Distortional lateral torsional buckling for simply supported beams with web cleats: Fid-Bau Portal

Distortional lateral torsional buckling for simply supported beams with web cleats

Hassan, Rusul

Critical moment expressions for steel beams based on elastic lateral torsional buckling as given in classical solutions and present standard provisions are based on assumed fully restrained support conditions and simplifying kinematic assumptions that neglect distortional effects. The present study carefully examines the applicability of such assumptions in the case of simply supported beams with double angle cleat connections. A parametric study based on shell finite element analysis (FEA) is first conducted on steel beams and end connection details of common configurations. It is shown that, throughout buckling: (a) typical cleat angles provide only partial twist restraints to beam ends and (b) beams undergo some distortion not captured in the classical solution, both phenomena resulting in a reduced critical moment capacity. The associated critical moments are then quantified by applying three modifiers to existing design provisions: (1) a partial twist restraint factor based on a potential energy formulation, (2) a distortional coefficient based on regression analysis of FEA results, and (3) a standard dependent factor that ensures consistency in buckling predictions based on various design standards. The modified procedure is shown to yield critical moments that are consistent with those based on FEA buckling simulations. Comparative design examples are then provided to illustrate the merits and applicability of the proposed procedure in practical design situations.

Les expressions du moment critique de poutres en acier soumises à un flambage latéral torsionnel élastique, telles qu’elles sont présentées dans les solutions traditionnelles et dans les dispositions des normes actuelles, sont basées sur l’hypothèse de conditions de support totalement restreintes et sur des hypothèses cinématiques de simplification, qui négligent les effets de distorsion. La présente étude s’intéresse de près à l’applicabilité de telles hypothèses dans le cas de poutres à simple support à jonctions à angle avec jonctions à cornières doubles. Une étude paramétrique basée sur une analyse par éléments finis (AEF) de coque est d’abord réalisée sur les poutres en acier de configurations communes. On montre que, tout au long du flambage, (a) les cornières produisent des restreintes de torsion partielle aux extrémités des poutres et (b) que les poutres subissent une légère distorsion qui est négligée dans la solution classique, ces deux phénomènes se traduisant par une capacité de moment critique réduite. On calcule ensuite les moments critiques associés en appliquant trois modificateurs aux paramètres de conception existants : (1) un facteur de restreinte de torsion partielle basé sur une expression de l’énergie potentielle, (2) un coefficient de distorsion basé sur l’analyse de régression des résultats de l’AEF et (3) un facteur dépendant de la norme qui assure la cohérence des prédictions de flambage en se basant sur différentes normes de conception. On montre que la procédure modifiée produit des moments critiques cohérents par rapport à ceux observés lors des simulations de flambage réalisées à l’aide d’AEF. Des exemples comparatifs de conception sont ensuite fournis pour montrer les avantages et l’applicabilité de la méthode proposée dans le cadre de projets réels de conception. [Traduit par la Rédaction]