Structural integrity assessment of hybrid joints bewteen additively manufactured and conventional steel components

Metal Additive Manufacturing (MAM), also known as 3D metal printing, is used to build objects layer by layer starting from the metal powder. In this way, complex geometry components can be easily produced as unique bodies. High-tech industries such as automotive, aerospace and biomedical have already embraced this technology. For the Architecture, Engineering and Construction (AEC) industry, MAM can open a new era by removing the limitations regarding the geometrical complexity of the structural joints. Steel construction industry frequently uses steel tubular elements to build high performance and architecturally appealing structures. However, their joints are problematic and expensive because of the geometric limitations. Moreover, complexity of these tubular joints causes high stress concentrations and residual stresses due to repeated cutting and welding operations. MAM could be used to overcome these difficulties, although the large dimensions of steel frames currently limit its exploitation in the AEC sector. MAM can be introduced as a viable solution in the AEC industry in the near future by following a “hybrid” manufacturing approach. In other words, MAM components can become the “complex joints” between the conventional steel profiles. This thesis numerically studies the structural integrity of hybrid joints composed of MAM and conventional steel (CS) components. First, calibrations of the material models and hybrid connections are performed with reference to the experimental studies from the literature. Then, a hybrid joint model is developed. At the end, static and fatigue analyses are performed using different methods and geometrical alternatives. With these analyses, several features of hybrid MAM-CS joints are quantified, and some important optimization parameters are highlighted to reach a good static and fatigue behaviour.

La manifattura additiva di metalli (MAM), nota anche come stampa 3D di metalli, viene utilizzata per costruire oggetti strato per strato a partire da polvere metallica. Questo processo consente di produrre in un unico corpo componenti dalla geometria complessa. Le industrie automobilistica, aerospaziale e biomedicale già traggono vantaggio da questa tecnologia. Per quanto riguarda l’industria AEC (Architecture, Engineering and Construction), la MAM può ampliare le sue potenzialità eliminando le limitazioni che riguardano la complessità geometrica dei giunti strutturali. L’industria delle costruzioni in acciaio adotta frequentemente l’utilizzo di elementi tubolari per realizzare strutture ad elevate prestazioni e architettonicamente eleganti. Ciononostante i giunti strutturali tradizionali presentano problematiche e costi notevoli per le limitazioni legate alla produzione e all’assemblaggio. In aggiunta, la complessità dei giunti tubolari tradizionali provoca la formazione di sforzi concentrati a cause delle operazioni di taglio e saldatura. La MAM potrebbe essere sfruttata per superare queste difficoltà, sebbene le grandi dimensioni delle strutture in acciaio limitino l’applicabilità al settore delle costruzioni. La definizione di giunti “ibridi” può permettere questa applicazione nel prossimo futuro: i componenti stampati possono costituire i nodi complessi tra profili in acciaio convenzionale concorrenti. Questa tesi intraprende lo studio numerico dell’integrità strutturale di giunti ibridi costituiti da un componente stampato e da elementi in acciaio convenzionale (CS). In primo luogo, sono state eseguite calibrazioni dei modelli numerici dei materiali e della connessione ibrida in base a studi sperimentali da letteratura. Quindi è stato sviluppato un modello del noto ibrido. Su questo, analisi statiche e a fatica son state eseguite utilizzando diversi metodi e alternative geometriche. Con tali analisi sono state quantificate svariate caratteristiche dei nodi ibridi MAM-CS ed è stato possibile identificare importanti parametri di ottimizzazione che hanno permesso di raggiungere buoni comportamenti statici e a fatica.