Calculation of the critical crack size for cold form rectangular hollow section tube (CRHS) under bending load at -40º C temperature

To predict the capacity of the structure or the point which is followed by instability, calculation of the critical crack size is important. Structures usually contain several cracks but not necessarily all of these cracks lead to failure or reach the critical size. So, defining the harmful cracks or the crack size which is the most leading one to failure provides criteria for structure’s capacity at elevated temperature. The scope of this thesis was to calculate fracture parameters like stress intensity factor, the J integral and plastic and ultimate capacity of the structure to estimate critical crack size for this specific structure. Several three dimensional (3D) simulations using finite element method by Ansys program and boundary element method by Frank 3D program were carried out to calculate fracture parameters and results with the aid of laboratory tests (loaddisplacement curve, the J resistance curve and yield or ultimate stress) leaded to extract critical size of the crack. Two types of the fracture which is usually affected by temperature, Elastic and Elasti-Plastic fractures were simulated by performing several linear elastic and nonlinear elastic analyses. Geometry details of the weldment; flank angle and toe radius were also studied independently to estimate the location of crack initiation and simulate stress field in early stages of crack extension in structure. In this work also overview of the structure’s capacity in room temperature (20 ºC) was studied. Comparison of the results in different temperature (20 ºC and -40 ºC) provides a threshold of the structure’s behavior within the defined range.

Ultimate capacity of stainless steel rectangular hollow section X- joints at low temperatures

Growing demand for stainless steel construction materials has increased the popularity of substitutive materials for austenitic stainless steels. The lean duplex grades have taken their place in building of structures exposed to corrosive environments. Since the duplex grades are relatively new materials, the current codes and norms do not fully cover the newest duplex grades. The joints tested in this thesis were designed and studied according to Eurocode 3, even though all the materials are not yet accepted to the standards. The main objective in this thesis was to determine the differences of the used materials in behaviour under loading at low temperatures. Tests in which the deformation and strength properties of the joints were determined were done at the temperature of -46°C, which is the requirement of temperature for structures designed according to Norsok standards. Results show that replacing the austenitic grade with the lean duplex grade is acceptable.

Crack detection in hollow section structures through coupled response measurements

Detection of a circumferential crack in a hollow section beam is investigated using coupled response measurements. The crack section is represented by a local flexibility matrix connecting two undamaged beam segments. This matrix defines the relationship between the displacements and forces across the crack section and is derived by applying fundamental fracture mechanics theory. The suitability of the mode coupling methodology is first demonstrated analytically. Laboratory test results are then presented for circular hollow section beams with artificially generated cracks of varying severity. It is shown that this method has the potential as a damage detection tool for mechanical structures. (C) 2002 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Kylmämuovatun putkipalkin väsyminen metsätyökoneen puomirakenteessa

Työssä on tutkittu kylmämuovatun suorakaideputkipalkin väsymistä metsätyökoneen puomirakenteen osana. Kylmämuovatun putkipalkin sisäpintaan syntyy käytössä puristavan ulkoisen kuormituksen vaikutuksesta putkipalkin pituussuunnassa sekä seinämän läpi kasvavia säröjä. Työn tarkoituksena on ollut selvittää rakenteen väsymiskestoikä sekä säröytymisen aiheuttavat tekijät. Työssä on verrattu kestoikälaskentaan ja särönkasvuun sovellettujen murtumismekaniikan ja elementtimenetelmän tuloksia laboratoriokokeista saatuihin tuloksiin. Toisiaan tukevien tulosten perusteella kylmämuovausprosessissa syntyneiden jäännösjännitysten osuus särön ydintymisessä, kasvussa ja sen käyttäytymisessä on ulkoisen kuorman paikallisen vaikutuksen lisänä erittäin merkittävä. Putkipalkin väsyminen onkin jäännösjännityksistä riippuva särönkasvuilmiö.

SolidWorks Simulations ja Femap FE-analyysiohjelmien vertailu RHS-putkipalkkien mallinnuksen avulla

Tässä kandidaatintyössä vertailtiin SolidWorks Simulations ja Femap FE-analyysiohjelmien tuottamia tuloksia. Vertailu suoritettiin yksinkertaisten RHS-putkipalkkien mallinnuksen avulla. Mallinnuksessa käytettiin viittä erilaista kuormitustapausta, jotka sisälsivät mm. taivutus-, vääntö- ja jännityskeskittymätarkastelut. Ohjelmien tuottamia tuloksia verrattiin mahdollisuuksien mukaan analyyttisin menetelmin tehtyihin vertailulaskelmiin. Työn tarkoituksena oli selvittää tuottivatko eri ohjelmat erilaisia tuloksia samoista kuormitustapauksista ja kuinka paljon tulokset erosivat.

Effects of temperature-dependent viscosity variation on entropy generation, heat and fluid flow through a porous-saturated duct of rectangular cross-section

Effect of temperature-dependent viscosity on fully developed forced convection in a duct of rectangular cross-section occupied by a fluid-saturated porous medium is investigated analytically. The Darcy flow model is applied and the viscosity-temperature relation is assumed to be an inverse-linear one. The case of uniform heat flux on the walls, i.e. the H boundary condition in the terminology of Kays and Crawford, is treated. For the case of a fluid whose viscosity decreases with temperature, it is found that the effect of the variation is to increase the Nusselt number for heated walls. Having found the velocity and the temperature distribution, the second law of thermodynamics is invoked to find the local and average entropy generation rate. Expressions for the entropy generation rate, the Bejan number, the heat transfer irreversibility, and the fluid flow irreversibility are presented in terms of the Brinkman number, the Péclet number, the viscosity variation number, the dimensionless wall heat flux, and the aspect ratio (width to height ratio). These expressions let a parametric study of the problem based on which it is observed that the entropy generated due to flow in a duct of square cross-section is more than those of rectangular counterparts while increasing the aspect ratio decreases the entropy generation rate similar to what previously reported for the clear flow case.

Heat transfer and entropy generation optimization of forced convection in a porous-saturated duct of rectangular cross-section

We investigate analytically the first and the second law characteristics of fully developed forced convection inside a porous-saturated duct of rectangular cross-section. The Darcy-Brinkman flow model is employed. Three different types of thermal boundary conditions are examined. Expressions for the Nusselt number, the Bejan number, and the dimensionless entropy generation rate are presented in terms of the system parameters. The conclusions of this analytical study will make it possible to compare, evaluate, and optimize alternative rectangular duct design options in terms of heat transfer, pressure drop, and entropy generation. (c) 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Analytical solution of forced convection in a duct of rectangular cross-section saturated by a porous medium

A theoretical analysis is presented to investigate fully developed (both thermally and hydrodynamically) forced convection in a duct of rectangular cross-section filled with a hyper-porous medium. The Darcy-Brinkman model for flow through porous media was adopted in the present analysis. A Fourier series type solution is applied to obtain the exact velocity and temperature distribution within the duct. The case of uniform heat flux on the walls, i.e. the H boundary condition in the terminology of Kays and Crawford [1], is treated. Values of the Nusselt number and the friction factor as a function of the aspect ratio, the Darcy number, and the viscosity ratio are reported.

Strengthening to seismic action of reinforced columns with rectangular cross-section

The first part of this research work regards the assessment of the mathematical modelling of reinforced concrete columns confined with carbon fibre (CFRP) sheets under axial loading. The purpose was to evaluate existing analytical models, contribute to possible improvements and choose the best model(s) to be part of a new model for the prediction of the behaviour of confined columns under bending and compression. For circular columns, a wide group of authors have proposed several models specific for FRP-confined concrete. The analysis of some of the existing models was carried out by comparing these with several tested columns. Although several models predict fairly the peak load only few can properly estimate the load-strain and dilation behaviour of the columns. Square columns confined with CFRP show a more complex interpretation of their behaviour. Accordingly, the analysis of two experimental programs was carried out to propose new modelling equations for the whole behaviour of columns. The modelling results show that the analytical curves are in general agreement with the presented experimental curves for a wide range of dimensions. An analysis similar to the one done for circular columns was this turn carried out for square columns. Few models can fairly estimate the whole behaviour of the columns and with less accuracy at all levels when compared with circular columns. The second part of this study includes seven experimental tests carried out on reinforced concrete rectangular columns with rounded corners, different damage condition and with confinement and longitudinal strengthening systems. It was concluded that the use of CFRP confinement is viable and of effective performance enhancement alone and combined with other techniques, maintaining a good ductile behaviour for established threshold displacements. As regards the use of external longitudinal strengthening combined with CFRP confinement, this system is effective for the performance enhancement and viable in terms of execution. The load capacity was increased significantly, preserving also in this case a good ductile behaviour for threshold displacements. As to the numerical nonlinear modelling of the tested columns, the results show a variation of the peak load of 1% to 10% compared with tests results. The good results are partly due to the inclusion of the concrete constitutive model by Mander et al. modified by Faustino, Chastre & Paula taking into account the confinement effect. Despite the reasonable approximation to tests results, the modelling results showed higher unloading, which leads to an overestimate dissipated energy and residualdisplacement.

Distortion and internal warping torsion of a double symmetric hollow section

This thesis is made in cooperation with Laboratory of Steel Structures and the steel company SSAB. Maximization of the benefits of high-strength steel usually requires the usage of thin wall thicknesses. This means the failures related to buckling, distortion and warping stand out. One must be aware of these phenomena to design thin-walled structures stressed with forces such as torsional loading. It is also important to take into account small stress ranges when evaluating the accurate fatigue strength of structures. The objective of this thesis is to clarify the theory of the uniform and non-uniform torsion. This paper focuses on warping due to the non-uniform torsion in double symmetric box girder and structural hollow section. The arisen stress states are explained and researched using the finite element method. Another research target is the distortion in double symmetric box girder due to torsion, and the restraining effect of transverse diaphragms at the load end. Multiple transverse diaphragms are used to study more efficient restraining against warping and distortion than a common one end plate structure.

The influence ofvariable amplitude loading on the fatigue strength of rhs corners

Rectangular hollow section (RHS) members are components widely used in engineering applications because of their good-looking, good properties in engineering areas and inexpensive cost comparing to members with other sections. The increasing use of RHS in load bearing structures makes it necessary to analyze the fatigue behavior of the RHS members. In this thesis, concentration will be given to the fatigue behavior of the RHS members under variable amplitude pure torsional loading. For the RHS members, failure will normally occur in the corner region if the welded regions are under full penetration. This is because of the complicated stress components' distributions at the RHScorners, where all of three fracture mechanics modes will happen. Mode I is mainly caused by the residual stresses that caused by the manufacturing process. Modes II and III are caused by the applied torsional loading. Stress based Findleymodel is also used to analyze the stress components. Constant amplitude fatigue tests have been done as well as variable amplitude fatigue tests. The specimens under variable amplitude loading gave longer fatigue lives than those under constant amplitude loading. Results from tests show an S-N curvewith slope around 5.

Kaksoislaatuisesta rakenneputkesta hitsatun X-liitoksen kestävyys ja muodonmuutoskyky

Rautaruukki Oyj:n uusi Ruukki double grade S420MH/S355J2H -rakenneputki yhdistää putkilajien S420MH ja S355J2H ominaisuudet. Eurocode 3:n suunnitteluohjeiden mukaan Ruukki double graden käyttöön on sovellettava lujuusluokan S420 mukaista hitsien mitoitusta ja rakenneputkiliitosten staattista mitoituskestävyyttä alentavaa varmuuskerrointa, kun halutaan hyödyntää lujuusluokan S420 ominaisuudet Ruukki double gradea käytettäessä. Tässä työssä tutkittiin S420-lujuusluokkaa vastaavien suunnittelumääräysten soveltamistarvetta Ruukki double grade -rakenneputken käyttöön. Työn tavoitteena oli arvioida Ruukki double grade -rakenneputkesta hitsaamalla valmistetun X-liitoksen kestävyyden ja muodonmuutoskyvyn riittävyys, kun hitsit mitoitettiin S355-lujuusluokkaa vastaavien Eurocode 3:n suunnitteluohjeiden mukaisesti. X-liitosten kestävyyttä ja muodonmuutoskykyä tutkittiin kokeellisesti -40 C lämpötilassa suoritettujen laboratoriokokeiden avulla sekä analyyttisen laskennan ja elementtimenetelmän keinoin. Kestävyyden riittävyyttä arvioitiin vertaamalla laboratoriokokeista saatuja liitosten kestävyyksiä Eurocode 3:n ja myötöviivateorian mukaisiin kestävyyksiin. Elementtimenetelmän ja laboratoriokokeen pohjalta piirrettyjä liitoksen voima-siirtymäkuvaajia vertailtiin keskenään, kun elementtimalli analysoitiin eri materiaalimalleilla. Lisäksi verrattiin elementtimallin voima-venymäkuvaajia liitoksen venymäliuskan arvoihin. Kaikki koesarjan S355-lujuusluokan mukaisilla hitsin a-mitoilla valmistetut liitokset täyttivät kestävyydelle ja muodonmuutoskyvylle asetetut vaatimukset. Täten tämän koesarjan perusteella ei ollut tarpeellista soveltaa S420-lujuusluokan mukaista hitsien mitoitusta ja staattista mitoituskestävyyttä alentavaa varmuuslukua Ruukki double grade -rakenneputkeen. Elementtimenetelmästä ja laboratoriokokeesta saadut liitoksen voima-siirtymäkuvaajat vastasivat hyvin toisiaan. Sen sijaan elementtimallin voima-venymä-kuvaajat eivät vastanneet venymäliuskojen mittausdataa kovin hyvin.

S500 Suurlujuusteräksestä valmistettujen rakenneputkiliitosten lujuusominaisuudet

Nykyinen Eurocode 3 suunnitteluohjeen rakenneputkiliitoksia käsittelevä osio vaatii S500 suurlujuusteräksestä valmistettujen liitosten mitoituksen yhteydessä käytettäväksi reduk-tiokerrointa 0.8. Tämä on varsin konservatiivinen mitoituspa, joka vähentää merkittävästi lujemman teräslaadun käyttämisestä saavutettavaa hyötyä. Tämän työn pääasiallinen ta-voite on laboratoriotestein selvittää S500 lujuusluokan rakenneputkiliitosten todellinen äärikapasiteetti ja verrata sitä nykyisen mitoitusohjeen mukaiseen kapasiteettiin. Tässä työssä tutkitut liitokset ovat valmistettu poikkileikkaukseltaan nelikulmaisista kyl-mämuovatuista rakenneputkista. Koesarja koostui kahdeksasta X-liitoksesta, sekä kymme-nestä K-liitoksesta. Kaikki testit suoritettiin huoneenlämmössä, LUT Koneen teräsrakenne-laboratoriossa. Laboratoriotestien lisäksi rakenteen käyttäytymistä tutkittiin epälineaarisen elementtimenetelmän avulla ja näitä tuloksia verrattiin kokeellisiin tuloksiin. Sekä testien että FE–analyysin perusteella voidaan todeta, että S500 lujuusluokan terästä käytettäessä ei Eurocode 3:n mukaisen reduktiokertoimen käytölle ole perusteita.

Double grade – rakenneputkien puristuskestävyys

Double grade S420MH/S355J2H – rakenneputki on Ruukin kylmämuovattujen rakenneputkien vakioteräslaji. Se voidaan mitoittaa joko lujuusluokan S355 tai S420 mukaisesti. Teräslajin S355 mukaisesti mitoitettaessa on suunnittelu yksinkertaista. Painonsäästöä ja pidennettyjä jännevälejä haluttaessa käytetään lujuusluokan S420 mukaista mitoitusta. Työn tavoitteena oli selvittää kylmämuovattujen teräsrakenneputkien todellinen puristuskestävyys. Eurocode 3:n mukaan kylmämuovatut teräsrakenneputket kuuluvat nurjahduskäyrälle c. Tutkimukseen valittiin viisi eri profiilia olevaa rakenneputkea, joiden poikkileikkausluokat olivat 1, 2, 3 ja 4. Käytettäessä rakenneputkia puristussauvoina, on teräksen käyttö tehokkainta poikkileikkausluokassa 3, lähellä poikkileikkausluokkaa 4. Rakenneputkista laskettiin muunnetun hoikkuuden arvoilla 0.1, 0.5, 1.0 ja 1.5 koesauvojen pituudet kaikille profiileille. Valmistettiin kolme samanlaista koesauvaa jokaisesta koosta ja puristuskokeita suoritettiin yhteensä 57 kappaletta. Koesauvojen todelliset pituudet, alkukäyryydet ja poikkileikkaukset mitattiin. Ainestodistuksista saatiin materiaalin todelliset lujuudet. Laskettiin Eurocode 3:n mukaisesti kestävyydet nurjahduskäyrille a, b ja c. Laskennallisia kestävyyksiä verrattiin puristuskokeiden tuloksiin. Puristuskokeiden tulosten perusteella voidaan b-käyrää pitää oikeana profiileille 100x100x3, 150,150x5 ja 200x200x6. Profiili 150x150x5 kuuluu poikkileikkausluokkaan 2. Profiilit 100x100x3 ja 200x200x6 kuuluvat poikkileikkausluokkaan 4. Profiili 50x50x2 kuuluu nurjahduskäyrälle c. Profiilin poikkileikkausluokka on 1 ja aiemmat tutkimukset tukevat nurjahduskäyrän c käyttöä. Profiilista 300x300x8.8 ei saatu testattua täyttä sarjaa sen suuren kapasiteetin rikottua testilaitteiston, mutta puristuskokeiden perusteella se kuuluu nurjahduskäyrälle b. Profiili kuuluu poikkileikkausluokkaan 4.