Characterization of the Behaviour of Partial-Strength Joints Under Cyclic and Seismic Loading Conditions

Abstract

This thesis deals with the numerical and analytical modelling of beam-to-column steel joints, when subjected to monotonic, cyclic or dynamic loading, addressing both the global response of the joint and the behaviour of the critical components. End-plate bolted connections are widely used in Europe, due to its attractive manufacturing and erecting costs and its easy integration into the building structure and architecture. Although their design for use in non-seismic regions is fully supported by the design rules in Eurocode 3, current seismic design codes, like the Eurocode 8, do not provide enough information or any design tools to allow their practical use also in seismic regions. The available procedure in the Eurocode 3 based on the Component Method, to characterize the joints behaviour, is only applicable for monotonically loaded joints. One main goal of this research is to contribute for the developing of an analytical design method, based on the component method, which considers the cyclic behaviour of the joints given by the proper contribution of each dissipative component, assuming that the adequate overstrength is assured for the non-dissipative components (capacity design). A further important goal of this research is to contribute to the development and improvement of displacement-based design procedures, proposing improved ductility-equivalent viscous damping relationships for steel moment-resisting framed (MRF) structures with dissipative beam-to-column partial-strength joints. In order to achieve the main goals proposed above, a calibrated parametric finite element (FE) model of a double extended beam-to-column end-plate steel joint is developed and calibrated with the available results of experimental work, also examined in here. The set of numerical models generated with the parametric script is developed in Python and use the software package ABAQUS. The main outputs of the research are: i) the detailed FE model that is capable of simulating, with accuracy, the behaviour of end-plate beam-to-column joints and its components; ii) the several detailed procedures proposed to isolate some of the most relevant and dissipative components that contribute to the joint behaviour, namely: column web panel in shear, column web in transverse tension and/or compression, column flange in bending and end-plate in bending; iii) the identification of the components’ mechanical behaviour in terms of force-displacement relationships by analysing the stress and deformation fields in the FE models, which can be used directly in a component based mechanical model of the joint; iv) improved ductility-equivalent viscous damping relationships (ductility-EVD), considering the influence of the several dissipative components involved in the double-extended end-plate joints, which can be used directly in procedures like the Direct Displacement-Based Seismic Design (Priestley et al., 2007). The proposed procedures to isolate the components behaviour are very flexible in terms of the definition of the integration boundaries; according to the mechanical model chosen. The procedure is able to capture the behaviour of the identified components, including the additional shear resistance provided by the transverse web stiffeners. The use of this stiffeners considerably affects the behaviour of the joints and its components. In the component end-plate in bending the inner bolt rows closer to the beam flanges present stable cycles without pinching, unlike the external rows, which clearly are affected by that phenomenon. The extraction of the components revealed also that the basic component column web panel in shear presented a stable behaviour for all stiffened joints. For the connection components, and in the presence of transverse web stiffeners, only the end-plate in bending significantly contributes to the joint non-linear rotation, with the other connection components response remaining in elastic domain. Concerning the evaluation of the ductility-equivalent viscous damping (ductility -EVD) relationships, conclusions are drawn about the limitation of using the existing expression proposed by Priestley et al. (2007), which generally overestimates the levels of equivalent viscous damping, for MRF structures with partial-strength joints. Furthermore, the numerical results obtained in the study revealed no clear dependency of the ductility-EVD relationships on the plastic mechanism of the joint type, on the elastic period of vibration of the system or on the soil type. An improved ductility-equivalent viscous damping relationship was derived and proposed.

Nesta tese aborda-se a caracterização do comportamento de juntas viga-coluna submetidas a carregamentos monotónicos, cíclicos ou dinâmicos, quer em termos de resposta global da ligação quer ao nível das componentes mais condicionantes. As ligações aparafusadas com chapa de extremidade são utilizadas com frequência na Europa, devido ao seu reduzido custo de fabrico e montagem, mas também devido à sua excelente integração arquitetónica. Apesar do seu dimensionamento estar perfeitamente definido no Eurocódigo 3 para zonas de baixa sismicidade, os mais recentes regulamentos sísmicos, como o Eurocódigo 8, não possuem informação detalhada nem providenciam as ferramentas para o dimensionamento deste tipo de ligações em zonas sísmicas. O procedimento de dimensionamento, baseado no Método das Componentes, presente no Eurocódigo 3 é apenas aplicável a ligações submetidas a carregamentos monotónicos. Um dos principais objetivos desta investigação é contribuir para o desenvolvimento de uma metodologia analítica, baseada no método das componentes, que tenha em conta o comportamento cíclico das juntas determinado pelo comportamento de cada uma das componentes dissipativas, e garantindo a adequada sobrerresistência das componentes não dissipativas. Outro importante objetivo desta investigação é o contributo para o desenvolvimento e evolução de procedimentos baseados em deslocamentos, propondo relações ductilidade-amortecimento viscoso equivalente melhoradas para pórticos simples que possuam ligações viga-coluna com resistência parcial onde a energia é dissipada. Para alcançar os objetivos desenvolveu-se um modelo paramétrico de elementos finitos (EF) de uma junta viga-coluna com chapa de extremidade duplamente estendida, calibrado e validado por resultados de ensaios experimentais, disponíveis na literatura. O conjunto de modelos numéricos é gerados através de um script desenvolvido em Python e compilado pelo software ABAQUS. Os principais resultados da investigação são: i) o modelo detalhada de EF capaz de simular eficazmente o comportamento de ligações viga-coluna de chapa de extremidade e os seus componentes; ii) os procedimentos desenvolvidos para a caracterização isolada dos componentes dissipativos que contribuem para o comportamento da junta, nomeadamente: painel da alma de coluna solicitada ao corte, alma de coluna em compressão transversal, alma de coluna em tração transversal, banzo de coluna em flexão e chapa de extremidade em flexão; iii) determinação do comportamento mecânico dos componentes através de curvas força-deslocamento, obtidas por integração de tensões e deformações no modelo de EF, que podem ser usadas diretamente em modelos mecânicos de componentes da ligação; iv) relações ductilidade-amortecimento viscoso equivalente (ductilidade-AVE) melhoradas tendo em conta a influência dos vários componentes dissipativos presentes nas ligações de chapa de extremidade duplamente estendida, e que podem ser usadas diretamente em procedimentos baseados em deslocamentos como o Direct Displacement-Based Seismic Design (Priestley et al., 2007). Os procedimentos propostos para aferir o comportamento isolado das componentes é bastante flexível na definição dos limites de integração, dependendo do modelo mecânico escolhido. O procedimento é capaz de caracterizar o comportamento das componentes identificadas na ligação, incluindo a resistência ao corte adicional devido à existência de reforços transversais na alma. A utilização deste tipo de reforços transversais afeta significativamente o comportamento da ligação e das suas componentes. No caso da componente chapa de topo em flexão as curvas força-deslocamento, associadas às fiadas de parafusos interiores junto aos banzos da viga, apresentam ciclos estáveis, ao contrário das curvas associadas às fiadas exteriores que são mais suscetíveis ao fenómeno de pinching. O comportamento do componente básico da alma de coluna solicitada ao corte apresenta um comportamento estável para todas as ligações reforçadas. Na presença de reforços transversais, à alma a componente chapa de extremidade em flexão apresenta um contributo significativo para a rotação da ligação. Ao contrário da componente banzo da coluna em flexão que se mantem em regime elástico. A determinação das relações ductilidade-AVE permitiu concluir sobre as limitações de usar a expressão proposta por Priestley et al. (2007), que geralmente sobrestima o nível de amortecimento viscoso equivalente para pórticos simples com ligações de resistência parcial. Os resultados numéricos permitiram ainda concluir que não existe uma clara dependência das relações ductilidade -AVE com os mecanismos plásticos da ligação, nem do período elástico de vibração do sistema, nem do tipo de solo. No final é proposta uma alteração à expressão existente para a relação ductilidade - amortecimento viscoso equivalente.