Investigation of the application of high-strength steel in dissipative elements

Abstract

The term High-strength Steel (HSS) is currently used for steel grades with yield strength exceeding or equal to 460MPa. Production of HSS is the result of significant improvements in steel making technologies, achieved in the last decades. The structural application of HSS may reduce member sizes and workload of transportation and construction, thus providing significant economic, environmental and architectural advantages. However its application is still limited while its relevance to seismic design is currently under discussion. The present thesis investigates experimentally and numerically the possible application of HSS in the dissipative elements of the innovative FUSEIS system. FUSEIS consists of a pair of closely-spaced strong columns rigidly connected via multiple dissipative links which may be beams or pins. The system resists lateral loads by developing axial forces in the columns and bending in the links while in case of pin links catenary action also develops. An important advantage of FUSEIS is reparability: in case of a strong earthquake damage is concentrated in the replaceable links, protecting the rest structural members.The experimental investigations include eight large-scale cyclic tests on FUSEIS systems consisting of different types of links (hollow-section and HEA beams and circular pins) and steel grades (S355, S500, S700), conducted in the National Technical University of Athens. Relevant component tests, conducted in another Laboratory, are overviewed. Reference is also made to previous experimental campaigns involving FUSEIS with S235 links. For various reasons, comparison between the different tests is limited. However it can be deduced that HSS specimens exhibited good seismic response despite their reduced ductility (compared to conventional steels). The tested systems are simulated via different models with increasing complexity and suggestions are given in order to approximate their response. Eventually, two case studies are designed according to the Eurocodes: a two-story and a five-story building including FUSEIS systems with S700 beam links. The case studies are subjected to performance-based evaluation, by using non-linear static and dynamic analyses while considering the response of their most critical components. Simulation of material non-linearity in the dissipative elements is based on the aforementioned test calibration. Given that the seismic design of buildings is governed by stiffness demands, the specific application of HSS does not fully benefit from the material’s advantages. The models are assessed at two limit states following two different methodologies, both of which result in the acceptance of their design q-factor (equal to 3.5). Overall, the objective of this study is to explore whether the hysteretic behavior of HSS can be sufficient for dissipative zones, rather than comparing it to conventional steels. Experimental and numerical investigations provided affirmative results although further investigations would be required.

Τις τελευταίες δεκαετίες, οι εξελίξεις στον τομέα της παραγωγής του δομικού χάλυβα, έχουν οδηγήσει σε υλικά με υψηλότερες αντοχές και άλλα βελτιωμένα χαρακτηριστικά. Η χρήση των χαλύβων υψηλής αντοχής στις κατασκευές θα μπορούσε να αποφέρει σημαντικά οικονομικά και περιβαλλοντικά οφέλη, ωστόσο είναι ακόμα περιορισμένη. Επιπλέον η εφαρμογή τους σε μέλη απορρόφησης ενέργειας δεν προβλέπεται στους ισχύοντες Αντισεισμικούς Κανονισμούς. Η παρούσα εργασία αποσκοπεί να συνεισφέρει στην τρέχουσα συζήτηση πάνω στις πιθανές εφαρμογές των δομικών χαλύβων υψηλής αντοχής. Σε αυτά τα πλαίσια, διερευνάται πειραματικά και αριθμητικά η χρήση χαλύβων υψηλής αντοχής στα στοιχεία απορρόφησης ενέργειας του καινοτόμου αντισεισμικού συστήματος FUSEIS. Το σύστημα FUSEIS αποτελείται από ένα ζεύγος ισχυρών υποστυλωμάτων σε μικρή απόσταση, τα οποία είναι άκαμπτα συνδεδεμένα μεταξύ τους με επάλληλα οριζόντια στοιχεία (δοκοί ή πείροι). Βασικό πλεονέκτημα του συστήματος είναι η επισκευασιμότητα καθώς τα FUSEIS σχεδιάζονται έτσι ώστε η κατανάλωση της σεισμικής ενέργειας να περιορίζεται στους αντικαταστάσιμους οριζόντιους συνδέσμους. Στόχος της μελέτης δεν είναι να δείξει πως η συγκεκριμένη εφαρμογή των χαλύβων υψηλής αντοχής πλεονεκτεί έναντι της χρήσης συμβατικών χαλύβων, αλλά να εξετάσει κατά πόσο η απόκριση του συστήματος είναι αποδεκτή. Η πειραματική διερεύνηση περιλαμβάνει οκτώ πειράματα σε συστήματα FUSEIS με χρήση διαφορετικών οριζόντιων στοιχείων απορρόφησης ενέργειας. Πιο συγκεκριμένα εξετάστηκαν συστήματα με κοιλοδοκούς από χάλυβα S700MC, δοκούς ΗΕΑ από χάλυβα S355J2 και κυλινδρικούς πείρους από χάλυβα S500MC. Οι δοκιμές διεξήχθησαν υπό ανακυκλιζόμενη φόρτιση, στο Εργαστήριο Μεταλλικών Κατασκευών του ΕΜΠ. Επιπλέον, συνοψίζονται τα αποτελέσματα δοκιμών σε μεμονωμένα στοιχεία FUSEIS που πραγματοποιήθηκαν σε άλλο Εργαστήριο. Γίνεται, επίσης, αναφορά και σύγκριση (στο βαθμό που είναι εφικτό) με τα αποτελέσματα προγενέστερων πειραμάτων πάνω σε συστήματα FUSEIS με συνδέσμους από χάλυβα S235. Σημειώνεται ότι τα δοκίμια από χάλυβες υψηλής αντοχής επέδειξαν ικανοποιητική συμπεριφορά υπό ανακυκλιζόμενη φόρτιση παρότι τα πειραματικά δεδομένα επιβεβαίωσαν ότι η αύξηση της αντοχής του χάλυβα συνεπάγεται μείωση της πλαστιμότητας. Το σύστημα FUSEIS συμπεριφέρεται ως μια κατακόρυφη δοκός τύπου Vierendeel, ενώ στην περίπτωση που έχει συνδέσμους πείρους αναπτύσσεται επιπλέον λειτουργία καλωδίου, σε μεγάλες παραμορφώσεις. Βάση των παραπάνω, προτείνονται εξισώσεις που περιγράφουν την φέρουσα ικανότητα των FUSEIS. Τα πειράματα προσομοιώθηκαν με διαφορετικά λογισμικά αυξανόμενης πολυπλοκότητας, χρησιμοποιώντας δισδιάστατα ή τρισδιάστατα πεπερασμένα στοιχεία. Καθεμία από τις μεθόδους προσομοίωσης εξυπηρετεί διαφορετικό στόχο και περιγράφεται αναλυτικά. Τέλος, σχεδιάστηκαν με βάση τους Ευρωκώδικες δύο κτίρια (ένα διώροφο και ένα πενταώροφο) που υπεβλήθησαν σε μη γραμμικές αναλύσεις με στόχο την αποτίμηση της επιτελεστικότητας τους. Τα κτίρια περιλαμβάνουν συστήματα FUSEIS με συνδέσμους κοιλοδοκούς S700. Η απόκριση των φορέων αποτιμήθηκε για δύο στάθμες επιτελεστικότητας για τις οποίες επιβεβαιώθηκε ότι ο συντελεστής συμπεριφοράς που είχε υποτεθεί κατά τον σχεδιασμό (q=3,5) είναι αποδεκτός. Συνοψίζοντας, τα αποτελέσματα της διερεύνησης ήταν ενθαρρυντικά ως προς την χρήση χαλύβων υψηλής αντοχής σε αντισεισμικές διατάξεις. Προτείνεται, ωστόσο, εκτενής περαιτέρω έρευνα.