Shear and Tension Capacity of Arc-Spot Weld connections for Multi-Overlap Roof Deck Panels

RÉSUMÉ Ce projet de recherche a pour but d'évaluer la résistance en cisaillement et en traction des soudures à l'arc utilisées pour l'assemblage de plusieurs épaisseurs de tôle métallique à une structure en acier. Ce type d'assemblage survient dans les diaphragmes de toit des bâtiments, quand les feuilles se chevauchent le long du périmètre des feuilles. A ces endroits, les limites imposées par la norme pour l'épaisseur maximale des tôles soudées et pour le ratio d'épaisseur de la plaque de support sur l'épaisseur totale des feuilles de tôle, peut être dépassée si des tôles épaisses sont utilisées. Le premier objectif de ce projet fut de déterminer une méthode de soudage qui permet de maximiser la qualité des soudures fabriquées dans plusieurs tôles épaisses. Les résultats ont démontré que les facteurs les plus importants à contrôler sont l'intensité du courant, le type d'électrode et la technique du soudeur. Au cours de cette étude, toutes les soudures furent fabriquées par un soudeur professionnel et certifié. Des soudures furent fabriquées avec 1, 2 et 4 feuilles de tôle avec des épaisseurs variant de 0.76 mm à 1.52 mm et une procédure de soudage a été développée pour chaque configuration. Plusieurs configurations de feuilles de tôle furent mises à l'essai pour reproduire le plus fidèlement possible les cas de chargement que l'on retrouve dans un diaphragme de toit. Au moins 3 essais furent complétés avec chaque épaisseur de tôles pour chaque configuration. Des essais furent réalisés pour 72 échantillons soumis à un chargement monotonique en traction. De plus, des essais en cisaillement furent réalisés sur 107 échantillons, dont 76 furent soumis à un chargement monotonique et 31 à un chargement cyclique. Ce type de chargement a été utilisé pour observer le comportement des soudures soumises à des sollicitations dynamiques telles qu'imposées lors d'un séisme. De plus la résistance, la déformation ainsi que le mode de rupture furent relevés pour chaque spécimen. Par ailleurs, le diamètre effectif de la soudure fut mesuré pour les spécimens où il y a eu rupture de la soudure. Les résultats obtenus durant les essais furent comparés aux valeurs prédites par la norme CSA S136 (2007) pour en évaluer la précision. Nous avons observé que les diamètres effectifs des soudures mesurés pendant la période d'essais étaient, en moyenne, plus grands que les diamètres effectifs prédits par la norme CSA S136 (2007). Cette différence s'accroît quand l'épaisseur des tôles augmente. L'analyse des résultats démontre qu'une limite inférieure du diamètre effectif devrait être imposée à l'équation E2.2.1-5 de la norme CSA S136 (2007) pour améliorer sa précision. La résistance en cisaillement moyenne mesurée lors des essais était aussi plus élevée que celle prédite par la section E2.2.1 de la norme CSA S136 (2007). Les résultats indiquent que la modification de l'équation E2.2.1-2 permettrait d'améliorer la précision de la prédiction de la norme. Les résultats des essais en cisaillement avec chargement cyclique ont permis d'observer que la résistance ultime des spécimens n'était pas affectée après avoir été soumis à plusieurs cycles de chargement à un niveau inférieur puis égal à la résistance pondérée. Ces essais ont aussi permis d'observer un mode de rupture ductile lorsque la rupture est associée à une pression diamétrale excessive dans la direction parallèle à la charge appliquée, une situation qui se produit quand le diamètre effectif de la soudure est relativement grand par rapport à l'épaisseur de la tôle,. Pour les essais en traction, la résistance moyenne mesurée pour les spécimens où la rupture est survenue par le déchirement de la tôle fut plus élevée que les valeurs prédites par la section E2.2.2 de la norme CSA S136 (2007). Ces résultats montrent que la réduction de résistance en traction de 30% qui est spécifiée par la norme ne devrait pas s'appliquer aux spécimens qui ont ce mode de rupture. Cependant, pour les spécimens qui ont subi une rupture de la soudure en traction, la résistance en traction moyenne mesurée fut inférieure à celle prédite par la norme CSA S136 (2007). Ce résultat indique que la réduction en résistance de traction de 30% devrait être maintenue pour la rupture de la soudure. L'application de cette réduction pourrait même être élargie pour inclure les soudures fabriquées avec une seule feuille de tôle, car il n'y a pas d'indice qui porte à croire que la résistance en traction reliée à la rupture de la soudure soit influencée par la configuration de plusieurs feuilles de tôle. ABSTRACT

Abstract

This research project was undertaken to investigate the shear and tensile capacity of arc-spot welds connecting overlapped deck sheets to underlying steel framework. Such connection configurations typically occur in roof deck constructions when steel sheets are stacked at a sidelap or endlap or at both. At these specific locations, the limits on the thickness of the thinnest connected part and on the ratio of supporting steel to sheet steel thickness imposed by the CSA S136 Specification (2007) can be exceeded if thick steel sheets are used. The first step of the project was to determine a welding procedure that would maximize the quality of arc-spot welds when fabricated through thick sheets. It was found that the most important factors to control during the welding of thick steel sheets were the current setting (high intensity), the electrode type (E6011) and the welding technique. During this study welds were fabricated by a certified welder through 1, 2 and 4 layers of steel sheets with thicknesses ranging from 22 gauge (0.76 mm) to 16 gauge (1.52 mm) and a welding procedure was developed for each case. Different sheet steel configurations were used to reproduce the typical loading conditions found in roof deck construction. A minimum of 3 tests were completed for each configuration with each steel sheet thickness. Monotonic tensile resistance tests were carried out on 72 specimens. A total of 107 shear resistance tests were also completed. Of this total, 76 specimens were loaded with a monotonically increasing load while 31 specimens were loaded with a reversed cyclic protocol used to gain insight on the behaviour of arc-spot welds subject to dynamic loading, such as that imposed under seismic ground motions. The resistance, deformation and failure mode was recorded for each specimen. Moreover, the effective weld diameter was recorded for specimens that failed due to weld failure. The results obtained during this study were compared with the current provisions of the CSA S136 Specification to verify if these provisions are applicable to multi-overlap configurations. The effective weld diameter was recorded for all specimens where weld failure was observed. The average effective weld diameter recorded was larger than the effective weld diameter predicted by CSA S136 Specification . This difference between the measured and predicted values increased as the sheet steel thickness increased. These results demonstrated that a lower limit should be imposed on Equation E2.2.1-5 of CSA S136 to improve its precision when dealing with large thicknesses of sheet steel. In the monotonic shear tests, the average shear resistance recorded was greater than the average resistance predicted by section E2.2.1 of CSA S136. A modification to this section is proposed to improve its overall precision. During the cyclic tests, the results demonstrated that the resistance of the specimens did not decrease after sustaining several loading cycles at load levels smaller than and then equal to the factored resistance. The results from the cyclic tests also showed that ductile failure can occur when the sheet bearing failure mode is engaged. This failure mode was observed for some specimens where the average weld diameter was relatively large when compared to the steel sheet thickness. During the tensile resistance tests, specimens where the sheet tearing failure mode governed presented an average measured tensile resistance higher than the average resistance predicted by the section E2.2.2 of the CSA S136 Specification . These results showed that the 30% reduction in capacity specified in CSA S136 for specimens fabricated through more than one layer of sheet steel should not apply to specimens governed by the sheet tearing failure mode (Equation E2.2.2-2). However, for specimens that failed due to tensile weld fracture, the average measured resistance was lower than the values predicted by CSA S136, which indicates that the 30% reduction in strength should apply to this case. The 30% strength reduction related to weld failure should also be applied to welds fabricated in standard 1-layer configurations as there is no evidence to suggest that the resistance of arc-spot welds in tension is influenced by the lapped configuration.