Numerical and analytical investigation of aluminium bracket strengthening

• Autorzy: Ambroziak A. , Solarczyk M. T. , Biegus A.

Identyfikatory

DOI

10.2478/ace-2018-0015

Warianty tytułu

PL

Analityczna i numeryczna analiza wzmocnionych konsol aluminiowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper focuses on an analytical and numerical investigation of aluminium brackets used to fasten light-weight curtain walls to building facilities. The authors propose a solution to increase the load capacity of aluminium brackets by means of additional cover plates (straps). This paper also includes a short survey of literature and material properties concerning the EN AW-6060 T6 aluminium alloy. This paper suggests an initiation of a comprehensive investigation on aluminium brackets.

PL

W pracy przedstawiono numeryczne oraz analityczne badania nośności i sztywności wzmocnionych konsol aluminiowych. Są one stosowane jako elementy łącznikowe fasad słupowo-ryglowych z konstrukcją budynku. Konsole wykonano ze stopu aluminium AW-6060 wg PN-EN 573-3:2004, odmiana T66 wg PN-EN 515:1996. Wstępne analizy wytężania i zachowanie się konsol wykazały, że są one o niedostatecznej nośności oraz sztywności, czego podstawową przyczyną była zbyt wiotka ich blacha czołowa, a także jej otwory owalne montażowe. W celu zwiększania nośności i sztywności konsol zaproponowano zastosowanie nakładek (tzw. stempli), usytuowanych pod nakrętkami śrub łączących je z konstrukcją budynku. Wzmacniają one lokalnie blachy czołowe konsol. Ich zadaniem konstrukcyjnym jest m.in. zmniejszenie ramienia „zginania” c oraz zwiększenie sztywności giętnej blachy czołowej konsoli. W pracy dokonano krótkiego omówienia modeli materiałowych stosowanych do opisu stopu aluminium, wraz z podaniem wybranych parametrów materiałowych. Stworzono dwa bryłowe modele numeryczne konsol ze wzmocnieniem i bez wzmocnienia nakładkami, a następnie porównywano wartości ich przemieszczeń i naprężeń. W symulacjach numerycznych wykorzystano program MSC.Marc z opcją kontaktu (metoda kontaktu: segment-to-segment) pomiędzy elementami bryłowymi wraz z zdefiniowanym współczynnikiem tarcia bi-liniowego Colomba. Wykonane badania numeryczne wykazały, że wzmocnienie analizowanych konsol nakładkami (stemplami) zwiększyło ich nośność i sztywność o około 50 %, co pozwoliło w bezpieczny sposób przenieść prognozowane obciążenia na konstrukcję budynku.

Słowa kluczowe

EN

aluminium bracket; strengthening; cover plate; mechanical properties; EN AW-6060 T66; finite element method

PL

konsola aluminiowa; właściwości mechaniczne; EN AW-6060 T66; wzmocnienie; nakładka; metoda elementów skończonych

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2018
• Tom: Vol. 64, nr 2
• Strony: 37--54
• Opis fizyczny: Bibliogr. 33 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Ambroziak A.

• Gdansk University of Technology, Faculty of Civil and Environmental Engineering, Gdańsk, Poland

autor

Solarczyk M. T.

• Gdansk University of Technology, Faculty of Civil and Environmental Engineering, Gdańsk, Poland

autor

Biegus A.

• Wroclaw University of Science and Technology, Faculty of Civil Engineering, Wrocław, Poland

Bibliografia

• 1. Z. Al-Khatab, A. Bouchaïr, “Analysis of a bolted T-stub strengthened by backing-plates with regard to Eurocode 3”, Journal of Constructional Steel Research, 63: 1603–1615, 2007.
• 2. A. Ambroziak, “Application of elasto-viscoplastic Bodner-Partom constitutive equations in finite element analysis”, Computer Assisted Mechanics and Engineering Sciences, 55(3): 405-429, 2007.
• 3. A. Ambroziak, P. Kłosowski, Ł. Pyrzowski, “Elasto-viscoplastic properties of AA2017 aluminium alloy”, Task Quarterly, 15(1): 5-20, 2011.
• 4. A. Ambroziak, P. Kłosowski, “MSC. Marc/Mentat. Example of calculations (in Polish)”, Gdansk University of Technology Publishing House, Gdansk 2017.
• 5. A. Biegus, W. Seidel, “Experts opinion on strengthening of aluminium brackets” (in Polish), 1-9, 2016.
• 6. S. R. Bodner, Y. Partom, “Constitutive equations for elastic-viscoplastic strain-hardening materials”, Journal of Applied Mechanics, 42: 385-389, 1975.
• 7. DASt-Ri 010, Anwendung hochfester Schrauben im Stahlbau. Deutcher Ausschuss für Stahlbau, Juni 1976.
• 8. J. L. C. G. De Kanter, “Energy absorption of monolithic and fibre reinforcement aluminium cylinders” PhD thesis, Delft University of Technology, Netherlands, 2006.
• 9. EN 1993-1-8 Eurocode 3 – Design of steel structures – Part 1-8: Design of joints, 2012.
• 10. EN 1999-1-1 Eurocode 9 – Design of aluminium structures – Part 1-1: General structures rules, 2011.
• 11. EN 755-2, Aluminium and aluminium alloys. Extruded rod/bar, tube and profiles. Mechanical properties, 2016.
• 12. W. Grogan, J. O. Surtees, “Experimental behaviour of end plate connections reinforced with bolted banking angles”, Journal of Constructional Steel Research, 50: 71–96, 1999.
• 13. Fisher web site: www.fischer.co.uk/PortalData/1/Resources/service/salesdocuments/documents/FAZ_II_Prospekt_en_505099-3-mitKlapper.pdf
• 14. B. Käfer, V. K. Bheemineni, H. Lammer, M. Kotnik, F. O. Riemelmoser, “Effects of position and cut-out length on the axial crushing behaviour of aluminium tubes: Experimental and simulation”, International Journal of Mechanical, Aerospace, Industrial, Mechatronic and Manufacturing Engineering, 7(11): 2157-2164, 2013.
• 15. L. Katula, L. Dunai, “Experimental study on standard and innovative bolted end-plate beam-to-beam joints under bending”, Steel and Composite Structures, 18(6): 1423-1450, 2015.
• 16. P. Kłosowski, A. Mleczek, “Identification of Bodner-Partom viscoplastic model parameters for some aluminium alloys at elevated temperature”, Journal of Materials in Civil Engineering, doi: 10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0001875, 2017.
• 17. J. Maljaars, F. Soetens, L. Katgerman, “Constitutive model for aluminum alloys exposed to fire conditions”, Metallurgical and Materials Transactions A, 39A: 778-789, 2008.
• 18. J. Maljaars, F. Soetens, H. H. Snijder, “Local buckling of aluminium structures exposed to fire. Part 1: tests”, Thin-Walled Structures, 47: 1404-1417, 2009.
• 19. J. Maljaars, L. Twilt, F. Soetnes, “Flexural buckling of fire exposed aluminium columns”, Fire Safety Journal, 44: 711-717, 2009.
• 20. D. B. Moore, C. Gibbons, “The design of flush and extended end-plate connections with backing plates”, in Construction Steel Design: World developments, Edited by P. J. Dowling, J. E. Harding, R. Bjorhovde, E. Martinez-Romero, Elsevier Science Publisher LTD, England, 225-239, 1992.
• 21. D. B. Moore, P. A. C. Sims, “Preliminary investigation into the behaviour of extended end-plate steel connections with backing plates”, Journal of Constructional Steel Research, 6(2): 95-122, 1986.
• 22. A. Mróz, R. J. Mania, “The complex influence of aluminium aging on the dynamic response of the thin-walled AL-6060 alloy profile”, Thin-Walled Structures, 79: 147-153, 2014.
• 23. A. Mróz, “The viscoplastic effect in the heat-treated, thin-walled AL-6060 alloy profiles subjected to compressive axial impact”, Mechanics and Mechanical Engineering, 18(1): 53-71, 2014.
• 24. R. S. Nair, P. C. Birkemoe, W. H. Munse, “High Strength Bolts Subject to Tension and Prying”, Journal of the Structural Division, ASCE, 100(2): 351-372, 1974.
• 25. PN-90/B-03200. Steel structures – Structural analysis and design (in Polish), 1990.
• 26. PN-EN 515. Aluminium and aluminium alloys. Wrought products. Temper designations, 1996.
• 27. PN-EN 573-3:2014. Aluminium and aluminium alloys. Chemical composition and form of wrought products. Chemical composition and form of product, 2014.
• 28. W. Ramberg, W. R. Osgood, “Description of stress-strain curves by three parameters”, NACA Technical Note No. 902, 1943.
• 29. Cz. K. Szymczak, M. Kujawa, “Local buckling of thin-walled channel member flange made of aluminum alloy”, AIP Conference Proceedings, 1822, 020014; doi: 10.1063/1.4977688, 2017.
• 30. User Documentation, Marc® (2016) Volume B: Element Library, https://simcompanion.mscsoftware.com/infocenter/index?page=content&id=DOC11102&cat=MARC_DOCUMENTATION_2016&actp=LIST
• 31. W. Więckowski, J. Adamus, “Friction and wear testing of titanium and aluminium alloys”, Obróbka Plastyczna Metali, 23(3): 169-178, 2013.
• 32. Y-Q. Zheng, Z. Zhang, “The fire performance and fire-resistance design of aluminium alloy I-beam”, Fire and Materials, 40: 141-157, 2016.
• 33. P. Zoetemeijer, “A design method for the tension side of statically loaded, bolted beam-to-column connections”, Heron 20(1), Delft University, Netherlands, 1974.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).