Assessment of the behaviour of T-stub joint under impact loading

Abstract

A ocorrência de acções acidentais de explosão ou de impacto podem facilmente causar a perda de capacidade resistente dos elementos estruturais situados na zona afectada, levando eventualmente ao colapso da estrutura. O desenvolvimento dos mecanismos de resistência ao colapso em pórticos metálicos sujeitos a acções acidentais requer ligações resistentes em flexão e capacidade de rotação suficiente para que se estabeleçam novos caminhos de descarga, pelo que a verificação da sobre resistência estrutural é fundamental. O comportamento de ligações sob carregamentos de curta duração não se encontra ainda determinado nas normas de cálculo correntes, razão pela qual na presente tese se desenvolve um modelo de elementos finitos e se exploram modelos analíticos a estabelecer a resposta não linear de T-stubs. Os modelos são validados com resultados de ensaios experimentais desenvolvidos no âmbito do projecto de investigação “ImpactFIRE”, desenvolvido na Universidade de Coimbra. São considerados T-stubs soldados chapas de espessura de 10 e 15 mm em aço S355, e aparafusados com M20 da classe 8.8. O modelo T-stub é escolhido por se tratar de um modelo simples mas que, no entanto, é responsável por descrever o comportamento de componentes responsáveis por fornecer ductilidade a uma ligação, nomeadamente o i) “banzo de coluna em flexão” e ii) “chapa de extremidade em flexão” do “método das componentes” para o cálculo de ligações. O modelo numérico desenvolvido inclui ao nível do material a descrição do comportamento na fase de amolecimento permitindo a captura dos modos de rotura observados experimentalmente. Verifica-se que carregamentos de curta duração induzem taxas de deformação elevadas no material capaz de alterar a lei constitutiva do material, incrementando a tensão de cedência e última do material, possibilitando que os T-stub resistam a carregamentos equivalentes ao máximo observado sob condições quasi-estáticas sem colapso e com um nível de deformação reduzido. Os estudos paramétricos levados a cabo mostram que T-stub mais rígidos sofrem menos destes efeitos, mas que T-stubs mais flexíveis (T-10) podem ver a sua ductilidade reduzida quando submetidos a carregamentos de impacto. A metodologia estabelecida nos Eurocódigos para o cálculo da resistência de T-stubs e um modelo não-linear disponível na literatura, capaz de descrever o comportamento pós-limite, são ajustados de forma a tomar em conta os efeitos de taxas de deformação elevada. Uma vez a sua rotina seja programada, o modelo não-linear permite obter a resposta de forma mais rápida do que construindo de um modelo de elementos finitos.

Accidental loadings due to blast or impact may easily cause failure of the elements that are exposed or located in the vicinity of the hazard, leading in some cases, to the progressive collapse of part or even the whole structure. Assessment of the structural over strength is critical for structural engineers to ensure that arrest collapse mechanisms are developed and guarantee a certain level of safety. In steel frames the loss of a bearing element and the development of alternative unloading paths will take its toll on joints’ strength and ductility. The behaviour of joints subject to short transient loads is unsure and yet absent in current design guidelines; the present thesis addresses this issue by studying a validated finite element model and exploring analytical procedures to perform non-linear analysis of the T-stub model subject to impact loads. The models are validated against experimental results from the research project “ImpactFIRE”, developed at the University of Coimbra. Welded T-stub with flange thicknesses of 10 and 15 mm (S335) bolted with M20’s (8.8) are considered. The T-stub model is used to describe the behaviour of components i) “column flange in bending” and ii) “end-plate in bending” present in a beam-to-column bending resistant connection. These components are responsible for the behaviour in the tension zone of joints, being able to provide ductility to a joint. The T-stub model is therefore a less complex model, when compared to a whole joint, yet it drives a joints’ ductility capacity. Supplemented with a failure criterion describing the softening phase of the materials, the FE model captures the failure modes observed experimentally. Results show that the short transient loads applied induce elevated strain rates in the material enhancing its constitutive relationship, and therefore, enabling the T-stub to resist the maximum load observed in quasi-static cases with reduced displacement. Parametric studies show that stiffer T-stubs are less prone to develop elevated strain rates and therefore less keen to strength enhancement; on the other hand, the ductility capacity is reduced for rather flexible T-stub (T-10) comparing the quasi-static and the short transient dynamic response. The simplified approach established in the Eurocode to predict the resistance of T-stubs and a non-linear analytical model available in the literature, able to describe the post-limit regime, are improved to account for elevated strain rate effects. Once the non-linear routine is programed, it allows faster derivation of the response than building finite element models.