Shear buckling resistance of high-strength steel plate girders and design of transverse web stiffeners

May 22, 2025

Os reforços transversais são componentes essenciais no dimensionamento de vigas de aço de secção soldada, melhorando a estabilidade da alma ao esforço transverso. No entanto, o potencial benefício do uso de aços de alta resistência é muitas vezes limitado se ocorrer a rotura prematura por estabilidade. Além disso, o dimensionamento eficiente dos reforços transversais é limitado pelas normas de projeto atuais, que frequentemente levam a superestimações, pois baseiam-se em cenários de carregamento fictícios. É avaliado o comportamento dos reforços transversais através de análises experimentais e numéricas, propondo um método de dimensionamento alinhado com o comportamento das vigas reforçadas. Foi realizada uma revisão bibliográfica abrangente relacionada com a encurvadura por esforço transverso de placas e o dimensionamento de reforços. Dez vigas com diferentes geometrias foram testadas sob esforços de corte e flexão. A resistência à encurvadura por corte, deformações e tensões nos reforços foram analisadas, permitindo validar as simulações numéricas. Modelos de elementos finitos não-lineares elasto-plásticos foram utilizados para replicar os ensaios e as curvas de dimensionamento regulamentares. Um estudo paramétrico analisou diversos materiais e configurações geométricas, confirmando a sobreavaliação da conceção atual. Foi analisada a rigidez à flexão dos reforços transversais, necessária para evitar a rotura prematura até atingida a capacidade última da viga, examinando a redução da resistência ao corte para diferentes configurações geométricas das vigas e dos reforços. Finalmente, é proposto um método de dimensionamento dos reforços transversais intermédios que permite a melhor compreensão do comportamento real dos reforços, conferindo simultaneamente uma base fiável e uma abordagem prática. Este método possibilita uma utilização otimizada do aço, promovendo soluções mais económicas e sustentáveis. O método proposto foi validado através da comparação com resultados de simulações numéricas e normas relevantes. Adicionalmente, casos de estudo realçam o seu potencial para melhorar a segurança e o desempenho em cenários práticos de engenharia. Transverse stiffeners are essential components in the design of welded steel plate girders, particularly for enhancing the web's stability under shear loading. However, stability design often limits the efficiency of plate girders made from high-strength steels, as the potential benefits of using these materials are negated if premature failure occurs due to stability issues. Moreover, the efficient design of transverse stiffeners is limited by current design standards which often lead to overestimations, as they rely on fictitious axial loading scenarios. The present study evaluates the actual behaviour of intermediate transverse stiffeners through experimental and numerical analysis, proposing a design method which better aligns with actual stability behaviour of stiffened webs of plate girders. A comprehensive literature review focused on shear plate buckling and stiffener design was conducted. Ten plate girders with different geometric configurations were tested under bending and shear. The shear buckling resistance, deformations, and internal forces on the stiffeners were analysed, validating the numerical results. Non-linear elasto-plastic finite element models were used to replicate tests and standard design curves. A parametric study examined a wide range of materials and geometric configurations, confirming the tendency of current designs to overestimate internal forces on the stiffener. Additionally, the required bending stiffness of transverse stiffeners to prevent failure up to the girder’s ultimate shear load was assessed by examining shear buckling capacity reductions across different plate girders and stiffener designs. Finally, a new design method for intermediate transverse stiffeners is proposed, based on a minimum bending stiffness. This method provides a reliable basis and practical approach to design, and aims for the optimal material usage, contributing to more cost-effective and sustainable structural solutions. The proposed design method was validated through finite element simulations and relevant standards, and case studies demonstrate its ability to enhance safety and performance in real-world engineering applications.

Authors in the community:

• 

  S

  Sérgio Marcelo de Deus Nascimento

  ist172737

Supervisors of this institution:

• 

  J

  José Joaquim Costa Branco de Oliveira Pedro

  ist12924

101622562

Doutoramento em Engenharia Civil

civil-engineering - Civil engineering

Keywords

• High-strength steel plate girders
• shear buckling
• transverse web stiffeners
• experimental testing
• nonlinear numerical analysis
• Viga de secção soldada de aço de alta resistência
• encurvadura por esforço transverso
• reforço transversal da alma
• ensaios experimentais
• análise numérica não linear

eng - English

Instituto Superior Técnico

Financing entity

Fundação para a Ciência e a Tecnologia

Identifier for the funding entity: https://doi.org/10.13039/501100001871

Type of identifier of the funding entity: Crossref Funder

Number for the project, award or grant: SFRH/BD/146561/2019