Distortional buckling of cold-formed steel rack section under uniform and non-uniform bending - numerical analysis and DSM

Due to the wide variety of cross-sections and their good mass/strength ratio, coldformed steel (CFS) components are gaining prominence among steel structures, although this material is more susceptible to local, distortional, and global buckling. The design procedure based on the direct strength method (DSM) presented in some codes as the Brazilian (NBR), the American Iron and Steel Institute (AISI), and the Australia/New Zealand (AS/NZS), have been well accepted for estimating simply and safely the moment capacity of beams subject to distortional buckling for many situations. However, more recent studies show that DSM design can lead to unsafe moment capacity for beams with a high slenderness factor of distortional buckling. This study analyzes the behavior from 768 models developed using the finite element analyses (FEA) with the ABAQUS software. The selection of the specimens in which the distortional buckling mode is predominant (modal participation analysis) was performed through a linear stability analysis using the GBTUL software. The finite element (FE) models used in nonlinear elastoplastic analyses included geometrical initial imperfections and material nonlinearity. A parametric study was developed to investigate the influence of the slenderness factor of distortional buckling (λdist) on CFS Rack beams' moment capacity. The FEA results were compared with DSM results to verify the accuracy of this method to predict distortional moment capacity. It is shown that, for CFS Rack beams subject to uniform and non-uniform bending and distortional buckling with slenderness factor of distortional buckling higher than 1.0 – 1.5, the DSM overestimates the moment capacity. Modifications were proposed in the DSM in order to improve the accuracy in predicting the moment capacity for the analyzed conditions.Dissertação (Mestrado)Devido à grande variedade de seções transversais, bem como à sua boa relação peso/resistência, os perfis formados a frio (PFF) estão ganhando destaque entre as estruturas metálicas. No entanto, este material é mais susceptível à flambagem local, distorcional e global. O dimensionamento através do método da resistência direta (MRD) proposto por algumas normas como a norma Brasileira (NBR), Americana (AISI) e Australiana (AS/NZS), tem sido bem aceito por estimar de forma simples e segura o momento resistente para vigas em muitas situações. Contudo, alguns estudos recentes mostram que o dimensionamento através do MRD pode levar a previsões inseguras de momento resistente para vigas com índices de esbeltez elevados, sob modo de falha distorcional. Este estudo analisa o comportamento para 768 vigas através de análises numéricas usando o método dos elementos finitos (MEF) desenvolvidas com o uso do programa ABAQUS. A seleção das vigas nas quais o modo de flambagem distorcional fosse o predominante (análise de participação modal) foi realizada através de análises de estabilidade linear com o auxílio do programa GBTUL. Os modelos em elementos finitos para as análises não-lineares elasto-plásticas incluíram imperfeições geométricas iniciais e a não-linearidade física do material. Um estudo paramétrico foi desenvolvido para investigar a influência do índice de esbeltez distorcional (λdist) no momento resistente das vigas em PFF. Os resultados numéricos em elementos finitos foram comparados com os resultados obtidos através do MRD, com o intuito de verificar a precisão do método em prever o momento resistente. Foi observado, que para seções Rack em PFF, sujeitas à flexão uniforme e não-uniforme e índices de esbeltez maiores que 1,0 – 1,5, o MRD superestima os valores de momento resistente. Foram propostas modificações no MRD de forma a melhorar a precisão na previsão do momento resistente para as condições analisadas