Vooraf gekwalificeerde verbindingen voor seismische toepassingen

12.1 EQUALJOINTS project

Het Europese onderzoeksproject EQUALJOINTS biedt voorkwalificatiecriteria voor staalverbindingen voor de volgende versie van EN 1998-1. De onderzoeksactiviteit omvatte de standaardisering van ontwerp- en fabricageprocedures voor een reeks geboute verbindingstypes en een gelaste reduced beam section met zware profielen, ontworpen om aan verschillende prestatieniveaus te voldoen. Er werd ook een nieuw belastingsprotocol ontwikkeld voor Europese voorkwalificatie, representatief voor de Europese seismische belasting. De experimentele campagne gericht op de cyclische karakterisering van zowel Europees mild koolstofstaal als hoogsterkte bouten bereikte het vereiste gedrag voor vier typen vooraf gekwalificeerde verbindingen: geboute verbindingen met console, geboute verbindingen met niet-verstijfde verlengde kopplaat, geboute verbindingen met verstijfde verlengde kopplaat en gelaste reduced beam section verbindingen; zie Fig. 12.1.1. De resultaten die experimenteel zijn behaald binnen het EQUALJOINTS-project zijn samengevat in (Stratan et al. 2017) en (Tartaglia en D'Aniello, 2017).

Fig. 12.1.1 Constructieve verbindingen vooraf gekwalificeerd in het EQUALJOINTS-project

12.2 Kopplaatverbindingen

De geboute verbindingen met verstijfde verlengde kopplaat zijn het meest gangbaar in de Europese staalconstructie-industrie en worden in de Europese praktijk veel toegepast als momentvaste verbindingen in laag- en middelhoogbouw staalskeletconstructies, dankzij de eenvoud en de economie van fabricage en montage. De ontwerpcriteria en bijbehorende eisen voor geboute verbindingen met verstijfde verlengde kopplaat tussen balk en kolom zijn grondig onderzocht en kritisch besproken, en zijn momenteel gecodificeerd in EN 1998-1:2005 op basis van een parametrische studie met eindige-elementenanalyses. Helaas werd de capaciteitsontwerpprocedure alleen ontwikkeld binnen het kader van de componentenmethode. Deze houdt ook rekening met de aanwezigheid van ribben en is in staat de verbindingsrespons te beheersen voor verschillende prestatieniveaus.

Niet-verstijfde verlengde kopplaatverbindingen worden veel toegepast in de staalconstructie om een stalen I- of H-balk te verbinden met een stalen I- of H-kolom in gevallen waarbij aanzienlijke buigmomenten moeten worden overgedragen. Deze configuratie maakt een eenvoudige montage door middel van bouten mogelijk, terwijl het lassen van de kopplaat aan de balk geautomatiseerd in de werkplaats plaatsvindt. De buigweerstand van de verbinding is doorgaans lager dan de buigweerstand van de verbonden staven. Dergelijke verbindingen worden daarom beschouwd als gedeeltelijk draagkrachtig. Een situatie van gelijke sterkte, waarbij de plastische weerstand van de verbinding ongeveer gelijk is aan de plastische weerstand van de balkdoorsnede, kan worden bereikt door een passend ontwerp. De buigductiliteit is sterk afhankelijk van de detaillering van de verbindingen, die het bezwijkmechanisme beïnvloedt (Jaspart, 1997). Als de maatgevende verbindingscomponent ductiel is en de weerstand van de brosse actieve componenten aanzienlijk hoger is, kan een ductiele verbindingsrespons worden bereikt. In het tegenovergestelde geval mag niet worden vertrouwd op het vermogen van de verbinding om plastische scharnieren te vormen en inwendige krachten te herverdelen om energie te absorberen in een seismisch gebied.

Voor de gelaste reduced beam section momentvaste verbindingen, ook wel dog-bone genoemd, werden twee hoofdstrategieën toegepast: het versterken van de verbinding of het verzwakken van de balk. Van de twee opties voor het profiel van de doorsnedereductie vertoont de radiussnede een relatief meer ductiel gedrag, waarbij de uiteindelijke breuk wordt vertraagd (Jones et al. 2002). Het onderzoek toonde echter aan dat reduced beam section staven gevoeliger zijn voor kip door de verminderde oppervlakte van hun flenzen. Verder experimenteel en analytisch onderzoek gericht op de toepassing van diepe kolommen (Zhang en Ricles, 2006) wees uit dat de aanwezigheid van een samengestelde vloerplaat de hoeveelheid torsie in de kolom aanzienlijk kan verminderen, omdat deze de balk schoor en de laterale verplaatsing van de onderflens vermindert.

Volgens de ontwerpprocedure ontwikkeld binnen het project EQUALJOINTS bestaat de verbinding uit drie macro-componenten: het kolomlijfpaneel, de verbindingszone en de balkzone; zie Fig. 12.2.1. Elke macro-component wordt afzonderlijk ontworpen volgens specifieke aannames, waarna capaciteitsontwerpcriteria worden toegepast om drie verschillende ontwerpdoelstellingen te verkrijgen voor de beoordeling van de verbinding: volledig draagkrachtige, gelijk draagkrachtige en gedeeltelijk draagkrachtige verbindingen. Volledig draagkrachtige verbindingen zijn ontworpen om de vorming van alle plastische vervormingen in de balk te garanderen, wat consistent is met de capaciteitsontwerpregel sterke kolom – zwakke balk uit EN 1998-1:2005. Gelijk draagkrachtige verbindingen worden theoretisch gekenmerkt door het gelijktijdig vloeien van alle macro-componenten, d.w.z. verbinding, lijfpaneel en balk. Gedeeltelijk draagkrachtige verbindingen zijn ontworpen om de plastische vervorming alleen in de verbinding of het kolomlijfpaneel te ontwikkelen. Op basis van de weerstand van de verbinding en het kolomlijfpaneel als macro-componenten kan voor zowel gelijk als gedeeltelijk draagkrachtige verbindingen een aanvullende classificatie worden ingevoerd. Bij een sterk lijfpaneel is de plastische belasting geconcentreerd in de verbinding voor een gedeeltelijk draagkrachtige verbinding, of in de verbinding en de balk voor een gelijk draagkrachtige verbinding. Bij een gebalanceerd lijfpaneel is de plastische belasting verdeeld over de verbinding en het kolomlijfpaneel voor een gedeeltelijk draagkrachtige verbinding, en over de verbinding, het lijfpaneel en de balk voor een gelijk draagkrachtige verbinding. Bij een zwak lijfpaneel is de plastische belasting geconcentreerd in het kolomlijfpaneel voor een gedeeltelijk draagkrachtige verbinding, of in het lijfpaneel en de balk voor een gelijk draagkrachtige verbinding.

Fig. 12.2.1 Verdeling van de verbinding in macro-componenten

De ductiliteit van de verbinding is afhankelijk van het type bezwijkmechanisme en de bijbehorende plastische vervormingscapaciteit van de geactiveerde component. De vervormingscapaciteit kan globaal worden voorspeld door te voldoen aan de ontwikkelde criteria voor de componentenmethode, of nauwkeuriger worden berekend met CBFEM. Hieronder worden voorbeelden gepresenteerd van het ontwerp van twee vooraf gekwalificeerde verbindingsconfiguraties zoals beschreven in de EQUALJOINTS-projectmaterialen en in de ANSI/AISC358-16-norm, waarbij het gedrag van macro-componenten afzonderlijk wordt beschouwd.

12.2.1 Validatie

De CBFEM-modellen voor stijfheid, draagvermogen en vervormingscapaciteit van vooraf gekwalificeerde verbindingen zijn gevalideerd door Montenegro (2017) aan de hand van een reeks experimenten beschikbaar uit het EQUALJOINTS-project. Voorbeelden van constructieve oplossingen zijn weergegeven in Fig. 12.2.2. De resultaten van de validatie van het bezwijkmechanisme zijn weergegeven in Fig. 12.2.3. De samenvatting van de validatie van de weerstand en vervormingscapaciteit bij 15 % rek zijn weergegeven in Fig. 12.2.4 en 12.2.5.

Fig 12.2.2 Verbindingen gebruikt voor validatie en verificatie a) EH2-TS-35-M en EH2-TS-45-M, b) ES1-TS-F-M en ES3-TS-F-M, c) E1-TS-E-M en E2-TS-E-M

Fig. 12.2.3 Validatie van het bezwijkmechanisme van CBFEM op de verlengde kopplaatverbindingen met console E1-TS-F-C2 (Tartaglia en D'Aniello, 2017)

Fig.12.2.4 Validatie van de weerstand van CBFEM op experimenten uit het EQUALJOINTS-project

Fig. 12.2.5 Validatie van de rotatiecapaciteit van CBFEM op experimenten uit het EQUALJOINTS-project

12.2.2 Verificatie

Het CBFEM-model is geverifieerd ten opzichte van de componentenmethode conform Hfst. 6 van EN 1993-1-8:2006. Een selectie van resultaten is weergegeven in Tab. 12.2.1 en Fig. 12.2.6. De resultaten tonen het verlies aan nauwkeurigheid van de componentenmethode voor grotere verbindingen, waarbij de grove aanname van de hefboomarm de nauwkeurigheid bepaalt.

Tab. 12.2.1 Verificatie van CBFEM ten opzichte van de componentenmethode

Fig. 12.2.6 Verificatie van de weerstand van CBFEM ten opzichte van de componentenmethode

Drie eenzijdige verbindingen met console worden in meer detail beschreven in (Landolfo et al. 2017) en (Equaljoints application). De verbindingen worden belast door zowel positieve als negatieve buigmomenten en bijbehorende dwarskracht. De kolomlijven zijn versterkt met doubleerplaten, zodat de maatgevende componenten T-stukken zijn van ofwel de kopplaat of de kolomflens. De rotatie-assen worden aangenomen in het midden van de bovenste balkflens voor het positieve buigmoment en in het midden van de console voor het negatieve buigmoment. De positie van het plastisch scharnier wordt aangenomen op het vlak van de verstijvingsplaat aan het einde van de console. Het buigmoment op het kolomvlak, gebruikt voor de normtoetsing van de verbinding, wordt verhoogd met de bijbehorende dwarskracht; zie Fig. 12.2.7.

Fig. 12.2.7 Positie van het plastisch scharnier, verloop van het buigmoment in de verbinding met console

Tab. 12.2.2 Weerstand van componenten volgens de componentenmethode voor verbindingen met console

De rekversteviging factor werd gekozen als 1,2 zoals aanbevolen door EN 1993-1-8:2006 en het eindrapport van het Equaljoints-project (EN 1998-1:2005 suggereert een waarde van 1,1). De oversterktefactor werd aangenomen als 1,25 (Landolfo et al. 2017). Al het staal was van kwaliteit S355. De weerstanden van de afzonderlijke componenten zijn samengevat in Tab. 12.2.2. De vetgedrukte toetsen zijn niet voldoende. Merk op dat de consoleweerstand de plastische weerstand is van de balkdoorsnede met de console bij de kopplaat. De sterkte van de balk wordt aangenomen verhoogd met de oversterktefactor ter plaatse van het plastisch scharnier, maar niet bij de kopplaat. Als de oversterktefactor ook bij de kopplaat zou worden toegepast, zou deze weerstand hoger zijn. Daarom werd aangenomen dat de op één na laagste weerstand, het T-stuk – kopplaat, de verbindingsweerstand van verbinding nr. 267 bepaalt. Geen van de onderzochte verbindingen voldoet aan de eis voor een volledig draagkrachtige verbinding. De weerstand is echter zeer dicht bij de eis, en de verbindingen zijn gelijk draagkrachtig. Het kolomlijfpaneel is in alle gevallen sterk.

Het maatgevende bezwijkmechanisme volgens CBFEM is het bezwijken van bouten met vloeien van platen, voornamelijk kopplaat, kolomflens en console. Volgens CBFEM zijn verbindingen nr. 4.2 en nr. 264 volledig draagkrachtig en verbinding nr. 267 gelijk draagkrachtig. Kolomlijfpanelen zijn in alle gevallen sterk.

Fig. 12.2.8 De rekken bij de weerstand voor a) de gehele verbinding, b) alleen de macro-component geboute kopplaatverbinding, c) alleen de macro-component kolomlijfpaneel op afschuiving met doubleerplaten, d) alleen de macro-component balk

12.2.3 Niet-verstijfde verlengde kopplaatverbindingen

Voor een gevoeligheidsanalyse werd een vooraf gekwalificeerde niet-verstijfde verlengde kopplaatverbinding geselecteerd. De balk IPE 450 is verbonden met kolom HEB 300 door middel van een verlengde kopplaat van 25 mm dik met twaalf M30 10.9 bouten, met en zonder doubleerplaat van 10 mm dik. Staalsoort S 355 werd gebruikt voor alle platen. Om de bijdrage van elke macro-component afzonderlijk te bepalen, was het materiaaldiagram van de geselecteerde macro-component elastoplastisch, terwijl de rest van de verbinding alleen een elastisch materiaaldiagram had. De rekken bij de weerstand van de gehele verbinding, het kolomlijfpaneel op afschuiving met alleen doubleerplaten, en alleen de geboute kopplaatverbinding worden vergeleken met alleen de balk als macro-component in Fig. 12.2.8. De invloed van elke macro-component op het gedrag van de verbinding is weergegeven in Fig. 12.2.9, waar het kolomlijfpaneel met en zonder doubleerplaten is weergegeven. Het verbindingsgedrag toont een hogere weerstand van de verbinding als macro-component.

Fig. 12.2.9 Invloed van macro-componenten, het kolomlijfpaneel met doubleerplaten op afschuiving,
de geboute kopplaatverbinding en balk op het gedrag van de gehele verbinding

12.2.4 Locatie van het drukmiddelpunt

Voor kopplaatverbindingen specificeert EN 1993-1-8:2006 dat het drukmiddelpunt zich bevindt in het midden van de dikte van de balkflens, of aan de punt van de console bij verbindingen met console. Experimentele en numerieke resultaten toonden aan dat de locatie van het drukmiddelpunt afhankelijk is van zowel het verbindingstype als de rotatiebelasting als gevolg van de vorming van plastische mechanismen met een verschillende activering van elke verbindingscomponent (Landolfo et al. 2017). Volgens de voorgestelde ontwerpprocedure van de componentenmethode en op basis van zowel experimentele als numerieke resultaten wordt contact verwacht bij ongeveer het zwaartepunt van de doorsnede gevormd door de balkflens en de ribverstijvers, voor de verstijfde kopplaatverbindingen, of bij ongeveer 0,5 maal de consolehoogte bij verbindingen met console. Deze grove aanname wordt gepreciseerd door de CBFEM-procedure, die correcte waarden geeft tijdens belasting en initieel vloeien van delen van een verbinding.

De gepresenteerde resultaten tonen de goede nauwkeurigheid van CBFEM, geverifieerd ten opzichte van ROFEM en gevalideerd aan de hand van EQUALJOINTS-experimenten en de componentenmethode. Dit biedt de mogelijkheid om het gedrag van macro-componenten afzonderlijk te beschouwen en de positie van de neutrale assen nauwkeurig te bepalen in overeenstemming met de belasting/plastificering.

12.3 Gelaste reduced beam section verbinding

Een vooraf gekwalificeerde gelaste reduced beam section verbinding volgens ANSI/AISC 358-16 werd geselecteerd voor deze studie. De balk IPE 450 is verbonden met kolom HEB 300 door middel van stompe lassen bij de flenzen en een lip plaat van 12 mm dik met drie voorbelaste M30 10.9 bouten, met en zonder doubleerplaat van 10 mm dik; zie Fig. 12.3.1. Al het gebruikte staal is van kwaliteit S355.

De rekken bij de uiterste weerstand van de gehele verbinding en de macro-component kolomlijfpaneel op afschuiving met alleen doubleerplaten zijn weergegeven in Fig. 12.3.2. De invloed van elke macro-component op het gedrag van de verbinding is weergegeven in Fig. 12.3.3, waar het kolomlijfpaneel met en zonder doubleerplaten is weergegeven. De verbinding toont dat de weerstanden van de macro-componenten goed geoptimaliseerd zijn.

Fig. 12.3.1 Reduced beam section verbinding, a) balk met gereduceerde doorsnede, b) het kolomlijfpaneel met doubleerplaten op afschuiving, de geboute kopplaatverbinding,

Fig. 12.3.2 De rekken bij de weerstand voor a) de gehele verbinding en b) alleen de macro-component kolomlijfpaneel met doubleerplaten op afschuiving 

Fig. 12.3.3 Invloed van macro-componenten op het gedrag van de gehele verbinding in het M-φ diagram

Referenties

EN 1993-1-8, Eurocode 3, Ontwerp van staalconstructies – Deel 1-8: Ontwerp van verbindingen, CEN, Brussel, 2005.

Jones S.L., Fry GT., Engelhardt M.D. Experimental evaluation of cyclically loaded reduced beam section moment connections. Journal of Structural Engineering. 128 (4), 441–451, 2002.

Landolfo R. et al. Design of Steel Structures for Buildings in Seismic Areas, ECCS Eurocode Design Manual. Wiley, 2017.

Stratan A., Maris C, Dubina D, and Neagu C. Experimental prequalification of bolted extended end plate beam to column connections with haunches. ce/papers, 1(2–3), 414–423, 2017.

Tartaglia R, D'Aniello M. Nonlinear performance of extended stiffened end-plate bolted beam-to-column joints subjected to column removal. The Open Civil Engineering Journal Vol 11, Issue Suppl-1, 369–383, 2017.

Zhang X., Ricles J.M. Experimental evaluation of reduced beam section connections to deep columns. Journal of Structural Engineering. 132 (3), 346-357, 2006.