Παραμετρική ανάλυση και βελτιστοποίηση συνδέσεων χαλύβδινων πλαισίων με δοκούς μειωμένης διατομής

Abstract

The present Thesis offers analytically an optimization procedure for the design of Reduced Beam Section steel moment resisting frame connection under monotone and cyclic loading, utilizing profiles and design aspects of the European industry and practice. The whole scheme leads to a mathematical rule, which may lead to the optimal choice of joint geometric parameters, verified afterwards according to well accepted criteria of desirable seismic response. These are mainly ductile behavior, bending and not shear yielding and maximum energy dissipation within the RBS. The philosophy of the method is based on the European recommendations for the design of bolted extended end-plate connections – component method (EC3, Part1.8) for the evaluation of the design moment resistance Mj,Rd, and the computation of an objective function of the form f(p) = 1.1Mj,Rd - αMRBS≥0, f(p)=min. In this expression MRBS is the moment resistance of the weaker section of the RBS, while coeffient α ensures (a) that yielding within the RBS is ought only to bending and not to shear, (b) participation of lateral static loads to a satisfactory extent and (c) applicability to a wide range of moment frame widths with a suitable application of the distribution of the expected seismic forces when the first plastic hinges is formed within the RBS. The control space of parameters p is mathematically correlated with the geometry of the beam and column cross-sections as well as with the geometry of the joint and the beam section reduction (cut), via techniques based on linear and nonlinear curve fitting – regression analysis. The constrained optimization problem is thereafter solved using Mathematica, leading to optimum solutions, whose reliability is then verified through the FEM under cyclic loading. The flexibility of the proposed method is also demonstrated for an existing Moment Resisting Frame. The whole procedure, firstly reported in the relevant literature, may serve as a tool for the acceptance of the RBS concept as a reliable seismic connection for the European Steel Design Practice.

Στην παρούσα Διατριβή παρατίθεται αναλυτικά μια μέθοδος βελτιστοποίησης συνδέσεων καμπτικών πλαισίων της Ευρωπαϊκής κατασκευαστικής πρακτικής με απομειωμένες διατομές δοκών, τόσο υπό μονοτονική όσο και υπό ανακυκλιζόμενη φόρτιση. Η όλη διαδικασία ακολουθεί το σκεπτικό να υπάρξει μαθηματικός κανόνας που να οδηγεί στην βέλτιστη επιλογή γεωμετρικών παραμέτρων, ο οποίος να επαληθεύεται με βάση ευρέως αποδεκτά κριτήρια επιθυμητής σεισμικής απόκρισης, με κύριο κανόνα την ολκιμότητα την καμπτική και όχι την διατμητική διαρροή και την μέγιστη απορρόφηση ενέργειας στην περιοχή της απομείωσης (RBS). Η φιλοσοφία της μεθόδου στηρίζεται σε Ευρωπαϊκές Συστάσεις για τον σχεδιασμό κοχλιωτών συνδέσεων με προεξέχουσα μετωπική πλάκα (Ευρωκώδικας 3, Μέρος 1.8) - μέθοδος των βασικών συστατικών για τον υπολογισμό της ροπής αντοχής σχεδιασμού της σύνδεσης Μj,Rd - και στη συνέχεια περιλαμβάνει παραμετρική σύνταξη αντικειμενικής συνάρτησης της μορφής , όπου ΜRBS η ροπή αντοχής της πλέον ασθενούς διατομής της δοκού. Ο συντελεστής α εξασφαλίζει μόνο καμπτική διαρροή στην RBS, συμμετοχή σε ικανοποιητικό βαθμό εγκάρσιων στατικών φορτίων στη δοκό και εφαρμοσιμότητα σε μεγάλη γκάμα ανοιγμάτων πλαισίων ροπής με κατάλληλη εφαρμογή της αναμενόμενης κατανομής εντατικών μεγεθών στην περιοχή της σύνδεσης μετά την επιθυμητή πρώτη δημιουργία πλαστικής άρθρωσης στην RBS. Το πεδίο ελέγχου των παραμέτρων p συσχετίζεται μαθηματικά τόσο με τη γεωμετρία των διατομών δοκών και στύλων όσο και με τη γεωμετρία της σύνδεσης και της απότμησης, μέσω τεχνικών γραμμικής και μη γραμμικής οπισθοδρόμησης προσαρμογής καμπυλών. Το πρόβλημα βελτιστοποίησης υπό περιορισμούς που προκύπτει επιλύεται αριθμητικά μέσω εξειδικευμένου λογισμικού (Μathematica) και οδηγεί σε βέλτιστες λύσεις, η αξιοπιστία των οποίων επαληθεύεται από αναλύσεις με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων υπό ανακυκλιζόμενη φόρτιση, ενώ η ευκαμψία της μεθόδου καταδεικνύεται μέσω εφαρμογής της σε πραγματικό καμπτικό πλαίσιο. Η προτεινόμενη μεθοδολογία, απαντώμενη για πρώτη φορά στη βιβλιογραφία, μπορεί να οδηγήσει στην αποδοχή των συνδέσεων RBS ως αξιόπιστης αντισεισμικής τοιαύτης στην Ευρωπαϊκή Πρακτική.