Projecto de componentes estruturais recorrendo a soluções avançadas em aços de alta resistência

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica

Projeto de produção de tubo elíptico em aço avançado de elevada resistência para uma serra de arco

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica

Análise e simulação do processo de dobragem de um tubo elíptico utilizando um aço avançado de elevada resistência

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica

Desenvolvimento de acessórios de máquinas de movimentação de terras recorrendo a soluções avançadas em aço de alta resistência

Dissertação de mestrado em Tecnologias de Manufatura

Development of an optimized methodology for tensile testing of carbon steels in hydrogen environment

The study was performed at OCAS, the Steel Research Centre of ArcelorMittal for the Industry market. The major aim of this research was to obtain an optimized tensile testing methodology with in-situ H-charging to reveal the hydrogen embrittlement in various high strength steels. The second aim of this study has been the mechanical characterization of the hydrogen effect on hight strength carbon steels with varying microstructure, i.e. ferrite-martensite and ferrite-bainite grades. The optimal parameters for H-charging - which influence the tensile test results (sample geometry type of electrolyte, charging methods effect of steel type, etc.) - were defined and applied to Slow Strain Rate testing, Incremental Step Loading and Constant Load Testing. To better understand the initiation and propagation of cracks during tensile testing with in-situ H-charging, and to make the correlation with crystallographic orientation, some materials have been analyzed in the SEM in combination with the EBSD technique. The introduction of a notch on the tensile samples permits to reach a significantly improved reproducibility of the results. Comparing the various steel grades reveals that Dual Phase (ferrite-martensite) steels are more sensitive to hydrogen induced cracking than the FB (ferritic-bainitic) ones. This higher sensitivity to hydrogen was found back in the reduced failure times, increased creep rates and enhanced crack initiation (SEM) for the Dual Phase steels in comparison with the FB steels.

Estudi del procés de tall per a la millora dels esbocats en materials AHSS

En aquest projecte es presenta un estudi sobre punxonats i esbocats per a materials d’Alt límit elàstic (Acers AHSS; Advanced High Strength Steels), amb l’objectiu d’aconseguir saber quin és el millor procés de tall per aconseguir esbocats correctes. Utilitzant la premsa hidràulica de la Fundació Centre Tecnològic de Manresa (CTM) es realitza el punxonat i els esbocats a tots els materials per tal d’avaluar el seu comportament alhora de ser esbocats. A partir d’aquests resultats obtindrem les gràfiques de ràtio d’esbocat per a cadascun dels materials en els diferents sentits de esbocat. Com a mètode alternatiu del procés de tall, es realitzen unes mostres amb tall per aigua. S’observarà si els esbocats trenquen o no trenquen i en quines condicions ho fan. Una vegada realitzats aquests assajos, es procedirà a realitzar l’estudi de microdureses amb un indentador Vickers per tal de comprovar l’afectació de l’operació de tall en la microestructura del material. Es realitzarà també algun perfil de dureses utilitzant el Nanoindentador. Per finalitzar el projecte, s’inclourà un apartat de conclusions i un estudi mediambiental produït com a conseqüència de l’elaboració del projecte, així com un pressupost total d’aquest.

Strengthening of Existing Single Span Steel Beam and Concrete Deck Bridges, HR-238, Part 1, 1983

The Phase I research, Iowa Department of Transportation (IDOT) Project HR-214, "Feasibility Study of Strengthening Existing Single Span Steel Beam Concrete Deck Bridges," verified that post-tensioning can be used to provide strengthening of the composite bridges under investigation. Phase II research, reported here, involved the strengthening of two full-scale prototype bridges - one a prototype of the model bridge tested during Phase I and the other larger and skewed. In addition to the field work, Phase II also involved a considerable amount of laboratory work. A literature search revealed that only minimal data existed on the angle-plus-bar shear connectors. Thus, several specimens utilizing angle-plus-bar, as well as channels, studs and high strength bolts as shear connectors were fabricated and tested. To obtain additional shear connector information, the bridge model of Phase I was sawed into four composite concrete slab and steel beam specimens. Two of the resulting specimens were tested with the original shear connection, while the other two specimens had additional shear connectors added before testing. Although orthotropic plate theory was shown in Phase I to predict vertical load distribution in bridge decks and to predict approximate distribution of post-tensioning for right-angle bridges, it was questioned whether the theory could also be used on skewed bridges. Thus, a small plexiglas model was constructed and used in vertical load distribution tests and post-tensioning force distribution tests for verification of the theory. Conclusions of this research are as follows: (1) The capacity of existing shear connectors must be checked as part of a bridge strengthening program. Determination of the concrete deck strength in advance of bridge strengthening is also recommended. (2) The ultimate capacity of angle-plus-bar shear connectors can be computed on the basis of a modified AASHTO channel connector formula and an angle-to-beam weld capacity check. (3) Existing shear connector capacity can be augmented by means of double-nut high strength bolt connectors. (4) Post-tensioning did not significantly affect truck load distribution for right angle or skewed bridges. (5) Approximate post-tensioning and truck load distribution for actual bridges can be predicted by orthotropic plate theory for vertical load; however, the agreement between actual distribution and theoretical distribution is not as close as that measured for the laboratory model in Phase I. (6) The right angle bridge exhibited considerable end restraint at what would be assumed to be simple support. The construction details at bridge abutments seem to be the reason for the restraint. (7) The skewed bridge exhibited more end restraint than the right angle bridge. Both skew effects and construction details at the abutments accounted for the restraint. (8) End restraint in the right angle and skewed bridges reduced tension strains in the steel bridge beams due to truck loading, but also reduced the compression strains caused by post-tensioning.

Investigation into Freezing-Thawing Durability of Low-Permeability Concrete with and without Air Entraining Agent, 2009

The aim of the present study is to investigate the effect of low-permeability concrete, made with reduced water‐to‐binder ratios (w/b) and/or supplementary cementitious materials (SCMs), on the need for air entrainment to achieve freezing‐thawing (F‐T) durability. In the present study, concrete mixes were made with different types of cement (Types I and IP), with or without fly ash replacement (15%), with different water‐to‐binder ratios (w/b =0.25, 0.35, 0.45 and 0.55), and with or without air entraining agent (AEA). All concrete mixtures were controlled to have a similar slump by using different dosages of superplasticizer. The rapid chloride permeability and F-T durability of the concrete samples were determined according to ASTM C1202 and ASTM C666A, respectively. The air void structure of the concrete was studied using the Air Void Analyzer, RapidAir, and porosity tests (ASTM C642). In addition, the general concrete properties, such as slump, air content, unit weight, and 28‐day compressive strength, were evaluated. The results indicate that all concrete mixes with proper air entrainment (ASTM C231 air content ≥ 6%) showed good F‐T resistance (durability factor ≥85%). All concrete mixes without AEA showed poor F‐T resistance (durability factor < 40%), except for one mix that had very low permeability and high strength. This was the concrete made with Type IP cement and with a w/b of 0.25, which had a permeability of 520 coulombs and a compressive strength of 12,760 psi (88 MPa). There were clear relationships between the F‐T durability and hardened concrete properties of non–air entrained concrete. However, such relationships did not exist in concrete with AEA. For concrete with AEA, good F‐T durability was associated with an air void spacing factor ≤ 0.28 mm (by AVA) or ≤ 0.22 mm (by RapidAir).

Evaluation of Corrosion Resistance of Different Steel Reinforcement Types, 2006

The corrosion of steel reinforcement in an aging highway infrastructure is a major problem currently facing the transportation engineering community. In the United States alone, maintenance and replacement costs for deficient bridges are measured in billions of dollars. The application of corrosion-resistant steel reinforcement as an alternative reinforcement to existing mild steel reinforced concrete bridge decks has potential to mitigate corrosion problems, due to the fundamental properties associated with the materials. To investigate corrosion prevention through the use of corrosion-resistant alloys, the performance of corrosion resistance of MMFX microcomposite steel reinforcement, a high-strength, high-chromium steel reinforcement, was evaluated. The study consisted of both field and laboratory components conducted at the Iowa State University Bridge Engineering Center to determine whether MMFX reinforcement provides superior corrosion resistance to epoxy-coated mild steel reinforcement in bridge decks. Because definitive field evidence of the corrosion resistance of MMFX reinforcement may require several years of monitoring, strict attention was given to investigating reinforcement under accelerated conditions in the laboratory, based on typical ASTM and Rapid Macrocell accelerated corrosion tests. After 40 weeks of laboratory testing, the ASTM ACT corrosion potentials indicate that corrosion had not initiated for either MMFX or the as-delivered epoxy-coated reinforcement. Conversely, uncoated mild steel specimens underwent corrosion within the fifth week, while epoxy-coated reinforcement specimens with induced holidays underwent corrosion between 15 and 30 weeks. Within the fifth week of testing, the Rapid Macrocell ACT produced corrosion risk potentials that indicate active corrosion for all reinforcement types tested. While the limited results from the 40 weeks of laboratory testing may not constitute a prediction of life expectancy and life-cycle cost, a procedure is presented herein to determine life expectancy and associated life-cycle costs.

Valukappaleen ainetta rikkomattoman tarkastusprosessin kehittäminen

Ainetta rikkomattomien tarkastusten merkitys erityisesti valettujen kappaleiden valmistuksen yhteydessä on ratkaiseva koneenosan luotettavuuden varmistamisessa. Suurilujuuksiset kuormausnosturin kääntöpylväät ovat kriittisiä osia, joiden vaurioituminen aiheuttaa kustannuksia ja työturvallisuusriskin. Kuormainvalmistajat haluavat, että toimitetut kääntöpylväät täyttävät asetetut laatuvaatimukset, joihin kuuluu säröttömyyden varmistaminen tarkastamalla. Väsymisvaurioiden välttämiseksi kappaleiden pinnan virheettömyys on tarkastettava jollakin pintatarkastusmenetelmällä. Magneettijauhetarkastus on eräs käyttökelpoinen ja taloudellinen menetelmä kyseessä olevien teräsvalukappaleiden tarkastamisessa. Tähän työhön on koottu magneettijauhetarkastukseen (menetelmänä) liittyvää tietoa. Työssä on laadittu kääntöpylväisiin koneistuksia tekevän yrityksen käyttöön tarkastuksen yleisohje. Yrityksessä otetaan käyttöön uusi magneettijauhetarkastuslaitteisto. Tarkastusmenetelmä on fluoresoivamärkä menetelmä, jossa käytetään UV-valaistusta. Tarkastusohjeen tueksi on kuvattu vertailukuvasarja tarkastajien käyttöön. Suurin sallittava särönpituus on väsymisen kannalta tärkein yksittäinen tekijä ja siksi sen arvioinnin on oltava luotettavaa. Työturvallisuuteen on kiinnitetty erityistä huomiota, sillä asiakkaatovat usein kiinnostuneita paitsi itse tuotteesta, myös yrityksen toiminnallisesta laadusta. Yhtenä laadun mittarina voidaan pitää vahinkojen ja tapaturmien vähäisyyttä. Selkeät toimintaohjeet viestivät laatutietoisesta turvallisesta toiminnasta. Yrityksen laatukäsikirjaan on tehtävä lisäys pylväiden tarkastamisesta jatyöturvallisuudesta. Työssä on laadittu lisäyksestä ehdotus. Lisäksi työssä on pohdittu yrityksen ja työntekijöiden toimintaan liittyviä vastuukysymyksiä.

Pulssi-MAG-hitsauksen optimointi ultralujille rakenneteräksille

Diplomityön tavoitteena oli optimoida pulssi-MAG-hitsaus parametreja ultralujan rakenneteräksen OPTIM 960 QC hitsin lujuuden ja väsymiskestävyyden kannalta. Työssä tutkittiin parametrien, erityisesti pulssituksen vaikutusta hitsingeometriaan ja kovuusprofiiliin hitsiaineessa ja HAZ-alueella. Kirjallisuus osiossa perehdytään pulssi-MAG-hitsauksen prosessiparametreihin, erityisesti niiden vaikutukseen lämmöntuontiin, saavutettavaan kovuuteen ja näin ollen lujuuteen sekä väsymiskestävyyteen. Kokeellisessa osassa koehitsejä tutkittiin SLM (structural lightmethod) - menetelmällä ja kovuusmittauksin. Parametrien vaikutusta laatuhitsin tuottavaan hitsausenergiaan tutkittiin visuaalisesti ja jäähtymisaikamittauksin. Parametrien käyttäytymistä tutkittiin lyhyesti oskilloskoopin ja suurnopeuskuvauksen avulla. Laadukkaiden hitsien saavuttaminen vaati, että keskinäinen tasapaino pulssi parametrien välillä on kunnossa. Virtasuhteen tulee olla n. 30 %. Langansyötön lisäys vaatii taajuuden ja pulssiajan nostoa. Pehmenneen vyöhykkeen syntyä karkearakeiselle vyöhykkeelle saadaan rajoitettua, mutta uloimpien vyöhykkeiden pehmenemisen ehkäiseminen vaatii esim. jäähdytystä ja perusaineen koostumuksen tarkistamista. Liitoksen väsymiskestävyyden kannalta lämmöntuonti ei ole kriittinen tekijä. Väsymiskestävyysluokka 150 on saavutettavissa ilman jälkikäsittelyä. Jatkotutkimuksissa tulee keskittyä vielä syvemmin prosessiparametrien vaikutuksien hallintaan ja kehittää ulkoista jäähdyttämistä.

Puutavaranosturin teleskooppipuomin kehittäminen ultralujilla teräksillä toteutettavaksi

Diplomityössä on tutkittu ultralujien terästen käyttömahdollisuuksia puutavaranosturin puomirakenteissa. Työn tavoitteena on ollut suunnitella uusi puomikonstruktio, joka on kevyempi kuin aiemmat ratkaisut, mutta täyttää kuitenkin sovellettavien standardien asettamat vaatimukset väsymisen, staattisen kestävyyden ja stabiliteetin suhteen. Työ on tehty vertailemalla erilaisten uusien profiilien ja rakenneyksityiskohtien ominaisuuksia toisiinsa ja vanhaan rakenteeseen. Vertailukriteereinä on käytetty elastista taivutuskapasiteettia, kriittistä lommahduskuormaa, väsymislujuutta sekä hitsaus- ja materiaalikustannuksia. Työn lopputuloksena saatiin ehdotus uudeksi teleskooppipuomiksi, joka on noin 8 % kevyempi kuin nykyinen ratkaisu.

Effect of Mechanical and Geometric Mismatching on Fatigue and Damage of Welded Joints

The future of high technology welded constructions will be characterised by higher strength materials and improved weld quality with respect to fatigue resistance. The expected implementation of high quality high strength steel welds will require that more attention be given to the issues of crack initiation and mechanical mismatching. Experiments and finite element analyses were performed within the framework of continuum damage mechanics to investigate the effect of mismatching of welded joints on void nucleation and coalescence during monotonic loading. It was found that the damage of undermatched joints mainly occurred in the sandwich layer and the damageresistance of the joints decreases with the decrease of the sandwich layer width. The damage of over-matched joints mainly occurred in the base metal adjacent to the sandwich layer and the damage resistance of the joints increases with thedecrease of the sandwich layer width. The mechanisms of the initiation of the micro voids/cracks were found to be cracking of the inclusions or the embrittled second phase, and the debonding of the inclusions from the matrix. Experimental fatigue crack growth rate testing showed that the fatigue life of under-matched central crack panel specimens is longer than that of over-matched and even-matched specimens. Further investigation by the elastic-plastic finite element analysis indicated that fatigue crack closure, which originated from the inhomogeneousyielding adjacent to the crack tip, played an important role in the fatigue crack propagation. The applicability of the J integral concept to the mismatched specimens with crack extension under cyclic loading was assessed. The concept of fatigue class used by the International Institute of Welding was introduced in the parametric numerical analysis of several welded joints. The effect of weld geometry and load condition on fatigue strength of ferrite-pearlite steel joints was systematically evaluated based on linear elastic fracture mechanics. Joint types included lap joints, angle joints and butt joints. Various combinations of the tensile and bending loads were considered during the evaluation with the emphasis focused on the existence of both root and toe cracks. For a lap joint with asmall lack-of-penetration, a reasonably large weld leg and smaller flank angle were recommended for engineering practice in order to achieve higher fatigue strength. It was found that the fatigue strength of the angle joint depended strongly on the location and orientation of the preexisting crack-like welding defects, even if the joint was welded with full penetration. It is commonly believed that the double sided butt welds can have significantly higher fatigue strength than that of a single sided welds, but fatigue crack initiation and propagation can originate from the weld root if the welding procedure results in a partial penetration. It is clearly shown that the fatigue strength of the butt joint could be improved remarkably by ensuring full penetration. Nevertheless, increasing the fatigue strength of a butt joint by increasing the size of the weld is an uneconomical alternative.

Lujan teräksen hyödyntäminen taittopuomissa

Työn päätavoitteena on ennakkoluulottomasti etsiä uudenlaista ratkaisua Mantsinen -lastausnosturin taittopuomiin ja pyrkiä löytämään kevyempi tarkoitukseen sopiva rakenne hyödyntämällä lujia teräksiä. Työ painottuu eri ratkaisuvaihtoehtojen kartoittamiseen ja niiden arviointiin elementtimenetelmää hyödyntäen. Arvioinnissa painotettiin tarkoituksen mukaisuutta ja väsymiskestävyyttä. Tutkimus suoritetaan vertailemalla vanhaa ja uutta ratkaisua keskenään. Työssä havaittiin, että ottamalla huomioon hitsattujen lujien terästen väsymisominaisuudet jo suunnittelussa, voidaan saada aikaan kevyempiä ja väsymisen kannalta kestävämpiä ratkaisuja.

Liikuntasaumaproblematiikan selvittäminen laivan runkorakenteissa

Nykyään laivan kansirakenteet suunnitellaan pääosin kantaviksi rakenteiksi, mikä edellyttää niiltä suurta lujuutta. Jatkuvasti kasvavissa risteilijöissä ja muissa suurissa aluksissa ongelmaksi muodostuu kansirakenteiden suuret jännitykset. Kansirakenteet sijaitsevat kauimpana laivan neutraaliakselilta, jolloin niissä syntyy suuria venymiä. Kansirakenteista pitää näin ollen suunnitella hyvin kestäviä tai vaihtoehtoisesti tarpeeksi lyhyitä rakenteita. Liikuntasaumojen avulla on 1950 -luvulle asti laivoissa katkaistu pitkät kansirakenteet, mutta hitsausmenetelmien kehittyessä kansirakennukset on tehty yhtenäisiksi kansirakenteiksi. Tämä on tähänastisissa risteilijöissäkin toiminut hyvin, mutta laivojen koon kasvaessa on etsittävä keinoja mahdollisiin runkorakenteiden ja varustelun lujuus- ja väsymisongelmiin. Tavoitteena oli saada aikaan työ, joka olisi hyvä ”työkalu” tuleville tutkimuksille liikuntasaumojen soveltamisessa laivarakenteisiin sekä niihin liittyviin varusteluosiin ja -rakenteisiin. Työssä tutustutaan kirjallisuustutkimuksen avulla liikuntasaumasovelluksiin ja esitellään sovelluksia eri aloilta. Kirjallisuusosuuden päätteeksi esitellään muutama laivarakennesovellus, joita löytyy hieman vanhemmista laivarakenteista. FE analyysiosuudessa tutkitaan liikuntasauman pohjan muodon vaikutusta pohjan jännitystasoihin ja liikuntasaumojen vaikutusta laivan kansirakenteiden jännitystasoihin kolmella eri liikuntasaumojen lukumäärällä. Lisäksi kansirakenteiden jännitystasoja tutkittiin kolmella kansirakenteen leveydellä. Esimerkkejä liikuntasaumoista löytyy monelta eri aloilta, joiden ominaisuuksia yhdistelemällä saavutetaan oikea ratkaisu liikuntasaumojen soveltamisessa laivojen kansirakenteisiin. Lisäksi FE -analyysistä voidaan nähdä, että liikuntasaumat laskevat jännitystasoja laivojen kansirakenteissa. Liikuntasaumojen oikea lukumäärä riippuu hyvin paljon siitä, kuinka paljon kansirakenteen jännityksiä halutaan laskea. Liikuntasauman pohjan muotoa on kehitettävä ja se on otettava myös huomioon yhtenä tärkeänä seikkana suunniteltaessa liikuntasaumoja laivojen kansirakenteisiin. Esimerkiksi vahvistelevyillä saadaan jännityksiä laskettua liikuntasauman pohjan läheisyydessä tehokkaasti.