Strengthening of steel structures

COMPLEX STEEL STRUCTURES

13-01-08

1

Konstrukcje metalowe - Wykład 28

13-01-08

2

LECTURE PLAN

INTRODUCTION

OLD STEELS

STRENGTHENING OF STEEL STRUCTURES

EXAMPLES

BIBLIOGRAPHY

Konstrukcje metalowe - Wykład 28

INTRODUCTION

13-01-08

3

Konstrukcje metalowe - Wykład 28

REFIT (REPAIR)

– to restore the original structure state [2]:

- typical – performed in defined period of time e.g once a 10 years,
- in case of disaster

MODERNIZATION

– to change or improve the performance of the

structure e.g. to prepare it for larger loads [2].
- connected with the change of production technology,
- connected with a new function of a structure.

PLAN OF MODERNIZATION WORKS [2]:

- anaysis of the building design,

- check of the structure capacity (using 3D analysis or plastic
theory),

- change of way of use, static model or prestressing,

- desing of reinforcements and restraints (increase of cross-section).

13-01-08

4

Konstrukcje metalowe - Wykład 28

INTRODUCTION

PUDDLED STEEL:

- in production to the beginning of 20 century,
- small amount of steel producted in one melt (200-500 kg)
- forging used to receive larger steel elements (layer structure)
- heterogenous structure,
- heterogenous composition,
- differentiated properties
- large amount of foulants (S - sulphur, P-phosphorus) – risk of brittle
fracture

13-01-08

5

Konstrukcje metalowe - Wykład 28

OLD STEELS

CAST STEEL:

- in production from 2nd half of 19 century,
- converters were used for steel production,
- better quality and composition,
- early cast steels – small impact strength, risk of fracture etc.

13-01-08

6

Konstrukcje metalowe - Wykład 28

OLD STEELS

Źródło [2]

13-01-08

7

Konstrukcje metalowe - Wykład 28

OLD STEELS

CHEMICAL COMPOSITION - MAIN INGREDIENTS

Źródło [2]

13-01-08

8

Konstrukcje metalowe - Wykład 28

OLD STEELS

MECHANICAL PROPERTIES

OLD STEELS

To obtain mechanical properties of old steel tests should be
performed:
- chemical composition (welding),
- tensile test (yield strength, ultimate strength, elongation to failure)
- impact test (fracture toughness).

13-01-08

9

Konstrukcje metalowe - Wykład 28

Specimens for tests should be taken from the structural elements.
They should not be taken from the sections where the stresses are
high.

13-01-08

Konstrukcje metalowe - Wykład 26

10

OLD STEELS

CHEMICAL COMPOSITION - SPECTROMETER

Źródło [www.belec.de]

13-01-08

Konstrukcje metalowe - Wykład 26

11

TENSILE TEST

OLD STEELS

Ź

ród

ło

[w

w

w

.z

w

ic

k.

pl

]

13-01-08

Konstrukcje metalowe - Wykład 26

12

IMPACT TEST

OLD STEELS

WAY OF USE CHANGE

- to limit the range of overhead crane trolley (smaller vertical load
applied to a beam),

- to limit a minimal distance between two overhead cranes on one
beam (smaller number of forces applied to one beam).

13-01-08

13

Konstrukcje metalowe - Wykład 28

Źródło [3]

Źródło [3]

REINFORCEMENT OF STEEL STRUCTURES

METHODS OF STEEL STRUCTURES REINFORCEMENTS:

- use of additional structural elements,

- change of stress distribution:

- prestressing with cables,

- prestressing with a sprag,

- prestressing with change of supports level,

- increase of cross-section area.

13-01-08

14

Konstrukcje metalowe - Wykład 28

REINFORCEMENT OF STEEL STRUCTURES

13-01-08

15

Konstrukcje metalowe - Wykład 28

INTRODUCTION OF ADDITIONAL STRUCTURAL ELEMENTS

- new beam between old ones.

Źródło [3]

REINFORCEMENT OF STEEL STRUCTURES

13-01-08

16

Konstrukcje metalowe - Wykład 28

INTRODUCTION OF ADDITIONAL STRUCTURAL
ELEMENTS

- additional horizontals in a lattice tower reduce a
buckling length of chords (see: dotted line).

Źródło [2]

REINFORCEMENT OF STEEL STRUCTURES

13-01-08

17

Konstrukcje metalowe - Wykład 28

CHANGE OF STRUCTURAL MODEL

- introduction of a new columns, angle struts, etc.

Źródło [3]

REINFORCEMENT OF STEEL STRUCTURES

13-01-08

Konstrukcje metalowe - Wykład 28

18

13-01-08

18

CHANGE OF STRUCTURAL MODEL

- introduction of cable-stayed supports

The main problem: forces in one element reduce in other increase.

Źródło [3]

REINFORCEMENT OF STEEL STRUCTURES

CHANGE OF STRESS DISTRIBUTION

- prestressing with cables

Źródło [2]

13-01-08

19

Konstrukcje metalowe - Wykład 28

REINFORCEMENT OF STEEL STRUCTURES

Źródło [2]

13-01-08

20

Konstrukcje metalowe - Wykład 28

REINFORCEMENT OF STEEL STRUCTURES

CHANGE OF STRESS DISTRIBUTION

- prestressing with a sprag

Źródło [2]

13-01-08

21

Konstrukcje metalowe - Wykład 28

sprag

REINFORCEMENT OF STEEL STRUCTURES

sprags

sprags

CHANGE OF STRESS DISTRIBUTION

- prestressing with change of supports level (continuous beams)

Rising of external supports or lowering of internal supports:
Support moments ↓
Span moments ↑
(Pic. 4-7 a, b).

Lowering of of external supports or rising of internal supports:
Support moments ↑
Span moments ↓
(Pic. 4-7 c, d).

13-01-08

22

Konstrukcje metalowe - Wykład 28

REINFORCEMENT OF STEEL STRUCTURES

Źródło [2]

13-01-08

23

Konstrukcje metalowe - Wykład 28

REINFORCEMENT OF STEEL STRUCTURES

INCREASE OF CROSS-SECTION AREA

The main remarks:

- full interaction between old and new cross-section parts,
- change of a section class due to new elemets,
- stress distribution in a cross-section before and after reinforcement
- elastic or elestic-plastic behaviour of the element,
- use of proper steel grade for reinforcements,
- weldability (old steels),
- welding deformations (important for structures with aplied loads),
- influence of new or larger holes in structural elements,

13-01-08

24

Konstrukcje metalowe - Wykład 28

REINFORCEMENT OF STEEL STRUCTURES

How to reinforce elements by increasing of cross-section area [3]:

- not to reinforce members subjected to dynamic loads and fatigue
(notches at joints),

- reinforcing works perform of unloaded structure (recommended
stress level

σ<0,4·f

y

),

- new elements of cross-section should not change a position of
mid-point (axialy loaded members),

- avoid a slip between old and new elements (especially with
bearing type bolt joints; friction bolt joints are better),

13-01-08

25

Konstrukcje metalowe - Wykład 28

REINFORCEMENT OF STEEL STRUCTURES

How to reinforce elements by increasing of cross-section area cont.:

- full length fillet welds parallel to the member axis are
recommended (convenient welding works and NDT control should
be possible),

- not to use welds perpendicular to the member axis (notches) and
overhead welding,

- not to use welds near rivet joints – welding heat may weaken rivet
joint,

13-01-08

26

Konstrukcje metalowe - Wykład 28

REINFORCEMENT OF STEEL STRUCTURES

How to reinforce elements by increasing of cross-section area cont.:

- not to use cold-formed members as a reinforcing elements (risk of
fracture),

- not to weld in weak zones of hot-rolled sections,

13-01-08

27

Konstrukcje metalowe - Wykład 28

Źródło [2]

REINFORCEMENT OF STEEL STRUCTURES

How to reinforce elements by increasing of cross-section area cont.:

-not to cover corroded areas of a cross-section (corrosion
development under new elements),

- created hollow sections should be closed at the ends.

13-01-08

28

Konstrukcje metalowe - Wykład 28

Źródło [2]

REINFORCEMENT OF STEEL STRUCTURES

Hot-rolled beams:

Źródło [3]

13-01-08

29

Konstrukcje metalowe - Wykład 28

REINFORCEMENT OF STEEL STRUCTURES

Welded beams:

Źródło [3]

13-01-08

30

Konstrukcje metalowe - Wykład 28

REINFORCEMENT OF STEEL STRUCTURES

Columns – axially loaded:

Źródło [3]

13-01-08

31

Konstrukcje metalowe - Wykład 28

REINFORCEMENT OF STEEL STRUCTURES

Built-up columns – axially loded:

Źródło [3]

13-01-08

32

Konstrukcje metalowe - Wykład 28

REINFORCEMENT OF STEEL STRUCTURES

Columns – eccentrically loaded:

Źródło [3]

13-01-08

33

Konstrukcje metalowe - Wykład 28

REINFORCEMENT OF STEEL STRUCTURES

Built-up columns - eccentrically loaded:

Źródło [3]

13-01-08

34

Konstrukcje metalowe - Wykład 28

REINFORCEMENT OF STEEL STRUCTURES

Truss members:

Źródło [3]

13-01-08

35

Konstrukcje metalowe - Wykład 28

REINFORCEMENT OF STEEL STRUCTURES

Riveted structures:

Źródło [3]

13-01-08

36

Konstrukcje metalowe - Wykład 28

REINFORCEMENT OF STEEL STRUCTURES

Źródło [2]

Riveted structures:

Rivets can be replaced with fitted bolts.

13-01-08

37

Konstrukcje metalowe - Wykład 28

REINFORCEMENT OF STEEL STRUCTURES

EXAMPLES

Damage of truss girder (L=18 m)

Źródło [2]

13-01-08

38

Konstrukcje metalowe - Wykład 28

Źródło [2]

13-01-08

39

Konstrukcje metalowe - Wykład 28

EXAMPLES

Źródło [2]

13-01-08

40

Konstrukcje metalowe - Wykład 28

Repair of joint A

diaphragm

EXAMPLES

Źródło [2]

13-01-08

41

Konstrukcje metalowe - Wykład 28

Repair of joint B

EXAMPLES

Rising of a lighthouse in Rozewie

Ź

ród

ło: w

w

w

.um

gd

y.

gov.

pl

13-01-08

42

Konstrukcje metalowe - Wykład 28

EXAMPLES

Źródło: www.umgdy.gov.pl

13-01-08

43

Konstrukcje metalowe - Wykład 28

EXAMPLES

Źródło [2]

13-01-08

44

Konstrukcje metalowe - Wykład 28

EXAMPLES

Źródło: www.umgdy.gov.pl

13-01-08

45

Konstrukcje metalowe - Wykład 28

EXAMPLES

Ź

ród

ło: w

w

w

.um

gd

y.

gov.

pl

13-01-08

46

Konstrukcje metalowe - Wykład 28

EXAMPLES

1. M. Łubiński, A. Filipowicz, W. Żółtowski „Konstrukcje metalowe. Część I” Wydawnictwo

Arkady, Warszawa 2007

2. J. Ziółko „Utrzymanie i modernizacja konstrukcji stalowych” Wydawnictwo Arkady,

Warszawa 1991

3. J. Bródka „Przebudowa i utrzymanie konstrukcji stalowych” Wydawnictwo Politechniki

Łódzkiej, Łódź 1995

BIBLIOGRAPHY

13-01-08

47

Konstrukcje metalowe - Wykład 28