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.
Stainless steel exhibits high ductility and strain hardening capacity in comparison with carbon steel widely used in constructions. To analyze the particular behaviour of stainless steel cover-plate joints, an experimental study was conducted. It showed large ductility and complex failure modes of the joints. A non-linear finite element model was developed to predict the main parameters influencing the behaviour of these joints. The results of this deterministic model allow us to built a meta-model by using the quadratic response surface method, in order to allow for efficient reliability analysis. This analysis is then applied to the assessment of design formulae in the currently used codes of practice. The reliability analysis has shown that the stainless steel joint design according to Eurocodes leads to much lower failure probabilities than the Eurocodes target reliability for carbon steel, which incites revising the resisting model evaluation and consequently reducing stainless steel joint costs. This approach can be used as a basis to evaluate a wide range of steel joints involving complex failure modes, particularly bearing failure.
The formation mechanism of microconstituents in brazed joints of duplex stainless steel and Cr-Cu alloy which is an essential process of rocket engine manufacturing was investigated using Cu base insert metal. $SUS329J_3L$ and C18200 were used for base metal and AMS 4764 was used for insert metal. The brazing was carried out under various conditions. There were various phases in the joints, because of reaction between liquid insert metal and base metals. Since liquid insert metal reacts with duplex stainless steel, liquid Cu from insert metal infiltrated into the $\alpha/\beta$ interface of duplex stainless steel. Through the process of Cu infiltration, isolated stainless steel pieces come into the liquid insert metal. Since liquid insert metal reacts with Cr-Cu alloy. Cr precipitates from C18200 come into the liquid insert metal. With increment of bonding temperature and holding time, amounts and sizes of phases increased. but Cr-Mn compounds decreased at 1303k for 1.2ks and Mn-rich phases disappeared Fe-Cr compounds formed.
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.
Feasibility study of the application of a developed annealed austenitic stainless steel at cryogenic temperature has been performed for membrane tank of LNG ship. Chemical properties of developed stainless steel are compared with a domestic commercial stainless steel and a foreign stainless steel which are used for LNG ships. Tensile properties at cryogenic temperature and fatigue strength at room temperature are measured for but and lap joints which are TIG welded specimens. Developed stainless steel having a small amount of titanium component shows the finest grain size in the HAZ, compared with the other stainless steel studied. Tensile strength, elongation and fatigue strength of the developed stainless steel are equal to those of the foreign stainless steel studied and are higher than the domestic commercial stainless steel studied.
This paper is to evaluate the fatigue strength of lap joints of materials applied to LNG carrier cargo containment of GAZ-TRANSPORT(GT) type, which was welded by manual and automatic TIG welding process. The thicknesses of lapped members were 1.5mm/1.5mm or 1.5mm/0.7mm in Invar to Invar joint, and 1.5mm/8.0mm in Invar to stainless steel joint, respectively. These lap joints were mainly applied to the membrance fabrication of GT-LNG carrier. Fatigue tests of Invar/Inar lap joints were conducted under the stress ratio R=0 at room temperature. The effect of mean stress and cumulative fatigue damage on the allowable stress of Invar lap joint was evaluated on the basis of test results. Fatigue test was also conducted on Inver/Stainless steel lap joints welded by automatic TIG process without filler metals. The fatigue test of the joint was carried out under the same conditions as those of Invar/invar lap joints. The fatigue strength of the joint welded without filler metal was comparable to those welded with filler metal quoted from reference. The fatigue strength of Invar/stainless steel lap joint was only dependent on the lap throat thickness, and not on the welding process. Based on test results, the applicability of TIG welding process without filler metal in Invar/stainless steel lap joint was reviewed by controlling welding variables to assure the valid throat thickness of lap joints.
The spot weldability of dissimilar metal joints between austenitic stainless steels (STS316)/IF steels and ferritic stainless steels (STS430)/IF steels was investigated. This study was aimed to determine the spot welding parameters for a dissimilar metal joint and to evaluate the dissimilar metal joint's weldability, including its welding nugget shape, tensile-shear strength, hardness, and microstructure. The comparison of these results was described in terms of fracture behavior. Compared with the weld lobe of similar metal joints, dissimilar metal joints (STS430/IF) had reduced weld current range. However, the weld lobe of STS316/IF steel joint showed increased weld current range. This is because the dilution of chemical composition in the molten weld pool suppressed the heat input being caused by Joule heat with current flow through the samples. The microstructure of the fusion zone was fully martensite and mixture of ferrite and martensite for austenitic stainless steel/IF steel and ferritic stainless steel/IF steel combination, respectively. The experimental results showed that the shape of nugget was asymmetric, in which the fusion zone of the austenitic and ferritic stainless steel sheet was larger due to the higher bulk-resistance. The predicted microstructure by using the Schaeffler diagram was well matched with experimental results. After peel test, the fracture was initiated from heat affected zone of ferritic stainless steel sheet side, however the final fracture was propagated into the IF steel sheet side due to its lower strength.
In order to investigate the quantitative behavior of galvanic corrosion in weld joints between stainless std이 and carbon steel, electrochemical polarization experiments were performed at pH4, pH7 and pH10 with boric acid concentration 4000ppm, and water temperature were selected as $35^{\circ}$C and $60^{\circ}$C. As the results, the galvanic corrosion phenomena of carbon steel weld material at $60^{\circ}$C was revealed $2{1\over2}$ times higher corrosion rate than that at $35^{\circ}$C condition. The corrosion rate of stainless steel was almost inedependent of the variation of pH. The significant corrosion rates of carbon steel and the weld joint of carbon-carbon steel were observed at pH 4.
This paper carries out the progressive collapse analysis of stainless steel composite beam-to-column joint sub-models and moment-resisting frames under column removal scenarios. The static flexural response of composite joint sub-models with damaged columns was initially explored via finite element methods, which was validated by independent experimental results and discussed in terms of moment-rotation relationships, plastic hinge behaviour and catenary actions. Simplified finite element methods were then proposed and applied to the frame analysis which aimed to elaborate the progressive collapse response at the frame level. Nonlinear static and dynamic analysis were employed to evaluate the dynamic increase factor (DIF) for stainless steel composite frames. The results suggest that the catenary action effect plays an important role in preventing the damaged structure from dramatic collapse. The beam-to-column joints could be critical components that influence the capacity of composite frames and dominate the determination of dynamic increase factor. The current design guidance is non-conservative to provide proper DIF for stainless steel composite frames, and thus new DIF curves are expected to be proposed.
This paper numerically assesses the initial stiffness and moment capacity of stainless steel composite bolted joints with concrete-filled circular tubular (CFCT) columns. By comparing with existing design codes including EN 1993-1-8 and AS/NZS 2327, a modified component method was proposed to better predict the flexural performance of joints involving circular columns and curved endplates. The modification was verified with independent experimental results. A wide range of finite element models were then developed to investigate the elastic deformations of column face in bending which contribute to the corresponding stiffness coefficient. A new design formula defining the stiffness coefficient of circular column face in bending was proposed through regression analysis. Results suggest that a factor for the stiffness coefficient of endplate in bending should be reduced to 0.68, and more contribution of prying forces needs to be considered. The modified component method and proposed formula are able to estimate the structural behaviour with reasonable accuracy. They are expected to be incorporated into the current design provisions as supplementary for beam-to-CFCT column joints.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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