Kvadratiske og rektangulære hulprofiler er attraktive for bruk i stålkonstruksjoner. Disse profilene har god bæreevne for ulike kombinasjoner av aksialkraft (trykk) og bøyemoment om en eller begge akser. Takket være det lukkede tverrsnittet er torsjonsegenskapene vesentlig bedre enn for I- og H-profiler, og hulprofiler vipper ikke. Et komparativt lite overflateareal er gunstig mht. brann- og korrosjonsbeskyttelse. Dessuten gir hulprofiler et visuelt godt inntrykk av stålkonstruksjonen.
Både økonomisk og rent praktisk er det hensiktsmessig å sveise knutepunkt mellom hulprofiler siden det ikke er behov for separate stiverplater eller omfattende skjærearbeider i forkant. Figur 1 viser en skisse av et generisk T-knutepunkt. Slike knutepunkt kan forekomme i fagverk mellom gurtstaver og stegstaver, men de er også aktuelle i bjelke-søyle – forbindelser. NS-EN 1993-1-8 tabell 7.14 gir informasjon om den dimensjonerende momentkapasiteten for slike knutepunkt. Formlene for momentkapasitet er ikke funksjon av aksialkraften i gurtstaven. Det foreligger svært få, om noen, eksperimentelle undersøkelser av hvordan en trykkraft påvirker momentkapasiteten. Dette var utgangpunktet for en masteroppgave ved Institutt for konstruksjonsteknikk, NTNU, våren 2020.
Prøvestykker
Åtte T-knutepunkt ble produsert av kaldformede, kvadratiske hulprofiler med nominell fasthetsklasse S355. De geometriske modellparametrene var:
- Tverrsnitt av søylen: 100´100´4 (test 1-4) eller 100´100´3 (test 5-8)
- Tverrsnitt av bjelken: 100´100´4 (test 1,2,5,6) eller 90´90´4 (test 3,4,7,8)
NS-EN 1993-1-8 definerer breddeforholdet som , og de valgte søyle- og bjelkeprofilene gir
eller
. Videre var den nominelle tykkelsen
av søyleprofilet enten 3 mm eller 4 mm, og søylens tverrsnittsklasse blir dermed hhv. 2 eller 1 når fasthetsklasse S355 legges til grunn. Seks av søylene hadde lengde
= 698 mm, mens to var 1000 mm lange. Bjelkenes lengde var
= 381 mm.
Det ble tatt ut prøvestykker til materialforsøk fra alle profilene. Disse forsøkene viste at faktisk flytespenning var vesentlig høyere enn den nominelle. For flertallet av profilene lå flytespenningen mellom 500 og 550 MPa. Søylene med nominell tykkelse 3 mm har klasse 4 hvis den målte flytespenningen benyttes i tverrsnittsklassifiseringen.
Laboratorieforsøk
Forsøkene på de åtte knutepunktene ble gjennomført i laboratoriet ved Institutt for konstruksjonsteknikk, NTNU. En skjematisk tegning og et foto av testoppsettet er vist i figur 2. I testene ble det først påført en aksialkraft N lik 50 kN i søylen. Deretter ble det hengt lodd ytterst på bjelken, og den tilhørende kraften F gir et moment i knutepunktet. Påført last F varierte mellom 2,8 og 9,3 kN. Til slutt ble aksialkraften N økt gradvis under forskyvningskontroll (2,1 mm/min) inntil kapasiteten til komponenten Nu ble nådd.
Syv av de åtte forsøkene ble gjennomført med randbetingelser som vist i figur 2, dvs. tilnærmet leddlager. Det siste prøvestykket (test 1) var derimot innspent i begge ender.
Figur 2: (a) Testoppsett for test 2-8. (b) Foto etter forsøk av et prøvestykke (test 6) med breddeforhold og veggtykkelse
= 3 mm.
Resultater
I samtlige tester oppsto det store lokale deformasjoner av en eller flere av søyleveggene når den maksimale kraften Nu var oppnådd. Posisjonen til disse lokale deformasjonene varierte, se figur 3, og de hadde dessuten litt forskjellig karakter:
- Test 1: Kapasiteten ble begrenset av brudd helt nederst, nær innspenning. Merk at denne søylen var innspent i begge ender.
- Test 2 og 4: Plastisk knekking av søylens sidevegg i knutepunktet, se figur 4.
- Test 3: Plastisk knekking av søylens flens rett under bjelken.
- Test 5: Lokal knekking av søylevegger mellom knutepunktet og nedre opplager.
- Test 6, 7 og 8: Lokal knekking av søylevegger rett under knutepunktet, se figur 2(b).
En sentral observasjon for søylene med = 4 mm er at bruddet opptrer i knutepunktet. (Unntaket var den innspente test 1.) For test 5 til 8, derimot, ser det ut til at lokal knekking av søyleveggen med
= 3 mm har vært utslagsgivende for kapasiteten.
Diskusjon og oppsummering
For de valgte nivåene av kraften F var det svært liten forskjell på kraften Nu i testene 5 til 8. Kapasiteten til disse søylene var lite påvirket av knutepunktet som sådan, og denne observasjonen støttes av at bruddet inntreffer under knutepunktet for disse fire forsøkene, se figur 3.
I prøvestykkene 2 og 4 ble kapasiteten definert av lokale plastiske deformasjoner i søylens bakre vegg i selve knutepunktet. Her ser det ut til at knutepunktet har begrenset kapasiteten til søylen. Dette er tilfelle også for prøvestykke 3, men der skjedde bruddet i søylens trykksone rett under bjelken. I test 3 var bjelken smalere (b = 0,9). Dette gir en økt, lokal belastning på søyleveggen mot bjelken. Men søylens kapasitet Nu var lite påvirket av det endrede breddeforholdet.
Etterord
Norsk stålforbund har bidratt med økonomisk støtte til produksjon av knutepunktene hos Trondheim Stål, mens Fakultet for ingeniørvitenskap ved NTNU har støttet prosjektet med lønnsmidler. Laboratorietestene er gjennomført som et ledd i aktivitetene i SFI-CASA. Forfatterne takker laboratoriepersonalet ved Institutt for konstruksjonsteknikk for god assistanse i planlegging og kjøring av testserien.
Författare
Ådne Lund, Institutt for konstruksjonsteknikk, NTNU (nå: Norconsult)
Panagiotis Manoleas, Institutt for konstruksjonsteknikk, NTNU (nå: Paramatrix AB)
Magnus Langseth, Institutt for konstruksjonsteknikk, NTNU
Arild Holm Clausen, Institutt for konstruksjonsteknikk, NTNU
