On the Design of Steel Members with Open Cross-Sections Subject to Combined Axial Force, Bending and Torsion
Résistance des barres en acier à section ouverte soumises à une combinaison d’effort normal, de flexion et de torsion
Résumé
Structural steel members with open cross-section are, in the majority of cases, subject to a combination of axial forces and mono- or bi-axial bending. Nonetheless, owing to specific use they may be subject to torsion as well. Even if torsional loads are of practical interest for steel members of open section, the European standard for the design of steel structures, Eurocode 3, does not contain a generally accepted design method addressing the resistance of these members. Consequently, the main objective of this thesis is to close the lack in the current standard. So as to attain this objective the behaviour of members of open section subject to a complex load combination has been studied theoretically, experimentally and numerically. First, the plastic resistance of steel members has been analysed. It has been shown that members subject to torsion may possess a high plastic system reserve that cannot be predicted by simple elastic analysis. So as to account for the beneficial effect of the plastic reserve, a simplified analysis method has been developed and validated with numerical simulations. After this, the plastic interaction between all internal forces and moments has been studied. Several laboratory tests have been performed to characterise the interaction between bending moments and the shear force. The study is then extended to more complex interaction cases including torsion by means of numerical simulations. The laboratory test and the numerical simulations allowed the development of a precise resistance model based on the “Partial Internal Force Method” developed in the past. The last part of this thesis was dedicated to the member resistance including instability. A resistance model has been developed based on the Eurocode 3 interaction equations. So as to overcome some of the limitations linked to this method, a second design approach is developed based on the “Overall Interaction Concept”
Des barres en acier à section ouverte sont, dans la majorité des cas, soumises à une combinaison d’effort normal et de flexion bi-axiale. Cependant, en raison de leur utilisation elles peuvent également être soumises à un moment de torsion. Même si les barres à section ouverte peuvent être soumises à des charges de torsion en pratique, l’Eurocode 3, ne définit pas comment la résistance de la barre peut être déterminée dans ces conditions. Ce pourquoi, l’objectif principal de cette thèse est de remplir cette lacune. Pour atteindre cet objectif, le comportement des barres métalliques soumises à une combinaison complexe de charges est étudié par voie théorique, expérimentale et numérique. Tout d’abord, la résistance plastique des barres est étudiée. En cas de torsion, il a été montré que les barres à section ouverte possèdent une réserve plastique importante qui ne peut pas être mise en évidence à l’aide d’une simple analyse élastique. Afin de tenir compte de l’effet bénéfique de la réserve plastique en torsion, une méthode d’analyse simplifiée est développée et validée par des analyses numériques. Ensuite, l’interaction plastique entre les efforts internes est étudiée. Des essais en laboratoire ont été réalisés afin de caractériser l’interaction entre l’effort tranchant et le moment de flexion. L’étude est ensuite étendue à l’aide de simulations numériques sur des cas d’interaction plus complexes incluant notamment des moments de torsion. Les essais accompagnés par l’étude numérique ont permis de mettre au point un modèle de résistance basé sur la méthode « Partial Internal Force Method » développée dans le passé. La dernière partie de la thèse concerne la résistance des barres à l’instabilité. Un modèle de résistance incluant l’effet de l’instabilité élasto-plastique est développé pour les barres métalliques en présence de torsion. Cette méthode est basée sur une extension des formules d’interaction proposées dans l’Eurocode. Afin de franchir certaines limitations liées à cette méthode, un deuxième modèle de résistance est développé pour les barres en I dans le format du « Overall Interaction Concept »
Origine : Version validée par le jury (STAR)