Numerical modelling of prestressed cold-formed steel beams with bottom flange openings

Abstract

In the present thesis, the concept of using the prestressing method to improve the load-carrying capacity of cold-formed steel beams is presented. The prestressing is conducted by means of high-strength steel cables that are housed through openings in the bottom flange of the steel beams. Their prestressing delays the occurrence of instability phenomena and thus increases the strength of the cold-formed steel beams. This is due to the fact that the initial stresses generated by the prestressing have opposite sign to the stresses generated in the next stage of distributed loading. The total vertical deformation of the beam is significantly reduced due to the pre-camber induced along the beam during the prestressing stage and the contribution of the cable to the flexural stiffness of the system. Prestressed coldformed steel beams can provide efficient structural solutions, since a smaller cross-section is required for a given demand in load-carrying capacity which enables a lighter solution for a given span and load. This thesis presents a conceptual approach to prestressed cold-formed steel beams with bottom flange openings. The mechanical behaviour of the proposed structural system was studied using analytical and numerical models. The behaviour of the proposed beam throughout the prestressing phase and the applied vertical load is simulated using finite element model.

Στην παρούσα διατριβή, παρουσιάζεται η ιδέα της χρήσης της μεθόδου προέντασης σε χαλύβδινες δοκούς ψυχρής έλασης για τη βελτίωση της της φέρουσας ικανότητας τους. Η προένταση πραγματοποιείται με ένα χαλύβδινο καλώδιο υψηλής αντοχής που διέρχεται μέσω οπών που βρίσκονται στο κάτω πέλμα της χαλύβδινης δοκού. Η προένταση καθυστερεί την εμφάνιση αστάθειας φαινομένων αστάθειας και αυξάνει την αντοχή των χαλύβδινων δοκών ψυχρής έλασης. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι αρχικές τάσεις που δημιουργούνται κατά την προένταση έχουν αντίθετο πρόσημο από τις τάσεις που δημιουργούνται στο επόμενο στάδιο της κατανεμημένης φόρτισης. Επιπλέον, η συνολική κατακόρυφη παραμόρφωση της δοκού μειώνεται σημαντικά για δύο λόγους. Λόγω της προκάμψης που συμβαίνει κατά την προένταση και της συμβολής του καλωδίου στην καμπτική δυσκαμψία του συστήματος. Η αυξημένη δομική απόδοση των προτεινόμενων δοκών συνεπάγεται ότι, για δεδομένη απαίτηση σε χωρητικότητα και μήκος ανοίγματος, απαιτείται μικρότερη χαλύβδινη διατομή ψυχρής έλασης και ως εκ τούτου, εξοικονόμηση υλικού και ιδίου βάρους, σε σχέση με τις συμβατικές μη προεντεταμένες δοκούς. Συνοπτικά, γίνεται παρουσίαση της εννοιολογικής προσέγγισης των προεντεταμένων χαλύβδινων δοκών ψυχρής έλασης με οπές στη κάτω φλάντζας. Η μηχανική συμπεριφορά του προτεινόμενου δομικού συστήματος μελετήθηκε με τη χρήση αναλυτικών και αριθμητικών μοντέλων. Η συμπεριφορά της προτεινόμενης δοκού καθ' όλη τη φάση της προέντασης και του εφαρμοζόμενου κατακόρυφου φορτίου προσομοιώνεται με τη χρήση πεπερασμένων στοιχείων.