Structural behavior of steel components under strong cyclic loading

Abstract

This study presents an efficient numerical implementation of the bounding-surface cyclic-plasticity model in a finite element environment, suitable for simulating the structural behavior of metal components subjected to strong cyclic loading. The model is based on the Dafalias-Popov “bounding surface” concept, equipped with appropriate enhancements that allow for efficient simulation of repeated, alternate inelastic deformation. In the first part of the present study, the numerical implementation of the “bounding surface” model is presented. The numerical implementation is performed using an efficient elastic-predictor/plastic-corrector method. Special features of the model are examined, focusing on the influence of several material parameters on cyclic material response. The model is also employed for simulating laboratory physical experiments. First, stress-controlled and strain-controlled small scale experiments are simulated, in strip specimens made of regular (mild) steel and high-strength steel. Upon appropriate calibration from the small-scale tests, the model is employed for predicting the mechanical response of a large-scale physical experiment. In the second part of the present study, the mechanical behavior of steel pipe bends (elbows), subjected to strong cyclic loading conditions, is presented. The elbows are modeled with finite elements, which account for the measured elbow geometry and for the actual properties of steel elbow material. To simulate material response under repeated inelastic deformation, the cyclic-plasticity material model, discussed in the first part of the study, is employed, based on the bounding-surface concept. Very good comparison has been obtained in terms of global load-displacement response, as well as in terms of local strains and their accumulation over the loading cycles (ratcheting rate) at specific elbow locations. The good comparison between tests and numerical results indicates that the bounding-surface model can be an efficient tool for predicting accurately the mechanical response of piping components under severe cyclic loading conditions. Using the validated numerical models, extensive results are obtained on the effect of internal pressure on strain and deformation accumulation at different locations of the elbow outer surface, for different values of pipe thickness. In the third part of the present study, the mechanical behavior of fillet-welded steel joints is examined numerically and experimentally. It is motivated by the seismic response of unanchored steel liquid storage tanks that exhibit repeated uplifting of the base plate, leading to low-cycle fatigue failure of the fillet-welded connection of the tank base plate with the tank shell. Low-cycle fatigue experiments on small-scale fillet-welded joints are performed, representing the connection of the base plate with the tank shell. Material tests have been conducted prior to fatigue tests, to identify the mechanical properties of the base plate material, whereas the weld is examined with stereo optical microscopy and micro-hardness measurements. The fatigue experiments aim at determining the relationship between the strain developed at the welded connection and the corresponding number of cycles to failure. Inspection of the failed specimens determined the “zone” size at the upper and the bottom surface in which microcracks occurred. Numerical simulations are also performed, to elucidate special features of joint behavior, complementing the experimental results and observations. The main conclusion is that the fillet-welded connections under consideration are capable of sustaining a substantial strain levels for a significant number of cycles, before low-cycle fatigue failure occurs. Furthermore, a strain-based fatigue curve is developed, which can be used for the seismic design of liquid storage tanks.

Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται η αριθμητική ολοκλήρωση ενός καταστατικού μοντέλου κυκλικής πλαστικότητας «οριακής επιφάνειας» σε υπολογιστικό περιβάλλον πεπερασμένων στοιχείων, κατάλληλο για την προσομοίωση της δομικής συμπεριφοράς μεταλλικών στοιχείων, που υπόκεινται σε ισχυρή κυκλική φόρτιση. Το μοντέλο βασίζεται στην ιδέα της “οριακής επιφάνειας” προτεινόμενο από τους Dafalias-Popov, και εμπλουτίζεται με τα κατάλληλα χαρακτηριστικά, ώστε να προσομοιώνεται καλύτερα η ελαστοπλαστική συμπεριφορά του υλικού σε κυκλική φόρτιση. Στο πρώτο τμήμα αυτής της διατριβής παρουσιάζεται το καταστατικό μοντέλο και δίνονται λεπτομέρειες για όλα τα εργαλεία που εισήχθησαν στο μοντέλο ώστε να το ενισχύσουν. Επίσης προσομοιώθηκαν πειράματα μικρής κλίμακας υπό κυκλική φόρτιση, ελέγχοντας την επιβαλλόμενη παραμόρφωση και την τάση. Περαιτέρω, με τη χρήση των πειραμάτων μικρής κλίμακας για τη βαθμονόμηση του καταστατικού μοντέλου προσομοιώθηκαν πειράματα μεγάλης κλίμακας. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής, παρουσιάζεται η μηχανική συμπεριφορά μεταλλικών καμπύλων σωληνωτών στοιχείων (elbows), που υποβάλλονται σε ισχυρή κυκλική φόρτιση. Οι καμπύλοι σωλήνες προσομοιώθηκαν με πεπερασμένα στοιχεία λαμβανομένων υπόψιν της γεωμετρίας και των ιδιοτήτων του υλικού. Για την προσομοίωση χρησιμοποιήθηκε το προτεινόμενο καταστατικό μοντέλο και η σύγκριση των αριθμητικών αποτελεσμάτων με τα πειραματικά δεδομένα είναι πολύ καλή τόσο στο «ολικό» επίπεδο δύναμης-μετατόπισης όσο και στο «τοπικό» επίπεδο που αφορά συσσώρευση πλαστικών παραμορφώσεων. Με τη χρήση των ίδιων αριθμητικών μοντέλων πραγματοποιήθηκε επιπλέον μια παραμετρική μελέτη για την επιρροή της εσωτερικής πίεσης και του πάχους του καμπύλου μεταλλικού τμήματος στη συσσώρευση πλαστικών παραμορφώσεων. Στο τρίτο μέρος της παρούσας διατριβής παρουσιάζεται η μηχανική συμπεριφορά συγκολλητών (fillet-welded) μεταλλικών συνδέσεων. Το κίνητρο αυτής της μελέτης είναι η δομική συμπεριφορά μη αγκυρωμένων μεταλλικών δεξαμενών, οι οποίες υποβάλλονται σε επαναλαμβανόμενο ανασήκωμα της βάσης της δεξαμενής, το οποίο οδηγεί σε ολιγο-κυκλική κόπωση λόγω επαναλαμβανόμενων πλαστικών παραμορφώσεων. Πραγματοποιήθηκαν πειράματα υλικού ώστε να προσδιοριστούν οι ιδιότητές του υλικού και πειράματα σε μεταλλικές συγκολλητές συνδέσεις ώστε να προσδιοριστεί η σχέση των αναπτυσσόμενων παραμορφώσεων κοντά στον πόδα της συγκόλλησης λόγω κυκλικής φόρτισης και του αριθμού των κύκλων μέχρι την αστοχία. Μετά το πέρας των πειραμάτων πραγματοποιήθηκε αυτοψία στα δοκίμια, ώστε να προσδιοριστεί η ζώνη των ρωγμών στην πάνω και την κάτω πλευρά της βάσης του δοκιμίου. Πραγματοποιήθηκαν αριθμητικές προσομοιώσεις με σκοπό τον υπολογισμό παραμορφώσεων σε σημεία όπου πειραματικά δεν ήταν δυνατόν να μετρηθούν, αλλά και για την επέκταση των πειραματικών αποτελεσμάτων. Το βασικό συμπέρασμα της μελέτης των μεταλλικών συνδέσεων είναι ότι μπορούν να υποστούν πολλούς κύκλους με μεγάλες παραμορφώσεις. Τέλος με βάση τα αποτελέσματα προτάθηκε μια καμπύλη κόπωσης, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον σεισμικό σχεδιασμό μη αγκυρωμένων δεξαμενών.