Durability study of CFRP strengthened steel circular hollow section members under marine environment

Galvanic corrosion is a common phenomenon in Carbon Fibre Reinforced Polymer (CFRP) strengthened steel structures in wet environments and submerged conditions, which reduces durability by weakening the bond between the CFRP and steel substrate. CFRP materials have already been proven to have superior resistance to corrosion and chemical attacks but the adhesive and steel are generally affected by long-term exposure to moisture, especially in conjunction with salts resulting from deicing of ocean spray. This paper presents the results of a research program to improve the durability of CFRP strengthened steel circular hollow section (CHS) members by treating the steel surface with an epoxy based adhesion promoter and inserting Glass Fibre Reinforced Polymer (GFRP) as a galvanic corrosion barrier against simulated sea water. It also presents the effects of accelerated corrosion on the bond of CFRP strengthened hollow steel members. The program consisted of four CFRP strengthened steel beams and one unstrengthened steel beam. Two strengthened beams were used as control while the other two beams were exposed to a highly corrosive environment to induce accelerated corrosion. The corrosion rate was considered 10% which represents a moderate level of loss in the cross-sectional area of the steel tube throughout its intended service life. The beams were then loaded to failure under four-point bending. The research findings indicate that the accelerated corrosion adversely affected the ultimate strength of the conditioned beams and the embedded glass fibre enhanced the bond durability.

Experimental studies of cold-formed steel hollow section columns at elevated temperatures

This paper reports the details of an experimental study of cold-formed steel hollow section columns at ambient and elevated temperatures. In this study the global buckling behaviour of cold-formed Square Hollow Section (SHS) slender columns under axial compression was investigated at various uniform elevated temperatures up to 700℃. The results of these column tests are reported in this paper, which include the buckling/failure modes at elevated temperatures, and ultimate load versus temperature curves. Finite element models of tested columns were also developed and their behaviour and ultimate capacities at ambient and elevated temperatures were studied. Fire design rules given in European and American standards including the Direct Strength Method (DSM) based design rules were used to predict the ultimate capacities of tested columns at elevated temperatures. Elevated temperature mechanical properties and stress-strain models given in European steel design standards and past researches were used with design rules and finite element models to investigate their effects on SHS column capacities. Comparisons of column capacities from tests and finite element analyses with those predicted by current design rules were used to determine the accuracy of currently available column design rules in predicting the capacities of SHS columns at elevated temperatures and the need to use appropriate elevated temperature material stress-strain models. This paper presents the important findings derived from the comparisons of these column capacities.

计及轴向压力的方管节点塑性铰线模型

塑性铰线分析模型已成功用于估计由弦杆表面屈服控制的各种管节点的强度；然而弦杆自身的轴向压力对节点承载力的影响仍然是用一个经验折减系数来考虑的．为了计算在轴向压力作用下沿倾斜塑性铰线的极限弯矩，研究者们提出了各种理论模型．该文对这些模型进行了分析和对比．结果表明，采用简化假设的阶梯形塑性铰线模型用于评价T形方管市点的慢度与试验结果和有限元计算结果符合得最好．

Comportamento estrutural de ligações tubulares T e KT.

Os perfis tubulares sem costura são largamente utilizados em diversos países, porém, no Brasil, o uso desses perfis era bastante limitado, restringindo-se praticamente a coberturas espaciais. A situação do mercado brasileiro começou a se alterar em razão da maior oferta desses perfis proporcionada pelo início da produção pela V&M do BRASIL no ano de 2000, sendo assim diante da novidade da tecnologia, impõe-se a necessidade de divulgação e implementação do uso desse tipo de perfil, além de uma ampliação do número de trabalhos de pesquisa para melhor compreensão de seu comportamento estrutural. O presente trabalho apresenta uma análise paramétrica de ligações tipo KT e T, através da determinação da resistência última da ligação obtida pelo critério de deformação limite proposto por diversos pesquisadores, comparando os resultados com as prescrições do Eurocode 3, do Projeto de Norma Brasileira e do CIDECT. Adicionalmente procedeu-se na comparação do comportamento numérico global do nó de uma treliça, com a análise do comportamento numérico do nó isolado. As ligações objeto deste estudo são compostas por perfil tubular retangular (RHS) no banzo e perfis circulares (CHS) nas diagonais e montantes. Os modelos em elementos finitos, foram desenvolvidos no programa Ansys 12.0, as não-linearidades físicas e geométricas foram incorporadas aos modelos, a fim de se mobilizar totalmente a capacidade resistente da ligação. Concluiu-se entre outras coisas que. para o nó da treliça em estudo neste trabalho, o carregamento de projeto máximo permitido através do dimensionamento pelas normas fica a favor da segurança quando comparado com o critério de deformação limite.

Avaliação de ligações K e T entre perfis estruturais tubulares circulares.

O difundido uso de perfis estruturais tubulares, principalmente devido às vantagens associadas ao comportamento estrutural e estético, levou a uma intensa utilização nos países da Europa, Sudeste Asiático, América do Norte e na Austrália. Países como Canadá, Inglaterra, Alemanha e Holanda fazem uso intensivo dessas estruturas e contam com uma produção corrente, industrializada e contínua com alto grau de desenvolvimento tecnológico. O aumento da oferta deste tipo de perfis, aliado a recentes pesquisas nesta área, leva o Brasil a se inserir neste cenário mundial. Entretanto, as normas brasileiras que regem o dimensionamento destes perfis ainda não se encontram atualizadas, principalmente no que tange ao dimensionamento de ligações de perfis tubulares. Considerando esta perspectiva, este trabalho apresenta uma análise de ligações tipo K e T com perfis tubulares circulares (CHS). Propõe-se estabelecer um quadro comparativo entre as formulações analíticas de dimensionamento proposta pelo Eurocode 3 Parte 1.8, 2 edição do guia de projeto de ligações tubulares do CIDECT, projeto de norma brasileira PN 02.125.03-004 e critérios de deformação limite. Para cada um dos tipos de ligações analisadas, desenvolveu-se um modelo em elementos finitos no programa Ansys, calibrado e validado com resultados experimentais e numéricos existentes na literatura. As não-linearidades física e geométrica foram incorporadas aos modelos, a fim de se mobilizar totalmente a capacidade resistente da ligação. A não-linearidade do material foi considerada através do critério de plastificação de Von Mises através de uma lei constitutiva tensão versus deformação bilinear. A não-linearidade geométrica foi introduzida no modelo através da Formulação de Lagrange Atualizado considerando-se a previsão de grandes deformações de forma a permitir a redistribuição de carregamento na ligação após o escoamento inicial. Esta dissertação propõe ainda, a modelagem de uma treliça planar constituída de perfis tubulares, objetivando estabelecer uma comparação entre um nó isolado e um nó da treliça planar.

Avaliação de ligações KK entre perfis tubulares em aço.

Em virtude do elevado grau de desenvolvimento da tecnologia em sua produção, a utilização de perfis tubulares é grandemente difundida em países como, por exemplo, Canadá, Inglaterra, Alemanha e Holanda. A utilização de tais perfis no Brasil era bastante restrita, limitando-se a coberturas espaciais. Atualmente, a situação do mercado brasileiro começa a se alterar em decorrência do significativo aumento da oferta de perfis tubulares estruturais. Este trabalho apresenta uma análise de ligações tipo KK com perfis tubulares circulares (CHS), com o intuito de estabelecer um quadro comparativo entre as formulações analíticas de dimensionamento proposta pelo Eurocode 3 Parte 1.8, 2 edição do guia de projeto de ligações tubulares do CIDECT, ABNT NBR 16239:2013, pelas equações propostas por Paul e Kurobane e critérios de deformação limite. A calibração de um modelo foi feita com dados numéricos e experimentais. Para cada um dos tipos de ligações analisadas, desenvolveu-se um modelo em elementos finitos no programa Ansys. As não-linearidades física e geométrica foram incorporadas aos modelos, a fim de se mobilizar totalmente a capacidade resistente da ligação. A não-linearidade do material foi considerada com o uso do critério de plastificação de Von Mises através de uma lei constitutiva tensão versus deformação bilinear. A não-linearidade geométrica foi introduzida no modelo através da Formulação de Lagrange Atualizado considerando-se a previsão de grandes deformações de forma a permitir a redistribuição de carregamento na ligação após o escoamento inicial. Foi proposto um modelo de uma treliça espacial composta por perfis tubulares de seção circular para comparar os resultados de análises de uma ligação isolada e a resposta desta mesma ligação como parte de uma treliça em escala real.

Avaliação de ligações entre vigas de perfil I ou H e colunas em perfis tubulares circulares.

Considerando uma nova realidade com o incremento do uso de perfis tubulares, este trabalho apresenta uma análise de ligações soldadas tipo T com perfis tubulares circulares (CHS) para a coluna e perfil I ou H para a viga com flexão no plano, efetuado com base nas normas EC3, CIDECT e a NBR 16239 comparando com o critério de deformação limite, proposto por Lu et al., através de um modelo em elementos finitos desenvolvido no programa Ansys versão 12.0. A não-linearidade geométrica foi introduzida no modelo através da Formulação de Lagrange Atualizado. Com base nos resultados numéricos avaliados foram traçadas curvas momento-rotação para cada modelo com o objetivo de obter o momento resistente de cada ligação bem como a classificação da ligação quanto a capacidade de rotação, a influência dos parâmetros geométricos em cada modelo e o modo de falha que controlará o dimensionamento da ligação.

Avaliação de ligações entre perfis tubulares em aço submetidas a esforços de flexão.

Os perfis tubulares sem costura são largamente utilizados em diversos países, porém, no Brasil, o uso desses perfis na construção civil era bastante limitado, restringindo-se praticamente a coberturas espaciais. Considerando uma nova realidade para o uso de perfis tubulares, este trabalho apresenta uma análise de ligações tipo T com perfis tubulares quadrados (SHS) para o banzo e para o montante efetuada com base na norma europeia, Eurocode 3, no CIDECT, na NBR 16239:2013 e ISO 14346 através de um modelo em elementos finitos desenvolvido no programa Ansys. Verificou-se a influência do momento atuante no montante no comportamento global das ligações. As não-linearidades físicas e geométricas foram incorporadas aos modelos, a fim de se mobilizar totalmente a capacidade resistente desta ligação. A não-linearidade do material foi considerada através do critério de plastificação de von Mises através da lei constitutiva tensão versus deformação trilinear de forma a exibir um comportamento elasto-plástico com encruamento. A nãolinearidade geométrica foi introduzida no modelo através da Formulação de Lagrange Atualizado. Os resultados numéricos são avaliados para a ligação em estudo quanto aos modos de falha e a distribuição de tensões. A análise dos momentos resistentes obtidos em comparação com os resultados do modelo numérico, apresentou valores excessivamente a favor da segurança no cálculo utilizando as equações de dimensionamento. Um estudo para fatores de correção das equações de dimensionamento é proposto.

Avaliação de ligações tubulares tipo T entre CHS com reforço tipo chapa.

Os perfis tubulares sem costura são utilizados em diversos países, principalmente devido às vantagens associadas à estética a sua elevada resistência à torção, cargas axiais e efeitos combinados. Canadá, Inglaterra, Alemanha e Holanda utilizam de forma veemente estas estruturas e possuem produção contínua e industrializada com alto nível de desenvolvimento tecnológico. O Brasil, porém, se limitava praticamente ao uso destes perfis nas coberturas espaciais. Devido ao aumento da utilização desses tipos de estruturas, fez-se necessário o aprofundamento dos estudos com métodos de análise coerentes para utilização de perfis tubulares, principalmente em relação às ligações, pois são consideradas regiões vulneráveis neste tipo de estrutura. Para atender a necessidade de normatização deste procedimento desenvolveu-se uma norma brasileira específica para o dimensionamento de estruturas em perfis tubulares. Considerando esta perspectiva, este trabalho apresenta uma análise de ligações tipo T com reforço tipo chapa com perfis tubulares circulares (CHS) para o banzo e para o montante efetuada com base na norma europeia, Eurocode 3, no CIDECT, na NBR 16239:2013 e ISO 14346. Desenvolveu-se no programa Ansys um modelo de elementos finitos para cada tipo de ligação analisada, calibrado e validado com resultados experimentais e numéricos existentes na literatura. Verificou-se a influência da compressão atuante no montante no comportamento global das ligações. As não-linearidades físicas e geométricas foram incorporadas aos modelos a fim de se mobilizar totalmente a capacidade resistente desta ligação. A nãolinearidade do material foi considerada através do critério de plastificação de von Mises através da lei constitutiva tensão versus deformação bilinear de forma a exibir um comportamento elasto-plástico com encruamento. A não-linearidade geométrica foi introduzida no modelo através da Formulação de Lagrange Atualizada. A análise dos esforços resistentes obtidos em comparação com os resultados do modelo numérico, apresentaram valores a favor da segurança no cálculo utilizando as equações de dimensionamento. Por fim um estudo para fatores de correção das equações de dimensionamento foi também proposto.

Finite element analysis of CFRP strengthened steel hollow sections under tension

This paper presents a nonlinear finite element (FE) model for the analysis of very high strength (VHS) steel hollow sections wrapped by high modulus carbon fibre rein forced polymer (CFRP) sheets. The bond strength of CFRP wrapped VHS circular steel hollow section under tension is investigated using the FE model. The three dimensional FE model by Nonlinear static analysis has been carried out by Strand 7 finite element software. The model is validated by the experimental data obtained from Fawzia et al [1]. A detail parametric study has been performed to examine the effect of number of CFRP layers, different diameters of VHS steel tube and different bond lengths of CFRP sheet. The analytical model developed by Fawzia et al. [1] has been used to determine the load carrying capacity of different diameters of CFRP strengthened VHS steel tube by using the capacity from each layer of CFRP sheet. The results from FE model have found in reasonable agreement with the analytical model developed by Fawzia et al [1]. This validation was necessary because the analytical model by Fawzia et al [1] was developed by using only one diameter of VHS steel tube and fixed (five) number of CFRP layers. It can be concluded that the developed analytical model is valid for CFRP strengthened VHS steel tubes with diameter range of 38mm to 100mm and CFRP layer range of 3 to 5 layers. Based on the results it can also be concluded that the effective bond length is consistent for different diameters of steel tubes and different layers of CFRP. Three layers of CFRP is considered most effective wrapping scheme due to the cost effectiveness. Finally the distribution of longitudinal and hoop stress has been determined by the finite element model for different diameters of CFRP strengthened VHS steel tube.

Stress distribution of CFRP strengthened steel hollow sections under tension

Carbon fibre reinforced polymer (CFRP) sheets have many outstanding properties such as high strength, high elastic modulus, light weight and good durability which are made them a suitable alternative for steel in strengthening work. This paper describe the ultimate load carrying capacity of steel hollow sections at effective bond length in terms of its cross sectional area and the stress distribution within bond region for different layers CFRP. It was found that depending on their size and orientation of uni- directional CFRP layers, the ultimate tensile load was different. Along with these tests, non linear finite element analysis was also performed to validate the ultimate load carrying capacity depending on their cross sections. The predicted ultimate loads from FE analysis are found very close to the laboratory test results. The validated model has been used to determine the stress distribution at bond joint for different orientation of CFRP. This research shows the effect of stress distribution and suitable wrapping layer to be used for the strengthening of steel hollow sections in tension.

Bond strength of steel hollow sections using carbon fibre reinforced polymer composites

This research was a step forward in developing bond strength of CFRP strengthened steel hollow sections under tension loads. The studies have revealed the ultimate load carrying capacity of the CFRP strengthened steel hollow sections and the stress distribution for different orientations of the CFRP sheet at different layers. This thesis presents a series of experimental and finite element analysis to determine a good understanding of the bond characteristics of CFRP strengthened steel hollow sections.

Shear capacities of rivet fastened Rectangular Hollow Flange Channel Beams

The intermittently rivet fastened Rectangular Hollow Flange Channel Beam (RHFCB) is a new cold-formed hollow section proposed as an alternative to welded hollow flange beams. It is a monosymmetric channel section made by intermittently rivet fastening two torsionally rigid rectangular hollow flanges to a web plate. This method will allow the development of optimum sections by choosing appropriate combinations of web and flange plate widths and thicknesses. RHFCBs can be commonly used as flexural members in buildings. Many experimental and numerical studies have been carried out in the past to investigate the shear behaviour of lipped channel beams. However, no research has been undertaken on the shear behaviour of rivet fastened RHFCBs. Therefore a detailed experimental study involving 19 shear tests was undertaken to investigate the shear behaviour and capacities of rivet fastened RHFCBs. Simply supported test specimens of RHFCB with aspect ratios of 1.0 and 1.5 were loaded at mid-span until failure. Comparison of experimental results with corresponding predictions from the current Australian cold-formed steel design rules showed that the current design rules are very conservative for the shear design of rivet fastened RHFCBs. Significant improvements to web shear buckling occurred due to the presence of rectangular hollow flanges while considerable post-buckling strength was also observed. Appropriate improvements have been proposed for the design rules of shear strength of rivet fastened RHFCBs within the Direct Strength Method format. This paper presents the details of this study and the results.

Effects of layer orientation of CFRP strengthened steel hollow members

This paper reveals the effects of layer orientation on structural behaviour of three layers configured (LHL, HHL, LLH) CFRP strengthened circular hollow section (CHS) members subjected to bending. The beams were loaded to failure under four-point bending. The structural behaviour of the CFRP strengthened tubular steel beams with various layer orientations were presented in terms of failure load, stiffness, composite beam action and modes of failure. The LHL and LLH layers oriented strengthened beams perform slightly better than HHL layers oriented strengthened beams. The LHL and LLH layers oriented treated beams showed very similar structural behaviour.

Shear tests of rivet fastened rectangular hollow flange channel beams

The intermittently rivet fastened Rectangular Hollow Flange Channel Beam (RHFCB) is a new cold-formed hollow section proposed as an alternative to welded hollow flange channel beams. It is a monosymmetric channel section made by intermittently rivet fastening two torsionally rigid rectangular hollow flanges to a web plate. This process enables the end users to choose an effective combination of different web and flange plate sizes to achieve optimum design capacities. Recent research studies focused mainly on the shear behaviour of the most commonly used lipped channel beam and welded hollow flange beam sections. However, the shear behaviour of rivet fastened RHFCB has not been investigated. Therefore a detailed experimental study involving 24 shear tests was undertaken to investigate the shear behaviour and capacities of rivet fastened RHFCBs. Simply supported test specimens of RHFCB with aspect ratios of 1.0 and 1.5 were loaded at mid-span until failure. Comparison of experimental shear capacities with corresponding predictions from the current Australian cold-formed steel design rules showed that the current design rules are very conservative for the shear design of rivet fastened RHFCBs. Significant improvements to web shear buckling occurred due to the presence of rectangular hollow flanges while considerable post-buckling strength was also observed. Such enhancements to the shear behaviour and capacity were achieved with a rivet spacing of 100 mm. Improved design rules were proposed for rivet fastened RHFCBs based on the current shear design equations in AISI S100 and the direct strength method. This paper presents the details of this experimental investigation and the results.