Bolted connections for rectangular hollow sections under tensile loading [online]

SUMMARY

The static strength of bolted, spliced connections for rectangular hollow sections under tensile loading is the topic of the presented study. A very common spliced connection type, the bolted flange-plate connection as well as a more recent connection type, the hidden joint connection have been studied. For clarity of presentation, the presented thesis has therefore been divided into two parts:
• Part I: Bolted flange-plate connections;
• Part II: Hidden joint connections.
Prying forces are the main concern with bolted flange-plate connections. Prying forces occur if the flange-plates lever against each other due to deformations of the plates under tensile loading. Depending on the bolt layout and flange-plate thickness, these prying forces can differ very significantly. Additionally, the formation of a complete yield line mechanism can also result in the collapse of connections with flexible flange-plates and strong bolts. Within the framework of the presented work, an experimental investigation with square and rectangular hollow sections has been carried out. State-of-the-art equipment has been used to record the load in the bolts. ... mehrThe subsequent non-linear Finite Element analyses (using 3D solids as well as contact elements), verified by the results of the experimental investigations, extended the database. A parallel analytical study, inter alia using yield line analysis, served as the basis for the derivation of specific design rules.
Part II of the presented thesis deals with so-called hidden joint connections, which are a modification of the more typical gusset plate connection with slotted hollow sections. In contrast to the more common gusset plate connections where the gusset plate protrudes beyond the width of the slotted member, the gusset plate of the hidden joint connection is fitted into the inside width of the unslotted hollow section. The aim of this research has been the derivation of a design model for shear lag failure, in particular the rupture of the hollow section due to shear lag. A limited number of tensile tests on hidden joint connections for square hollow sections has been carried out. Technical feasibility of welding inside the hollow section has been of special interest. The tests have been used to verify the numerical investigation, which again has been used as a basis for a new calculation method for shear lag failure of the hollow section.

KURZFASSUNG

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der statischen Tragfähigkeit von geschraubten Stoßverbindungen für rechteckige Hohlprofile unter Zugbelastung. Eine weit verbreitete Stoßverbindung, die geschraubte Kopfplattenverbindung, sowie auch eine eher neuere Verbindung, der verdeckte Knoten, sind untersucht worden. Die vorliegende Arbeit wurde zur besseren Übersicht deshalb in zwei Abschnitte geteilt:
• Teil I: Geschraubte Kopfplattenverbindungen;
• Teil II: Verdeckte Knotenverbindungen.
Das Hauptproblem bei der Verwendung von Kopfplattenverbindungen besteht in den Abstützkräften. Diese Zusatzkräfte entstehen, wenn sich die Kopfplatten aufgrund der Verfor-mungen unter Zugbelastung gegenseitig abstützen. Die Abstützkräfte können in Abhängigkeit von der Schraubenverteilung und Kopfplattendicke stark variieren. Andererseits kann die Bil-dung eines kompletten Fließlinienmechanismus für Verbindungen mit flexiblen Kopfplatten und sehr festen Schrauben auch zu einem Versagen führen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit ist eine experimentelle Untersuchung mit quadratischen und rechteckigen Hohlprofilen durchge-führt worden. Modernste Ausrüstung wurde zur Messung der Kräfte in den Schrauben ver-wandt. Die nachfolgenden nichtlinearen finiten Elementuntersuchungen (mit 3D Volumen- sowie Kontaktelementen) wurden mit den Ergebnissen der experimentellen Studie verifiziert und dienten der Erweiterung der Datenmenge. Eine parallel durchgeführte analytische Studie, die unter anderem Fließlinientheorie verwendet, diente als Basis zur Herleitung spezieller Bemessungsregeln.
Teil II der vorliegenden Arbeit behandelt sogenannte verdeckte Knoten, welche eine Abwandlung der gängigeren Knotenblechverbindungen mit geschlitzten Hohlprofilen darstellen. Im Gegensatz zu der verbreiteteren Knotenblechverbindung, bei der das Knotenblech über die Breite des Hohlprofils hinausragt, wird das Knotenblech bei verdeckten Knoten in die Innenseite des ungeschlitzten Hohlprofils eingepaßt. Ziel der Forschung war die Herleitung eines Bemessungsmodells gegen ein Versagen durch die örtlich begrenzte Lasteinleitung, insbesondere eines plötzlichen Risses des Hohlprofils durch die lokalen Spannungsspitzen. Eine begrenzte Anzahl von Zugversuchen an verdeckten Knoten für Quadrathohlprofile ist durchgeführt worden. Die technische Umsetzung der Schweißarbeiten im Innern des Hohl-profils war von speziellem Interesse. Die Versuche wurden zur Verifizierung einer numerischen Untersuchung verwendet, welche wiederum als Basis für neue Bemessungs-formeln gegen ein Versagen des Hohlprofils durch örtlich begrenzte Lasteinleitung diente.