Comportamento Tridimensional de Juntas Viga I - Pilar SHS com Parafusos Hollo-bolt Sujeitas a Acções Monotónicas

Abstract

No contexto das estruturas porticadas de edifícios ou similares vêm sendo investigados elementos com secção tubular bem como dispositivos mecânicos de ligação entre vigas e pilares adaptados a tal tipo de secção no sentido da validação de regras para controlo do respectivo comportamento estrutural, atendendo à problemática subjacente à necessidade de implementação de regulamentação apropriada por instituições e organismos oficiais. Nesta Tese apresenta-se um estudo com base em experimentação, análise numérica e teórica para caracterização da resposta estrutural de juntas viga I – pilar SHS com ligações utilizando o parafuso do tipo hollo-bolt como sistema de fixação ao perfil tubular adoptado nos pilares, enquanto exemplo representativo dos diversos blind-bolt-systems. A primeira parte do programa experimental, realizado no Laboratório de Mecânica Estrutural do DEC da FCTUC, incluiu oito ensaios de arrancamento de parafusos hollo-bolt, considerando diferentes valores para o aperto e dois diâmetros comercialmente disponíveis. Com os diagramas força-deslocamento foi avaliada a rigidez axial para cada uma das situações consideradas e identificada a capacidade resistente à tracção para os referidos parafusos ensaiados directamente nos perfis tubulares através de um esquema tipo T-Stub. A segunda parte da investigação incluiu 14 ensaios correspondentes ao tipo de juntas inicialmente indicado em nós externos, de canto e internos, considerando-se protótipos à escala real sob o efeito de carga estática monotónica na(s) viga(s). Foram realizados ensaios uni- e multiplanares, tendo sido elaborados diagramas momento-rotação e determinadas as propriedades estruturais como a rigidez rotacional inicial, o momento plástico resistente e a rigidez pós-elástica para as tipologias com placa rasa e estendida, contempladas na Parte 1-8 da actual versão do Eurocódigo 3. É apresentada, também, a classificação das juntas ensaiadas quanto à rigidez e quanto à resistência à flexão no âmbito das regras estabelecidas no citado Eurocódigo. Complementarmente, foram processados três modelos de elementos finitos no software ANSYS® representando as correspondentes juntas e ligações anteriormente testadas, os quais foram elaborados e calibrados segundo as geometrias reais das secções transversais adoptadas nos protótipos ensaiados e respeitando as propriedades mecânicas referentes aos aços efectivamente utilizados nas diversas componentes das ligações em questão. As principais conclusões experimentais evidenciaram a tendência para um certo comportamento do tipo membrana para a parede do pilar tubular no caso de pequenos rácios espessura/largura, a influência dos hollo-bolts nas áreas dos furos mais traccionados do perfil tubular, a rotura das patilhas associadas ao cilindro daquele parafuso e consequente arrancamento sob esforços de tracção e corte, bem como a plastificação da face solicitada da secção SHS (tanto mais notória quanto menor a espessura), para além da flexão plástica das placas de extremidade estendidas quando inseridas em juntas com pilares de maior espessura, reflectindo, neste caso, uma relação tp/tc de 1,7. Os modelos numéricos conseguiram reproduzir as várias deformabilidades encontradas nos protótipos testados verificando-se, para muitos pontos homólogos das juntas modeladas, uma similitude de resultados comparativamente ao que havia sido registado e determinado a nível experimental, designadamente no que diz respeito a deslocamentos (verticais e horizontais) mas também em relação a tensões equivalentes/principais e ainda a extensões. O estudo teórico igualmente apresentado culminou com a proposta de dois modelos analíticos para o momento resistente plástico das referidas juntas no contexto das referências de suporte à temática das forças resistentes, bem como das normas estipuladas pelo Eurocódigo 3 e pelo CIDECT. Para o caso da rigidez rotacional inicial, foi também aplicada uma dimensão alternativa na zona traccionada do pilar para o cálculo do respectivo coeficiente de rigidez da componente proposta, cuja fórmula original de cálculo havia sido anteriormente avançada por aquela mesma associação internacional. Uma comparação entre resultados teóricos e experimentais foi, ainda, realizada através dos respectivos rácios. Tendo sido observado um efeito tridimensional em nós de canto ou internos sujeitos a carga no mesmo sentido, foi também apresentada uma proposta de correcção do momento resistente e da própria rigidez em juntas localizadas na face ortogonal à face 1 do pilar bi-articulado.

Tubular section elements as well as connection mechanical devices between beams and columns, adapted to that type of section and applied in buildings’ framed structures or similar, have been investigated in order to validate rules to control their behaviour, in compliance with the regulations issued by institutions and official organizations. This thesis presents an experimental, numerical and analytical study to characterize the structural behaviour of I beam – SHS column joints connected using hollo-bolts, a representative example of blind-bolt systems. The first part of the experimental program, carried out at FCTUC´s DEC Structural Mechanics Laboratory, included eight hollo-bolts pull-out tests, considering different values for the tightening moment and two commercial diameters. With force-displacement diagrams the axial stiffness was evaluated for each of the considered situations as well as identified the tensile strength for the bolts, directly tested on the SHS profiles through a T-Stub type scheme. The second part of the experimental investigation included 14 tests corresponding to I beam – SHS column joints at external, corner and internal node´s configuration, considering real-scale prototypes under the effect of a monotonic static load applied on the beams. Uni- and multiplanar tests were performed and the respective force-displacement and moment-rotation diagrams were obtained, as well as determined the corresponding structural properties, such as initial rotational stiffness, plastic resistant moment and post-elastic stiffness for flush and extended endplate typologies, contemplated in the current version of Part 1-8 of Eurocode 3. It was presented the classification of the tested joints regarding to stiffness and resistance to bending, within the scope of that Eurocode. Furthermore, three finite element models were processed in the ANSYS® software representing the corresponding joints and connections previously tested, which were developed and calibrated according to the actual geometries of the cross sections adopted in the tested prototypes and respecting the mechanical properties of the steels actually used in the components of that connections and joints. The main experimental results evidenced the tendency of the tubular column’s wall for a membrane type behaviour, in the case of small thickness/width ratios. The results also showed the influence of the hollo-bolts in the areas corresponding to the more tensioned holes of tubular profile, moreover the hollo-bolt legs rupture, associated to the cylinder and consequent pull-out under a tensile and shear force combination, as well as the plastification of the loaded face of the SHS section (as more remarkable as lower its thickness). In addition to experimental observations mentioned before, it was also verified the plastic bending of the extended endplates when included in joints with thicker columns (reflecting a tp/tc ratio equal to 1,7). The numerical models reproduced the different deformabilities found in the tested prototypes, and for many homologous points of the modeled joints a results’ similarity was observed compared to what had been registered and determined experimentally, not only regarding to the vertical and horizontal displacements, but also in relation to equivalent/principal stresses and strains. The theoretical study culminated with a proposal of two analytical models for the plastic moment of those joints in the context of the main supporting references of the thematic subjected to the resistant forces as included in the established rules by Eurocode 3 and CIDECT. In the case of initial rotational stiffness, an alternative dimension was also proposed in the tensioned area of the column to calculate the respective stiffness coefficient of the new component proposed, which original formula was previously advanced by that institution. A comparison between theoretical and experimental results was made through the respective ratios. Having a three-dimensional effect on corner or internal nodes subjected to loads in the same direction and sense, a proposal of correction to the resistant moment and the rotational stiffness in joints, located on the orthogonal face concerning to the face number one in the simply supported column, was also presented.