Colum Web Panel in Shear

Abstract

The component method constitutes a powerful tool to analyse and calculate the resistance and stiffness of steel joints and due to this, is the basis of the European codes EN 1993-1-8 and the new generation prEN 1993-1-8.However, the component method is limited to standard cases and therefore, some problems and situations are not yet completely formulated and studied. Due to this, the importance of alternative methods of analysis has been growing during the last years. Among those are the numerical modelling based on finite elements and the Component-Based Finite Element Method, “CBFEM”, that seeks to combine the potentialities finite elements with the component method.CBFEM is based on the adoption of shell and linear finite elements to modelling plates, bolts, and welds. The objective of such approach is to overtake the restrictions in computational terms such as storage capacity and running time associated with the use of 3D solid finite element models. Between the commercial software available using CBFEM is IDEA StatiCa®.Due to the limitations in the amount of experimental data, the inexistence of safety rules for some specific cases the actual European code foresees the use of additional restrictions. That happens with the study of the Column Web Panel (CWP) in shear (in a beam-to-column joint with open-sections. The CWP in shear component has proven to by highly dependent on the ratio between the applied moments at both sides of a moment-resistant joint. This situation usually leads to the reinforcement of the joint resulting in a significative increase in fabrication costs.This study is going to analyse the use of shell finite element models using the commercial software Abaqus® and CBFEM using IDEA StatiCa® to model the behaviour of CWP in shear. The objective is to compere the results of these alternative methods with the codes component method to estimate if it is possible to have a more accurate value of the joint moment-resistance and its stiffness leading to a decrease in production costs. Therefore, those method are going to be applied to a set of joints considered as being representative of the most adopted solutions.Still in that context, different alternatives are going to be used to modelling the shell finite element models seeking a better understanding of which geometrical configuration may be considered adequate for that type of analysis.The study shows that for the studied set of joints, EN 1993-1-8 and prEN 1993-1-8 may lead to more conservative results for moment resistance in one-sided-unstiffened joints without axial force. Nevertheless, in the presence of axial force for some specific cases the CM may lead to less conservative results than FEM. It also shows that CBFEM may lead to moment-resistance values considerably closer to shell FEM if a sufficiently refined mesh is used.Finally, the use of shell finite elements to model on-sided internal beam-to-column joints with hot-rolled open sections may be acceptable, allowing a reasonable reproduction of the overall behaviour of such joints shown on experimental tests. Also, the consideration of the column radius in shell FEM seems to have significant effects on the joint initial stiffness and moment resistance and may lead to lower values for both magnitudes when neglected.

O método das componentes constitui uma potente ferramenta de análise para o cálculo da resistência e a rigidez das ligações metálicas e encontra-se integrado na norma europeia EN 1993-1-8 e na norma de europeia de segunda geração prEN 1993-1-8.No entanto, o método das componentes encontra-se limitado a casos padrão pelo que alguns problemas e situações não estão, atualmente, completamente formulados ou estudados. Daí a importância crescente nos últimos anos de métodos de análise alternativos tais como a modelação numérica por elementos finitos ou ainda o aparecimento dos Métodos dos Elementos Finitos Baseados em Componentes (Component-Based Finite Element Method, «CBFEM»), como uma ferramenta que procura conjugar as potencialidades de ambas abordagens. A formulação referida baseia-se na adoção de elementos do tipo casca e lineares para a modelação de placas, parafusos e soldaduras e pretende ultrapassar as restrições, em termos computacionais, de tempo e memória associadas à utilização de elementos finitos sólidos 3D, tal é o caso do software comercial IDEA StatiCa®.Dadas a limitada quantidade de dados experimentais e a ausência de regras de segurança para determinados casos a norma atual prevê a implementação de restrições adicionais, sendo esse o caso do comportamento da alma da coluna ao corte numa ligação viga-coluna de secções abertas, componente fortemente dependente da razão dos momentos atuantes em ambos lados de uma ligação de resistência total o que conduz, normalmente, ao reforço da alma da coluna com considerável impacto económico no dimensionamento e fabrico da ligação.Pretende-se desta forma estudar se a utilização de modelos de elementos finitos do tipo casca com recurso ao software comercial Abaqus® e modelos CBFEM com recurso ao software IDEA StatiCa® para o caso da análise do comportamento da alma da coluna ao corte permite o relaxamento das referidas restrições, comparando os resultados fornecidos pelo software com os resultados de um modelo de elementos finitos tradicional e ainda com o Método das Componentes previsto no Eurocódigo atual para um conjunto de ligações com perfis considerados representativos das soluções comumente adotadas.Ainda nesse contexto, pretende-se comparar diversas alternativas para a modelação daS ligações através de modelos de casca com o intuito de ter uma melhor perceção de qual pode ser a metodologia mais adequada em termos geométricos para a referida análise.