I beam to CHS column joints using laser cutting technology. An analytical approach

Circular hollow sections (CHS), due to their inherent geometric properties, are more efficient as compression members than any other structural steel section presenting several advantages, such as uniform behaviour in all directions, possibility to obtain composite behaviour by concrete infill, hence high strength, stability and good fire resistance. Moreover, they are aesthetically appealing, offering more space and freedom to the designer. However, they are not widely adopted in practice due to the complexity and high cost of their joint details. EU-RFCS project LASTEICON (Laser Technology for Innovative Connections in Steel Construction) [1], started in July 2016 proposes simpler joint solutions with reduced fabrication costs, to be adopted between CHS columns and I beams, making use of laser cutting technology (LCT). The primary objective of the LASTEICON project is to overcome the complexity of steel joints between CHS columns and I beams, and let engineers and architects exploit the outstanding structural properties of hollow section profiles. Laser cutting will allow the reduction of the shop fabrication time, obtaining higher precision high quality joint fabrication, and improving workplace safety reducing the amount of manual labor while increasing computer-programmed automation. This dissertation presents preliminary results obtained in the Work-Package 1 of the LASTEICON project (www.lasteicon.eu), which consisted in a study of tolerance optimization for an efficient fabrication of I-beam-to-CHS column joints, as well as an analytical approach for joint strength calculations for the pre-design of the main joint typologies and the design of the test specimens. According to these studies it has been found that, although present tolerances offered by most manufacturers are not sufficiently strict to allow to fully benefit from LCT, different approaches, such as a measuring each member before cutting, can be implemented to solve the issue. Moreover, it has been possible to build an analytical approach based on the available literature to calculate and predict different failure modes in the joint and thus design a diverse experimental setup where different aspects can be studied.

Le cosiddette Sezioni Circolari Cave o Profili Tubolari Circolari grazie alle loro caratteristiche geometriche intrinseche sono più efficienti come elementi compressi rispetto a qualsiasi altro tipo di sezione in acciaio, offrendo una serie di vantaggi rispetto alle sezioni aperte come il comportamento uniforme della sezione in tutte le direzioni, la possibilità di realizzare strutture composite con il riempimento di calcestruzzo, quindi resistenza e stabilità elevate, cosi come una buona resistenza al fuoco. In aggiunta, il loro aspetto estetico risulta molto ricercato offrendo più spazio e maggiore libertà al progettista. Tuttavia, nella pratica non sono largamente adottati grazie all’alto grado di complessità e di costo che i loro giunti presentano. Il progetto di ricerca UE-FRCA LASTEICON (Laser Technology for Innovative Connections in Steel Construction), iniziato nel luglio 2016 [1] propone soluzioni semplificate con riduzione di costi e tempi di costruzione dei giunti tra travi a I e i Profili Tubolari Circolari, facento uso della Tecnologia di Tagli a Laser (TTL). L’obiettivo principale di LASTEICON è di superare le complessità che i giunti tra travi a I e i Profili Tubolari Circolari comportano e dare cosi la possibilità a ingegneri e architetti di sfruttare pienamente le notevoli proprietà strutturali delle Sezioni Circolari Cave. Il taglio a laser permetterà di ridurre notevolmente i tempi di costruzione allo stesso tempo aumentando la precisione e la qualità dei giunti e di migliorare la sicurezza sul lavoro riducendo l’impiego di manodopera puntanto sull’automazione programmabile dal computer. Questa tesi presenta risultati preliminari ottenuti nel Work-Package 1 del progetto LASTEICON (www.lasteicon.eu), che consisteva in uno studio delle tolleranze e della loro ottimizzazione per una costruzione efficiente dei giunti tra travi a I e i Profili Tubolari Circolari, cosi come in un approccio analitico nella stima della resistenza delle principali tipologie di giunto oggetto di studio e nella progettazione dei campioni delle prove sperimentali. A seguito di questi studi si è concluso che, anche se nella pratica la maggioranza dei produttori di profili di acciaio non offrono tolleranze abbastanza strette da poter sfruttare al pieno la precisione della TLL, si possono implementare diversi approcci, come la misurazione di ogni profilo prima del taglio, per risolvere il problema. In aggiunta, basandosi sulla letteratura disponibile, è stato possibile costruire un approccio analitico per calcolare e prevedere le diverse modalità di rottura del giunto, dando così la possibilità di progettare le prove sperimentali in modo tale da studiarne i diversi aspetti.