This article presents the behaviour and design of cold-formed steel (CFS) web-stiffened lipped channel beams that primarily fail owing to the buckling interaction of distortional and global buckling modes. The incorporation of an intermediate stiffener in the web of the lipped channel improved the buckling performance leads to distortional buckling at intermediate length beams. The prediction of the strength of members that fail in individual buckling modes can be easily determined using the current DSM equations. However, it is difficult to estimate the strength of members undergoing buckling interactions. Special attention is required to predict the strength of the members undergoing strong buckling interactions. In the present study, the geometric dimensions of the web stiffened lipped channel beam sections were chosen such that they have almost equal distortional and global buckling stresses to have strong interactions. A validated numerical model was used to perform a parametric study and obtain design strength data for CFS web-stiffened lipped channel beams. Based on the obtained numerical data, an assessment of the current DSM equations and the equations proposed in the literature (for lipped channel CFS sections) is performed. Suitable modifications were also proposed in this work, which resulted in a higher level of design accuracy to predict the flexural strength of CFS web stiffened lipped channel beams undergoing distortional and global mode interaction. Furthermore, reliability analysis was performed to confirm the reliability of the proposed modification.
Cold-formed lipped channel columns (CFLCCs) have been widely used in light gauge steel constructions. The distortional buckling is one of the important buckling modes for CFLCCs and the distortional buckling critical load depends significantly on the rotational restrain stiffness generated by the web to the lipped flange. First, a simplified explicit expression for the rotational restraint stiffness of the lipped flange has been derived. Using the expression, the characteristics of the rotational restraint stiffness of the lipped flange have been investigated. The results show that there is a linear coupling relationship between the applied forces and the rotational restraint stiffness of the lipped flange. Based on the explicit expression of the rotational restraint stiffness of the lipped flange, a simplified analytical formula has been derived which can determine the elastic distortional buckling critical stress of the CFLCCs subjected to axial compression. The simplified analytical formula developed in this study has been shown to be accurate through the comparisons with results from the distortional buckling analyses using the ANSYS finite element software. The developed analytical formula is easy to apply, and can be used directly in practical design and incorporated into future design codes and guidelines.
This paper describes an experimental research on the structural behavior and the ultimate strength of longitudinally stiffened plates subjected to local, distortional, or mixed-mode buckling under compression. The stiffened plate undergoes local, distortional, or interactive local-distortional buckling according to the flexural rigidity of the plate's longitudinal stiffeners and the width-thickness ratios of the sub-panels of the stiffened plate. A significant post-buckling strength in the local and distortional modes affects the ultimate strength of the longitudinally stiffened plate. Compression tests were conducted on stiffened plates that were fabricated from 4mm-thick SM400 steel plates with a nominal yield stress of 235MPa. A simple strength formula for the Direct Strength Method based on the test results was proposed. This paper proves that the Direct Strength Method can properly predict the ultimate strength of stiffened plates when the local buckling and distortional buckling occur simultaneously or nearly simultaneously.
Nasam S. Khater;Mahmoud H. El-Boghdadi;Nashwa M. Yossef
Steel and Composite Structures
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v.51
no.3
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pp.225-241
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2024
For several reasons, cold-formed steel (CFS) beams are often manufactured with holes. Nevertheless, because of holes, the reduction in the web area causes a decrease in the bending strength. Edge stiffeners are presently added around the holes to improve the bending strength of flexural members. Therefore, this research studies CFSZ-beams with stiffened holes and investigates how edge stiffener affects bending strength and failure modes. Nonlinear analysis was carried out using ABAQUS software and the developed finite element (FE) model was verified against tests from previous studies. Using the verified FE model, a parametric study of 104 FE models was conducted to investigate the influence of key parameters on bending strength of Z- sections. The results indicated that the effect of holes is less noticeable in very thin Z-sections. Moreover, adding edge stiffeners around the holes improves the flexural capacity of Z-beams and sometimes restores the original bending capacity. Because the computational techniques used to solve the CFS buckling mode with stiffened holes are still unclear, a numerical method using constrained and unconstrained finite strip method (CUFSM) software was proposed to predict the elastic distortional buckling moment for a wide variety of CFSZ-sections with stiffened holes. A numerical method with two procedures was applied and validated. Upon comparison, the numerical method accurately predicted the distortional buckling moment of CFS Z-sections with stiffened holes.
This paper reports the numerical investigation conducted to study the influence of Local-Distortional (L-D) interaction mode buckling on post buckling strength erosion in fixed ended lipped channel cold formed steel columns. This investigation comprises of 81 column sections with various geometries and yield stresses that are carefully chosen to cover wide range of strength related parametric ratios like (i) distortional to local critical buckling stress ratio ($0.91{\leq}F_{CRD}/F_{CRL}{\leq}4.05$) (ii) non dimensional local slenderness ratio ($0.88{\leq}{\lambda}_L{\leq}3.54$) (iii) non-dimensional distortional slenderness ratio ($0.68{\leq}{\lambda}_D{\leq}3.23$) and (iv) yield to non-critical buckling stress ratio (0.45 to 10.4). The numerical investigation is carried out by conducting linear and non-linear shell finite element analysis (SFEA) using ABAQUS software. The non-linear SFEA includes both geometry and material non-linearity. The numerical results obtained are deeply analysed to understand the post buckling mechanics, failure modes and ultimate strength that are influenced by L-D interaction with respect to strength related parametric ratios. The ultimate strength data obtained from numerical analysis are compared with (i) the experimental tests data concerning L-D interaction mode buckling reported by other researchers (ii) column strength predicted by Direct Strength Method (DSM) column strength curves for local and distortional buckling specified in AISI S-100 (iii) strength predicted by available DSM based approaches that includes L-D interaction mode failure. The role of flange width to web depth ratio on post buckling strength erosion is reported. Then the paper concludes with merits and limitations of codified DSM and available DSM based approaches on accurate failure strength prediction.
'Distortional buckling' is one of the predominant buckling types that may occur in a steel-concrete composite box beam (SCCBB) under a negative moment. The key factors, which affect the buckling modes, are the torsional and lateral restraints of the bottom plate of a SCCBB. Therefore, this article investigates the equivalent lateral and torsional restraint rigidity of the bottom plate of a SCCBB under a negative moment; the results of which show a linear coupling relationship between the applied forces and the lateral and/or torsional restraint stiffness, which are not depended on the cross-sectional properties of a SCCBB completely. The mathematical formulas for calculating the lateral and torsional restraint rigidity of the bottom plate can be used to estimate: (1) the critical distortional buckling stress of SCCBBs under a negative moment; and (2) the critical distortional moment of SCCBBs. This article develops an improved calculation method for SCCBBs on an elastic foundation, which takes into account the coupling effect between the applied forces and the lateral and/or torsional restraint rigidity of the bottom plate. This article analyzes the accuracy of the following calculation methods by using 24 examples of SCCBBs: (1) the conventional energy method; (2) the improved calculation method, as it has been derived in this article; and (3) the ANSYS finite element method. The results verify that the improved calculation method, as it has been proved in this article, is more accurate and reliable than that of the current energy method, which has been noted in the references.
An energy method of analysis is presented which can be used to study the inelastic lateral-distortional buckling of hot-rolled I-sections continuously restrained at the level of the tension flange. The numerical modelling leads to the incremental and iterative solution of a fourth-order eigenproblem, with very rapid solutions being obtainable, so as to enable a study of the factors that influence the strength of continuously restained I-beams to be made. Although hot-rolled I-sections generally have stocky webs and are not susceptible to reductions in their overall buckling loads as a result of cross-sectional distortion, the effect of elastic restraints, particularly against twist rotation, can lead to buckling modes in which the effect of distortion is quite severe. While the phenomenon has been studied previously for elastic lateral-distortional buckling, it is extended in this paper to include the constitutive relationship characteristics of mild steel, and incorporates both the so-called 'polynomial' and 'simplified' models of residual stresses. The method is validated against inelastic lateral-torsional buckling solutions reported in previous studies, and is applied to illustrate some inelastic buckling problems. It is noted that over a certain range of member slenderness the provisions of the Australian AS4100 steel standard are unconservative.
The overall buckling mode in a composite steel-concrete beam over an internal support is necessarily lateral-distortional, in which the bottom compressive range displaces laterally and twists, since the top flange is restrained by the nearly rigid concrete slab. An efficient finite element method is used to study elastic lateral-distortional buckling in composite beams whose steel portion is tapered. The simplified model for a continuous beam that is presented herein is a fixed ended cantilever whose steel portion is tapered, and is subjected to moment gradient. This is intended to give an insight into distortion in a continuous beam that occurs in the negative bending region, and the differences between the cantilever representation and the continuous beam are highlighted. An eigenproblem is established, and the buckling modes and loads are determined in the elastic range of structural response. It is found from the finite element study that the buckling moment may be enhanced significantly by using a vertical stiffener in the region where the lateral movement of the bottom range is greatest. This enhancement is quantified in the paper.
The paper considers the elastic distortional buckling of overhanging beams, which consist of an internal segment with a cantilevered segment continuous over an internal support. The beams were considered loaded by a concentrated load at the cantilever tip, and the beams were either partially restrained or laterally restrained over the internal support. An efficient line-type finite element developed previously by the author was modified to incorporate loading remote from the shear centre, as well as to allow for lateral buckling without distortion. Buckling loads were obtained for a range of geometry when the load was placed on the top flange, at the shear centre or on the bottom flange. Buckling mode shapes were also obtained, and conclusions drawn regarding the influence of distortion on the overall buckling load.
The objective of this work is to describe the main steps involved in the derivation of a GBT (Generalised Beam Theory) formulation to analyse the vibration behaviour of loaded cold-formed steel members and also to illustrate the application and capabilities of this formulation. In particular, the paper presents and discusses the results of a detailed investigation about the local and global free vibration behaviour of lipped channel simply supported columns. After reporting some relevant earlier GBT-based results dealing with the buckling and vibration behaviours of columns and load-free members, the paper addresses mostly issues concerning the variation of the column fundamental frequency and vibration mode nature/shape with its length and axial compression level. For validation purposes, some GBT-based results are also compared with values obtained by means of 4-node shell finite element analyses performed in the code ABAQUS.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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