Effect of Semi-Rigid Joints in Structural Steel Design

Abstract

This thesis is written on behalf of the Civil Engineering department at Citec Oy Ab, with the purpose of expanding steel design knowledge. More specifically to identify the rules and benefits of using semi-rigid joints compared to the limitations and risks of using traditional pinned- and rigid joints.

To gather necessary information for the subject a literature review has been done, which covers pinned-, rigid- and semi-rigid joints in elastic global analysis targeting joint stiffness and classification, economic aspect, and definition of global analysis.

The semi-rigid joint effect has been investigated through analysis of bending moment distribution and displacement in RFEM, and by buckling length calculations with RF-Stability and Designers guide to EC3, along with buckling theory.

The results consist of a compilation of traditional and theoretical joints and their effect on frame behavior, together with use, rules, and limits with semi-rigid joints. How semi-rigid joints affect the buckling length has been discovered, in addition to a relationship between the buckling length factor and joint initial stiffness.

Arbetet har gjorts på uppdrag av Citec Oy Ab:s byggnadskonstruktionsavdelning, med syftet att utöka kunskaper inom stålkonstruktion. Mera specifikt innebär arbetet att identifiera befintliga regler, samt lyfta fram fördelar med användningen av eftergivliga anslutningar. Detta i jämförelse med begränsningar och risker som tillkommer med traditionella ledade- och momentstyva anslutningar.

En litteraturöversikt har gjorts i samband med inhämtning av nödvändig information om ämnet. Den innehåller teori om ledade-, momentstyva- och eftergivliga anslutningar, dimensionering enligt elastisk global analys med inriktning på rotationsstyvhet och klassificering. Även ekonomiska aspekter för anslutningar och definitionen av global analys har redogjorts för.

Effekten av eftergivliga anslutningar har undersökts genom analys av momentfördelning och deformationer i RFEM, samt knäcklängdsberäkningar med RFStability och Designers guide to EC3. Allmänt om knäckningsteori för stålkonstruktioner har också lyfts fram.

Resultaten består av en sammanställning av traditionella och teoretiska anslutningar, och deras effekt på ramverksbeteende. Risker och begränsningar som tillkommer med användningen av traditionella anslutningar lyfts fram. Förutom hur eftergivliga anslutningar påverkar knäcklängder, har även ett samband mellan anslutningars initiella styvhet och knäcklängdsfaktorn påvisats.

Tämä opinnäytetyö on kirjoitettu Citec Oy Ab:n rakennesuunnitteluosaston toimeksiannosta tarkoituksena laajentaa terässuunnittelun osaamista. Tarkemmin sanottuna osittain jäykkien liitosten käytön sääntöjen ja hyödyn tunnistaminen verrattuna perinteisten nivel- ja jäykkien liitosten käytön rajoituksiin ja riskeihin.

Aiheeseen tarvittavan tiedon keräämiseksi on tehty kirjallisuuskatsaus, joka kattaa nivel-, jäykät ja osittain jäykät liitokset elastisessa globaalissa analyysissä, ja kohdistuu nivelten jäykkyyteen ja luokitukseen, sekä taloudelliseen näkökulmaan ja globaalin analyysin määritelmään.

Osittain jäykkä liitosvaikutus on tutkittu analysoimalla taivutusmomenttijakaumaa ja taipumaa RFEM:ssä sekä nurjahduspituuslaskelmilla RF-Stabilitylla ja Designers guide to EC3:lla. Aiheeseen liittyvä nurjahdusteoria on myös esitelty.

Tulokset ovat kooste perinteisistä ja teoreettisista liitoksista ja niiden vaikutuksista kehärakenteen käyttäytymiseen sekä puolijäykkien liitosten käytöstä, säännöistä ja rajoituksista. Nurjahduspituustekijän ja liitoksen jäykkyyden välisen suhteen lisäksi on selvitetty, miten osittain jäykät liitokset vaikuttavat nurjahduspituuteen.