Geometrically non-linear analysis with stiffness reduction for the in-plane stability design of stainless steel frames

Abstract

In AISC 360-16, the Direct Analysis Method (DM) has been set as the primary method for the stability design of frames. DM, considering initial global sway imperfection, is essentially Geometrically Non-linear Analysis (GNA) in which tangent modulus is used. The aim of this thesis is to provide stiffness reduction factor formulations for using GNA coupled with tangent modulus approach for the stability design of stainless steel frames. GNA with the proposed stiffness reduction factor is aligned to AISC 360-16 and it is aimed at facilitating greater and more efficient use of stainless steel. In accordance with current design standards, the ultimate limit state for this method is the formation of first plastic hinge, and the adequacy of the method is confirmed through member-based resistance checks.The focus of the thesis is the development of flexural stiffness reduction factor formulation for the in-plane stability design of stainless steel elements and frames with cold-formed square hollow section (SHS) and rectangular hollow section (RHS). The proposed beam-column stiffness reduction factor (tMN) accounts for the deleterious influence of material non-linearity, residual stresses and member out-of-straightness. The use of a GNA coupled with the proposed tMN eliminates the need for member buckling strength checks and thus, only cross-sectional strength checks are required.

En la normativa Americana AISC 360-16, el método de análisis directo (DM) se ha establecido como el método principal en la verificación a inestabilidad de pórticos. El DM es esencialmente un análisis no lineal por la geometría (GNA) en el que se consideran las imperfecciones globales únicamente y se utiliza el módulo tangente. El objetivo de la tesis es proporcionar una formulación de rigidez reducida utilizando un análisis no lineal por la geometría para las verificaciones a inestabilidad de pórticos de acero inoxidable. El método propuesto se alinea con el AISC 360-16 y su objetivo es facilitar el uso del acero inoxidable en pórticos. De acuerdo con las normativas actuales, la capacidad última de un pórtico se define al formarse la primera rótula plástica y la verificación se plantea en base a la resistencia de los elementos aislados. El foco de la tesis se centra en el plantramiento de factores de reducción de rigidez a flexión de elementos tubulares de acero inoxidable conformados en frío (SHS y RHS) para el caso de diseño de pórticos cargados en su plano. Se propone un factor de reducción para elementos del tipo viga-columna mn el cual tiene en cuenta los efectos de la nolinealidad del material, las tensiones residuales y la imperfección del elemento. El uso de GNA conjuntamente con tMN permite verificar los diferentes elementos del pórtico solo a resistencia sin tener hacer las comprobaciones correspondientes a pandeo.