Buckling resistance of high strength steel beams

Abstract

Nos últimos anos os aços de alta resistência têm sido amplamente aplicados nos mais diversos tipos de indústrias. Apresentando propriedades superiores relativamente aos aços correntes, começa também a destacar-se a utilização de aços de alta resistência no dimensionamento de estruturas metálicas. Atualmente, o dimensionamento de estruturas metálicas é realizado segundo o Eurocódigo 3 Parte 1-1 [1] (EN 1993-1-1), que fornece regras de dimensionamento para colunas, vigas e vigas-coluna para classes de aço até S460, enquanto o Eurocódigo 3 Parte 1-12 [2] (EN 1993-1-12) fornece regras adicionais para classes de aço S500 até S700. A necessidade de regras adicionais deve-se ao facto de não existirem dados experimentais suficientes realizados em aços de alta resistência aquando da criação destas regras. Como consequência, a maioria destas normas conduz a resultados excessivamente conservadores ou, em algumas situações, como o dimensionamento de estabilidade, não existem especificações para o dimensionamento utilizando aços de alta resistência. Em relação às regras de dimensionamento à encurvadura do Eurocódigo 3 Parte 1-1 [1], atualmente, não se verificam diferenças entre a utilização de elementos de aço de alta resistência ou aço de resistência normal (aços correntes). No entanto, estudos recentes sobre o comportamento à encurvadura de colunas em H, I e secções quadradas, ainda que limitados, mostram que as regras de dimensionamento de estabilidade para elementos constituídos por aços de alta resistência podem ser aperfeiçoadas, devido ao melhor comportamento à encurvadura evidenciado nos elementos de aço de alta resistência. Esta melhoria no comportamento à encurvadura é geralmente atribuída não só às melhores propriedades materiais dos aços de alta resistência, mas também devido a uma distribuição de tensões residuais mais favorável. De modo a dar resposta às questões acima mencionadas, as regras europeias de dimensionamento de estabilidade (Eurocódigo 3 Parte 1-1 [1] – EN 1993-1-1) para elementos de aço, incluindo colunas, vigas e vigas-coluna, foram avaliadas nesta tese, aplicadas a elementos constituídos por aço de alta resistência. O trabalho incluiu um estudo paramétrico utilizando modelos numéricos avançados e validados com base em testes experimentais realizados. O programa experimental compreendeu 12 ensaios à escala real de resistência à encurvadura lateral de vigas constituídas por aços de alta resistência, incluindo medições de tensões residuais e imperfeições geométricas e caracterização do material. Os ensaios experimentais realizados abrangem diferentes classes de aço até S690, secções soldadas e laminadas, secções homogéneas e híbridas (banzo com classe de aço superior em relação à alma), secções duplamente simétricas e mono simétricas, assim como variações na classe da secção transversal. Os modelos numéricos avançados foram calibrados com base nos resultados experimentais, incluindo as distribuições de tensões residuais e imperfeições geométricas medidas, e posteriormente assumindo diferentes hipóteses para a consideração das imperfeições nos elementos. Um modelo numérico simplificado foi adotado para ampliar o âmbito do estudo da resistência à encurvadura de elementos constituídos por aços de alta resistência a colunas, vigas e vigas-coluna, utilizando diferentes secções transversais, níveis de esbelteza normalizada, classes de aço, carregamento e distribuição de tensões residuais. Os resultados foram posteriormente comparados com as recomendações de dimensionamento presentes no Eurocódigo 3. Por fim, foi possível justificar recomendações de dimensionamento que se consideram mais adequadas para o cálculo da resistência à encurvadura de elementos metálicos constituídos por aços de alta resistência.

The use of high strength steel (HSS) has been successfully applied in several industries in the last few years and is becoming more common in structural engineering practice due to its improved qualities. At present, in Europe, steel structures are designed according to Eurocode 3 Part 1-1 [1] (EN 1993-1-1), which gives structural guidance for columns, beams, and beam-columns for steel grades up to S460, while Eurocode 3 Part 1-12 [2] (EN 1993-1-12) provides additional rules for steel grades S500 to S700. The reason for these special rules is that there was insufficient test data on high strength steel structural members when these rules were made. Whereby, most of these rules lead to overly conservative results, or, in some situations, there are no design specifications for high strength steels, which is the case where the stability design falls. Currently, the buckling design rules presented in Eurocode 3 Part 1-1 [1] do not distinguish between conventional steel members and high strength steel members. Nevertheless, recent studies on the buckling behaviour of welded H, I, and box columns in steel grades S460 to S960, even though limited, show that improved stability design rules can be used for high strength steel members. This enhanced behaviour is usually attributed to the improved material properties but is mainly due to the more favourable residual stress distribution. In order to address the aforementioned shortcomings, the European Stability Design Rules (Eurocode 3 Part 1-1 [1] – EN 1993-1-1) for steel members, including columns, beams, and beam-columns, are evaluated in this thesis for high strength steel members through an extensive parametric study based on advanced numerical analyses validated against experimental tests. The experimental programme includes twelve full-scale tests on the lateral-torsional buckling resistance of high strength steel beams, as well as measurements of residual stresses and geometrical imperfections and material characterization. The tested specimens cover different steel grades up to S690, welded and rolled sections, homogenous and hybrid (flanges in a higher steel grade than the web) sections, double and mono-symmetric sections, as well as variations in the cross-section class. The advanced numerical models are calibrated against the experimental results, including the measured residual stress distributions and geometrical imperfections of the members, and assessed for various assumptions about the members’ imperfections. A simplified numerical model is further adopted to extend the scope of the buckling resistance of high strength steel members to columns, beams, and beam-columns with different cross-sections, normalized slenderness, steel grade, loading conditions, and residual stress distribution. These results are further compared with the Eurocode 3 design recommendations. Finally, it was possible to justify more accurate design recommendations for the buckling resistance of high strength steel members.