Modeling of wind induced fatigue of thinwalled folded plates

Abstract

During high wind events thin-walled folded plates such as roof claddings suffer extensive damage due to fatigue failure at their screwed connections. Currently, damage prediction is based on fragility curves and semi-empirical models where there is no direct relation between loads and failure parameters. In this research a finite element model and fatigue criteria were validated in correlating a wind loading protocol to a specific fatigue failure mechanism. The 3D fatigue process was reduced to a one-dimensional problem by using one or two strain and stress parameters from the finite element model. These parameters were used on a fatigue stress-based and strain-based criteria to establish a fatigue failure mechanism. The fatigue life, and crack directions were predicted as a function of loading parameters and specific cladding configuration. As a result a roofing assembly can be evaluated and rated to withstand a specific wind resistance according to a specific loading protocol.

Los techos y cubiertas de placas de pared delgada de lámina metálica sufren daños considerables debido a fallas por fatiga en las conexiones atornilladas durante eventos de viento. Actualmente la predicción de daño está basada en curvas de fragilidad y modelos semi empíricos en donde no existe una relación directa entre carga y parámetros de falla. En esta investigación se validó un modelo de elementos finitos y un criterio de fatiga que correlacionan un protocolo de cargas de viento a un mecanismo de falla por fatiga. El proceso tridimensional se redujo a un problema unidimensional utilizando uno o dos parámetros de esfuerzo y deformación del modelo de elementos finitos. Estos parámetros se usaron en un criterio de fatiga basado en esfuerzos y deformaciones para establecer un mecanismo de daño por fatiga. La vida de fatiga y las direcciones de propagación de las grietas se predijeron en función de los parámetros de carga y la configuración especifica estudiada. Como resultado una cubierta de techo puede ser evaluada y calificada para resistir una carga de viento en específico de acuerdo a un protocolo de carga.