Buckling behaviour of unstiffened and stiffened steel plates under multiaxial stress states

Abstract

Modern steel constructions such as long span bridges are characterised by slender plated structures and the optimisation of their fabrication. Since often several internal forces act at the same time on the cross-section, very complex multiaxial stress states may develop. The aim of this work is to investigate the buckling behaviour of unstiffened and stiffened steel plates under several load combinations and especially to analyse the influence of tensile stresses. As in EN 1993-1-5 according to the reduced stress method multiaxial stress states are already considered in the determination of the single plate slenderness, this theoretically allows for taking into account the positive effect of tensile stress on the buckling behaviour. However, only few studies looked at this effect until now and systematic investigations are missing, so that this work clarifies this open issue. Experimental investigations on stiffened and unstiffened steel plates are conducted showing the buckling behaviour under several multiaxial stress states, which are observed also for the numerical investigations. The validated numerical models are used for the realisation of studies including the variation of a wide range of parameters by the multi-purpose code ABAQUS considering the interaction cases tension-compression, tension-shear, compression-shear and bending-shear on unstiffened plates as well as biaxial compression on stiffened plates. Based on the presented parametric study a new proposal is developed and compared to the numerical results showing good agreements for the investigated load cases justifying the utilisation of positive effects from tensile stresses and an improvement of the interaction considering bending-shear. The outcomes of this work allow the consideration of tensile stresses for the design of plated structures and is in full accordance with the principles of the reduced stress method for the current design procedure in EN 1993-1-5. Furthermore, the numerical analyses highlight issues regarding the modelling and the realisation of buckling analyses using the Finite Element Method, especially in terms of initial imperfections.

Aus Blechen zusammengesetzte Bauteile sind ein fester Bestandteil des modernen Brücken- und Hochbaus, wenn es darum geht einen Querschnitt bereitzustellen, der durch ein Minimum an Materialeinsatz und ein Maximum an Materialausnutzung gekennzeichnet ist. Da in der Regel am Querschnitt mehrere Schnittgrößen wirken, herrschen in den jeweiligen Bauteilen mehraxiale Spannungszustände, denen Rechnung getragen werden muss. Ziel dieser Arbeit ist es, das Beulverhalten unausgesteifter und ausgesteifter Platten unter verschiedenen Lastkombinationen zu untersuchen und dabei insbesondere den Einfluss gleichzeitig wirkender Zugspannungen zu analysieren. Mit Einführung von EN 1993-1-5 ist es nun möglich, unter Anwendung der Methode der reduzierten Spannungen, den gesamten Spannungszustand zur Berechnung eines einzigen Plattenschlankheitsgrades heranzuziehen, was es theoretisch auch erlauben würde den Einfluss gleichzeitig wirkender Zugspannungen zu berücksichtigen. Jedoch existieren hierzu kaum Untersuchungen, so dass die vorliegende Fragestellung im Rahmen dieser Arbeit geklärt werden soll. Die experimentellen Untersuchungen an ausgesteiften und nicht ausgesteiften Platten zeigen das Beulverhalten unter verschiedenen mehrachsigen Spannungszuständen, das auch auch im Rahmen der numerischen Untersuchungen beobachtet wird. Das validierte numerische Modell wird für die mit ABAQUS durchgeführten Parameterstudien herangezogen um den Einfluss verschiedener Einflussgrößen zu beurteilen. Die Untersuchungen enthalten die Interaktionsfälle Zug-Druck, Zug-Schub, Druck-Schub und Biegung-Schub an nicht ausgesteiften Platten sowie Druck-Druck an ausgesteiften Platten. Basierend auf die numerischen Untersuchungen wird ein Vorschlag erarbeitet um gleichzeitig wirkende Zugspannungen korrekt zu erfassen sowie eine Verbesserung im Bereich der Interaktion von Biegung und Schub empfohlen. Die Ergebnisse dieser Arbeit erlauben eine Berücksichtigung von Zugspannungen für den Beulnachweis in Übereinstimmung mit den Prinzipien der Methode der reduzierten Spannungen nach EN 1993-1-5. Des Weiteren wird das Thema der Modellierung und Durchführung von numerisch gestützten Berechnungen behandelt, insbesondere der Ansatz von Anfangsimperfektionen.