Component Method for Predicting the Cyclic Behaviour of Dissipative Steel Beam-to Column Joints

Abstract

The cyclic behaviour of beam-to-column joints has a crucial role on the overall seismic response of steel frames and recent studies highlighted the influence of joint rotation capacity on the seismic response of mid-rise MR frames designed according to EN 1998-1. For seismic actions, EN 1998-1 allows the formation of plastic hinges (dissipative zones) in the joints when partial-strength and/or semi-rigid joints are considered, provided that a set of requirements are verified. These requirements include (i) the rotation capacity of joints being consistent with the global deformations demands, (ii) members framing into the connections being stable at the ultimate limit state (ULS) and (iii) the effect of joint deformation on global drift being considered using nonlinear static global analysis or non-linear time history analysis. On the other hand, EN 1993-1-8 provides models to compute the strength and the stiffness of joints but no reliable analytical tools are available to predict their cyclic behaviour. The main goal of this study is to contribute for developing a simplified design method that takes into a count the cyclic behaviour of the joint. In order to do so, a procedure is being developed based on the component method coded in EN 1993-1-8, named cyclic component method (CCM) aimed to predict cyclic moment-rotation behaviour of the joints, suitable for application for a wide range of joint configurations. The development of the CCM required not only the conceptual definition and mathematical implementation of the model but also the development and calibration of the constitutive laws for the components making use of experimental tests, with emphasis on the T-stub component.

O comportamento cíclico de juntas viga-coluna tem um papel crucial no desempenho estrutural de pórticos metálicos, sendo que estudos recentes destacam a influência da capacidade de rotação das juntas na resposta sísmica de pórticos simples de altura média dimensionados de acordo com a EN 1998-1. Para zonas dissipativas, a EN 1998-1 permite a formação de rótulas plásticas (zonas dissipativas) nas juntas nas juntas de resistência parcial e/ou juntas semirrígidas desde que um conjunto de requisitos sejam verificados. Estes requisitos incluem (i) a necessidade de capacidade de rotação das juntas ser superior às deformações requeridas, (ii) os membros ligados apresentarem um comportamento estável para Estado Limite Último (ELU) e (iii) o efeito da deformação das juntas no comportamento global da estrutura ser levado em consideração por intermédio de uma análise global estática não-linear ou de uma análise temporal não-linear. Por outro lado, a EN 1993-1-8 fornece modelos para o cálculo da resistência e da rigidez inicial de juntas, no entanto não existem ferramentas analíticas viáveis para prever o comportamento cíclico de juntas. O principal objetivo deste estudo é contribuir para o desenvolvimento de um método de dimensionamento simples que tem em consideração o comportamento cíclico de juntas. Para fazer face a esta lacuna, está a ser desenvolvido um procedimento baseado no método das componentes preconizado na EN 1993-1-8, designado por método das componentes cíclico (CCM), adequado para uma vasta gama de configurações de juntas. O desenvolvimento do CCM requer, não só a definição conceptual e matemática da implementação de modelos, mas também o desenvolvimento e calibração de leis constitutivas para as componentes através de ensaios experimentais, em particular, na componente T-stub.