Analyzing the behavior of a hybrid steel to timber connection by modifying different parameters

Abstract

Det er ikke forsket like mye på knutepunkt mellom stål og tre, som det er forsket på knutepunkt mellom stål og betong. Ved å kombinere styrken til stål med den lave vekten til tre, får vi et miljøvennlig knutepunkt som kan være med å bidra betraktelig til et knutepunkt for fremtiden. Ved å starte med teoretisk bakgrunn presenterer denne masteroppgaven prosessen ved å modellere et knutepunkt og dets tilhørende parametere. Det legges vekt på bruken av viktige parametere of effekten av å endre disse parameterne i knutepunktet. En numerisk modell ble laget og verifisert slik at denne er troverdig. Normalt utføres det et eksperiment før det lages en numerisk modell slik at denne kan bli verifisert, men på grunn av mangel på ressurser her på universitetet kunne dette ikke utføres. Derfor fant vi etter søk på internasjonal litteratur, en publisert studie som vi har valgt å bruke som verifikasjon. Et av knutepunktene som er eksperimentelt testet i dette studiet er valgt som den grunnleggende knutepunkts modellen som har blitt numerisk analysert i denne oppgaven. Sammenligningen mellom eksperimentet og den numeriske modellen`s resultater er grunnlaget for verifiseringen av den numeriske modellen. Etter at verifiseringen har blitt gjort har flere parametere fra den opprinnelige modellen blitt forandret slik at det kan analyseres hvor stor effekt disse forandringene har. Flere knutepunktsmodeller har blitt undersøkt og en optimal sammensetning har blitt funnet, og dette er sannsynligvis hovedbidraget fra denne masteroppgaven Analysene har blitt gjort med bruk av skripting i Finite-element programmet Ansys Mechanical APDL. Dette er et avansert program som krever at enhver parameter er korrekt for å kunne produsere nøyaktige resultater. Den opprinnelige modellen består av vinkler med 15mm tykkelse som er montert oppe og nede på limtrebjelken med 12mm gjennomgående bolter, og 16mm bolter som kobler vinklene sammen til stålsøylen. Totalt ble syv knutepunktsmodeller undersøkt og det optimale knutepunktet besto av en kombinasjon a to forskjellige knutepunktsmodeller. Det ble funnet ut at ved å kombinere 20mm vinkler både oppe og nede på limtrebjelken, sammen med 20mm gjennomgående bolter ville rotasjonsstivheten øke markant med 137% ,mens von Mises stress vil synke med 20.2%

The behaviour of hybrid connections between timber and steel has not been investigated as extensively as the connections between concrete and steel. By combining the strength of steel with the low weight of timber, an environment friendly connection is constructed and this option may be the rule for structural connections in the future. By starting with theoretical background, this thesis presents the process of modelling a connection and the related parameters. It emphasizes on the use of important parameters and the effect of changes in these parameters on the connection. A base numerical model was constructed and verified, in order for this to be reliable. Normally an experimental analysis is done before developing a numerical model, so the latter can be verificated, but due to lack of resources at the university, an experiment could not be done. Therefore, after searching the international literature, a research paper has been selected. A connection tested in this paper was selected as the base connection that was numerically analysed in this thesis. Moreover, the comparison between experimental and numerical results lead to the verification of the numerical model. After the verification was made, many different parameters of the base connection were altered in order to analyse and quantify the effect of these changes. Many case studies were examined. An optimal configuration has been found and this is probably the main contribution of the current thesis. The analyses were done with scripting, using the Finite element program Ansys Mechanical APDL. This is a complex detailed program that needs every parameter to be correct in order to produce accurate results. The base model consists of 15mm thick top and seat angle connected with 12mm bolts that runs through the glulam beam and 16mm bolts connected to the tubular steel column. Together with the base model, a total of seven case studies have been investigated whereas the optimal connection was found to be a combination of two cases. It was found that by combining a 20 mm thick top and seat angle and 20 mm vertical bolts the rotational stiffness of the connection increased significantly with 137%, while the von Mises stress in the top angle was reduced by as much as 20.2%.