Resistance of Axially Loaded Square Hollow Section T-Joints at Elevated Temperatures

Abstract

Rakenneputkien välisiä liitoksia käytetään erilaisissa teräsrakenteissa ristikoista ja kehärakenteista mastoihin ja siltoihin. Eurokoodissa ja muissa standardeissa on esitetty selkeä ja yksinkertainen ohjeistus putkiliitosten suunnitteluun ja mitoitukseen. Standardeista puuttuvat kuitenkin vielä kokonaan tulipalotilannetta ja liitosten palomitoitusta koskevat ohjeet. Poikkileikkaukseltaan suorakaiteen muotoisten rakenneputkien välisten liitosten käyttäytymisestä korkeissa lämpötiloissa on hyvin rajoitetusti tietoa ja tieteellistä aineistoa, eikä olemassa ole luotettavia suunnittelu- ja mitoitusmenetelmiä niiden palonkestävyyden arviointiin.

Tässä väitöskirjatutkimuksessa selvitetään neliön muotoisten rakenneputkien (SHS) välisten hitsattujen T-liitosten käyttäytymistä korkeassa lämpötilassa tavoitteena tuottaa näiden liitosten palomitoitukseen soveltuva menetelmä. Menetelmä sisältää sekä liitosten mitoituslämpötilan että aksiaalisen kestävyyden mitoitusarvojen määrittämisen.

Tutkimuksen toteutus koostui täyden mittakaavan kuormittamattomilla ja kuormitetuilla T-liitoksilla tehdyistä polttokokeista sekä kokeellisia tuloksia laajentaneista numeerisista simulaatioista ja parametrisesta tutkimuksesta. Liitosten komponenttien lämpötiloja sekä lämpötilan jakautumista liitosalueen välittömässä läheisyydessä selvitettiin neljän eri polttokokeen avulla. Kokeellisiin tuloksiin perustuen tuotettiin numeerinen malli, jonka avulla tutkittiin liitosten geometristen parametrien vaikutusta lämpötiloihin ja lämpötilajakaumaan. Viiden kuormitetuilla liitoksilla tehdyn polttokokeen avulla selvitettiin liitosten murtomekanismeja, kriittisiä lämpötiloja sekä lämpötilajakauman vaikutusta liitosten ja niiden osien toimintaan ja kestävyyteen palotilanteessa. Numeeristen simulaatioiden avulla arvioitiin T-liitosten kestävyyttä korkeissa lämpötiloissa sekä selvitettiin kestävyyteen kannalta merkittävimmät suunnitteluparametrit.

Tutkimuksen tuloksena saatiin selville neliön muotoisten rakenneputkien välisten liitosten todellinen lämpötilajakauma sekä kehitettyä menetelmä SHS T-liitosten eri komponenttien sekä liitoksen mitoituslämpötilan määrittämiseksi. Esitetyn menetelmän mukaan liitoksen mitoituslämpötila voidaan määrittää paarre- ja uumasauvojen lämpötilojen keskiarvona. Paarre- ja uumasauvojen lämpötilat voidaan määrittää standardin EN 1993-1-2 mukaisesti.

Tutkimuksen tuloksena esitetään menetelmä neliön muotoisen paarresauvan ja puristetun uumasauvan välisen hitsatun T-liitoksen aksiaalisen kestävyyden mitoitusarvon määrittämiseksi palotilanteessa. Kokeelliset ja numeeriset tulokset osoittavat, että menetelmä arvioi liitoksen kestävyyttä tarkasti ja tarjoaa hyvän tieteellisen ja teoreettisen lähtökohdan suorakaideputkien liitosten suunnittelun jatkokehitykselle.

Hollow section joints are applied in various structures, from trusses and frames to masts and bridges. Currently, Eurocode and other standards provide engineers with clear and simple design rules for the design of tubular joints at the ambient temperature. However, there are no guidelines in the standards to cover the fire situation and the fire design of the joints. There is very limited information or scientific data on the behaviour of rectangular hollow section joints at high temperatures, and there is no fire design method available to estimate the resistance of the joints at elevated temperatures.

The purpose of this thesis was to investigate the performance of square hollow section (SHS) T-joints at elevated temperatures, taking into account the temperature distribution and resistance of the joint to be able to design and predict the fire resistance of SHS T-joints under fire conditions.

The implementation of the study consisted of full-scale experimental tests with unloaded and loaded T-joints, as well as numerical simulations and parametric studies that extended the experimental results. Four experimental tests were carried out to determine the temperature distribution in the connection components and in the vicinity of the SHS joints. The experimental tests were followed by a numerical study to define how the geometrical parameters of joints affect the temperatures and temperature distribution. Five experimental tests were then performed on loaded SHS T-joints with axial brace compression to investigate the failure modes and critical temperatures of the joints. The effects of temperature distribution on the performance and resistance of different connection components were also studied. Numerical simulations were then used to determine the resistance of the SHS T-joints at elevated temperatures and the most crucial geometrical parameters to design the joints under fire conditions.

The results of this research identified the exact temperature development pattern of the SHS joints, and the design temperature of different connection components and the joint was verified. The joint design temperature can be determined as the mean of the chord and brace temperatures that can be determined according to EN 1993-1-2 (CEN 2005b).

Finally, the thesis proposed a design method for predicting the fire resistance of an SHS T-joints under axial brace compression. The experimental and numerical results showed that the method provides accurate predictions of the joint resistance and good scientific and theoretical basis for the further development of RHS joint design approach.