Stability criteria for hollow-section steel arches

Abstract

Objective of the dissertation is to gain insight into the structural stability of steel arches comprising hollow cross-sections. Steel arches are typically manufactured from initially straight members, which are subjected to bending in order to meet the desired curvature. The roller-bending process is the most commonly used method for curving constructional steel members in the fabrication industry. It is a cold-forming process, in which a workpiece is passed iteratively through a three-roller-bending machine. Residual stresses, or commonly called “locked-in” stresses, along with significant plastic deformations, are induced to steel members during cold-forming, affecting their structural behavior. The present doctoral thesis aims at assessing the effects of residual stresses and geometric imperfections on the inelastic stability of steel arches.In this context, a combined experimental, numerical and analytical investigation is implemented. A state-of-the-art experimental study is presented, regarding the in-plane behavior of roller-bent arches. Detailed finite element simulations of pertinent experimental tests are carried out, aiming at validating the developed numerical models. The roller-bending process is explicitly simulated, accounting for the real contact interaction between the bending machine and the steel workpiece. Experimental and numerical results are compared in terms of load-displacement equilibrium paths, strain-gauge measurements and deformed shapes, providing good quantitative and qualitative agreement. Following validation of the developed numerical models, the influence of the main roller-bending characteristics on the residual stress/strain formations of roller-bent hollow sections are assessed, on the basis of comprehensive parametric studies. The effects of residuals stresses on the elastic domain of hollow sections, as well as on the critical loads of steel arches, are investigated next, using analytical expressions that rely on linear analysis. The results are compared between various hollow sections, providing qualitative conclusions. Subsequently, the inelastic stability of arches is accurately assessed by means of Geometry and Material Nonlinear Analyses, incorporating reliable locked-in stress distributions and appropriate geometric imperfections.The contribution of the present dissertation to the advancement of engineering science and design practice includes, mainly among others, the development of sophisticated numerical simulations of the cold-curving process, the presentation and interpretation of experimental and numerical results on roller-bent arches, the development of residual stress models for roller-bent hollow sections, and the proposal of appropriate buckling curves for hollow-section steel arches. The experimental and numerical results highlight the presence of the “Bauschinger” and “strain aging” effects on the roller-bent arches. The proposed residual stress distributions can be efficiently exploited from analysts to develop new design recommendations. Finally, the proposed buckling curves can be reliably implemented in the structural design practice, according to modern structural design standards.

Αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής αποτελεί η διερεύνηση της ευστάθειας χαλύβδινων τόξων κοίλης διατομής. Τα μεταλλικά τόξα κατασκευάζονται από κατεργασία ευθύγραμμων μελών με διάφορες μεθόδους. Η πιο διαδεδομένη μέθοδος για την καμπύλωση μελών δομικού χάλυβα είναι η εν ψυχρώ διαμόρφωση με χρήση τυμπάνων (roller-bending). Στην περίπτωση αυτή, το ευθύγραμμο μέλος διέρχεται από τη μηχανή καμπύλωσης που αποτελείται από τύμπανα, ενώ η επιθυμητή καμπυλότητα επιτυγχάνεται μέσω της κάμψης τριών σημείων που προκαλεί πλαστικές παραμορφώσεις. Η εν ψυχρώ διαμόρφωση εισάγει σημαντικές παραμένουσες τάσεις και παραμορφώσεις στα τόξα, επηρεάζοντας την μηχανική τους συμπεριφορά. Στόχος της παρούσας διατριβής είναι η αποτίμηση της επιρροής των παραμενουσών τάσεων και των γεωμετρικών ατελειών στην ευστάθεια των χαλύβδινων τόξων. Στο πλαίσιο της διατριβής εφαρμόζεται ένας συνδυασμός πειραματικών, αριθμητικών και αναλυτικών μεθόδων έρευνας. Τα αποτελέσματα πειραματικών δοκιμών σε χαλύβδινα τόξα, καμπυλωμένα εν ψυχρώ, συγκρίνονται με τα αντίστοιχα αριθμητικά αποτελέσματα, στοχεύοντας στην πιστοποίηση των αριθμητικών προσομοιωμάτων. Η διαδικασία καμπύλωσης των τόξων προσομοιώνεται λεπτομερώς, λαμβάνοντας υπόψη την αλληλεπίδραση που αναπτύσσεται μέσω επαφής του μέλους με τα τύμπανα της μηχανής. Διαπιστώνεται ικανοποιητική σύγκλιση μεταξύ των αριθμητικών και των πειραματικών αποτελεσμάτων σε όρους αντοχής, μετατοπίσεων και αναπτυσσόμενων παραμορφώσεων. Πραγματοποιείται μια εκτεταμένη αριθμητική διερεύνηση των παραμέτρων που επηρεάζουν τις κατανομές παραμενουσών τάσεων σε κοίλες τετραγωνικές, ορθογωνικές και κυκλικές διατομές. Κατόπιν, διερευνάται η επιρροή των παραμενουσών τάσεων στην ελαστοπλαστική συμπεριφορά της διατομής και στο κρίσιμο φορτίου λυγισμού του τόξου, με χρήση αναλυτικών μεθόδων. Η ευστάθεια των τόξων από χάλυβα αποτιμάται με ακρίβεια μέσω μη γραμμικών αριθμητικών αναλύσεων υλικού και γεωμετρίας, που περιλαμβάνουν αξιόπιστα μεγέθη γεωμετρικών ατελειών και κατανομών παραμενουσών τάσεων. Η πρωτοτυπία της διατριβής και η συμβολή της στην έρευνα και στην πράξη του μηχανικού συνοψίζονται, κυρίως, στην ανάπτυξη λεπτομερών αριθμητικών προσομοιωμάτων της διαδικασίας καμπύλωσης, στην παρουσίαση και ερμηνεία πειραματικών και αριθμητικών αποτελεσμάτων σε χαλύβδινα τόξα, στη δημιουργία μοντέλων παραμενουσών τάσεων για καμπυλωμένα εν ψυχρώ μέλη κοίλης διατομής, και στη διατύπωση κατάλληλων οδηγιών σχεδιασμού υπό τη μορφή καμπυλών λυγισμού. Τα πειραματικά και αριθμητικά αποτελέσματα, αναδεικνύουν σημαντικά φαινόμενα που πηγάζουν από τη διαδικασία της εν ψυχρώ καμπύλωσης. Οι προτεινόμενες κατανομές παραμενουσών τάσεων είναι πολύ χρήσιμες στην ανάλυση των τοξωτών φορέων. Τέλος, οι προτεινόμενες καμπύλες λυγισμού μπορούν να εφαρμοσθούν αξιόπιστα στο σχεδιασμό χαλύβδινων τόξων, όπου μέχρι τώρα χρησιμοποιούνται καμπύλες λυγισμού για ευθύγραμμα μέλη.