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.

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.

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.

Materiaalimallin määrityksestä kylmämuovattujen putkipalkkien K-liitosten FE-analyysissä

Työssä on tutkittu kylmämuovattujen nelikulmaisten putkipalkkien K-liitosten mallinnusta epälineaarisella elementtimenetelmällä. Työn tärkeimpänä tavoitteena on ollut kehittää putkipalkin osien materiaalimalleja siten, että liitosten kestävyyttä voidaan tutkia laboratoriokokeiden ohella luotettavasti myös elementtimenetelmällä. Toisena tavoitteena on ollut tutkia, voidaanko putkipalkkien liitosten mitoitusohjeita turvallisesti soveltaa kylmämuovatuille putkipalkeille, joissa valmistusprosessi aiheuttaa muutoksia materiaaliominaisuuksiin, erityisesti muodonmuutoskykyyn. Työssä tehtyjen laboratoriokokeiden ja elementtianalyysien perusteella elementti-menetelmä on käyttökelpoinen työkalu putkipalkkiliitosten staattista kestävyyttä määritettäessä, kun materiaalimallit on määritetty oikein. Erityisesti liitoksen käyttö-rajatilan mukaisen kestävyyden laskennassa elementtimenetelmällä saadaan hyvin laboratoriokokeita vastaavia tuloksia. Tehdyt laboratoriokokeet osoittavat myös, että Eurocode 3:n mukaisia putkipalkkien liitosten mitoitusohjeita voi turvallisesti käyttää kylmämuovatuille putkipalkeille.

Kylmämuovattujen putkipalkkien X-liitosten äärikestävyyden ja jäykkyyden määrittäminen sekä materiaalimallin kehittäminen

Työssä on tutkittu elementtimenetelmän avulla kylmämuovattujen nelikulmaisten putkipalkkien materiaalimallin kehittämistä ja putkipalkkien X-liitosten jäykkyyden ja äärikestävyyden määrittämistä. Työn tavoitteena on tutkia kylmämuovauksen vaikutuksia putkipalkkiprofiilin materiaaliominaisuuksiin materiaalikokeiden ja elementtianalyysien avulla sekä kehittää putkipalkille anisotrooppista materiaalimallia. Työssä määritettyjä materiaalimalleja on sovellettu X-liitosten elementtimalleihin, joiden käyttäytymistä on verrattu äärikestävyyskokeiden tuloksiin. Tutkimuksen perusteella Eurocode 3:n mitoitusohjeita voidaan turvallisesti soveltaa kylmämuovattujen putkipalkkien X-liitosten laskennassa. Työssä tehtyjen materiaalikokeiden ja elementtianalyysien perusteella materiaalin anisotrooppisuuden vaikutus liitoksen kestävyyteen on vähäistä, ja putkipalkin pituussuuntaista materiaalimallia voidaan soveltaa myös kehäsuuntaisille materiaaliominaisuuksille. Materiaalikokeiden simulointi osoittaa, että elementtimenetelmää voidaan käyttää materiaalimallin määrittämisen apuvälineenä.

Modelling of cold-formed purlin-sheeting systems .1. Full model

Purlin-sheeting systems used for roofs and walls commonly take the form of cold-formed channel or zed section purlins, screw-connected to corrugated sheeting. These purlin-sheeting systems have been the subject of numerous theoretical and experimental investigations over the past three decades, but the complexity of the systems has led to great difficulty in developing a sound and general model. This paper presents a non-linear elasto-plastic finite element model, capable of predicting the behaviour of purlin-sheeting systems without the need for either experimental input or over simplifying assumptions. The model incorporates both the sheeting and the purlin, and is able to account for cross-sectional distortion of the purlin, the flexural and membrane restraining effects of the sheeting, and failure of the purlin by local buckling or yielding. The validity of the model is shown by its good correlation with experimental results. A simplified version of this model, which is more suitable for use in a design environment, is presented in a companion paper. (C) 1997 Elsevier Science Ltd.

Modelling of cold-formed purlin-sheeting systems .2. Simplified model

A number of theoretical and experimental investigations have been made into the nature of purlin-sheeting systems over the past 30 years. These systems commonly consist of cold-formed zed or channel section purlins, connected to corrugated sheeting. They have proven difficult to model due to the complexity of both the purlin deformation and the restraint provided to the purlin by the sheeting. Part 1 of this paper presented a non-linear elasto plastic finite element model which, by incorporating both the purlin and the sheeting in the analysis, allowed the interaction between the two components of the system to be modelled. This paper presents a simplified version of the first model which has considerably decreased requirements in terms of computer memory, running time and data preparation. The Simplified Model includes only the purlin but allows for the sheeting's shear and rotational restraints by modelling these effects as springs located at the purlin-sheeting connections. Two accompanying programs determine the stiffness of these springs numerically. As in the Full Model, the Simplified Model is able to account for the cross-sectional distortion of the purlin, the shear and rotational restraining effects of the sheeting, and failure of the purlin by local buckling or yielding. The model requires no experimental or empirical input and its validity is shown by its goon con elation with experimental results. (C) 1997 Elsevier Science Ltd.

Multiobjective optimization of cold-formed steel columns

The optimal design of cold-formed steel columns is addressed in this paper, with two objectives: maximize the local-global buckling strength and maximize the distortional buckling strength. The design variables of the problem are the angles of orientation of cross-section wall elements the thickness and width of the steel sheet that forms the cross-section are fixed. The elastic local, distortional and global buckling loads are determined using Finite Strip Method (CUFSM) and the strength of cold-formed steel columns (with given length) is calculated using the Direct Strength Method (DSM). The bi-objective optimization problem is solved using the Direct MultiSearch (DMS) method, which does not use any derivatives of the objective functions. Trade-off Pareto optimal fronts are obtained separately for symmetric and anti-symmetric cross-section shapes. The results are analyzed and further discussed, and some interesting conclusions about the individual strengths (local-global and distortional) are found.

Computer aided design and analysis of cold formed sections

The work reported in this thesis is concerned with the improvement and expansion of the assistance given to the designer by the computer in the design of cold formed sections. The main contributions have been in four areas, which have consequently led to the fifth, the development of a methodology to optimise designs. This methodology can be considered an `Expert Design System' for cold formed sections. A different method of determining section properties of profiles was introduced, using the properties of line and circular elements. Graphics were introduced to show the outline of the profile on screen. The analysis of beam loading has been expanded to beam loading conditions where the number of supports, point loads, and uniform distributive loads can be specified by the designer. The profile can then be checked for suitability for the specified type of loading. Artificial Intelligence concepts have been introduced to give the designer decision support from the computer, in combination with the computer aided design facilities. The more complex decision support was adopted through the use of production rules. All the support was based on the British standards. A method has been introduced, by which the appropriate use of stiffeners can be determined and consequently designed by the designer. Finally, the methodology by which the designer is given assistance from the computer, without constraining the designer, was developed. This methodology gives advice to the designer on possible methods of improving the design, but allows the designer to reject that option, and analyse the profile accordingly. The methodology enables optimisation to be achieved by the designer, designing variety of profiles for a particular loading, and determining which one is best suited.

Failure analysis of cold-formed steel sections

The purlin-sheeting system has been the subject of numerous theoretical and experimental investigations over the past 30 years, but the complexity of the problem has led to great difficulty in developing a sound and general model. The primary aim of the thesis is to investigate the failure behaviours of cold-formed zed and channel sections for use in purlin-sheeting systems. Both the energy method and finite strip method are used to develop an approach to investigate cold-formed zed and channel section beams with partial-lateral restraint from the metal sheeting when subjected to a uniformly distributed transverse load. The stress analysis of cold-formed zed and channel section beams with partially-lateral restraint from the metal sheeting when subjected to a uniformly distributed transverse load is investigated firstly by using the analytical model based on the energy method in which the restraint actions of the sheeting are modelled by using two springs representing the translational and rotational restraints. The numerical results have showed that the two springs have significantly different influences on the stresses of the beams. The influence of the two springs has also been found to depend on the anti-sag bar and the position of the loading line. A novel method is presented for analysing the elastic local buckling behaviour of cold-formed zed and channel section beams with partial-lateral restraint from metal sheeting when subjected to a uniformly distributed transverse load, which is carried out by inputting the cross sectional stresses with the largest compressive stress into the finite strip analysis. By using the presented novel method, individual influences of warning stress, partially lateral restraints from the sheeting and the dimensions of the cross section and position of the loading line on the buckling behaviour are investigated.

Global optimisation of cold-formed steel sections

In this thesis, standard algorithms are used to carry out the optimisation of cold-formed steel purlins such as zed, channel and sigma sections, which are assumed to be simply supported and subjected to a gravity load. For zed, channel and sigma section, the local buckling, distortional buckling and lateral-torsional buckling are considered respectively herein. Currently, the local buckling is based on the BS 5950-5:1998 and EN 1993-1-3:2006. The distortional buckling is calculated by the direct strength method employing the elastic distortional buckling which is calculated by three available approaches such as Hancock (1995), Schafer and Pekoz (1998), Yu (2005). In the optimisation program, the lateral-torsional buckling based on BS 5950-5:1998, AISI and analytical model of Li (2004) are investigated. For the optimisation program, the programming codes are written for optimisation of channel, zed and sigma beam. The full study has been coded into a computer-based analysis program (MATLAB).

Effect of web holes on web crippling strength of cold-formed steel channel sections under end-one-flange loading condition - Part II: Parametric study and proposed design equations

A parametric study of cold-formed steel sections with web openings subjected to web crippling under end-one-flange (EOF) loading condition is undertaken, using finite element analysis, to investigate the effects of web holes and cross-section sizes. The holes are located either centred above the bearing plates or with a horizontal clear distance to the near edge of the bearing plates. It was demonstrated that the main factors influencing the web crippling strength are the ratio of the hole depth to the depth of the web, the ratio of the length of bearing plates to the flat depth of the web and the location of the holes as defined by the distance of the hole from the edge of the bearing plate divided by the flat depth of web. In this study, design recommendations in the form of web crippling strength reduction factor equations are proposed, which are conservative when compared with the experimental and finite element results.

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.