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POLITesi - Archivio digitale delle tesi di laurea e di dottorato

The design of steel structures is carried out following a step procedure in which it is possible to define two main phases: 1) a structural analysis of the overall frame, through which it is possible to predict the response of the frame in terms of internal action, moments and also in terms of displacements. 2) a series of safety checks realized for each member and joint in order to assure the correct design, with respect to the load conditions, of such elements The prescriptions for the phases of such procedure are defined by the Eurocode, in which it is possible to find various types of approaches that differ one from the other for the degree of complexity and completeness and are usually based on the results obtained through a finite element analysis. The purpose of this paper is to carefully investigate the implications related to the different approaches that can be used during the design phase, focusing on the theory behind, on the problems related to each one as well as to the influence of the type of software that can be used for the study of the structure. Such choice is related to the fact that the Eurocode’s prescriptions, as well as the results obtained by a certain type of finite element analysis, are characterized by a certain degree of uncertainty, which can be ascribed to many different factors, that will be introduced and carefully investigated hereafter, and such uncertainties can reflect upon the design of a frame element. The methods described in the codes make use of the results regarding the full response of a frame obtained through a finite element analysis, therefore, it is fundamental to understand the influence of such results. In contemporary practice it is possible to employ different types of commercial software that allow to realize a finite element analysis on complex frames. The main distinction that must be highlighted regards the theoretical approach behind the modelling of the single finite element, which can be done either considering a 6 or 7 degrees of freedom approach. Such choice could lead to differences regarding the precision of the results with respect to the purely theoretical approach, because the classic 6 DoF models, which represent the approach used by the majority of the FE software, do not capture the influence of the interaction between bending moment and axial force, as well as the influence of warping effects. For such reason an attempt was made in order to define a practical method to refine the results obtained by a 6 DoF analysis in order to better capture the M-N interaction and therefore to obtain safer and more precise results. Such method, which will be carefully presented and investigated afterwards, allows to employ the results in terms of internal actions and buckling from a 6 DoF software to define a simplified M-N interaction domain, through which it is possible to obtain, using a geometrical approach, a buckling analysis that most closely approximates, from the safe side, the 7 DoF one. The validation of such assumption will be realized through a parametric analysis on control models. Once the importance of the type of modeling approach has been defined it is possible to focus on the study of the analysis methods defined by the Eurocode. Two versions, and the relative prescriptions and differences, of the codes are considered: the current version EC3-1-1:2005 and the new one EC3-1-1:2020 which has yet to be put in effect. The methods will be tested on reference models considering different combinations of loads and joint stiffnesses, and the results will be compared in order to examine the influence of the changes that will be introduced with the new Eurocode version. In conclusion, the aim of this paper is to present an accurate analysis of the details related to the procedures that are used during the design phases, which could allow the designers to understand and apply such prescriptions more easily, as well as to propose an alternative and practical method that allows to refine the results obtained by means of the most common FE software, therefore increasing the safety of the design yet simultaneously avoiding the necessity of resorting to the less commonly used, and in some cases less accurate due to the complexity of the implementation of the program itself, 7 DoF software.

La progettazione delle strutture in acciaio si articola principalmente in due fasi: 1) l’analisi dell’intera struttura attraverso cui è possibile predire la risposta della struttura in termini di azioni interne, momenti e spostamenti 2) una serie di verifiche realizzate su ogni elemento e connessione in modo da verificarne la corretta progettazione in funzione delle condizioni di carico. Le norme riguardo ogni fase della suddetta procedura sono definite all’interno dell’Eurocodice, nel quale sono descritte diverse tipologie di approccio, che differiscono le une dalle altre in funzione del grado di complessità e completezza, e che sono solitamente applicate sulla base dei risultati ottenuti attraverso un’analisi ad elementi finiti. L’obbiettivo di questa tesi è quello di analizzare nel dettaglio le conseguenze legate a tali approcci per il design, focalizzandosi sulle basi teoriche, sui problemi legati ad ognuno di essi e sull’influenza della tipologia di software utilizzato per l’analisi strutturale. Tale scelta è legata al fatto che le norme contenute nei codici, come anche i risultati ottenuti attraverso le analisi ad elementi finiti, sono caratterizzate da un certo grado di incertezza, il quale può essere attribuito a diversi fattori, che verranno introdotti e analizzati in dettaglio in questo elaborato, e i quali possono influire sul corretto design degli elementi. Per poter applicare i metodi prescritti nei codici è necessario conoscere la risposta della struttura, la quale può essere ottenuta attraverso l’impiego di software di modellazione ad elementi finiti, per cui è fondamentale conoscere l’influenza di tali risultati. Nella pratica contemporanea è possibile servirsi di diverse tipologie di software commerciali, ma la distinzione fondamentale riguarda l’approccio teorico per la modellazione, la quale può essere realizzata considerando elementi a 6 o 7 gradi di libertà (GdL). Tale distinzione porta ad ottenere risultati differenti dall’approccio puramente teorico; questo perché il modello a 6 GdL, il quale rappresenta l’approccio tipico della maggioranza dei software ad elementi finiti, non permette di catturare correttamente né l’interazione tra momento flettente e azione assiale né l’influenza degli effetti torsionali (ingobbamento). Per tali motivazioni si è cercato di definire un approccio semplificato che permetta di rifinire i risultati ottenuti attraverso un’analisi a 6 GdL in modo tale da cogliere l’influenza dell’interazione M-N ed incrementarne la precisione. Tale metodo, il quale verrà accuratamente presentato e analizzato in seguito, permette di sfruttare i risultati in termini di azioni interne, momenti e instabilità di un’analisi a 6 GdL per definire un dominio di interazione M-N semplificato, attraverso il quale, servendosi di un approccio geometrico, è possibile ottenere un’analisi di instabilità che meglio approssima, a favore di sicurezza, una modellazione a 7 GdL. La validazione di tali ipotesi verrà realizzata per mezzo di analisi parametriche su casi studio. Una volta che l’importanza della tipologia di modellazione è stata definita, è possibile focalizzarsi sullo studio dei metodi di analisi definiti all’interno dell’Eurocodice. Due diverse versioni, e le relative prescrizioni e differenze, verranno prese in esame: quella attualmente in utilizzo EC3-1-1:2005 e la nuova EC3-1-1:2020, la quale deve ancora essere resa effettiva. I metodi saranno testati su casi studio considerando diverse combinazioni in termini di carichi e rigidezza dei giunti e, in seguito, i risultati verranno comparati in modo tale da esaminare l’influenza dei cambiamenti che verranno introdotti con la nuova versione dell’Eurocodice. In conclusione, l’obiettivo di questo elaborato è di presentare un’analisi dettagliata delle procedure utilizzate in fase di progettazione dei sistemi intelaiati in acciaio, in modo da permettere ai progettisti di capire e applicare le prescrizioni più facilmente, ed inoltre di proporre un approccio pratico alternativo per la rifinitura dei risultati ottenuti per mezzo dei software ad elementi finiti più in uso, incrementando, dunque, la sicurezza in fase progettuale e contemporaneamente evitando la necessità di dover ricorrere all’utilizzo dei meno comunemente usati, e in alcuni casi meno precisi a causa della complessità di implementazione in se, software a 7 GdL.

Critical analysis of the design approaches for steel frames

SAVORANI, EMANUELE
2022/2023

Abstract

The design of steel structures is carried out following a step procedure in which it is possible to define two main phases: 1) a structural analysis of the overall frame, through which it is possible to predict the response of the frame in terms of internal action, moments and also in terms of displacements. 2) a series of safety checks realized for each member and joint in order to assure the correct design, with respect to the load conditions, of such elements The prescriptions for the phases of such procedure are defined by the Eurocode, in which it is possible to find various types of approaches that differ one from the other for the degree of complexity and completeness and are usually based on the results obtained through a finite element analysis. The purpose of this paper is to carefully investigate the implications related to the different approaches that can be used during the design phase, focusing on the theory behind, on the problems related to each one as well as to the influence of the type of software that can be used for the study of the structure. Such choice is related to the fact that the Eurocode’s prescriptions, as well as the results obtained by a certain type of finite element analysis, are characterized by a certain degree of uncertainty, which can be ascribed to many different factors, that will be introduced and carefully investigated hereafter, and such uncertainties can reflect upon the design of a frame element. The methods described in the codes make use of the results regarding the full response of a frame obtained through a finite element analysis, therefore, it is fundamental to understand the influence of such results. In contemporary practice it is possible to employ different types of commercial software that allow to realize a finite element analysis on complex frames. The main distinction that must be highlighted regards the theoretical approach behind the modelling of the single finite element, which can be done either considering a 6 or 7 degrees of freedom approach. Such choice could lead to differences regarding the precision of the results with respect to the purely theoretical approach, because the classic 6 DoF models, which represent the approach used by the majority of the FE software, do not capture the influence of the interaction between bending moment and axial force, as well as the influence of warping effects. For such reason an attempt was made in order to define a practical method to refine the results obtained by a 6 DoF analysis in order to better capture the M-N interaction and therefore to obtain safer and more precise results. Such method, which will be carefully presented and investigated afterwards, allows to employ the results in terms of internal actions and buckling from a 6 DoF software to define a simplified M-N interaction domain, through which it is possible to obtain, using a geometrical approach, a buckling analysis that most closely approximates, from the safe side, the 7 DoF one. The validation of such assumption will be realized through a parametric analysis on control models. Once the importance of the type of modeling approach has been defined it is possible to focus on the study of the analysis methods defined by the Eurocode. Two versions, and the relative prescriptions and differences, of the codes are considered: the current version EC3-1-1:2005 and the new one EC3-1-1:2020 which has yet to be put in effect. The methods will be tested on reference models considering different combinations of loads and joint stiffnesses, and the results will be compared in order to examine the influence of the changes that will be introduced with the new Eurocode version. In conclusion, the aim of this paper is to present an accurate analysis of the details related to the procedures that are used during the design phases, which could allow the designers to understand and apply such prescriptions more easily, as well as to propose an alternative and practical method that allows to refine the results obtained by means of the most common FE software, therefore increasing the safety of the design yet simultaneously avoiding the necessity of resorting to the less commonly used, and in some cases less accurate due to the complexity of the implementation of the program itself, 7 DoF software.
ING I - Scuola di Ingegneria Civile, Ambientale e Territoriale
5-ott-2023
2022/2023
La progettazione delle strutture in acciaio si articola principalmente in due fasi: 1) l’analisi dell’intera struttura attraverso cui è possibile predire la risposta della struttura in termini di azioni interne, momenti e spostamenti 2) una serie di verifiche realizzate su ogni elemento e connessione in modo da verificarne la corretta progettazione in funzione delle condizioni di carico. Le norme riguardo ogni fase della suddetta procedura sono definite all’interno dell’Eurocodice, nel quale sono descritte diverse tipologie di approccio, che differiscono le une dalle altre in funzione del grado di complessità e completezza, e che sono solitamente applicate sulla base dei risultati ottenuti attraverso un’analisi ad elementi finiti. L’obbiettivo di questa tesi è quello di analizzare nel dettaglio le conseguenze legate a tali approcci per il design, focalizzandosi sulle basi teoriche, sui problemi legati ad ognuno di essi e sull’influenza della tipologia di software utilizzato per l’analisi strutturale. Tale scelta è legata al fatto che le norme contenute nei codici, come anche i risultati ottenuti attraverso le analisi ad elementi finiti, sono caratterizzate da un certo grado di incertezza, il quale può essere attribuito a diversi fattori, che verranno introdotti e analizzati in dettaglio in questo elaborato, e i quali possono influire sul corretto design degli elementi. Per poter applicare i metodi prescritti nei codici è necessario conoscere la risposta della struttura, la quale può essere ottenuta attraverso l’impiego di software di modellazione ad elementi finiti, per cui è fondamentale conoscere l’influenza di tali risultati. Nella pratica contemporanea è possibile servirsi di diverse tipologie di software commerciali, ma la distinzione fondamentale riguarda l’approccio teorico per la modellazione, la quale può essere realizzata considerando elementi a 6 o 7 gradi di libertà (GdL). Tale distinzione porta ad ottenere risultati differenti dall’approccio puramente teorico; questo perché il modello a 6 GdL, il quale rappresenta l’approccio tipico della maggioranza dei software ad elementi finiti, non permette di catturare correttamente né l’interazione tra momento flettente e azione assiale né l’influenza degli effetti torsionali (ingobbamento). Per tali motivazioni si è cercato di definire un approccio semplificato che permetta di rifinire i risultati ottenuti attraverso un’analisi a 6 GdL in modo tale da cogliere l’influenza dell’interazione M-N ed incrementarne la precisione. Tale metodo, il quale verrà accuratamente presentato e analizzato in seguito, permette di sfruttare i risultati in termini di azioni interne, momenti e instabilità di un’analisi a 6 GdL per definire un dominio di interazione M-N semplificato, attraverso il quale, servendosi di un approccio geometrico, è possibile ottenere un’analisi di instabilità che meglio approssima, a favore di sicurezza, una modellazione a 7 GdL. La validazione di tali ipotesi verrà realizzata per mezzo di analisi parametriche su casi studio. Una volta che l’importanza della tipologia di modellazione è stata definita, è possibile focalizzarsi sullo studio dei metodi di analisi definiti all’interno dell’Eurocodice. Due diverse versioni, e le relative prescrizioni e differenze, verranno prese in esame: quella attualmente in utilizzo EC3-1-1:2005 e la nuova EC3-1-1:2020, la quale deve ancora essere resa effettiva. I metodi saranno testati su casi studio considerando diverse combinazioni in termini di carichi e rigidezza dei giunti e, in seguito, i risultati verranno comparati in modo tale da esaminare l’influenza dei cambiamenti che verranno introdotti con la nuova versione dell’Eurocodice. In conclusione, l’obiettivo di questo elaborato è di presentare un’analisi dettagliata delle procedure utilizzate in fase di progettazione dei sistemi intelaiati in acciaio, in modo da permettere ai progettisti di capire e applicare le prescrizioni più facilmente, ed inoltre di proporre un approccio pratico alternativo per la rifinitura dei risultati ottenuti per mezzo dei software ad elementi finiti più in uso, incrementando, dunque, la sicurezza in fase progettuale e contemporaneamente evitando la necessità di dover ricorrere all’utilizzo dei meno comunemente usati, e in alcuni casi meno precisi a causa della complessità di implementazione in se, software a 7 GdL.
Tesi di laurea Magistrale
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/211062