Experimental, static and dynamic, analytical and numerical study of three-dimensional steel structures with corrections in the typical stamped connection

Tese (Doutorado)—Universidade de Brasília, Programa de Pós-Graduação em Estruturas e Construção Civil, Faculdade de Tecnologia, 2020.Os sistemas de treliças tridimensionais, desenvolvidos na Europa e nos Estados Unidos a partir da 2o Guerra Mundial, surgiram como uma excelente possibilidade estrutural para cobertura de grandes vãos livres. A limitação consiste na ligação, especificamente os classificados com ligações típicos, devido à excentricidade gerada pela ligação estampada. Diante disso, foram executados 11 protótipos de treliças tridimensionais com dimensões de 9 x 6 m no laboratório de estruturas da Universidade Federal do Cariri, com correção da ligação típica por meio de elementos distanciadores. Os ensaios experimentais mostraram que os distanciadores aumentam em média 40% a capacidade resistente da estrutura, evitando principalmente o colapso da ligação. De modo que, nos protótipos com distanciadores o colapso aconteceu por instabilidade das barras. Também foi desenvolvido 18 ensaios experimentais com ligações isoladas, onde três novas propostas foram avaliadas, das quais duas ligações são do tipo esféricas, uma delas foi ensaiada no laboratório e apresentou ganho de resistência de 81,73% em relação a ligação típica, a outra foi avaliada numérica por meio de simulação numérica com elementos finitos usando o ABAQUS que apresentou comportamento semelhante a ligação esférica ensaiada. Nesse ínterim, a terceira ligação alcançou uma resistência de 48% em relação a ligação típica. Ademais, foram realizados mais 81 ensaios de compressão axial centrada. Nestes ensaios, três diferentes configurações de extremidade das barras foram ensaiadas. Na primeira utilizou barra estampada, na segunda barra com chapa reentrante e na terceira chapa gusset. As barras estampadas apresentaram uma diminuição de resistência entre 60% e 94%. Foi realizado um estudo paramétrico da ligação típica com XFEM para subsidiar novos ensaios. Por fim, 4 treliças foram ensaiadas com proposta de correção da excentricidade e outra com reforço da ligação típica e ambas apresentaram ganho médio de 40% em relação a ligação típica. Uma nova consideração no cálculo de barras estampadas sob compressão axial foi proposta com uso de um fator associado à estampagem da barra.Three-dimensional truss systems, developed in Europe and the United States since World War II, have emerged as an excellent structural possibility for covering large free spans. The limitation consists of the connection, specifically those classified as typical connections, due to the eccentricity generated by the stamped connection. Therefore, 11 prototypes of three- dimensional trusses with dimensions of 9 x 6 m were done in the structural laboratory of the Federal University of Cariri, with correction of the typical connection by means of spacer elements. The experimental tests showed that the spacers increased, on average ,40% of the load carrying capacity of the structure, avoiding the connection collapse. In this way, the prototypes with spacers collapsed due to instability of the bars. It was also developed 18 experimental tests with isolated connection, which three new proposals were evaluated, and two of them are spherical type. The first one was tested in the laboratory and showed a resistance increase of 81,73% in relation to the typical connection, another one was evaluated numerically using ABAQUS software and presented behavior similar to spherical connection tested. In the meantime, the third connection reached a resistance of 48% in relation to the typical connection. In addition, 81 centered axial compression tests were performed. In these tests, three different connection configurations were tested. In the first, it was used a stamped bar, in the second the bar with reentrant plate and in the third, a gusset plate was used. The stamped bars showed a decrease in resistance between 60% and 94%. A parametric study of the typical connection with XFEM was performed to support new tests. Finally, 4 trusses were tested in order to correct the eccentricity and another one with reinforcement of the typical connection and both presented an average increase of 40% in relation to the typical connection. A new consideration in the computation of stamped bars under axial compression was proposed using a factor associated the stamping of the bar