Collapse probability and resistance factor calibration of 2D steel frames under gravity loads

Abstract The current advanced analysis techniques for steel frames generally use structural analyses with geometric and material nonlinearities to capture the collapse strength of the steel frame. Unfortunately, the true strength of a steel frame cannot be predicted with accuracy because of the uncertainties of the most significant design variables. Building codes of steel structures apply a resistance factor to account for the uncertainties present in the design variables and thus ensure a target level of structural reliability. This article examines the reliability of planar steel frames subject to gravitational loads by advanced structural analysis (second-order inelastic analysis). To calculate the collapse probability of planar steel frames, we utilized the first-order reliability method (FORM). The advanced analyses were performed using the program MASTAN2 and considered the geometric nonlinearities and inelasticity of the steel. The collapse probabilities of planar steel frames were evaluated and the adequacy of the resistance factor applied was discussed. The current inelastic design procedure of ANSI 360 reduces the yield strength and stiffness of all members by a factor of 0.90. Thus, the present study suggests that the adopted resistance factor must be equal to 0.85 for the target reliability index equal to 3.0, or it must be equal to 0.69 for the target reliability index equal to 3.8

Structural reliability of steel portal frames.

O emprego de m?todos para an?lise de confiabilidade estrutural permite a avalia??o da probabilidade de viola??o de estados limites relevantes ao projeto estrutural. Este artigo apresenta procedimento num?rico preciso e eficiente para avalia??o da confiabilidade de p?rticos planos de a?o via an?lise estrutural avan?ada em elementos finitos, considerando os efeitos da n?o linearidade geom?trica e da flexibilidade das liga??es. O m?todo anal?tico FORM (First Order Reliability Method) foi empregado na avalia??o da probabilidade de falha de fun??es de desempenho formuladas para estados limites ?ltimos de resist?ncia e estados limites de servi?o. Os resultados obtidos indicaram que os ?ndices de confiabilidade dos exemplos de p?rticos planos de a?o analisados s?o significativamente afetados pela presen?a das liga??es semirr?gidas e pelos efeitos da n?o linearidade geom?trica.The reliability methods allows the evaluation of the limit states violation probability, which are relevant to the structural design. This paper presents an accurate and efficient numerical procedure for evaluating the reliability of steel frames by advanced finite element structural analysis, considering the effects of geometric nonlinearity and semi?rigid connections. The FORM method was used to estimate the probability of failure of performance functions formulated in terms of the ultimate strength and serviceability limit states. The results indicate that the frame reliability is strongly affected by semi?rigid connections and the effects of geometric nonlinearity

Confiabilidade estrutural de pórticos metálicos planos.

Programa de Pós Graduação em Engenharia Civil. Departamento de Engenharia Civil, Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto.Existem várias fontes de incertezas na análise estrutural, que devem ser consideradas em uma avaliação adequada da segurança estrutural. As normas de projeto estrutural têm tradicionalmente adotado o uso de coeficientes parciais de segurança para lidar com a presença de incertezas. Entretanto, a metodologia baseada em coeficientes parciais de segurança não permite o real conhecimento dos níveis de segurança de uma estrutura. O emprego de métodos para análise de confiabilidade estrutural possibilita quantificar, de forma probabilística, a segurança de uma estrutura, visto que permite a avaliação da probabilidade de violação de estados limites relevantes ao projeto estrutural. No presente trabalho foi desenvolvida em ambiente MATLAB uma ferramenta computacional objetivando realizar a análise de confiabilidade de pórticos metálicos planos via análise estrutural avançada em elementos finitos, considerando os efeitos da não linearidade geométrica e da flexibilidade das ligações. A ferramenta desenvolvida emprega o método analítico FORM e o método de simulação de Monte Carlo para avaliar a probabilidade de falha de funções de desempenho formuladas para estados limites últimos de resistência e estados limites de deslocamentos em serviço, possibilitando avaliar o nível de segurança de estruturas com comportamento não linear. Para realização de análise estrutural avançada dos pórticos planos adotou-se o programa Computacional System for Advanced Structural Analysis (CS-ASA) desenvolvido por Silva (2009). Utilizando a ferramenta computacional desenvolvida, realizou-se a análise de confiabilidade estrutural de diversos exemplos numéricos de pórticos metálicos planos encontrados na literatura. Mediante a análise dos resultados obtidos e comparação com os resultados encontrados por outros autores, foi possível validar a implementação computacional realizada, atestando sua precisão e eficiência na análise de confiabilidade estrutural de pórticos metálicos planos. Os resultados dos exemplos numéricos mostraram ser essencial considerar a presença das ligações semirrígidas e os efeitos da não linearidade geométrica na análise e no projeto de pórticos.There are various sources of uncertainty in structural analysis and these uncertainties should be taken into account in order to make proper assessment of structural safety. Design guidelines and codes have traditionally adopted partial safety factors to deal with the presence of uncertainties. However, partial safety factors may fail to convey the actual margin of the structures safety. The reliability methods make it possible to quantify, in a probabilistic way, the safety of a structure, since it allows the evaluation of the limit states violation probability, which are relevant to the structural design. In the present work, a computational tool was developed in MATLAB aims to perform the reliability analysis of two-dimensional steel frames, through advanced finite element structural analysis, considering the effects of geometric nonlinearity and semi-rigid connections. The tool developed employs the FORM method and the Monte Carlo simulation method to evaluate the probability of performance functions failure formulated in terms of the ultimate and serviceability limit states, making it possible to evaluate the safety level of structures with nonlinear behavior. In order to perform advanced structural analysis of steel frames, the program Computational System for Advanced Structural Analysis (CS-ASA) developed by Silva (2009) was adopted. Using the computational tool developed, the structural reliability analysis of several numerical examples of two-dimensional steel frames found in the literature was carried out. By analyzing the obtained results and comparing with the results found by other authors, it was possible to validate the computational implementation, attesting its accuracy and efficiency in the structural reliability analysis of steel frames. The results of the numerical examples show that it is essential to properly consider the presence of partially restrained connections and the effects of geometric nonlinearity in the analysis and design of frames