NAPRĘŻENIA HOT SPOT STRESS W POŁĄCZENIACH SPAWANYCH KONSTRUKCJI STALOWYCH

Transkrypt

1 Szykoieżne Pojzdy Gąsienicowe (19) nr 1, 2004 Sylwester MARKUSIK Tomsz ŁUKASIK NAPRĘŻENIA HOT SPOT STRESS W POŁĄCZENIACH SPAWANYCH KONSTRUKCJI STALOWYCH Streszczenie: Połączeni spwne w konstrukcjch stlowych stnowią newrlgiczne punkty pod względem oliczni ich wytrzymłości zmęczeniowej. Dotychczsowe metody oliczeń złącz spwnych uwzględniły tylko nprężeni występujące w przekrojch cłych elementów i nie rły pod uwgę koncentrcji nprężeń występujących w poliżu spoiny spowodownych geometrycznymi spektmi detlu. W niniejszym rtykule przedstwiono podejście loklne tzw. hot spot pproch do wyznczni ociążeń w połączenich spwnych. 1. WSTĘP Trdycyjn nliz zmęczeniow elementów spwnych nrżonych n ociążeni zmienne oprt ył w głównej mierze n nprężenich nominlnych występujących w przekroju konstrukcji orz n wyznczeniu współczynników spiętrzeni nprężeń β i ksztłtu α K. Dnej części konstrukcji przypisn ył w normch konkretn kls wytrzymłości n zmęczenie orz odpowiedni krzyw zleżności nprężeń od liczy cykli (krzyw Wohler). Tkie podejście do oliczeń pomij rzeczywiste wpływy nieciągłości struktury w strefie wpływu ciepł połączeni spwnego n jego wytrzymłość zmęczeniową. Rozróżnienie nprężeń nominlnych od nprężeń loklnych wywołnych krmi strukturlnymi orz geometrycznymi nie zwsze jest jednozncznie interpretowne, pondto form komponentów spwnych jest często tk złożon, że określenie nprężeń nominlnych jest trudne lu niemożliwe. Podejście loklne hot spot pproch idzie jeden krok dlej i zuje n określniu nprężeń uwzględnijących również geometrię określonego detlu. c d e f g h i Rys.1. Przykłdy powstwni pęknięć zmęczeniowych w spoinch konstrukcji stlowych Nprężeni występujące w miejscu spodziewnego pęknięci zmęczeniowego (punkt gorący z ng. hot spot) nzywne są nprężenimi konstrukcyjnymi hot spot stress. Nprężeni konstrukcyjne uwzględniją wpływ geometrii złącz orz nieciągłości struktury dnego detlu, pomijjąc nieliniowy skok nprężeń wywołny krem spowodownym przez profil smej spoiny. Nprężeni te są zwykle większe od nprężeń nominlnych. Zstosownie metody elementów skończonych umożliwi również stworzenie równń prmetrycznych ułtwijących wyzncznie nprężeń strukturlnych dl różnych typów hot spot-u. Prof. dr h. inż. Sylwester MARKUSIK, mgr inż. Tomsz ŁUKASIK - Politechnik Śląsk, Wydził Trnsportu, Ktedr Trnsportu Przemysłowego, Ktowice

2 Sylwester MARKUSIK, Tomsz ŁUKASIK 2. OKREŚLENIE NAPRĘŻEŃ Rozkłd nprężeń wokół spoiny jest nieliniowy tk jk pokzno n rysunku 2 Nprężeni w okolicy kru = σm + σg + σk gdzie: Rys.2. Rozkłd nprężeń wokół spoiny m nprężeni wywołne rozciągniem lu ściskniem, g nprężenie wywołne zginniem, k nieliniowe nprężenie kru. m jest równe średnim nprężeniom normlnym liczonym w poprzek gruości płyty, są stłe n cłej gruości. Nprężenie gnące g jest liniowo rozłożone w płycie w poprzek gruości. Nieliniowe nprężenie k jest pozostłym skłdnikiem nprężeń kru. Poszczególne skłdowe mogą yć oddzielnie wyznczone nlitycznie dl dnego rozkłdu nprężeń (x), x=0 n powierzchni x=t liczone w poprzek gruości[4]: xt t x0 xt t ( x) ( x) 2 t 2 x0 1 6 m ( x) dx (1) dx (2) spoin spoin τ(x) σ(x) τm σm σ Rys.3. Rozkłd nprężeń w przekroju w miejscu spodziewnego pęknięci zmęczeniowego () loklne nprężeni normlne i styczne n rzegu spoiny () zdefiniowne nprężeni konstrukcyjne n rzegu spoiny 2

3 Nprężeni HOT SPOT STRESS w połączenich spwnych konstrukcji stlowych 3. NAPRĘŻENIA NOMINALNE Nprężeni nominlne są liczone w przekroju dnego elementu ez rni pod uwgę loklnego wzrostu nprężeń spowodownych spoiną(rys.4), le uwzględnijące wzrost nprężeń spowodowny przez zminę ksztłtu cłego elementu w poliżu spoiny tkich jk np. wycięci. Nprężeni nominlne mogą się zmienić w przekroju i są zwykle oliczne trdycyjnymi metodmi korzystjąc z liniowej sprężystości cił[2]. Rys.4. Rozkłd nprężeń nominlnych w przekroju zginnego dźwigr 4. PODEJŚCIE LOKALNE HOT SPOT APPROACH Hot spot (punkt gorący) to punkt n rzegu spoiny, gdzie przewiduje się wystąpienie pęknięci zmęczeniowego. Nprężeni konstrukcyjne lu geometryczne zwne hot spot stress, strukturl stress lu geometricl stress zują n wielkości nprężeń konstrukcyjnych w tym punkcie. Nprężeni konstrukcyjne uwzględniją efekt wzrostu nprężeń wywołnych geometrią złącz spwnego, wykluczjąc koncentrcje nprężeń związnych z geometrią profilu smej spoiny tk, że nieliniowy skok nprężeni spowodowny loklnym krem n krwędzi spoiny jest pomijny przy wyznczniu nprężeń konstrukcyjnych[9]. Nprężeni konstrukcyjne zleżą od cłkowitych prmetrów wymirowych orz ociążeni i są wyznczne n powierzchni lu krwędzi płyty w punkcie dnego elementu rnego pod uwgę. (Rys.5) Rys.5. Nprężeni konstrukcyjne w dnych elementch spwnych konstrukcji Zwykle nprężeni te npotykmy w płytch, powłokch i cienkościennych profilch drążonych. W przypdku hot spotu n powierzchni płyty nprężenie może yć podzielone n dw skłdniki m orz g które mogą yć wyznczone nlitycznie lu 3

4 Sylwester MARKUSIK, Tomsz ŁUKASIK numerycznie(mes) dl dnego rozkłdu nprężeń. Nprężeni konstrukcyjne są większe od nprężeń nominlnych. nprężenie Cłkowite nprężeni n rzegu spoiny Liniowo ekstrpolowne nprężeni konstrukcyjne do rzegu spoiny Nprężeni nominlne spoin odległość od spoiny Rys.6. Koncentrcj nprężeń n rzegu spoiny krzywe i reprezentują różne typy złącz spwnych, gdzie t ozncz gruość spwnego elementu 5. TYPY HOT SPOT-u Hot spot możemy podzielić n dw typy [4-6]: Typ spoin znjduje się n powierzchni płyty, Typ spoin znjduje się n krwędzi płyty, Typ c spoin znjduje się n powierzchni płyty nprężenie jest równoległe do rzegu spoiny. Rys.7. Typy hot spot-u 6. ZASTOSOWANIE PODEJŚCIA LOKALNEGO Podejście loklne hot spot możn stosowć do nstępujących złączy spwnych: występujące nprężeni dziłją przewżnie poprzecznie do rzegu spoiny (również w przypdku końców nieciągłości spoiny podłużnej), szczeliny uszkodzeń powstją n rzegu spoiny (rys.1 -e), 4

5 Nprężeni HOT SPOT STRESS w połączenich spwnych konstrukcji stlowych główne nprężeni powierzchniowe dziłjące proksymcyjnie prostopdle do spoiny, tj. w zkresie +/-45 od normlnej do rzegu spoiny (rys.8), nprężeni dziłjące prostopdle do rzegu spoiny (rys.8). Rys.8. Możliwe odchyleni nprężeni głównego od osi prostopdłej do spoiny Podejście loklne (hot spot stress) nie jest stosowne w przypdkch kiedy pęknięcie zmęczeniowe powstje wewnątrz spoiny i propguje w kierunku wnętrz złącz (rys.1 f-i) orz do spoin ciągłych w przypdkch nprężeń wzdłużnych. Często elementy spwne występują w dwuosiowym stnie nprężeń, wtedy podejście hot spot stress stosowne jest dl głównego nprężeni dziłjącego prostopdle (pomiędzy 45 i 90) do rzegu spoiny. 7. WYZNACZANIE NAPRĘŻEŃ HOT SPOT STRESS Wyznczenie nprężeń hot spot może yć przeprowdzone zrówno nlitycznie jk i eksperymentlnie. Do wyznczni tych nprężeń możn użyć ekstrpolcji liniowej lu kwdrtowej. Procedury ekstrpolcyjne są prwie tkie sme dl oydwu metod[7]. Ekstrpolcj musi yć przeprowdzon poz oszrem wpływu ciepł, skutków związnych z geometrią smej spoiny orz nieciągłości n jej rzegu, le n tyle lisko, y możn yło zoserwowć grdient wzrostu nprężeni konstrukcyjnego wywołnego glolnymi efektmi geometrycznymi złącz [10]. Rys.9 pokzuje jk rozkłd nprężeń n gruości lchy zmieni się w poliżu hot spotu (punktu gorącego) typu. W odległości 0,4t (t gruość lchy) od rzegu spoiny skłdow nieliniow prktycznie znik i rozkłd jest prwie liniowy (Rys.9). nieliniowe nprężeni kru cłkowite nprężeni nprężeni konstrukcyjne 0,4 t Rys.9. Zminy rozkłdu nprężeń wrz z oddlniem się od spoiny 5

6 Sylwester MARKUSIK, Tomsz ŁUKASIK Fkt ten wykorzystywny jest w technice ekstrpolcyjnej używnej do wyznczni konstrukcyjnych nprężeń hot spot (rys.8). Dw tensometry, A i B, umieszcz się w odległości 0,4t orz 1,0t od rzegu spoiny. Wyznczone odksztłcenie podstwi się do odpowiednich wzorów. Bz pomirow tensometru nie powinn przewyższć wrtości 0,2t [4]. Jeżeli nie jest to możliwe, n niewielką gruość dnego mteriłu, wtedy rzeg tensometru powinno się umieścić w odległości 0,3t od rzegu spoiny (rys.10) [11]. Rys.10. Liniow ekstrpolcj z punktów pomirowych tk y nieliniowy skłdnik nprężeń zniknął Gdy tensometry znjdują się w odległości 0,4t i 1,0t od rzegu spoiny to strukturlne odksztłceni hot spot wyliczne są nstępująco [3-6]: 1,67 0, 67 (3) A B gdzie: odksztłceni hot spot, A odksztłceni n tensometrze A, B odksztłceni n tensometrze B. Wyniki otrzymne w ten sposó porównywlne są z wynikmi uzysknymi przy użyciu metody elementów skończonych. Niekiedy zchodzi również konieczność zstosowni trzech tensometrów. Stosuje się je wtedy, gdy nprężeni zginjące wywoływne są np. przez specjlne usztywnieni w rurch o dużej średnicy lu płtch smolotu. Wtedy tensometry umieszczne są odpowiednio w odległościch 0,4t, 0,9t i 1,4t od rzegu spoiny, odksztłceni hot spot wyliczne z pomocą ekstrpolcji kwdrtowej nstępująco: 2,52 2,24 0, 72 (4) A B C gdzie: odksztłceni hot spot, A odksztłceni n tensometrze A, B odksztłceni n tensometrze B, C odksztłceni n tensometrze C. Jeżeli występuje jednoosiowy stn nprężeń to konstrukcyjne nprężeni uśrednione oliczne są nstępująco [3-6]: (5) E gdzie: odksztłceni hot spot, nprężeni konstrukcyjne, E moduł Young. 6

7 Nprężeni HOT SPOT STRESS w połączenich spwnych konstrukcji stlowych Olicznie nprężeń konstrukcyjnych yłoy oczywiście rdziej dogodne, gdyy możn yło uzyskć je z pomocą tylko jednego punktu pomirowego, np.: w odległości 0,4t od rzegu spoiny. Wymg to jednk rdzo dużej wiedzy o stnie nprężeni. Wg [8] odległość 0,5t od spoiny może yć odpowiednią do tego typu pomiru. W przypdku hot spot-u typu rozkłd nprężeń w kierunku rzegu spoiny nie zleży od gruości lchy. Dltego odległości między tensometrmi nie mogą yć funkcją gruości. W związku z tymi ogrniczenimi zproponowno nstępujące odległości tensometrów pomirowych od rzegu spoiny: 4, 8 i 12mm. Konstrukcyjne nprężeni hot spot są wtedy określne przez ekstrpolcję kwdrtową w nstępujący sposó: = 3(4mm) - 3(8mm) + (12mm) (6) Rys.11. Miejsc nklejeni tensometrów 8. ZASTOSOWANIE WSPÓŁCZYNNIKÓW KONCENTRACJI NAPRĘŻEŃ Oliczeni nprężeń u wierzchołk kru opierją się również n wyliczeniu współczynnik koncentrcji nprężeń Ks. Współczynnik ten jest mirą nprężeń w chrkterystycznych punktch geometrycznych konstrukcji spwnych i wyznczny jest jko stosunek loklnych nprężeń strukturlnych do zmodyfikownych nprężeń nominlnych dziłjących n konstrukcję Konstrukcyjne nprężeni hot spot są wtedy oliczne z zleżności: K S n (7) Współczynnik ten może yć oliczny przez zstosownie odpowiednich wzorów empirycznych lu przy pomocy MES. W chwili oecnej istnieje kilk propozycji oliczni współczynnik koncentrcji nprężeń. Jest to związne z indywidulnym podejściem ośrodk dwczego Przykłdowy wzór n oliczenie współczynnik Ks wg Lwrence [1], zproponowny również w [2] ze względu n niewielką różnicę wyników oliczeń prktycznych w porównniu z oliczenimi MES przedstwiony zostł w równniu (6). gdzie: K S t 1 (8) KS współczynnik koncentrcji nprężeń, współczynnik zleżny od ksztłtu lic spoiny, t gruość elementu, promień przejści lic spoiny do mteriłu rodzimego. 7

8 Sylwester MARKUSIK, Tomsz ŁUKASIK W wielu przypdkch rozsądnie jest stosowć oddzielne współczynniki koncentrcji nprężeń dl ociążeni osiowego i momentu zginjącego. Nprężeni strukturlne oliczne są wtedy z zleżności [4-6]: gdzie: (9) K S, n, K S, n, n, nprężeni nominlne wywołne momentem gnącym, n, nprężeni nominlne wywołne siłą osiową, KS, wsp. koncentrcji nprężeń dl ociążeni osiowego, KS, wsp. koncentrcji nprężeń dl momentu gnącego. 9. PODSUMOWANIE Brzeg spoiny jest newrlgicznym punktem złącz spwnego, poniewż zzwyczj tm pojwi się pęknięcie zmęczeniowe. Jest to spowodowne koncentrcją nprężeń w tym miejscu ędącą rezulttem oddziływni kru geometrycznego i strukturlnego. Określenie nprężeń w tym miejscu pozwoli dokłdniejsze zprojektownie złącz spwnego w konstrukcji stlowej przy uniknięciu jej przewymirowni. Celem oecnie prowdzonych dń nd metodą hot spot stress jest wyznczenie podstwowych prmetrów określjących wytrzymłość zmęczeniową złączy spwnych n podstwie pomirów ich geometrii orz wyznczenie ktegorii zmęczeniowych dl konkretnych złączy. Efektem tkich dziłń może yć oprcownie procedury szykiego szcowni żywotności zmęczeniowej połączeń spwnych jedynie dzięki pomirom geometrii gotowych złączy lu cłych konstrukcji [2]. 10. LITERATURA [1] RADAJ D., SONSINO C.: Ftigue ssessment of welded joints y locl pproches. Aington Pulishing [2] SZUBYRT M.: Anliz stnu nprężeń i ich wpływu n wytrzymłość zmęczeniową złączy spwnych w oprciu o tzw. podejście loklne. Biuletyn Instytutu Spwlnictw nr 3/2002. [3] MARKUSIK S., ŁUKASIK T.: Metod Hot Spot wyznczni nprężeń w spoinch konstrukcji stlowych dźwignic. Mszyny dźwigowo trnsportowe nr 4/2001. [4] Recommendtions for ftigue design of welded joints nd components. Dok. MIS XIII wersj [5] NIEMI E.: Structurl stress pproch to ftigue nlysis of welded components. Dok. MIS XIII [6] NIEMI E.: Designer s guide for hot spot ftigue nlysis. Dok. MIS XIII-WG [7] Henry J., Huther M.: Recommendtion for hot spot stress definition in welded joints. Dok. MIS XIII [8] MADDOX S. J.: Hot spot ftigue dt for welded steel nd luminium s sis for design. Dok. MIS XIII [9] ROMEIJN A.: The ftigue ehviour of multiplnr tuulr joints. HERON nr 3/1994. [10] Recommended Ftigue Design Procedure for Welded Hollow Section Joints; [11] Prt1 Recommendtions; Prt2 Commentry. Dok. MIS XIII [12] Ftigue ssessment sed on the geometric stress rnges (Hot Spot stresses) Annex E. Dok. CEN/TC147/462. 8

9 Nprężeni HOT SPOT STRESS w połączenich spwnych konstrukcji stlowych HOT SPOT STRESSES IN WELDED JOINTS OF STEEL STRUCTURES Astrct: Ftigue nlysis of welded joints nd components hs usully een sed on nominl stress rnge. The so colled hot spot pproch goes one step forwrd. Here the clculted stress tkes the dimension of the detil etter into ccount. This clculted stress t the nticipted crck initition site is clled the structurl hot spot stress. Structurl stress include the memrne stress concentrtion nd shell ending stressed cused y the detil itself ut not include the non liner stress pek cused y the locl notch t the weld toe. Hot spot stress might e resolved y nlyticl or numericl methods or cn e determined y experimentl methods using strin guge. This rticle focuses on stress distriution t the weld toe through the thickness of welded detil nd method of evluting structurl stress. Recenzent: dr inż. Romn BOGUCKI 9