Hybrid bolted joints composed of conventional and additively manufactured steel profiles : a numerical study on the transverse isotropy and material damage around bolt holes

Steel tubular structures having complex geometry are time and resource consuming to design and assemble using traditional manufacturing techniques. To design more sustainable steel tubular structures, the construction industry has been recently testing the feasibility of using Metal Additive Manufacturing in complementing the traditional manufacturing. This technique has been widely proposed in fabricating metal parts with limited sizes and complex geometry in the other industries. Despite many advantages, the lack of the knowledge on the transverse isotropy of printed metallic products increases the complexity of studying their mechanical behavior. Numerical simulation methods and complete material models are necessary to reliably predict the printed steel behavior, to widen and strengthen the existing options in the literature. In this work, we developed a material model for the conventional stainless steel, and one for the printed stainless steel considering its transverse isotropy (described by the 5 independent engineering constants) and ductile damage criterion, and calibrated them with reference to the experimental data from the literature. Using our material models, we performed numerical simulations of a conventional single bolted connection, and verified the model’s reliability by simulating tensile tests. Then, the new printed steel material model has been employed in hybrid bolted connection simulations. The results showed that if the printed plate were built vertically, it would fail first, but if the printed plate were built horizontally, the conventional plate would fail first. Parametric simulations have been performed on a hybrid single bolted connection, and on a tubular bolted connection. In both cases, a switch of the failure from the conventional plate to the printed plate was observed when the angle between the material layer and the loading direction is equal to 60. The ductility coefficient change of the hybrid connection was up to 16.3% depending on different building directions. Finally, some suggestions about the further design of a hybrid joint were proposed based on a hybrid tubular joint geometry simulation.

Le strutture tubolari in acciaio con geometria complessa richiedono lunghi tempi di progettazione e assemblaggio se si utilizzano le tradizionali tecniche di manifattura. Per realizzare strutture tubolari in acciaio più sostenibili, l’industria delle costruzioni ha iniziato lo studio della Manifattura Additiva di Metalli come tecnologia complementare alla manifattura tradizionale. Questa nuova tecnologia è stata ampiamente utilizzata dagli altri settori industriali nella produzione di componenti aventi dimensioni contenute e geometrie complesse. Nonostante gli innumerevoli vantaggi, la scarsa conoscenza dell’isotropia trasversale dei prodotti metallici stampati aumenta la complessità dello studio del loro comportamento. Metodi di simulazione numerica e modelli completi per i materiali sono necessari per predire correttamente il comportamento dell’acciaio stampato, approfondendo e rafforzando le opzioni presenti in letteratura. In questo lavoro, abbiamo sviluppato un modello dell’acciaio inossidabile convenzionale e uno per l’acciaio inossidabile stampato, considerando la sua isotropia trasversale (descritta da 5 costanti ingegneristiche indipendenti) e un adeguato criterio di danneggiamento duttile, calibrando i modelli con riferimento a dati sperimentali da letteratura. Con i nostri modelli dei materiali, abbiamo eseguito simulazioni numeriche di una connessione bullonata convenzionale a taglio con un singolo bullone per verificare l’affidabilità del modello numerico. Quindi il modello del materiale stampato è stato implementato per simulare una connessione bullonata ibrida. I risultati hanno dimostrato che se la piastra è stampata verticalmente, questa si rompe prima di quella convenzionale, mentre se è stampata orizzontalmente, è la piastra convenzionale a causare il collasso della connessione. Abbiamo inoltre condotto studi parametrici sulle connessioni bullonate ibride con un solo bullone e su connessioni bullonate ibride tra profili tubolari. In entrambe le geometrie, la direzione di stampa che ha determinato il cambiamento della piastra che si frattura è 60°. Il cambiamento del coefficiente di duttilità della connessione ibrida è risultato essere al più del 16.3%, in relazione alla direzione di crescita. Infine, abbiamo presentato alcune proposte per la progettazione di giunti tubolari ibridi, sulla base delle simulazioni di connessione ibrida tubolare.