Design of a "Free from damage" column base connection for seismic applications

Abstract

A utilização de estruturas metálicas em zonas sísmicas tem sido demonstrada como sendo particularmente apropriada devido às qualidades intrínsecas do aço como material, como a elevada ductilidade e a capacidade de desenvolver uma histerese e capacidade de dissipação estáveis, cujas são usadas para absorver a energia do sismo. As estratégias de dimensionamento clássicas em pórtico em zonas sísmicas são normalmente orientadas em concentrar a dissipação de energia em zonas específicas das estruturas, nomeadamente as rótulas plásticas, cujas são usualmente localizadas nos extremos das vigas ou nas ligações. Apesar de, por um lado, essas estratégias têm sido demonstradas como sendo apropriadas em termos de comportamento, por outro lado,essas estratégias têm a principal desvantagem de precisarem de desenvolver danos estruturais, que é uma das principais origens de perdas em caso de evento sísmico. É por esta razão que, para ultrapassar este problema, recentemente, alguns grupos de investigação têm proposto uma estratégia inovadora capaz de evitar danos estruturais, concentrando as zonas de plastificação em amortecedores por atrito dimensionados para serem a principal origem de dissipação de energia.O estudo apresentado está enquadrado nas actividades do projecto FREEDAM (livre de dano), um projecto de investigação Europeu dedicado a validar uma estratégia de dimensionamento inovadora baseada no desenvolvimento de estruturas incluindo amortecedores por atrito em ligações, apropriadamente dimensionadas para evitar qualquer dano em elementos de aço. O objectivo do estudo é o desenvolvimento de uma ligação de base de coluna inovadora capaz de dissipar a energia em amortecedores realizados nas placas externas de uma emenda de coluna através de placas de fricção, buracos alongados e parafusos de alta resistência usados para aplicar um valor de pré-tensão calibrada nas interfaces. Adicionalmente, um sistema de recentralização capaz de restaurar a configuração inicial é incluído no sistema.Neste trabalho, as fases de dimensionamento da ligação são apresentadas e descritas, assim como os resultados dos testes experimentais em escala real realizados no Laboratório de Materiais e Estruturas da Universidade de Salerno. Uma primeira tentativa em desenvolver um modelo de EF através do software ABAQUS é também reportada na tese.A ligação apresentou um comportamento global positivo, similar ao modelo de EF, apesar de alguma imprecisão no dimensionamento, no que respeita ao que era esperado do comportamento friccional dos amortecedores e da componente de recentralização.

The use of steel for structures in seismic zones has been demonstrated to be particularly appropriate due to the intrinsic features of steel as a material, such as the high ductility and the capacity to develop a stable hysteresis and dissipation capacity, which is normally used to absorb the seismic input energy. The classical design strategies for MRFs in seismic zones are usually oriented to foster the concentration of the energy dissipation supply in specific zones of the structures, namely the plastic hinges, which are usually located in the beam ends or in the connections. Even though, on one side, such a strategies have already been demonstrated to be appropriate in terms of performance, on the other side, they have the main drawback to need the development of structural damage, which is one of the main source of loss in case of rare seismic events. This is the reason why, in order to overcome this issue, recently, some research groups have proposed an innovative strategy able to avoid structural damage, by concentrating the plastic zones in friction dampers specifically designed to be the main source of energy dissipation.The study presented in this thesis is framed within the activities of the FREEDAM project (FREE from DAMage), which is a European research project devoted to validate an innovative design strategy based on the development of structures including friction dampers in connections, appropriately designed to avoid any damage to the steel parts. The objective of the study is the development of an innovative column base connection able to dissipate the energy in friction dampers realized on the cover plates of a column splice by means of friction shims, slotted holes and High Strength Bolts used to apply a calibrated value of the pre-load on the interfaces. In addition, a re-centering system able to restore the initial configuration is included in the system. In the work presented in the following, the design phases of the connection will be presented and described, so as to the results of the experimental tests carried out on a sub-assembly aimed at evaluating the behaviour of the friction shims and on real-scale base-plate connections tested at the laboratory of materials and structures of the University of Salerno. As an extension of the experimental work, a first attempt to develop a FE model by means of ABAQUS software is also reported in the thesis.The connection presented an overall positive performance, similar of the FE model, despite some inaccuracy, with respect to the expected frictional behaviour of the dampers and the recentering component.