Search

Tese de doutoramento em Construção Metálica e Mista, apresentada ao Departamento de Engenharia Civil da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra This thesis deals with the numerical and analytical modelling of beam-to-column steel joints, when subjected to monotonic, cyclic or dynamic loading, addressing both the global response of the joint and the behaviour of the critical components. End-plate bolted connections are widely used in Europe, due to its attractive manufacturing and erecting costs and its easy integration into the building structure and architecture. Although their design for use in non-seismic regions is fully supported by the design rules in Eurocode 3, current seismic design codes, like the Eurocode 8, do not provide enough information or any design tools to allow their practical use also in seismic regions. The available procedure in the Eurocode 3 based on the Component Method, to characterize the joints behaviour, is only applicable for monotonically loaded joints. One main goal of this research is to contribute for the developing of an analytical design method, based on the component method, which considers the cyclic behaviour of the joints given by the proper contribution of each dissipative component, assuming that the adequate overstrength is assured for the non-dissipative components (capacity design). A further important goal of this research is to contribute to the development and improvement of displacement-based design procedures, proposing improved ductility-equivalent viscous damping relationships for steel moment-resisting framed (MRF) structures with dissipative beam-to-column partial-strength joints. In order to achieve the main goals proposed above, a calibrated parametric finite element (FE) model of a double extended beam-to-column end-plate steel joint is developed and calibrated with the available results of experimental work, also examined in here. The set of numerical models generated with the parametric script is developed in Python and use the software package ABAQUS. The main outputs of the research are: i) the detailed FE model that is capable of simulating, with accuracy, the behaviour of end-plate beam-to-column joints and its components; ii) the several detailed procedures proposed to isolate some of the most relevant and dissipative components that contribute to the joint behaviour, namely: column web panel in shear, column web in transverse tension and/or compression, column flange in bending and end-plate in bending; iii) the identification of the components’ mechanical behaviour in terms of force-displacement relationships by analysing the stress and deformation fields in the FE models, which can be used directly in a component based mechanical model of the joint; iv) improved ductility-equivalent viscous damping relationships (ductility-EVD), considering the influence of the several dissipative components involved in the double-extended end-plate joints, which can be used directly in procedures like the Direct Displacement-Based Seismic Design (Priestley et al., 2007). The proposed procedures to isolate the components behaviour are very flexible in terms of the definition of the integration boundaries; according to the mechanical model chosen. The procedure is able to capture the behaviour of the identified components, including the additional shear resistance provided by the transverse web stiffeners. The use of this stiffeners considerably affects the behaviour of the joints and its components. In the component end-plate in bending the inner bolt rows closer to the beam flanges present stable cycles without pinching, unlike the external rows, which clearly are affected by that phenomenon. The extraction of the components revealed also that the basic component column web panel in shear presented a stable behaviour for all stiffened joints. For the connection components, and in the presence of transverse web stiffeners, only the end-plate in bending significantly contributes to the joint non-linear rotation, with the other connection components response remaining in elastic domain. Concerning the evaluation of the ductility-equivalent viscous damping (ductility -EVD) relationships, conclusions are drawn about the limitation of using the existing expression proposed by Priestley et al. (2007), which generally overestimates the levels of equivalent viscous damping, for MRF structures with partial-strength joints. Furthermore, the numerical results obtained in the study revealed no clear dependency of the ductility-EVD relationships on the plastic mechanism of the joint type, on the elastic period of vibration of the system or on the soil type. An improved ductility-equivalent viscous damping relationship was derived and proposed. Nesta tese aborda-se a caracterização do comportamento de juntas viga-coluna submetidas a carregamentos monotónicos, cíclicos ou dinâmicos, quer em termos de resposta global da ligação quer ao nível das componentes mais condicionantes. As ligações aparafusadas com chapa de extremidade são utilizadas com frequência na Europa, devido ao seu reduzido custo de fabrico e montagem, mas também devido à sua excelente integração arquitetónica. Apesar do seu dimensionamento estar perfeitamente definido no Eurocódigo 3 para zonas de baixa sismicidade, os mais recentes regulamentos sísmicos, como o Eurocódigo 8, não possuem informação detalhada nem providenciam as ferramentas para o dimensionamento deste tipo de ligações em zonas sísmicas. O procedimento de dimensionamento, baseado no Método das Componentes, presente no Eurocódigo 3 é apenas aplicável a ligações submetidas a carregamentos monotónicos. Um dos principais objetivos desta investigação é contribuir para o desenvolvimento de uma metodologia analítica, baseada no método das componentes, que tenha em conta o comportamento cíclico das juntas determinado pelo comportamento de cada uma das componentes dissipativas, e garantindo a adequada sobrerresistência das componentes não dissipativas. Outro importante objetivo desta investigação é o contributo para o desenvolvimento e evolução de procedimentos baseados em deslocamentos, propondo relações ductilidade-amortecimento viscoso equivalente melhoradas para pórticos simples que possuam ligações viga-coluna com resistência parcial onde a energia é dissipada. Para alcançar os objetivos desenvolveu-se um modelo paramétrico de elementos finitos (EF) de uma junta viga-coluna com chapa de extremidade duplamente estendida, calibrado e validado por resultados de ensaios experimentais, disponíveis na literatura. O conjunto de modelos numéricos é gerados através de um script desenvolvido em Python e compilado pelo software ABAQUS. Os principais resultados da investigação são: i) o modelo detalhada de EF capaz de simular eficazmente o comportamento de ligações viga-coluna de chapa de extremidade e os seus componentes; ii) os procedimentos desenvolvidos para a caracterização isolada dos componentes dissipativos que contribuem para o comportamento da junta, nomeadamente: painel da alma de coluna solicitada ao corte, alma de coluna em compressão transversal, alma de coluna em tração transversal, banzo de coluna em flexão e chapa de extremidade em flexão; iii) determinação do comportamento mecânico dos componentes através de curvas força-deslocamento, obtidas por integração de tensões e deformações no modelo de EF, que podem ser usadas diretamente em modelos mecânicos de componentes da ligação; iv) relações ductilidade-amortecimento viscoso equivalente (ductilidade-AVE) melhoradas tendo em conta a influência dos vários componentes dissipativos presentes nas ligações de chapa de extremidade duplamente estendida, e que podem ser usadas diretamente em procedimentos baseados em deslocamentos como o Direct Displacement-Based Seismic Design (Priestley et al., 2007). Os procedimentos propostos para aferir o comportamento isolado das componentes é bastante flexível na definição dos limites de integração, dependendo do modelo mecânico escolhido. O procedimento é capaz de caracterizar o comportamento das componentes identificadas na ligação, incluindo a resistência ao corte adicional devido à existência de reforços transversais na alma. A utilização deste tipo de reforços transversais afeta significativamente o comportamento da ligação e das suas componentes. No caso da componente chapa de topo em flexão as curvas força-deslocamento, associadas às fiadas de parafusos interiores junto aos banzos da viga, apresentam ciclos estáveis, ao contrário das curvas associadas às fiadas exteriores que são mais suscetíveis ao fenómeno de pinching. O comportamento do componente básico da alma de coluna solicitada ao corte apresenta um comportamento estável para todas as ligações reforçadas. Na presença de reforços transversais, à alma a componente chapa de extremidade em flexão apresenta um contributo significativo para a rotação da ligação. Ao contrário da componente banzo da coluna em flexão que se mantem em regime elástico. A determinação das relações ductilidade-AVE permitiu concluir sobre as limitações de usar a expressão proposta por Priestley et al. (2007), que geralmente sobrestima o nível de amortecimento viscoso equivalente para pórticos simples com ligações de resistência parcial. Os resultados numéricos permitiram ainda concluir que não existe uma clara dependência das relações ductilidade -AVE com os mecanismos plásticos da ligação, nem do período elástico de vibração do sistema, nem do tipo de solo. No final é proposta uma alteração à expressão existente para a relação ductilidade - amortecimento viscoso equivalente.

Mestrado em Engenharia Civil e do Ambiente : Especialização em Estruturas na Escola Superior de Tecnologia e Gestão do Instituto Politécnico de Viana do Castelo Nos projetos de estruturas metálicas, o dimensionamento das ligações é sempre um aspeto de maior relevância. Durante muitos anos, as ligações têm sido idealizadas com comportamento contínuo ou articulado, isto é, ligações com encastramentos perfeitos ou com rótulas perfeitas. No entanto, a generalidade das ligações dimensionadas não apresenta este comportamento limite, assumindo na realidade um comportamento semi-contínuo, resultante das propriedades e características de rigidez dos vários componentes da ligação. A não adoção do comportamento real da ligação pode conduzir a um grande desfasamento entre o cenário admitido em modelo de cálculo estrutural e o comportamento real da estrutura. Tendo em vista a regularização e caraterização deste tipo de comportamento, surge o Eurocódigo 3 - Parte 1-8: Projeto de ligações, preenchendo uma lacuna nos regulamentos de estruturas metálicas. A partir das regras propostas neste regulamento, os projetistas conseguem definir as principais características de uma ligação e considerar o seu comportamento real na análise estrutural, usufruindo assim das vantagens das ligações semi-contínuas e em especial, do seu contributo para a redução dos custos finais de uma estrutura. Contudo, dada a complexidade do processo de dimensionamento deste tipo de ligações, torna-se imprescindível a criação de ferramentas de cálculo para a sua implementação. Neste trabalho, numa primeira fase são apresentados e discutidos os procedimentos previstos no EC3 Parte 1-8, para cálculo e dimensionamento de ligações viga-pilar com chapa de extremidade. É analisado de forma detalhada o método das componentes que permite determinar a resistência e rigidez de rotação das ligações. Para uma melhor compreensão deste método, apresenta-se também um exemplo com o processo de análise e dimensionamento de uma ligação viga-pilar com placa de extremidade. Numa segunda fase, propõe-se um método que visa a otimização das ligações / secções de uma estrutura e com base neste, através de uma estrutura de um edifício de habitação, demonstram-se as diferenças que podem ser obtidas no dimensionamento da estrutura utilizando ligações semi-contínuas em vez de ligações contínuas e o seu reflexo na otimização do custo da estrutura. Como elemento de suporte ao cumprimento destes objetivos, desenvolveu-se um algoritmo de cálculo em Excel para o dimensionamento de ligações viga-pilar com placa de extremidade. Concerning steel structure projects, the design of joints is always an aspect of greater relevance. For many years, joints have been idealized with continuous behaviour or pinned behaviour, ie, perfectly embedded joints or joints with perfect hinges. However, the majority of scale joints do not present this ultimate behaviour, assuming in general a semi-continuous behaviour, resultant from the properties and stiffness caracteristics of the many joint components. The possibility of not considering the real behaviour of the joint can lead to a big gap between the admited scenario relative to the structural calculation model and the structure’s real behaviour. Taking into account the regularization and description of these kind of behaviour, arises the Eurocode 3 - Part 1-8: Design of joints, filling a space in the codes of steel structures. Based on the rules purposed by the EC3 Part 1-8, designers can define the main caracteristics of a joint and consider its real behaviour in the structural analysis, benefiting from the advantages of semi-continuous joints and specially from its contribution for the reduction of the final costs of a structure. However, considering the complex dimensioning process of this kind of joints, the creation of calculation tools for its implementation is needed. In the first part of this project are discussed and presented the set of procedures previwed at the EC3 Part 1-8 for the calculation and dimensioning of beam-to-column joints with end plate. Also, the components method that allows to determine the resistance and stiffness rotation of the joints are analysed with detail. To better understand this method, it is presented an example with the analysis and dimensioning process of a beam-to-column joint with end plate. In a second phase, it is purposed a method that aims the optimization of the joints/sections of a structure and based on it, through the structure of a habitational building, the differences that can be obtained from the structure dimensioning using semi-continuous joints instead of continuous joints and its reflex in the optimization of the structure cost are demonstrated. A calculation algorithm (in Excel) was developed too as an element of support to the accomplishment of this objectives, exactly for the dimensioning of beam-to-column joints with end plate.

Mestrado em Engenharia Civil e do Ambiente na Escola Superior de Tecnologia e Gestão do Instituto Politécnico de Viana do Castelo A presente dissertação tem como principal objetivo a análise e comparação económica de diferentes tipos de pavilhões industriais metálicos de um piso e quais os parâmetros para se proporem soluções mais económicas no futuro. Entre esses parâmetros avaliados encontram-se a largura do pavilhão, o afastamento entre pórticos e o tipo de construção do mesmo. Foi também avaliada a influência do tamanho dos esquadros de reforço da cumeeira na deformada da cobertura, em que os resultados sugerem que apenas para a largura de vinte metros ou inferior, o comprimento dos reforços é muito favorável quando superior a dez por cento do comprimento de uma vertente. Numa primeira fase é apresentado o cálculo das ações consideradas no dimensionamento e é também apresentado as combinações de ações utilizadas. Numa segunda fase com auxílio de um programa de cálculo automático (Robot Structural Analysis da Autodesk), é realizada a modelação dos diversos pavilhões, onde se valida os resultados obtidos pelo programa com o cálculo manual utilizando as expressões indicadas na Norma NP EN 1993-1-1. Nesta mesma fase também se teve em conta a influência ou não dos efeitos de segunda ordem, como se poderá comprovar os efeitos de segunda ordem têm reduzida significância no cálculo de pavilhões industriais metálicos. Numa terceira fase é realizada a comparação económica entre as diversas soluções, onde os resultados sugerem que a partir de larguras de trinta metros, os pavilhões tornam-se mais económicos quando se tratam de pórticos treliçados em relação aos portal frames. The main objective of this thesis is the analysis and economic comparison of different kinds of one floor industrial steel pavilions and the identification of which geometric parameters can be more adequate for more economical solutions in the future. For the parameters economic influence evaluation we selected the width of the pavilion, the spacing between the frames and the type of construction. Was also evaluated the influence of the length of the apex haunch in the deflection of the rafter, where the results suggest that only for the pavilion width of twenty meters or less, the length of the apex haunch is very favourable when greater than ten percent of the length of a shed. In a first phase is presented the calculation of the actions considered in the design and it is also presented the combinations of actions used in this dissertation. In a second phase with the help of a computer program (Autodesk Robot Structural Analysis), is performed the modelling of the different pavilions, and the achieved results with the program application, were validated with a manual with verification of the main results using the expressions indicated in the Norm NP EN 1993-1 -1. In this same phase the influence or not of the second-order effects was also analysed, and as will be showed it is possible to concluded the second-order effects have reduced significance in the calculation of industrial steel pavilions. In a third phase is performed the economic comparison between the different solutions designed, and the main results will be presented. Based on the achieved results, suggestions for more adequate choices between pavilions with treating trusses and portal frames will be made.

Tese de Mestrado Integrado. Engenharia Civil (Estruturas). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2013

Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil (Área de Especialização de Estruturas). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

Trabalho realizado na SOPSEC, orientado pelo Engº Paulo Gomes Dissertação de mestrado integrado. Mestrado Integrado em Engenharia Civil - Especialização em Estruturas. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil (Área de Especialização de Estruturas). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

Tese de mestrado. Mestrado Integrado em Engenharia Civil - Especialização em Estruturas. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil (Estruturas). Universidade do Porto. Faculdade de Engenharia. 2011

Mestrado Integrado. Engenharia Civil - Especialização em Estruturas. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2011

Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil (Especialização em Estruturas). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil (Especialização em Estruturas). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto, Laboratório de Engenharia de Pontes. Universidade de Osaka. 2009

Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil (Especialização em Estruturas). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil (Especialização em Estruturas). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil (Especialização em Estruturas). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil (especialização em Estruturas). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009