Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10316/91184
Title: Behaviour of friction joints under impact loads
Authors: Santos, Ana Francisca Henriques Parente dos 
Orientador: Santiago, Aldina Maria da Cruz
Rizzano, Gianvittorio
Keywords: Free from Damage connections; Impact; friction dampers; Robustness; Ligações sem dano; Impacto; Dissipadores de energia por fricção; Robustez
Issue Date: 6-Mar-2020
Project: RFSR-CT-2015-00022 - Free From Damage Steel Connections 
PTDC/ECM-EST/3711/2014 - Free From Damage Connections 
Place of publication or event: Universidade de Coimbra
Abstract: Predicting the behaviour of steel-framed structures subjected to unexpected extreme loads, such as seismic events, impact or even explosions, is necessary to ensure the integrity and to prevent collapse during such an event. In particular, beam-to-column connections are seen as the critical components limiting structural ductility and resistance of steel frames, thus their behaviour should be well known during such events. This consideration motivated this PhD thesis, which has the purpose to study the behaviour of a friction connection subjected to quasi-static and impact loading conditions. The connection under investigation in this thesis is a beam-to-column connection developed within the European FREEDAM project: “Free from damage connections”, which has the particularity of been equipped with friction dampers located in an additional haunch bolted to the lower beam flange. In this way, the energy dissipation is provided by the slippage of the haunch flange on the friction pads. Such connection typology was primarily designed to ensure a satisfactory performance of Moment Resisting Frames under severe seismic events, assuring a large energy dissipation capacity with negligible damage for the structure. However, their behaviour in case of extreme loading conditions (impacts, blasts, etc.) was completely unknown. Therefore, the response of such connections in case of extreme loading conditions was extensively studied in this thesis. To accomplish the objectives of the proposed work, an extensive programme divided into three parts was carried out. The first part of the programme dealt with the individual behaviour of the friction damper under tension loads, whereas, in the second part, the behaviour of the whole connection was investigated when subjected to bending moment actions. These studies confirmed that the velocity of the application of the load affects the connection behaviour due to the high strain rates induced in the materials composing the several components of the connection. It is therefore important to take this change of behaviour into to account if exceptional loading events is a design consideration. For the abovementioned reason, an analytical spring model, based on the component method currently codified in Eurocode 3 part 1.8, was also developed in order to easily take into account the changes on the connection behaviour due to exceptional loading actions. These changes were considered in the resistance and ductility of each individual component of the connection. This model showed to be able to predict the connection behaviour when subjected to different velocities by incorporating the strain rate influence in the individual components of the connection. The third part of the work is devoted to the robustness of steel frames equipped with the studied connection. Different types of robustness analyses were used, with increased complexity, including static and nonlinear dynamic removal column loss analyses (thread independent scenarios) and a dynamic lateral impact analysis (thread dependent scenario). The different analyses showed the sensitivity of the structure to the dynamic effects and that the consideration of the impact action can lead to a quite different structural response when compared to those observed in the simple column removal analyses. Furthermore, the results were compared to the behaviour of the same frame equipped with one rigid connection. From this comparison, it was observed that the main advantage of using the freedam connection is the connection slip mechanism, which allows the dissipation of a great amount of the energy induced to the structure by the exceptional load, avoiding the plastic engagement of the beams and columns as well as the others steel components of the connections. In this way, the structure after the event can be reused, requiring only the replacement of the friction pads.
O conhecimento do comportamento de estruturas porticadas em aço, quando solicitadas por uma ação excecional, como são exemplos os sismos, cargas de impacto e explosões, é fundamental para assegurar a integridade estrutural e prevenir o colapso progressivo das estruturas. Em particular, as ligações viga-coluna parecem ser um dos elementos críticos, visto que podem limitar a ductilidade e a resistência das estruturas. É assim fundamental, o conhecimento do seu comportamento quando solicitadas por este tipo de ações. Esta particularidade motivou o trabalho desenvolvido nesta tese doutoramento, que tem como objetivo principal o estudo do comportamento de uma ligação que funciona por fricção quando está sujeita a cargas estáticas e de impacto. A ligação em estudo é a ligação viga-pilar desenvolvida pelo projeto Europeu FREEDAM “Free from damage connections”. Esta ligação têm a particularidade de estar equipada por um dissipador por fricção “friction dampers”, localizado no banzo de um esquadro que está, por sua vez, ligado ao banzo inferior da viga. Para além disso, o banzo do esquadro é furado com furos alongados de modo a permitir o seu escorregamento nas placas de fricção “friction pads”, dissipando assim, a energia transmitida à estrutura em caso de um evento excecional. Esta tipologia de ligação foi primeiramente desenvolvida para assegurar um bom desempenho de estruturas porticadas quando sujeitas a sismos raros ou de grande intensidade, permitindo uma grande capacidade de dissipação de energia sem dano significativo para a estrutura, sendo o dano localizado apenas nas placas de fricção “friction pads”. No entanto, o comportamento destas ligações no caso extremo de uma ação que provoque uma rotação superior à rotação máxima para qual os dissipadores por fricção foram dimensionados (impacto, explosões, etc.), era até aqui, completamente desconhecido. Por esta razão, a tese apresentada neste documento dedicou-se ao estudo intensivo do comportamento desta ligação quando sujeita a ações extremas. Para atingir este objetivo, foi desenvolvido um programa de trabalho divido em três partes. A primeira parte consistiu no estudo da componente dissipativa quando solicitado à tração, enquanto que na segunda parte, foi estudada a ligação completa sujeita a momento fletor. Estes estudos confirmaram que a velocidade de aplicação da carga/deformação afeta o comportamento da ligação devido à ativação de taxas de deformação elevadas nos materiais que constituem os diferentes componentes da ligação. Posto isto, concluiu-se que é importante ter em consideração as mudanças no comportamento da ligação quando cargas consideradas excecionais são uma condição de dimensionamento. Pela razão acima indicada, foi de seguida desenvolvido um modelo de molas tendo por base o método das componentes. Este modelo teve em consideração o comportamento elástico e pós-elástico de cada uma das componentes da ligação, assim como, o efeito das taxas de deformação na resistência e ductilidade de cada uma delas. O modelo foi comparado com os resultados experimentais e numéricos, tendo sido concluído que é possível prever analiticamente as modificações no comportamento da ligação quando estas são sujeitas a cargas dinâmicas. A terceira e última parte do trabalho dedicou-se à avaliação da robustez de uma estrutura porticada equipada com a ligação em estudo. Foram considerados diferentes tipos de análise, incluindo análises estática e dinâmicas não lineares, considerando a perda de um dos pilares externos (cenários independentes da definição da ação) e uma análise dinâmica na qual foi modelada a ação de impacto de um veículo colidindo no pilar externo da estrutura (cenário dependente da definição da ação). Os diferentes tipos de análise permitiram avaliar a sensibilidade da estrutura aos efeitos dinâmicos e a influência da consideração ou não da ação para a análise da robustez. Para além disso, os resultados foram ainda comparados com o comportamento da mesma estrutura, mas com uma ligação rígida. Foi possível concluir que a grande vantagem da utilização das ligações freedam, quando comparado com uma ligação mais comummente utilizada, é o deslizamento entre placas, que permite que parte da energia induzida à estrutura seja absorvida por fricção, não se verificando a plastificação dos elementos estruturais. Assim sendo, a estrutura poderá ser reutilizada, sendo necessário apenas a substituição das placas de fricção.
La previsione del comportamento delle strutture in acciaio soggette ad azioni non prevedibili, come eventi sismici, impatti o persino esplosioni, è necessaria per garantirne l'integrità e soprattutto per prevenirne il collasso. In particolare, le connessioni trave-colonna rientrano tra i componenti critici il cui comportamento limita la duttilità strutturale e la resistenza dei telai in acciaio, pertanto il loro comportamento in caso di tali eventi dovrebbe essere ben noto a priori. Il lavoro presentato all’interno di questa tesi di dottorato è stato sviluppato proprio a partire da queste considerazioni, andando a studiare il comportamento di una connessione ad attrito soggetta a condizioni di carico quasi statico e a condizioni di impatto. Nell’ambito di questa tesi è stata studiata la connessione trave-colonna sviluppata nell'ambito del progetto europeo FREEDAM: "FREEE from DAMage connections”, che ha la particolarità di essere equipaggiata con dissipatori ad attrito situati su di un haunch aggiuntivo bullonato alla flangia inferiore della trave. In questo modo la dissipazione di energia avviene attraverso lo scorrimento della flangia dell’haunch sui piatti ad attrito. Tale tipologia di connessione è stata progettata principalmente per garantire prestazioni soddisfacenti dei telai a Momento Resistente (MRFs) in caso di eventi sismici severi, garantendo una grande capacità di dissipazione di energia con danni trascurabili per la struttura. Tuttavia, il loro comportamento in caso di condizioni di carico estreme (impatti, esplosioni, ecc.) era completamente sconosciuto. Pertanto, all’interno di questo lavoro di tesi è stata ampiamente studiata la risposta di tali connessioni quando soggette a condizioni di carico estreme. Per raggiungere gli obiettivi del lavoro proposto è stato realizzato un vasto programma di analisi suddiviso in tre parti. La prima parte del programma è stata dedicata allo studio del comportamento individuale del dissipatore ad attrito sotto carichi di trazione, mentre, nella seconda parte è stato studiato il comportamento dell'intera connessione quando sottoposto ad azioni di momento flettente. Questi studi hanno confermato che la velocità di applicazione del carico influenza il comportamento della connessione a causa delle elevate velocità di deformazione indotte nei materiali che compongono i diversi elementi della connessione. È quindi importante tenere conto di questo cambiamento di comportamento quando le condizioni di carico eccezionali vanno considerati nella progettazione. Per la ragione sopra menzionata è stato inoltre sviluppato un modello analitico a molla basato sul metodo della componente, attualmente codificato nell'Eurocodice 3 parte 1.8, al fine di tenere facilmente conto delle modifiche del comportamento della connessione dovute ad azioni eccezionali. Questi cambiamenti sono stati considerati nella resistenza e nella duttilità di ogni singolo componente della connessione. Tale modello ha dimostrato di essere in grado di prevedere il comportamento della connessione quando sottoposto a velocità diverse tenendo conto dell'influenza della velocità di deformazione sui singoli componenti della connessione. La terza parte del lavoro è dedicata alla robustezza dei telai in acciaio equipaggiati con la connessione FREEDAM. Sono stati utilizzati diversi tipi di analisi di robustezza, di complessità crescente, tra cui analisi di perdita della colonna, di rimozione dinamica statica e non lineare (thread indipendet scenarios) e un'analisi di impatto laterale dinamico (thread dipendet scenarios). Le diverse analisi hanno mostrato la sensibilità della struttura agli effetti dinamici e hanno portato a valutare che l'azione di impatto può portare a una risposta strutturale piuttosto diversa rispetto a quelle osservate nelle semplici analisi di rimozione della colonna. Inoltre, i risultati sono stati confrontati con il comportamento dello stesso telaio dotato di una connessione rigida. Da questo confronto, è stato osservato che il vantaggio principale dell'utilizzo della connessione FREEDAM sta nel meccanismo di slittamento della connessione, che consente la dissipazione di una grande quantità di energia che il carico eccezionale genera sulla struttura, evitando l'impegno plastico delle travi, delle colonne e degli altri componenti in acciaio delle connessioni. In questo modo la struttura dopo l'evento può essere riutilizzata, richiedendo solo la sostituzione dei piatti ad attrito.
Description: Tese no âmbito do Doutoramento em Construção Metálica e Mista apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra
URI: http://hdl.handle.net/10316/91184
Rights: openAccess
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UC - Teses de Doutoramento

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