Anàlisi del comportament a compressió de perfils prims oberts d'acer conformats en fred

Abstract

Cold-formed thin-walled steel sections are frequently used in pallet rack structures. This type of cross-sections are normally used as a columns and contains perforations uniformly distributed enabling the connection between other structural elements. One of the most typical reasons of failure for pallet-racking systems is the buckling of the uprights. As a consequence, the calculation of ultimate strength under compression is a key factor for a safe structural design. The influence of distortional and local buckling in cold formed thin-walled sections is really important, whereas the influence in hot-rolled sections (IPN, IPE, HEB, etc) is insignificant. The analysis of distortional and local buckling in the upright behaviour is difficult because the classical beam theories cannot handle sectional deformations. As a result, different new methodologies have been developed and finite element analysis has taken an important role. Several recent research activities are focused to study the buckling behaviour of rack sections under pure compression in order to improve the current design codes. Specifically, most of the present research is dealing with the following factors: interaction effects involving the different modes of buckling, initial geometric imperfections in nonlinear finite element analysis, cold-work effects, residual stresses and its influence in the upright ultimate load and the modelling of the perforations. The present doctoral thesis aims to provide new knowledge in some of the previously cited factors. It has been studied the influence of the cold-work effect, residual stresses and the load carrying capacity of cold-formed steel rack columns via nonlinear finite element analysis. Moreover, several experimental tests have been done in order to validate the numerical results. Furthermore, a new software has been developed to calculate the lineal elastic buckling load for any mode of deformation. These values are used for the current design codes and for a new numerical methodology developed. Keywords: Thin-walled section, rack, geometric imperfection, distortional buckling, GBT, residual stresses, cold-work effects, finite element analysis

Els perfils prims oberts d'acer conformats en fred són elements estructurals molt utilitzats en les prestatgeries per a emmagatzematge de palets. Aquests perfils són habitualment emprats com a columnes i contenen perforacions uniformement distribuïdes per garantir la connexió entre els diferents elements estructurals. Un dels motius més freqüents de fallida d'aquestes prestatgeries és el col·lapse a compressió dels puntals, i per tant, la determinació de la seva capacitat resistent és un factor clau per assegurar el correcte dimensionament de l'estructura. Els perfils prims conformats en fred, a diferència dels elements estructurals conformats en calent (IPN, IPE, HEB, etc), presenten una sensibilitat molt més elevada als modes de vinclament local i distorsional a causa de les seves característiques geomètriques. La inclusió d'aquests modes complica considerablement el procés de càlcul resistent, ja que les teories clàssiques de barres no tenen en compte les deformacions seccionals. Com a conseqüència, el desenvolupament de nous mètodes i les anàlisis mitjançant elements finits han cobrat una gran importància. Nombroses investigacions actuals tenen com a objectiu l'adquisició de nous coneixements sobre el comportament a compressió dels perfils prims que permetin millorar les normatives de càlcul vigents. Alguns dels aspectes on més s'està aprofundint són: la interacció dels diferents modes de fallida, el tipus d'imperfecció geomètrica a utilitzar en les anàlisis per elements finits, l'efecte de l'enduriment per deformació, l'obtenció de les tensions residuals i la importància d'aquestes en la capacitat resistent del puntal i la caracterització de les perforacions en els diferents mètodes de càlcul. La present tesi doctoral pretén aportar nous coneixements en alguns dels factors prèviament mencionats. S'ha estudiat l'efecte de l'enduriment per deformació, les tensions residuals i la modelització del problema d'estudi mitjançant el mètode dels elements finits verificant els valors obtinguts amb resultats experimentals sempre que hagi estat possible. També s'ha desenvolupat un programa per calcular càrregues elàstiques de vinclament per a qualsevol tipus de mode de fallida, ja que aquesta informació és necessària pels càlculs utilitzant la normativa i també per alguna de les metodologies de càlcul proposades mitjançant la simulació numèrica. Paraules clau: Perfil prim obert, rack, imperfecció geomètrica, vinclament distorsional, GBT, tensions residuals, enduriment per deformació, anàlisi per elements finits.