Fatigue Assessment of Resin-Injected Bolted Shear Connections: From Material to Structural Detail

Abstract

A construção de pontes metálicas teve uma grande expansão por todo o mundo durante os séculos 19 e 20 sendo que, uma parte significativa destas estruturas encontram-se ainda em serviço. É essencial não só avaliar a sua integridade estrutural, mas também desenvolver soluções de reforço com o objetivo de aumentar a sua capacidade estrutural tendo em vista uma maior frequência de fenómenos climáticos extremos (influência das alterações climáticas) e variações no nível de tráfego (aumento de cargas e sua frequência). A evidência mais comum de danos estruturais são a presença de elementos metálicos corroídos e fissuras em detalhes estruturais devido ao fenómeno de fadiga. De facto, investigações recentes têm mostrado que a fadiga é o dano estrutural mais frequente em pontes de aço e que, na maioria dos casos, estes danos de fadiga são detetados nas ligações.Poderão ser implementadas múltiplas estratégias em operações de reparação e reforço estrutural de pontes em aço. Contudo, o uso de parafusos injetados tem sido considerado uma alternativa com importantes vantagens não apenas para substituição de rebites defeituosos, mas também para ligação de novas chapas de reforço. Neste sentido, o estudo descrito nesta tese tem como objetivo ser um contributo valioso para o conhecimento científico sobre o comportamento à fadiga de ligações aparafusadas ao corte, nomeadamente de ligações aparafusas com parafusos injetados.Tendo em consideração a natureza local do fenómeno de fadiga, caracterizar os materiais é essencial em qualquer estudo de integridade estrutural. Neste sentido, foram selecionados três materiais metálicos com vista à sua caracterização metalográfica e mecânica: ferro pudlado extraído de elementos estruturais de uma ponte portuguesa com mais de cem anos e dois aços estruturais usados frequentemente em construções novas. O comportamento cíclico e de fadiga de cada um destes materiais foi descrito por diferentes modelos com o intuito de definir valores médios e característicos para os parâmetros de cada modelo. Adicionalmente, a propagação de fenda de fadiga em cada um destes materiais foi também analisada tendo como base uma abordagem essencialmente experimental. De facto, o conhecimento científico sobre o fenómeno da propagação de fenda é fundamental para definir métodos e estratégias seguras para o seu controlo e mitigação. Neste sentido, foi desenvolvido um modelo analítico que descreve o comportamento de uma fenda de fadiga na fase de propagação em dois aços estruturais considerando os efeitos do fecho de fenda. O modelo proposto tem como base a abordagem UniGrow. De seguida, a avaliação do fenómeno de fadiga foi efetuada ao nível das chapas metálicas através da execução de ensaios experimentais cujos resultados permitiram avaliar aspetos como a influência do método de execução do furo, a presença de uma camada de proteção anti corrosão e o material metálico que compõe a chapa. A análise dos dados de fadiga foi efetuada considerando abordagens globais e locais por forma a avaliar as vantagens e desvantagens de cada metodologia. No que diz respeito aos adesivos para preenchimento do espaço entre o perno do parafuso e o furo das chapas nas ligações aparafusas com parafusos injetados, é essencial caracterizar o seu comportamento considerando as mesmas condições que são criadas na ligação. Assim, a avaliação do comportamento à compressão de uma solução à base de resina epóxi e de uma solução à base de resina epóxi reforçada com esferas de aço foi efetuada através de abordagens experimentais e numéricas com o objetivo de não só apresentar valores seguros para parâmetros do material, mas também estabelecer uma comparação entre diferentes soluções para adesivos estruturais.For fim, será descrita uma companha experimental conduzida com o objetivo de avaliar a resistência à fadiga de parafusos injetados pré-esforçados e estabelecer uma comparação com parafusos convencionais pré-esforçados. Os provetes foram preparados tendo em consideração um cenário de efetivo reforço estrutural de uma ponte metálica. Dos resultados experimentais foi possível concluir que o uso de parafusos injetados contribui não só para diminuir a dispersão na vida à fadiga, mas também para um aumento da resistência das ligações parafusadas, especialmente para os regimes de fadiga que são mais relevantes para o dimensionamento de pontes metálicas (regime de fadiga de elevado número de ciclos).

Construction of metallic bridges started to spread throughout the world during the 19th and 20th century and a significant number of these structures are still on service, therefore it is essential not only to assess their structural integrity but also to develop strengthening solutions aiming to improve its adaptability to face higher frequency of extreme weather phenomena (climate change influence) and traffic level variations (higher load and frequency). The most common evidence of damages are the presence of corroded metallic elements and cracks in structural details due to the fatigue phenomenon. In fact, recent investigations showed that fatigue is the most frequent cause of damage in steel bridges. Furthermore, many cases were found in which fatigue cracks were detected in connections. Different strategies can be implemented for repairing and strengthening operations of steel bridges. However, the use of injection bolts has been considered as an alternative with important advantages not only to replace faulty rivets but also to connect new plates. In this sense, the study described in this thesis intends to be a valuable contribute to the scientific knowledge about the fatigue behaviour of bolted shear connections namely those in which injection bolts are used.Considering the local nature of fatigue phenomenon, material characterization is essential for any structural integrity study. One example of puddle iron extracted from a Portuguese centenary bridge still on service and two structural steels used in new constructions were selected to be investigated concerning its metallographic and mechanical properties. Several fatigue models were used to describe the cyclic and fatigue behaviour of each material aiming to define mean and characteristic parameters. Fatigue crack propagation was also studied, mainly based on an experimental approach. In fact, the scientific knowledge about the behaviour of a fatigue crack is fundamental to define reliable methods and strategies to mitigate the propagation of a crack. In this sense, an analytical model was developed to describe crack propagation on two non-alloy structural steels which consider the crack closure effects. The proposed model was based on the UniGrow approach.Fatigue assessment was then performed at the level of the metallic plate by conducting experimental fatigue tests whose results allowed to evaluate the influence of hole execution method, presence of protection layer and metallic material. Global and local approaches were implemented to analyse fatigue data which enable to assess the advantages and disadvantages of each methodology.In what concerns the adhesives used in resin-injected bolted connections to fill the gap between the bolt shank and the hole of the plate, it is essential to characterize its behaviour under the same conditions that are created in a bolted connection assembly. In this sense, this study was based on experimental and numerical approaches to assess the compressive behaviour of an epoxy resin and a steel reinforced resin solution under confined conditions aiming to, not only propose reliable material parameters, but also to compare different structural adhesive solutions.Finally, an experimental campaign was conducted to assess the fatigue strength of preloaded injection bolts and establish a comparison with preloaded standard bolts. Specimens were prepared aiming to be representative of a bridge strengthening scenario. Experimental results showed that injection bolts contribute not only to decrease the scatter in fatigue life but also to increase the fatigue strength of bolted connections specially in those fatigue regimes which are more relevant in the design of bridges (high-cycle fatigue regime).