Fatigue strength and design rules of the rail welds in industrial crane runways

Abstract

The work studies fatigue strength of three different weld joints and determines easy-to-use design rules for fatigue life assessment. The joints in this study are commonly used in the industrial crane design: two welds type relates to an extension of a crane rail, and the third type is an intermittent fillet weld that attaches the rail to the load-carrying beam. A unique feature of studied joints is that the experienced external stress range occurs mainly under compressive stresses. The purpose of this study is to determine the characteristic FATc value by fatigue testing and statistical analysis of results. Fatigue testing was carried out with four-point bending. In this study, results are validated by measuring residual stresses on the welds and utilizing various fatigue strength assessment methods.

The fatigue test results show that the design rules of the EN13001-3-1 standard for rail connection welds do not apply to every runway application sizes of the crane. The fatigue test results can be scaled to a larger in size runway load-carrying beam, and then the design rules are given in the EN13001-3-1 apply. The difference happens because the current design rules do not consider the distance of the weld to the combined neutral axis of the load-carrying beam and the rail. As a result, a new and more specific design rule for the rail connection welds has been created. In addition, in the design rule for the rail connection welds, the right welding order is defined to achieve a better residual stress state for the welds in terms of fatigue strength. The fatigue test results for intermittent fillet welds show that the design rule of the current EN1993-1-9 standard is conservative if the loading is compressive. The effect of alternating shear stress was not included in the study. The results of this study are utilized for the standard work of the Eurocode 3 steel structure standard, and to further harmonize the different standards.

Työssä tutkitaan kolmen erilaisen hitsausliitoksen väsymislujuutta ja määritetään helposti käytettävät suunnittelusäännöt niiden väsymiseliniän määrittämiseksi. Tutkittavat hitsausliitokset ovat yleisesti käytössä teollisuusnosturien radoissa: kaksi hitsityyppiä liittyvät kiskon jatkamiseen ja kolmas hitsityyppi on katkopienahitsi, jolla kisko kiinnitetään nosturin ratapalkkiin. Erikoispiire tutkittaville hitsausliitoksille on se, että niiden kokema ulkoinen jännitysvaihtelu tapahtuu puristusjännityksen alueella. Hitseille määritetään karakteristinen FATc arvo väsytystestauksella ja tulosten tilastollisella käsittelyllä. Elinikätestaus on toteutettu nelipistetaivutuksella. Työssä arvioidaan tutkittavien hitsien jäännösjännitystila jäännösjännitysmittauksilla ja hitsien tutkimisessa vertaillaan eri elinikälaskentamenetelmiä.

Jatkohitsien väsytyskoetulokset osoittavat, että EN13001-3-1 standardin suunnittelusäännöt kiskon jatkohitseille eivät päde jokaiselle nosturiratasovellukselle. Saadut väsytyskoetulokset voidaan skaalata isommalle nosturiratasovellukselle ja tällöin EN13001-3-1 standardissa esitetyt suunnittelusäännöt pätevät. Tämä johtuu siitä, että nykyinen suunnittelusääntö ei ota huomioon hitsin etäisyyttä ratapalkin ja kiskon yhteisestä neutraaliakselista. Tämän vuoksi työssä luotiin uusi ja tarkempi suunnittelusääntö kiskon jatkohitseille. Kiskon jatkohitsien suunnittelusääntöön määritetään hitsausjärjestys hitsin väsymislujuuden kannalta paremman jäännösjännitystilan aikaansaamiseksi. Katkopienahitsien väsytyskoetulokset osoittavat, että nykyisen EN1993-1-9 standardin suunnittelusääntö on konservatiivinen, jos katkohitsi kokee puristusjännitystä. Leikkausjännityksen vaihtelun vaikutusta työssä ei oteta huomioon. Työn tuloksia hyödynnetään Eurocode 3 teräsrakennestandardin kehitystyössä ja eri alojen standardien harmonisoinnissa.