kÆ(} hv]À ] Çw xoo ]pz À x

51
© Oxford University Press. All rights reserved.

Upload: others

Post on 18-Dec-2021

5 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

© Oxford University Press. All rights reserved.

Page 2: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

3YMCA Library Building, Jai Singh Road, New Delhi 110001

Oxford University Press is a department of the University of Oxford.It furthers the University’s objective of excellence in research, scholarship,

and education by publishing worldwide in

Oxford New YorkAuckland Cape Town Dar es Salaam Hong Kong Karachi Kuala Lumpur Madrid Melbourne Mexico City Nairobi

New Delhi Shanghai Taipei Toronto

With offi ces inArgentina Austria Brazil Chile Czech Republic France Greece Guatemala Hungary Italy Japan Poland Portugal Singapore South Korea Switzerland Thailand Turkey Ukraine Vietnam

Oxford is a registered trade mark of Oxford University Pressin the UK and in certain other countries.

Published in Indiaby Oxford University Press

© Oxford University Press 2010

The moral rights of the author have been asserted.

Database right Oxford University Press (maker)

First published 2010

All rights reserved. No part of this publication may be reproduced,stored in a retrieval system, or transmitted, in any form or by any means,

without the prior permission in writing of Oxford University Press,or as expressly permitted by law, or under terms agreed with the appropriate

reprographics rights organization. Enquiries concerning reproductionoutside the scope of the above should be sent to the Rights Department,

Oxford University Press, at the address above.

You must not circulate this book in any other binding or coverand you must impose this same condition on any acquirer.

ISBN-13: 978-0-19-806881-5ISBN-10: 0-19-806881-6

Typeset in Timesby Pee-Gee Graphics, New Delhi

Printed in India by Adage Printers (P) Ltd., Noida 201301 U.P.and published by Oxford University Press

YMCA Library Building, Jai Singh Road, New Delhi 110001

Steel Structures: Design and Practice

© Oxford University Press. All rights reserved.

Page 3: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

�������� ������ � � ������������ ��

������� ���� ������������������������������������ �� ��������������������

���������� ���� ������������������ ���� ����������������������������� ���� ���� ����������������� ���! "���#���$��������������� ���% &����'��#��������� ���( )*�����)����������������� ���+ #���������������������� ���, ��*����������������������� ���- .�����������)������� �����/ 0������.������� ������ .��������������� ������ �������)���������� ������ ����������������������� �����! �*1���������������� �����% �������������� ����( )��������)��������� ����+ "����������������������������������������� ����, #���������������������� ���- 0�'����������$����� !����/ "���*���������������������� !�

�������� �������������� ����������� ������������������������������������������������� �

��� ������)����������� !���� ������������������*�������������� !���� ���������� �#����� !�

��������

© Oxford University Press. All rights reserved.

Page 4: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

�������� ��

��! �����0����.��������#����� ����% �����������������# �!��( 2����������2����)��'������ ����+ ����������"���#�� �!��, )������������������ ����- �������*�����*�� �����/ 0������)��������������� ���

�������! ���������������"�#$��� �����������������������������������������������������!

���������� �� ��� #������� ���������'��� ��!��� ������������.��� ������ �������������� ���������'��� �����! 3�*��������� ���������'��� �����% ���������0����� �����( 0������"��������*���������*���� ���������'��� �����+ "������������ ����� �����, 4�*��������� �����- ������.��� ������/ ����������� ���������'�� � ����� 2���"����� � ����� ����� � ����� 5������ � !

�������� ������ ���%� ���� &��������'���� ����������������������������������� �

���������� ��!!�� ������ *���# ��!!�� �����1��������2��� ���!�� )�����������������"���#�� ���!�! *����������������)������� ���!�% ���*�������������"���#�� ���!�( ����������������������0����� ���!�+ ������)����������� ���!�, 2����3��������������� ���!�- )�����������)��������� ���!��/ 3�*�������������������������*���������� ���

������� ����������#��������"�#$��� ������������������������������������������ (!

���������� �� %�� ����'���0����������� ���%�� )�������������)���������� ���%�� 3�*���������)�������������'��� ���%�! $�����3�����������������)�������������'��� ���

© Oxford University Press. All rights reserved.

Page 5: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

��� ��������

%�% 3�*���������.����)�������������'��� ���%�( �����������������������)������)����� ���%�+ ����������������)�������������'��� ��!%�, $�������2����*����)�������������'��� ���%�- ������"����������� ���%��/ ���������)��������������'��� ���%��� 3���1���)�������������'��� ���%��� )�������������'����)����������� 6��)���������

3��1��1'�� ���%��� )������3���������)��� ���%��! ���������� � �

�������) �����������#� ����������������������������������������������������������������������� �))

���������� ���(�� 3���� #��� ���(�� ������)��������� ���(�� 2����������'��#����3���� ���(�! $�������2����* ���(�% 3���������.����3���� ���(�( �������������*����2�������#�����������3������

3����� ���(�+ �������������*����2�������#�������������3���� �� (�, �*�����������*����������3���� ���(�- ��7������������ ��!(��/ &�'�3����������&�'�)������ ���(��� ������ ���(��� ���������3���� �

�������* �������������+������ ����������������������������������������������������������� !!(

���������� �+�� ������5����� !�+�� 5�������)����������� !!+�� ��������#��������������� !�+�! &�'���������'8���������*��� ��+�% 3�*��������� ����������&�'����������� ��+�( ���������������5��������������,//�9��//+

�������� ��+�+ &���������5�����)��������� ��+�, ����������������*������� ��

�������, ��������+�����+������ �������������������������������������������������������� !(!

���������� � ,�� 2������)����������� ��,�� ��7����2����$����� !��

© Oxford University Press. All rights reserved.

Page 6: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

�������� ����

,�� 0������$����� !��,�! �����������5����#�5���� !��,�% ���������5����#�5���� !��

�������( �����������#- ���#�� ��������������������������������������������������������� ��.

���������� !��-�� 5�������3�*���������3���1������ !��-�� $:���������������0�����"� !��-�� ;�������������*<�����'��#����*�����������3����� !��-�! ����������$:�����������2����)����#�)*�� ! �-�% )������������������� ! �-�( ���������3���1������ ! !-�+ 3���1���������'8�������� ����������3����� ! �-�, ���������$�������#�2������3���������� ! �

�������. ����������� ����� ���������������������������������������������������������������� � ,

���������� !���/�� .���������.������)�������� !���/�� 3������)�������� !���/�� 3�*���������3������=���� !���/�! �������������*����4�����#�3����3���� !� �/�% �������������*���� �*��������*�0�����5���3���� !���/�( ������)�������� !���/�+ �������.��������)�������� !���/�, 3���1��13����)�������� ����/�- 3��������)����������� ���

������� /���������� ����� ��������������������������������������������������������������� �*

���������� �!����� &�������������� �!����� &������$�������� ������� "�������������&����� ������! #���������������������&���� �� ���% #�������=���� ������( )�����������*������������������� ������+ &�����#�'��� �� ���, &������������� ��!���- $�������"�������&���� �������/ ���������&���� �������� ������=���� �������� �������.��������)�������� �������� )���������3���1��1)������)�������� �������! 3��������)����������� ���

© Oxford University Press. All rights reserved.

Page 7: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

��� ��������

�������� ��������0������������������ ���������������������������������������������� )(

���������� ������� �����������.����������&����������� ������� �����������3�#�&��* ��!���� ����������0����� ��!���! ������>�5���>�����$��������� ������% ������ ������ ������( $���3������ �!!

#$$�%� ��#& ��$��� ��������'��'�������������� �%� ���#$$�%� ��(& ��$��� ������� �� ��!#$$�%� ��"& "��$'������)���� ���#$$�%� ��*& *�� )%�# �� ���#$$�%� ��+& "�%���� �%�������� �!�( �� �)��$,� ���-%��� ��

© Oxford University Press. All rights reserved.

Page 8: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

����������

�������#�������>�*�����'����������������������������������#����������*���*��������������5�������#>��*�#�����������������������#������������������*���������>���'��>����>�����'������?������>������>��������������'���@�����������*������� *��������6���'��������>�����������>������>����������6����� 0���� �*���� ����#� '�������>� �*������������������ ������������������������������ *����������������'�������������������������#>��������?����>���������>

���������������@>������>������>���'��>���������������������?���������������'�����������@��"����*��������������������*��������������������������������������������*�����*��������������������������'�������#�����#���������*�����������������������>�����>�������������'��������#�'���������������������1'�����������#>������������������������������ *����������*�������*����'��������������'���������������������������������'�����������6**�6��������#������>����*��>����������������:��������� *�����������������������������������������'����������������������������*>

���������������>������'�����>�������������'��#�� *�#����������������1'��������������'������>�����������'�������������>�'�����>�����������������������>*�6����>���:����������������������������������������'������>������������������6��������������������������#������*�����������>��������������������������������������������������������������8������6�*������������������������������������'���������������*����6����������������������#�����>�*�� ��'������������������'���� ������� �� �*��6����*������� �*�����'��������*�������������������*���������������'����� ����������������������������'��������� �������� ���� ������ �������� ��� �*���� ���� ��������� ������� ������������������>�6�����>� ��*��������� *�*1�������*� ���������� '����>� ���>� ��:��������������������������*����������>���������������������������*�������'#������������������������'����6�*�����������>����������������������6�*�'������:����#�

��������

����� � ���� �� ��������������������������

© Oxford University Press. All rights reserved.

Page 9: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

� ���� ���� ������ ������ ��� ��� �� �

���������������*�'����������������������������������*��*�����������������'�����*����������������"���>�������������#���� ���������������>� ���������'�����#���#��������*��*������6��6����������*������������������*��������������������������

�����>�6**�����������������*��������������*���������������������������������&��6���������������*����������#�������������>��*�������'���*��1��������1������������>������*����������#������������������*������'��'����������*�����������"�'������������������*�����������'������������������*������#�����������

�������������������������'�����*�����*�����������#��������������������

��� ������� �����������

������*���'�������6�������///�3)��0����������6��������������%//A!//�3)��)*��������*�����$������� *��"�*����������������6�*������������*������8��������� ������ ����������������� �*����%//�#���������� *�#������������� �*��� �*����61*�6�6��������'���'�������*���������'����1���������*�����#>�6**�6��������������"����%/�?5������--,@����������� ������6��� ����� ��������� �� �+!/>� '���6��� ���� �����'��� �� �����

:���������������� ���#�3�����������$�����������������������������*��������������������������,%%������,(%>���������������������������*������1*����*������� ���� �*��6�������� �7�������#� ���� �*�������������� ���������� ������ ����-,/�� ��� �����>� �*�� ��'��� ������� ������ �����/��%B� ��� ��%B�� *�� �������8�������������������*����6��������7������#�6���0�6��������3����C��.��6�#�3��������*��0��*����0���*�.������6��� ����� ��� �� ������������*��� ����� ������� �-%/�6*��� ��6��

�����������'#�6������� *��'����7#����������������?34�@��������������*�)�����������6�������������"���������-%�������*������������������*����������*�����#������*������#��6�����*������#>���6�����*�������������������'�����������6������������������ ���#�6��*����������������������������������6�*�����#�������������*������'��>����������>�����>�*�����>�����>��������#'�����?������������!@�� *������������������������������������������������*������������������

��� �������� ���� ��� ����� �����

)�������#�����������������������#�'#��*����� �����)�%���������. %)�?34�@����������� �*�� ������ �� �������,���� ������ ��������� �� '�����#� �� '��*� ������� �������������������*����'��>�����*��������*���*����������������������>�6*���������#>����������>�*�����>����������������� ���#���������������������� ������� �� ���������������������������� �*��34�

��������*�6����0����������������������>������������?�������/B@>��������>����?�������������������@>��������7�����*�������������������������������������*����8�����6����������� *�����������������������*��������������������������������6��

© Oxford University Press. All rights reserved.

Page 10: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

���� ���� ����� ������ ����������� ��� ����� �� �

Flame

Nose

Steel-platedshell

Refractorylining

Trunnion

Moltenpig iron

Air

duct

Tuyeres

Air passage

������������������ ����������� ������������������� ������������������

��������.�6��������������*����������'�����������>�6*����*���������������������������������7�������(//D)�� *���������������6*����������������������������$ )� ��%��"����������#>������'������*������������������������� *���7�����'���������*�����6��������������������������������������?�*���������'������6�*� ������ ��������'����� ������� �����>�6**� �� ����� �� *�*1�����������������@�

��������������������������*��'������������������������*����������������*��6*�����*������������������*��������������'��1�7#�����������?2����������@����������1*����*������������7�E���>���*������������F���������������������� ������� �*������������7#������������������6**�*��� �*��*�*����������������7������G��������������*����/�����������������?���@�����7#���H���������. ��������������� /. �����������*������������������������������7������?�'�����/A�%/���������7#���@�����������������*����6�����������������7�������������� ��������������������������������>����#���������������������5�������#�������������������������'���?���*�����������/��/A/��%B@�����������?/�!A/���B@>�����*��?/�/�%A/�/%B@>� ���� �*���*����� ?/�/�%A/�/%/B@� ��������� ��� ���� ���� �������������� *����������������:����������������������������������*���������F���������������1����#�>����

�� ����� *���:�������������������������*��'���������������������''������������&*��� ��������#� �����>� �� �� ��� ���� ���1���*����������>� ��*� ��� '�����>'�����>��������'��� *�������������������%� % �'������ %)������%��������,���

���� �������� *�� ���1���*����������>� ��*� ��� '�����>� '�����>� ���� ���'�>� ���*�����������//D)���������������������'��������*�����������������*����������>

© Oxford University Press. All rights reserved.

Page 11: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

� ���� ���� ������ ������ ��� ��� �� �

��*� ��� ������>� ���������� ������>� '���>� ���� ������� 0���*��� ��������� ��� ������������������������>�������?�����������7�����������������������*������������*�������@>�����������"��*���*� �*��*������������������������������ ��������������*����

���������>������������*��������������������������#����������'#��*��������������>����*��������������>����������������������*��*��������������?����#@� *���*�������������*�6����*�������������������������������������������

�������������������*���������������*�6����0������

Continuous caster

Iron oreLimestone

Coal

Soaking pits

Breakdownmill

Bloom mill

Wide-flangebeam mill

Ingots

Pouring

Oxygensteelprocess

Electricfurnace

Scrap

Blastfurnaces

����� ���� ���������� �������� ����� �� ���� ����!�� ������� �"��� !"���!�� ����!��!���������������� ��"������� ������#!����$�%�� �� �&''&�

© Oxford University Press. All rights reserved.

Page 12: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

���� ���� ����� ������ ����������� ��� ����� �� �

"�������*��������������������������������������>��*�����'��������������������������������//%�6������������������-���������*������������6���-//����"������#�������-/+>�=�����8�;�����6��8� ������������*����������������������

������������ ������ ��� =���*������ ��3*���� *�����8��� ������ �������6����������������3*��>�.�������>���������>�����3*����������������������I��������� *����������������6���������������������������������������'�����,/������������������������������� *�� �6��*�3��������������� ���*�#��'��1���#���'������)������������7���������������1��������'���������������� *����������������'������?'����'#��*��.��6�#�@��������������'��������7������#����������������//!A/%>��*����������������������������������6����'�����,�������������

����������#��������������*����������"���������>���������*������*����������������������������*��6������ �6����>��*�����������������������������������������6>�'���� ��� ��F������F#���� ��� �������� ��� ��/� ��� ��)*��� ���� �//A(//� ��� ������������������������*����">�5�����#>��*���I>�����=�������������>�����8�����������������������������������������������>������6���'#�������'������������������

��� ���� �������� �� �����

0�����������%�����������*��*���������������������������������������������������*�����������������������*#���������������#%%��� %)�����%����� 1 %)������*�������������������������*�������������������������*�����������������>��*���������*�����������������������8�������������*���-�/D)�����*��������*������������������*�����������#����������������������������������������6������>�������#�� �*�� �������� �������� ������ ���� ����6�� �*�� ��'��� �������� ����������������� ������� ��� ���� ���������� *�� ������� �������� J� �������������������*�6��'��*����������������*����������#�

2����� 1 %)� ����������������������������>��7�����*�����������E����*������� �� �������� ����� �*�� ���������������6��� ������� �� ����� ���� *��*�����������������*�������������������������'���������������*�*�����������������*�����������������������������*��#�����������������������������������������*����������� *�������������������������������*��#������������������������������*�����'�������������������������������;�����E�����*�������*����������������*������������������*����������������������� �6����>���������#�'��������������#��������������>�6*������������� ��������#� ��������������������� ������������������������������������������������>�����������������>����>��*�6����#��������������������������*

6�*������#����*��������E����������� ��������������������#��������������*��*�������������������������*����#�����'����%B�����*����������������?.���6�����--+@�

��! "���#�� $������� � �����

*���*#�������������������������*���������#>�������#>��������*>�����*����>���>�����������#����������'#��*�������6����������

© Oxford University Press. All rights reserved.

Page 13: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

6 Steel Structures: Design and Practice

(a) Carbon content,(b) Heat-treatment process, and(c) Alloying elements.

We have already discussed the first two factors in the previous sections.Depending upon the carbon content, the steel is designated as low-carbon steel(carbon content 0.10–0.25%), medium-carbon steel (carbon content 0.25–0.60%)and high-carbon steel (carbon content 0.60–1.10%). Structural steels normallyhave a carbon content less than 0.25%. As already discussed, increasing the carboncontent increases the hardness, yield, and tensile strength of steel. However, itdecreases the ductility and toughness. Carbon also has greater influence onweldability. Mild steel is widely used for structural work and will be discussed indetail in the later sections of this chapter.

Manganese, silicon, sulphur, phosphorus, copper, vanadium, nickel, chromium,columbium, molybdenum, and aluminium are some of the other elements that maybe restricted in, or added to, structural steel. In recent years, microalloyed steelsor high-strength low-alloy (HSLA) steels have been developed. They are basicallycarbon manganese steels in which small amounts of aluminium, vanadium, mobium,etc., are used to control the grain size. Molybdenum is also added (up to 0.5%) torefine the lamellar spacing in pearlite and to make it evenly distributed. Alloy steelsare termed as low-alloy steels (total alloy content < 5%), medium-alloy steels (totalalloy content 5–10%) and high-alloy steels (total alloy content > 10.0%). Based onmanganese content, steels are also classified as carbon manganese steels (Mn >1%) and carbon steels (Mn < 1%).

If the silicon content is raised to about 0.30 to 0.40%, the elasticity and strengthof steel are considerably increased without serious reduction in ductility. Morethan 2% of silicon causes brittleness. A sulphur content of more than 0.10%decreases the strength and ductility of steel.

It is desirable to keep the phosphorus content of steel below 0.12%. It reducesthe shock resistance, ductility, and strength of steel. If present in quantities between0.30 and 1.00%, manganese helps to improve the strength and hardness of mildsteel in more or less the same way as carbon.

1.5 Weldability of Steel

In most cases, members of steel are welded during fabrication. For good weldability,steel should not show high hardness in welded parts, but should have adequateelongation and notch toughness even in the heat-affected zone adjacent to a weld.

A major factor in weldability is the carbon equivalent, Ceq, of the chemicalcomponents in steel. The smaller this value, the better is the weldability. The carbonequivalent may be calculated by an equation such as that shown below, in whicheach symbol refers to the proportion of weight of that particular element inpercentage (IS 2062 : 1992).

Ceq = C + Mn (Cr + Mo + V) (Ni + Cu)

+ +6 5 15

(1.1)

© Oxford University Press. All rights reserved.

Page 14: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

Structural Steel: Types, Properties, and Products 7

where C is carbon, Mn is manganese, Cr is chromium, Mo is molybdenum, V isvanadium, Ni is nickel, and Cu is copper.

High-strength steels tend to have a high carbon equivalent. When the carbonequivalent exceeds a certain limit (Ceq = 0.30–0.43), the loss of weldability iscompensated by the reheating or post-heating of the weld zone. However, if thecarbon content is less than 0.12%, then Ceq can be tolerated up to 0.45%.

1.6 Chemical Composition of Steel

Several varieties of steel are produced in India. The Bureau of Indian Standards(BIS) classifies structural steels into different categories based on the ultimateyield strength of the basic material and their use (see IS 7598). They are listedalong with the appropriate codes of practice issued by BIS in Table 1.1.

TTTTTableableableableable 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 Types of steel and their relevant IS standards

Type of steel Relevant IS standards

Structural steel 2062, 1977, 3502, 5517, 8500

Steel for tubes and pipes 1239, 1914, 806, 1161, 10748, 4923

Steel for sheets and strips 277, 1079, 12367, 513, 12313, 14246

Steel for bolts, nuts, and washers 1363, 1364, 1367, 3640, 3757, 6623, 6639, 730, 4000,5624, 6649, 8412, 10238, 12427

Welding 814, 1395, 816, 819, 1024, 1261, 1323

Steel for filer rods/wires, electrodes 1278, 1387, 7280, 6419, 6560, 2879, 4972, 7280

Steel casting 1030, 2708, 2644, 276

The chemical compositions of some typical steels specified by the Bureau ofIndian Standards are listed in Table 1.2. For details of chemical composition ofother steels refer IS 1977 [structural ordinary (low tensile) quality], IS 8500(medium and high strength quality).

TTTTTableableableableable 1.2 1.2 1.2 1.2 1.2 Chemical compositions (in percentage) of some typical structural steels

Type of steel Designation IS C Mn S P Si Carboncode (max.) (max.) (max.) (max.) (max.) equivalent

Standard Fe 410 Aa 2062 0.23 1.5 0.050 0.050 0.4 SKb 0.42structural Fe 410 B 2062 0.22 1.5 0.045 0.045 0.4 SK 0.41steel Fe 410 C 2062 0.20 1.5 0.040 0.040 0.4 K 0.39

Micro- Fe 440 8500 0.20 1.3 0.050 0.050 0.45 0.40alloyed Fe 540 8500 0.20 1.6 0.045 0.045 0.45 0.44medium-/high-strengthsteel Fe 590 8500 0.22 1.8 0.045 0.045 0.45 0.48

a Fe stands for steel and the number after Fe is the tensile strength in N/mm2 or MPabK—killed steel, SK—semi-killed steel (explained in Section 1.2)

C = carbon, Mn = manganese, S = sulphur, P = phosphorus, Si = silicon

© Oxford University Press. All rights reserved.

Page 15: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

���� ���� ������ ������ ��� ��� �� �

��% #��� �� ��������� �����

*������������������������6������������������������������������������������������������������*�������6��������������������

������� ����� ���� ������)��'��� �������������� ���� �*������ �������*�������������� *�������������������������������������*������*����������������������'����!�/����!!/����������*����������������#�����������*�������'�����/�����//�����?���� �'�����������,//�9��//+@�

����� �������� ������� ����� *�� ������ �� ������� ���� ���������� ��*� ������������� ������������6���� ��6���>�6*���� ��������#� ��*�����'�������8�����'#�'���������*��������*�����������������������������������*>������������ �'���� !,/A%%/����>� ���� �������� #���� �������*� ��� �'���� �%/A!//����

�������� ���� ����� ����������������� ��� ����� ����!"��� ��*� ������ *��� ������������������������������*�������������!!/����%-/����������������#�����������*�����'�����//A!%/�����

����� ��������#���������������$����� ���� *���������������*����������������������*�*��������*�� *���*��*�#���������*�����6����'��>��*�#���:���������6��������*�:����� *�#�*�����������������������������������*�'��6����+//����-%/�����������������#�����������*�'��6����%%/�����+//�����

%���������� ���� � *���� ���� ��61����#� ������*��� �������1��������� ������>6**�������������������������� *�#�*�����������������������������*�����'����!,/����������#�����������*�����'�����%/�����

������� � ���� � *�����������������#���61��'�������������6**������������/�%B�?��7�����/B@�*����������/�%/B��������������

&������ � ����� ���� �"�����������*������*�����#���������������>��*�#��������'�������*���������#�����������������

��& ��'���� ��������� �� �����

*����*��������������������������������������*�������6���������9

?�@ *�������������>

?'@ ����������*���>

?@ ��������*�����>

?�@ *�������������>����

?�@ ������� *����#�

© Oxford University Press. All rights reserved.

Page 16: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

���� ���� ����� ������ ����������� ��� ����� ��

*�������������*�������������������������������������������*�?����������������� �������*@>� #���� ������� ?����� ������ ������ ������@>� �����#>�6����'��#>����*����>�����������������>�������*��'��#� *�����������������������������������������6�*��*����'������������������������

����������������������*������'��#�����*����������

������������� ������������������ �������

���������������*>�6**����*�������������������'�� �������%� �������%)�,�?� �@���6**��*��������6��������>����'���������������������������������������������>��������#� ������ �� ��'$�%��"� �#���� ������� ��� ���� ��� �(/,� �� �*�6�� �0������������*������>��*�������������*���������*�����������1�������������#�������������������������� *���������������*������������������'��*�������������*���������������6�*���*�����������������������*�� *������������������������#��������������������������������*�����'�������6**��*����������������*����:������ *������������������*������������ 05.65 A ����*�����������������6�*���������������������������������������*�������������*�����������������������

Area = A0

tr

dP

Lg

Lc

P

����������� ������� ����������������� ��������(���)'*

*�����������7�����������������������*��>�6�*����������������'��6����*������>� ���� ������������� ���7��� �������� *�� ������ ���� ������� �*����*� �*��*�������������"� �#���� ������A������ ��������������#� ����*�*1�������*� ��������������'8������������������#������������������������*�6����0�����!?�@�����*��������A����������������������������������*�6����0�����!?'@� *������������������������*����*��*�*��������������6**����������������

�����'#��������������������'#

����������������������*�K�ultimate tensile load

original area of cross section?���@

;���� �*��� ������ �� ������� �� �*�� ����'#� �*�� *��������� �������� �������������*>�����L6**��������������*������������������������'���6�6**����������*����������������������?������#�%B@�����������������������������������������������7������������M�� �6����>���������������������*����">��������������������������*��?*��������@�#�����������*�

© Oxford University Press. All rights reserved.

Page 17: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

10 Steel Structures: Design and Practice

600

500

400

300

200

100

0

Elastic

Plastic

Upper yield point

Proportional limit

Yield strength at 0.5% extensionunder load

Yield strength at 0.2% offset

Strain hardening

0.002 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025Strain, mm/mm

Str

ess,

MP

a

Upper yield stress

True stress-strain curve

Engg. stress-strain curve

Strain-hardening Esh

Yieldplateau Strain-hardening region Post-ultimate stress region

Elastic E

Strain, mm/mm

Str

ess,

MP

a fu

fy

ey e esh = 10 y 100 ey eu = 0.23

(a)

(b)

Fig 1.4 Typical stress-strain curves of mild steel-(a) stress-strain curves ofordinary and high-streangth steel, (b) stress-strain curve of a mild steelspecimen

Thus, steel is designated in India as Fe 310, Fe 410 WA, Fe 540 B, Fe 590, etc.,where Fe stands for the steel and the number after Fe is the characteristic ultimatetensile stress in megapascals. The letter A, B, or C indicates the grade of steel. Theletter W denotes that the steel is weldable. (Copper-bearing quality is designatedwith a suffix Cu, e.g., Fe 410 Cu-WA.) Table 1.3 indicates the minimum ultimatetensile stress and other important mechanical properties of steel produced in India.Grade A steel specified by IS 2062 is intended for use in structures subject tonormal conditions and for non-critical applications (for parts not prone to brittlefracture). Grade B is intended for use in structures subject to critical loadingapplications, where service temperature does not fall below 0°C. Grade B steel isgenerally specified for those structural parts which are prone to brittle fracture or

© Oxford University Press. All rights reserved.

Page 18: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

Structural Steel: Types, Properties, and Products 11

are subjected to severe fluctuations of stress (for example members in bridges).Naturally, such steel is also specified for structural parts prone to both conditions.Grade C steel has guaranteed low temperature (up to –40°C) and impact properties.Grade C steel is used in members or structures where the risk of brittle fracturerequires consideration due to their design, size and/or service conditions.

Table 1.3 Mechanical properties of some typical structural steels

(a) Ultimate tensile strength, yield strength, and percentage elongation

Type of steel Designation UTS Yield strength (MPa) Min. Charpy(MPa) Thickness (mm) percentage V-notch

<20 20–40 >40 elongation impact(gauge length = energy

05.65 A (min.)

Standard Fe 410 A 410 250 240 230 23 —structural Fe 410 B 410 250 240 230 23 27steel Fe 410 C 410 250 240 230 23 27(IS 2062)

<16 16–40 41–63Micro-alloyed Fe 440 B 440 300 290 280 22 30medium-/high- Fe 540 B 540 410 390 380 20 25strength steel Fe 490 B 490 350 330 320 22 25(IS 8500) Fe 590 B 590/570 450 430 420 20 20

/570 B

(b) Other mechanical properties as per IS 800 : 2007

Property Value

Modulus of elasticity (E) 2 ¥ 105 MPa

Shear modulus (G) E/[2(1 + m)] = 0.769 ¥ 105 MPa for m = 0.3

Poisson’s ratio (m)

(i) Elastic range 0.3

(ii) Plastic range 0.5

Unit mass of steel, r 7850 kg/m3

Coefficient of thermal expansion, a t 12 ¥ 10–6/°C

Brinell hardness number 150–190

Vickers hardness number 157–190

Approximate melting point 1530°C

Thermal conductivity 0.14 cal/cm2 s/1°C/cm

After reaching the ultimate tensile stress, a localized reduction in area, callednecking, begins, and elongation continues with diminishing load until the specimenbreaks. After failure, the fractured surface of the two pieces is found to form acup-and-cone arrangement. Cup-and-cone fracture is considered as an indicationof ductile fracture.

As shown in Fig. 1.4(a), initially the steel has a linear stress–strain curve whoseslope equals Young’s modulus of elasticity, E. Thus,

© Oxford University Press. All rights reserved.

Page 19: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

�� ���� ���� ������ ������ ��� ��� �� �

�����������������#�K�stress within the proportional limit

strain?���@

*�����'���7����������

+�K��

f?��!@

6*���� � �� �*�� ���7��� ������� '���6� �*�� ������������ ���>� ���� �� �� �*�� ����������������� ��� �*�� ������� � *������������+����#����*���������//>///A��/>///�����������������7����

����������//>///������������������*������� *���������'�#��0��.�3���������*�������������� *����>��������������������������������*����������*�����������#������������� *����������*��������'�*�������������������#����������6�*��*�#������������������*��������������#�������������K��F+��3�#�����*�����>��*����������6����������#�6�*������#���������������������� �*��N������*�������C���������������*���� *��$���� ����%)����������#��������'��>����������������*�� �����#� ��� ������� *�� ������� �������� �'���� �*�� #���� ������� �>�6*��� �*�N������*�������C��������������7�����>�������*�������������������������������*���"���������������>�����*�������>������������������������*����������������>�����*��������������������������� *��#������������������������������*�����������/�//��%����/���%B����������

����*������������>�������������#�������'��6����%���������%����� *�������������������/����������������*��#��������������������������������� *�������������������������//���������*�������������/������F���� *�����������������*�������1*����������������*��������������������*������ %/,����% %)����'�'�>�+�����������*������������*����*������������>�6�*�+��F+�'�����#����#�'��6�����F�/������F�//�?"�������-+�@�� *�������1*���������������������������#�������������>�'�����������*��'������������������������������#�������������������'��������������������6����'�#�������������������*��������O��������������������������'#�����'�������������������>�����*�6���

0�����!?�@>�6**�����������������������6���#����������� *��������#���������?��@�����������'#��*���*��������*������������������'#��*�����������*��������>�����������������������#������������� *����6���#���������?�@�����*�������������������������������'���������������������� *��������A������������*�6����0����!?'@����#���������61��'���?���@��������;�����*����*�����������6���������6���#������������������������6�*��������������������������?����������@�� #������������� �*�� ����� ��F�� ����������� ���������� ������ ������ ������'������/%� ������/�� *������� �������������������#����������������*���#������������#�����������*�6*�����������������#����������*�����������������������������*����*�����������������������#�������������� *����6���#�������������������*������������������������������������*�������'�����*������������*����������#������?��������@�

'�������� ��������������� ����� ���

*����������������������������������������*��#��������������������������������#��������������#�*�*����*����*�������#����������������������������������������������

© Oxford University Press. All rights reserved.

Page 20: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

���� ���� ����� ������ ����������� ��� ����� �� ��

?�5�����-(,�����"��������-+�@�� �6����>����� �*����������'������������*���8���#�����*����������������������������*����/B�*�*��������6����*����*�����������������>��*�����������>�6*��������������������������������>���#�����'���������?;��*������//�@��"��*�*��� ������������>� �*�� �������� ����������� ?���>� ���*�*�������������� �*���� �� �������� ��#�����������*@�� *�� ���������� ���'�������������#���'����1�����������������������������������1�������*��������*���������#��������������*���������'�����������'�#�����*��#�������������*�������������6���'���������������������'���'�#����#�����"��������������*�������������������������?/�/�A/��/F�@>��������7*'����������������������#�����������*�?�/A�/B@��'��������������������� �6����>�������#���������>����>���������������#�������>�*�����������������������������>����E����*��������O�������������#������'�����������'#��*��������������6**��*�������������

���� �������0��� �7�����>� �*��6�'����� �*�� �1���������� �*����� �*��� �*������� �*��������������*��#�����������6���'��*�*����*����*�������*���������?"��������-+�@����*������'���������*������������������>��*��������������1�����������'������������*�������1���#�������#>��������������*�����������������������*���������� ���>�������������������������'��������������������*�������������������������������������*������������*��������������������������������������������������*:����1������������������>��*���������*����������#��*�������6���������?�@ *��#�������������*������7�������������������7�������*����������������#����?'@ *���������F#���� ������� ���������� '�� �������� �*������%�� ? ���������� ��

������� �������� ����#>� �� �������������'��� ������ ���:����� �����*� ��#�����������������*���7������*�����'���� *����������*�������������#�������>��*������������*��#����������@

?@ *�����������������������'���%B�����������������*���� 05.65 A ������������������'����*����*��������#�����������*�'���������*����������������������

����������7�����*���������#�����������*�'#�������*�����/������0�������%�*�6�� �*��������A������������������������ �#��������������������� �� ���������*�����������������������0��!�/��������������������*�������������#����������������������������0���+/������������������������������������6������?0����/�����������������������#�������������>������>�6���6�>����@ �*1��'�����������������������#�*����������������#�����������������>������

�����������������������'�*�����>�6**�����������������������*��$��$��� �%��� � �>��*��������������������������'������������������*����������������*������*��?�*����������������0�����%@������*�����>�#����������'�����#��������'#���#����������*�6**���������#����������'���*����������6**���������*���������6�*����������������?���������������@����/��B�6*����*��������������������������'������'#����6����� ������������� ��� �*������������������/��B������>�6**����������*��������A����������>�����*�6����0�����%�� �6�������������������?����>�"� ����������>�"�+/@��������*��#���������������*�������������������������/�%B����������������������� *������6�������������������*�*����������'������������/�//(�

© Oxford University Press. All rights reserved.

Page 21: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

14 Steel Structures: Design and Practice

Permanent strain line

540Fe 540

410

370

Fe = 370

Str

ess

(MP

a)

415

250190

0 0.002 0.09 0.18 0.27 0.36Strain (mm/mm)

Fig. 1.5 Stress-strain curves of different types of steel produced in India

The yield stress fy also varies significantly with the chemical constituents of thesteel (e.g., the percentage of carbon and manganese), the heat treatment used, andwith the amount of working which occurs during the rolling process. Thus, thinnerplates which are more worked have higher yield stresses than thicker plates. Theyield stress is also increased by cold working.

1.8.2 Inelastic Cyclic Response

The stress–strain response of most materials under cyclic loading is differentfrom that under single (monotonic) loading. For fatigue analysis, it is necessary toconsider the cyclic material behaviour for strength and life calculations.

When steel is subjected to cyclic loading in the inelastic range, the yield plateauis suppressed and the stress–strain curve exhibits the Bauschinger effect, in whichnon-linear response develops at a strain much lower than the yield strain, as shownin Fig. 1.6. As seen from this figure, as the amplitude of response increases, thestress level for a given strain also increases and can substantially exceed the stressindicated by the monotonic stress–strain curve.

ExperimentalAnalytical

Stress (MPa)

600

400

200

200

400

600

–0.04 –0.02 0.02 0.04Str ina

Fig. 1.6 Stress-strain curve of steel subjected to cycle loading

© Oxford University Press. All rights reserved.

Page 22: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

Structural Steel: Types, Properties, and Products 15

1.8.3 Characteristic Strength

Variations in material properties should be recognized and taken into considerationin the design process. The material properties that are of greatest importance in thedesign of structures using steel are yield strength, maximum percentage elongation,and Young’s modulus. Other properties that are of less importance are hardness,impact resistance, and melting point.

If a number of samples are tested for a particular property (e.g., yield strength)and the number of specimens with the same strength (frequency) are plottedagainst the strength, then the results approximately fit a normal distribution curve,as shown in Fig. 1.7.

5% ofresultsF

requ

ency

y

1.64s

x

Characteristicstrength

Strength x

Mean strength

Fig. 1.7 The normal distribution curve

This curve can be mathematically expressed by the equation shown in Fig. 1.7,which can be used to define ‘safe’ values for design purposes. When defined, thissafe value of yield strength, is called characteristic strength. If the characteristicstrength is defined as the mean strength, then from Fig. 1.7, 50% of the materialhas a characteristic strength below this value and hence is not acceptable. Hence acharacteristic value which has a particular chance (often 95%) of being exceededin any standard tension test is chosen.

Thus, the characteristic strength is calculated from the equation

fk = fmean – 1.64 s (1.5)

where s is the standard derivation for n samples, and is given by

s = S( )

( )f f

nmean -

-

2

ÎÍ

˘

˚˙ (1.6)

The characteristic strength of steel is the value obtained from tests at the rollingmills, but by the time the steel becomes part of the finished structure, its strengthmight have been reduced (e.g., by corrosion or accidental damage). The strengthto be used in design calculations is therefore the characteristic strength divided bya partial safety factor. The value of the partial safety factor adopted for steel isgiven in Table 5 of IS 800 : 2007 as 1.10 for yielding resistance.

© Oxford University Press. All rights reserved.

Page 23: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

�� ���� ���� ������ ������ ��� ��� �� �

�������������

*'�� � �����#�'������'�������*���'��#�����������������*���������*����6�*�����������������*���6����>��*�������#������������������������'�������*������#��� �������� ������ ������� ������������6�*���� �������� ����� ��� �������*� ������������ *��������A�������������������������������������*�������#��������*��������������������������>������������7���������������������>��������*������������������ *�������#�����*��������������������������������'#�����������*������������ ���������� ?�������� �*�� ����� ���� �*�� ������� �����*�� ����� ��������������������@�� *��������������������*������������*���������������6��

5����������*�K� 05.65 A ?��+@

��������������������K�

(elongated length between gauge pointgauge length) 100

gauge length� �

?��,@

*��������������������������������'#��*�������������*>�������������������>�����������6�*�������������*�������������*�P����������/B����'���'��������������������'����������������*�*1�������*�������

3#����������������������#������������������������������������/A(/�����*����*�� ����� *������ �*����� '�� �������6�*� �*�� ������� ��������"� *�*� ������ ��������������'������������6���*��������'�������������������������������������*��������������������*������ *����������:���������������������������������������������������������*����������������� �'������?�@�?��������� �'����������,//�9��//+@��0���������������������������>��*����������������������*����*���������:������ �6����>���������������������������#�������������������#����*�*����������*�'�������������������������������

������������������������������������ ������!�������"

������������������������>�����*���������������������*���'��#�������������������������������������������>����>��*������#�����'���'�����������������������#� ���*��������'��������������������������>����������#�����������������'8����������������?����>�'�����@����������*������'8����������*:������������ ���'��*��������*����������#�����'�����������*�����"�� ����� �����������>� ������ ���������� ������ �� ���#� ����*� ���� ����� �� �

��������������"���������������'���6�/D)>���������������������������������������#����6�*����6�������"���*����'�����������6������������>�����'�����*�������������E��?���*������@����������������>������*������������� ��������������������������������������� ���������'���� *����#�'������������>�6**���#��������������������*�����'����������������'���������������������������������� ��� ������� �������6**� ���� ���� �7�����>� '��� �*�#���#� ����� '�� ���� ��� �*��#�����������������������������������������4�������*��'�������6��'������������������������3����������������������

�����������������+�%�������*��*���%��>�6**���������+�%+���������������

© Oxford University Press. All rights reserved.

Page 24: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

���� ���� ����� ������ ����������� ��� ����� �� �

���������� *�������������������7�����������������=�����#��%>��-�-�������������� �������� ��� ������6����� �����>� ��� �����>� ����������� ����>� �*��>� �����������>� ����'������ *����������� �� �*�� ����� ?�5���� �-(,@������� ��� �*�����������*�������������������������������������>���6���������������>���������6����������������������*������6���������-++>�����������������������������������'�����������������������>�������������������#���������*����"�4��=�����#���>��-,,>���������'�������������������������'���������������>.*����������>��*����"�?5�#�������������--�@� *��",��$��4/%���,������?)P;�����@���������#�������������������*��'�*�����

��������������*�#�������������'#�����'�����*������������������?����+%+@�����*������>��*������������������*����������������>��*�������#��'���'���'#���*������� �� �������>� ���� �*�� �����#A������������ ����� �� ��������� 0���� �*�����>����������������������������������������������������������#��'�������?������#��/�����+�=@�������������������������������#�������#�������*������ �*�#������>����������������6�*��

����'���*�����������������������#�*���1���������������7*'���������'������*������ ��� �/�(� ���� ��� �+%+� ����� ����6� �*�� ���� ��� ���#� �*���� ������� �*���7*'�� �������������#� �'�������� ����#� ��� �� ������������� �����������?����>��/�=�������Q%D)@����������������*��*�����#���������>��E�����������>��������������>���������6��������������� ����*������ ? *��������>� ��������������������>��������6�������������������@

����#� ��������������

��������� ���� %)� �� �� ��������'������ �������� �*�����#����� �� ������6�����8������0����7�����>�������������������������6����?���6����������'��*�����@��������������*�������>������*���*��������������������*��6���������������6��'����������������������� *�������������#�'��������������������*��6��������*��������������������*�����'����*��������������������'���������'��*��*���������5�������#� �1������� ���� ���:�����#� ������6*��� ������� ��*��� ��������� ��

���������������*�����������������"��*�>�������������������������'��������������������>������*��������������������*�������6����������*���������������������������������"��������������*�����������������'������������������������������'���6��������������������������*������'��#����������� *���������������6����>���8�����������*�������6��6�����*�����������������*�

�������������>������*����:��������6������������E���*���������������������������*���������������������������������

����$�%��&�����������'((����

������ �� ���� �� ������'������������ �6����>� ��� �������*� �������6�*� ���� �������������� *��#�������6���������������������*����%//D)������'����(/A+/B����*�����������?�'������D)@�������������� *����������������*�����*�*�*����������*�*��� ������������� ?���� �7������ ��� ,//D)� �� �� ���#� �%B� ��� �*��� ��� ���������������@�

© Oxford University Press. All rights reserved.

Page 25: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

� ���� ���� ������ ������ ��� ��� �� �

���>��������������������������������*�������������'�����:����������������>�����������*��������������������������'���������������������������*����������������������#���������*������'���7�����*���'�������*��'����������������������#����>��*��'�������������������������������*�*���������������3����*�����'����������������'�#���������'�������>�����*����*�������'���������� *�����1���������������������������'���>��*�����*���������������������>����

���������������������'����������������������������'��������?�//,@�

������%�������

�������� �� ���������� ��� �*�� ��������� ��� �*���������� ��� ����������� �������*���������������*�������������'����������������*��*����������������������*�������������������*�������*���>����N�������C����������������*�������������*���������4���������>��*���E������*��������������������������������������3���������*���E������*�����������>��*��*������������*���������������������3������*��������?�#���������9��%/A�-/@�����P�����*����������������������������������*��������

��( )������� �� *�������

�����������#��������������������$7��������������6����>���>�������������������*�������*�������������*���'��������������*���������*���/�/+%��������*���*�����������������'����6���'�� ���������#�#���� ����� �������������������� ��6**����*�����7�������������� ���>��������������������'�����*�����'������������������#���������������� *����������������*��������������������������'��� �������� �*��������

��������������������>�������������������*�����������������*�������������6�*� �� ������ ������� ��� /��A/�%B�*���� �������� ��������� ��� ������*���������� '��� ����� ����� ��� '�� ���������� ����� �#������ ������ ��� �� E�1� ���������1'����������#��������6**��6������*������#����������*����������������������������������������������E��������*����E���?'��*����6**����E�@>��������������?������#��������������������@>���������������#����������*��E��������������0����*���������������������'���������>��*��������������*����������'����*�������'�����������������#�'����������������������������*������������'��������*����������������������'�������������*��������������������'����������������*�����*����������>�6**����������������*��������������*����'����'#���������������������������������������������������������������>�����������������������������1��������������>�6**�����7����������6���*����������������������������#�������7����������*�6���*��������������������������������������*���*��������������*�����������������*���������������� *�#������/B�������*����������������'����*�������������#�'���������'#���������6��*�>�������������������>���������������

© Oxford University Press. All rights reserved.

Page 26: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

���� ���� ����� ������ ����������� ��� ����� �� �

���+ ,����� )�������

��� )'�� �� �*�� ���������� �� ��������6�*� �*�� ������� ���� ����������� ��������� ����� �������������'#� �*�� ��������� ������������ �������������������� *��������������������������������������#������������������ )'�����)���0���������������'���������������������������������������������?������#���������������/����%����/�#���@�������������������������"�������*����>�������������������������6������������'��*�����������������&��1���������������*�������'��������������������������������0����������>������������������/�#�������'������#����*���������*���������� *��������������*����*����������*�����*����*�������6������'��������������������������?�@ ���'����������������������������������>?'@ ���'������'8��������6��1������������������������������'������#���>?@ ���'������'8������������������������#����������'��������*���#>����?�@ ���'������'8����������6�1���������������� *��>����������������������������#����������'���������������#�����������

��� �*�� #�� ������� ��� ������>�6**� ������ ��������� ��� ����������&����� ���������'��� ����� �������� ���������*����� ��� �������'��������� �*����������������������>������������������������>������'�����*����������������#�����*�����'���������*����*������������������������������������6�*�����������������������������0�������������������������������*���'���������������5����������� �*�� �������� ��� ����� ���� ������ ������� ������ ���� �������� �� ������ ���'��������?�//,@�

���� )������ ��������

�*�������������������*�����������(//A+//D)��������������������*����������������������������������'���������������'8��������*�*�������������>������������������������1�����>�6*������'����������'������'#�6���������������6*����������������'�����������'#������1����)����������*�������'�����������������6�#�� ������ ����� �������#>� ���� �7�����>� �*�� ������� ���� ��� ��� �1�����>� �����������*����*��������1��16�'�8��������������#��*��������������������*��6�'�������������������� �*����*�� 8��������������� �*���������*���������������>�������������'�����������#���������� �'�����������5�.������������������#������������������*�����������*���������'�������'����?5�#�������������--�@��"��*���*��������'��������������*�������������'#���'��:�������*�������������6������>�*���������������������������������������������������������������� *���#��������'���������������������������������������1���������*�6���

0�����,?�@��.������������������������������������������6�*�����������E�����*����������� *����������������������������������������#����*�������/��������*���������������������������������/�%������������1�������? ��*�����������//�@�"�6�������1��������'�������������������������*����������������������������

����'�����������*����������1������6�����������������������1������6��*�� *��#���� ����'�������� �������� ��������� ��6������ ��������������� �������6�*����������������*�6����0�����,?'@�

© Oxford University Press. All rights reserved.

Page 27: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

�� ���� ���� ������ ������ ��� ��� �� �

(a) (b)

T

C

T

T

C

T

C C

T

T

C

�������������!��� �������������+!��� � � ���� ������ ��������� (,+����

0�'������������������*������'��������������*������'#�����'��������������������������������� *�������������������������������� �*�� �*�����������������������3�����������������������������*���������'�����:��'���>��*���������������������'�*��������������� �6����>���������������������#��������������������*������������������������'����?������@>���������������������������>��*���������*����������������������������������#�����������?���������6**������������������������������*����@��������#>����'������'������?'����@������#��������#����*������������������������? �����-+!@��.����������������������������'�������������*��������������'������'8����������������������?������@�

���� ������ *����������

������ ����������������*���������������������6**���#�*�����'�����*����� ��������#�������#�������*���������'������ *�����������������������������%��%���� �%�>6**����� ����E�����������>��������� �*��� �*����������������� �� �*�����'���?�����������������8����������*���������������*����������*�����������������������@� *������������������������*��*�������������#���������������������������������

�����������*����*������������������#�����'�����������*��������������������������������������������� ����������#������� ����:���E���*���������������*������>� �*�������������8�������������������� �6����>����*������������������������'����*�*>��*���������������������������*���������'����������������������������������*����'�������������'����������*��6�'�������������������������������������������������������6�*��������������������������'��������������

���� ��������� ����� �������

��������������������������������������������������'�������������*�������6�����������?�@ 0����*��1��������������<������>������'���>��*����>����������>?'@ ��1�������������<��������*���������*����6�����������������>

© Oxford University Press. All rights reserved.

Page 28: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

���� ���� ����� ������ ����������� ��� ����� �� ��

?@ 3����>?�@ &���������������>����?�@ )���1��������*�����

���)���%��&������� ������

*��*��1������������������������������������*�������6���?����0�����-@�� .������'����

� =�����'�����?��=3>�����������������������=�����3����@� 2�*�6��*��'�����?��23@� �����16��*��'�����?���3@� &��1�������'�����?��&3@� ���#6��*��'����F�������?�� 3@� )�������������?���)@

� )*������9�=����>���*�>�������������������������������?��=)>���2)>����)>���)�@

� $:�����������?��$"������"@� ���:�����������?��"@� �������� ?��= >� ��2 >� ��� >� ��; ����� �� @� .������'���

� .�����?��.4@� �:����� ?���R@

� �'������������ ?��2 >� ��� >� �� @� �������?���2@� ������ ?��� @� 0�����?��0�@

Plate

Structural T shapecut from W-shape

W shapeswide-flange

section

S shapesAmerican standard

beam (I-beam)

C shapeschannel

L shapesequal leg angle

Rectangular

Square

Rounds

Bars

L shape,unequal leg angle

���������-�����"����,������������� ������!����+�����������!����

© Oxford University Press. All rights reserved.

Page 29: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

�� ���� ���� ������ ������ ��� ��� �� �

*�������������������������*����������*���������������������������������*��������������� �� �'��� ��!����*������������� �*�����'���������#� ����������������6���'�������6������*����'��:�����*�������

��������������������� ���������

������������ ������������� �����������������

��� �� ����� ������ ��������� �� ��

��� �������� �� ������ � !�� ��� ��

��� ����"�#�����$#�������������� �%� ��"���#� ��� ������� �$�������

�&� ����#�

��' '#���������������������������(

��' ���� �)��$��(� ��� ��'� *��� �

��' ��**��� !��

�� ������������+,������,��+,���

-����+,���������(���.���

-���,��+,������������/������������������������(������)��$��(���� ������� ��� �� �(� ��������� �+,���������"�#��������������#����#�����������������)��$��������,��+,������������ ����������������

0����� 1

b = Width Flange

tf

Web

h = Depthof section

h2

r1 = Radiusat root

r2 = Radiusat toe

tw

b = Width

r1

Web

r1

h = Depth

tf

tw

r2

t

r1r2

Leg A

Leg B

© Oxford University Press. All rights reserved.

Page 30: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

���� ���� ����� ������ ����������� ��� ����� �� ��

0����� 1

������������ ������������� �����������������

� 2 2������������������������(������)3 �&2 ��$��(���� � 2�����������4�� !�( ��2 ���������#��#����$#����#� ��2 ���������������� ��2

5���� ����6��� 5������������������������������"��#���#������(�����(�7�����������������$����7������"�������������#���

���$� ��8�6��� ���$���������������������������"��#���#�������

-��� ����6��� -�����������������������������������

���*6����

���+,����������������������������������������(�����(���*�3����+,��������

����,�����������������������������������������(�����(���*�3��������������

��������'�����������������������������*����������'������������������������16��*���.�����1����������������:�����������������������>����������#>��������������������������?����>���.4��/����������R��/���@���� ���'����;������������,/,>���'��*���'#��*��3������������������������>

��������*����������>�6��*��>����������������������������������'���>������>*������ ���� ������ ������������ �*������'�������������� ������ �*��������������������*���������������������1'����>��*�#���������������"���7� ������,//�9��//+�

��������� ������

*�����������������������������������'#��*������1������������>����� �%����'�'�>������� '����)���� �%�� *���*����,/,�������� ���'����;���������*�����������

b = Width

tfr2r1

Web

tw

h = Depth

Flange

b

b

b

© Oxford University Press. All rights reserved.

Page 31: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

�� ���� ���� ������ ������ ��� ��� �� �

����������������>���������*�����������������������������#�����6����������������'��� �� �*���������� *�������>� ������ �� ��������� '#� ���� ���#� �����������������'���������*�������'��#�����*���������"���*������������������*�����*�������6�*�6**�����������'����������������������3�'����������*������������#����������������� ���������'�������� 3���������"���>����#������*����������������'����4��#������������'���������:��������������������'���� �*����������"���>��������� �*���:���1����������������������'��������#� �� �*��������� ������6���'������������������������������*�������'����������������������������������"�2�����������*���������������#��"�����7�"�������*�������������������������������*����������������������������)*��������������������#����������������������'���������������������������

������6����� *������������ ������������#����������*�������'�������������>�*���*�����������'�����������������������������*���������������,%�������������6�'�������������������>����������������������������

6�'�6�����>� ���� �*�� �������� ���6�'� ����*� ��������� ���� �*�� ������ ��� '����������#������������*�����'����������'�����*�������������>��������#�6*����������������������6**���#�'����������'#�����������������������'�������*�������������1��������������������#��������*�6�*��*������������1����������������"���>���������������������#>��*��������������������#���������*���*�*����������*�����*���������������������#� *���*� �*�� ������� ��� ,//� 9� �//+� ���� *��� �������� �*�������� �*�����

��:��������>� �� �� �����'��� ������� �������� �*��������� (���� ���� �*��������'��������%���������������#����'�����7����������*��������*���>��������#���������������

���)�*�+��&(������ ������

"����������� ��������������>� ���3������������ �*�����#� �1������� �*�������������#�����������������������������*����'�������������*���� *�����������������������'��������6�����������������*��������*������������#������6��������������������������*��6�'������������6��1��������������?����0������/@����3�'��������������������>��������#������������������'���>�'���������7�����������������*��6�'������*����������������������������������*�������6���������"���>������*�������'�������������������>�6*����������������*��#����:����>��*��*����������������*����*����7�������'���������?6**���#�'��%A!%B�*������ ��6��*�@� ��� '���1��� ������� �*����*�6�����>� �����6**���������7����������������

Wide-flange beams Standard -beamsI

����� �����.���,"�� ��������� �

© Oxford University Press. All rights reserved.

Page 32: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

���� ���� ����� ������ ����������� ��� ����� �� ��

*������������������6��1�������'�����6**�������*�����������������*������������������1'����������*�������6����?�@ &��1�������'�������������7�������������������������>�6�*�*�*�'�����

����'�����������������������*�� 1�*���������������������������������*�6�'�

?'@ *�� ���� ��� ��*� '����� ������� ��'������ ��������<���� �*���� �� �����������*�� 1'����������>������������6��*������������#�����'�����>�����*���������� ���'��6������ ��� �*�� ����� ���������� �*��'���� ��������������������1�������'����>� 1'��������'�������#�'����6�����>�������������6���������������

?@ ���� 1'�����*���� �� *�*��� �������������� ���� �*�� �����6��*�>� �����*��������������?"�����������*������������/A�!B����'���*�����@���������6���������������*�����#>�������6�����'������*����'�����6�*

�*�����������*�'���6�*���������������������6�'��*�����>�����������������6��*� *�� ��������� ������ ������ ���� �������� ��'������ �����#�� *����6����������1�������'���������������������������������������'#��F��=����������������6���2�����?=��2@����.����*>�)**�������*�� *�������������������������������*����'�����������������������������'��������?�//,@�

���)�)�+����������%�,��� ������

��1����������������������1�������������'��6�����������*������������1���������'�7� ������� ?���� 0��� ��,@�� ��*� '���1��� ������� ��� ����� '������� '#� ��������������'�������&�������1'�����6�*���������'�����������������6�����������������������������������������������&������������������'��������'�����#�����������*������������*��������������������6�$�����) ������������'��������*���'#�6������6�����������������������������6�'����������'#�����������������1'���������*6�����������6�'������������>������������*���������������>������*���6�������*���6�*������'��������*���������������*��6�'�����*�6����0�������?�@�� �����������������6���#���������*����������������������������������>�6*�������������'��������E���*�����'�����������������������������������*����������*���������#>�������������������?���������������'���������@����'���������������#

'#������1����������������1'����6�'�����E�E�����������������������������L���0�������?'@�����?@M��4������ �*�� �6���:����*������ �� ����������������������� �6����������*����*���*����� *��������������������'���>����������������������*����*���������)�����������'�����*��������������������������������������������������������������������#��0�����������*�6��������������������6�*�����������'����>��*������������������������������������������������������������������'����������������3�'���������*�������������������������������'�������?�//,@������*��6�'������'�������������������������'��������#�������������*��'�����

�������������'����������������*����*�����������������������������������,F�>������������ ���*�����*��6�'��������6��1�������*������� �*����*����������3����6�*�������������������*�����������*������*��6�'�����������,��� �����������*'�����������������'������'#�6��������������������������������������*��

© Oxford University Press. All rights reserved.

Page 33: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

�� ���� ���� ������ ������ ��� ��� �� �

Cut

Weld

Cut

Weld

(a)

(b)

(c)

Flexible

Flexible

Flexible

����� �����-���������������� ��������������+����

����������/���!����+������ ����� �����0/1�� �� ��������� � ��"�������� ������� ��/�!����2�3�4�.������5��1�6#�

&�*��*�����������������*�*1������������������?�������������!@>�������6����'��� ��� ��'����� '���1��� �1'�����6�*� ����������6�'��� *�� �������������*�����������E������*������������16����������������)����������6�'������6���������������*�����������������'������6�'����'��#����'����>�������������*����6�'����������������������

© Oxford University Press. All rights reserved.

Page 34: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

���� ���� ����� ������ ����������� ��� ����� �� �

���)���%������ ����� ������

�'��������'��������'����������7�������#�������������������������������'������������������������������� *������������6������*���������*���������'��6������'��������'���������������������������'�������������������*��6�����������������'�������������&���������������6�*��������������������:����������������������������������6�������*������>�����*�������'���7�������������#�.�����#>��:����������������������'���*����'�������������������������*���>��������>�������*����������������'����������*�����������������&�*��:������������������*����6�������>��*������������'�����'������#���6���6�*���������������*����:���������������6����������*��'�������'��

,��-���� ��� �����./��� �#�����

������������� �� ���������������������������������������������������������������������������� �������������������������������������������������������� �������� ���������� ���� �������� ��� ��� ��� ������������ ���������� ��������������������������� ������� ����������������� ������������� ������������������� ������������������������������������ ���������������������������������� ������������ ��!��� ������� �"����#����!��� ������������������������������ ������������������������������������������������� �� ��� �"�������� ��������� �������� ��������� �������� ����� �� �������������������� ���� ������ ��� ���� ���� � ���� ��� ���� �� �� �������� ����� �������� ����� � � ���������������� ������ �� ��� �� � ����� ���� � � ����� $�� ��� ��� ����������� ��� ������� ����� �� ��� �� ��� !��� ����� ��� ������� ���� ���������� ��%"�������������� �� ��������� �������� ���� �� ����� ��� ������ ���� ��� ��� ���� ����� ������������������ ����������� �������������&����'������������������������������������������������������������������������������������������ ���%"�� �������� $�� ��� �� � ������ ��� ��� ����� ����� ��� ���� � ����� �� ��� ��������� ��� ��� ��� ���������� ���� ����� ������ ������ ���� �������� ������ �������� ��� !���� ��(��)��� ��� ��� !��� ��������� � ������ ��� ��� ����� ���#�������*� � ��������

1st stage 2nd stage

����� ��

© Oxford University Press. All rights reserved.

Page 35: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

28 Steel Structures: Design and Practice

In the hollo-bolt system, a pre-assembled unit is inserted through normal toleranceholes in both the RHS and attachment plate. As the bolt is tightened, the cone isdrawn into the body, spreading the legs, and forming a secure fixing. After installation,the hollo-bolt head and collar only are visible as shown below.

Hexagon head

Collar

Fixture

RHS

Cone

Legs

Central boltCone knurling

Body

Location flats

(a)

(b)

Fig. CS2 (a) Hollo-bolt and (b) hollo-bolt assembly

In India, till recently only two grades of RHS, i.e., fy = 210 MPa ( fu = 330MPa) and fy = 240 MPa ( fu = 450 MPa) were produced. Now, HSS as per thespecifications given in IS 4923 with fy = 310 MPa ( fu = 450 MPa) are also available.

As per IS 1161, tubes for structural purposes are available in three grades ofsteel (see Table 1.5) in light, medium, and heavy categories. The yield stress of Yst240 is the same as that of mild steel and this is often the grade (medium-section)available in the market. The properties of hollow sections and tubes are given inAppendix A. Yst 310 grade tubes are also available ranging in diameter from15 mm (NB) to 300 mm (NB).

Table 1.5 Strength of steel used for circular tubes as per IS 1161

Grade Ultimate tensile stress, fu (MPa) (min.) Yield stress, fy (MPa) (min.)

Yst 210 330 210

Yst 240 410 240

Yst 310 450 310

© Oxford University Press. All rights reserved.

Page 36: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

���� ���� ����� ������ ����������� ��� ����� �� �

��� *��� ���'�������� �*��� ��'���*����� ����� �*������%����*���� ���'���������#6�����������*����'�������*����6����������������������������*��������������#>��*�#�������*����������������������������������������*������>�6**�6�������'�����������*������#��������

���! ��'.���������� �����

"���6���������������>�������*�*1����������������>� ��1!,%&�6�������������'#��������������������'��6�����*��0������� �*6�#�"����������>��*��"����������������������������>������*�����������������*��;��#���"�������--!�� *������������� ������������'�����69� ��1�!%&>� ��1!,%&>����� ��1(-/&>�������6**� ��1!,%&�?#�����������*�K�!,%����@>���6���#������� *��'����������������� ��� ������ ��*��������� ��6����'��#>� ����*����>� �������� ��������>�����#>� ������� ���� ���� ��������>� �����'��#>� ���� �������*�� *���� ��������'���� ���� ��� ���������� ��������� ��� *�*��� ������ �����#>� ����� �����������>���������������������� *��;�'�������������������� �������������6����*�������������� ���!,%&��

�*��������������������������*��!%1���������������#����'����>���6�����������������?���+��@�'����>�6**�������������������4��'����--+�����"�����//�>�*����6������� ���+/&�������'��������������������������'���������������������������������������������*����"���������������������'���� �����#�'���������=���*���������?�--+@>�����5���������26��?�//�@�

��'.���������� ����� 0���� � ��������1 ��"

������� ��� ������������� ����� ��#����������������������� ����� ��������%���+,���������-��������������.������������������������������� ������/�+#���� ���� ���� ����� ��� ������� ���� 01������� ������ ����� ��� ��� �������� �� ����������������� � ��������� ������������ �����"2�#3/+4��1#�� ������� ������ ��,�1������������������������� ���� ��� ����������������� ���#��#������������� ��������������������1(1�+����

���� ��� ��� ��� 5��������� ������� ��������� ����#������� � ��������� ���� ��������� ����� �����*� � ��� ��� 3/+#-2�� ������ ������ ���66�"�7� 8�� � �� %���������!�����98%!:;�<�� ���:��������������������$�������������������������������������������3+=������ ���� ����������1+���+=������������������� ����������� $�� ��� �������������� �������� ��� ��� ������� ����� ��� ���

© Oxford University Press. All rights reserved.

Page 37: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

�� ���� ���� ������ ������ ��� ��� �� �

������������1/�������3+=������>1�+�������0+=�����������������������((������(/==���������������������������������(1�+�������(/==������������������������� ����������� �������� ������� � ��� �������������:�������� ��������������� �� ������� ��� ��������������� �� ��� � ��� ������ 1+?�������� � �� ��� ��������� ��� �,3+4� �������<�������"2�#3/+4������ ������������� ������� ��,3+4������� ��������� ������(>?��� ��������� ��� �������� ������������ ������ ������� ���

���2 �������� �����

��������������������������#�����61��'������������6**�*������*���'������������� �� �*������������*�����>� ������������������ �*����/�%B�'#�6��*�>� �*��������*�������������:���N��������C��������1�������������������4���*��������������'���������>�����/!>�����/!2>�����/(>����!/->��������!�/

��������'���������������������������� *���������������������������������6�����#��/>///�����������-+,S�����������������������+�����������������//(� *�� ����������� ��� ��������� ������ ������ ��� ����*��� ���������>� �������

��������>�*�*���������������*>�*�*�����*����>�����>�����*�������������� ���>����������������*������������������������������������ �*������������������������� �������������'���� ?$���� ���7��--!>�"�)$F";��1,1-/>�$;P��--�1�1!@�3���������)������������������*�����������������������������'�����������������'��� *������������*���������>�������>������*�����1������������������������������'������������������������� *�����������������������������������������������������>���������'#��*�

���*��>� �� ��� �*�� �������� ����F��� =����� ������ 2����� ��� ����>� ��#���?��'�������>��//�@>��������*�6����0������

������������� �������������!+��,�������������"����7�����1�7��� �

������������� �*���'��������������������>���������������������� �%�>���������� ��*�1������ ������ ��������� �*�������� ���!���� �*�� ?�/1,�3�5�@���������

© Oxford University Press. All rights reserved.

Page 38: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

���� ���� ����� ������ ����������� ��� ����� �� ��

�����'����)���1�������)>�T>����������������������������������������������������������*���*��1�������*�������� *�#���������������������,/������?6**��������������@>���������������*�����������*��'�����������������������#�'���������O��?�///@������*�����*���'���������*����������������?���(�%@�

���3 *������� *���������

*������������ ��� ��������� ������� ?������� �� ���������>� �������� ����#@���'���������������#���'����6�*��*�������������������������������������������$�� �����%���'�� �%�5� *���������������������?�@�������A������������������>�?'@�������1������������������>�?@�������1�������������'����>����?�@�������'�������������������������'���)���������������������������������������������������� *������������������������������������'#������������,!1�-,%>������

��������*�����������*��'����� *��������������������#�'����������;��*����?�//�@>������������������?�--�@>�����I���������5������?�//�@�

���% "��������� �� ����� �� � ��������� �������

�������������������������������������������������*��������������������� *��������������������������6��

����� �������� *��*�*��������*������������������6��*�������� �*���������������������������������6��*�������*����*��������������*������������

������������� � ��� ����������'����6�*� ���������� �����>� ��������*�������������*��������������������������������������'����>���������*�������#����������������'��������������������������*:�����E�������������*����������������#�

(������� � *��:����#���������1�������������������������'�#��������>�6*����������6�*��*��������������������������*������������� *�����������#���������������>�6*����:����#��������������������������������?��������������� ����������>� �������#� �� ������� ����������6*����6����A������ ��������������������������������������#�������@����������>��*���������������������������*�����������'�#�6�*������������*�����������������������

)�*��������������� ���������������������#��'�����������������1������#��4���!//������� ������� ��� ������ ���� ��#���� �������#�6����6��>�6**� ����������%/B��������������������������������*��6����C���������������������������'����#����"���*���*��������������������������������*�������������#�'���������'�������*����������������������������������*����*���������������������'���������������������������6�*���� �*������� ���� ��#���>� ��������� �� �*����������������#���������������)4���������������*��������������������������

+�� ������ ���������������������>���������'�������������������������'���������*��'#� ������ �������� ��*�:���� ��*� ���6�����>� '�����>� ���� �������� ��������'������������'���������������6��������#�����E��������*�����

© Oxford University Press. All rights reserved.

Page 39: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

32 Steel Structures: Design and Practice

Prefabrication Often, steel components are manufactured at the factory (whichmeans that they are produced using strict supervision and quality control),transported to the site, and erected using bolting and a minimum amount ofwelding. The prefabrication of steel structures results in the proper planningof construction, saving in time and money, speedy erection, and better qualityof finished structures. Lighter steel members facilitate easy handling anderection.

Permanence Steel frames that are properly maintained last indefinitely. Severalstructures are available to testify the durability of steel structures (e.g., the EiffelTower and the Railway Bridge across the Firth of Forth, both built in 1890). Undercertain conditions, weathering steels do not require any painting or maintenance.In Belgium and Japan, it has been found that steel bridges outlast prestressedconcrete bridges by 15–26 years.

Additions to existing structures The repair and retrofit of steel members andtheir strengthening at a future date (for example, to take into account enhancedloading) is simpler than in concrete members. Thus, new bays or even entire newwings, can be added to existing steel-frame buildings, and steel bridges may oftenbe widened. Of course, special precautions have to be taken while welding on amember already carrying loads.

Least disturbance to the community Steel-intensive construction causes theleast disturbance to the community in which the structure is located. Fast-trackconstruction techniques developed in recent years have demonstrated that steelstructures cause the least disruption to traffic and minimize financial losses to thecommunity and business. Such construction also results in far less environmentalpollution.

Fracture toughness Due to its toughness and ductility, steel members can besubjected to large deformations during fabrication and erection without fracture,thus allowing them to be bent, hammered, sheared, and have holes punched inthem without visible damage.

Elasticity Steel behaves closer to design assumptions than most materials becauseit follows Hooke’s law up to fairly high stresses.

Though steel has several advantages, it also has the following disadvantages.

Maintenance costs Most steels are susceptible to corrosion when freelyexposed to air and water, and must therefore be periodically painted. However,the use of weathering steels and modern coatings tend to eliminate/reduce thiscost. Steel members in the interior of buildings (not exposed to rain) do notcorrode quickly.

Fireproofing costs Although structural steel members are incombustible, theirstrength is tremendously reduced at temperatures commonly reached in fires when

© Oxford University Press. All rights reserved.

Page 40: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

���� ���� ����� ������ ����������� ��� ����� �� ��

��*������������ ����'������'�����0���*������>����������� ������7�������*����������>����1��������������������'������#��������������*�*�����������'������������������������������'�����������������������6**��������������6�*� �*��� �� ��8����� ���������� �*��'����������� ��� �*���� ������>� �*�� ����������������'��������#�*�������'�����������'#����������6�*���������������*��������������������>��*��'��������#�*�������������������������#����>�����������������*��'������������:���������

�� ��$������� �������,����� *���������������������������*���������������'���>�*�������������*������������'������� *���*�������*�����*�*��������*�����������6��*�>��������������*�������'������������������'������

&�������"���*����������'����������#�������������*�������������*���#�'����������������'8�������������������'������������������������������������������������������������ ? *���� ���� ������� ���'��������#�6*��� ������� �� ��������@� ����6������������� �*������������������*�������*����'���� ������� �*����������'�����'������#�����������������������������������

���& #��� �� ����� ���������

*��������������������6���'����������6�*��*������������������#�������������>6**���#��������*�������6���

-������� � *������#����������>�������>������������������������>�����1'������6����>��'��1���#�����������������������������3���������#�'��������������1�����#��>�6�*�������������#��������0�������1�����#���'������>���������������� '����� �#������*���� '�������������>� ��*� ��� �������>� ���������� �����>��������������>�����?����)*����������������������������*���������������#�����@�3������� ���� ����� �������� ������� ������>� ��*� ��� ���������>� �������>����>���������>����� *����'���������#�������������������������*�6����0�����!����*���������������������������'#�����1'������6������ *���������������������*�'���������#�'��������������>����6�1�����*���1*�������*�����������1��1������#������ *���������������#�'�����������1�������>�������#���������������*��������*������������'������#������?����)*��������@� *��'��������������������#����*���1��������������������#����>�'����������

����������#�������������������#�����������������'������������������*��78���6���� ���89� ������>� '��� �*�� �#��� ��� ������6��� ���� '�� ��������� �� �*�� ��7�L������'��������?�---@����� �*������������ �*���1���������������6����M�� *����������������������������������������#��*���������������������������F���*������#�����������������%��������#�*��������������������������� *�������'��6����'��������*���*��������������������*��'�#��������� ��,5��$�%�������������� '����� ���� ����� ��� ����� �*�� '�#�� ����������#��� '�������6�*� ������?������#�*���������'�����*���������'����@���������'��6��������������'�����

© Oxford University Press. All rights reserved.

Page 41: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

�� ���� ���� ������ ������ ��� ��� �� �

0��������%���������������������������������'��������������1�����#���������'������>�6*������������'���������������������������#�����������'�#��

Single bay bent

Rigid or pinned

Rafter

Rigid or pinned

Rafter

Single bay bent Multiple bay bent

Parapet Roof Rafter

Tapered column and rafterin a rigid frame bent

Truss-on-columnKneebrace

(a) Single and multi-bay bents

(c) Portal frame

(d) Truss-column type industrial building(b) Multi-storey building

����������-�����"����������!��!���

Siding

Girt

Bent

Bay

Bay

Bay

BentWind bracing

Purlins

Eave strut

Girt

Rafter

Windbracing

Columns

Sagro

d

����� �����4�""��� �� ���!��!�������+���� � � � �!�������+!���� ��

© Oxford University Press. All rights reserved.

Page 42: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

Structural Steel: Types, Properties, and Products 35

The roof systems of all buildings consist of a framing, some kind of decking,and a waterproof covering. The main roof framing consists of the rafters or thetruss in any bent. Spanning the bay width are purlins spaced at about 0.6–2 m atcentres, depending on the type of roof decking or sheeting used. Sag rods areprovided as additional support for the purlins used on sloping roofs. Purlin designis rather complex for sloping roofs due to the unsymmetrical bending (see Section6.11). The roof deck rests on purlins and may be a metal deck, precast concreteslabs, wood planking, gypsum sheets, GI sheets, polycarbonate sheets, fibre-glass sheets, or asbestos (which has been banned in several countries due to healthhazards).

The siding may be made up of metal sheets, metal sandwich sheets (sometimescalled curtain walls) consisting of two metal sheets with some insulating filler,brick, and precast or poured concrete, or asbestos sheets. A lightweight siding iscarried by girts and spandrel beams in high-rise buildings and by eaves struts andgirts in industrial buildings (see Fig. 1.14). Note that a spandrel beam is similar toa girt and is located at floor level (as the most exterior floor beam), and carries aproportion of live load. It also carries a part of the load acting on the siding. If thesiding is heavy (e.g., brick or concrete blocks), built-up sections (using channelsor angles depending on the load) can be used for the spandrel beam. It is necessaryto establish the floor framing system very early in the design process, so that theload flow is identified and the sizes of different members are approximately fixedfor computer analysis.

Bridges Bridges may be classified as truss, plate-girder, arch, cantilever, cable-stayed, or suspension (using cables as principal load-carrying members).The truss and plate-girder bridges are commonly adopted for small to moderatespans and cable-stayed and suspension bridges for long spans. Many types oftrusses like Pratt, Warren, Parker, Baltimore, K-type, Whipple truss, etc., are usedin bridges. The truss types include both deck (traffic on top of truss) and throughtypes (traffic passes between the trusses of the bridge). The deck type is preferredif the clearance below the truss is not a critical factor, because the piers could bemade shorter. Many truss bridges combine both types. A combination of trusses(for long spans) and girders (for shorter or approach spans) is also adopted inpractice. Bridges may also be classified as railroad, highway, or road and pedestrianbridges, depending upon use.

Towers Towers may be of different types, such as lighting towers, power trans-mission towers, observation towers, towers for radar and TV installation, telephonerelay towers, and windmill towers. Towers may be self-supporting or cable-stayed.Most towers are made of steel angles or tubes, which are bolted at site.

Water tanks They may be rectangular, circular, or spherical. They can be used tostore oil or water. They may rest on the ground or be elevated on a staging.

© Oxford University Press. All rights reserved.

Page 43: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

�� ���� ���� ������ ������ ��� ��� �� �

.����� �������� � ����>� '������>� �����>� ������� ������>� ����*���� ���������>*���#�>������� ��6������������������*�������������>� �*����������������������#�'���������������

������ �*��>� ������ ��� ���������*���� ���� ��*�����*����� �:������>� ���������'����?'����������'����>�*����@>�����0��������(��*�6���*���*�������*�������������������#�����������������������

(a) The 2,065-m long Pamban railway bridge, on the Palk Strait, connects Rameswaram tomainland India. Constructed in 1914, it is still in good condition and considered as one of themarvels of engineering. The double-leaf bascule bridge section shown in this picture can beraised to let ships pass under the bridge. The bridge is located at the world’s second highlycorrosive environment (next to Miami, US), which is also a cyclone-prone, high wind velocityzone.

(b) The 110-stories high, 442-m tall Willis Tower (formerly known as Sears Tower), in Chicago,Illinois, USA. Designed by architects, Skidmore, Owings, and Merrill and structural engineerFazlur Khan, and completed in 1973, it is the tallest building in the western hemisphere. Thesuperstructure consisting of nine interlocking rigid steel framed tubes that terminate at differentheights, efficiently counteract all lateral and gravity loads.

© Oxford University Press. All rights reserved.

Page 44: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

���� ���� ����� ������ ����������� ��� ����� �� �

(c ) Beijing National Stadium, also known as Bird’s Nest, built for 2008 Summer Olympics in Beijing,China, and is the world’s largest steel structure. This 91,000-seat stadium was designed bySwiss architects Herzog and de Meuron, ArupSport, and China Architectural Design & ResearchGroup. It is 330-m long, 220-m wide, 69.2-m tall and contains 110,000 tonnes of steel.

(d) A typical pre-engineered building for the American Royal Exhibition Hall and Arena, KansasCity, MO. They are adopted for low-rise buildings with an eave height of up to 30 m and canbe very economical and speedy. (Photo: www.butlermfg.com)

(e) Transmission line towers are often made of steel angles and bolted at site (Photo: Binod Therat)

© Oxford University Press. All rights reserved.

Page 45: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

� ���� ���� ������ ������ ��� ��� �� �

(f) Steel-elevated water tanks are used to store water and provide pressure in the water distributionsystem. A tank elevated to 21 m creates about 0.207 MPa of discharge pressure, which issufficient for most applications. The shapes of the tanks and their surface appearance canbe varied according to the needs.

����������8������������"�������"�������""��� ��������"����������!��!���

����*��'���>�6��6��������������������������*��������������������6**�����������������'�������� *����������������������'�����������'����������'��������������*�������6��������������*�����*���'#�6**��*�#�����������������*������������?����0������+@�

Tension member(a)

Beam column(d)

Compressionmember

(b)

Torsion member(e)

Beam(c)

Plate(f)

����������9����!��������"����!��!�������+���

© Oxford University Press. All rights reserved.

Page 46: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

���� ���� ����� ������ ����������� ��� ����� �� �

-��� �(�����?�����������) �����@�������#����#�'���������������6**������*��������� ��� �*�� �7������ �'���� *��>������ ��� �*���������� ��� �*�� '���� �������������������>���������������#����E��>��������#� �� �� ����������������������"�����*��'����������������������6������*�����������������*��'�����������������>�������*���7�������'�������#������������������� *��>��*���������������#����*�������������������'���������6��O���'�����������������������#�'������*�#��������������������������>����������#������'��>�������:�����������'������������� *�����������'����������������)*�������(����,�

/�� ���������� ������� �6�%� �%���������������������������������*���������'8�������������7��������>�6**���#��������������*�����'����� *�#���������������������������>�*������������'�����������������������>� ��'������#�����>���� �������>�������������'�����"���7���#������������������'��������������������������*����6����������//B������#����*�������������������3������������*�������#��'���6��//B�'�������*������������������������������'�����������*����*��������������������*�����������������F'����*����>��*�������������>�����"������������'��>*�6����>�*��������������������#�����//B������������7'�������������#����#�������� �6����>��*������������'�����#���:�������������*�����>������������������������������*������������������������������>��'�������������6��>�������*���������� *���������������������'���������������)*��������

���$�� ���������� �������� ����� ���� ��"��$���� �%��������������*������'���� �� �� ��������� �*��� ���� ��'8����� ��� ������ �*��� ����� ��� �������� �*�������*����*����'�����������������*�������������1����������������������'�������������>�������������>���� �*�������� �*��� ������ ��������������������������������������>��������'����������������'��������������>��������������������������������� ��� �*����������*����*�'����������*���������� �*������� ��������� �*���������������*������������:�������������������������������������*��������������������7������*�����'��>����������������� ���������������'�%��������#�����'�%��$�����7���#���������������6�������'���'�����������//B�����*���������>���� ��� �*�� �*��������� ����'�.� %)�� *�� ������ ��� �������������'���� �����������)*������%������*������'�����������?6**����#�'����������������������������������������@���)*������-�

/�� ������������ ���*����'����������������������������*����������*����4�� �����>� ��������� ������� �*����� '�� ��������� �� ��������� '����� ������ 0��������������'������'8��������������>���������'��������?�//,@�

'���� � �����'���1������'���� ���� �������� ��*�1������ ���1����������'����������������������������������������>�6**�������'������'����������#��2���'������������������'#��������*���F������������������4����>� �� ��'��������� �����>� ��*����'�������������������>�'�����

����������>�����������'����������������>����>�������������6�����6*��������������'��������8����������*����������#�����>������������#�'�����������������*����*�����#�'���������#������*�������>���*��������#��������������#��������������������� �6����>����*���������#���������������'��>��*�����'��*������'���������������*����'����������

© Oxford University Press. All rights reserved.

Page 47: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

40 Steel Structures: Design and Practice

As already indicated, these members (beams, columns, tension members, etc.)are joined together in a framework by means of welding, bolting, or riveting.These fastening techniques and designs of connections are covered in Chapters 10and 11.

1.19 Fabrication and Erection

According to the design of various members of a structure, the various requiredsections are procured and are fabricated at site or factory. Tolerances for thefabrication of steel structures should conform to IS 7215. The various activities inthe fabrication shop include the following.(a) Exact cutting of length by sawing, shearing, cropping, thermal cutting, or

machining, based on the fabrication drawing of the structure,(b) Straightening of members,(c) Cambering of beams,(d) Drilling or punching of holes,(e) Welding of gusset plates,(f) Machining of butt joints, caps, and bases,(g) Surface preparation, such as shot blasting,(h) Painting or galvanizing after pickling in acids,(i) Marking,(j) Shop assembly and erection,(k) Inspection and testing, and(l) Packing.

The numbered parts are then transported to the site and the structure is erectedfollowing the erection tolerances specified in IS 12843. The normal tolerancesafter erection are given in Table 33 of IS 800.

The straightness tolerances incorporated in the design rules are given in Table34 of IS 800. When the actual curvature exceeds these values, the effect of additionalcurvature on the design calculations should be reviewed. A tension member shouldnot deviate from its correct position by more than 3 mm.

After the structure is erected, the specified protective treatment should be appliedon the surfaces of the steel members and joints. No painting should normally beused on the contact surfaces in the friction connection. More guidelines for thefabrication and erection of steel structures are given in Section 17 of IS 800 :2007. Some recommendations for steel work tenders and contracts are also givenin Annex G of the code.

1.19.1 Errors that Lead to Failures

To err is human but the consequences of an error in structural design can lead toloss of life and damage to property. Hence it is necessary to appreciate whereerrors can occur. Small errors can occur due to rounding of figures but thesegenerally do not lead to failures. The majority of structural failures (whether it is

© Oxford University Press. All rights reserved.

Page 48: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

���� ���� ����� ������ ����������� ��� ����� �� ��

�*�� �������� ��� �*�� ��������� ��� ��������� ������@� ���� ���� ��� ������� �� �����>���������>�����������������*���'��������������*���,%B����'������������������������*������������?3��6������O�>��-,,@�� ������������������������������������������� ����������#�������*����������� *����������������*����������*���������������������*����������������*�

�����6���?������������������--�>�������'���������-,!>��-,-@�?�@ �������������*���*#����'�*����������*���������������������>�6**������

������������'����������������������*������������#��?'@ $������������������������������*�������>��������#��*��������������?@ ;�������������������������<�*���������'�����������'#������1*����S

*�6�����6*��������������������������������>�*���������������������������������

?�@ 2������������������������������������*����������>�'�������������>����������������>� ���

?�@ ��������������6���������������������������>� ���������>����?�@ ���������������������'������6���������>����*�����������#������������>

�������>�����������������>����;�6���#�����������������������'������������'����'�7��S��*����>�6�*���

���6����*���������������*����������������*����������������������������������$�������*�����#�������������'�����������������������������6��?�@ ������*��6�����������������������6������#���������������������6�����>?'@ ������*��6�����6��*����������>?@ $����������'������?*������������*��>������E���*����>����������>��������

6�����>�6���������������>����@>����?�@ $���������������������:����#��������$�������������������������*����������*����������>�6**��������*�������#���

��������������*�������� �����?�@ ������������������*�������������#>?'@ �������6**��������7�������������*��������������?�������*:���������������

��������>������>�������>����@>?@ ��������������*�������������#�����?������������*��6�'�����*������������������

����������>�����������*���#���������>�'������>����@>����?�@ ���������������"�����#�����*����������#��������������*���'������������'#�2��#�������������

?�--�@>�I�����E�#�?�--�@>�����0��������)������?�--+@��)��������������'��������������������������������������������������������������?��'���������--->�///S���'��������U�����������--+>� �--,S�I���� ��� ���� �///@��"� ��6� ������������������������������������������������������*��'���>�6**�6���*�������������������������������*����������

���+ "���'��� �� ����� ���������

"��*���*���*�������#��������������*������*���:�������������������������*������>�����>������'������>���������������>����>����������'��������������1*�'������������>�6**����������������������'���>�������������*�����#�����������������#�������������������*������*���:������������#���������>�'������������������

© Oxford University Press. All rights reserved.

Page 49: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

�� ���� ���� ������ ������ ��� ��� �� �

�����������������������"���*������#�'����6������������������������������������������������������������������'�����>�����*���:���������#�'��8�����6�*� ��������� ��� ��� ���>� �*�� �*#���� ��#���� ���� ����������>� �*�� ��6� ����6�*�����������6�*���>������*����������������*��'������6�*����������������������������4�������>��*��������*�����������*�����'���������������������� ����������>� �����������������>� ���������� �����#>� ���'��#>� ����'��#>�������'�#>����������'��#� �6����>�6*��*����������������������������'���������������������6*��*����

���'������������������������*�����*��>�6**������������7������#������7���������� *�����������������'�����������*��:���������������������#��'�����#������'��������>������*�#�����������������������������������������������������'�#���� �*�� ���������������������;�6���#�>����������*����������6�#�����������������#�����#�������������6�����������7�������������#������������>� ��� ����� ��0��� ���,>�6**� �*�6�� �*��&��������#�)������ ���� ���6���6��2���"������>���"���������������'��������*�����������#�'���������I������*�?�-+%@>���'��������?�-,+>��//�@>�����3��������?�-,�@�

�������� -���.����4�� ��/� �����7���� � �4�� ��� �5���3 �����1�/���"�� ��1����� ���+�3���������0�� �����%���

������#

*��*������'�����6�*���'����*�����������6����������� *��������������������������6�*��*��*�������������������������������'����#��������� *��*��������������������*����������������������������������������

������������?�����:��������������������#��*�������������*�����8������*����@� *����������������������������������������������������������#����������>������#>����*���������6����'��#��&���*����������'����*����*��#����������>������������'#��*���������������>�����������'#���������������>���*�����*��������������������������������6*�����*�������������������������P�����������������������������'����������������*��������'#��*�����������*����������������*�������#

© Oxford University Press. All rights reserved.

Page 50: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

���� ���� ����� ������ ����������� ��� ����� �� ��

��������*������������#����������6*������������������������'8������������*:����������������������������������������*�����������������������*�*1�������������������������������������#������>��*���������C������������������*����'���������������������0���>

*������*���*�������������*��6�������������������������������������*����������>���������6*��*����*��������������:�����*�����������"�������#���������*������������#�������������������'�����������������'���7���������*��)*���#���������*������7������+�=�����*����6����6�������������������4���������*�:����#���������>��������>�������'����������������:����#�������������*��������������'���������������4����*�����������������������������������*���������*����������6��������������>��*�����������������������������������������#>� ��������� ������� ������� ���� ��������6*��*��� �*�� ��������

*�*������������������������������6�����������*�������������������������>� �*�*������'��*�������������������������������>�'�����>����������������������������������*���#��.����������������������������������������������*�����'��������#����������������*�������� *���*>�����#�0��!�/������������������������������>����������������*��

6*��*�����������'����������*�*1�������*�������� *���*��*���������*�*1�������*��������#�'���/A�/B�*�*��>����������#��������������������������6��*�������'��:����� ���������� �����4�� �����>�6*��� ����� *�*1�������*� ������>� �*���������� ��������#�'����� ����� ���� ��� �*�� ������� ������ �E����4�*���������#����������������������������'���������#�'��������>����������������������������������������������"�'������������������������>�������������>�����������������������������

�������������"��������6�����*������������#����������������>��#�������������?�����>� �>� �����>� *�����>� *����6� ������>� ���@� ���� �#���� ��� ���'���?���������>� ������>� '�����@>� �� ���������>�6**�6��� '�� :���� ������� ���������������*�������������������������*�������

)���- 4�������

�� �������������� ������������������ �������� ������������������� ��� ������ � �������������������� ��� ����������������������������������� ����� ��� ����������� ������������������� �� �������������������� ����� ������ ����������� ���������� � ��������!� ��������������������������"����� ������������ ���������#� � ���� ������������� $ ������������ ���%� &��������������������������������� ���������'� ����� �������� ������������� � �"�����������(� ������)� * ������+,����������������������������� ������� ��� ���-

.�/���� ������������������0

.�/���� ��0

.�/��� ��"������0����

.�/�� �� �������������

© Oxford University Press. All rights reserved.

Page 51: KÆ(} hv]À ] ÇW Xoo ]PZ À X

�� ���� ���� ������ ������ ��� ��� �� �

�1� * ������ �������������������� ��������������� �������� ������������ ��� �������������� ��������� ������������������� 2 ��������������" ���������0�3����4���������0����� � ������������5���� ��0

������� ������� ������������� ������������+,�'11���� ,���������"� �������� ��� ������������0� �� ��� ��������� ��������� ������� ���������������������� ����������" ����������������!� &������" ������������ �� ����������� ����� �������� �����������#� &������������ �� ���������������� ���� ��������� �������� �������"������

����� ��������� �� ��������� �����+,�'11������%� ����� ��������"����� � �"����"�������� �� �� ���������'� &���������������������� ���������)� ����� ��� ������ ����&������� ��������������1� ����� ��6���"�7 ���������������� �����678�������������� �������"���� ���

� ������������� � ��������������

.�/��������� ��0

.�/����������� ����������������0

.�/����� ���� ������������0

.�/�������0����

./���� ���� ��������� &������ ����������� ������ ��������� �����,���������"� ����� ����

������ �� ��� ��� ���������+����������������+�������� ����� �������������� ���������� �������� �������������������� ����� ������� �"� ����� �������� ������� ����� ���� ��� ���� �� ����

�������� ����������!� 8�������������������������� ������������ �������� ������ ���#� ���������������������� ����� ����������� �����%� 9�� ������������������������ ��" �����+,:;���������"��'� ����� �� ���������<������� ������&��� �� ��"� ������������� �� ��

��������������� ��������)� � ����������������������������� ������������ ������������ �����1� =5��� ��������� � ������������ ����������� ����"�������� � ����������������� �� ��������������� ������������������������� ������ ������������ ,��������� ������������������������������������ ������ * �������"��������������������������� ����� ��������!� � ��������������� ��-

.�/�>�� ��� ��������� �����������������0

.�/�9���� �����������������0����

.�/�9������������������ ���������� ���

© Oxford University Press. All rights reserved.