Numerical studies of residual stress patterns and their effects on circular truss members with flattened ends
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2017-06-12
Department
Major/Subject
Rakennetekniikka
Mcode
R3001
Degree programme
Rakenne- ja rakennustuotantotekniikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
114
Series
Abstract
When a steel member verification against buckling is carried out according to the Eurocode 3, the residual stresses and geometric tolerances resulting from the manufacturing process are taken into account with an imperfection factor. However, the application rules in Eurocode 3 may only be used when cross-sectional shape of the profile is not modified along the longitudinal axis. When the member end is flattened, Eurocode 3 provides no guidelines to estimate the initial conditions in the member and eventually no design equations for determining the connection resistance. In such cases, advanced analysis techniques based on non-conservative approaches are needed for evaluating the structural performance. In this thesis, a numerical study of residual stress patterns and their effects on circular truss member with flattened ends is conducted. The thesis introduces suitable finite element techniques for modelling the initial stress patterns induced during manufacturing. The proposed techniques are validated with experimental results found in the literature. The three-part sequential analysis is made using Abaqus finite element software consisting of the forming simulation, the springback analysis and the analysis under compressive loading. Finally, stress patterns from the numerical analysis are derived both in the flattening and the final stage. The proposed simulation techniques showed excellent correlation in maximum structural bearing capacity; the maximum compressive resistance being 1.85% lower compared to the experimental data. The results also indicated that the numerical model was stiffer in the axial direction than the structure tested. The tensile residuals stresses within the transition zone improved the compressive resistance by 5.8%. The obtained residual stress patterns can be considered a good estimation of the initial material state, but for dynamic analyses further considerations are needed. As result, a better understanding for structural behaviour of a member with flattened ends is formed.Eurokoodin mukaisessa terässauvojen nurjahdustarkastelussa valmistusprosessista aiheutuvat epätarkkuudet ja jäännösjännitykset huomioidaan asiaankuuluvalla epätarkkuustekijällä. Mitoitusohjeet ovat voimassa ainoastaan, kun sauvan poikkileikkaus säilyy muuttumattomana pituussuuntaisen akselin suhteen, joten päistään litistettyjen sauvojen tapauksessa eurokoodin mukainen nurjahdustarkastelu ei ole mahdollinen. Sauvan rakenteellinen kapasiteetti voidaan määrittää soveltamalla edistyneitä analyysimenetelmiä, jotka huomioivat valmistuksesta aiheutuvat jäännösjännitykset ja deformoituneen geometrian alkutilana analyysissä. Tässä diplomityössä tutkitaan numeerisesti jäännösjännitysjakaumia sekä niiden vaikutusta päistään litistetyn sauvan rakenteelliseen kestävyyteen. Työssä esitellään soveltuvia laskennallisia menetelmiä rakenteen alkutilan mallintamiseen. Esitellyt menetelmät validoidaan kirjallisuudesta löytyvällä kokeellisella tutkimusaineistolla. Kolmiosainen numeerinen analyysi koostuu putken litistyssimulaatiosta, kimmoisen palauman ja puristuskestävyyden määrityksestä ja se tehdään Abaqus- elementtimenetelmäohjelmistolla. Lopuksi numeerisesta analyysistä saadut jännitysjakaumat esitetään sekä putken litistysvaiheessa että lopputilassa. Esitetyillä analyysimenetelmillä saatu puristuskestävyyden arvo oli 1,85% pienempi kuin kokeellisesti määritetty arvo. Numeerinen malli kuvasi aksiaalisen jäykkyyden suurempana kuin koetilanteessa osoittautui olevan. Putken transitioalueen jäännösjännitykset paransivat rakenteen kuormankantokykyä 5,8%. Numeerisesti mallinnettuja jäännösjännitysjakaumia voidaan pitää hyvänä arviona rakenteen alkutilasta, mutta lisätarkasteluja dynaamisten analyysien suhteen tarvitaan. Työn tuloksena voidaan muodostaa parempi käsitys päistään litistetyn sauvan alkutilasta ja käyttäytymisestä.Description
Supervisor
Puttonen, JariThesis advisor
Lu, WeiNottegar, Mauro
Keywords
Abaqus, explicit, finite element method, flattened end type member, metal forming simulation, residual stresses