Passing-through tubular column joints for steel and composite constructions made by laser cutting technology

Piscini, Andrea; Hoffmeister, Benno; Salvatore, Walter

doi:HT021176648

Passing-through tubular column joints for steel and composite constructions made by laser cutting technology

Piscini, Andrea

2020 & 2021

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Andrea Piscini

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2020

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020. - Dissertation, University of Florence, 2020

Cotutelle-Dissertation. - Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2021

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Salvatore, Walter (Thesis advisor) ; Hoffmeister, Benno (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-12-09

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-10501
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/835390/files/835390.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Stahl- und Leichtmetallbau und Institut für Stahlbau (311710)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
composite constructions (frei) ; connections (frei) ; laser cutting technology (frei) ; passing-through-beam (frei) ; steel structures (frei) ; tubular-column joints (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
In drehmomentbeständigen Stahlrahmen haben Rohrstützen viele strukturelle und architektonische Vorteile gegenüber Säulen mit offenem Querschnitt. Aufgrund ihres größeren Trägheitsradius und der achsensymmetrischen Verteilung ihrer mechanischen Eigenschaften werden Rohre besonders für Konstruktionselemente empfohlen, die Druck- und Biegekräften in alle Richtungen ausgesetzt sind. Daher kann der Einsatz von Hohlprofilen zur Realisierung von Stützen zu einer Reduzierung der Gesamtkosten und darüber hinaus zu Vereinfachungen im Realisierungsprozess von Stahl-Beton-Verbundkonstruktionen führen. Die Schwierigkeiten bei der Realisierung von Rohrsäulenverbindungen mit offenen I-Profilträgern, die weltweit am häufigsten verwendet werden, reduzieren jedoch die Verwendung von Rohrsäulen erheblich. Heutzutage werden Balken-Rohr-Säulen-Stahl- und Verbundverbindungen im Allgemeinen auf zwei Arten realisiert: i) die Verbindung erfolgt durch direktes Schweißen der Balken oder des Balkenstumpfes an die Wand des Stahlrohrs; ii) zusätzliche Platten werden verwendet, um die Balken mit der runden Säule zu verbinden. Beide Wege haben viele Nachteile: Die direkte Verbindung ist die bequemste Lösung in Bezug auf Schnelligkeit und einfache Herstellung, aber die Leistung der Verbindung wird durch erhebliche lokale Verformungen der Rohrwand in der Nähe der Trägerflansche stark eingeschränkt; zusätzliche Elemente können eine effektivere Übertragung der Spannungen von den Trägerflanschen auf die Stützenwand oder von den Flanschen eines Trägers direkt auf den auf der gegenüberliegenden Seite platzierten Träger gewährleisten, aber ihre Verwendung impliziert eine Diskontinuität in der Stütze und erfordert umfangreiche Schweißarbeiten Verbinden Sie die Säulenteile wieder. Um diese Probleme zu lösen, wurden in den letzten Jahren innovative Lösungen mit durchgehenden Durchgangselementen innerhalb der Kolonne untersucht, die mehrere Vorteile aus mechanischer Sicht hervorheben. Tatsächlich können die kontinuierlichen Elemente an Schlitzen begrenzter Größe vorbeigeführt werden, die an der Säulenwand angebracht sind, ohne dass die Säule selbst vollständig unterbrochen ist, und die Verbindung erfordert weniger Schneid- und Schweißvorgänge, was zu geringeren Gesamtkosten und einem besseren mechanischen Verhalten führt. Trotz aller Vorteile ergeben sich jedoch viele Probleme aus fertigungstechnischer und konstruktiver Sicht, die die effektive Leistung der Fugen einschränken. Eine der Lösungen zur Überwindung der Schwierigkeiten in den Herstellungs- und Konstruktionsprozessen dieser Verbindungstypologie liegt in der Anwendung moderner Laserschneidtechnologie auf Stahl- und Verbundkonstruktionen. In der vorliegenden Arbeit wurden mehrere Fragestellungen sowohl mit numerischen als auch experimentellen Versuchen untersucht, um einen geeigneten Herstellungsprozess zu definieren und das mechanische Verhalten der Rohrsäulenverbindungen mit Durchgangselementen unter vertikalen und horizontalen Belastungsbedingungen besser zu charakterisieren.

In steel moment-resisting frames, tubular columns have many structural and architectural advantages over open-section columns. Tubes are in fact particularly recommended for structural elements subjected to compression and bending forces in all directions, thanks to their higher radius of gyration and the axial-symmetric distribution of their mechanical properties. Therefore, the use of hollow profiles for the realization of columns can lead to a reduction of the total costs and furthermore to simplifications in the realization process of steel-concrete composite structures. However, the difficulties in realizing tubular column joints adopting open I-section beams, the most commonly used all around the world, severely reduce the use of tubular columns. Nowadays, beam-to-tubular-column steel and composite joints are commonly realized in two main ways: i) the connection is made by directly welding the beams or the beam stub to the wall of the steel tube; ii) supplemental plates are used to connect the beams to the circular column. Both ways have many disadvantages: the direct connection is the most convenient solution in terms of rapidity and easiness of fabrication but the performance of the joint is strongly limited by significant local distortions of the tube wall near the girder flanges; additional elements can assure a more effective transfer of the stresses from the beam flanges to the column wall or from the flanges of one beam directly to the beam placed on the opposite side, but their use implies a discontinuity in the column and requires extensive welding to reconnect the column pieces. To overcome these issues, innovative solutions with continuous passing-through elements inside the column were studied in the past years, highlighting several advantages from a mechanical point of view. Indeed, the continuous elements can pass by slots of limited size made on the column wall, without requiring the complete discontinuity of the column itself and the joint requires less cutting and welding operations, resulting in lower overall cost and better mechanical behavior. However, despite all the advantages, many problems arise from the fabrication and constructional points of view, limiting the effective performance of the joints. One of the solutions to overcome the difficulties in the fabrication and constructional processes of this joint typology lies in the application of modern Laser Cutting Technology to steel and composite structures. Several issues were studied in the present thesis, with both numerical and experimental tests, to define an appropriate fabrication process and to better characterize the mechanical behavior of the tubular column connections with passing-through elements, under vertical and horizontal loading conditions.

OpenAccess:
PDF
(additional files)