Net section resistance of steel angles connected by one leg

• Autorzy: Bernatowska Edyta , Ślęczka Lucjan

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2022.143038

Warianty tytułu

PL

Nośność przekroju osłabionego w kątownikach mocowanych jednym ramieniem

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In civil engineering structures, steel angles are often used as tensioned elements, because of their ease of fabrication and assembly. For practical reasons, angles are usually connected only by one leg, using a single row of bolts, and rupture of weakened section usually determines a joint capacity. Also, eccentricity affects the distribution of stresses in the net section and hence its load capacity. Assessment of ultimate resistance is a completely different issue compared to the well-known and established problems of plastic resistance and requires advanced material modelling. The paper presents a numerical simulation of net section failure of tensioned angles, made of structural steel grade S275, taking into account ductile initiation and propagation of fracture using the Gurson-Tvergaard-Needleman damage model. Extensive parametrical analysis of ultimate tensile resistance was performed with a wide range of parameters. The typical and well-recognised failure modes were observed as net section fracture and block tearing. Also, an additional failure mode, classified as limited block tearing, has occurred which is not considered in current design provisions. The paper describes the impact of individual geometrical properties of the joint (numbers of bolts, connection length, and distance from the edge of the connected leg to the center of the fastener hole) on the apparent failure form and the resistance obtained.

PL

W stalowych konstrukcjach budowlanych kątowniki są stosowane najczęściej jako elementy rozciągane, głównie ze względu na łatwość ich wytwarzania i montażu. Ze względów praktycznych łączy się je tylko jednym ramieniem, za pomocą pojedynczego rzędu śrub, a zerwanie osłabionego przekroju decyduje zwykle o nośności całego połączenia. Na rozkład naprężenia w złączu i tym samym nośność przekroju netto wywiera również wpływ mimośród obciążenia. Przy projektowaniu takich elementów, oprócz uwzględnienia nośności plastycznej przekroju brutto, należy wziąć pod uwagę nośność graniczną przekroju poprzecznego netto oraz nośność na rozerwanie blokowe. W obu tych ostatnich formach zniszczenia stanem granicznym jest rozerwanie materiału i ważne jest uwzględnienie opisu ciągliwego pękania stali w celu uzyskania miarodajnego oszacowania nośności. Wymaga to zaawansowanego modelowania materiału w porównaniu do dobrze już rozpoznanych zjawisk nośności plastycznej. W pracy przedstawiono symulację numeryczną zniszczenia przekroju netto połączenia kątowników rozciąganych, wykonanych ze stali konstrukcyjnej gatunku S275, z uwzględnieniem inicjacji i ciągliwej propagacji pęknięcia. Zastosowano model materiału Gursona-Tvergaarda-Needlemana. Przeprowadzono obszerną analizę parametryczną nośności granicznej i powstającej formy zniszczenia. Badano wpływ: - stosunku szerokości ramienia do jego grubości b/t w kątownikach równoramiennych, - rozstawu otworów na śruby w kierunku działania obciążenia p1 i całkowitej długości połączenia Lp, - odległości osi otworu od krawędzi w kierunku prostopadłym do kierunku działającego obciążenia e2, - odległości osi skrajnego otworu od krawędzi w kierunku równoległym do działającego obciążenia e1, oraz - zróżnicowania parametrów mechanicznych stali. Zaobserwowano typowe, i dobrze już rozpoznane, mechanizmy zniszczenia takie, jak rozerwanie przekroju poprzecznego netto oraz rozerwanie blokowe. Analizy pokazały także dodatkową formę zniszczenia sklasyfikowaną jako ograniczone rozerwanie blokowego, która nie była dotychczas uwzględniana w przepisach projektowania. W artykule stwierdzono, że model materiału Gursona-Tvergaarda-Needlemana może być bardzo korzystny z punktu widzenia modelowania węzłów i połączeń, których nośność opiera się na rozerwaniu materiału. Przedstawiono także wpływ parametrów geometrycznych na powstające formy zniszczenia, w szczególności na nowo zaobserwowany mechanizm ograniczonego rozerwania blokowego.

Słowa kluczowe

EN

lap connection; bolted connection; steel angle; net section fracture; block tearing; numerical simulation

PL

połączenie śrubowe; połączenie zakładkowe; kątownik stalowy; nośność graniczna; rozerwanie blokowe; symulacja numeryczna

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2022
• Tom: Vol. 68, nr 4
• Strony: 275--291
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Bernatowska Edyta

• Rzeszów University of Technology, Faculty of Civil and Environmental Engineering and Architecture, Rzeszów, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-0591-5202

autor

Ślęczka Lucjan

• Rzeszów University of Technology, Faculty of Civil and Environmental Engineering and Architecture, Rzeszów, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-8979-7073

Bibliografia

• [1] G.L. Kulak, E.Y. Wu, “Shear Lag in Bolted Angle Tension Members”, Journal of Structural Engineering, 1997, vol. 123, no. 9, pp. 1144-1152; DOI: 10.1061/(asce)0733-9445(1997)123:9(1144).
• [2] P. Može, “Angles connected by one leg in tension”, Ce/Papers, 2017, vol. 1, no. 2-3, pp. 3771-3780; DOI: 10.1002/cepa.433.
• [3] B. Jiang, M.C.H. Yam, K. Ke, A.C.C Lam, Q. Zhao, “Block shear failure of S275 and S690 steel angles with single-line bolted connections”, Journal of Constructional Steel Research, 2020, vol. 170; DOI: 10.1016/ j.jcsr.2020.106068.
• [4] P. Može, “Statistical evaluation of bearing resistance and related strength functions for bolted connections”, Journal of Constructional Steel Research, 2020, vol. 171, art. ID 106128; DOI: 10.1016/j.jcsr.2020.106128.
• [5] W. Barcewicz, S. Wierzbicki, M.A. Giżejowski, S. Labocha, R. Czyż, “Experimental investigation of angle length effect - angles in tension connected by one leg”, in Modern trends in research on steel aluminium and composite structures, M. Giżejowski, et al., Eds. 2021, pp. 85-91; DOI: 10.1201/9781003132134-7.
• [6] C. Topkaya, “A finite element parametric study on block shear failure of steel tension members”, Journal of Constructional Steel Research, 2004, vol. 60, no. 11, pp. 1615-1635; DOI: 10.1016/j.jcsr.2004.03.006.
• [7] E.L. Salih, L. Gardner, D.A. Nethercot, “Numerical investigation of net section failure in stainless steel bolted connections”, Journal of Constructional Steel Research, 2010, vol. 66, no. 12, pp. 1455-1466; DOI: 10.1016/j.jcsr.2010.05.012.
• [8] R. Yan, H. Xin, M. Veljkovic, “Ductile fracture simulation of cold-formed high strength steel using GTN damage model”, Journal of Constructional Steel Research, 2021, vol. 184, art. ID 106832; DOI: 10.1016/j.jcsr.2021.106832.
• [9] A. Kanvinde, “Predicting Fracture in Civil Engineering Steel Structures: State of the Art”, Journal of Structural Engineering, 2017, vol. 143, no. 3, art. ID 03116001; DOI: 10.1061/(asce)st.1943-541x.0001704.
• [10] H. Wen, H. Mahmoud, “Simulation of block shear fracture in bolted connections”, Journal of Constructional Steel Research, 2017, vol. 134, pp. 1-16; DOI: 10.1016/j.jcsr.2017.03.006.
• [11] K. Ke, Y.H. Xiong, M.C.H. Yam, A.C.C.Lam, K.F. Chung, “Shear lag effect on ultimate tensile capacity of high strength steel angles”, Journal of Constructional Steel Research, 2018, vol. 145, pp. 300-314; DOI: 10.1016/j.jcsr.2018.02.015.
• [12] A.L. Gurson, “Continuum theory of ductile rupture by void nucleation and growth”, Journal of Engineering Materials and Technology, 1977, vol. 99, no. 76, pp. 2-15.
• [13] A. Needleman, V. Tvergaard, “An analysis of ductile rupture in notched bars”, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 1984, vol. 32, no. 6, pp. 461-490; DOI: 10.1016/0022-5096(84)90031-0.
• [14] X.D. Qian, Y.S. Choo, J.Y.R. Liew, J. Wardenier, “Simulation of Ductile Fracture of Circular Hollow Section Joints Using the Gurson Model”, Journal of Structural Engineering, 2005, vol. 131, no. 5, pp. 768-780; DOI: 10.1061/(ASCE)0733-9445(2005)131:5(768).
• [15] F. Yang, M. Veljkovic, Y. Liu, “Ductile damage model calibration for high-strength structural steels”, Construction and Building Materials, 2020, vol. 263, art. ID 120632; DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2020.120632.
• [16] E. Bernatowska, L. Ślęczka, “Numerical study of block tearing failure in steel angles connected by one leg”, Archives of Civil Engineering, 2021, vol. 67, no. 1, pp. 269-283; DOI: 10.24425/ace.2021.136473.
• [17] T. Soo Kim, H. Kuwamura, “Finite element modeling of bolted connections in thin-walled stainless steel plates under static shear”, Thin-Walled Structures, 2007, vol. 45, no. 4, pp. 407-421; DOI: 10.1016/j.tws.2007.03.006.
• [18] J. Kim, J.C. Yoon, B.S. Kang, “Finite element analysis and modeling of structure with bolted joints”, Applied Mathematical Modelling, 2007, vol. 31, no. 5, pp. 895-911; DOI: 10.1016/j.apm.2006.03.020.
• [19] E. Bernatowska, L. Ślęczka, “Experimental and numerical investigation into failure modes of tension angle members connected by one leg”, Materials, 2021, vol. 14, no. 18; DOI: 10.3390/ma14185141.
• [20] EN 10025-1 Hot rolled products of structural steels - Part 1: General technical delivery conditions. CEN, Brussels, 2007.
• [21] P.G. Kossakowski, “Experimental determination of the void volume fraction for S235JR steel at failure in the range of high stress triaxialities”, Archives of Metallurgy and Materials, 2017, vol. 62, no. 1, pp. 167-172; DOI: 10.1515/amm-2017-0023.
• [22] P.G. Kossakowski, “Analysis of the void volume fractions for 235JR steel at failure for low initial stress triaxiality”, Archives of Civil Engineering, 2018, vol. 64, no. 1, pp. 101-115; DOI: 10.2478/ace-2018-0007.
• [23] E. Bernatowska, L. Ślęczka, “Net section fracture assessment of steel bolted joints with shear lag effect”, MATEC Web of Conferences, 2019, vol. 262, art. ID 09002; DOI: 10.1051/matecconf/201926209002.
• [24] E. Bernatowska, “Numerical simulations of ductile fracture in steel angle tension members connected with bolts”, Civil and Environmental Engineering Reports, 2020, vol. 30, no. 2, pp. 32-54; DOI: 10.2478/ceer-2020-0018.
• [25] J. Jönsson, “Block failure in connections -including effects of eccentric loads”, in Proc. 7th European Conference on Steel and Composite Structures (Eurosteel 2014), Napoli, Italy, 10-12 Sept. 2014.
• [26] S. Maleki, M. Ghaderi-Garekani, “Block shear failure in welded gusset plates under combined loading”, Journal of Constructional Steel Research, 2020, vol. 170, art. ID 106079; DOI: 10.1016/j.jcsr.2020.106079.