Innovative plug and play joints for hybrid tubular constructions

Abstract

Modular construction has become increasingly popular in recent years due to its various benefits, including faster construction time, reduced on-site work, automated production, and enhanced design capabilities. Despite these advantages, there are also several challenges that must be addressed, such as limited design flexibility, transportation and logistics difficulties, and building code restrictions. One effective approach to overcome these challenges is to shift the focus from on-site joint execution to off-site joint production using industrialized or automated methodologies. A potential solution that has gained traction is the development of plug-and-play joints, which enable modularity, facilitate steel structure erection, promote reusability, and reduce construction time. In today’s engineering landscape, the use of computational tools is critical to achieve efficiency in any field. Therefore, the possibility of modeling these new types of plug-and-play joints in calculation software is of utmost importance. This enables the incorporation of the joint’s actual behavior into the structural analysis, as required by practitioners in design offices. Only by providing the necessary calculation tools to designers can these types of modular constructions and plug-and-play joints be successful. This work presents a macro-element formulation for the modeling of the innovative 3D plug-andplay joints for the structural system developed within the European project INNO3DJOINTS. This system enables modularity, faster construction, and deconstruction. The modular construction system is hybrid, combining tubular columns with cold-formed lightweight steel profiles using plug-and-play connections and cross-laminated timber slabs to provide an efficient structural system. The macro-element is based on the component method, accounts for the 3D interaction between the faces of the tubular column, and its components have a clear physical meaning. The conceptual design of this element is validated through parametric studies against models developed in a higherorder finite element commercial software, Abaqus. Moreover, the macro-element’s architecture is implemented in the framework of OpenSees, as a standalone beam-to-column joint finite element. Simplified procedures, using the Equivalent Frame Models technique, are developed for the closedform computation of the stiffness matrix of the macro-element from the geometric and mechanical properties of the joint region, thus making the macro-element practical for everyday design purposes. An analytical definition of the strength criterion is also proposed based on the Equivalent Frame Models technique. This strength criterion is global as it does not rely on evaluating internal forces in a specific component. Although it presents a conservative threshold, it guarantees safety across all considered scenarios. Additionally, the conceptual framework of nonlinear behavior attributed to the components of the beam-to-column joint finite element is established. The findings against higher-order finite element models indicate that while the evaluation of the onset of the nonlinear regime of joints can be conducted conservatively, further research is necessary with regard to the modeling of the post-yielding behavior in this context. In conclusion, the proposed beam-to-column joint finite element can be utilized by design practitioners to design, analyze, and optimize the outputs of structures under various loading conditions, especially within the elastic regime.

Presentemente a popularidade da construção modular tem vindo a crescer significativamente devido às suas vantagens, tais como reduzido tempo de produção, redução do trabalho em obra, produção automatizável e procedimentos expeditos para análise e dimensionamento. Contudo, apesar destas vantagens existem ainda vários desafios como a reduzida flexibilidade que oferece aos projectistas, dificuldades inerentes à logística de construção e transporte e restrições nos códigos de construção que geralmente não abordam este tipo de solução. Uma abordagem que permite potenciar as vantagens da construção modular passa por alterar o foco da execução das ligações em obra para a execução das juntas em ambiente controlado utilizando métodos industriais e automatizados. Uma possível solução que tem vindo a ganhar popularidade crescente é o desenvolvimento de juntas plug-and-play, que permitem modularidade, facilidade na montagem de estruturas em aço, promovem a reutilização da estrutura e reduzem o tempo de construção. Hoje em dia, no ramo da engenharia, a utilização de ferramentas computacionais é fundamental para se alcançar elevada produtibilidade e eficiência. Assim sendo, a possibilidade de modelar este novo tipo de junta plug-and-play através de programas computacionais é crucial. Tal análise permitiria a incorporação do comportamento real da junta na análise estrutural, tal como requerido pelos gabinetes de projeto. Esta nova tipologia de junta apenas será bem-sucedida, caso sejam fornecidas as ferramentas de cálculo necessárias aos projetistas de construção modular. O presente trabalho apresenta uma formulação de macroelementos para a modelação do sistema estrutural das juntas 3D plug-and-play, desenvolvida no âmbito do projeto europeu INNO3DJOINTS. Este sistema permite modularidade, construção e desconstrução mais rápidas. Osistema de construção modular é híbrido, combinando colunas tubulares com perfis em aço leve enformado a frio com a utilização de conexões plug-and-play e lajes em madeira por forma a formar um sistema estrutural leve e eficiente. O macroelemento é baseado no método das componentes e considera a interação tridimensional entre as faces da coluna tubular e os seus componentes. Este elemento é validado através de análises paramétricas em que os resultados da análise das juntas modeladas desta forma é confrontado com resultados de modelos de elementos finitos de ordem superior desenvolvidos em um software comercial Abaqus. Além disso, a arquitetura do macroelemento é implementada na estrutura do OpenSees, como um elemento finito de junta autónomo e independente do elementos viga e coluna. Foram desenvolvidos procedimentos simplificados, utilizando modelos de estruturas porticadas equivalentes (EFMs), para o cálculo de forma fechada da matriz de rigidez do macroelemento a partir das propriedades geométricas e mecânicas da zona nodal, tornando o macroelemento prático e de fácil utilização. Uma definição analítica de critérios de resistência também é proposta com base na técnica EFMs. Estes critérios de resistência são globais, não dependendo da avaliação de esforços internos de componentes específicos. Embora apresente um limiar conservador, garante a segurança para todos os cenários considerados. Adicionalmente, estabeleceu-se o quadro conceptual para a análise e modelação não linear de estruturas definindo relações constitutibvas não lineares para as componentes do elemento finito junta viga-pilar – a capacidade de análise não linear do elemento junta viga-piar foi definida na fase de desenvolvimento e implementação em regime linear. A partir da confrontação com resultados de modelos de elementos finitos de ordem superior tambem em regime não linear conclui-se que embora a avaliação do início do regime não linear das juntas possa ser realizada de forma conservadora com o elemento junta viga-pilar, são necessários desenvolvimentos adicionais no campo da modelação do regime pós-cedencia das componentes. Em suma, o elemento finito proposto para a junta viga-coluna pode ser utilizado por projetistas profissionais para analisar e otimizar a estrutura sob várias condições de carregamento, especialmente dentro do regime elástico.