Comportarea experimentala a macro-componentelor de imbinare grinda-stalp cu placa de capat cu 4 suruburi pe rand

Solutia tehnica clasica a imbinarilor grinda-stalp cu placa de capat extinsa cu doua suruburi pe rand are un comportament bine stabilit, iar calculul sau este bine definit in Eurocodurile structurale. Cu toate acestea, exista mai multe limitari in situatiile in care se doreste imbinare continua sau semi-continua si exista o limitare a inaltimii globale a planseului sau in cazul unor actiuni extreme.

Ca o solutie la aceste cazuri particulare, o configuratie cu patru suruburi pe rand poate oferi caracteristicile necesare pentru a imbunatati performanta imbinarii si, prin urmare, a intregii structuri. Mai multe studii au demonstrat ca abordarea clasica pe elemente de tip T-stub echivalent nu descrie cu exactitate comportamentul unor astfel de imbinari, deoarece modurile de cedare nu urmaresc o progresie de tipul rand-cu-rand.

In acest context, a fost elaborat un set de modele experimentale relevante pentru zona intinsa a imbinarii (primele doua randuri de suruburi, reprezentand macro-componenta de tractiune) pentru solutiile cu doua si respectiv patru suruburi pe rand. Lucrarea prezinta rezultatele unui studiu experimental realizat pe macro-componente intinse ale unei imbinari cu placa de capat si suruburi. Rezultatele sunt analizate in functie de parametrii caracteristici cum ar fi rezistenta, rigiditatea si ductilitatea.

Rezistenta, rigiditatea si ductilitatea structurilor metalice necontravantuite sunt influentate primordial de configuratia si geometria imbinarilor grinda-stalp. De altfel, acest tip de imbinare este bine descris si studiat in mod exhaustiv in configuratia lui clasica cu doua suruburi pe rand (2BR). Modelul analitic prezent si in normative este limitat in special in ceea ce priveste comportamentul post-critic, sub aspectul dezvoltarii unui grad semnificativ de ductilitate. Imbinarile cu patru suruburi pe rand (4BR) in loc de doua s-ar putea dovedi o solutie fezabila pentru aceste probleme, pentru care cerinta de robustete este ridicata. Cu toate acestea, normele moderne de proiectare a elementelor din otel nu ofera baze de calcul pentru proiectarea imbinarilor in aceasta configuratie.

Desi exista mai multe cercetari care au investigat aceasta configuratie alternativa, abordarea a fost asemanatoare cu configuratia clasica cu doua suruburi pe rand ([1], [2], [3] et al., 2014), in care fiecare rand de suruburi este comparat cu un simplu element T-stub. Aceasta abordare ar putea fi ineficienta in explicarea comportamentului configuratiilor cu patru suruburi pe rand, pentru care exista o interactiune intre suruburile din diferitele randuri [4]. Intr-o configuratie generala a placii de capat, elementul de tip T-stub trebuie sa integreze atat talpa superioara, cat si inima grinzii, astfel incat macro-componenta de tractiune sa joace un rol esential in comportamentul imbinarii cu placa de capat.

Modul de calcul pentru cele doua randuri superioare de suruburi intinse, intr-o singura macro-componenta, a fost analizat in studii anterioare cu rezultate pozitive [5]. Avantajul considerarii acestei macro-componente este acela de a lua in considerare ambele randuri de suruburi, influenta talpii si inimii, dar si interactiunea dintre acestea.

Intr-un studiu extins asupra imbinarilor grinda-stalp, Ciutina (2003) [5] a raportat rezultatele mai multor teste de tractiune pe macro-componente, luand in considerare zona intinsa a unei imbinari avand o configuratie cu doua suruburi pe rand (fig. 1). Macro-componenta este alcatuita din talpa grinzii si o portiune de inima, adiacenta randului interior de suruburi. Componentele intinse astfel izolate au fost incarcate in regim monoton si ciclic, luand in considerare diferiti parametri. Rezultatele au aratat o buna corelare intre inregistrarile experimentale si cele analitice. Testele au demonstrat o corelare inversa intre rezistenta si ductilitate, precum si efectul combinat al incovoierii si tractiunii.

Nunes si Ciutina, 2019 [6] au investigat numeric diferite configuratii de macro-componente intinse, cu patru suruburi pe rand. Studiul a subliniat faptul ca suruburile suplimentare pot juca un rol important in robustetea unei structuri, reusind sa recastige un procent important al fortei dupa cedarea initiala a suruburilor centrale, si marind astfel ductilitatea si comportarea post-critica in raport cu configuratiile clasice cu doua suruburi pe rand. Acelasi studiu sugereaza de asemenea ca mecanismul de cedare pentru acest tip de imbinare poate sa nu fie bine descris printr-o cedare rand-cu-rand (fig. 2), ci exista o interactiune intre randuri diferite care poate conduce la modele mai complexe de cedare, in care mai multe randuri sunt afectate simultan drept consecinta a cuplarii suruburilor din randuri diferite (fig. 3).

Structura de referinta

Robustetea structurala este evidentiata recent in numeroase studii si descrie capacitatea unei structuri de a sustine daunele localizate, induse de actiuni extreme, evitand in acelasi timp prabusirea progresiva a intregii cladiri. In acest context, programul de cercetare FRAMEBLAST [7] a fost creat pentru a evalua comportarea structurala a unei structuri de otel de dimensiuni reale la explozii. Studiul consta dintr-o secventa de teste experimentale pe structuri si substructuri expuse unei forte de explozie in diferite parti ale structurii, care sunt apoi studiate pentru a-i evalua efectele. Rezultatele obtinute indica faptul ca un element structural, cum ar fi un stalp, este posibil sa fie deteriorat pana la punctul in care nu mai poate prelua fortele interne, conducand practic la eliminarea sa completa.

Cladirea de referinta este o structura din otel cu doua niveluri de 2,5 m, doua deschideri de 5 m si doua travee de 3 m (fig. 2). Stabilitatea este asigurata in ambele directii: transversal, prin cadre necontravantuite si longitudinal, printr-un sistem de contravantuiri centrice. Imbinarea grinda-stalp este compusa dintr-o placa de capat extinsa cu suruburi (rigida) pe directia transversala. Pe directia transversala imbinarea grinda-stalp este simpla (articulata). De asemenea, legatura dintre stalpi si fundatii este rigida. Stalpii sunt realizati din profile HEB260, iar grinzile principale si secundare sunt realizate din IPE300 si respectiv IPE200. Toate elementele din otel au fost fabricate din otel structural S275JR.

Testul experimental a constat in expunerea stalpului central din cadrul transversal exterior la o explozie conceputa sa scoata elementul din uz. Astfel, stalpul afectat este indepartat si ansamblul este analizat pentru capacitatea sa de a rearanja caile de descarcare a eforturilor interne pentru a evita prabusirea si pentru a studia posibilele avantaje pe care o imbinare cu patru suruburi pe rand le-ar oferi comportamentului structurii deteriorate.

Studiu parametric experimental

Configuratia initiala a imbinarilor rigide grinda-stalp considera o placa de capat cu o grosime de 20 mm, cu 5 randuri de suruburi M20, clasa 10.9 in configuratie de doua suruburi pe rand. Dispunerea geometrica a acestora poate fi observata in figura 7.

Pentru a studia influenta suruburilor exterioare suplimentare, a fost conceputa o imbinare alternativa, luand in considerare aceleasi elemente structurale si mentinand celelalte caracteristici geometrice originale, dar largind placa de capat de la 180 mm la 260 mm. Partea superioara a imbinarii a fost izolata in macro-componente, si supusa la intindere (fig. 8).

Intregul studiu experimental acopera un total de 54 de specimene, unde, pe baza configuratiilor originale, au fost modificati cinci parametri: (i) configuratia 2BR / 4BR; (ii) diametrul suruburilor; (iii) profilul grinzii, (iv) grosimea placii de capat si respectiv (v) distanta orizontala dintre randurile verticale de suruburi. In acest sens, numele modelelor utilizate iau in considerare parametrii descrisi. Spre exemplu, modelul „2B_I300_ t15_M12_P2” considera doua suruburi pe rand de diametru 12 mm, o grinda de profil IPE 300 si o placa de capat de 15 mm grosime.

Prezentarea testelor experimentale

Acest studiu parametric prezinta rezultatele a doua specimene similare, ambele cu aceleasi caracteristici geometrice: profilul grinzii – IPE360, grosimea placii de capat – 12 mm, diametrul suruburilor – 12 mm, dar avand configuratie diferita, unul cu doua suruburi pe rand (2B_I360_t12_M12_P2) iar celalalt cu patru (4B_I360_t12_M12_P2).

Macro-componentele au fost testate la intindere monotona, fiind prinse de un sistem de grinzi care formeaza o baza rigida, astfel incat deformatiile sa apara numai in macro-componente. Specimenele au fost pozitionate astfel incat centrul de aplicare a fortei sa fie aliniat cu linia mediana a talpii, in asa fel incat eventuala rotire a placii de capat sa fie datorata exclusiv rigiditatii sale. Specimenele au fost incercate intr-o masina de incercat universala INSTRON, iar forta a fost aplicata prin pistonul hidraulic cu o capacitate maxima in regim static de 1.200 kN. Testele au fost realizate prin controlul deplasarilor, forta fiind aplicata cvasi-static cu o viteza de 0,02 mm/s.

Deplasarile au fost masurate in punctul de aplicare a fortei (D), si prin captorii de deplasare dispusi astfel incat sa masoare deplasarea verticala si rotirea profilul pe ambele directii orizontale prin intermediul a patru captori: 1FRONT, 2BACK, 3LEFT, 4RIGHT (fig. 9). Alungirea suruburilor a fost masurata cu ajutorul unui echipament optic prin corelarea digitala a imaginilor.

Rezultate experimentale

Rezistenta si ductilitate

Rezultatele obtinute sunt prezentate sub forma diagramelor si a tabelelor. Rezultatele inregistrate in timpul testelor de tip forta (F) – deplasare (d_avg) au fost ulterior transformate in curbe caracteristice moment (M) – rotire (φ) ale imbinarilor. Curbele forta-deplasare si moment-rotire sunt prezentate in fig. 11 si 12. Forta si momentul maxim obtinute din testele experimentale sunt prezentate in Tabelul 1.

Deplasarea medie la nivelul placii de capat a fost masurata folosind urmatoarea expresie, ignorand deformatia elastica inregistrata in talpa grinzii:

unde: d – deplasarea la nivelul placii de capat; d_1FRONT si d_2BACK sunt deformatiile inregistrate in acesti captori; F – forta aplicata; L_T – lungimea initiala a elementului T; E – modulul de elasticitate al otelului, iar A_T – aria elementului in T.

De asemenea, unghiul de rotire laterala a imbinarii a fost calculat prin:

unde: φ – rotirea imbinarii reale; d – deplasarea la nivelul placii de capat, iar h – distanta dintre punctul de aplicare a fortei si centrul de compresiune.

Totodata, valoarea momentului incovoietor este calculata prin:

M = F · h                                   (3)

unde: M – rotirea imbinarii reale; F – forta aplicata, iar h – distanta dintre punctul de aplicare a fortei si centrul de compresiune.

Rezultatele ilustreaza diferente importante obtinute pentru macro-componenta cu patru suruburi pe rand in comparatie cu cea clasica cu doua suruburi. Rezistenta maxima a inregistrat o crestere importanta a fortei maxime si implicit a momentului maxim, de 58,7%. In ceea ce priveste ductilitatea, rezultatele demonstreaza ca pentru configuratia cu patru suruburi pe rand se ajunge la o crestere de 64% a deformatiei si implicit a rotirii la nivelul fortei, respectiv al momentului maxim.

Modurile de cedare

In ambele cazuri s-a observat o evolutie similara a fenomenelor de cedare, tipice unor elemente de tip T-stub cu cedarea in modul 2: plastificarea initiala a placii de capat, prin dezvoltarea unor linii de articulatii plastice, urmate apoi de cedarea fragila a unor cupluri de suruburi.

Testele au demonstrat ca, in timp ce progresia de cedare in cazul configuratiei 2BR se realizeaza in mod liniar rand-cu-rand, in cazul configuratiei 4BR, fenomenele de cedare prezinta un grad mai mare de complexitate, integrand solicitarea placii de capat atat la partea externa cat si la cea interna (fig. 13).

De asemenea, cedarea suruburilor prezinta diferente relevante. Progresia de cedare a suruburilor intr-o imbinare cu configuratie clasica se realizeaza rand-cu-rand, si de regula imbinarea pierde o mare parte din capacitate dupa prima cedare [8]. Asa cum se observa in figura 14, dupa cedarea primului rand de suruburi, rezistenta imbinarii clasice se reduce la 41,2%.

In cazul configuratiei cu patru suruburi pe rand, progresia de cedare se desfasoara in mai multe trepte: dupa cedarea primului cuplu de suruburi (centrale), imbinarea inca dezvolta 72,2% din rezistenta sa maxima, deviind forta prezenta in suruburile rupte catre cele din randurile exterioare (fig. 15). Rezerva de rezistenta si ductilitate constatata in acest caz este de 50,8% din rezistenta sa maxima, intr-o situatie in care lucreaza doar randurile exterioare de suruburi, dupa cedarea celui de-al doilea cuplu de suruburi.

Concluzii

Lucrarea prezinta un studiu al macro-componentelor intinse din imbinari metalice cu placa de capat si suruburi, avand doua, respectiv patru suruburi pe rand. Au fost evaluate caracteristicile de rezistenta si rigiditate si diferentele de comportare sub incarcari monotone. La evaluarea impactului suruburilor aditionale exterioare la caracteristicile macro-componentei, au fost observate mai multe tendinte:

• in toate cazurile studiate, performanta de rezistenta a macro-componentei cu 4BR a crescut atat pentru forta elastica – asociata rezistentei de calcul, cat si la nivelul rezistentei maxime;
• deplasarea corespunzatoare rezistentei maxime creste in cazul sistemelor cu 4BR.

Rezultatele mai demonstreaza ca, in privinta rezistentei, specimenul 4BR prezinta o crestere semnificativa atat la nivelul rezistentei elastice conventionale cat si la nivelul rezistentei maxime. Totusi, cresterea rezistentei nu este proportionala cu cresterea numarului de suruburi (100%).

Specimenul 4BR prezinta capacitati sporite de deformabilitate fata de specimenul 2BR, permitand o deformare, si deci o rotire maxima mai mari cu 64%. Aceasta imbunatatire este datorata comportamentului post-critic al macro-componentei care este semnificativ imbunatatit prin dezvoltarea unui platou de conservare a rezistentei in cazul configuratiei 4BR. In cazul acestui specimen, dupa prima cedare a suruburilor la nivele importante de rezistenta si ductilitate, platoul permite o intarziere semnificativa a cedarii specimenului, conducand la o rezerva de rezistenta si ductilitate pentru situatiile in care este necesara o buna performanta de robustete, cum este cazul incarcarilor extreme sau al incarcarilor seismice.

Rezultatele mai demonstreaza ca exista o diferenta in mecanismul de cedare, in care prezenta suruburilor exterioare a oferit o progresie mai complexa a cedarii suruburilor, pornind de la randurile interioare de suruburi spre cele exterioare, progresia lucrand atat pe rand cat si pe coloane.

Ca o observatie generala, comportamentul imbinarilor metalice grinda-stalp cu placa de capat si suruburi poate fi imbunatatit prin adaugarea de suruburi exterioare. Acestea conduc la o re-distributie a eforturilor in imbinare, intr-un mod dinamic, care depinde de parametrii geometrici si mecanici ai imbinarii si modurile de cedare partiale inregistrate. Valoarea adaugata a suruburilor aditionale rezida in cresterea ductilitatii si a rezistentei maxime.

Bibliografie

[1] J. Demonceau, K. Weynard, C. Müller, „Analytical model to characterize bolted beam-to-column joints with four bolts per row,” in SDSS’Rio 2010 Stability and ductility of steel structures, Rio de Janeiro, Brazil, 2010;

[2] M. Couchaux, J.-F. Demonceau, K. Weynand, „Calcul d’un assemblage par platine comportant quatre boulons par rangée,” Revue Construction métallique, nr. 2, p. 35, 2015;

[3] A. Kozolowski, Z. Pisarek, „Effective length of end plate in moment connections with four bolts in the row,” Collection of scientific works VM Shimanovsky, nr. 2, 2008;

[4] D. L. Nunes, I. Marginean, A. Ciutina, F. Dinu, „Influence of four bolts per row connections on a steel frame building subjected to column”, in Integrity – Reliability – Failure 2018, Lisbon, 2018;

[5] A. Ciutina, Assemblages et comportement sismique de portiques en acier et mixtes acier-béton: expérimentation et simulation numérique, Rennes: Institut National des Sciences Appliquées, 2003, p. 306;

[6] D. L. Nunes, A. Ciutina, „Behaviour of end-plate steel connections with 4 bolts per row under large deformations,” in 9th International Conference on Steel and Aluminium Structures (ICSAS19), Bradford, 2019;

[7] FRAMEBLAST, Experimental validation of the response of a full scale frame building subjected to blast load (2017-2018), Romania: Executive Agency for Higher Education, Research, Development and Innovation Funding (UEFISCDI), 2017;

[8] F. Dinu, I. Marginean, D. Dubina, A. Kovacs, E. Ghicioi, „Testing of a full-scale building under external blast,” in 2017 European Federation of Explosives Engineers, Stockholm, 2017.

(Lucrare prezentata in cadrul celei de-a 16-a „Conferinte Nationale de Constructii Metalice – CM16-2019”, Timisoara, 13-14 iunie 2019)

Autori:
Daniel L. Nunes, Adrian Ciutina – Universitatea Politehnica Timisoara, Facultatea de Constructii, Departamentul de Cai de Comunicatie Terestre, Fundatii si Cadastru
Ioan Both, Calin Neagu – Universitatea Politehnica Timisoara, Facultatea de Constructii, Departamentul de Constructii Metalice si Mecanica Constructiilor

Citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 170 – iunie 2020, pag. 52