Development of a model of stability for steel hollow tubular section beam-columns sensitive to second order effects
Développement d’un modèle de stabilité des barres à section tubulaire comprimées fléchies sensibles aux effets du second ordre
Résumé
This thesis is part of an effort to improve knowledge of the instabilities of beam-columns sensitive to second-order effects. The works deal with the means to take into account the initial imperfections in the structural analysis and to adapt the current verification criteria for tubular section structures, such as scaffold structures. The existing formulations, proposed in the litterature and calculation codes, are often based on hypotheses, and thus lead to inconsistencies between, on the one hand, the verification criteria in section, and on the other hand, the verification criteria in instability. The developed approach takes into account the interaction between section resistance and instability phenomena, and includes the influence of initial imperfections (initial defect of aplomb, lack of straightness, residual stresses). As far as possible, these effects will be decoupled.
As such, a method has been developed to allow the definition of initial imperfections of a structure, to be as accurate as possible. This method, based on the definition of a single imperfection, identical in appearance to the shape of the predominant critical buckling mode, is a precise, fully defined method to take into account the geometric characteristics, intrinsic mechanical characteristics, limits and the form of loading, in the definition of the initial imperfections of a structure.
A test campaign was carried out in collaboration with the French Syndicate of Scaffolding, Formwork and Shoring (SFECE), aiming to analyze the experimental behavior of buckling of cold-formed tubular sections. Nine buckling tests on scaffold ladders, from various European suppliers, have been carried out. A statistical study of the experimental results has made it possible to highlight that the imperfection factor currently defined for the cold-formed tubular sections is far too penalizing for the sections used in the field of scaffolds.
In order to respond to the problem, new instability criteria have also been established using a similar approach to that of Ayrton-Perry. These new criteria make it possible to free ourselves from the modeling of initial imperfections while offering a safe and accurate estimate of the stress factor of a structure. A comparative study was conducted in order to ensure the safety of the proposed formulations as regards the section verification criteria of the NF EN 1993-1-1 current standard.
Cette thèse s’inscrit dans une démarche d’amélioration des connaissances des instabilités des éléments comprimés et fléchis sensibles aux effets du second ordre. Il s’agit de traiter la prise en compte des imperfections initiales dans l’analyse de la structure et d’adapter les critères actuels de vérification pour les structures tubulaires, de type échafaudage. Les formulations existantes, proposées dans la littérature et les codes de calculs, sont souvent issues d’hypothèses, et conduisent donc à des incohérences entre, d’une part, les critères de vérification en section, et d’autre part, les critères de vérification en instabilité. L’approche développée traite l’interaction entre la résistance en section et les phénomènes d’instabilités, et inclut l’influence des imperfections initiales (défaut initial d’aplomb, défaut de rectitude, contraintes résiduelles). Ces effets seront, dans la mesure du possible, découplés.
À ce titre, une méthode a été conçue pour permettre la définition des imperfections initiales d’une structure, de manière à être la plus précise possible. Cette méthode, basée sur la définition d’une imperfection unique, d’allure identique à la déformée critique du mode de flambement prépondérant, est une méthode précise, entièrement définie permettant de tenir compte des caractéristiques géométriques, des caractéristiques mécaniques intrinsèques, des conditions aux limites et de la forme du chargement, dans la définition de l’imperfection initiale unique d’une structure.
Une campagne d’essai a été réalisée en collaboration avec le Syndicat Français de l’Échafaudage, du Coffrage et de l’Étaiement (SFECE), visant à analyser le comportement expérimental au flambement de sections tubulaires formées à froid. Neuf essais de flambement sur des échelles d’échafaudage, provenant de divers fournisseurs européens, ont été effectués. Une étude statistique des résultats expérimentaux a permis de mettre en évidence que le facteur d’imperfection actuellement défini pour les sections tubulaires formées à froid est bien trop pénalisant à l’égard des sections usitées dans le domaine des échafaudages.
Afin de répondre à la problématique, de nouveaux critères de vérification en instabilité ont également été établis en utilisant une approche similaire à celle d’Ayrton-Perry. Ces nouveaux critères permettent de s’affranchir de la modélisation des imperfections initiales tout en offrant une estimation sûre et précise du facteur de sollicitation d’une structure. Des études comparatives ont été menées de manière à s’assurer de la sécurité des formulations proposées par rapport aux critères de vérification en section de la norme actuelle NF EN 1993-1-1.
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