Vastaanotettu Hyväksytty Julkaistu verkossa

Samankaltaiset tiedostot
LIITOKSEN SYMMETRISYYDEN VAIKUTUS LOVIJÄNNITYKSEEN HITSIN RA- JAVIIVALLA THE EFFECT OF SYMMETRY ON NOTCH STRESS AT WELD TOE

KUORMAA KANTAMATTOMAN T-LIITOKSEN GEOMETRIAN VAIKUTUS VÄSYMISKESTOIKÄÄN TEHOLLISEN LOVIJÄNNITYKSEN MENETELMÄLLÄ

LEVYJÄYKISTEEN PÄÄN KÄÄNTÄMISEN VAIKUTUS JÄNNITYSKONSENT- RAATIOIHIN EFFECT OF INCLINING LONGITUDINAL GUSSET S TIP ON STRESS CONCEN- TRATIONS

Valkonen, Ilkka; Valkonen, Antti Tuotantokäyttöön soveltuva edullinen menetelmä hitsin juuren puolen väsymiseliniän arvioimiseksi

HITSATUN LIITOKSEN VÄSYMISKESTÄVYYDEN MÄÄRITTÄMINEN SÄRÖN KASVUN SIMULOINNILLA

Ultralujien terästen hitsausliitosten väsymislujuus

RIVAN KÄRJEN MUOTOILUSUOSITUSTEN VERTAILU HOT SPOT JA TEHOLLISEN LOVIJÄNNITYKSEN MENETELMILLÄ

ELEMENTTIKOON VAIKUTUS VÄSYMISMENETELMIEN TARKKUUTEEN THE EFFECT OF MESH SIZING TO THE CONVERGENCE OF FATIGUE STRENGTH METHODS

LAPPEENRANNAN TEKNILLINEN YLIOPISTO LUT School of Energy Systems LUT Kone BK10A0402 Kandidaatintyö

HITSILIITOSTEN VÄSYMISTARKASTELU ERI MENETELMILLÄ FATIGUE ANALYSIS OF WELDED JOINTS WITH DIFFERENT METHODS

RAKENTEELLISEN JÄNNITYKSEN MÄÄRITTÄMINEN TEHOLLISEN LOVIJÄNNITYKSEN MALLISTA DETERMINATION OF HOT SPOT STRESS FROM ENS MODEL

Hitsaustekniikkaa suunnittelijoille koulutuspäivä Hitsattujen rakenteiden lujuustarkastelu Tatu Westerholm

Hitsattu rakenne vikojen vaikutus lujuuteen ja elinikään

Oheismateriaalin käyttö EI sallittua, mutta laskimen käyttö on sallittua Vastaukset tehtäväpaperiin, joka PALAUTETTAVA (vaikka vastaamattomana)!

Vauriomekanismi: Väsyminen

Oheismateriaalin käyttö EI sallittua, mutta laskimen käyttö on sallittua Vastaukset tehtäväpaperiin, joka PALAUTETTAVA (vaikka vastaamattomana)!

SHY- Seminaari TURKU

NOTCHIKOLOLIITOSTEN FE-ANALYYSIT FE-ANALYSIS OF NOTCH JOINTS

Ultralujien terästen käyttö dynaamisesti kuormitetuissa koneen rakenteissa

RIVAN KÄRJEN JÄNNITYSKOMPONENTIT STRESS COMPONENTS OF GUSSET S TIP

TkL. Matti Koskimäki

3R-menetelmän käyttö vaihtuva-amplitudisesti kuormitettujen hitsausliitosten väsymisanalysoinnissa

ETUTELIN RUNGON VÄSYMISKESTÄVYYDEN TARKASTELU HOT SPOT- MENETELMÄÄ KÄYTTÄEN

TEHOLLISEN LOVIJÄNNITYKSEN MENETELMÄN KÄYTETTÄVYYS ULTRALUJIEN TERÄSTEN KORKEALAATUISTEN HITSIEN VÄSYMISMITOITUKSESSA

Teräsrakentamisen T&K-päivät Lujista rakenneputkista valmistettavien liitosten kestävyys

HRO SUUNNITTELUFOORUMIN TEEMAPÄIVÄT 2013

PUUTAVARAPANKON VÄSYMISLUJUUDEN MÄÄRITYS DETERMINATION OF FATIGUE LIFE OF TIMBER BUNK

HRO SUUNNITTELUFOORUMIN TEEMAPÄIVÄT 2014

Murtumismekanismit: Väsyminen

Pienahitsien materiaalikerroin w

Tuukka Yrttimaa. Vaurioituminen. Sitkeä- ja haurasmurtuma. Brittle and Ductile Fracture

HRO SUUNNITTELUFOORUMIN TEEMAPÄIVÄT 2015

Ultralujien terästen ominaisuudet lopputuotteeseen osaavan suunnittelun ja valmistuksen avulla

FATIGUE STRENGTH OF WELDED JOINTS MADE OF S1100 STRUCTURAL STEEL

HRO SUUNNITTELUFOORUMIN TEEMAPÄIVÄT 2017

HRO SUUNNITTELUFOORUMIN TEEMAPÄIVÄT 2018

JÄNNEVIRRAN SILLAN VÄSYMISMITOITUS MITATULLA LIIKENNEKUORMALLA

ULTRALUJAN TERÄKSISEN RAKENNEPUTKEN JA VEITSILEVYN LIITOKSEN MUOTOILU HAURASMURTUMAA VASTAAN

Murtumissitkeyden arvioimisen ongelmia

Eurokoodi 2016 seminaari

TENTEISSÄ SALLITTU KIRJALLISUUS (päivitetty ) Jos ei tenttiä mainittu, ei myöskään lisämateriaalia.

HOT SPOT MENETELMÄN KÄYTTÖ SILTANOSTURIN PÄÄDYN VÄSYMISMITOITUKSESSA BRIDGE CRANE END FATIGUE ANALYSIS BASED ON THE HOT SPOT STRESSES

Vetokuormitetun päittäisliitoksen väsymislujuus hitsatussa tilassa Nykykäytännön arviointia ja vaihtoehtoisia tarkastelutapoja

Koneenosien lujuuslaskenta

TENTEISSÄ SALLITTU KIRJALLISUUS (päivitetty ) Jos ei tenttiä mainittu, ei myöskään lisämateriaalia.

I-Koulutuksesta. Raimo Suoranta LUT KONE

SSAB FrameCalc ja SSAB High Strength Structural Hollow Sections Handbook, tutkimustuloksista käytännön sovelluksiin

MITOITUSTEHTÄVÄ: I Rakennemallin muodostaminen 1/16

Murtumismekaniikka III LEFM => EPFM

DIPLOMITYÖ JÄNNITYSSUHTEEN VAIKUTUS ULTRALUJAN TERÄKSEN HITSAUSLIITOKSEN VÄSYMISLU- JUUTEEN

Hitsauksen standardit

HENKILÖNOSTIMEN PUOMIN ÄÄRILUJUUS EXTREME STRENGTH OF A PERSON LIFTER'S BOOM

Ympäristövaikutteinen murtuminen EAC

Väsymissärön ydintyminen

Kitkaväsymisestä aiheutuvien säröjen etenemisen tutkiminen murtumismekaniikan avulla

Tehokkaammin lujilla teräksillä

Kyntöauran rakenteiden kehittäminen mitatun kuormitusaineiston perusteella

TAVOITTEET Määrittää taivutuksen normaalijännitykset Miten määritetään leikkaus- ja taivutusmomenttijakaumat

TRUKKITRAKTORIN RUNGON SUUNNITTELU JA LASKENTA

HITSAUS JA LIITTÄMISINSTITUUTTI PÖYTÄKIRJA 1 / 5 HRO SUUNNITTELUFOORUMI Sannäsin Kartano, Sannaistentie 540, Sannäs

Sekundäärisen momentin vaikutus hitsin lujuuteen

LAHDEN ALUEEN KEHITTÄMISYHTIÖ. Suunnittelun merkitys tuotantokustannuksiin hitsauksessa

Mitoitetaan MäkeläAlu Oy:n materiaalivaraston kaksiaukkoinen hyllypalkki.

LAPPEENRANNAN TEKNILLINEN YLIOPISTO LUT School of Energy Systems LUT Kone. Tuomas Tuomaala PUUKUROTTAJAN PUOMIN VÄSYMISTARKASTELU.

Ultralujien terästen ominaisuuksien hyödyntäminen kone- ja teräsrakenteissa

FE-ANALYYSIN SOVELTAMINEN S960 QC TERÄKSISEN I-PROFIILIN ÄÄRIKESTÄVYYDEN MÄÄRITTÄMISESSÄ

ULTRALUJAN TERÄKSEN KIINNITYSHITSIEN VÄSYMISKESTÄVYYDEN MÄÄRITYS

AKSIAALIVUOSÄHKÖMOOTTORIN VALURUNGON VÄSYMISTARKASTELU

T I E D O T T E I T A

TEKNILLINEN TIEDEKUNTA JÄNNEVIRRAN SILLAN VÄSYMISMITOITUS MITATULLA LIIKENNEKUORMALLA. Tarmo Iso-Junno

Mikko Borgström VÄÄNTÖKUORMITETUN KOTELOPROFIILIPUOMIN VÄSYMISKESTÄVYYS

TILTTISANGAN VÄSYMISKESTÄVYYS FATIGUE RESISTANCE OF TILT HANDLE

KANSALLINEN LIITE (LVM) SFS-EN TERÄSRAKENTEIDEN SUUNNITTELU Sillat LIIKENNE- JA VIESTINTÄMINISTERIÖ

METSÄPERÄVAUNUN RUNGON DYNAAMINEN VÄSYMIS- TARKASTELU

VÄSYMISMITOITUS Pasila. Antti Silvennoinen, WSP Finland

Vaatimukset. Rakenne. Materiaalit ja niiden ominaisuudet. Timo Kiesi

OSIITAIN JA YKKIEN LIITOSTEN V AIKUTUS PORTAALIKEHAN VOI MASUUREISIIN. Rakenteiden Mekaniikka, Vol.27 No.3, 1994, s

Suunnittelutyökalu kustannusten ja päästöjen laskentaan

Murtumismekaniikka II. Transitiokäyttäytyminen ja haurasmurtuma

VALOKAARIUUNIN JÄÄHDYTYSPANEELIN KUONATARTUNNAN HITSAUS- LIITOKSEN ANALYSOINTI

Torpparin alikulkusilta - Suuriläpimittaisen teräsputkisillan pilotti radan alle Karjaalla. TRY Olli Asp

Vaasan ammattikorkeakoulu, University of Applied Sciences Publications OTHER PUBLICATIONS C10

ETUVAUNUN SUUNNITTELU JA RAKENNEANALYYSI

EN : Teräsrakenteiden suunnittelu, Levyrakenteet

KESKIPAKOISPUHALTIMEN SIIPIPYÖRÄN LUJUUSTEKNISEN MITOITUK- SEN KEHITTÄMINEN

Hitsattavien teräsrakenteiden muotoilu

HalliPES 1.0 OSA 16: RAKENNETYYPIT

Vaurioiden tyypilliset syyt

KANSALLINEN LIITE STANDARDIIN. SFS-EN EUROKOODI 3: TERÄSRAKENTEIDEN SUUNNITTELU. Osa 1-1: Yleiset säännöt ja rakennuksia koskevat säännöt

KUPARISAUVOJEN KOVUUS-, VETO-, JA VÄSYTYSKOKEET ANU VÄISÄNEN, JARMO MÄKIKANGAS, MARKKU KESKITALO, JARI OJALA

Konetekniikan koulutusohjelman opintojaksomuutokset

2 LUJUUSOPIN PERUSKÄSITTEET Suoran sauvan veto tai puristus Jännityksen ja venymän välinen yhteys

Vaihdelaa(kon synkronirengas C.R Gagg & P.R Lewis / Engineering Failure Analysis 16 (2009)

SUORITUSTASOILMOITUS

SUURJUUSTERÄKSISEN RUUVILIITOKSEN FRETTING-VÄSYMINEN FRETTING FATIGUE OF BOLTED JOINT MADE OF HIGH-STRENGTH STEEL

TRY TERÄSNORMIKORTTI N:o 10/1999 [korvaa Teräsnormikortin N:o 7/1998]

Simulation and modeling for quality and reliability (valmiin työn esittely) Aleksi Seppänen

2. harjoitus - malliratkaisut Tehtävä 3. Tasojännitystilassa olevan kappaleen kaksiakselista rasitustilaa käytetään usein materiaalimalleissa esiintyv

AKKREDITOITU TARKASTUSLAITOS ACCREDITED INSPECTION BODY DEKRA INSPECTION OY

PUHDAS, SUORA TAIVUTUS

Transkriptio:

Rakenteiden Mekaniikka Vol. 50, Nro 3, 2017, s. 153-157 https://rakenteidenmekaniikka.journal.fi/index https://doi.org/10.23998/rm.23998/rm.65049 Kirjoittaja(t) 2017. Vapaasti saatavilla CC BY-SA 4.0 lisensioitu. Kuormitustavan ja symmetrisyyden vaikutus kuormaa kantamattomien hitsausliitosten väsymiseen tehollisen lovijännityksen ja murtumismekaniikan menetelmien vertailu Antti Ahola 1, Heli Mettänen ja Timo Björk Tiivistelmä. Kasvavan taivutusjännitysosuuden (degree of bending, DOB) on ajateltu parantavan merkittävästi väsymiskestävyyttä perinteisessä jännitys-kestoikä (S-N) laskennassa. Tässä tutkimuksessa tarkasteltiin hitsattujen liitosten väsymistä kalvo- ja taivutuskuormituksessa tehollisen lovijännityksen menetelmällä ja lineaarielastisella murtumismekaniikalla. Tutkimuksen tuloksena saatiin selville, että liitoksen symmetrisyydestä määräytyen ulkoisen kuormituksen taivutusjännitys voi aiheuttaa merkittävästi korkeampia lovijännityksiä hitsin rajaviivalle kuin vastaavansuuruinen kalvojännitys. Avainsanat: väsyminen, hitsatut liitokset, taivutus, liitoksen symmetrisyys Vastaanotettu 22.6.2017. Hyväksytty 16.7.2017. Julkaistu verkossa 21.7.2017. Johdanto Useissa perusteoksissa on esitetty, että kasvava DOB parantaa väsymiskestävyyttä merkittävästi. Tätä perustellaan jännityksen keskiarvoistuksella pinnan läheisyydessä (ydintymisaika) sekä särönkasvun hidastumisella särön kärjen kasvaessa pienemmän jännitysgradientin alueelle. Tämä on otettu huomioon osassa hitsattujen liitosten väsymisohjeistuksia: BS7608:2014 [1] antaa yhdistetyn taivutus- ja paksuuskorjauskertoimen ktb ja DNV-GL [2] sallii 40 % vähennyksen rakenteellisen jännityksen (hot spot, HS) taivutusjännitysosuuteen, kun jännityskonsentraatio on paikallinen ja särön kasvaessa tapahtuu kuormituksen uudelleenjakautuminen. Eurooppalaista väsymismitoitusta ohjaavissa Eurokoodi 3:ssa tai IIW:n ohjeistuksissa taivutuksen vaikutukseen ei kuitenkaan oteta kantaa [3,4]. 1 Vastuullinen kirjoittaja. antti.ahola@lut.fi 153

Kasvavan DOB:n väsymiskestävyyttä parantavaa vaikutusta tukee myös olemassa olevat tutkimustulokset. Aiemmassa tutkimuksessa ulkoisen taivutuskuormituksen osoitettiin parantavan väsymiskestävyyttä selvästi verrattuna puhtaaseen kalvokuormitukseen [5]. Tätä tukee myös Kimin & Yeongin [6], Baikin et al. [7] ja Maddoxin [8] tekemät tutkimukset. Toisaalta myös päinvastaisia tutkimustuloksia on esitetty [9]. Tarkasteltaessa ulkoisen kalvo- tai taivutuskuormituksen vaikutusta etenkin hitsattujen liitosten väsymiseen on syytä muistaa myös kuormitustyyppien periaatteelliset erot suhteessa tyypillisesti hitsatuissa rakenteissa esiintyviin kulma- ja sovitevirheisiin. Kalvojännityksessä kulma- tai sovitevirhe aiheuttaa sekundäärisen taivutusjännityskomponentin, kun taivutuskuormituksessa samanlaista lisäjännitystä ei synny. Tässä työssä on tarkasteltu erilaisten kuormaa kantamattomien liitosten väsymiskestävyyttä kalvo- ja taivutuskuormituksessa laskennallisesti sekä tehollisen lovijännityksen menetelmän (ENS) että lineaarielastisen murtumismekaniikan (LEFM) avulla. Elementtimenetelmät Tässä tutkimuksessa tarkastellaan kolmea eri kuormaa kantamatonta hitsausliitosta: poikittaista ripaliitosta, päällekkäisliitosta ja pitkittäistä ripaliitosta. 2D-liitoksista, Kuva 1a-b, tehdään puolimalli ja 3D-liitoksesta, Kuva 1c, tehdään neljännesosamalli symmetriareunaehtoja hyödyntäen. Tutkimuksessa varioidaan geometriamittasuhteita, kuten a- mittaa ja liitoslevyn paksuutta. Kuva 1. Analysoidut liitostyypit: (a) kuormaa kantamaton poikittainen ripa, (b) päällekkäisliitos ja (c) kuormaa kantamaton pitkittäinen ripa. 2D-tasogeometriat analysoidaan käyttämällä tasovenymäelementtejä, ja 3D-liitokset solidielementtimalleilla ja alimallinnustekniikkaa hyödyntämällä, Kuva 2. ENSmalleissa rajaviivan pyöristyssäteenä käytetään ρ = 1 mm, ja LEFM-malleissa alkusärökokona ai = 0.05 mm. 154

Kuva 2. Esimerkki 3D FE-malleista: (a) ENS-malli ja (b) LEFM-malli. LEFM-malleista määritetään jännitysintesiteettikertoimen vaihtelu (ΔK) ja väsymiskestoikä lasketaan Parisin särönkasvulailla. ENS-malleissa referenssiväsymislujuutena käytetään FAT = 225 MPa pääjännityskriteerin mukaisesti, johon verrataan analyysien perusteella määritettyjä lovijännityksiä. Tulokset LEFM:llä ja ENS:llä määritetyt kestoiät muutettiin nimellisiksi väsymislujuuksiksi (FAT) vastaten kahta miljoonaa kuormanvaihtolukua. Kuormitussuhteen (qload) ja liitoksen symmetrisyyden (qgeom) vaikutusta väsymislujuuksiin tarkastellaan suhteuttamalla lasketut väsymislujuudet seuraavasti: FATm q load = (1) FAT ja b FAT asym, i q geom =. (2) FATsym, i Yhtälössä (1) alaindeksit m ja b viittaavat kuormitustyyppiin, (m = kalvo ja b = taivutus) ja yhtälössä (2) asym viittaa yksipuoliseen liitokseen (epäsymmetrinen) ja sym molemminpuoliseen liitokseen (symmetrinen). Kuvassa 3 on esitetty tulokset poikittaiselle rivalle. Kuvasta voidaan havaita, että laskennallisesti epäsymmetrisen liitoksen väsymislujuus oli huomattavasti parempi kalvokuormituksessa kuin symmetrisen liitoksen. Taivutuskuormituksessa symmetrisen liitoksen rajaviivalle syntyi vastaavasti pienempi lovijännitys ja näin ollen sen väsymislujuus oli parempi. Kalvokuormitus johti epäsymmetrisillä liitoksilla laskennallisesti parempaan väsymislujuuteen ja taivutuskuormitus symmetrisillä liitoksilla parempaan väsymislujuuteen. Muilla tarkastelluilla liitostyypeillä tulokset olivat yhtenevät. 155

Kuva 3. Poikittaisen rivan tapaus: (a) symmetrisyyden vaikutus (q geom) eri kuormitustapauksille ja (b) kuormituksen vaikutus (q load) toispuolisilla ja molemminpuolisilla liitoksilla. Johtopäätökset Tehtyjen analyysien perusteella voidaan vetää seuraavat johtopäätökset: Taivutuskuormitus voi aiheuttaa merkittävästi korkeampia lovijännityksiä hitsin rajaviivalla kuin vastaava nimellinen kalvokuormitus, varsinkin liitoslevyn ollessa yksipuolinen. Useat koetulokset ovat kuitenkin osoittaneet, että taivutuskuormitus parantaa väsymislujuutta. LEFM:ssa lovijännitys määrää särönkasvunopeuden pienellä särökoolla (a < 0.1t), mutta suuremmalla särökoolla kuormitustyyppi vaikuttaa enemmän särönkasvunopeuteen, ts. taivutuksella särönkasvunopeus on pienempi. Viitteet [1] BS7608:2014+A1:2015. Guide to fatigue design and assessment of steel products. British Standards, 2015 [2] DNVGL-RP-C203. Fatigue design of offshore steel structures. Det Norske Veritas - Germanischer Lloyd, 2016. [3] EN 1993-1-9. Eurocode 3: Design of Steel Structures. Part 1-9: Fatigue. European Committee for Standardization, 2005. [4] A. Hobbacher. Recommendations for fatigue design of welded joints and components, 2nd ed. Springer International Publishing, Cham, 2016 [5] A. Ahola, T. Nykänen & T. Björk. Effect of loading type on the fatigue strength of asymmetric and symmetric transverse non-load carrying attachments. Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures, 40:670 682, 2017. https://doi.org/10.1111/ffe.12531 [6] I. Kim I & Y. Jeong. Fatigue Strength Improvement of Welded Joints by Blast Cleaning for Subsequent Painting. International Journal of Steel Structures, 13:11 20, 2013. https://doi.org/10.1007/s13296-013-1002-0 156

[7] B. Baik, K. Yamada & T. Ishikawa. Fatigue crack propagation analysis for welded joint subjected to bending. International Journal of Fatigue, 33:746 758, 2011. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2010.12.002 [8] S.J. Maddox. Allowance for bending in fatigue design rules for welded joints. IIW-dokumentti XIII-2580-15, 2015. [9] M. Ottersböck, M. Leitner & M. Stoschka. Effect of loading type on welded and HFMI-treated T-joints. IIW-dokumentti XIII-2584-15, 2015. Antti Ahola, Heli Mettänen, Timo Björk Lappeenrannan teknillinen yliopisto Skinnarilankatu 34, PL20, 53851, Lappeenranta antti.ahola@lut.fi, heli.mettanen@lut.fi, timo.bjork@lut.fi 157