Influence of bolted joints behaviour on seismic response of steel frames

U doktorskom radu izrađen je matematički model histerezne anvelope priključka s obostrano produljenom čelnom pločom u vijčanoj izvedbi. Model histerezne anvelope razvijen je s ciljem što realnije procjene ponašanja čeličnih okvira u potresu primjenom nelinearne statičke metode. Modelom su definirani omjeri između monotonih svojstava priključaka i svojstava priključaka pri cikličkom deformiranju. Definirani omjeri određeni su kao funkcija dvaju parametara; debljina čelne ploče i vertikalni razmak između redova vijaka na čelnoj ploči. Ponašanje okvira dobiveno primjenom novog modela histerezne anvelope priključka uspoređeno je s ponašanjem okvira koji uzima u obzir monotona svojstva priključaka. Rezultati nelinearnih dinamičkih proračuna na realne potrese primijenjeni su za verifikaciju rezultata ponašanja okvira dobivenih nelinearnom statičkom metodom. Svojstva priključaka pri nelinearnim dinamičkim proračunima modelirana su primjenom modificiranog Richard-Abbottovog modela koji uzima u obzir degradaciju čvrstoće i krutosti te problem uštipnuća histereznih petlji. Za definiranje ponašanja priključka pod utjecajem potresnog djelovanja, izrađeni su numerički modeli primjenom metode konačnih elemenata. Modeli obuhvaćaju geometrijsku i materijalnu nelinearnost osnovnih dijelova priključka, prednapinjanje vijaka te kontakte između spojenih elemenata. Model je verificiran s rezultatima laboratorijskih ispitivanja dostupnih u literaturi. Provedena su laboratorijska ispitivanja europskih mekih čelika S275 i S355 s ciljem utvrđivanja cikličkih svojstava. Kako bi se simulirao učinak promjenjivih deformacija koje su prisutne pri djelovanju potresa, odabran je eksperimentalni program po kojemu su provedena ciklička ispitivanja aksijalnim opterećivanjem uzoraka uz kontrolu pomaka pomične grede ispitnog stroja. Za dobivena ciklička svojstva priključaka provedena je kalibracija parametara prema Chabocheovom modelu koji uzima u obzir izotropno-kinematičko očvršćivanje čelika. Nakon dostizanja vlačne čvrstoće pri cikličkom djelovanju, modelirano je i oštećenje materijala s modelom loma. Ovakav model materijala koji obuhvaća očvršćivanje, degradaciju čvrstoće i krutosti te model oštećenja prvi put je ugrađen u model priključka.A new mathematical model of hysteresis envelope of extended end-plate bolted beamto- column joint was developed in this doctoral thesis. The realistic assessment of steel moment resisting frame behavior under earthquake action by using a nonlinear static analysis was the main goal of this hysteresis envelope model. The model defined the ratio between the monotonic and cyclic behavior of the joint. The ratios are defined as a function of two parameters; the thickness of the end-plate and the vertical spacing between bolt rows at the end-plate. Moment resisting frame behavior obtained by using the new model of hysteresis envelope of the joint was compared with moment resisting frame behavior which takes into account the monotonic properties of joints. The nonlinear dynamic analysis of frames under real earthquake by using time histories was served as a verification method. A modified Richard-Abbott model that takes into account the degradation of strength and stiffness as well as the problem of pinching used to model the behavior of joint. In order to define the behavior of beam-to-column joint under earthquake action, a numerical finite element model was developed. The model takes into account geometric and material nonlinearities of the elementary parts of joint, preloaded bolts, and contacts between connected elements. The accuracy of the nonlinear finite element model was validated by experimental test available in references. To determine the cyclical properties of European mild steel S275 and S355, the experimental testing was conducted. To simulate the effect of variable strains which occurring in the structure under earthquake action, an experimental displacement control test of specimens was performed. Calibration of steel hardening parameters was performed following the Chaboche procedure to define the cyclic behavior with variable strain ranges. The Chaboche model takes into account a combined isotropickinematic hardening of steel. After the ultimate tensile strength of steel under the cyclic action was reached, a model of steel takes into account damage initiation and fracture. Such steel model which includes material hardening, degradation of strength and stiffness and damage was for the first time applied in the numerical model of joint