Experimental investigations of steel cold-formed moment-resisting bolted lap joints under monotonic and cyclic loading

• Autorzy: Budziński Rafał , Ślęczka Lucjan

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2023.147664

Warianty tytułu

PL

Badania doświadczalne stalowych, zakładkowych węzłów śrubowych w stalowych konstrukcjach giętych na zimno pod obciążeniem monotonicznym i cyklicznym

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Joints in cold-formed steel framing structures are usually designed as bolted lap type ones with a gusset plate. Unlike the end-plate joints in hot-rolled structures, the load in such joints is transferred through shearing of the bolts and bearing of the material. The prediction of their structural properties may be problematic in view of unfavourable influence of the hole clearance and hole ovalization resulting from low bearing resistance of thin walls. A few experimental programmes showed that these issues lead to a different behaviour of the whole joint comparing to common end plate type. These concerns may be particularly important for joints under variable loading, which are prone to deterioration of structural properties. The testing programme conducted by the authors was focused on their behaviour under monotonic and cyclic loading with attention to a potential drop of resistance and stiffness. Monotonic tests revealed quite similar course of the joints’ response. In view of high deformability of the specimens at the intermediate stage of each monotonic test, plastic moment resistances of joints were associated with the initial part of the moment-rotation curves and were multiple times lower than maximum moments obtained in the experiments. The quantities of deterioration of structural properties were determined based on cyclic tests. Drop of resistance and stiffness was observed for several levels of loading range, but the trend of decrease varied for each property. Application of the DIC technique allowed one to identify qualitatively and quantitatively the sources of joint deformability.

PL

Węzły w stalowych konstrukcjach szkieletowych z elementów giętych na zimno są zwykle projektowane jako śrubowe zakładkowe z blachą węzłową. W odróżnieniu od wariantu doczołowego, powszechnego w konstrukcjach z kształtowników walcowanych na gorąco, obciążenie jest w nich przekazywane poprzez ścinanie śrub i docisk do ścianek elementów. Ich projektowanie może nastręczać trudności jeśli chodzi o przewidywanie właściwości strukturalnych związanych z obrotem, a więc sztywności i ciągliwości. Wynika to z niekorzystnych i trudnych w analizie przemieszczeń wewnątrz złączy śrubowych. Składają się na nie luzy występujące pomiędzy trzpieniem śruby a otworem oraz owalizacja otworów pod obciążeniem spowodowana małą nośnością cienkich ścianek na docisk. Wiele dotychczas przeprowadzonych badań doświadczalnych wykazało, że wspomniane wpływy prowadzą do innego zachowania się tego typu węzłów w porównaniu z wariantem doczołowym. Zagadnienia te mogą okazać się szczególnie niekorzystne przy działaniu obciążeń zmiennych, prowadzących do potencjalnej degradacji właściwości strukturalnych. W niniejszym artykule przedstawiono podsumowanie autorskich badań doświadczalnych śrubowych węzłów zakładkowych, pełniących funkcję połączenia okapowego w stalowej ramie portalowej z kształtowników giętych na zimno. Celem badań było określenie ich zachowania się pod wpływem obciążeń monotonicznych i cyklicznych ze zwróceniem szczególnej uwagi na potencjalną degradację nośności i sztywności. Nowością opisaną w artykule jest zastosowanie techniki DIC (Digital Image Correlation), która pozwoliła na jakościową i ilościową identyfikację źródeł odkształcalności węzłów. Badania przeprowadzono na stanowisku doświadczalnym przygotowanym dla węzłów narożnych konstrukcji stalowych. Elementy próbne składały się z fragmentu rygla i słupa ramy portalowej (odpowiednio element pionowy i poziomy), połączonych w sposób zakładkowy z wykorzystaniem blachy węzłowej. Siła generująca moment zginający w węźle przykładana była poziomo w swobodnym końcu rygla (element pionowy) dzięki wykorzystaniu siłownika hydraulicznego. Następnie obciążenie przekazywane było na słupek (element poziomy), który był połączony pośrednio z podłogą siłową za pomocą dwóch podpór przegubowych.

Słowa kluczowe

EN

bolted lap connection; cold-formed steel; cyclic loading; initial stiffness; steel joint

PL

kształtownik gięty na zimno; obciążenie cykliczne; połączenie śrubowe; połączenie zakładkowe; sztywność początkowa; węzeł stalowy

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2023
• Tom: Vol. 69, nr 4
• Strony: 359--377
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Budziński Rafał

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

• https://orcid.org/0000-0002-9890-845X

autor

Ślęczka Lucjan

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

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

Bibliografia

• [1] J. Bródka, A. Kozłowski, I. Ligocki, J. Łaguna, and L. Ślęczka, Design and calculating of connections and joints of steel structures, vol. 2. Rzeszów, Poland: Polish Technical Publisher, 2013 (in Polish).
• [2] A.M. Wrzesien and J.B.P. Lim, “Cold-formed steel portal frame joints a review”, in Proceedings of the 19th International Specialty Conference on Cold-Formed Steel Structures. St. Louis, Missouri, USA, 2008, pp. 591-606.
• [3] P. Krystosik, “On the columns buckling length of unbraced steel frames with semi-rigid joints”, Archives of Civil Engineering, vol. 67, no. 1, pp. 539-556, 2021, doi: 10.24425/ace.2021.136488.
• [4] A. Kozłowski, “Guidelines for predesign of steel frames with semi-rigid joints”, in EUROSTEEL 2005. Proceedings of the 4th European Conference on Steel and Composite Structures: Research-Eurocodes-Practice. Maastricht, The Netherlands, 2005, vol. C. pp. 4.10-197-4.10-205.
• [5] Ž. Bučmys and A. Daniūnas, “Rectangular gusset plate behaviour in cold-formed I-type steel connections”, Archives of Civil Engineering, vol. 63, no. 2, pp. 3-21, 2017, doi: 10.1515/ace-2017-0013.
• [6] EN 1993-1-8 Eurocode 3 – Design of steel structures – Part 1-8: Design of joints. CEN, Brussels, 2006.
• [7] R. Klich, A. Wojnar, and A. Kozłowski, “Experimental tests of corner joints used in steel thin-walled frames”, in Progress in steel and composite structures: proceedings of the 12th International Conference on Metal Structures. Wrocław, Poland, 2011.
• [8] D. Dubina, A. Stratan, and Z. Nagy, “Full – scale tests on cold-formed steel pitched-roof portal frames with bolted joints”, Advanced Steel Construction, vol. 5, no. 2, pp. 175-194, 2009, doi: 10.18057/IJASC.2009.5.2.7.
• [9] M. Firdaus, A. Saggaff, M. Tahir, S.P. Ngian, K. Aminuddin, and F. Usman, “Experimental study of slip-in haunched gusset plate connection for double lipped cold- formed steel section”, International Journal of Scientific & Technology Research, vol. 8, no. 12, pp. 3215-3221, 2019.
• [10] E. Bernatowska and L. Slęczka, “Net section resistance of steel angles connected by one leg”, Archives of Civil Engineering, vol. 68, no. 4, pp. 275-291, 2022, doi: 10.24425/ace.2022.143038.
• [11] J.B.P. Lim and D.A. Nethercot, “Ultimate strength of bolted moment-connections between cold-formed steel members”, Thin-Walled Structures, vol. 41, no. 11, pp. 1019-1039, 2003, doi: 10.1016/S0263-8231(03)00045-4.
• [12] F. Öztürk and S. Pul, “Experimental and numerical study on a full scale apex connection of cold-formed steel portal frames”, Thin-Walled Structures, vol. 94, pp. 79-88, 2015, doi: 10.1016/j.tws.2015.04.004.
• [13] X. Chen, H.B. Blum, K. Roy, P. Pouladi, A. Uzzaman, and J.B.P. Lim, “Cold-formed steel portal frame moment-resisting joints: Behaviour, capacity and design”, Journal of Constructional Steel Research, vol. 183, 2021, doi: 10.1016/j.jcsr.2021.106718.
• [14] L.H. Martin and S. Robinson, “Experiments to investigate parameters associated with the failure of triangular steel gusset plates”, in Joint in structural steelwork, J. H. Howlett, W. M. Jenkins, and R. Stainsby, Eds. Pentech Press, 1981.
• [15] EN 1090-2 Execution of steel structures and aluminium structures – Part 2: Technical requirements for steel structures. CEN, Brussels, 2018.
• [16] J. Henriques, J.-P. Jaspart, and L. Silva, “Ductility requirements for the design of bolted lap shear connections in bearing”, Advanced Steel Construction, vol. 10, no. 1, pp. 33-52, 2014, doi: 10.18057/ijasc.2014.10.1.3.
• [17] J. Ye, S. Mojtabaei, and I. Hajirasouliha, “Seismic performance of cold-formed steel bolted moment connections with bolting friction-slip mechanism”, Journal of Constructional Steel Research, vol. 156, pp. 122-136, 2019, doi: 10.1016/j.jcsr.2019.01.013.
• [18] A.B. Sabbagh, M. Petkovski, K. Pilakoutas, and R. Mirghaderi, “Cyclic behaviour of bolted cold-formed steel moment connections: FE modelling including slip”, Journal of Constructional Steel Research, vol. 80, pp. 100-108, 2013, doi: 10.1016/j.jcsr.2012.09.010.
• [19] Y.N. Saleh, H. H. Elanwar, M.T. Hanna, and S.A. Mourad, “Assessment of frame corner connections subjected to cyclic loading in cold formed steel sections”, Journal of Constructional Steel Research, vol. 199, 2022, doi: 10.1016/j.jcsr.2022.107601.
• [20] J. Ye, G. Quan, X. Yun, X. Guo, and J. Chen, “An improved and robust finite element model for simulation of thin-walled steel bolted connections”, Engineering Structures, vol. 250, 2022, doi: 10.1016/j.engstruct.2021.113368.
• [21] ECCS, Recommended testing procedure for assessing the behaviour of structural steel elements under cyclic loads. European Convention for Constructional Steelwork, no. 45, 1986.
• [22] L. Ślęczka, Shaping and analysis of selected steel frame joints subjected to variable actions. Rzeszów, Poland: Publishing House of the Rzeszow University of Technology, 2013 (in Polish).

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).