Structural behavior of ferritic stainless steel subjected to combined loading

Ferritic stainless steel is a material resistant to corrosion and with good aspect, whose structural behavior hasn't been completely investigated. The norms such as the EN 1993-1-4 have been set out especially taking into consideration other types of stainless steels, such as the austenitic and duplex grades, which have been particularly considered throughout the analyses and experimental tests accomplished in the last years. Furthermore, this norm is based on EN 1993-1-1, dedicated to carbon steel, which shows noticeably different properties respect to stainless steel. Nevertheless, ferritic stainless steel exhibits favorable characteristics respect to the austenitic one, for instance avoiding the content of nickel which is characterized by an unstable price, which could negatively influences the final cost of the material. For this reason ferritic stainless steel could be considered an interesting material in the field of construction. Regarding the verification and design of columns subjected to combined loading, the current norm has been developed by basing on experimental and numerical tests concerning austenitic and duplex stainless steel grades, without considering the effective distribution of bending moment along the length of the member. Therefore, the interaction factor ky suggested by EN 1993-1-4 couldn't be suitable for the structural design of ferritic stainless steel columns. This work presents a comparison between the numerical results obtained by means of the FEM code Abaqus and the analytical solutions evaluated firstly through the proposed expression of EN 1993-1-4 and subsequently through some new proposals, published in the literature, which exhibit the purpose to improve the Eurocode approach. In these comparisons it was necessary to calibrate the partial safety factor γM1 not always able to ensure results lying on the safe side. Additionally, a new expression for the interaction coefficient ky, which better adjusts the obtained numerical results, has been proposed. This expression should be assessed in the future by means of further numerical and experimental tests.

L’acciaio inossidabile ferritico è un materiale resistente alla corrosione, con notevoli vantaggi dal punto di vista estetico, meccanico ed economico e il cui comportamento strutturale non è stato ancora del tutto investigato. Le norme come l’Eurocodice 3 EN 1993-1-4 per il dimensionamento di elementi strutturali di acciaio inossidabile, sono state calibrate tenendo in considerazione altri tipi di acciaio inossidabile, come l'austenitico e il duplex. Inoltre, la EN 1993-1-4 è basata sull'Eurocodice 3 relativo alla progettazione di elementi di acciaio al carbonio (EN 1993-1-1), materiale che mostra proprietà notevolmente differenti rispetto all'acciaio inossidabile. In particolare, l’acciaio inossidabile ferritico si dimostra vantaggioso anche dal punto di vista economico, dato il ridotto contenuto di nickel da cui è caratterizzato. Il nickel è un elemento che presenta un prezzo instabile che influenza negativamente il costo finale del materiale. Per questo motivo l’acciaio ferritico può essere considerato un materiale interessante nel campo delle costruzioni. Riguardo alla verifica e al progetto di colonne soggette a pressoflessione, la norma corrente è stata sviluppata basandosi su analisi numeriche e sperimentali trascurando l’influenza della distribuzione di momento flettente lungo l’elemento. Per questo motivo il coefficiente di interazione ky fornito dalla EN 1993-1-4 può non essere adeguato per un buon dimensionamento strutturale di colonne di acciaio inossidabile ferritico. Questa tesi consiste principalmente nello sviluppo di modelli numerici di colonne compresse e pressoinflesse attraverso il software FEM Abaqus e in numerosi confronti tra i risultati numerici ottenuti e le soluzioni analitiche fornite sia dalle norme in vigore che da nuove proposte pubblicate in letteratura. Alla luce di questi confronti, si rende necessario calibrare il coefficiente parziale di sicurezza γM1, che non sempre consente di ottenere risultati a favore di sicurezza. Inoltre, è stata introdotta una nuova proposta per il coefficiente di interazione ky, che meglio si adatta ai risultati numerici ottenuti, anche con distribuzioni di momento flettente diverse da quella costante.