Flexural buckling of hot-finished and cold-formed elliptical hollow section columns: Numerical comparative analysis

Abstract

Even though structural elements of the elliptical hollow section (EHS) have been introduced to the construction market in the past years, the rules for their design were only partially introduced into the suitable codified procedures. The aim of this paper is to present a comparative numerical analysis of behaviour of cold-formed and hot-finished EHS columns exposed to flexural buckling under pure axial compression. Pin-ended columns of a various slenderness without lateral restrains and with incorporated geometrical imperfections are analysed. Material nonlinear behaviour is included through published experimental tensile test results, conducted in previous researches. In addition, numerical simulations of stub column behaviour are performed in order to obtain a cross-section compressive resistance. Results of the finite element analysis are compared to the design criteria defined in the draft version of Eurocode EN 1993-1-1:2015 and in North American specification for cold-formed member design AISI-S100. It is observed that North American standard provides more accurate predictions of both a cross-section resistance and a buckling column resistance. Equivalent diameter method described in Eurocode 3 led to more conservative results. According to the obtained numerical results, similar buckling behaviour is observed for both hot-finished and cold-formed columns of higher slenderness, while in the lower slenderness region, cold-formed compressed members tend to lower buckling curves. Underestimation of a column buckling resistance according to Eurocode regulations is noticed for cold-formed members of a higher slenderness.

Iako se poslednjih godina šuplji profili elipsastog poprečnog preseka (EHS) mogu naći na tržištu, pravila za njihovo dimenzionisanje su tek delimično uvedena u odgovarajuće standarde za projektovanje. Cilj ovog rada jeste da prikaže komparativnu numeričku analizu ponašanja centrično pritisnutih hladnooblikovanih i naknadno termički obrađenih EHS stubova, usled fleksionog izvijanja. Analizirani su zglobno oslonjeni stubovi različitih vitkosti bez bočnog pridržanja duž elementa, uzimajući u obzir početne geometrijske imperfekcije. Nelinearno ponašanje materijala modelirano je na osnovu publikovanih eksperimentalnih rezultata testova pri zatezanju, sprovedenih u prethodnim ispitivanjima. Takođe, izvršene su numeričke simulacije ponašanja kratkih stubova kako bi se utvrdila nosivost poprečnog preseka na pritisak. Rezultati numeričke analize sprovedene metodom konačnih elemenata upoređeni su s računskim vrednostima graničnih nosivosti u skladu s revidiranom verzijom Evrokoda EN 1993-1-1:2015 i Severnoameričkom specifikacijom za projektovanje hladnooblikovanih čeličnih elemenata AISI-S100. Uočeno je da Severnoamerički standard daje preciznije predikcije – i za nosivosti poprečnog preseka i za nosivosti stuba na fleksiono izvijanje. Metoda ekvivalentnog prečnika, opisana u Evrokodu 3, daje konzervativnije rezultate. Prema dobijenim numeričkim rezultatima, slično ponašanje pri fleksionom izvijanju uočeno je kod naknadno termički obrađenih i hladnooblikovanih stubova veće vitkosti, dok u oblasti manje vitkosti, hladnooblikovani pritisnuti elementi teže nepovoljnijim krivama izvijanja. Primećeno je da Evrokod potcenjuje nosivosti na izvijanje hladnooblikovanih stubova veće vitkosti.