Evaluation of ultimate compressive strength of flanges stiffened with u-ribs in wide steel box-girder

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study proposes a method to evaluate the in-plane ultimate compressive strength of stiffened flanges with U-ribs in a wide steel box-girder. When a primary bending moment and/or an axial force are applied to the steel box-girder, the main load component of top or bottom flanges is longitudinal in-plane axial compression. For the reason above, the stiffened flanges with U-ribs are separated from the box-girder and modeled by finite elements with idealized boundary conditions.
Generally, the stiffened flanges between diaphragms are designed to behave as if simple support conditions were applied. If the diaphragms are stiff (thick) enough in the out of plane direction, loaded edges of the stiffened flanges will have the same displacement in longitudinal direction. This condition can be analyzed by displacement control. However, if the diaphragms are flexible (thin) enough in the out of plane direction, all parts of the loaded edges of the stiffened flanges will have different displacements in the longitudinal direction. This condition has to be analyzed by force control. Thus, the ultimate compressive strengths of the stiffened flanges are evaluated considering effects of the bending stiffness of the diaphragms on in-plane behaviors of the stiffened flange. This study shows that the effect of the diaphragm is negligible under the practical thickness. Thus, the force control is considered to be more appropriate than the displacement control for evaluation of the ultimate compressive strength of flanges stiffened with U-ribs. Based on the ultimate compressive strengths in the force control, a strength formula is proposed.
The FHWA (Federal Highway Administration) provisions are reviewed and evaluated in terms of the finite element solution in this study. The FHWA provisions accurately estimate the ultimate compressive strengths of the stiffened flanges in the force control. The ultimate compressive strengths from the FHWA provisions are nearly the same as those from the proposed strength formula.
Thus, this study recommends the proposed strength formula or the FHWA provisions for evaluation of the ultimate compressive strength of stiffened flanges with U-ribs. Either way, the ultimate compressive strengths are almost same.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 U리브로 보강된 광폭 강박스거더 플랜지의 극한 압축강도를 평가하는 방법을 제안한다. 박스거더가 휨 또는 압축력을 받을 때, 박스거더의 상부플랜지나 하부플랜지는 면내 압축상태에 놓이게 된다. 만약 웹과 같은 다른 부재들이 충분한 강성을 가지고 있다면, 박스거더의 극한휨강도는 상부플랜지 또는 하부플랜지의 극한압축강도에 의해서 지배된다. 이러한 이유로 본 연구에서는 보강판의 극한압축강도 평가를 수행하였다. 이를 위해, U리브로 보강된 판을 박스거더에서 분리한 후, 적절한 경계조건을 적용하여 모델링하였다.
일반적으로, 보강판은 다이아프램 사이에서 단순경계조건으로 거동하도록 설계된다. 만약 다이아프램의 두께가 상당해서 면외 휨강성이 충분하다면, 보강판에서 하중이 재하되는 부분의 면내 변위는 모두 동일하게 발생할 것이다. 이 경우는, 변위제어법으로 해석할 수 있다. 그러나 다이아프램의 두께가 얇아서 면외 휨강성이 충분하지 않다면, 보강판에서 하중이 재하되는 부분의 면내 변위는 모두 다르게 발생할 것이다. 이 경우는, 하중제어법으로 해석해야 한다. 본 연구에서는 다이아프램의 면외 휨강성이 보강판의 면내 거동에 미치는 영향을 분석하여 U리브로 보강된 플랜지의 극한압축강도를 평가하였다. 본 연구에는 실제 설계에서 사용되는 다이아프램의 두께를 고려할 경우, 다이아프램의 효과가 무시할 만한 수준임을 확인하였으며, 변위제어법보다 하중제어법으로 보강판의 극한압축강도를 평가해야 함을 보인다. 또한, 하중제어법에 의해 산출된 극한압축강도를 바탕으로 강도평가식을 제안한다.
현재 널리 사용되고 있는 미연방도로관리청(FHWA)에서 제안한 강박스거더 강도평가식을 분석하였으며, 미연방도로관리청(FHWA)의 강도평가식이 본 연구의 하중제어에 의한 유한요소해석결과와 거의 일치함을 확인하였다. 미연방도로관리청(FHWA) 강도평가식과 본 연구의 제안식은 동일한 결과를 제공한다.
따라서, 본 연구에서는 U리브로 보강된 광폭 강박스거더 플랜지의 극한압축강도평가시, 미연방도로관리청(FHWA)의 설계규정 또는 본 연구의 제안식을 사용할 것을 추천한다.

목차 (Table of Contents)

• ABSTRACT III
• 1. INTRODUCTION 1
• 2. NUMERICAL METHODS FOR EVALUATION OF ULTIMATE COMPRESSIVE STRENGTH 9
• 2.1 In-plane ultimate compressive strength 12
• 2.2 Theory of small deformation plasticity in stiffened flanges 14
• 2.3 Finite element modeling of stiffened flanges with U-ribs 47
• 2.4 Initial geometric imperfection 57
• 2.5 Residual stress and recovery of its effect 61
• 2.6 Force control and displacement control 66
• 2.7 Modeling of diaphragms 70
• 2.8 Proposed method for evaluation of ultimate compressive strength of stiffened flanges with U-ribs 73
• 2.9 Verification to finite element scheme 76
• 3. ULTIMATE COMPRESSIVE STRENGTH OF STIFFENED FLANGES WITH U-RIBS 79
• 3.1 Effect of bending stiffness of diaphragms on in-plane behaviors of stiffened flanges with U-ribs 81
• 3.2 Differences between behaviors of stiffened flanges in force control and displacement control 87
• 3.3 Strengths and behaviors of stiffened flanges with U-ribs 94
• 3.4 Influence of initial geometric imperfection 103
• 3.5 Influence of residual stresses 108
• 3.6 Snap-though like phenomenon in stiffened flanges with U-ribs 113
• 3.7 Proposed strength formula for stiffened flanges with U-ribs 127
• 3.8 Evaluation of proposed strength formula based on statistics 143
• 3.9 Ultimate compressive strength based on probability distribution of random variable 154
• 4. VALIDITY OF CURRENT DESIGN CODE ‘FHWA PROVISIONS’ 157
• 4.1 Philosophy and basic assumptions 159
• 4.2 Ultimate compressive strength by the interaction diagram method 164
• 4.3 Evaluation of ultimate compressive strength of stiffened flanges by the FHWA provisions 167
• 4.4 Applicability of the FHWA provisions to HSB600 steel and SM570 steel 178
• 5. CONCLUSIONS AND FURTHER STUDY 182
• REFERENCES 188