Extension of CSM provisions for the design of stainless steel I-section unrestrained beams

Abstract

L'ús de l'acer inoxidable a la construcció és cada vegada més habitual, utilitzant-se com a elements estructurals a causa de les seves immillorables propietats, com la resistència a la corrosió, la seva gran ductilitat i un cost de manteniment econòmic. El comportament estructural d'aquest material és diferent del que presenta l'acer convencional, ja que està marcat per una resposta no lineal i un enduriment important per deformació. Recentment diverses investigacions sobre l'acer inoxidable han portat al desenvolupament d'un nou mètode de disseny, el Continuous Strength Method (CSM), capaç de considerar aquestes particularitats. El CSM és un mètode de càlcul basat en criteris deformacionals que té en compte l'enduriment per deformació, el qual ha demostrat un exercici excel·lent en la predicció de les resistències de la secció transversal. Tot i això, encara es requereixen noves investigacions per al seu ús en la predicció de la capacitat resistent d'elements sotmesos a inestabilitats globals. En aquesta investigació s'ha aconseguit plantejar una proposta per estendre, per primera vegada, els lineaments que brinda el CSM en la predicció de la capacitat resistent de bigues de secció a I d'acer inoxidable davant dels efectes de vinclament lateral. Per aquest motiu, es va fer un estudi paramètric amb 56 bigues d'acer inoxidable austenític i dúplex de diferents seccions i longituds, basat en un model d'elements finits prèviament validat. Aquestes bigues van ser sotmeses a flexió pura amb finalitat obtenir la capacitat de resistència, per després plasmar aquests resultats en funció de l'esveltesa local, global i el coeficient de reducció per pandeig lateral. Finalment es va realitzar una valoració en la precisió de les prediccions de resistència entre les disposicions existents al codi de disseny europeu EN 1993-1-4 i la proposta de millora per mitjà del CSM, millorant considerablement l'actual proposta normativa.

El uso del acero inoxidable en la construcción es cada vez más habitual, utilizándose como elementos estructurales debido a sus inmejorables propiedades, como la resistencia a la corrosión, su gran ductilidad y un costo de mantenimiento económico. El comportamiento estructural de este material es diferente al que presenta el acero convencional, puesto que está marcado por una respuesta no lineal y un importante endurecimiento por deformación. Recientemente, diversas investigaciones sobre el acero inoxidable han llevado al desarrollo de un nuevo método de diseño, el Continuous Strength Method (CSM), capaz de considerar estas particularidades. El CSM es un método de cálculo basado en criterios deformacionales que tiene en cuenta el endurecimiento por deformación, el cual ha demostrado un excelente desempeño en la predicción de las resistencias de la sección transversal. Sin embargo, aún se requieren nuevas investigaciones para su uso en la predicción de la capacidad resistente de elementos sometidos a inestabilidades globales. En la presente investigación se ha logrado plantear una propuesta para extender, por primera vez, los lineamientos que brinda el CSM en la predicción de la capacidad resistente de vigas de sección en I de acero inoxidable ante los efectos de pandeo lateral. Por tal motivo, se realizó un estudio paramétrico con 56 vigas de acero inoxidable austenítico y dúplex de diferentes secciones y longitudes, basado en un modelo de elementos finitos previamente validado. Estas vigas fueron sometidas a flexión pura con finalidad obtener la capacidad de resistencia, para luego plasmar estos resultados en función de la esbeltez local, global y el coeficiente de reducción por pandeo lateral. Finalmente se realizó una valoración en la precisión de las predicciones de resistencia entre las disposiciones existentes en el código de diseño europeo EN 1993-1-4 y la propuesta de mejora por medio del CSM, mejorando considerablemente la actual propuesta normativa.

The use of stainless steel in the construction sector is becoming more common, being used in structural elements as well as for ornamental purposes due to its excellent properties such as corrosion resistance, high ductility and low maintenance cost. The structural behaviour of this material is, however, different from that of conventional steel, since it is characterized by a nonlinear stress-strain response with significant strain hardening. Recent research on stainless steel has led to the development of a new design method, the Continuous Strength Method (CSM), capable of taking these particularities into account. The CSM is a deformation-based design method that takes into account strain hardening effects, which has demonstrated excellent results when predicting the resistance of stainless steel cross-sections. However, further research is still required for its use in the prediction of the resistance capacity of members subjected to global instabilities. In the present research, a proposal has been made to extend, for the first time, the guidelines provided by the CSM to the prediction of the lateral-torsional buckling resistance of unrestrained stainless steel I-section beams. For this, a parametric study of 56 austenitic and duplex stainless steel unrestrained beams with different cross-sections and lengths was carried out, based on a previously validated finite element model. These unbraced beams were subjected to a pure bending moment in order to obtain their lateral-torsional buckling resistance, to then analyse these results in terms of local slenderness, global slenderness and the reduction coefficient for lateral- torsional buckling for the development of the new design proposal. Finally, strength predictions according to the existing European design provisions EN 1993-1-4 were compared with those obtained using the developed CSM-based approach, which was found to enhance consistency and provide more accurate strength predictions.