Effective design width for perforated cold-formed steel compression members

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Abstract

Perforations are often provided in the web and (or) flange plates of beams and columns of cold-formed steel (CFS) structural members in order to facilitate duct work, piping, and bridging. This paper is concerned with the establishment of effective design width equations for the determination of the ultimate strength of such perforated members in compression. A proven finite element model has been used to study the effects of perforation parameters on the ultimate strength of perforated members. The finite element model consists of short columns of lipped channel CFS sections, discretized using nonlinear “assumed strain” shell finite elements, and utilising experimental-based material properties models. The parametric study covers web slenderness values between 31 and 194, perforation width to web width ratios up to 0.6, and perforation height to perforation width ratios up to 3.0. Effective design width equations for plates having square perforations and elongated perforations were developed. The efficiency and accuracy of these two equations in predicting the ultimate strength of perforated CFS compression members have been verified through a comparison with the ultimate load results of several experimental studies from the literature.

Les perforations sont souvent effectuées dans l'âme et (ou) dans les ailes des profilés des poutres et des colonnes en acier façonnés à froid (AFF), dans le but de faciliter les travaux de canalisation, de tuyauterie et d'entretoisement. Cet article s'intéresse à l'établissement d'équations de conception pour le calcul de la largeur effective lors la détermination de la résistance ultime des éléments perforés soumis à une charge en compression. Un modèle connu d'éléments finis fut utilisé pour étudier les effets des paramètres de perforation sur la résistance ultime des éléments perforés. Le modèle consiste en de courtes colonnes de profilés à rebord en AFF, discretisé au moyen d'une coque en éléments finis de déformations présumées, non linéaires, et en utilisant des modèles de propriétés des matériaux basés sur des essais expérimentaux. L'étude paramétrique couvre des valeurs d'élancement de l'âme de 31 à 194, ainsi que des rapports de la largeur de perforation sur celle de l'âme allant jusqu'à 0,6, et des rapports de la hauteur de perforation sur sa largeur allant jusqu'à 3,0. Les équations de conception de la largeur effective, pour des plaques ayant des perforations carrées et des perforations allongées, furent développées. L'efficacité et la précision de ces deux équations dans la prédiction de la résistance ultime des éléments perforés comprimés en AFF furent vérifiées par une comparaison des résultats de chargement ultime provenant de plusieurs études expérimentales dans la littérature.

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