Longitudinally Stiffened Steel Plates: In-plane and Out-of-plane loads

Abstract

Denne masteroppgaven omhandler oppførsel av avstivede platefelt av stål. Den består av et litteraturstudium, utregninger for hånd og analyse via elementmetoden. Eurocodene 1993-1-1 og 1993-1-5 utgjør grunnlaget for utregningene av aksialkapasitet på langs og tvers. Metodene herfra er ikke nødvendivis er ikke nødvendigvis særlig treffsikker, da de reduserer som regel kapasiteten av hensyn til global knekking i tilfeller der det er lokal og ikke globalknekk som er kritisk. Dette er spesielt relevant da disse plategeometriene er ikke særlig utsatt for globalknekk i utgangspunktet. Totalt er det 30 geometrier (10 lengder per valgt tverrsnitt). Lineær knekkanalyse og kapasitetsanalyse med imperfeksjon ble utført med hjelp av FEM-analyse programvaren Abaqus. Øvrig teori tas av boka “Dimensjonering av stålkonstruksjoner” av Per Kristian Larsen, og denne brukes til å tilpasse Eurocodemetoden for kapasitetsutregning i lastsituasjoner på tvers. En hybridmetode brukes også i kapasitetsanalyse med langsetter last for å ta høyde for forskjellen på kritiskknekklast regnet ut fra henholdsvis Abaqus og Eurocoden, som ikke tar høyde for torsjonsstivheten til lukkede stivertverrsnitt. En viss likhet i oppførsel identifiseres for avstivede plater med store, lignende stivere, nemlig fordi disse har et lignende forhold mellom stiver- og platestivhet i bøyning. I tillegg utførtes et studium på oppførselen til avstivede plater med last ut av planet, både for trykk og sug. Tre forskjellige aksiallastkombinasjoner ble sett på for å utforske hvordan kapasiteten påvirkes av aksiallast. Her ble FEM-analysen sammenlignet med en metode fra Eurocode 1999-1-1, og denne ble vurdert til å være ufullstendig. For aksiallast på langs, Eurocodemetodene var betraklig konservative, med et avvik fra FEM-analysekapasiteten på rundt 40% på de lengste platene. Hybridmetoden var også betraktlig konservativ. For tverrlast, den tilpassede metoden ga rimlige resultater for 2 av 3 tverrsnitt, med et avvik på 7-10%, men var utrygg for den tredje geometrien som hadde mindre stivere. Materialfaktorer ble ekskludert for å kunne sammenligne metodene.

This master’s thesis consists of a literature study, hand-calculations and finite element analysis modeling for longitudinally stiffened plates. The Eurocodes 1993-1-1 and 1993-1-5 provide the basis for hand calculations of the axial capacity of the plate when uniaxially loaded in either the longitudinal or transverse direction. These methods are not necessarily perfectly accurate, as they primarily focus on global buckling and provide capacity reduction even in cases where global buckling is not critical. There are 30 different geometries (10 lengths per cross-section). Linear buckling analyses and capacity analyses with imperfections were performed in the FEM software Abaqus. Additional material comes from the textbook “Dimensjonering av stålkonstruksjoner” by Per Kristian Larsen, providing the theory through which one can adapt the Eurocode guidelines in the case of loading in the transverse direction. A hybrid method is also used in the case of loading in the longitudinal direction to account for different critical buckling loads determined by the FEM software Abaqus and the Eurocode, which does not account for torsional stiffness of closed-section stiffeners. A similarity is found between the behaviors of plates with large similar stiffeners, as these have a similar relationship between the stiffener and plate bending stiffnesses. An additional study was performed on one length per cross section regarding out-of-plane pressure and suction load. Three different axial load combinations per geometry were studied to examine how axial load affects the capacity for out-of-plane load. Here the finite element analysis is compared to a method retrieved from EC 1999-1-1, Design of Aluminum Structures. For axial loads in the longitudinal direction, the Eurocode methods were found to be very conservative, with a deviation of around 40% in the longest plates. The hybrid method was also excessively conservative. For transverse loading, the Eurocode provided decent results for two of the three cross-sections (7-10% deviation) after adaptation, but was nonconservative in the case of the third geometry, which had smaller stiffeners. Material safety factors were excluded for the sake of comparison between methods.