Improvement of down-aisle stability and ductility for unbraced adjustable pallet racking systems

Abstract

Pallet racking systems are structures intended to store products. Their proper structural design is of paramount importance as its collapse can lead to significant economic losses and even human. This type of structures is prone to instabilities and also presents low ductility; consequently, the integrity of these structures is compromised, especially when exposed to extreme actions such as seismic events. Therefore, selective racks' stability and ductility improvement is a relevant issue. Nevertheless, the costs must be as low as possible due to tough industrial competitiveness. The objective of this Thesis is to provide numerical tools and technological solutions aiming to enhance, in an inexpensive way, the stability and ductility of racks. In the first step of this Thesis ¿presented in the paper: Systemized Structural Predesign Method for Selective Racks¿ a systemized predesign method of non-regular racks is developed based on a single-column model made with 2-D beam elements. This model considers the down-aisle global behavior of unbraced pallet racks under both gravitational and lateral actions. The aim is to obtain optimal structures in terms of cost while satisfying certain used-defined stability requirements. The results highlight the crucial role of the beams (and the beam-to-upright connections) in the inexpensive improvement of global stability. Since the solutions are non-regular and not obvious, no simplified design rules are given; some computationally efficient numerical tools are provided instead. The second step of this research is focused on one specific beam-to-upright connection. The objective is to improve its ductility, energy dissipation capacity, and stiffness under seismic excitation as inexpensively as possible. This objective is achieved by modifying the welding layout in order to distribute the stresses more efficiently and, as a consequence, move the failure point away from the welds; the new failure mode is more ductile. The effectiveness of this technique is demonstrated through FEM numerical analyses of monotonic tests, shown in the publication: Numerical investigation on a seismic testing campaign on adjustable pallet rack speed-lock connections. The models are first calibrated with experiments, and then the stress distributions in both the elastic and plastic range are deeply analyzed. Finally, continuing with the research on this specific joint, a wide experimental campaign is performed, including monotonic and cyclic tests; these tests are presented in the publication: Ductility improvement of adjustable pallet rack speed-lock connections: Experimental study. This paper successfully demonstrates the aforementioned enhanced properties of the novel welding layout. Additionally, two different cyclic testing protocols are compared and proven to influence the failure mode and, thus, the obtained ductility and energy dissipation capacity.

Les prestatgeries de paletització industrial són estructures destinades a emmagatzemar productes. El seu correcte disseny estructural és de gran importància, ja que el seu col·lapse pot derivar en importants pèrdues econòmiques i fins i tot humanes. Aquest tipus d'estructures és força inestable i poc dúctil; com a conseqüència, la seva integritat està compromesa, especialment quan s'exposen a accions severes com ho poden ser les sísmiques. Per aquesta raó, existeix un interès creixent a millorar l'estabilitat i la ductilitat de les prestatgeries. Tanmateix, la dura competitivitat industrial obliga a minimitzar els costos. L'objectiu d'aquesta tesi és aportar eines numèriques i solucions tecnològiques per millorar l'estabilitat i la ductilitat d'aquest tipus d'estructures sense que això impacti dramàticament als costos. En un primer pas d'aquesta tesi, presentat a l'article: “Systemized Structural Predesign Method for Selective Racks”, s'avalua un nou mètode per al pre-disseny sistematitzat de prestatgeries no regulars mitjançant un model mono-columna elaborat amb barres 2-D; aquest model té en compte el comportament lateral longitudinal (en la direcció del passadís) de prestatgeries no travades sotmeses tant a accions gravitatòries com laterals. L'objectiu (del mètode de pre-disseny) és obtenir prestatgeries òptimes en termes de cost, que alhora satisfacin determinats requisits d'estabilitat definits per l'usuari. Els resultats posen de manifest el paper fonamental dels travessers i les unions puntal-travesser en l'estabilitat global de l'estructura i en la seva optimització econòmica. Atès que les solucions no són intuïtives ni òbvies, no es poden proporcionar regles de disseny simplificades; en lloc d'això, doncs, es proporcionen altres eines numèriques computacionalment eficients. El segon pas d'aquesta investigació se centra en una unió puntal-travesser en concret amb l'objectiu de millorar la seva ductilitat i capacitat de dissipació d'energia sota excitació sísmica. L'objectiu s'aconsegueix modificant el traçat de la soldadura; amb la intenció de distribuir les tensions de manera més eficient i, com a conseqüència, desplaçar el punt de fallada lluny de la soldadura; en fer això, el nou mode de fallada és més dúctil. L'article presentat a la publicació “Numerical investigation on a seismic testing campaign on adjustable pallet rack speed-lock connections”, inclosa en aquesta tesi, demostra l'eficàcia d'aquesta tècnica mitjançant la simulació amb elements finits d'experiments incrementals. Els models numèrics es calibren amb experiments i després s'hi analitzen les distribucions de tensions en profunditat. Finalment, i seguint amb la investigació sobre aquesta unió en concret, es realitza una àmplia campanya experimental, que inclou assaigs incrementals i cíclics, presentada a la publicació: “Ductility improvement of adjustable pallet rack speed-lock connections: Experimental study”. En aquest article, es demostren amb èxit les propietats millorades del nou disseny de la soldadura. A més, es contrasten dos protocols d'assaigs cíclics diferents i es demostra que influeixen en el mode de fallada i, per tant, en la ductilitat i capacitat de dissipació d'energia.