مطالعه عددی حالت حدی برش قالبی در صفحات گاست با اتصال جوشی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی عمران. دانشگاه صنعتی شریف

2 دانشکده عمران-صنعتی شریف

چکیده

     پدیده‌ی برش قالبی یک حالت حدی رایج حاکم بر مقاومت فلز پایه در اتصالات جوشی است. مطالعات اندکی پیرامون این حالت حدی در اتصالات جوشی انجام شده، ضمن اینکه چارچوب آیین‌نامه‌های فعلی‌ جهت محاسبه مقاومت برش قالبی نیز اساسا برای اتصالات پیچی ارائه شده است. در مطالعات معدود انجام شده در این خصوص نیز، مشخصات مکانیکی فولاد مورد استفاده با فولاد رایج در ایران تفاوت داشته، ضمن اینکه مطالعه تحلیلی و عددی جامعی نیز صورت نگرفته است. در این پژوهش، ابتدا مدل عددی با استفاده از روش اجزا محدود و بهره‌گیری از مدل‌سازی «خرابی برای فلزات شکل‌پذیر» ساخته شده، سپس، فرضیات روش مدل‌سازی با مقایسه نتایج عددی و داده آزمایشگاهی موجود مورد صحت‌سنجی قرار گرفته است. در ادامه نمونه‌هایی از اتصال جوشی صفحه گاست مورد مطالعه قرار گرفته و توزیع کرنش و تنش و همچنین مسیر پارگی برش قالبی در آن‌ها بررسی شد. نتایج نشان داد که مکانیزم خرابی برش قالبی در اتصالات جوشی متفاوت با اتصالات پیچی می‌باشد؛ که وجود قید اضافی در برابر فرآیند باریک شدگی فلز پایه در مجاورت فلز جوش از عوامل اصلی این تفاوت می‌باشد. مطالعه قیاسی بین مقاومت اسمی پیش‌بینی شده توسط معادله AISC و ظرفیت‌های به دست آمده از تحلیل عددی نشان داد که این معادله به طور میانگین 36% محافظه‌کارانه است. بر این اساس، معادله جدیدی ارائه شد که مقاومت اسمی محاسبه شده توسط آن کمتر از 5% محافظه کارانه بوده، ضمن اینکه ضرایب افزایش بار و کاهش مقاومت نیز قابلیت اطمینان مورد نیاز در طراحی را ایجاد خواهد نمود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Numerical study of block shear limit state in welded gusset plates

نویسندگان [English]

  • Majid Ghaderi-Garekani 1
  • shervin maleki 2
1 Department of Civil Engineering, Sharif University of Technology
2 CE Dept., Sharif University
چکیده [English]

The block shear failure is a common limit state that governs the base metal strength in welded connections. The framework for block shear strength prediction adopted by current design specifications is originally based on research results on bolted joints. Also, in the past few studies conducted on welded connections, the mechanical properties of the steel used are distinct from the commonly applied steel in Iran. In this paper, first, a nonlinear finite element model with ductile damage capability was developed and validated against available test results on welded gusset plate connections. Then, a parametric study was performed on connection length, connection width, welding configuration, and gusset plate thickness, in which, the strain and stress distribution, as well as the block shear rupture path, were investigated. The results showed that the mechanics of block shear failure in welded connections is different from bolted ones for reasons like stress triaxiality development in tensile failure plane due to the existence of additional constraint against necking of base metal fibers adjacent to the weld. Evaluation of existing block shear strength equations revealed that the AISC block shear design equations provide so conservative capacities, on average 36%, for welded connections. Accordingly, a new block shear strength equation was developed, such that, the predicted nominal block shear strengths are, on average about 5% on the conservative side; however, using the LRFD load and resistance factors in the design along with this equation, the safety needed for this limit state is ensured.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Block shear
  • Gusset plate
  • Welded connection
  • Base metal strength
  • Finite element analysis

مراجع

[1] AISC, ANSI / AISC 360-16, Specification for Structural Steel Buildings, in, American Institute of Steel Construction, Chicago, IL, 2016.
[2] P.C. Birkemoe, M.I. Gilmor, Behavior of bearing critical double-angle beam connections, Engineering Journal, 15(4) (1978).
[3] J.A. Yura, P.C. Birkemoe, J.M. Ricles, Beam web shear connections: an experimental study, Journal of the Structural Division, 108 (1982) 311-325.
[4] S.G. Hardash, R. Bjorhorde, New design criteria for gusset plates in tension, Engineering journal, 22(2) (1985).
[5] T.J. Cunningham, J.G. Orbison, R.D. Ziemian, Assessment of American block shear load capacity predictions, Journal of Constructional Steel Research, 35 (1995) 323-338.
[6] G.L. Kulak, G.Y. Grondin, AISC LRFD rules for block shear in bolted connections- A review., Engineering Journal, 38 (2001) 199-203.
[7] C. Topkaya, A finite element parametric study on block shear failure of steel tension members, Journal of Constructional Steel Research, 60 (2004) 1615-1635.
[8] R.G. Driver, G.Y. Grondin, G.L. Kulak, Unified block shear equation for achieving consistent reliability, Journal of Constructional Steel Research, 62 (2006) 210-222.
[9] L.H. Teh, D.D. Clements, Block shear capacity of bolted connections in cold-reduced steel sheets, Journal of structural engineering, 138(4) (2012) 459-467.
[10] D.D. Clements, L.H. Teh, Active shear planes of bolted connections failing in block shear, Journal of structural engineering, 139(3) (2013) 320-327.
[11] L.H. Teh, M.E. Uz, Block shear failure planes of bolted connections - Direct experimental verifications, Journal of Constructional Steel Research, 111 (2015) 70-74.
[12] M.D. Elliott, L.H. Teh, Whitmore tension section and block shear, Journal of Structural Engineering, 145(2) (2019) 04018250.
[13] S. Maleki, M. Ghaderi-Garekani, Block shear failure in welded gusset plates under combined loading, Journal of Constructional Steel Research, 170 (2020) 106079.
[14] C. Topkaya, Block shear failure of gusset plates with welded connections, Engineering Structures, 29 (2007) 11-20.
[15] S.A. Oosterhof, R.G. Driver, Effects of connection geometry on block shear failure of welded lap plate connections, Journal of Constructional Steel Research, 67 (2011) 525-532.
[16] T.W. Ling, X.L. Zhao, R. Al-Mahaidi, J.A. Packer, Investigation of block shear tear-out failure in gusset-plate welded connections in structural steel hollow sections and very high strength tubes, Engineering structures, 29(4) (2007) 469-482.
[17] M.C. Yam, Y. Zhong, A.C. Lam, V. Iu, An investigation of the block shear strength of coped beams with a welded clip angle connection—Part I: Experimental study, Journal of Constructional Steel Research, 63(1) (2007) 96-115.
[18] T. Kim, S. Hong, B. Hwang, J. Kim, Block shear capacity in cold-formed lean duplex stainless steel double-shear bolted connections, Thin-Walled Structures, 161 (2021) 107520.
[19] H. Lee, B. Hwang, W. Yang, T. Kim, Block shear strength of cold-formed austenitic stainless steel (304 type) welded connection with base metal fracture, Thin-Walled Structures, 141 (2019) 489-508.
[20] H.C. Lee, B.K. Hwang, T.S. Kim, Block Shear Strength Estimation of STS304L Stainless Steel Fillet-Welded Connection with Base Metal Fracture, Journal of the Korean Society for Precision Engineering, 35(6) (2018) 615-621.
[21] V. ABAQUS, 6.16 Documentation, in:  Dassault Systemes Simulia Corporation, 2016.
[22] H.T. Zhu, M.C.H. Yam, A.C.C. Lam, V.P. Iu, The shear lag effects on welded steel single angle tension members, Journal of Constructional Steel Research, 65 (2009) 1171-1186.
[23] Y.-W. Lee, T. Wierzbicki, Quick Fracture Calibration for Industrial Use, Report No. 115, Impact and Crashworthiness Laboratory, Massachuset Institue of Technology, in, 2004.
[24] J.H. Hollomon, Tensile deformation, Aime Trans, 12 (1945) 1-22.
[25] H. Hooputra, H. Gese, H. Dell, H. Werner, A comprehensive failure model for crashworthiness simulation of aluminium extrusions, International Journal of Crashworthiness, 9 (2004) 449-464.
نشریه مهندسی عمران امیرکبیر
دوره 54، شماره 5
مرداد 1401
صفحه 1925-1940

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار