Πειραματική και αναλυτική διερεύνηση της συμπεριφοράς κοχλιωτών συνδέσεων RBS υπό εναλλασόμενη φόρτιση

Abstract

Widespread damage to steel moment frame structures during the 1994 Northridge and 1995 Cobe earthquakes led researchers to develop alternative connection designs to the prescriptive pre-Northridge moment connection. Two key concepts have been developed to provide highly ductile response and reliable performance; strengthening the connection and/or weakening the beam framing to the column, in order to avoid damages of the respective column. The weakening of specific sections of the beam in order to change them into reliable energy dissipative zones, in case of an earthquake, is an idea which was developed in principle in the late ‘80s by Andre Plumier. There has been previous testing on the RBS moment connections which heralds the effectiveness of the new approach in the post-Northridge design era. The reduced beam section (RBS), allows controlled yielding of the beam by moving the plastic hinge region at the beam-in a short distance from the column’s face-protecting the connection from any type of failure. Various shapes cutouts are possible (constant, tapered or radius cut) to reduce the cross sectional area. Extensive experimental and analytical projects have been conducted demonstrating that the curved RBS behaves with the highest rotational capacity. Recommendations for the design and detailing of the RBS member were prescribed in FEMA 350 and FEMA 351, regarding the location and reduction rate of RBS, based on the local performance of tested beam to column assemblies. In Europe, also, following the concept of the above mentioned recommendations, in EC8, Part 3, design of such type of connections is presented. It can be noted that the “a” and “b” values from EC8, Part 3 are the average values as compared with FEMA 350, while for “g” (or “c”), “s” and “r” the same values were adopted. The effectiveness of these recommendations is questionable for welded beam to column connections. A recent experimental research confirmed the need for readjustment of the geometrical characteristics for the design of the RBS, with radius cut. In this dissertation the behaviour of the RBS moment connection with extended endplate - widely used in beam to column moment connections in Europe - subjected to cyclic loading and using the European profiles is examined. Experimental and Finite Element Analysis approaches were conducted investigating the adopted by EC8, Part 3 key parameters for the design. Comparing the extracted results from both approaches, the need for further investigation - concerning the effectiveness of the RBS use in this type of connections and for the possible readjustment of the geometrical characteristics of the RBS - is imperative in order to be safely applied to the European profiles.

Η παρούσα διατριβή ασχολείται με την αποτίμηση και αξιολόγηση της συμπεριφοράς των κοχλιωτών συνδέσεων ροπής δοκού-υποστυλώματος στις οποίες εφαρμόζεται η τεχνική της απομειωμένης διατομής δοκού (Reduced Beam Section) υπό εναλλασσόμενη φόρτιση. Η σύνδεση ροπής υλοποιείται με εκτεταμένη μετωπική λεπίδα (Extended Endplate Connection) η οποία συγκολλάται στη δοκό και κοχλιώνεται στο πέλμα του υποστυλώματος. Ιδιαίτερη σημασία δόθηκε στη διερεύνηση των τριών παραμέτρων της κυκλικής απομείωσης και στο ρόλο που διαδραματίζουν κυρίως στη μετελαστική απόκριση του κόμβου αλλά και του γενικότερου δομικού συστήματος που περιγράφεται αναλυτικά στα κεφάλαια του παρόντος. Αναζητώντας αναφορές στη διεθνή βιβλιογραφία πάνω στο υπό διερεύνηση αντικείμενο διαπιστώθηκε ότι υπάρχει εκτεταμένη επιστημονική έρευνα σε συγκολλητές κυρίως συνδέσεις ροπής δοκού-υποστυλώματος με διατομές αμερικάνικου προφίλ. Οι ερευνητικές αυτές προσπάθειες κατέληξαν στον καθορισμό των ορίων των γεωμετρικών παραμέτρων απομείωσης τα οποία και υιοθετήθηκαν από τους αμερικάνικους κανονισμούς (FEMA). Στον ευρωπαϊκό χώρο παρατηρείται περιορισμένη επιστημονική έρευνα στις συνδέσεις RBS, χωρίς πειραματικές επιβεβαιώσεις. Προκειμένου να καλυφθεί το κενό, ο EC8 υιοθέτησε τις μέσες τιμές των ορίων της FEMA για την εφαρμογή της εν λόγω τεχνικής, χωρίς να ληφθούν υπόψη οι διαφορές στις διαστάσεις των ευρωπαϊκού τύπου διατομών με τις αντίστοιχες αμερικανικές. Η χωρίς δεδομένα αποδοχή από τον EC8 των μέσων τιμών των ορίων της FEMA οδήγησε στην ανάγκη καθορισμού του εύρους των τιμών των τριών γεωμετρικών παραμέτρων της απομείωσης για ευρωπαϊκού τύπου διατομές μέσω πειραματικών και αναλυτικών προσεγγίσεων. Στα πλαίσια αυτά ερευνήθηκαν συγκολλητές συνδέσεις ροπής δοκού-υποστυλώματος και προσδιορίσθηκε το εύρος τιμών για κάθε μια από τις γεωμετρικές παραμέτρους της απομείωσης. Η διαφορετική συμπεριφορά που επιδεικνύουν οι κοχλιωτές συνδέσεις ροπής δοκού-υποστυλώματος έναντι εκείνης των συγκολλητών, επιβάλλει νέα έρευνα για την αξιολόγηση της τεχνικής RBS και τον καθορισμό του εύρους τιμών των γεωμετρικών παραμέτρων της απομείωσης, αντικείμενο με το οποίο ασχολείται η παρούσα διατριβή. Η έρευνα κινείται σε δύο άξονες, πρώτον την πειραματική διερεύνηση και δεύτερον την παραμετρική ανάλυση με πεπερασμένα στοιχεία. Σε αμφότερες τις προσεγγίσεις δεν υπήρξε περιορισμός για τις γεωμετρικές παραμέτρους της απομείωσης ώστε αυτές να κυμαίνονται εντός των ορίων που προτείνονται από τη FEMA. Για την επιβεβαίωση τουπροτεινόμενου αναλυτικού προσομοιώματος σχεδιάστηκε και εκτελέστηκε μία σειρά πειραματικών δοκιμών υπό εναλλασσόμενη φόρτιση όπως περιγράφεται αναλυτικά στα κεφάλαια 4 και 5. Τα πειραματικά αποτελέσματα που προέκυψαν επιδεικνύουν ικανοποιητικό επίπεδο σύγκλισης με τα αντίστοιχα των προσομοιωμάτων με χρήση πεπερασμένων στοιχείων, γεγονός που καθιστά αξιόπιστη την παραμετρική ανάλυση που ακολούθησε.