Comportamento mecânico de ligações do tipo cavilha em estruturas de madeira

• Author(s): Santos, Cristóvão Lucas dos
• Date: 2013
• Persistent ID: http://hdl.handle.net/10400.6/1889
• Origin: uBibliorum
• Subject(s): Estruturas em madeira; Ligações por cavilha; Modelos de plasticidade; Modelos de dano coesivo
• Document Type: Doctoral thesis
• Language: Portuguese
• Advisor(s): Morais, José Joaquim Lopes; Jesus, Abílio Manuel Pinho de; Reis, Aurélio Rodrigues Ferreira
• Contributor(s): uBibliorum

Description

O aspecto crítico do projecto de estruturas em madeira são as ligações entre os elementos estruturais, nas quais se incluem as ligações do tipo cavilha. As ligações são componentes críticos das estruturas de madeira que transmitem cargas estáticas e dinâmicas entre os membros estruturais. O comportamento de uma estrutura de madeira depende fortemente da sua configuração estrutural e do desempenho das suas ligações. O colapso completo de um edifício ou a ocorrência de outros acidentes menos extensos começa geralmente com uma falha localizada numa ligação ou na sua proximidade. A tendência para projectos de estruturas de madeira cada vez maiores e mais complexas, obriga ainda mais a uma concepção mais eficiente das ligações. Assim, para aumentar a competitividade da madeira como material estrutural, é fundamental desenvolver novas metodologias de projecto que permitam o fabrico de juntas com propriedades mecânicas bem definidas. Neste âmbito, este trabalho apresenta um estudo relativo ao desenvolvimento de uma técnica inovadora de reforço de ligações do tipo cavilha para estruturas de madeira. A madeira usada foi o pinho bravo (Pinus pinaster Ait.), uma vez que é uma das espécies com maior abundância em Portugal e a técnica proposta consistiu na colagem de insertos metálicos na zona envolvente dos furos das peças de madeira, realizando-se um rebaixo nestas zonas de modo a acomodar o reforço sem aumentar a espessura destes elementos. Na colagem dos insertos à madeira foram usados adesivos epóxidos. Foi desenvolvido um programa experimental, que incluiu ensaios de esmagamento localizado nas direcções radial e longitudinal, segundo os procedimentos da norma EN383, com o intuito de demonstrar o desempenho desta técnica de reforço. Adicionalmente, representando um dos detalhes estruturais mais comuns em estruturas de madeira, o programa experimental incluiu uma série de ensaios numa ligação em T com um único ligador, testada com e sem reforço. A análise experimental permitiu a avaliação da rigidez e cargas últimas de rotura, tendo sido demonstrado o bom desempenho da solução reforçada, quer no que concerne à melhoria destas propriedades de resistência mecânica das ligações, quer na redução de modos de rotura frágeis. Ainda nesta fase, foi incluída a comparação desta técnica de reforço com outra técnica com o mesmo fim, caracterizada pela colagem de laminados de CFRP nas zonas dos furos. À semelhança da técnica baseada nos insertos metálicos, esta técnica usou um adesivo epóxido e foi aplicada em peças de pinho bravo. A comparação dos resultados foi feita ao nível dos ensaios de esmagamento e ao nível de ensaios da ligação em T e revelou que a nova técnica embora confira menor rigidez às peças, anula os modos de rotura frágeis. Por fim, este estudo também propõe um conjunto de modelos de elementos finitos 3D. Estes modelos tiveram em conta o contacto entre o ligador e a madeira, permitiram, numa primeira fase, captar o comportamento elástico dos ensaios de esmagamento localizado. Posteriormente foram implementados modelos de plasticidade e foi possível obter a previsão do comportamento elasto-plástico dos ensaios de esmagamento. Estes modelos foram calibrados usando os resultados experimentais disponíveis, nomeadamente os módulos de fundação ou equivalentes módulos de rigidez. Adicionalmente foram construídos modelos de elementos finitos tridimensionais para simular a ligação em T. Esta modelação incluiu modelos de plasticidade para simular o comportamento dúctil da ligação e, simultaneamente foi implementado um modelo de dano coesivo para simular o comportamento frágil das peças laterais de madeira. Esta modelação permitiu um ajuste muito satisfatório do comportamento não linear da ligação, incluindo a previsão da carga de colapso.

The challenging issues of the design of wooden structures are the design of the joints between structural members, the dowel type joints being one of the most important ones. Joints are responsible for the static and dynamic load transfer between structural members, and are frequently assumed the critical locations of wooden structures. The behavior of a structure depends largely on the structural arrangement of the members as well as on the performance of their joints. The collapse of a building or the occurrence of other less severe accidents starts with localized failures on joints or in their vicinity. The actual trend for the design of bigger and more complex structures demands for an even more efficient design of the connections. Therefore, in order to increase the competitiveness of timber as a structural material, it is fundamental to develop new design approaches that allows for the fabrication of joints with well-defined mechanical behavior. This work presents a research concerning the development of an innovative reinforcing technique for dowel-type wooden joints. The selected wood species was the Maritime Pine (Pinus pinaster Ait.), since this species is one of the most abundant in Portugal. The proposed reinforcing technique consisted on gluing metallic inserts into the holes of the wooden members. For this purpose, the wood members were machined around the holes to accommodate the metallic inserts in order to avoid a thickness increase. The application of the metallic inserts was made using epoxy adhesives. An experimental program was performed to demonstrate the performance of the reinforced technique. This experimental program included embedding tests along the parallel and perpendicular to grain directions, following the recommendations of the EN383 standard. The experimental program also included quasi static tests of a T-joint with a single dowel, representing one important joint configuration in wood structures. This joint was tested with and without metallic inserts. The experimental analysis included the evaluation of stiffness and ultimate loads, a good mechanical behavior being verified for the proposed reinforced T-joints. Both mechanical strength and ductility were improved. A comparison between the proposed reinforcing solution and a classical reinforcing solution based on the application of carbon fiber reinforced plastics (CFRP) in the wood members, around the holes, was also performed. This comparison involved the same embedding tests and T-joint tests. The application of the CFRP was able to avoid in a large extent the fragile failure modes, despite allowing lower joint stiffness. At last, this investigation proposed a number of 3D finite element models that accounted for the contact between the dowel and the wood members and allowed in a first approach to model the elastic behavior of the embedding tests. Plasticity models were implemented to allow an accurate prediction of the embedding tests for a wide range of the experimental values. These plasticity models were calibrated using the available experimental data, in particular using the foundation modulus or equivalent stiffness values. 3D finite element models of the T-joint were also prepared. Plasticity models were again used to model the joint ductility, but cohesive damage models were also used to simulate the brittle failures observed in the side members of the joint. The simulation procedure allowed a satisfactory description of the non-linear behavior of the T-joint including the collapse prediction.