Finite Element modelling of the behaviour of steel end-plate beam-to-column joints

• Autorzy: Giżejowski M. A. , Salah W. , Barcewicz W.

Warianty tytułu

PL

Skończenie-elementowe modelowanie zachowania się węzłów stalowych z blachami czołowymi w połączeniach rygli ze słupami

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The purpose of this paper is to establish three dimensional (3D) finite element (FE) models capable of predicting the behaviour of steel end-plate beam-to-column joints. Extensive experimental investigations were conducted using the variation of geometric parameters of end-plates, differentiating the section size and configuration of the columns and beams, and finally applying different bolts arrangement, their number and bolt size, all this in order to develop a standard design procedure for the joints considered. FE models proposed in the literature are intended to validate the experimental results in order to predict the behaviour of a wider range of joints than that examined in the laboratory testing, without the need for further expensive experiments. Successful modelling using FE approach is beneficial because of offering a tremendous time and cost saving that allows for an optimization exercise to be performed and the development of innovative solutions, e.g. practical application of joints with thinner end plates than those used nowadays in engineering practice. In this paper end-plate joint 3D FE models composed of shell and beam elements or brick elements are examined and validated against available experimental results. Highly detailed 3D finite element models are developed using the ABAQUS computer code. These complex models are accounted for material nonlinearity, large displacements, friction and contact behaviour as well as material and geometric imperfections. The developed models are applied for incremental one cycle analysis of steel end-plate joints, starting from the elastic range, and performed through the plastic and strain hardening ranges up to the joint failure. Comparisons with available experimental data results show that the models developed herein have a high level of accuracy provided that the model parameters are properly calibrated. Finally, practical conclusions for engineering applications are drawn.

PL

W ciągu ostatnich kilkunastu lat przeprowadzono szereg badań doświadczalnych podatnych węzłów stalowych z blachami czołowymi, uwzględniając zmienność parametrów geometrycznych blach czołowych, zróżnicowane wymiary oraz konfiguracje belek i słupów, a także różne średnice śrub, ich liczbę i rozmieszczenie, po to by sformułować normowe procedury projektowania rozpatrywanych typów węzłów. Duże nakłady finansowe oraz czasochłonność przygotowania i przeprowadzenia badań doświadczalnych, w szczególności na układach elementów w skali naturalnej, są jednak pewnym ograniczeniem w opracowaniu ogólnych procedur projektowania węzłów. Narzędziem pozwalającym na pokonanie tych ograniczeń są symulacje numeryczne przeprowadzone na odpowiednio dobranych modelach. W celu uwiarygodnienia wstępnych rezultatów analizy numerycznej, porównuje się je z wynikami przeprowadzonych badań doświadczalnych. Prawidłowo dobrane modele MES, pozwalają na optymalizację stosowanych już rozwiązań konstrukcyjnych oraz opracowanie innowacyjnych rozwiązań, np. zastosowanie węzłów z blachami czołowymi cieńszymi niż te stosowane obecnie w praktyce inżynierskiej. Celem pracy jest przedstawienie, opracowanych przez autorów przestrzennych modeli MES, zdolnych do przewidywania zachowania się podatnych węzłów stalowych w doczołowych połączeniach śrubowych. Przeprowadzono symulacje numeryczne z wykorzystaniem systemu ABAQUS, przy zastosowaniu dwóch różnych technik modelowania. Obie metody pozwoliły na budowę trójwymiarowych modeli węzłów podatnych z blachami czołowymi, o różnych założeniach dotyczących np. wyboru typu elementu skończonego, warunków brzegowych oraz zagadnień kontaktowych. Do walidacji wyników z modelowania numerycznego MES wykorzystano wyniki badań doświadczalnych. W modelowaniu uwzględniono nieliniowość materiałową, zakres dużych przemieszczeń, zjawiska kontaktu między elementami składowymi węzła oraz imperfekcje badanych elementów próbnych. Wyniki analizy numerycznej porównano z rezultatami badań doświadczalnych, prezentowanych na wykresach zależności siła - przemieszczenie monitorowanych punktów elementów próbnych oraz charakterystyk moment - obrót analizowanych węzłów. Wysoki stopień zgodności wyników symulacji numerycznych z wynikami eksperymentalnymi potwierdza wiarygodność opracowanych modeli MES.

Słowa kluczowe

EN

finite element method; modelling; steel joint; end-plate; beam-to-column joint; imperfection; nonlinear analysis

PL

metoda elementów skończonych; modelowanie; węzeł stalowy; blacha czołowa; połączenie rygiel-słup; imperfekcja; analiza nieliniowa

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2008
• Tom: Vol. 54, nr 4
• Strony: 693--733
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., il.

Twórcy

autor

Giżejowski M. A.

autor

Salah W.

autor

Barcewicz W.

• University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Warszawa, Poland,

Bibliografia

• 1. A. KOZŁOWSKI, A review of models of semi-rigid steel column-beam connections, Archives of Civil Engineering, 42, l, 1996.
• 2. J. BRÓDKA, A. KOZŁOWSKI, Stiffness and strength of semi-rigid joints [in Polish], Rzeszów University of Technology Publishers, Białystok-Rzeszów.
• 3. M. A. GIŻEJOWSKI, A. M. BARSZCZ, A. KOZŁOWSKI, L. ŚLĘCZKA, Modelling, analysis and design of steel semi-continuous frames. [In:] Progress in Steel, Composite and Aluminium Structures, [Eds.] M. A. Giżejowski, A. Kozłowski, L. Ślęczka, J. Ziółko, Taylor and Francis, London, 30-62, 2006.
• 4. A. N. SHERBOURNE, M. R. BAHAARI, 3D simulation of bolted connections to unstiffened column-I. T-stub connections, Journal of Constructional Steel Research, 40, 169-187, 1996.
• 5. A. N. SHERBOURNE, M. R. BAHAARI, 3D simulation of bolted connections to unstiffened column-II. Extended endplate connections, Journal of Constructional Steel Research, 40, 189-223, 1996.
• 6. B. BOSE, S. AARKAR, M. BAHRAMI, Extended endplate connections: comparisons between three-dimensional nonlinear finite element analysis and full-scale destructive tests, Structural Engineering Review, 8, 315-328, 1996.
• 7. CHANG-KOON CHOI, GI-TEAK CHUNG, Refined three-dimensional finite element model for end-plate connections, Journal of Structural Engineering, 122, 1307-1316, 1996.
• 8. O. S. BURSI, J. P. JASPART, Benchmarks of finite element modelling of bolted steel connections, Journal of Constructional Steel Research, 43, 17-42, 1997.
• 9. S. BURSI, J. P. JASPART, Calibration of a finite element model for isolated bolted end-plate steel connections, Journal of Constructional Steel Research, 44, 225-262, 1997.
• 10. J.-G. YANG, T. M. MURRAY, R. H. PLAUT, Three-dimensional finite element analysis of double angle connections under tension and shear, Journal of Constructional Steel Research, 54, 227-244, 2000.
• 11. A. T. WHEELER, M. J. CLARKE, G. J. HANCOCK, FE Modeling of Four-Bolt, Tubular moment end-plate connections, Journal of Structural Engineering, 126, 816-822, 2000.
• 12. M. A. GIŻEJOWSKI, E. POSTEK, Modelling ofthe behaviour of frames with semi-rigid joints [in Polish], Inżynieria i Budownictwo, 11, 645-651, 1999.
• 13. M. A. GIŻEJOWSKI, W. SALAH, W. BARCEWICZ, Experimental and numerical modeling of steel flush end-plate beam-to-column joints. [In:] The scientific research problems of building. Monograph publication [Eds.] M. Broniewicz, J. A. Prusiel, Białystok University of Technology Press, Białystok, II, 225-232, 2007.
• 14. A. M. GIRÃO COELHO, F. S. K. BIJLAARD, L. SIMÕES DA SILYA, Experimental assessment of the ductility of extended end plate connections, Engineering Structures, 26, 1185-1206, 2004.
• 15. M. A. GIŻEJOWSKI, Computational models of steel plane frames with semi-rigid joints [in Polish], Series: Civil Engineering, vol. 136, Warsaw University of Technology Press, Warszawa 2000.
• 16. ABAQUS/Standard, User's Manual I-III, version 6.5, Hibbit, Karlsson and Sorenson Inc., Providence, RI 2005.
• 17. ABAQUS, Theory Manual, version 6.5, Hibbit, Karlsson and Sorenson Inc., Providence, RI 2005.
• 18. J. MURZEWSKI, Random load carrying capacity of rod Structures [in Polish], PWN, Series: Engineering Studies, Warszawa 1976.
• 19. C. FAELLA, V. PILUSO, G. RIZZANO, Structural steel semi-rigid connections: Theory, design and software. CRC Press, Boca Raton 2000.
• 20. PN-EN 1993-1-8, Eurocode 3 Part 1-8: Design of steel Structures - Part 1-8: Design of joints, CEN, Brussels 2005; PKN, Warszawa 2006 [Polish version of EN 1993-1-8].
• 21. I. O. ADEGOKE, A. R. KEMP, Moment-rotation relationship of thin endplate connections in steel beams. [In:] Advances in Structures [Eds.] G. J. Hancock, M. A. Bradford, T. J. Wilkinson, B. Uy, K. J. R. Rasmussen, A. A. Balkema Publishers, Lisse, vol. 1, 119-124, 2003.