Buckling resistance of quasi-straight H-section beam-columns under unequal end moments

• Autorzy: Giżejowski Marian Antoni , Szczerba Radosław Bronisław , Stachura Zbigniew , Gajewski Marcin Daniel

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2021.136476

Warianty tytułu

PL

Wyboczenie pozornie prostych elementów dwuteowych szerokostopowych, ściskanych i zginanych momentami podporowymi o różnych wartościach i znaku

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Steel prismatic elements of equal flanges double-tee section subject to major axis bending and compression, unrestrained in the out-of-plane direction between the supports, are vulnerable to buckling modes associated with minor axis flexural and torsional deformations. When end bending moments are acting alone on the quasi-straight member, the sensitivity to lateral-torsional buckling (LTB) is very much dependent upon the ratio of section minor axis to major axis moments of inertia, and additionally visibly dependent upon the major axis moment gradient ratio. In the case of major axis bending with the presence of a compressive axial force, even of rather small value in relation to the section squash resistance, there is a drastic reduction of structural elements in their realistic lengths to maintain a tendency to fail in the out-of-plane mode, governed by the large twist rotation. Increasing the load effects ratio of dimensionless axial force to dimensionless maximum major axis bending moment, the buckling mode goes away from that of lateral-torsional one, starting to become that closer to the minor axis flexural buckling (FBZ) mode. Different aspects of the flexural-torsional buckling (FTB) resistance of the typical rolled H-section beam-column with regard to the General Method (GM) formulation, developed by the authors elsewhere and based on the parametric finite element analysis, are dealt with in this paper. Investigations are concerned with different member slender ratio, different moment gradient ratios and different load effects ratio. Final conclusions are related to practical applications of the proposed format of General Method in relation to the effect of large displacements on the FTB resistance reduction factor described through the dimensionless measure of action effects and the FTB relative slenderness ratio of quasi-straight beam-columns.

PL

Dwuteowniki stalowe o przekroju bisymetrycznym, poddawane ściskaniu i zginaniu względem głównej osi bezwładności przekroju, są wrażliwe na wyboczenie względem osi mniejszej bezwładności, przy jednoczesnej podatności na deformacje zgięciowe i skręcenie względem tej osi bezwładności. Analizy numeryczne wykazały, że w sytuacji, kiedy na końcach elementu quasi-idealnego występuje obciążenie podporowymi momentami zginającymi, wrażliwość na wyboczenie giętno-skrętne zależy w głównej mierze od stosunku momentów bezwładności analizowanego przekroju oraz dodatkowo zależy, i to w sposób istotny, od gradientu momentu względem głównej osi bezwładności przekroju. W przypadku zginania względem przekrojowej głównej osi bezwładności (osi y-y) z udziałem siły ściskającej, nawet o bardzo małej wartości w porównaniu z siłą powodującą uplastycznienie (równą nośności przekroju klasy 1 na ściskanie), następuje drastyczna redukcja nośności elementów o typowo konstrukcyjnych długościach. Na podstawie przeprowadzonych obliczeń można zaobserwować, że wyboczenie następuje wskutek zginania w płaszczyźnie mniejszej bezwładności przekroju, któremu towarzyszą znaczne skręcenia przekroju. W miarę wzrostu wartości współczynnika obciążenia, który definiujemy jako stosunek bezwymiarowej siły osiowej do bezwymiarowego maksymalnego momentu zginania względem osi większej bezwładności, następuje oddalanie się krzywej wyboczeniowej od tej dla wyboczenia giętno-skrętnego i zbliżenie się do krzywej dla wyboczenia względem osi mniejszej bezwładności. W niniejszej pracy przeanalizowano wpływ wybranych czynników na nośność przy wyboczeniu giętno-skrętnym typowego elementu stalowego, definiowaną w ujęciu tzw. eurokodowej metody ogólnej, rozwijanej przez autorów w innych pracach. Do analiz parametrycznych wykonywano metodę elementów skończonych (MES).

Słowa kluczowe

EN

general method; large displacement; flexural-torsional buckling; rolled steel; bisymmetric cross-section; H-section; beam-column connection

PL

metoda ogólna; przemieszczenie duże; wyboczenie giętno-skrętne; stal walcowana; przekrój bisymetryczny; element dwuteowy szerokostopowy; element ściskany; element zginany

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2021
• Tom: Vol. 67, nr 1
• Strony: 323--349
• Opis fizyczny: Bibliogr. 27 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Giżejowski Marian Antoni

• Warsaw University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Warsaw, Poland

autor

Szczerba Radosław Bronisław

• Warsaw University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Warsaw, Poland

autor

Stachura Zbigniew

• Warsaw University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Warsaw, Poland

autor

Gajewski Marcin Daniel

• Warsaw University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Warsaw, Poland

Bibliografia

• 1. ABAQUS Theory manual, Version 6.11, Dassault Systèmes, 2011.
• 2. ABAQUS/Standard User’s manual, Version 6.11, Dassault Systèmes, 2011.
• 3. A.M. Baptista, “Resistance of steel I-sections under axial force and biaxial bending”, Journal of Constructional Steel Research 72: 1-11, 2012.
• 4. F. Bijlaard, M. Feldmann, J. Naumes, G. Sedlacek, “The “general method” for assessing the out-of-plane stability of structural members and frames and the comparison with alternative rules in EN 1993 - Eurocode 3 - Part 1-1”, Steel Construction 3: 19-33, 2010.
• 5. J. Bonet, R.D. Wood, “Nonlinear continuum mechanics for finite element analysis”, second ed., Cambridge: Cambridge University Press, 2008.
• 6. Eurocode 3. PN-EN 1993-1-1:2006 Design of steel structures, Pat 1-1: General rules and rules for buildings, PKN, Warsaw, 2006.
• 7. J. Ferreira, P. V. Real, C. Couto, “Comparison of the General Method with the Overall Method for the out-of-plane stability of members with lateral restraints”, Engineering Structures 151: 153-172, 2017.
• 8. M.A. Gizejowski, Z. Stachura, R.B. Szczerba, M.D. Gajewski, “Buckling resistance of steel H-section beamcolumns: In-plane buckling resistance”, Journal of Constructional Steel Research 157: 347-358, 2019.
• 9. M.A. Gizejowski, Z. Stachura, R.B. Szczerba, M.D. Gajewski, “Out-of-plane buckling resistance of rolled steel H-section beam-columns under unequal end moments”, Journal of Constructional Steel Research 160: 153-168, 2019.
• 10. M.A. Gizejowski, Z. Stachura, M.D. Gajewski, R.B. Szczerba, “Effects of large displacements on the flexural-torsional buckling resistance of steel H-section beam-columns”, in A. Zingoni (ed.), Advances in Engineering Materials, Structures and Systems: Innovations, Mechanics and Applications, London: Taylor & Francis Group, 848-853, 2019.
• 11. M.A. Gizejowski, R.B. Szczerba, M.D. Gajewski, Z. Stachura, “Buckling resistance criteria of prismatic beams under biaxial moment gradient”, International Journal of Steel Structures 19: 559-576, 2019.
• 12. M. Hosseini, H. Abbas, “Strain hardening in M-P interaction for metallic beam of I-section”, Thin-Walled Structures 62: 243-256, 2013.
• 13. S. Jemiolo, M. Gajewski, “Hyperelasto-plasticity”, Warsaw: Warsaw University of Technology Publishing House, 2017 (in Polish).
• 14. M. Nedelcu, “Generalisation of the Ayrton-Perry formula for the global-distortional-local buckling of thin-walled members”, Thin-Walled Structure 118: 73-86, 2017.
• 15. F. Papp, A. Rubert, J. Szalai, “DIN EN 1993-1-1 based integrated stability analysis of 2D/3D steel structures”, Stahlbau, Part 1-83 (1): 1-15, 2014; Part 2- 83 (2): 122-141, 2014; Part 3-83 (5): 325-342, 2014 [in German].
• 16. I.M.J. Rombouts, H.H. Snijder, R.W.A. Dekker, P.A. Teeuwen, “Resistance to moment-normal force interaction of I-shaped steel sections”, Journal of Constructional Steel Research 127: 28-40, 2016.
• 17. L. Simoes da Silva, L. Marques, C. Rebelo, “Numerical validation of the general method in EC3-1-1 for prismatic members”, Journal of Constructional Steel Research 66: 575-590, 2010.
• 18. L. Simoes da Silva, R. Simoes, H. Gervasio, “Design of steel structures, Eurocode 3: Design of steel structures, Part 1-1: General rules and rules for buildings”, second ed., ECCS Eurocode Design Manual, Berlin: Ernst & Sohn, 2016.
• 19. L. Simoes da Silva, T. Tankova, L. Marques, U. Kuhlmann, A. Kleiner, J. Spiegler, H.H. Snijder, R.W.A. Dekker, A. Taras, N. Popa, “Safety assessment across modes driven by plasticity, stability and fracture”. In 8th European Conference on Steel and Composite Structures (EUROSTEEL 2017), Copenhagen, Denmark, 3689-3698, 2017.
• 20. E.A. de Souza Neto, D. Peric, D. R. J. Owen, “Computational methods for plasticity: theory and applications”, John Wiley & Sons Ltd, 2008.
• 21. J. Szalai, F. Papp, “On the theoretical background of the generalization of Ayrton-Perry type resistance formulas”, Journal of Constructional Steel Research 66 (5): 670-679, 2010.
• 22. J. Szalai, “Complete generalization of the Ayrton-Perry formula for beam-column buckling problems”, Engineering Structures 153: 205-223, 2017.
• 23. T. Tankova, L. Marques, A. Andrade, L. Simoes da Silva, “A consistent methodology for the out-of-plane buckling resistance of prismatic steel beam-columns”, Journal of Constructional Steel Research 128: 839-852, 2017.
• 24. A. Taras, “Contribution to the development of consistent stability design rules for steel members”, PhD thesis, Technical University of Graz; Graz, Austria, 2011.
• 25. N.S. Trahair, M.A. Bradford, D. A. Nethercot, L. Gardner, “The behaviour and design of steel structures to EC3”. Second ed. London-New York: Taylor and Francis, 2008.
• 26. W. Wojewódzki: “Nośność graniczna konstrukcji prętowych”, Warsaw: Warsaw University of Technology Publishing House, 2012 (in Polish).
• 27. X. Yun, L. Gardner, N. Boissonnade, “Ultimate capacity of I-sections under combined loading - Part 2: Parametric studies and CSM design”, Journal of Constructional Steel Research 148: 265-274, 2018.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).