Structural behaviour and reliability of timber trusses with dowelled steel-to-timber connections
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2022Type
- Doctoral Thesis
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Abstract
Timber trusses with dowelled steel-to-timber connections have been used since decades and still present a competitive high performance structure for large-span applications. Nevertheless, for the design of such structures, simplified design approaches need to be applied, mostly due to the lack of a holistic connection model and high efforts of modelling truss joints. Such simplified approaches, as well as the general approaches from state-of-the-art design codes, strictly separate the design with respect to the ultimate capacity of the individual elements and their respective load-deformation behaviour, that is only applied to verify serviceability limit states. Such element-by-element design approaches are subsequently incapable of considering system effects and neglect the interactions of deformations and the force distribution within a structure. Therefore, a system-based design approach is explored by combining enhanced mechanical and probabilistic models allowing for both the application of the current design codes and reliability assessments that are capable of considering system effects.
First, a comprehensive state-of-the-art report is provided to present the backgrounds of the different aspects relevant to this thesis. It addresses timber trusses in general and the development of corresponding design rules, considerations of the connections, aspects of structural reliability, system effects and structural robustness. A multi-scale modelling approach builds the basis of the intended system-based design, considering the underlying material, single-dowel connection behaviour, full connections and members, and finally the reliability. On its basis, a modelling framework was developed, which consists of a beam-based finite element model, where the pre-processing is parametrised and automated to allow for an efficient modelling of all parts such as the connections and steel plates. A connection subroutine was implemented to account for the coupled degrees of freedom in-plane of dowelled steel-to-timber connections and all resistance models are evaluated automatically in the post-processing. The resulting maximum utilisation of the trusses, subsequently, serves as limit-state function for reliability analyses. Due to a lack of provisions of probabilistic models for glued laminated timber, such models were derived by means of further evaluation of existing test and simulation data and respective size-effect models were developed. For the implemented connection behaviour, the necessary model uncertainties were derived and for further aspects such as the steel products or the actions, the probabilistic models are presented.
Finally, investigations with respect to the structural behaviour and reliability of timber trusses are presented. Various modelling approaches considering different levels of complexity of truss joints were assessed. Subsequently, the best model was applied to evaluate the simplified design approach from the Swiss codes and a show-case structure was designed to demonstrate the potential of the developed framework. For the reliability assessments, the subset simulation technique was applied and evaluated with respect to its capability of considering the numerous limit-state functions and other aspects. For the show-case structure, it was demonstrated that system effects can be considered, although the precision of the method has to be improved. Show more
Holzfachwerke mit Stahl-Holz Stabdübelverbindungen werden seit Jahrzehnten eingesetzt und stellen nach wie vor leistungsfähige und konkurrenzfähige Tragwerke für grosse Spannweiten dar. Dennoch werden für die Bemessung solcher Fachwerke vereinfachte Bemessungsansätze verwendet, da ganzheitliche Verbindungsmodelle fehlen und der Aufwand für die Modellierung der Verbindungsbereiche zu aufwändig ist. Diese vereinfachten Ansätze, aber auch die allgemeinen Bemessungsverfahren nach Stand der Technik, vernachlässigen bei der Nachweisführung zur Tragfähigkeit der einzelnen Elemente das zugehörige Last-Verformungs-Verhalten, welches nur zum Nachweis der Gebrauchstauglichkeit herangezogen wird. Solche elementweisen Bemessungsansätze sind daher nicht in der Lage Systemeffekte zu berücksichtigen und vernachlässigen die Wechselwirkungen von Verformungen und der Kraftverteilung innerhalb eines Tragwerks. In dieser Arbeit wird daher ein systembasierter Bemessungsansatz mittels Kombination von erweiterten mechanischen und probabilistischen Modellen untersucht. Dieser ermöglicht sowohl die Anwendung der aktuellen Bemessungsregeln als auch Zuverlässigkeitsanalysen, welche in der Lage sind Systemeffekte zu berücksichtigen.
Zuerst wurde ein umfassender Bericht zum Stand der Technik erarbeitet, um die Hintergründe der verschiedenen Aspekte der Arbeit zu erläutern. Dieser befasst sich mit Holzfachwerken im Allgemeinen und der Entwicklung entsprechender Bemessungsregeln, Betrachtungen der Verbindungen, Aspekten der Zuverlässigkeit, Systemeffekten und schliesslich der Robustheit. Ein mehrskaliger Modellierungsansatz bildet die Grundlage für den angestrebten systembasierten Entwurf, der das zugrundeliegende Material, das Verhalten von Einzeldübelverbindungen, ganzen Verbindungen und Stäben und schliesslich deren Zuverlässigkeit berücksichtigt. Darauf aufbauend wurde ein Modell entwickelt, welches aus einem 1D Finite-Elemente-Modell besteht, bei dem der Modellaufbau parametrisiert und automatisiert wurde, um eine effiziente Modellierung aller Teile wie Verbindungen und Stahlplatten zu ermöglichen. Eine Verbindungs-Subroutine wurde implementiert, um die gekoppelten Freiheitsgrade in der Ebene von Stahl-Holz Stabdübelverbindungen zu berücksichtigen. Alle Widerstandsmodelle werden automatisch ausgewertet. Die daraus resultierende maximale Ausnutzung des Fachwerks dient anschliessend als Grenzwertfunktion für Zuverlässigkeitsanalysen. Aufgrund fehlender Vorgaben für probabilistische Modelle von Brettschichtholz wurden solche Modelle durch weitere Auswertung vorhandener Versuchs- und Simulationsdaten abgeleitet und entsprechende Grösseneffekt Modelle entwickelt. Für das implementierte Verbindungsverhalten wurden die zu berücksichtigenden Modellunsicherheiten abgeleitet und für weitere Aspekte wie Stahlprodukte und Einwirkungen werden die probabilistischen Modelle aufgezeigt.
Schliesslich werden Untersuchungen zum Tragverhalten und zur Zuverlässigkeit von Holzfachwerken vorgestellt. Es wurden verschiedene Modellierungsansätze unter unterschiedlich genauer Berücksichtigung der Verbindungsbereiche ausgewertet. Anschliessend wurde das beste Modell angewandt, um den vereinfachten Bemessungsansatz aus den Schweizer Normen zu evaluieren. Das Potenzial des Modells wurde anhand eines Mustertragwerks demonstriert. Für die Zuverlässigkeitsanalysen wurden Subset Simulationen angewendet. Diese wurden hinsichtlich ihrer Eignung bewertet, die zahlreichen Grenzwertfunktionen und andere Aspekte zu berücksichtigen. Für das Mustertragwerk konnte gezeigt werden, dass Systemeffekte berücksichtigt werden können, obwohl die Genauigkeit der Methode noch gesteigert werden muss. Show more
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https://doi.org/10.3929/ethz-b-000538109Publication status
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Contributors
Examiner: Frangi, Andrea
Examiner: Steiger, René
Examiner: Sudret, Bruno
Examiner: Bader, Thomas Karl
Publisher
ETH ZurichSubject
TIMBER ENGINEERING (STRUCTURAL ENGINEERING); Timber structures; Timber trusses; Truss joints; Connections; Steel-to-timber connections; Dowel-type fasteners; Dowelled steel-to-timber connections; Stiffness; Load-deformation behaviour; Glued laminated timber; Probabilistic modeling; RELIABILITY (ENGINEERING); Subset Simulation; Model uncertainity; Finite Element Method; Parametric modeling; Design automation; Multi-scale approach; Structural robustnessOrganisational unit
08809 - Frangi, Andrea (Tit.-Prof.)
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