This paper presents a combined experimental and numerical study on stainless steel end-plate connections, with an emphasis placed on their ultimate behaviour and rotation capacity. In the experimental phase, six connection specimens made of austenitic and lean duplex stainless steels are tested under monotonic loads. The tests are specifically designed to examine the close-to-failure behaviour of the connections at large deformations. It is observed that the rotation capacity is closely related to fractures of the stainless steel bolts and end-plates. In the numerical phase, an advanced finite element model suitable for fracture simulation is developed. The incorporated constitutive and fracture models are calibrated based on the material tests of stainless steel bolts and plates. The developed finite element model exhibits a satisfactory accuracy in predicting the close-to-failure behaviour of the tested connections. Finally, the moment resistance and rotation capacity of stainless steel end-plate connections are assessed based on the experimental tests and numerical analyses.
This paper presents the flexural behaviour of stainless steel beam-to-tubular column joints with extended endplates subjected to static loading. Moment-rotation relationships were investigated numerically by using Abaqus software with geometric and material nonlinearity considered. The prediction of damages among components was achieved through ductile damage models, and the influence of initial geometric imperfections and residual stresses was evaluated in large fabricated stainless steel joints involving hollow columns and concrete-filled columns. Parametric analysis was subsequently conducted to assess critical factors that could affect the flexural performance significantly in terms of the initial stiffness and moment resistance. A comparison between codes of practice and numerical results was thereafter made, and design recommendations were proposed for further applications. Results suggest that the finite element model can predict the structural behaviour reasonably well with the component damage consistent with test outcomes. Initial geometric imperfections and residual stresses are shown to have little effect on the moment-rotation responses. A series of parameters that can influence the joint behaviour remarkably include the strain-hardening exponents, stainless steel strength, diameter of bolts, thickness of endplates, position of bolts, section of beams and columns. AS/NZS 2327 is more reliable to predict the joint performance regarding the initial stiffness and moment capacity compared to EN 1993-1-8.
Zhengyi Kong;Bo Yang;Cuiqiang Shi;Xinjie Huang;George Vasdravellis;Quang-Viet Vu;Seung-Eock Kim
Steel and Composite Structures
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제50권3호
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pp.281-298
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2024
Stainless steel bolts (SSB) are increasingly utilized in bolted steel connections due to their good mechanical performance and excellent corrosion resistance. Fire accidents, which commonly occur in engineering scenarios, pose a significant threat to the safety of steel frames. The post-fire behavior of SSB has a significant influence on the structural integrity of steel frames, and neglecting the effect of temperature can lead to serious accidents in engineering. Therefore, it is important to evaluate the performance of SSB at elevated temperatures and their residual strength after a fire incident. To investigate the mechanical behavior of SSB after fire, 114 bolts with grades A4-70 and A4-80, manufactured from 316L austenitic stainless steel, were subjected to elevated temperatures ranging from 20℃ to 1200℃. Two different cooling methods commonly employed in engineering, namely cooling at ambient temperatures (air cooling) and cooling in water (water cooling), were used to cool the bolts. Tensile tests were performed to examine the influence of elevated temperatures and cooling methods on the mechanical behavior of SSB. The results indicate that the temperature does not significantly affect the Young's modulus and the ultimate strength of SSB. Up to 500℃, the yield strength increases with temperature, but this trend reverses when the temperature exceeds 500℃. In contrast, the ultimate strain shows the opposite trend. The strain hardening exponent is not significantly influenced by the temperature until it reaches 500℃. The cooling methods employed have an insignificant impact on the performance of SSB. When compared to high-strength bolts, 316L austenitic SSB demonstrate superior fire resistance. Design models for the post-fire mechanical behavior of 316L austenitic SSB, encompassing parameters such as the elasticity modulus, yield strength, ultimate strength, ultimate strain, and strain hardening exponent, are proposed, and a more precise stress-strain model is recommended to predict the mechanical behavior of 316L austenitic SSB after a fire incident.
This paper explored the viability of utilising titanium alloy bolts in the construction industry through an experimental programme, where a total of sixty-six titanium alloy (Ti/6Al/4V) bolts were tested under axial tension, pure shear and combined tension and shear. In addition, a series of Charpy V-notch specimens machined from titanium alloy bolts, conventional high-strength steel bolts, austenitic and duplex stainless steel bolts were tested for impact toughness comparisons. The obtained experimental results demonstrated that the axial tensile and pure shear capacities of titanium alloy bolts can be reasonably estimated by the current design standards for steel structures (Eurocode 3, AS 4100 and AISC 360). However, under the combined tension and shear loading conditions, significant underestimation by Eurocode 3 and unsafe predictions through AS 4100 and AISC 360 indicate that proper modifications are necessary to facilitate the safe and economic use of titanium alloy bolts. In addition, numerical models were developed to calibrate the fracture parameters of the tested titanium alloy bolts. Furthermore, a design-based selection process of titanium alloy bolts in the structural applications was proposed, in which the ultimate strength, ductility performance and corrosion resistance (including galvanic corrosion) of titanium alloy bolts was mainly considered.
A number of desirable characteristics concerning excellent durability, aesthetics, recyclability, high ductility and fire resistance have made stainless steel a preferred option in engineering practice. However, the relatively high initial cost has greatly restricted the application of stainless steel as a major structural material in general construction. This drawback can be partially overcome by introducing composite stainless steel-concrete structures, which provides a cost-efficient and sustainable solution for future stainless steel construction. This paper presents a preliminary numerical study on stainless steel-concrete composite beam-to-column joints with bolted flush endplates. In order to ensure a consistent corrosion resistance within the whole structural system, all structural steel components were designed with austenitic stainless steel, including beams, columns, endplates, bolts, reinforcing bars and shear connectors. A finite element model was developed using ABAQUS software for composite beam-to-column joints under monotonic and symmetric hogging moments, while validation was performed based on independent test results. A parametric study was subsequently conducted to investigate the effects of several critical factors on the behaviour of composite stainless steel joints. Finally, comparisons were made between the numerical results and the predictions by current design codes regarding the plastic moment capacity and the rotational stiffness of the joints. It was concluded that the present codes of practice generally overestimate the rotational stiffness and underestimate the plastic moment resistance of stainless steel-concrete composite joints.
The effect of post weld heat treatment (P.W.H.T) on the propagation rate of stress corrosion cracking(S.C.C) and threshold stress intensity factor ($K_{IC}.c.c$) for stress corrosion cracking of 304 stainless steel has been investigated in boiling 45% $MgCl_2$ solutions with W.O.L specimens. Specimens were precracked by turning a pair of Cr-Mo steel bolts into a machined slot at the end of the specimen. The fracture surface was examined fractographically by Scanning Electron Microscope(S.E.M.)
최근에 오스테나이트와 페라이트의 조직을 갖는 듀플렉스계 스테인리스강이 개발되었고 오스테나이트계 스테인리스강에 비해 고강도, 응력부식균열에 대한 고내식성과 재료비절감으로 다양한 산업분야에서 사용량이 증가되고 있다. 그러나, 현재 스테인리스강은 한국 건축구조기준에 구조용재료로 지정되어 있지 않고 구조설계기준도 마련되어 있지 않는 실정이다. 이 연구에서는 2행 1열 듀플렉스계 스테인리스강(STS329FLD) 볼트접합부에 대한 구조적 성능을 조사하기 위한 실험적 연구를 수행하였다. 주요변수는 전단접합형태(일면전단과 이면전단)과 하중방향 연단거리이다. 종국파단형태는 전형적인 블록전단파단, 인장파단과 면외변형이 관찰되었다. 일면전단 접합부에서 면외변형발생으로 최대 20%까지 내력저하가 발생되었다. 실험최대내력은 현행설계기준 AISC/AISI/KBC, EC3와 AIJ 및 기존연구자에 의한 제안된 식에 의한 예측내력과 비교하였다. 면외변형이 발생하지 않은 접합부에 대해서 실제 전단파단단면을 고려한 Clement & The의 식에 의한 예측내력이 실험내력에 가장 근접했고 면외변형을 동반한 접합부에 대해서는 면외변형을 고려해 제안한 Kim & Lim식에 의해서 과대평가하는 것으로 나타났다.
The KN-12 transport cask has been designed to transport 12 PWR spent nuclear fuel assemblies and to comply with the regulatory requirements for a Type B(U) package. The containment boundary of the cask is defined by a cask body, a cask lid, lid bolts with nuts, O-ring seals and a bolted closure lid. The containment vessel for the cask consists of a forged thick-walled carbon steel cylindrical body with an integrally-welded carbon steel bottom and is closed by a lid made of stainless steel, which is fastened to the cask body by lid bolts with nuts and sealed by double elastomer O-rings. In the cask lid an opening is closed by a plug with an O-ring seal and covered by the bolted closure lid sealed with an O-ring. The cask must maintain a radioactivity release rate of not more than the regulatory limit for normal transport conditions and for hypothetical accident conditions, as required by the related regulations. The containment requirements of the cask are satisfied by maintaining a maximum air reference leak rate of $2.7{\times}10^{-4}ref.cm^3s^{-1}$ or a helium leak rate of $3.3{\times}10^{-4}cm^3s^{-1}$ for normal transport conditions and for hypothetical accident conditions.
본 연구는 페라이트계 스테인리스강 일면전단 볼트접합부의 구조거동에 관한 기존실험연구를 바탕으로 유한요소해석법을 이용하여 접합부의 최대내력과 면외변형에 대해 조사하는 것을 목적으로 한다. 유한요소해석결과와 실험결과의 비교를 통해 접합부의 구조거동을 예측하는데 있어 해석의 타당성을 검증하였다. 면외변형에 의해 유발되는 접합부의 연단거리 조건을 조사하고 최대내력저하정도를 정량적으로 평가하였다. 또한, 변수해석을 통해 얻어진 해석결과의 최대내력과 현행기준식인 AISC, KBC2009, AIJ 및 AISI에 의해 예측된 내력과 비교하여 그 적용성을 검토하였다.
Metal flow of the beam blank during H-beam rolling was examined in order to correlate the rolling defects with the beam blank configuration. For this purpose, H-beam rolling was performed on the beam blank where stainless steel bolts were inserted as the marker at the web and flange. The positional variation of the marker was monitored at each rolling pass, and the result was compared with the 3D FEM simulation employing the point tracking function. The simulation results were reasonably agreed with the experimental within the error of 0.5~1mm on both web and flange of the H-beam. It is anticipated that the 3D FEM simulation employing the point tracking function provides the guidance information on analyzing the correlation between the rolling defects and the beam blank configuration in H-beam rolling.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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