Computational analysis of critical gusset plate connections in steel bridges

Abstract

An existing steel truss bridge located in Missouri was selected to determine the critical connections based on the loads criteria established in the Manual for Bridge Evaluation. The selected connections were typically used in steel truss bridges. A Finite Element Analysis (FEA) of critical connections was performed in order to: i) study the stress distribution in the elements, rivets, and gusset plates, ii) compare Finite Element Model (FEM) techniques used to study steel gusset plates, iii) study the Load Rating results in gusset plates based on the Federal Highway Administration (FHWA) Load Rating Guidance for Truss Bridges, iv) validate the methods used for tension capacity in gusset plates, v) study the corrosion effects and loss of rivets, vi) study the effect of thickness reductions and increments of unbraced length in the gusset plates buckling capacity, and vii) compare the methods used to determine the buckling capacity and the FEA results. Results demonstrated that the simplified FEM using the fastener technique in Abaqus to simulate rivets provides comparable results with the 3-D deformable solid rivets. However, it cannot be used to study in detail the stress concentration generated around the rivet holes and the rivets. The stresses generated due to tension loads in the FEA are in accordance with the equations used to determine the tension capacity. A 6 % of rivet diameter loss due to corrosion effects generated a reduction strength capacity of approximately 7%. Otherwise, the instability study demonstrated that for a thickness reduction of 15 % of its original thickness and an increment of 30 % of its unbraced length, the gusset plate have a structural reduction capacity of 20% and 6%, respectively. Finally, according to the FEA, results showed that the Thornton method used in the FHWA guidance leads to highly conservative results. The Yoo method is in very close agreement to the FEA, and this study recommends its use instead of Thornton method.

Un puente existente localizado en Missouri fue seleccionado en esta investigación en donde se seleccionaron las conexiones críticas basado en el Manual de Evaluación de Puentes MBE. Las configuraciones de las conexiones críticas seleccionadas en este estudio son comunes en los puentes de acero. Un análisis de elementos finitos (FEA, por sus siglas en inglés) de las conexiones críticas fue desarrollado para: i) estudiar la distribución de esfuerzos en los elementos, remaches y placas de refuerzo, ii) comparar los resultados generados por un modelo de elementos finitos (FEM, por sus siglas en inglés) bien detallado y uno simplificado que se usa comúnmente en las investigaciones, iii) estudiar los resultados de “Load Rating” en las placas de refuerzo basado en la guía para determinar el “Load Rating” de placas de refuerzo desarrollado por la Administración Federal de Carreteras (FHWA, por sus siglas en inglés) iv) validar los métodos utilizados para determinar la capacidad en tensión de las placas de refuerzo, v) estudiar los efectos de corrosión y el efecto de pérdida de remaches en la conexión, vi) estudiar el efecto en capacidad de pandeo ocasionado por la reducción de espesor de las placas debido a corrosión y el incremento en el largo sin confinar y vii) comparar los métodos usados para determinar capacidad de pandeo con los resultados obtenidos de los modelos de elementos finitos. Los resultados de esta investigación demuestran que los modelos de elementos finitos simplificados (FEM) usando la técnica de “fastener” disponible en el programa Abaqus para simular remaches y tornillos presenta resultados similares al modelo detallado el cual tiene los pernos como sólidos deformables en tres dimensiones. Por otro lado, el modelo simplificado no puede ser utilizado para estudiar en detalle las concentraciones de esfuerzos generadas en los huecos de los remaches ni en los pernos. Los esfuerzos generados por cargas en tensión presentan una buena correlación con las ecuaciones usadas para determinar la capacidad en tensión. La pérdida de 6% de diámetro de los tornillos como consecuencia del efecto de corrosión ocasiona una reducción en capacidad de aproximadamente 7%. Por otro lado, la inestabilidad de las placas de refuerzo es otro factor importante y los resultados demuestran que una reducción en espesor de 15% y un incremento de hasta 30% del largo sin confinar podría generar una reducción de su capacidad estructural de 20% y 6% respectivamente. Finalmente, los resultados del análisis de elementos finitos demuestran que el método de Thornton usado en la guía de FHWA presenta resultados muy conservadores. El método de Yoo presenta resultados similares al del análisis de elementos finitos por lo que este estudio sugiere su uso en vez del método de Thornton.