Numerical study of block tearing failure in steel angles connected by one leg

• Autorzy: Bernatowska Edyta , Ślęczka Lucjan

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2021.136473

Warianty tytułu

PL

Analiza numeryczna rozerwania blokowego w kątownikach połączonych jednym ramieniem

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Block tearing is a failure mode of steel connections based on rupture of material. In this paper, a numerical model is developed to capture fracture initiation and progression until failure in steel angles connected by one leg using single row of bolts. It was realized using Gurson-Tvergaard-Needleman porous material model, which can accurately trace the behaviour of steel at plastic and ultimate range. Obtained results are validated on laboratory test results in global and local terms. Stress distribution along the failure paths in the gross and net area subjected to shear and tension was investigated for different geometrical arrangements of connections. Observation of rupture mechanisms allowed to compare the design procedures given in Eurocode 3 with connections behaviour. Results of analysis indicate that both plastic stress distribution in gross shear area and ultimate stress distribution in net shear area can limit block tearing resistance, which is consistent with the newest code provisions.

PL

Rozerwanie blokowe w połączeniach śrubowych następuje przez jednoczesne ścięcie przekroju netto wzdłuż kierunku obciążenia i rozerwanie przekroju netto w jego poprzek. Ocenia się, że jest ono miarodajne w wielu przypadkach przy wyznaczaniu nośności kątowników mocowanych jednym ramieniem przy użyciu śrub. Istnieje wiele badań doświadczalnych tego zjawiska, lecz liczba analiz numerycznych rozpatrujących tę formę zniszczenia nie jest duża. W niniejszej pracy zawarto opis modelu połączenia śrubowego, zbudowanego za pomocą MES, którego celem jest analiza rozerwania blokowego występującego w kątownikach. Model zawiera wszystkie elementy składowe połączenia, takie jak blacha węzłowa, kątownik, śruby z nakrętkami i podkładki. Uwzględnione jest zjawisko kontaktu, co pozwala właściwie odwzorować przekazywanie sił przez śruby podlegające dociskowi. Zastosowano sprężysto-plastyczny model materiału Gursona-Tvergaarda-Needlemana, który ujmuje proces niszczenia materiału. Taki model materiału pozwala na szacowanie obciążenia granicznego spowodowanego plastycznym jego pękaniem, z uwzględnieniem parametrów mikrostruktury oraz właściwości mechanicznych. Właściwości mechaniczne zastosowanej stali uzyskano z badań. Pozostałe parametry determinujące proces niszczenia zaczerpnięto z piśmiennictwa oraz procesu kalibracji modelu materiału. Własne badania doświadczalne połączeń kątowników mocowanych jedną, lub większą liczbą śrub (od 2 do 4), posłużyły także do walidacji zachowania całego połączenia. Walidacja została przeprowadzona na podstawie zarówno globalnego, jak i lokalnego zachowania połączenia.

Słowa kluczowe

EN

bolted connection; block shear; FEM analysis; Gurson-Tvergaard-Needleman material model; steel angle

PL

połączenie śrubowe; rozerwanie blokowe; analiza MES; model materiału Gursona-Tvergaarda-Needlemana; kątownik stalowy

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2021
• Tom: Vol. 67, nr 1
• Strony: 269--283
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Bernatowska Edyta

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

autor

Ślęczka Lucjan

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

Bibliografia

• 1. E. Bernatowska, L. Ślęczka, “Net section fracture assessment of steel bolted joints with shear lag effect” MATEC Web of Conferences 262, 2019.
• 2. P. C. Birkemoe, M. I. Gilmor, “Behavior of Bearing Critical Double-Angle Beam Connections”, Engineering Journal, AISC, Vol. 15 (1978), pp. 109-115.
• 3. EN 1993-1-8:2005: Eurocode 3 - Design of steel structures - part 1-8: Design of joints. CEN, Brussels, 2005.
• 4. prEN 1993-1-8:2019: Eurocode 3 - Design of steel structures - part 1-8: Design of joints. CEN/TC250, 2019.
• 5. M. B. Helwe, S. N. El Kalash, E. G. Hantouche “Alternate block shear in beams: Experimental and FE fracture modeling”, Engineering Structures 186 (2019) 110-120.
• 6. J. Kim, J. Yoon, B. Kang, “Finite element analysis and modeling of structure with bolted joints”, Applied Mathematical Modelling 31: 895-911, 2007.
• 7. P. Kossakowski, “An analysis of the load-carrying capacity of elements subjected to complex stress states with a focus on the microstructural failure”. Archives of Civil and Mechanical Engineering 10: 15-39, 2010.
• 8. P. Kossakowski, “Analysis of the void volume fraction for S235JR steel at failure for low initial stress triaxiality”, Archives of Civil Engineering 64:101-115, 2018.
• 9. P. Kossakowski, „Application of damage mechanics in the analysis of pre-failure states of metal structures” (in Polish), Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej Budownictwo i Inżynieria Środowiska 59 (3/12/II): 177-184, 2012.
• 10. G. L. Kulak, E. Y. Wu, “Shear lag in bolted angle tension members”, Journal of Structural Engineering, vol. 123, pp. 1144-1152, 1997.
• 11. P. Može, “Angles connected by one leg in tension”, EUROSTEEL 2017, September 13-15, 2017, Copenhagen, Denmark.
• 12. H. L. N. Munter, L. P. Bouwman, “Report: 6-81-21: Angles connected by bolts in one leg, Comparison to French, Eurocode 3 and Dutch formulae with the results of French and Dutch tests”, Stevin Laboratory, Department of Civil Engineering, Delft University of Technology, November 1981.
• 13. E. L. Salih, L. Gardner, D. A. Nethercot, “Numerical investigation of net section failure in stainless steel bolted connections”, Journal of Constructional Steel Research, 66: 1455-1466, 2010.
• 14. H. H. Snijder, D. Ungermann, J. W. B. Stark, G. Sedlacek, F. S. K. Bijlaard, A. Hemmert-Halswick, "Evaluation of test results on bolted connections in order to obtain strength functions and suitable model factors - Part A: Results. Eurocode No.3 - Part 1 - Background documentation”, Commission of the European Communities, Brussels 1988.
• 15. H. H. Snijder, D. Ungermann, J. W. B. Stark, G. Sedlacek, F. S. K. Bijlaard, A. Hemmert-Halswick, "Evaluation of test results on bolted connections in order to obtain strength functions and suitable model factors - Part B: Evaluations." Eurocode No.3 - Part 1 - Background documentation, Commission of the European Communities, Brussels 1988.
• 16. C. Topkaya, “A finite element parametric study on block shear failure of steel tension members”, Journal of Constructional Steel Research 60: 1615-1635, 2004.
• 17. H. Wen, H. Mahmoud, “Simulation of block shear fracture in bolted connections”, Journal of Constructional Steel Research 134: 1-16, 2017.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).