Steel shear tab connections subjected to combined shear and axial forces

A common approach to connect steel beams to columns is to use single plate shear tabs. Numerous laboratory test programs of these connections subjected to vertical loading alone have been completed over the past 30 years. However, the effect of axial forces on the shear tab's performance has only recently been the subject of study. The presence of an axial force in the shear tab connection will typically result in the need for multiple vertical rows of bolts, which is not addressed in any Canadian design guide. The main objective of the research program described herein was to develop a design approach that could be used by the engineering community to address the effect of combined axial and shear force on a shear tab connection.A series of four full-scale tests were performed on shear tab connections between a W610x140 beam and a W360 x 196 column, as well as a W310 x 60 beam and a W360 x 196 column. The shear tab, which was configured as a double bolt row connection, was subjected to a combined vertical (shear) force and axial tension along with the anticipated rotation of a typical beam-to-column joint. A matching specimen was then tested under shear and axial compression. The results from these tests and previous shear tabs tested under gravity load alone were used in the development of a finite element model that is capable of simulating the response of the connection under shear load; predict the ultimate resistance and the progression of failure. Previous finite element modelling of shear tabs lacked damage simulation capability, did not include the effect of weld tearing, and as such often overestimated the connection resistance. The models presented in this thesis featured special modelling techniques and were able to predict all types of failure modes such as bearing, net area fracture, shear yielding, flexural yielding, and weld tearing of the connections.The FE models were then used to investigate the performance of shear tabs subjected to combined shear and axial force. Shear force–axial force interaction curves were generated for various levels of axial tension and compression force for twelve connections. A design approach was proposed which allows practicing engineers to include the effect of any axial force level in the design of a shear tab connection.L'utilisation d'une plaque de cisaillement seule est une approche courante pour relier les poutres en acier aux colonnes. Au cours des 30 dernières années, de nombreux programmes d'expériences en laboratoire ont porté sur ces assemblages soumis à une charge verticale seule. Cependant, l'effet des forces axiales sur la performance des plaques de cisaillement a récemment fait l'objet d'études. Typiquement, la présence d'une force axiale dans l'assemblage à plaque de cisaillement entraînera l'utilisation de plusieurs rangées verticales de boulons, ce qui n'est abordé dans aucun guide de conception canadien. Le principal objectif du programme de recherche décrit ici était de développer une approche de calcul qui puisse être utilisée par les ingénieurs pour prendre en compte l'effet combiné des forces axiale et de cisaillement dans une plaque de cisaillement.Un ensemble de quatre essais grandeur nature ont été effectués sur des assemblages à plaque de cisaillement entre une poutre W610x140 et une colonne W360x196, ainsi qu'entre une poutre W310x60 et une colonne W360x196. La plaque de cisaillement, qui a été calculée comme pour un assemblage avec deux lignes de boulons, a été soumise à une force verticale (de cisaillement) combinée à une traction axiale ainsi qu'à la rotation attendue dans une liaison typique poutre-colonne. Le même type d'assemblage a été ensuite soumis au cisaillement et à la compression axiale. Les résultats de ces expériences et d'expériences antérieures, sur des plaques de cisaillement soumises seulement à une charge de gravité, ont été utilisés dans l'élaboration d'un modèle d'éléments finis (EF) capable de simuler la réponse de l'assemblage soumis à une charge de cisaillement, de prédire la résistance ultime et la progression de la rupture. Les modélisations de plaques de cisaillement par éléments finis réalisées jusqu'à présent ne simulaient pas l'endommagement, n'incluaient pas l'effet de la rupture de la soudure et, par conséquent, surestimaient souvent la résistance de l'assemblage. Les modèles présentés dans cette thèse utilisent des techniques de modélisation spéciales et sont en mesure de prédire tous les modes de rupture, tels que la rupture par pression diamétrale, la rupture de la section nette, la plastification par cisaillement, la plastification par flexion et la rupture de la soudure de l'assemblage.Les modèles EF ont ensuite été utilisés pour évaluer la performance des plaques de cisaillement soumises à des forces de cisaillement et axiale combinées. Des courbes d'interaction force de cisaillement - force axiale ont été obtenues pour différentes amplitudes de forces de traction et de compression, et ce, pour douze assemblages. Une méthode de calcul a été proposée permettant aux ingénieurs d'inclure l'effet de n'importe quelle amplitude de force axiale, dans le calcul d'assemblage à plaque de cisaillement