Author(s):
Branco, Jorge M. 
Date: 2008
Persistent ID: http://hdl.handle.net/1822/8091
Origin: RepositóriUM - Universidade do Minho
Document details
Influence of the joints stiffness in the monotonic and cyclic behaviour of trad...
Description
Tese de Doutoramento em Engenharia Civil - Estruturas Connections are the key element in the behaviour of traditional timber trusses. The overall behaviour and stresses distribution are function of connections strength and stiffness, in particular under non-symmetric loads and extreme events. In these situations, the connections are loaded well beyond their pseudo-elastic limit. Normally, traditional timber connections are assumed as hinges or rigid. However, even without any strengthening device, they have a significant rotational stiffness and may be better classified as semi-rigid and friction-based. It is the misunderstanding of the connections behaviour that normally leads to the replacement of old timber structures, instead of their retrofitting to satisfy safety. In order to better predict and understand the behaviour of timber structures, analytical models of connections are crucial. Semi-rigid models, using nonlinear laws and hysteretic rules, intend to represent the behaviour of timber structures with a comparable level of detail for all the structural components. In this thesis, structural analysis of some full-scale timber trusses is presented. After a primary survey an extensive experimental program, using fullscale connections investigating the monotonic and cyclic behaviours of traditional timber connections, identifying, and evaluating suitable strengthening techniques with metal devices was performed. Based on the test results a numerical analysis over unstrengthened connections was carried out aiming to extend the parameters evaluated through tests. Then, semi-rigid models for the analysis of traditional timber connections are presented. Synthetic laws are calibrated and the tests performed are modelled. Full-scale timber trusses examples were loaded under symmetric and non-symmetric cyclic loads and the test results were compared to the numerical analysis using the semi-rigid models proposed. Two dismantled Italian King-post truss examples were tested and strengthened in laboratory facilities and one Portuguese Queen-post truss example was tested in field conditions. As ligações desempenham um papel crucial no comportamento de asnas tradicionais de madeira. O comportamento global duma estrutura desse tipo e a distribuição dos esforços internos pelos viários elementos dependem da resistência e da rigidez das ligações, em particular, quando sujeitas a acções assimétricas e acidentais. Nestas condições, as ligações são, frequentemente, submetidas a tensões que ultrapassam o limite elástico, com a consequente introdução de fenómenos não-lineares. O desconhecimento do comportamento das ligações conduz, frequentemente, à substituição de asnas antigas de madeira, impedindo que se promova o seu reforço, restituindo os necessários níveis de segurança. O comportamento das ligações não costuma ser considerado pela generalidade dos projectistas, assumindo-se, normalmente, que estas se comportam como articulações perfeitas ou ligações rígidas. No entanto, mesmo na ausência de qualquer elemento de reforço, verifica-se que estas apresentam rigidez rotacional pelo que, em geral, devem ser classificadas como semi-rígidas. Assim, na análise de asnas de madeira devem ser adoptados modelos que simulem o comportamento real das ligações, considerando leis não-lineares e regras de comportamento histerético. Na presente investigação realizou-se um vasto conjunto de ensaios das ligações mais comuns em asnas de madeira, cujas características se obteve de um exaustivo levantamento de tipologias existentes em Portugal. Essas ligações foram submetidas a carregamentos monotónicos e cíclicos. Nesses ensaios foram considerados diferentes tipos de reforços metálicos. Os resultados obtidos experimentalmente foram reproduzidos com modelos de análise não-linear, baseados no método dos elementos finitos. A partir destes, foram desenvolvidos modelos numéricos simplificados adequados à simulação, expedita, do comportamento semi-rígido das ligações em asnas de madeira. A eficácia dos modelos numéricos propostos foi claramente comprovada com os resultados obtidos num conjunto de ensaios em laboratório e in-situ de asnas à escala real, submetidas a carregamentos cíclicos, simétricos e assimétricos. I collegamenti sono un elemento chiave nel comportamento delle capriate lignee tradizionali. Il comportamento globale e la distribuzione degli sforzi sono funzione della resistenza e rigidezza dei collegamenti, in particolare nel caso di carichi non simmetrici ed eventi estremi. In queste situazioni, i collegamenti sono caricati ben oltre il loro limite pseudo-elastico, introducendo elementi di non linearit`a nel comportamento strutturale globale. Questa complessit`a, in genere, non `e considerata nel progetto, dove i collegamenti lignei tradizionali sono assunti come cerniere o come rigidi. Comunque, anche senza nessun intervento di rinforzo, essi presentano una rigidezza rotazionale significativa e potrebbero essere meglio classificati come semi-rigidi e basati sull’attrito. E’ la mancata comprensione del comportamento dei collegamenti che di solito porta alla sostituzione delle vecchie strutture di legno, invece del loro recupero al fine di assicurarne la sicurezza, in conseguenza della sottostima della resistenza delle strutture. Al fine di comprendere e valutare meglio il comportamento delle strutture lignee, sono essenziali dei modelli analitici per i collegamenti. Grazie a modelli semi-rigidi, considerando leggi non lineari e comportamento isteretico, si intende rappresentare il comportamento delle strutture lignee con un livello simile di dettaglio per tutti i componenti strutturali. In questa tesi `e presentata l’analisi strutturale di alcune capriate lignee di dimensioni reali. Dopo un’indagine preliminare, `e stato eseguito un vasto programma sperimentale, utilizzando collegamenti in scala reale, per investigare il comportamento monotono e ciclico dei collegamenti lignei tradizionali, individuando e valutando le tecniche di rinforzo mediante elementi metallici pi`u adatte. A partire dai risultati sperimentali, `e stata eseguita un’analisi numerica sui collegamenti privi di rinforzi. Sono quindi stati presentati modelli semi-rigidi per l’analisi di collegamenti lignei tradizionali. Sono stati calibrati modelli semplificati e si sono modellate le prove eseguite. Sono state analizzate capriate lignee in scala reale sotto carichi ciclici simmetrici e non simmetrici e i risultati delle prove sono stati messi a confronto con le analisi numeriche effettuate utilizzando i modelli semi-rigidi proposti.
Tese de Doutoramento em Engenharia Civil - Estruturas Connections are the key element in the behaviour of traditional timber trusses. The overall behaviour and stresses distribution are function of connections strength and stiffness, in particular under non-symmetric loads and extreme events. In these situations, the connections are loaded well beyond their pseudo-elastic limit. Normally, traditional timber connections are assumed as hinges or rigid. However, even without any strengthening device, they have a significant rotational stiffness and may be better classified as semi-rigid and friction-based. It is the misunderstanding of the connections behaviour that normally leads to the replacement of old timber structures, instead of their retrofitting to satisfy safety. In order to better predict and understand the behaviour of timber structures, analytical models of connections are crucial. Semi-rigid models, using nonlinear laws and hysteretic rules, intend to represent the behaviour of timber structures with a comparable level of detail for all the structural components. In this thesis, structural analysis of some full-scale timber trusses is presented. After a primary survey an extensive experimental program, using fullscale connections investigating the monotonic and cyclic behaviours of traditional timber connections, identifying, and evaluating suitable strengthening techniques with metal devices was performed. Based on the test results a numerical analysis over unstrengthened connections was carried out aiming to extend the parameters evaluated through tests. Then, semi-rigid models for the analysis of traditional timber connections are presented. Synthetic laws are calibrated and the tests performed are modelled. Full-scale timber trusses examples were loaded under symmetric and non-symmetric cyclic loads and the test results were compared to the numerical analysis using the semi-rigid models proposed. Two dismantled Italian King-post truss examples were tested and strengthened in laboratory facilities and one Portuguese Queen-post truss example was tested in field conditions. As ligações desempenham um papel crucial no comportamento de asnas tradicionais de madeira. O comportamento global duma estrutura desse tipo e a distribuição dos esforços internos pelos viários elementos dependem da resistência e da rigidez das ligações, em particular, quando sujeitas a acções assimétricas e acidentais. Nestas condições, as ligações são, frequentemente, submetidas a tensões que ultrapassam o limite elástico, com a consequente introdução de fenómenos não-lineares. O desconhecimento do comportamento das ligações conduz, frequentemente, à substituição de asnas antigas de madeira, impedindo que se promova o seu reforço, restituindo os necessários níveis de segurança. O comportamento das ligações não costuma ser considerado pela generalidade dos projectistas, assumindo-se, normalmente, que estas se comportam como articulações perfeitas ou ligações rígidas. No entanto, mesmo na ausência de qualquer elemento de reforço, verifica-se que estas apresentam rigidez rotacional pelo que, em geral, devem ser classificadas como semi-rígidas. Assim, na análise de asnas de madeira devem ser adoptados modelos que simulem o comportamento real das ligações, considerando leis não-lineares e regras de comportamento histerético. Na presente investigação realizou-se um vasto conjunto de ensaios das ligações mais comuns em asnas de madeira, cujas características se obteve de um exaustivo levantamento de tipologias existentes em Portugal. Essas ligações foram submetidas a carregamentos monotónicos e cíclicos. Nesses ensaios foram considerados diferentes tipos de reforços metálicos. Os resultados obtidos experimentalmente foram reproduzidos com modelos de análise não-linear, baseados no método dos elementos finitos. A partir destes, foram desenvolvidos modelos numéricos simplificados adequados à simulação, expedita, do comportamento semi-rígido das ligações em asnas de madeira. A eficácia dos modelos numéricos propostos foi claramente comprovada com os resultados obtidos num conjunto de ensaios em laboratório e in-situ de asnas à escala real, submetidas a carregamentos cíclicos, simétricos e assimétricos. I collegamenti sono un elemento chiave nel comportamento delle capriate lignee tradizionali. Il comportamento globale e la distribuzione degli sforzi sono funzione della resistenza e rigidezza dei collegamenti, in particolare nel caso di carichi non simmetrici ed eventi estremi. In queste situazioni, i collegamenti sono caricati ben oltre il loro limite pseudo-elastico, introducendo elementi di non linearit`a nel comportamento strutturale globale. Questa complessit`a, in genere, non `e considerata nel progetto, dove i collegamenti lignei tradizionali sono assunti come cerniere o come rigidi. Comunque, anche senza nessun intervento di rinforzo, essi presentano una rigidezza rotazionale significativa e potrebbero essere meglio classificati come semi-rigidi e basati sull’attrito. E’ la mancata comprensione del comportamento dei collegamenti che di solito porta alla sostituzione delle vecchie strutture di legno, invece del loro recupero al fine di assicurarne la sicurezza, in conseguenza della sottostima della resistenza delle strutture. Al fine di comprendere e valutare meglio il comportamento delle strutture lignee, sono essenziali dei modelli analitici per i collegamenti. Grazie a modelli semi-rigidi, considerando leggi non lineari e comportamento isteretico, si intende rappresentare il comportamento delle strutture lignee con un livello simile di dettaglio per tutti i componenti strutturali. In questa tesi `e presentata l’analisi strutturale di alcune capriate lignee di dimensioni reali. Dopo un’indagine preliminare, `e stato eseguito un vasto programma sperimentale, utilizzando collegamenti in scala reale, per investigare il comportamento monotono e ciclico dei collegamenti lignei tradizionali, individuando e valutando le tecniche di rinforzo mediante elementi metallici pi`u adatte. A partire dai risultati sperimentali, `e stata eseguita un’analisi numerica sui collegamenti privi di rinforzi. Sono quindi stati presentati modelli semi-rigidi per l’analisi di collegamenti lignei tradizionali. Sono stati calibrati modelli semplificati e si sono modellate le prove eseguite. Sono state analizzate capriate lignee in scala reale sotto carichi ciclici simmetrici e non simmetrici e i risultati delle prove sono stati messi a confronto con le analisi numeriche effettuate utilizzando i modelli semi-rigidi proposti.
Document Type
Doctoral Thesis
Language Portuguese
Advisor(s) Cruz, Paulo J. S.; Piazza, Maurizio
Language Portuguese
Advisor(s) Cruz, Paulo J. S.; Piazza, Maurizio
| Financiadores do RCAAP | |||||||
|
|
|
|
|
|
||