Compressive Strength of Truss Bridge Members Made of Laced Built-Up Sections

«Les pièces en acier assemblées, fréquemment utilisés dans les ponts en treillis et les structures métalliques lourdes, sont généralement constituées de sections en C ou de cornières reliées entre elles par des plaques discontinues, des plaques perforées, ou des barres de liaison. Durant la décennie 1950-1960 ces configurations assemblées constituaient une solution efficace pour former des éléments de grande section et de résistance élevée. Toutefois, leur comportement au flambement est particulièrement complexe, étant régi par l’interaction entre le voilement local de la section transversale, le flambement global des membrures longitudinales et le flambement d’ensemble de la pièce assemblée. Ces interactions sont souvent mal prises en compte dans les règlements actuels, créant une incertitude quant à la prédiction de leur résistance ultime et de leur fiabilité. Cette thèse s’inscrit dans un projet de recherche lancé par Les Ponts Jacques-Cartier et Champlain Incorporée (PJCCI) dans le cadre de la déconstruction de l’ancien pont Champlain à Montréal. L’objectif principal est de proposer une méthode de conception rationnelle permettant d’évaluer la résistance en compression des pièces assemblées avec étrésillons, tout en tenant compte du voilement local, du flambement global et du flambement d’ensemble, ainsi que de leurs interactions. Pour y parvenir, une méthodologie basée sur des modèles par éléments finis (EF) est développée afin de reproduire fidèlement le comportement au flambement observé dans des essais expérimentaux de la littérature. Une fois validée, cette méthodologie est utilisée pour réaliser une vaste étude paramétrique, menant à l’élaboration d’équations de dimensionnement pratiques pour les membrures principales et leur système de liaison. Le programme de recherche est structuré en trois études principales. La première propose une nouvelle équation pour estimer les efforts tranchants dans les pièces assemblés avec des systèmes de liaison simples (diagonales) et doubles (X). Les méthodes proposées dans les deuxième et troisième études reposent sur le concept d’interaction globale connu sous l’acronyme O.I.C. (Overall Interaction Concept) : la deuxième étude développe une approche de conception pour déterminer la résistance en compression des pièces assemblés à doubles liaisons (X) soumis à un flambement dans le plan, tandis que la troisième étend cette approche au flambement hors plan. Les résultats montrent que les efforts tranchants de second ordre dans les pièces assemblées sont fortement influencés par la configuration des liaisons, l’élancement des sections et des barres de liaison, ainsi que par la longueur de l’élément. Pour les éléments à élancement intermédiaire, ces efforts peuvent dépasser les valeurs minimales couramment supposées dans les normes, suggérant que ces hypothèses peuvent être insuffisantes pour les pièces élancées et trop conservatrices pour les pièces courtes. Les résultats démontrent également que l’interaction entre le voilement local, le flambement global des éléments longitudinaux et le flambement de l’ensemble influence significativement la résistance en compression des pièces assemblées. Les équations de conception existantes se révèlent non conservatrices pour certaines configurations, en particulier pour les sections et pièces très élancées. À travers les trois études, les équations proposées offrent une précision, une fiabilité et une performance prédictive nettement améliorées pour une large gamme de pièces assemblées avec barres de liaison, y compris celles qui ne respectent pas les limites géométriques ou d’élancement imposées par les normes actuelles. Par ailleurs, les analyses de fiabilité réalisées conformément à l’EN 1990 et selon le cadre de l’AISC-LRFD, confirment que les règles de conception proposées offrent une méthode fiable et robuste pour la conception des pièces assemblés à liaisons. Les résultats contribuent ainsi au développement de directives de conception améliorées pour les pièces comprimés assemblés dans les structures en acier.»

Abstract

«Built-up steel members, commonly used in truss bridges and heavy steel structures, are typically composed of C-shaped (channels) or angle-based sections (plates connected with angles to form a C-shape) connected by batten plates, lacing bars, or perforated plates. At the time, such built-up configurations were an efficient means of forming members with large cross-sections and high resistance. However, their buckling behaviour is highly complex, governed by the interaction between local buckling of the cross-section, global buckling of the chords, and the overall built-up buckling of the members. These interactions are often not fully captured in current design provisions, leading to uncertainty in predicting their ultimate strength and reliability. This thesis is part of a research project initiated by Jacques Cartier and Champlain Bridge Incorporated (JCCBI) in relation to the deconstruction of the Original Champlain Bridge in Montreal, Canada. The primary objective of this thesis is to provide a rational design approach capable of evaluating the compressive resistance of laced built-up members while accounting for local, global, and overall built-up buckling, as well as their interactions. To achieve this, a methodology based on finite element (FE) models is developed to accurately replicate the buckling behaviour observed in laboratory tests from literature. The validated methodology is then used to perform extensive parametric studies, leading to the formulation of practical design equations for such members, including their lacing systems and main chords. The research is structured into three core studies. The first introduces a new design equation for estimating the shear force in laced built-up members with single (diagonal) and double (X) lacing systems. The second and third studies build upon the extended Overall Interaction Concept: the former proposes a design approach for evaluating the compressive resistance of double-X laced members under in-plane buckling, while the latter extends this approach to out-of-plane buckling. The results show that second-order shear forces in laced built-up members are significantly influenced by lacing arrangement, lacing and chord slenderness, and member length. For members with intermediate slenderness, these shear forces can exceed the commonly assumed minimum values prescribed by design codes, indicating that these assumptions may be insufficient for slender members and overly conservative for short members. The findings further demonstrate that the interaction between local, global, and built-up buckling has a substantial effect on the overall capacity of built-up members. Existing design equations exhibit unconservative predictions for certain configurations, particularly for sections and members with high slenderness. Across the three studies, the proposed equations consistently provide improved accuracy, reliability, and predictive capability for a broad range of laced built-up members, including cases outside the geometric and slenderness limits of current design standards. Furthermore, reliability analyses incorporating the tail approximation technique, conducted in accordance with EN 1990 and the AISC-LRFD framework, confirmed that the proposed design rules offer a safe and reliable method for designing laced built-up columns. The findings contribute to the development of improved design guidelines for built-up compression members in steel structures.»