STRUCTURAL BEHAVIOUR OF THIN-WALLED DOUBLY-CORRUGATED K-SPAN STRUCTURES WITH PINNED AND FIXED BASE SUPPORT CONDITIONS

Abstract

K-Spans are structures made of thin-walled cold-formed steel arch panels. All panels are manufactured on-site with the use of an automated building machine (ABM) and seamed together, giving the arch structure its unique self-supporting characteristics and arched shape. The ABM also allows for the ability to concurrently assemble the structure while the panels are formed, making its construction time limited and cost-effective. K-Spans are versatile and can easily be built in a variety of settings. Their economical and rapid construction process has increased the production and number of K-Span structures found in industrial areas, and also within the Department of National Defence (DND) for storage of military equipment. Recent K-Span failures have led to concerns regarding the structures’ capacities and behaviours, including detailed construction methods and the system’s ability to sustain heavy loads. Although K-Spans can be an ideal solution in some environments, they are not immune to the elements, especially with the Canadian climate and its heavy snowfalls. With regards to construction methods, despite the manufacturer’s recommendation of cast-in-concrete foundations, many K-Span structures within DND’s infrastructure portfolio were built using steel hinges as support conditions. This research investigated the overall behaviour and displacements of four large-scale K-Span specimens subjected to simulated snow loads, each comprised of four seamed ABM-120 panels with a 7 m diameter. Balanced and unbalanced loading patterns were used to assess the behaviour difference between fixed and pinned base support connections, the two support conditions found in K-Spans in Canada. The investigation was complimented by simulations using finite element analysis to estimate theoretical deflections and structural capacities of the same sized K-Spans. The experimental and numerical results demonstrated that 7 m-diameter K-Span structures with both types of supports could reach the ultimate snow loads for many cities in Canada, but the flexibility of the structure permitted the structure to undergo large displacements under severe loading conditions. These large displacements which are more pronounced in the specimens with pinned supports conditions can cause localized buckling of panels and are a concern for the serviceability of the structure, especially under unbalanced snow loading patterns, where snow is present on only half of the structure. The localized buckling patterns created instabilities within the structure and worsened the already large deformations experienced by the structure which led to the loss of structural capacity of the specimens. The structures built using hinges showed a reduction in panel stiffness as well as ultimate load capacity, compared to their equivalent structures built using the manufacturer’s recommendation of having the end panels embedded in concrete. The K-Span specimens resisted 24% to 40% higher loads when built using fixed base supports, and exhibited more stiffness, deflecting 41% to 49% less than the equivalent pinned base support K-Spans. The reduction in thickness to account for the lack of double corrugation within the numerical also demonstrated a percentage difference of 1% to 31% difference within the numerical and experimental results. The pinned base support structures may present a risk in areas of Canada that may have large snow accumulations. In general, fixed support conditions should be used for future construction and any exceptional deviation from this approach should only be pursued with careful and deliberate analysis and thorough design. Further monitoring and analysis of larger size K-Spans (15 m or larger) is recommended and would allow for a better understanding of behaviour and correlation of the data between different K-Span sizes, both small and large.

Les K-Spans sont des structures en forme de dôme qui sont formées de plusieurs panneaux arqués, en acier formé-à-froid à paroi mince, dont la fabrication des panneaux est faite sur place dans le chantier de construction à l’aide d’une machine spécialisée appelée Machine de Construction Automatique (ABM). L’ABM permet l’assemblage et la fabrication des panneaux de façon concurrente sur le site du chantier de construction. Ceci facilite le processus et aussi réduit les coûts de construction de façon exponentielle, puisque la construction de K-Spans requiert très peu de matériaux et de main d’œuvre. Nous trouvons surtout ces structures uniques dans les milieux industriels et sur des bases militaires du ministère de la Défense nationale pour l’entreposage d’équipement, grâce aux nombreuses options quant à la grandeur de la structure, mais aussi leur habileté d’avoir de grands espaces ouverts dans la structure. Récemment, l’effondrement de plusieurs structures K-Span autour du monde a généré des questionnements quant à sa capacité à soutenir une accumulation importante de neige, et déclenché une investigation sur sa méthode de construction. Au Canada, il y a plusieurs instances où les instructions du fabricant, M.I.C. Industries, n’ont pas été suivies pour la construction du K-Span. Dans ces cas, les supports ont été bâtis avec des charnières d’acier contrairement à la recommandation d’avoir la structure coulée dans le béton, impactant la capacité de la structure. Cette recherche à investigué la performance, le comportement et la déformation structurelle de 4 spécimens de 7 mètres, composé de 4 panneaux ABM-120, sous différents types de chargements (équilibré et non-équilibré) afin de comparer les différents types de supports utilisés au Canada. La recherche a été complémentée par une investigation numérique utilisant une analyse d’élément fini pour estimer et comparer les déformations théoriques et la capacité structurelles des K-Spans. L'efficacité et la rentabilité du processus de construction pour les structures K-Spans apporte plusieurs avantages économiques et permet leur construction dans n’importe quel environnement, qu’il soit industriel ou militaire. Les résultats du programme expérimental et numérique des spécimens de la recherche démontrent que les structures K-Spans peuvent soutenir une accumulation de neige importante, respectant les normes et codes du code national du bâtiment, mais la présence d’imperfections liée à la fabrication des panneaux arqués à paroi mince, combiné avec la flexibilité globale de la structure, fait en sorte que la structure subit de grandes déformations. Non seulement l’état de limite de service de la structure est une préoccupation dû aux déformations, mais la possibilité de flambage localisé des panneaux à paroi mince peuvent causer une diminution significative de la capacité globale de la structure. L’utilisation de supports avec charnières en acier a aussi un impact significatif sur la résistance des K-Spans. Ce type de support présente un risque significatif pour les régions du Canada qui reçoivent de larges accumulations de neige, surtout si l’accumulation de neige se retrouve sur seulement la moitié de la structure, formant une charge non-équilibrée. Construire ces structures de façon à ce que les panneaux soient coulés dans le béton, et suivre les recommandations du fabriquant à la lettre, sont essentiels pour que la structure se comporte tel que prévu par le fabricant. L’analyse et la surveillance de K-Spans dont le diamètre s’étend pour plus de 15 mètres permettrait d’avoir une meilleure compréhension sur ces structures uniques.