αποτελεσματικότητα τους αξιολογείται με μεγάλο αριθμό πειραματικών δοκιμών και σύνθετων προσομοιωμάτων πεπερασμένων στοιχείων από την βιβλιογραφία. Οι μέθοδοι υπολογισμού της μη γραμμικής απόκρισης των κόμβων συνολικά και της σύνδεσης βραχέος ταυ μεμονωμένα, που αναπτύχθηκαν στην παρούσα διατριβή, αποδεικνύεται ότι οδηγούν σε βελτιωμένη και περισσότερο αξιόπιστη εκτίμηση της πραγματικής συμπεριφοράς, σε σύγκριση με εναλλακτικές μεθοδολογίες υπολογισμού. Θεωρείται κατά συνέπεια, ότι η αξιοποίηση των κόμβων δοκού-υποστυλώματος ως ουσιαστικών παραμέτρων του σχεδιασμού μεταλλικών κατασκευών καθίσταται περισσότερο προσιτή.In recent years the possibility to take into account the rotational behavior of beam-to-column joints in the analysis and design of steel structures becomes more and more prominent. The resultant benefits extend to both material savings and erection speed and also to the utilization of the post-elastic joint response, in order to enhance the reliability and the effectiveness of the structures in cases of design with increased ductility requirements. In the present dissertation, the development of reliable methods for the prediction of the nonlinear rotational joint response is undertaken, towards the long term goal for expanded consideration of joints as effective design parameters. The focus of the research is devoted to bolted connections, which promote erection ease and have the capacity to ensure increased ductility. The tension zone of these connections is considered as a crucial parameter for the complete joint behavior and thus, for the prediction of its response an incremental T-stub model is developed. Employing this model, complex response characteristics of the T-stub connection are taken into consideration, such as the contact phenomena, the material nonlinearity and the three dimensional stress state. This model is afterwards implemented as a component of mechanical models, representing bolted beam-to-column joints, featuring various alternative typologies for the spring assemblage. The full moment-rotation curve is calculated by means of these mechanical models. Their effectiveness is validated through a reasonably high number of experimental tests and advanced finite element models found in the literature. The methods for the calculation of the nonlinear response of complete joints and single T-stub connections, developed in the present dissertation, appear to lead to improved and more reliable prediction of the real behaviour, compared to alternative existing methodologies. It is considered thereafter, that the utilization of beam-to-column joints as effective parameters for the design of steel structures, is further promoted as an applicable option.Μηνάς Ε. Λεμονή