New approach for efficient design of stainless steel RHS and SHS elements
Authors:   , Arrayago Luquin Itsaso 
Published: July 2023

This thesis investigates the cross-section and member behaviour of cold-formed stainless steel RHS and SHS elements and proposes an alternative and more efficient design approach. Combined with aesthetic appeal, exceptional mechanical properties and excellent corrosion and fire resistances, efficient design methods present stainless steel as an attractive alternative to the usual carbon steel for structural applications.
Exhaustive studies of the nonlinear stress-strain behaviour and the analytical modelling of the response are presented for different stainless steel alloys. The study was based on 600 experimental stress-strain curves obtained from the literature and complemented with 42 tensile coupon tests. Although the material model currently included in Annex C of EN1993-1-4 (2006) was found to accurately represent the measured stress-strain curves for the different stainless steel grades and material types, revised equations were proposed for the strain hardening parameters n and m and for the ultimate tensile stress and strain for ferritics.
A comprehensive experimental programme on five cross-sections of ferritic stainless steel grade 1.4003 tubular elements is also described. The actual geometry and initial geometric imperfections were carefully measured and the material response of flat and corner regions of each section were characterized by conducting 20 tensile tests on coupons extracted from the cross-sections. The cross-sectional behaviour was investigated through 10 stub column tests under pure compression and 16 subjected to combined loading conditions, while 8 beams were tested under four-point bending configuration and 4 subjected to three-point bending loading conditions. At member level, the bending moment redistribution capacity of ferritic continuous beams was investigated by conducting 9 five-point bending tests. Finally, 12 tests were conducted on ferritic stainless steel columns to determine the behaviour of members subjected to concentric and eccentric compression loads. Additional data on austenitic, ferritic and duplex stainless steel elements was generated from parametric studies based on finite element models validated from the conducted experiments.
The assessment of the codified design expressions was derived by comparing experimental and numerical strengths with the calculated resistance predictions for stainless steel cross-sections and members subjected to different loading conditions. Results demonstrated that predictions are noticeably conservative for stocky and slender cross-sections since enhanced material properties are not considered and the susceptibility of cross-sections to local buckling is underestimated. Thus, a full slenderness range Direct Strength Method (DSM) approach was proposed for stainless steel RHS and SHS cross-sections and members based on the same strength curve for all loading conditions. The proposed approach was found to be more accurate for cross-sections, columns and beam-columns since strain hardening effects are incorporated and due to the fact that the actual stress distribution of the cross-section is considered when determining the slenderness. The reliability of the approach was demonstrated by statistical analyses, enabling its use in structural design standards.
Finally, the applicability of design approaches based on plastic analysis to stainless steel continuous beams was assessed. The analysis of continuous beam strengths demonstrated that capacity predictions based on the first hinge formation result in a considerable overconservatism and that traditional plastic design can be safely applied with the Class 1 cross-section limit provided in EN1993-1-4 (2006). However, it was also statistically demonstrated that the best capacity predictions are obtained for design methods including both bending moment redistribution and strain hardening effects, such as the Continuous Strength Method for indeterminate structures or the proposed DSM-based approach.
Esta tesis trata sobre el comportamiento de perfiles tubulares conformados en fío de acero inoxidable y propone expresiones de diseño alternativas y más eficientes. Un diseño eficiente de las estructuras de acero inoxidable, junto con sus adecuadas propiedades mecánicas y resistencia a la corrosión, hacen de este material una atractiva alternativa frente al acero al carbono para aplicaciones estructurales. Se ha realizado un estudio exhaustivo del comportamiento tensodeformacional de diferentes tipos de acero inoxidable, así como de los modelos analíticos que caracterizan su comportamiento. El estudio se basa en más de 600 curvas experimentales de material extraídas de la literatura y complementadas con 42 ensayos. Los resultados ponen en evidencia que el modelo material actualmente recogido en el Anejo C de la EN1993-1-4 (2006) representa adecuadamente el comportamiento tensodeformacional de diferentes grados y tipos de material. No obstante, se han propuesto nuevas expresiones para la determinación de los coeficientes de no linealidad n y m, así como para la predicción de la resistencia y deformación últimas de los aceros inoxidables ferríticos. La tesis también describe una campaña experimental en elementos tubulares de acero inoxidable ferrítico EN1.4003. Tras la medición de la geometría e imperfecciones iniciales, se procedió a la caracterización del comportamiento de las regiones planas y de esquina mediante 20 ensayos de material. El comportamiento seccional se ha estudiado mediante 10 ensayos de elementos cortos a compresión y 16 sometidos a flexocompresión, realizando también 8 ensayos sobre vigas biapoyadas sometidas a flexión pura y 4 sometidas a gradientes de flexión. El comportamiento a nivel de elemento se ha caracterizado mediante 12 ensayos de pilares sometidos a compresión y flexocompresión y el estudio sobre la capacidad de redistribución de estructuras de acero inoxidable ferrítico se ha basado en 9 vigas continuas. El comportamiento de los grados austeníticos, ferríticos y duplex se ha estudiado también mediante los modelos de elementos finitos previamente validados a partir de los ensayos realizados. La valoración de las expresiones de diseño actualmente recogidas en las diferentes normativas se ha llevado a cabo mediante la comparación de los resultados numéricos y experimentales con las cargas predichas para diferentes estados de carga. Dichos resultados han puesto de manifiesto que las resistencias predichas por las normativas son considerablemente conservadoras tanto para secciones robustas como esbeltas, puesto que no se tienen en cuenta los efectos de endurecimiento por deformación y el comportamiento de abolladura no está correctamente caracterizado. Por consiguiente, se ha propuesto un nuevo método de diseño basado en el Direct Strength Method (DSM) para secciones y elementos de acero inoxidable, aplicable en todo el rango de esbelteces y que emplea una misma curva de resistencia para los distintos casos de carga. Se ha demostrado que la nueva propuesta proporciona mejores resultados tanto a nivel seccional como en elementos y su fiabilidad se ha demostrado mediante el correspondiente análisis estadístico, permitiendo su inclusión en las normativas de diseño. Por último, se ha estudiado la aplicabilidad de los métodos de diseño basados en el cálculo global plástico en vigas continuas de acero inoxidable. El estudio ha demostrado que pese a que la consideración de métodos basados en cálculos elásticos proporciona resultados notablemente conservadores, los métodos tradicionales de diseño plástico pueden ser utilizados junto con la definición de Clase 1 actualmente recogida en EN1993-1-4 (2006). No obstante, también se ha demostrado que la mejor predicción de resistencia viene dada por aquellos métodos que incorporan tanto la redistribución de esfuerzos como los efectos de endurecimiento por deformación, como son el Continuous Strength Method o el método propuesto basado en el DSM