Improvement of the mechanical model for mode 1 T-stub plastic strength

Abstract

Title : Improvement of the mechanical model for mode 1 T-stub plastic strength

— Author : Neutelers Arnaud — Construction Civil Engineer master degree — Academic year : 2022-23 — Promotors : Jaspart Jean-Pierre & Demonceau Jean-François

In structural robustness studies, column loss events are considered. Such situations require the structure to be calculated in its deformed configuration. Joints response therefore plays a crucial role in such an ana lysis. However, nowadays , the component method for characterising joints has been developed essentially for the elastic domain. Researches are currently being carried out on components to extend this method up to joint failure. The component studied in this thesis is the T-stub. First, the state-of-the-art is reviewed. A detailed presentation of this component is given. The same applies to various characterisation models. These range from the current standards, which is conservative and easy to apply, to the most recent and complex research models. Next, a multitude of test campaigns were searched in the literature. From these, the most relevant specimens were selected for the study of short unstiffened back-to-back T-stubs with one bolt row and made from mild steel welded plates. The previously presented characterisation models are applied to these tests. As a result, an inadequate assessment of plastic strength is observed. This observation will be investigated in the remainder of this thesis. Numerical modelling of the Timisoara test campaign was carried out. This enabled the modeling procedure to be validated. In addition, a parametric study was carried out on three dimensionless parameters. These investigated the ratios of plates thickness to plates length, plates thickness to bolts diameter and the position of prying forces. From this study, it was observed that membrane effects are, indeed, negligible at yielding. Neverthe less, it was shown that the position of the plastic hinges is poorly evaluated. The same applies to the stress distribution under the bolt head. It has also been shown that the position of prying forces is safely overestimated. Finally, it has been observed that the range of application of the short T-stub theory is reduced in comparison with what the theory predicts. Indeed, non-rectilinear failure mechanisms were obtained. Finally, analytical developments and formulations are proposed. Empirical formulae are proposed for the position of the hinges. Then, the work of the bolt head is re-evaluated by integrating the actual position of the hinges and a more realistic triangular stress distribution. For the non-rectilinear mechanism, an effective length is proposed. MV interaction is also introduced in the model to prove its influence. Last but not least, the EuroCode T-stubs classification criterion is invalidated and another one based on stiffness is proposed. In conclusion, number of perspectives are suggested for further researches and improvements of the model proposed here. These include the establishment of a more accurate formula for the position of the hinges, and a more rigorous evaluation of the hybrid mechanism and the prying forces position. Once this has been done, a variation in the length of the T-stub can be considered.

Titre : Amélioration du modèle mécanique de la résistance plastique des profilés en T périssant sous mode 1

— Auteur : Neutelers Arnaud — Master en ingénieur civil des constructions, à finalité spécialisée en génie civil — Année académique : 2022-23 — Promoteurs : Jaspart Jean-Pierre & Demonceau Jean-Fran ̧cois — Titre original (document en anglais) : ”Improvement of the mechanical model for mode 1 T-stub plastic strength”

Dans le cas d’études de robustesse des structures, des évènements de perte de colonne sont envisagés. De telles situations nécessitent de calculer la structure dans sa configuration déformée. La réponse des assemblages joue par conséquent un rôle crucial dans une telle analyse. Cependant, la méthode des composantes permettant la caractérisation des assemblages, est à ce jour essentiellement développée pour le domaine élastique. Des recherches sur les composantes sont actuellement menées pour étendre cette méthode jusqu’à la ruine de l’assemblage. La composante faisant l’objet de cette thèse est le profilé en T. Dans un premier temps, un état de l’art est dressé. Une présentation détaillée de ladite composante est proposée. Il en va de même pour divers modèles de caractérisation. Ces derniers vont de la norme actuelle, sécuritaire et simple d’application, aux modèles de recherche les plus récents et les plus complexes. Ensuite, une multitude de campagnes d’essais ont été cherchées dans la littérature. Parmi ces dernières ont été sélectionné les spécimens significatif pour l’étude des profilés en T flexible courts non-raidis à une rangée de boulon et réalisés avec une nuance d’acier standard et des plats soudés. A ces tests seront appliqués les modèles de caractérisation précédemment présentés. Ainsi, une insuffisance quant à l’évaluation de l’effort plastique est constatée. Cette observation est investiguée dans la suite de cette thèse. Ainsi, une modélisation numérique de la campagne de Timisoara est réalisée. Ceci permettant de valider la procédure de modélisation numérique mise en place. En outre, une étude paramétrique est réalisée sur trois paramètres adimensionnels. Ces derniers investiguent les rapports épaisseur sur longueur de la semelle, épaisseur des plats sur le diamètre du boulon et la position des efforts de levier. De cette étude, il a été observé que les efforts membranaires sont, en effet, négligeable à la plastification. Néanmoins, il a été prouvé que la position des rotules plastiques est mal évaluée. Il en va de même pour la distribution des contraintes sous la tête du boulon. Il a également été démontré que la position des efforts de levier est surestimée de façon sécuritaire. Enfin, il a été observé que le domaine d’application de la théorie des profilés en T courts est réduit en comparaison de ce que prévois la théorie. En effet, des mécanismes de ruines non rectilignes ont été obtenu. Finalement, des développements et formulations analytiques sont proposées. Des formules empiriques sont développées pour la position des rotules. Ensuite, le travail de la tête du boulon est ré-évalué en y intégrant ce dernier point et une distribution de contrainte triangulaire plus réaliste. En ce qui concerne le mécanisme non rectiligne, une longueur effective est proposée. L’interaction MV est également introduite dans le modèle pour en démontrer son influence. Enfin, le critère de classification des profilés en T de l’EuroCode est remis en cause au profit d’un critère basé sur la rigidité. Pour conclure, des perspectives de recherches et d’améliorations du modèle ici proposé sont suggérées. Celles-ci consistent en l’établissement d’une formule moins sécuritaire pour la position des rotules et en une évaluation plus rigoureuse du mécanisme hybride et du positionnement des efforts de levier. Une fois ceci fait, une variation de la longueur du profilé en T peut être envisagée.