Yousefi, Amir M.;Lim, James B.P.;Uzzaman, Asraf;Lian, Ying;Clifton, G. Charles;Young, Ben
Steel and Composite Structures
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v.21
no.3
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pp.629-659
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2016
In cold-formed stainless steel lipped channel-sections, web openings are becoming increasingly popular. Such openings, however, result in the sections becoming more susceptible to web crippling, especially under concentrated loads applied near the web opening. This paper presents the results of a finite element parametric study into the effect of circular web openings on the web crippling strength of cold-formed stainless steel lipped channel-sections for the interior-one-flange (IOF) loading condition. This involves a bearing load applied to the top flange of a length of member, away from the end supports. The cases of web openings located centred beneath the bearing load (i.e. beneath the bearing plate delivering the load) and offset to the bearing plate, are considered. Three grades of stainless steel are considered: duplex EN1.4462, austenitic EN1.4404 and ferretic EN1.4003. In total, 2218 finite element models were analyzed. From the results of the parametric study, strength reduction factors for load bearing capacity are determined, where these reduction factors are applied to the bearing capacity calculated for a web without openings, to take account the influence of the web openings. The strength reduction factors are first compared to equations recently proposed for cold-formed carbon steel lipped channel-sections. It is shown that for the case of the duplex grade, the strength reduction factor equations for cold-formed carbon steel are conservative but only by 2%. However, for the cases of the austentic and ferritic grades, the cold-formed carbon steel equations are around 9% conservative. New strength reduction factor equations are proposed for all three stainless steel grades.
In cold-formed steel structures, such as trusses, wall frames and portal frames, the use of back-to-back built-up cold-formed stainless-steel lipped channels as compression members are becoming increasingly popular. The advantages of using stainless-steel as structural members are corrosion resistance and durability, compared with carbon steel. The AISI/ASCE Standard, SEI/ASCE-8-02 and AS/NZS do not include the design of stainless-steel built-up channels and very few experimental tests or finite element analyses have been reported in the literature for such back-to back cold-formed stainless-steel channels. Current guidance by the American Iron and Steel Institute (AISI) and the Australian and New Zealand (gAS/NZS) standards for built-up carbon steel sections only describe a modified slenderness approach, to consider the spacing of the intermediate fasteners. Thus, this paper presents a numerical investigation on the behavior of back-to-back cold-formed stainless-steel built-up lipped channels. Three different grades of stainless steel i.e., duplex EN1.4462, ferritic EN1.4003 and austenitic EN1.4404 have been considered. Effect of screw spacing on the axial strength of such built-up channels was investigated. As expected, most of the short and intermediate columns failed by either local-global or local-distortional buckling interactions, whereas the long columns, failed by global buckling. All three grades of stainless-steel stub columns failed by local buckling. A comprehensive parametric study was then carried out covering a wide range of slenderness and different cross-sectional geometries to assess the performance of the current design guidelines by AISI and AS/NZS. In total, 647 finite element models were analyzed. From the results of the parametric study, it was found that the AISI & AS/NZS are conservative by around 10 to 20% for cold-formed stainless-steel built-up lipped channels failed through overall buckling, irrespective of the stainless-steel grades. However, the AISI and AS/NZS can be un-conservative by around 6% for all three grades of stainless-steel built-up channels, which failed by local buckling.
The graphitization is affected by the addition of small amount of the elements(such as Si, Al, Ni, B, Cr and Mn etc.) and the pre-treatment(such as cold rolling). Boron is well known element to accelerate the graphitization of cementite in high carbon steels. Also, cold rolling is known to accelerate the graphitization. But the graphitization nucleation mechanism by cold rolling is few reported. Therefore the effect of cold rolling in Fe-0.5%C-1.0%Si-0.47%Mn-0.005%B steel on the graphitization is investigated quantitatively using hardness test, optical microscope and scanning electron microscope, neutron induced microscopic radiography. The nucleation of graphite in cold-rolled Fe-0.5%C-1.0%Si-0.47%Mn-0.005%B steel is formed at void which is formed at pearlite/pearlite boundary by cold rolling. But the effect of cold rolling on graphitization in boron addition steel is more effective than that of no boron addition steel due to segregation of BN at void in boron addition steel.
Residual stresses play important role for design of steel structural members. Cold formed sections usually have residual stresses caused by roll forming. When compared to stresses caused by the working load, especially for compressed members, the effects of residual stresses can be favorable or unfavorable depending on magnitude, orientation and distribution of these stresses. The research presented in this paper includes experimental investigations of residual stresses, initial imperfections and material properties on cold formed carbon steel open cross sections. Experimental results have been compared to results obtained in similar tests with stainless and high strength steel cross sections. Theoretical and experimental research, conducted for cold formed open cross sections, are important for design of axially compressed members. This paper presents two methods of residual stresses investigation: magnetic method and method of pre-drilled holes and obtained results have been compared with results of residual stresses from other authors.
Yousefi, Amir M.;Uzzaman, Asraf;Lim, James B.P.;Clifton, G. Charles;Young, Ben
Steel and Composite Structures
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v.23
no.3
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pp.363-383
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2017
In cold-formed stainless steel lipped channel-sections, use of web openings for service purposes are becoming increasingly popular. Web openings, however, result in the sections becoming more susceptible to web crippling. This paper presents a finite element investigation into the web crippling strength of cold-formed stainless steel lipped channel-sections with circular web openings under the interior-two-flange (ITF) loading condition. The cases of web openings located centred and offset to the bearing plates are considered in this study. In order to take into account the influence of the circular web openings, a parametric study involving 2,220 finite element analyses was performed, covering duplex EN1.4462, austenitic EN1.4404 and ferritic EN1.4003 stainless steel grades. From the results of the parametric study, strength reduction factor equations are proposed. The strengths obtained from reduction factor equations are first compared to the strengths calculated from the equations recently proposed for cold-formed carbon steel lipped channel-sections. It is demonstrated that the strength reduction factor equations proposed for cold-formed carbon steel are unconservative for the stainless steel grades by up to 17%. New coefficients for web crippling strength reduction factor equations are then proposed that can be applied to all three stainless steel grades.
Serror, Mohammed H.;Soliman, Essam G.;Hassan, Ahmed F.
Steel and Composite Structures
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v.23
no.4
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pp.385-397
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2017
Currently, CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) plate bonding is used quite extensively as a strengthening method. In this technique, a composite CFRP plate or sheet of relatively small thickness is bonded with an adhesion material to steel or concrete structure in order to improve its structural behavior and strength. The sheets or plates do not require much space and give a composite action between the adherents. In this study, the rotation capacity of CFRP-strengthened cold-formed steel (CFS) beams has been evaluated through numerical investigation. Studies on different structural levels have been performed. At the beam level, C-section has been adopted with different values of profile thickness, web height, and flange width. At the connection level, a web bolted moment resistant type of connection using through plate has been adopted. In web-bolted connections without CFRP strengthening, premature web buckling results in early loss of strength. Hence, CFRP sheets and plates with different mechanical properties and geometric configurations have been examined to delay web and flange buckling and to produce relatively high moment strength and rotation capacity. The numerical results reveal that CFRP strengthening may increase strength, initial stiffness, and rotation capacity when compared with the case without strengthening.
Effects of the annealing parameters on the formation of ferrites transformed at low temperatures were studied in cold-rolled ultra low carbon steels with niobium and/or chromium. Niobium and chromium were found to be effective in the formation of the low temperature transformation ferrites. The low temperature transformation ferrites more easily formed when both higher annealing temperature and longer annealing time, allowing substitutional alloying elements to distribute between phases, are in combination with faster cooling rate. It was found from EBSD study that the additions of niobium or chromium resulted in the increase in the numbers of high angle grain boundaries and the decrease in those of the low angle grain boundaries in the microstructures. Both granular bainitic ferrite and bainitic ferrite were characterized by the not clearly etched grain boundaries in light microscopy because of the low angle grain boundaries.
A total of 36 carbon steel and stainless steel bolted connections subjected to shear loading at different strain rates was experimentally investigated. The connection specimens were fabricated from carbon steel grades 1.20 mm G500 and 1.90 mm G450, as well as cold-formed stainless steel types EN 1.4301 and EN 1.4162 with nominal thickness 1.50 mm. The connection tests were conducted by displacement control test method. The strain rates of 10 mm/min and 20 mm/min were used. Structural behaviour of the connection specimens tested at different strain rates was investigated in terms of ultimate load, elongation corresponding to ultimate load and failure mode. Generally, it is shown that the higher strain rate on the bolted connection specimens, the higher ultimate load was obtained. The ultimate loads were averagely 2-6% higher, while the corresponding elongations were averagely 8-9% higher for the test results obtained from the strain rate of 20 mm/min compared with those obtained from the lower strain rates (1.0 mm/min for carbon steel and 1.5 mm/min for stainless steel). The connection specimens were generally failed in plate bearing of the carbon steel and stainless steel. It is shown that increasing the strain rate up to 20 mm/min generally has no effect on the bearing failure mode of the carbon steel and stainless steel bolted connections. The test strengths and failure modes were compared with the results predicted by the bolted connection design rules in international design specifications, including the Australian/New Zealand Standard (AS/NZS4600 2018), Eurocode 3 - Part 1.3 (EC3-1.3 2006) and North American Specification (AISI S100 2016) for cold-formed carbon steel structures as well as the American Specification (ASCE 2002), AS/NZS4673 (2001) and Eurocode 3 - Part 1.4 (EC3-1.4 2015) for stainless steel structures. It is shown that the AS/NZS4600 (2018), EC3-1.3 (2006) and AISI S100 (2016) generally provide conservative predictions for the carbon steel bolted connections. Both the ASCE (2002) and the EC3-1.4 (2015) provide conservative predictions for the stainless steel bolted connections. The EC3-1.3 (2006) generally provided more accurate predictions of failure mode for carbon steel bolted connections than the AS/NZS4600 (2018) and the AISI S100 (2016). The failure modes of stainless steel bolted connections predicted by the EC3-1.4 (2015) are more consistent with the test results compared with those predicted by the ASCE (2002).
Dar, M. Adil;Subramanian, N.;Dar, A.R.;Rather, Amer Iliyas;Atif, Mir;Syed, Sayeeda
Structural Engineering and Mechanics
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v.70
no.3
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pp.303-310
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2019
Any revision of seismic codes usually demands a higher capacity from structural members, making existing structures unsafe particularly from strength considerations. Retrofitting of capacity deficient members is very suitable for tackling such situations. This paper presents an experimental study on different retrofitting measures adopted for strengthening a series of reinforced concrete (RC) beams. Four identical RC beam specimens were casted, out of which three specimens were strengthened by different schemes (viz., bolted hot rolled flat, bolted cold-formed steel channel, and carbon fibre reinforced polymer (CFRP) laminate, respectively) on their tension face and tested under four-point monotonic loading. This study focuses on the investigation of the flexural behaviour of these retrofitted beams, observed in terms of strength and stiffness. It was concluded that all retrofitting measures improved the structural performance of these beams. However, the cost involved with each strengthening mode was proportional to the improvement in the performance achieved.
Han, Seung Youb;Shin, Sang Yong;Lee, Sunghak;Kim, Nack J.;Kwak, Jai-Hyun;Chin, Kwang-Geun
Korean Journal of Metals and Materials
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v.48
no.5
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pp.377-386
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2010
An investigation was conducted into the effects of $\kappa$-carbides on the cracking phenomenon, which often occurred in cold-rolled light-weight steel plates. Three kinds of steels were fabricated by varying the C content, and their microstructures and tensile properties were investigated. In the two steels that contained a high carbon content, the band structures of ferrites and $\kappa$-carbides that were severely elongated along the rolling direction were well developed, whereas continuous arrays of $\kappa$-carbides were formed in the steel that contained a low carbon content. Detailed microstructural analyses of the deformed region beneath the tensile fracture surface showed that the cracks initiated at arrays of $\kappa$-carbides or $\kappa$-carbides formed interfaces between the band structures, which initiated cleavage fractures in the ferrite bands, while the bands populated with a number of $\kappa$-carbides did not play an important role in propagating the cracks. Thus, the minimization of interfacial $\kappa$-carbides or $\kappa$-carbide arrays by increasing the carbon content was essential for preventing cracking from occurring during cold rolling.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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