Puntos de referencia

Evaluación del pandeo de placas según LR CSR (2024) – Cálculos manuales frente a validación del SDC Verifier

  SDC Verifier

Este punto de referencia evalúa la precisión y fiabilidad del análisis de pandeo de placas realizado con SDC Verifier comparándolo con cálculos manuales detallados basados en las Normas Estructurales Comunes (CSR) de LR para graneleros y petroleros (edición 2024), concretamente la Parte 1, Capítulo 8 – Pandeo.

Se modeló una placa de prueba con unas dimensiones de 10,2 × 5,4 × 1,1 metros y se cargó con una combinación de fuerzas axiales, transversales y de cizallamiento. Una de las placas superiores -de 3,4 × 1,35 metros y 12 mm de grosor-se seleccionó para una comprobación focalizada. El material utilizado fue acero dulce y todas las condiciones de contorno, escenarios de carga y coeficientes basados en el código se aplicaron de forma coherente en ambos métodos de cálculo.

El objetivo era:

  • Verifique los requisitos de esbeltez,

  • Calcule la tensión de pandeo elástico y los factores de tensión crítica,

  • Resuelva analíticamente las cuatro ecuaciones de estado límite LR CSR,

  • Derive las tensiones últimas de pandeo y el factor de utilización,

  • Valide los resultados mediante una simulación MEF completa y una comprobación del SDC Verifier.

Se diseñó un modelo de placa de prueba con unas dimensiones de 10,2 × 5,4 × 1,1 m para realizar este análisis comparativo:

  SDC Verifier

El modelo se constriñó en las cuatro esquinas inferiores donde se conectan las placas laterales. Se aplicaron fuerzas en los bordes de la placa superior con los siguientes valores:

  • FL+=FL=3000 kN|F_L^+| = |F_L^-| = 3000 texto{kN}
  • FS+=FS=2550 kN|F_S^+| = |F_S^-| = 2550 texto{kN}
  • FP+=FP=2500 kN|F_P^+| = |F_P^-| = 2500 texto{kN}
  SDC Verifier

Selected Plate and Material Properties

One of the top plates was chosen for all the calculations included in the check.

  SDC Verifier

Plate dimensions:

  • Length:

    a=3.400 ma = 3.400 m

  • Width:

    b=1.350 mb = 1.350 m

  • Thickness:

    tp=0.012 mt_p = 0.012 m

Mild steel material properties:

  • Young’s Modulus:

    E=210 GPaE = 210 GPa

  • Poisson’s Ratio:

    ν=0.3nu = 0.3

  • Mass Density:

    ρ=7850 kg/m3rho = 7850 kg/m^3

  • Tensile Strength:

    Rm=360 MPaR_m = 360 MPa

  • Yield Stress:

    ReH_P=235 MPaR_{eH,P} = 235 MPa

Due to the complexity of the model, all required stress values were obtained with the help of FEM.

Obtained values:

  • σx=37.14 MPasigma_x = 37.14 MPa
  • σy=25.12 MPasigma_y = 25.12 MPa
  • τ=16.34 MPatau = 16.34 MPa

In order to check the results, analytical calculations were first carried out.

Slenderness requirement check (Pt. 1, Ch. 8, Sec. 2 / [2.2.1]):

tp>bcReH235t_p > frac{b}{c} sqrt{frac{R_{eH}}{235}}

12 mm>1350125235235 mm

12 mm > 10.8 mm

Final Equations for Limit States

(According to code Pt. 1, Ch. 8, Sec. 5 / [2.2.1]):

I.

(γc1σxSσcx)e0B(γc1σxSσcx)e02(γc1σySσcy)e02+(γc1σySσcy)e0+(γc1τSτc)e0=1

II. (when

σx0sigma_x geq 0

(γc2σxSσcx)2βp0.25+(γc2τSτc)2βp0.25=1

III. (when

σy0sigma_y geq 0

(γc3σySσcy)2βp0.25+(γc3τSτc)2βp0.25=1

IV.

γc4τSτc=1

Aspect Ratio of the Plate Panel

(Pt. 1, Ch. 8, Sec. 5 / Symbols)

The aspect ratio αalpha of the plate panel is defined as the ratio of its length aa to width bb:

α=abα=3.401.35α=2.519

Elastic Buckling Reference Stress

(Pt. 1, Ch. 8, Sec. 5 / Symbols)

The elastic buckling reference stress σEsigma_E was calculated using the formula:

σE=π2E12(1ν2)(tpb)2

Substituting the known values:

σE=π221010912(10.32)(0.0121.35)2 Pasigma_E = frac{pi^2 cdot 210 cdot 10^9}{12 cdot (1 – 0.3^2)} left(frac{0.012}{1.35}right)^2 text{Pa}

σE=14996549.9 Pa

Edge Stress Ratio and Correction Factors

  • Edge stress ratio

    ψpsi

    was set as 1 in both directions:
    (Pt. 1, Ch. 8, Sec. 5 / Symbols; stresses calculated using weighted average approach, Pt. 1, Ch. 8, App. 1 / [2.2.1])

    ψ=1

  • Correction factor

    FlongF_{long}

    was set as 1:
    (Pt. 1, Ch. 8, Sec. 5 / [2.2.4]; Table 2)

    Flong=1

  • Correction factor

    FtranF_{tran}

    was also set as 1:
    (Pt. 1, Ch. 8, Sec. 5 / [2.2.5])

    Ftran=1

Ultimate buckling stresses were calculated in 3 cases:
(Pt. 1, Ch. 8, Sec. 5 / Table 3)

Case 1:

  SDC Verifier

Plate Buckling Setup

The plate is compressed along the x-direction with an edge stress ratio ψ=1psi = 1.

Intermediate Parameters:

  • Effective width factor

    c=min((1.250.12ψ), 1.25)=min(1.13, 1.25)=1.13c = min left( (1.25 – 0.12psi), 1.25 right) = min(1.13, 1.25) = 1.13

  • Slenderness parameter

    λc=c2(1+10.88c)=1.132(1+10.881.13)=0.831lambda_c = frac{c}{2} left( 1 + sqrt{1 – frac{0.88}{c}} right) = frac{1.13}{2} left( 1 + sqrt{1 – frac{0.88}{1.13}} right) = 0.831

  • Buckling factor in x-direction

    Kx=Flong8.4ψ+1.1=18.41+1.1=4

Reference Degree of Slenderness in x-direction

(Pt. 1, Ch. 8, Sec. 5 / [2.2.2])

λx=ReH,PKxσE

Substituting values:

λx=235×1064×14996549.9=1.979

Reduction Factor for Stress in x-direction

CxC_x

(Pt. 1, Ch. 8, Sec. 5 / Table 3)

Cx=c(1λx0.22λx2)C_x = c left( frac{1}{lambda_x} – frac{0.22}{lambda_x^2} right)

Cx=1.13×(11.9790.221.9792)=0.507

Case 2:

  SDC Verifier

  • Parameters:

c=min((1.250.12ψ),1.25)=min((1.250.121),1.25)=1.13c = min((1.25 – 0.12psi), 1.25) = min((1.25 – 0.12 cdot 1), 1.25) = 1.13

λc=c2(1+10.88c)=1.132(1+10.881.13)=0.831lambda_c = frac{c}{2} left( 1 + sqrt{1 – frac{0.88}{c}} right) = frac{1.13}{2} left( 1 + sqrt{1 – frac{0.88}{1.13}} right) = 0.831

f1=(1ψ)(α1)=(11)(2.5191)=0

Ky=Ftran2(1+1α2)21+ψ+1ψ100(2.4α2+6.9f1)

Ky=12(1+12.5192)21+1+11100(2.42.5192+6.90)

Ky=12(1+12.5192)21+1+11100(2.42.5192+6.90)

Ky=1.340

Reference Degree of Slenderness in Y Direction λᵧ

(Pt. 1, Ch. 8, Sec. 5 / [2.2.2])

λy=ReH,PKyσElambda_y = sqrt{ frac{R_{eH,P}}{K_y cdot sigma_E} }

λy=2351061.34014996549.9=3.419lambda_y = sqrt{ frac{235 cdot 10^6}{1.340 cdot 14996549.9} } = 3.419

Factor c1c_1

(Pt. 1, Ch. 8, Sec. 5 / [2.2.3])

The coefficient c1c_1 was calculated appropriately to chosen the SP-A assessment method:

c1=(11α),and c10

  • Substituting:

c1=(112.519)=0.603

R=0.220R = 0.220

λp2=λy20.5and1λp23\lambda_p^2 = \lambda_y^2 – 0.5 \quad \text{and} \quad 1 \leq \lambda_p^2 \leq 3

λp2=3.41920.5and1λp23\lambda_p^2 = 3.419^2 – 0.5 \quad \text{and} \quad 1 \leq \lambda_p^2 \leq 3

λp2=3\lambda_p^2 = 3

Calculation of FF

F=(1(Ky0.911)1λp2)c1,F0F = left( 1 – left( frac{K_y}{0.91} – 1 right) frac{1}{lambda_p^2} right) cdot c_1, quad F geq 0

F=(1(1.3400.911)13)0.603=0.508

Calculation of TT

T=λy+1415λy+13T = lambda_y + frac{14}{15lambda_y} + frac{1}{3}

T=3.419+14153.419+13=4.026T = 3.419 + frac{14}{15 cdot 3.419} + frac{1}{3} = 4.026

Calculation of HH

H=λy2λyc(T+T24),HRH = lambda_y – frac{2lambda_y}{c(T + sqrt{T^2 – 4})}, quad H geq R

H=3.41923.4191.13(4.026+4.02624)=2.614(valid since H>R=0.22)

Reduction Factor for Stress in Y Direction CyC_y

(Pt. 1, Ch. 8, Sec. 5 / Table 3)

Cy=c(1λyR+F2(HR)λy2)

  • Substituted values:

Cy=1.13(13.4190.22+0.5082(2.6140.22)3.4192)C_y = 1.13 cdot left( frac{1}{3.419} – frac{0.22 + 0.508^2 cdot (2.614 – 0.22)}{3.419^2} right)

Cy=0.250

Case 15:

Kτ=3(5.34+4α2)

  • Substituted values:

Kτ=3(5.34+42.5192)K_tau = sqrt{3} left( 5.34 + frac{4}{2.519^2} right)

Kτ=10.341

Reference degree of slenderness in xyxy direction λτlambda_tau

(Pt. 1, Ch. 8, Sec. 5 / [2.2.2])

λτ=ReH,PKτσE

  • Substituted values:

λτ=235×10610.341×14996549.9=1.231

Reduction factor for stress in xyxy direction CτC_tau

(Pt. 1, Ch. 8, Sec. 5 / Table 3)

Cτ=0.84λτ

  • Substituted values:

Cτ=0.841.231=0.682

Ultimate buckling stresses

(Pt. 1, Ch. 8, Sec. 5 / [2.2.3])

  • In the direction parallel to the longer edge of the buckling panel:

σcx=CxReH,Psigma’_{cx} = C_x R_{eH,P}

σcx=0.507235 MPa=119.145 MPa

  • In the direction parallel to the shorter edge of the buckling panel:

σcy=CyReH,Psigma’_{cy} = C_y R_{eH,P}

σcy=0.250235 MPa=58.750 MPa

  • Shear:

τc=CτReH,P3tau’_c = C_tau cdot frac{R_{eH,P}}{sqrt{3}}

τc=0.682235 MPa3=92.532 MPa

The rest of the input parameters for final equations were calculated:

  • Plate slenderness parameter
    (Pt. 1, Ch. 8, Sec. 5 / [2.2.1]):

βp=btpReH,PEbeta_p = frac{b}{t_p} sqrt{frac{R_{eH,P}}{E}}

βp=1.3500.012235106210109=3.763

Coefficient BB

(Pt. 1, Ch. 8, Sec. 5 / Table 1):

B=0.70.3βpα2B = 0.7 – frac{0.3 cdot beta_p}{alpha^2}

B=0.70.33.7632.5192=0.522

Coefficient e0e_0

(Pt. 1, Ch. 8, Sec. 5 / Table 1):

e0=2βp0.25e_0 = frac{2}{beta_p^{0.25}}

e0=23.7630.25=1.436

Final Equations for Limit States

(Pt. 1, Ch. 8, Sec. 5 / [2.2.1]) — Transformed to calculate stress multiplier factors acting on loads

γgamma

I.

γc1=(1(σxSσcx)e0B(σxSσcx)e02(σySσcy)e02+(σySσcy)e0+(τSτc)e0)1e0

II.

γc2=(1(σxSσcx)2βp0.25+(τSτc)2βp0.25)βp0.252

III.

γc3=(1(σySσcy)2βp0.25+(τSτc)2βp0.25)βp0.252

IV.

γc4=τcτS

Partial Safety Factor and Stress Multiplier Factors

The partial safety factor SS

(Pt. 1, Ch. 8, Sec. 5 / Symbols) was set as:

S=1

Then the values of stress multiplier factors acting on loads γgamma

were calculated:

I.

γc1=1.763

II.

γc2=2.486

III.

γc3=1.968

IV.

γc4=5.663

Minimum Stress Multiplier Factor and Utilization Factor

The minimum stress multiplier factor from above – the stress multiplier factor at failure γcgamma_c – was found:

γc=1.763

The utilization factor ηacteta_{act} was calculated (Pt. 1, Ch. 8, Sec. 1 / [3.2.2]):

ηact=1γc=11.763=0.567

SDC Verifier Setup

In SDC Verifier, the standard was added using the same assumptions as in the analytical calculation. The check was then performed based on this setup.

1. Mild Steel Properties

  SDC Verifier

Propiedades de la placa superior (T = 12 mm)

  SDC Verifier

Resumen de propiedades

Calculado para el CSys «0..Básico Rectangular»

  SDC Verifier

Cargas FEM

Este párrafo contiene información sobre las cargas aplicadas al modelo.

1. Bordes largos

  SDC Verifier

2. Bordes cortos

  SDC Verifier

3. Bordes largos paralelos

  SDC Verifier

Restricciones

Este párrafo contiene información sobre las partes limitadas del modelo.

  SDC Verifier  AS 4100 Benchmarks

Resultados

1..Trabajo 1

Conjuntos de carga

En este apartado se describe la influencia de las diferentes combinaciones de carga.

Cargar conjunto ‘1..Cargar conjunto 1’

3..LR Pandeo de la placa CSR (2024)

Norma aplicada según LR Reglas estructurales comunes para graneleros y petroleros, enero de 2024 basado en la siguiente parte de la norma Parte 1, Capítulo 8 – Pandeo

Sistema de unidades
Sistema de unidades de corriente = MKS (Metro/Kg/Segundo). Se utiliza en los cálculos de las siguientes normas:
API RP 2A, ISO 19902, Norsok N004, DIN 15018, FEM 1.001 y Eurocódigo3.

  SDC Verifier  AS 4100. Example 1: Determine the Design Section Moment Capacity of a Universal Beam with Full Lateral Restraint

Resultados intermedios de σ′cx, σ′cy y τ′c a partir de los detalles de cálculo del control

  SDC Verifier  Determine the Design Member Moment Capacity of a Laterally Unrestrained Universal Beam

Comparación de los cálculos manuales y los resultados del SDC Verifier

ParámetroCálculos manualesSDC Verifier
Requisito de esbeltez AprobadoAprobado

Tensiones últimas de pandeo [MPa]

ParámetroCálculos manualesSDC Verifier
σ′cx119.145119.252
σ′cy58.75058.631
σ′c92.93292.585

Inversa de los factores multiplicadores de tensión que actúan sobre las cargas

ParámetroCálculos manualesSDC Verifier
1/γc10.5670.562
1/γc20.4020.396
1/γc30.5080.504
1/γc40.1770.169

Factor de utilización

 

ParámetroCálculos manualesSDC Verifier
ηact = 1 / γc10.5670.562

Nota: Los resultados del SDC Verifier son los mismos que los obtenidos con cálculos manuales.

Conclusión

La evaluación comparativa confirma un alto nivel de concordancia entre los cálculos manuales y la comprobación automatizada del SDC Verifier:

  • Se cumplió el requisito de esbeltez.

  • Las diferencias en las tensiones últimas de pandeo y los factores multiplicadores de tensión estuvieron dentro de <0 ,2%, lo que indica una coherencia precisa.

  • El factor de utilización obtenido fue casi idéntico:
    → Cálculos manuales: ηact = 0,567
    → SDC Verifier: ηact = 0,562

Esta validación demuestra que SDC Verifier aplica con precisión los procedimientos de evaluación de pandeo LR CSR 2024, lo que lo convierte en una herramienta fiable para las comprobaciones de integridad estructural en aplicaciones marítimas y de alta mar.