Hohlprofilstreben mit Verbindungselementen aus Stahlguss unter Erdbebenbelastung

摘要

Durch Diagonalen ausgesteifte Rahmentragwerke sind effiziente und gem verwendete Konstruktionen in halbhohen bis niedrigen Stahlbauten. Allerdings sind die Strebenverbindungen immer ein Schwachpunkt, sofern nichtaufwendige Entwurfs- und Herstel-lungsverfahren eingesetzt werden. Rahmen mit Hohlprofilstreben, die so geschlitzt werden, dass eine zentrische Lasche einge-schweiβt werden kann, sind insbesondere anfallig fur Verbin-dungsversagen aufgrund von Spannungsspitzen im Nettoquer-schnitt. Um dieses Problem zu vermeiden, wurde an der Universitat von Toronto ein Stahlgussverbindungselement entwickelt, das eine geschraubte Verbindung zwischen einer Rundhohlprofilstrebe und einem typischen Knotenblech ermöglicht. Im Gegensatz zur typischen geschlitzten Hohlprofilverbindung wurde das Stahlgussverbindungselement derart entwickelt, dass ein Versagen durch ortlich begrenzte Lasteinleitung im Strebenelement praktisch aus-geschlossen ist. Auf diese Weise kbnnen lastige Verstarkungs-bleche vermieden werden. Das Verbindungselement wurde mit FE-Analysen auf Basis von Volumenmodellen entwickelt und aus Stahl der Guteklasse ASTM A958 gegossen, welcher den ublichen Baustahlen sehr ahnlich ist. Im folgenden Beitrag werden die Ergebnisse einer Serie von Ver-suchen an Streben in Originalgröβe vorgestellt. Hierbei wurden vier moderat schlanke, kompakte Streben aus kaltverformten Rundhohlprofilen zyklisch bis zum Versagen beansprucht. Die Strebenanordnungen bestanden aus verschiedenen Rundhohl-profil- und Verbindungselementgroβen, wobei das Verbindungselement jeweils mit einem typischen Knotenblech verschraubt wurde. Alle Versuche erfolgten entsprechend der Vorgaben für knickresistente Streben in den Erdbebenvorschriften des ameri-kanischen Instituts fur Stahlkonstruktionen (AISC). Alle Streben iiberstanden mehrere, Liber die Anforderungen hinaus gehende Zyklen und versagten auf Zug in der Strebenmitte. Die Stahlguss-verbindungselemente zeigten in samtlichen Versuchen keinerlei Anzeichen von Plastizierungen und illustrierten hiermit, dass die Verwendung dieser Bauelemente ein praktikables Mittel zum Anschluss von Rundhohlprofilstreben in seismischen Anwendungen darstellen kann.%Although concentrically braced frames are an efficient and popular choice for the lateral force resisting systems of mid- to low-rise steel frames, their bracing connections may be prone to premature failure unless complex design and fabrication procedures are undertaken. Frames utilizing Hollow Structural Section (HSS) braces, slotted to receive a concentric welded gusset plate, are particularly susceptible to connection fracture due to stress concentrations arising from the shear lag phenomenon at the net-section. To address this issue, a cast steel connector was developed at the University of Toronto that provides a bolted connection between a circular hollow section (CHS) brace and a typical corner gusset plate. Unlike standard, fabricated, slotted-tube type connections, the cast connector is designed such that shear lag in the brace member is virtually eliminated. Thus, there is no need for cumbersome reinforcing plates in the connection region. The connector was designed using solid modeling software and finite element analysis, and cast using ASTM A958 grade steel, which is very similar to most wrought grades. This paper presents the results of a series of full-scale brace tests in which four moderately slender, compact, cold-formed CHS brace assemblies were cyclically loaded to failure. Each of the brace assemblies employed a different size of CHS and cast steel connector, with the latter in turn bolted to a typical corner gusset plate. Each of the tests followed the buckling restrained brace protocol specified in the American Institute of Steel Construction (AISC) Seismic Provisions. All of the braces survived several cycles beyond the protocol and failed in tension at the center of the brace. In each test the cast steel connectors showed no sign of yielding, illustrating that the use of a cast steel connector is a viable means of connecting CHS brace members for seismic applications.