Net section resistance of steel angles connected by one leg

In civil engineering structures, steel angles are often used as tensioned elements, because of their ease of fabrication and assembly. For practical reasons, angles are usually connected only by one leg, using a single row of bolts, and rupture of weakened section usually determines a joint capacity. Also, eccentricity affects the distribution of stresses in the net section and hence its load capacity. Assessment of ultimate resistance is a completely different issue compared to the well-known and established problems of plastic resistance and requires advanced material modelling. The paper presents a numerical simulation of net section failure of tensioned angles, made of structural steel grade S275, taking into account ductile initiation and propagation of fracture using the Gurson-Tvergaard-Needleman damage model. Extensive parametrical analysis of ultimate tensile resistance was performed with a wide range of parameters. The typical and well-recognised failure modes were observed as net section fracture and block tearing. Also, an additional failure mode, classified as limited block tearing, has occurred which is not considered in current design provisions. The paper describes the impact of individual geometrical properties of the joint (numbers of bolts, connection length, and distance from the edge of the connected leg to the center of the fastener hole) on the apparent failure form and the resistance obtained.

W stalowych konstrukcjach budowlanych kątowniki są stosowane najczęściej jako elementy rozciągane, głównie ze względu na łatwość ich wytwarzania i montażu. Ze względów praktycznych łączy się je tylko jednym ramieniem, za pomocą pojedynczego rzędu śrub, a zerwanie osłabionego przekroju decyduje zwykle o nośności całego połączenia. Na rozkład naprężenia w złączu i tym samym nośność przekroju netto wywiera również wpływ mimośród obciążenia. Przy projektowaniu takich elementów, oprócz uwzględnienia nośności plastycznej przekroju brutto, należy wziąć pod uwagę nośność graniczną przekroju poprzecznego netto oraz nośność na rozerwanie blokowe. W obu tych ostatnich formach zniszczenia stanem granicznym jest rozerwanie materiału i ważne jest uwzględnienie opisu ciągliwego pękania stali w celu uzyskania miarodajnego oszacowania nośności. Wymaga to zaawansowanego modelowania materiału w porównaniu do dobrze już rozpoznanych zjawisk nośności plastycznej. W pracy przedstawiono symulację numeryczną zniszczenia przekroju netto połączenia kątowników rozciąganych, wykonanych ze stali konstrukcyjnej gatunku S275, z uwzględnieniem inicjacji i ciągliwej propagacji pęknięcia. Zastosowano model materiału Gursona–Tvergaarda–Needlemana. Przeprowadzono obszerną analizę parametryczną nośności granicznej i powstającej formy zniszczenia. Badano wpływ: – stosunku szerokości ramienia do jego grubości b/t w kątownikach równoramiennych, – rozstawu otworów na śruby w kierunku działania obciążenia p1 i całkowitej długości połączenia Lp, – odległości osi otworu od krawędzi w kierunku prostopadłym do kierunku działającego obciążenia e2, – odległości osi skrajnego otworu od krawędzi w kierunku równoległym do działającego obciążenia e1, oraz – zróżnicowania parametrów mechanicznych stali. Zaobserwowano typowe, i dobrze już rozpoznane, mechanizmy zniszczenia takie, jak rozerwanie przekroju poprzecznego netto oraz rozerwanie blokowe. Analizy pokazały także dodatkową formę zniszczenia sklasyfikowaną jako ograniczone rozerwanie blokowego, która nie była dotychczas uwzględniana w przepisach projektowania. W artykule stwierdzono, że model materiału Gursona-Tvergaarda-Needlemana może być bardzo korzystny z punktu widzenia modelowania węzłów i połączeń, których nośność opiera się na rozerwaniu materiału. Przedstawiono także wpływ parametrów geometrycznych na powstające formy zniszczenia, w szczególności na nowo zaobserwowany mechanizm ograniczonego rozerwania blokowego.