Strength evaluation of cold-formed steel columns using the results of finite strip and finite element linear stability analysis

Abstract

Most cold-formed steel columns display open and rather thin-walled cross-sections which mean that their structural behaviour is strongly affected by local and global buckling. Th e local mode, that occurs for shorter profi les, is characterized by (i) the local plate mode (LPM) characterized by the simultaneous flexural buckling of the web and fl anges and (ii) by the distortional mode (DM) characterized by the displacements of flange-stiff ener edges (that remain plane). The global mode occurring for long profi les is characterized by (i) the fl exural mode (FM) characterized by the translation of the whole section in the direction of the major principal axis and (ii) by the fl exural-torsional mode (FTM) characterized by the simultaneous translation and rotation of the whole section. Th e possibility of using the results of linear stability analysis in the national codes of thin-walled cold-formed steel structural elements (for instance, European and Brazilian Codes) arises, i.e. local and global buckling instability modes and corresponding bifurcation stresses determining the ultimate strength of members. Two powerful numerical methods are chosen to perform a linear stability analysis of a cold-formed steel structural member: (i) the Finite Strip Method, (i₁) the Semi-Analytical Finite Strip Method (trigonometric functions are used in the approximation of displacement) used for simply supported boundary conditions, (i₂) the Spline Finite Strip Method (‘spline’ functions are used in the approximation of displacement) used other boundary conditions and (ii) the Finite Element Method. The linear local and global stability results of for Z, C and rack cold-formed columns are used to obtain ultimate strength through the procedures adopted in the Eurocode 3, Part 1.3 and in the Brazilian Code (NBR 14.762/2001). The obtained numerical estimates by specifi cations are compared with experimental results available in literature.

Šaltai formuotų plieninių kolonų laikomosios galios įvertinimas naudojant baigtinių strypų ir elementų tiesinio pastovumo skaičiavimo rezultatus

Santrauka. Dauguma šaltai formuotų plieninių kolonų turi atvirus arba plonasienius skerspjūvius, todėl jų konstrukcinė elgsena daugiausia priklauso nuo vietinio arba bendrojo klupumo. Vietinis klupumas, kuris būdingas (1) trumpesniems profi liuočiams, gali būti apibūdinamas vietinės plokštelės modeliu (LPM), pasižyminčiu vienalaikiu lenkiamuoju juostų ir sienelių klupumu ir (2) iškraipomuoju modeliu (DM), kurį apibūdina juostų ir sąstandų kraštų (kurie išlieka plokšti) poslinkiai. Bendrasis klupumas, kuris būdingas ilgiems profi liuočiams apibūdinamas (1) lenkiamuoju modeliu (FM). Jam būdingas viso skerspjūvio išilgai pagrindinės ašies pasislinkimas ir (2) lenkiamasis sukamasis (FTM) modelis, kuris pasižymi viso skerspjūvio pasislinkimu ir pasisukimu. Nacionalinėse šaltai formuotų plonasienių plieninių elementų normose (taip pat Europos ir Brazilijos) yra galimybė taikyti tiesinį pastovumo skaičiavimą, t. y. nustatant ribin elemento laikomąją galią naudoti vietinio ir bendrojo klumpamojo nepastovumo modelius bei atitinkamus išsišakojimo įtempiu. Šaltai formuotų plieninių elementų tiesiniam pastovumui skaičiuoti pasirinkti du veiksmingi skaičiavimo metodai: 1. Baigtinių strypų metodas: 1.1-pusiau analitinis baigtinių strypų metodas (trigonometrinės funkcijos naudojamos poslinkiui aproksimuoti), kuris taikomas lankstinio atrėmimo kraštinėmis sąlygomis; 1.2-kreivinių baigtinių strypų metodas („kreivinės” funkcijos naudojamos poslinkiui aproksimuoti), taikomas kitokiomis kraštinėmis sąlygomis. 2. Baigtinių elementų metodas. Z ir C skerspjūvių ir spragotųjų šaltai formuotų kolonų tiesinio vietinio ir bendrojo pastovumo rezultatai naudojami nustatyti ribine laikomąją galią remiantis Eurokodo 3 (1.3 dalies) ir Brazilijos normų (NBR 14.762/2001) priimtomis metodikomis. Pagal instrukcijas gautieji skaitiniai įverčiai palyginti su literatūroje randamais eksperimentinių tyrimų rezultatais.

Reikšminiai žodžiai: šaltai formuotas, baigtinis strypas, baigtinis elementas, vietinio klumpamojo nepastovumo modelis, bendrojo klumpamojo nepastovumo modelis, normų reikalavimai.

First Published Online: 16 May 2013

Keyword : cold-formed, finite strip, finite element, local buckling modes, global buckling modes, code specifications