Innovative and economic utilization of stainless steel in load bearing structures
Ahopelto, Joonas (2018)
Ahopelto, Joonas
2018
Konetekniikka
Teknisten tieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2018-08-15
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201808142147
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201808142147
Tiivistelmä
In this work properties of ferritic, austenitic and duplex stainless steels were studied. The objective was to obtain the good properties of stainless steels by performing an inclusive overview on the published material on stainless steels. Based on the findings, energy absorption and elevated temperature properties were chosen to be studied in more detail. Finite element models in explicit dynamics were developed for the axial crush of single tube and bitubular structures. Single tube models achieved 10% accuracy whereas bitubular models had 30% error compared to experimental results. Elevated temperature properties of stainless steels and carbon steel were studied by performing mass and cost comparisons according to available fire design rules (Eurocode, Design Manual for Structural Stainless Steel). The studies showed that in the example loading situations with fire reduction factor of 0.35–0.57, the stainless steel columns were 21–46% lighter than unprotected carbon steel column in 15 min standard fire. The differences in masses were higher in 30 min standard fire. The studies on overall costs, excluding all life-cycle costs, showed that austenitic stainless steels EN 1.4301 and stabilized EN 1.4571 were at best 26% and 45% more expensive than the cheapest mild steel member with fire protection in chosen example situations. Tässä työssä tutkittiin ferriittisten, austeniittisten ja duplex ruostumattomien terästen ominaisuuksia. Tavoitteena oli löytää ruostumattomien terästen hyvät ominaisuudet kattavalla ruostumattomista teräksistä julkaistun kirjallisuuden tutkimuksella. Energian absorptio ja korkeiden lämpötilojen ominaisuudet valikoituivat tarkempaan tarkasteluun. Yhden ja kahden putken aksiaalisesta kasaan puristuksesta tehtiin elementtimenetelmäohjelmistolla eksplisiittisen dynamiikan simulointimallit. Yhden putken malleilla saavutettiin 10 % tarkkuus, ja kahden putken malleilla oli 30% virhe kokeellisiin tuloksiin verrattuna. Ruostumattoman teräksen kohotetun lämpötilan ominaisuuksia tutkittiin massa- ja kustannusvertailussa yhdessä hiiliteräksen kanssa saatavilla olevien suunnitteluohjeiden mukaan (Eurokoodi, Design Manual for Structural Stainless Steel). Laskelmat osoittivat, että valituissa esimerkkiolosuhteissa palotilanteen kuorman pienennyskertoimen ollessa 0,35–0,57 ruostumattomat teräsputket olivat 21–46 % kevyempiä kuin S355-hiiliteräsputki 15 min standardipalossa. Erot 30 min standardipalossa olivat suuremmat. Kokonaiskustannusvertailussa, kaikki elinkaarikustannukset pois lukien, austeniittiset EN 1.4301 ja stabiloitu EN 1.4571 olivat parhaimmillaan 26 % ja 46 % kalliimpia kuin halvin hiiliteräsputki.