Parametric study of an aluminium K-joint

Abstract

Aluminium is a construction material which has increased in use over the past 50 years. Its low weight makes it preferable in portable structures. K-joint is the main joint in trusses and these trusses are used in scaffolds and moveable stages where large spans are present. Although some research has been done during the last 20 years, there is still a lot of potential to make more studies of aluminium structures. In this thesis, numerical models of a K-joint made from CHS profiles have been made based on the experimental data in Đuričić et al. (2017). It is parametric studies where brace angle and chord thickness, and their influence on deformation and resistance, have been investigated. Since there is no direct approach described to calculate resistance in aluminium K-joints, it has also been investigated if the steel theory in EN1993-1-8 (2005) sufficiently describes the behaviour of the models created. Four case studies were modelled in FEM program ANSYS. A reference model with brace angle 45˚ and chord thickness of 2 mm was made and validated with the experimental results in Đuričić et al. (2017). Two models with brace angle 30˚ and 60˚ were created to study the effect of brace angle changes. To investigate the chord thickness, a model where the chord thickness was increased from 2 mm to 3 mm was made. All the models were loaded at the compressed brace member, the resulting deformations and von mises stresses were investigated. Strength of the models is found with the deformation limits described by Lu et al. (1994). The strengths are compared to each other to investigate the influence of the different parameters. Design resistances are calculated based on the steel theory in EN1993-1-8(2005), with the addition of aluminium softening described in EN1999-1-1(2007). These calculations are compared to the numerically obtained strengths, in order to investigate the corralation between them. The numerical results experience a 20 % increase of the design strength against chord plastification as the brace angle is decreased from 45˚ to 30˚ and an increase of 5 % when the angle is changed from 60˚ to 45˚. The model with increased chord thickness experiences a different failure mode than the other models. The braces fail from stresses in the heat affected zones exeeding the ultimate strength. Hand calculation results show a good correlation with the model with low brace angle. It gives very conserative values for the K-joints with larger brace angles. The K-joint with chord thickness 3 mm is not sufficiently described by the steel theory since axial failure in the braces needs to be considered in addition to the chord plastification failure.

Bruken av aluminium som et konstruksjonsmateriale har økt over de siste 50 årene. Den lave vekten gjør det foretrukket i midlertidige konstruksjoner. K-forbindelser er hovedkomponenten i fagverk som brukes i stillas og midlertidige scener hvor store spenn er tilstede. Det er gjort noen studier på denne typen forbindelser de siste 20 årene, men det er fortsatt stort potensial til å forske mer på dette. I denne oppgaven er det laget numeriske modeller av K-forbindelser laget av CHS profiler basert på eksperimentelle data i Đuričić et al. (2017). Det er en parametrisk studie hvor stegstavenes vinkel og tykkelsen på gurtstaven, og deres innvirkning på deformasjon og styrke, har blitt undersøkt. Siden det ikke finnes en direkte metode for å beregne styrke i aluminium K-forbindelser, har det også blitt undersøkt om stålteorien i EN1993-1-8 (2005) beskriver oppførselen til modellene tilstrekkelig. Fire strukturer har blitt modelert i FEM programmet ANSYS. En referansemodell med stegvinkel på 45˚ og gurtstavtykkelse på 2 mm har blitt laget og validert opp mot de eksperimentelle resultatene i Đuričić et al. (2017). To modeller med stegvinkel på 30˚ og 60˚ er bygget for å studere effekten av endringer av vinkelen. For å undersøke gurttykkelsen ble det modellert en K-forbindelse med økt gurttykkelse fra 2 mm til 3 mm. Alle modellene var lastet på stegstaven som var i trykk, resulterende deformasjoner og von mises spenninger ble undersøkt. Styrken til modellene er funnet med deformasjonsgrensene beskrevet av Lu et al. (1994). Styrkene er sammenlignet for å undersøke påvirkningen av de forskjellige parametrene. Dimensjonerende styrke er beregnet basert på stålteorien i EN1993-1-8 (2005), med innvirkning av oppmykning i aluminium beskrevet i EN1999-1-1 (2007). Disse beregningene er sammenliknet med de numeriske styrkene for å undersøke sammenhengen mellom dem. De numeriske resultatene opplever en økning av styrken mot flensbrudd i gurten på 20 % når stegvinkelen endres fra 45˚ til 30˚ og en økning på 5 % når vinkelen endres fra 60˚ til 45˚. Modellen med økt gurttykkelse opplever en annen bruddform enn de andre modellene. Stegstavene går i brudd fra de aksielle spenningene i de varmepåvirkede sonene som overstiger bruddspenningene. Håndberegningene gir god korrelasjon med modellen med liten stegvinkel. De gir veldig konservative verdier for K-forbindelsene med større stegvinkler. Forbindelsen med gurttykkelse på 3 mm er ikke tilstrekkelig beskrevet av stålteorien siden aksielt brudd i stegene må vurderes i tillegg til flensbrudd i gurten.