Monotonic, cyclic and seismic behaviour of pultruded structures: from connections to full scale  frames

David José Medeira Martins

Informações chave

Autores:

David José Medeira Martins (David José Medeira Martins)

Orientadores:

José Manuel Cabecinhas de Almeida Gonilha (José Manuel Cabecinhas de Almeida Gonilha); João Pedro Ramôa Ribeiro Correia (João Pedro Ramôa Ribeiro Correia); Nuno Miguel Rosa Pereira Silvestre (Nuno Miguel Rosa Pereira Silvestre)

Publicado em

14/11/2022

Resumo

Os perfis pultrudidos de polímero reforçado com fibras de vidro (GFRP) são cada vez mais utilizados como elementos estruturais em aplicações de Engenharia Civil. Estes perfis possuem elevada resistência e leveza, resistência à corrosão e transparência eletromagnética, tendo já, por isso, uma implantação significativa nalguns nichos da indústria da construção, como por exemplo em aplicações estruturais em estações de energia e tratamento de águas. No entanto, estes perfis ainda não são correntemente utilizados em aplicações estruturais sem carácter industrial, principalmente devido à inexistência de normas de projeto que contenham metodologias de dimensionamento abrangentes e adequadas a estes materiais compósitos. As normas de projeto disponíveis atualmente são ainda bastante incompletas em pontos críticos do dimensionamento, nomeadamente no que se refere às ligações entre perfis e ao comportamento sísmico deste tipo de estruturas (dois tópicos de investigação ainda pouco desenvolvidos). A presente tese tem como objetivo fornecer contribuições científicas relevantes para o estado-da-arte atual referente às ligações entre perfis pultrudidos e ao comportamento lateral de pórticos constituídos por estes perfis, apresentando estudos experimentais, analíticos e numéricos referentes ao: (i) comportamento monotónico e cíclico de ligações viga-coluna entre perfis pultrudidos; (ii) comportamento lateral monotónico e cíclico de pórticos bidimensionais com perfis pultrudidos; e (iii) comportamento sísmico de pórticos tridimensionais com perfis pultrudidos. Foram desenvolvidos quatro sistemas de ligação para perfis pultrudidos: (i) com secção tubulares, um sistema de ligação de encaixe, com duas peças interiores em aço, e um sistema de ligação de capacete, com uma peça exterior em aço inoxidável; e (ii) com secção em I, um sistema de ligação de cantoneira, em aço inoxidável, e um sistema de ligação de capacete, com uma peça exterior em aço inoxidável. Foram escolhidas peças auxiliares em aço (carbono ou inoxidável) com o objetivo de melhorar o comportamento das ligações, tirando partido da ductilidade deste material. No que refere aos ensaios experimentais, todos os sistemas de ligação apresentaram considerável rigidez, resistência, ductilidade e capacidade de dissipar energia. Para perfis tubulares, o sistema de ligação de capacete apresentou melhor desempenho do que o sistema de ligação de encaixe, sendo por isso a solução mais indicada. Para perfis com secção em I, o desempenho do sistema de ligação de cantoneira superou o do sistema de ligação de capacete, principalmente no que se refere à ductilidade e à capacidade de dissipar energia. É também de referir que os ensaios experimentais incluíram diferentes tipologias por sistema de ligação, nas quais se variou alguns pormenores construtivos (tais como a disposição dos parafusos ou a geometria das peças auxiliares), permitindo avaliar a influência que estes parâmetros têm no comportamento das ligações. A rigidez das ligações de encaixe (para perfis tubulares) e de cantoneira (para perfis com secção em I) foi estimada analiticamente através do “método das componentes”, apresentando valores consideravelmente próximos dos experimentais. Por sua vez, a resistência destes dois sistemas de ligação foi estimada com razoável precisão, através de uma combinação de procedimentos analíticos (para as verificações de segurança) e numéricos (para obter a distribuição de forças pelos diferentes componentes). Os pórticos bidimensionais foram compostos pelos sistemas de ligação desenvolvidos anteriormente (e pelos mesmos perfis tubulares e de secção em I). Verificou-se que o comportamento dos pórticos bidimensionais é bastante influenciado pelo tipo de ligação utilizado, aumentando a rigidez dos pórticos com a maior rigidez das suas ligações. Além de serem ensaiados pórticos simples, foram também estudados pórticos com paredes divisórias leves ou com um sistema de contraventamento com cabos. Os ensaios experimentais permitiram concluir que estes elementos adicionais têm bastante influência no comportamento monotónico dos pórticos, aumentando significativamente a sua rigidez e resistência, e no seu desempenho cíclico, nomeadamente no que refere à dissipação de energia. No entanto, todos os pórticos bidimensionais apresentaram fraco comportamento histerético, devido à elevada flexibilidade das colunas ou à ineficiência dos contraventamentos ou das paredes quando solicitados por ações cíclicas. Por fim, foi desenvolvido um estudo numérico que abrangeu a simulação do comportamento cíclico de pórticos sem contraventamentos ou paredes, através de modelos de elementos finitos de relativa simplicidade, que incluíram elementos de barra e molas de junção que simularam o comportamento das ligações (com recurso a um modelo histerético multilinear). Os resultados obtidos através do estudo numérico foram relativamente semelhantes aos resultados experimentais, demonstrando que estes modelos simples (e direcionados para o projeto de estruturas) podem ser utilizados para simular o comportamento de pórticos constituídos por perfis pultrudidos em GFRP solicitados por ações laterais cíclicas. Os ensaios sísmicos foram realizados num pórtico tridimensional de dois pisos, composto por perfis pultrudidos em GFRP com secção em I e ligações de cantoneira, fixo a uma mesa sísmica. Nestes ensaios, os históricos de deslocamento consistiram em sismos regulamentares para Portugal continental. Foram aplicados 20 históricos de deslocamento, nos quais foi variada a magnitude dos deslocamentos. Os históricos de deslocamento foram aplicados consecutivamente, de forma incremental no que refere aos deslocamentos absolutos. O pórtico tridimensional manteve intacta a sua integridade estrutural para o sismo regulamentar com magnitude máxima em território português, demonstrando a viabilidade de utilizar estes sistemas estruturais em zonas de risco sísmico. Pultruded glass fibre reinforced polymer (GFRP) profiles are being increasingly used as structural members in civil engineering applications. These profiles have significantly higher strength-to-weight ratio than conventional construction materials, high corrosion resistance and electromagnetic transparency. Due to these properties, pultruded GFRP profiles are already state-of-the-art in some niches of the construction industry, as energy and water treatment facilities. However, these profiles are not widely used in non-industrial structural applications, mostly due to the lack of design standards providing material-adapted and comprehensive design guidelines and rules. The available standards are incomplete in critical topics concerning the design of pultruded structures, in particular regarding the connections between profiles and the seismic behaviour of these structures (two topics with undeveloped research). This thesis aims at providing relevant scientific contributions for the current state of knowledge of these two topics, by presenting experimental, analytical and numerical studies concerning the: (i) monotonic and cyclic behaviour of beam-to-column connections between pultruded profiles; (ii) monotonic and cyclic sway behaviour of 2-dimensional pultruded frames; and (iii) seismic behaviour of 3-dimensional pultruded frames. Four beam-to-column connection systems were developed for pultruded profiles: (i) for tubular sections, one sleeve connection system, including two interior steel parts, and one cuff connection system, comprising an exterior stainless steel cuff part; (ii) for I-sections, one cleated connection system, including stainless steel cleat parts, and one cuff connection system, comprising an exterior stainless steel cuff part. The auxiliary metallic parts were intended to improve the connections’ performance by taking advantage of the steel’s ductility. Regarding the experimental tests, all four systems presented significant stiffness, strength, ductility and capacity to dissipate energy (albeit considerable pinching was registered in most specimens). The cuff connection system was the best solution to join pultruded tubular profiles, as it presented the best overall performance. In what concerns the connections for I-section profiles, the cleated connections outperformed the cuff connections, especially regarding the ductility and capacity to dissipate energy. It should also be noted that the experimental tests comprised different series for each connection system, in which several details were varied (i.e. the bolts disposition, geometry of the auxiliary parts), providing valuable insights on how such parameters influence the connections’ behaviour. The analytical “component method” was used to predict the initial stiffness of the sleeve connections (for tubular profiles) and of the cleated connections (for I-section profiles) with reasonable accuracy. The strength of both these systems was also predicted with reasonable accuracy, by a combination of analytical (for the design verifications) and numerical (for obtaining the load distribution per component) procedures. The 2-dimensional frames included the connection systems previously developed and the same tubular or I-section profiles. The type of connection used had significant influence on the frames’ behaviour, as connections with higher stiffness led to higher frame’s stiffness. In addition to unfilled frames, the influence of infill walls or a cables bracing system on the frames’ response was also assessed. The experimental results showed that infill walls and cables bracing system have remarkable effect on the frames’ structural behaviour, significantly increasing their stiffness and load carrying capacity, as well as their cyclic performance, namely regarding energy dissipation. However, all 2-dimensional frames presented poor hysteretic response, owing to the high flexibility of the GFRP columns or to the inefficiency of the bracings and walls under cyclic loading conditions.