Cylindrically curved steel panels in bridge design

Abstract

Por um lado, o assunto estudado nesta tese foi inspirado pelo crescente interesse da aplicação de paineis curvos em diversos campos da engenharia, especialmente no dimensionamento de pontes. Por outro lado, não existem, até à data, regras de dimensionamento adequadas para este tipo de elementos estruturais. Assim sendo, o principal objetivo da tese de doutoramento apresentada neste documento foi o desenvolvimento de regras de dimensionamento claras e de fácil aplicação, para paineis curvos sujeitos aos casos de carga fundamentais (ex. Compressão no plano e corte) assim como para seções em caixão com paineis curvos no banzo inferior tipicamente aplicadas em pontes. De modo a conseguir alcançar os objetivos mencionados, o trabalho desenvolvido foi dividido em cinco tarefas principais que incluem trabalhos experimentais, numéricos e analiticos, acompanhados por estudos estatisticos dos resultados obtidos. Sendo os esforços de compressão um aspeto chave na estabilidade de placas finas, uma parte significativa do trabalho apresentado foi dedicada ao estudo do comportamento de paineis curvos sujeito a cargas axiais de compressão. Os resultados aqui apresentados ilustram as principais vantagens do uso deste tipo de paineis quando comparado com paineis planos, tendo-se observado que a sua utilização pode levar a poupanças significativas. Para além disso, foi demonstrado que o método desenvolvido ao longo do projeto de investigação OUTBURST, baseado nas metodologias já existentes para o dimensionamento de paineis curvos com reforços a esforços de compressão, é a metodologia mais apropriada para o dimensionamento das geometrias de paineis estudados nesta tese. Adicionalmente, foi também estudado o comportamento à encurvadura e pós-encurvadura de paineis curvos sujeito a corte no plano. É de realçar que a informação disponivel na literatura referente a este tópico é, até à data, bastante escasso. Novas expressões para a determinação da carga de corte crítica e carga última de paineis curvos não reforçados foram desenvolvidas foram desenvolvidas, com um formato semelhante às existentes nas normas de dimensionamento para paineis planos. Por último, o comportamento de seções em caixão com paineis curvos no banzo inferior foi estudo, tendo-se obtido a completa caracterização da curva de interação M-V, i.e. o comportamento em flexão ‘pura’ até ao comportamento ao corte ‘puro’, para este tipo de seção. De modo a verificar a aplicabilidade da equação da curva de interação M-V correntemente utilizada na literatura, novas expressões de resistência à flexão e corte foram desenvolvidos.

On one side, the topic studied in this thesis is inspired by a recent growing interest in the application of curved panels in various engineering fields, especially in the bridge design, and on the other side, by the lack of adequate and holistic design rules dealing with these structural elements. Consequently, the principal goal of the PhD research work presented herein is to develop clear, general and mechanically consistent design rules both for individual curved panels subjected to the most fundamental loading cases (i.e. in-plane compression and shear) and for the whole box-girder bridge cross-section integrating a curved steel panel in the bottom flange. To persue the set goals, the work is divided into five main tasks, where experimental, numerical, and analytical research methods were implemented, accompanied by a statistical assessment of generated data. Being the key aspect in the stability of thin-walled structures, a great part of the work is dedicated to the individual curved panels subjected to axial compression. The findings in the thesis reveal some of the substantial advantages of curved panels with respect to the flat ones, allowing for considerable savings that could be achieved. Moreover, based on the assessment of the available design methods for stiffened curved panels under compression, the method developed within the scope of the OUTBURST research project is found to be the most appropriate. Besides, the thesis explores the buckling and post-buckling behavior of individual curved panels subjected to in-plane shear - a subject, which was only scarcely investigated in the past. The new expressions for both critical and ultimate shear load of unstiffened curved panels are developed, with a similar format to the codified ones for flat plates in EN 1993-1-5:2006. Finally, the curved panels integrated into box-girder bridge cross-sections are also studied in the thesis, characterizing the entire spectrum of M-V interaction behavior, i.e. from pure bending to ‘almost’ pure shear. Moreover, to assess the applicability of the M - V interaction equation available in the literature, for these innovative structures, the new bending, and shear resistance models are developed.