Kaksipuoleisten pitkittäisten ripojen poikittaissuuntaisen porrastuksen ja hitsin geometrian vaikutus jännityskonsentraatioihin

Abstract

Tässä kandidaatintyössä tutkitaan pitkittäisten, kuormaa kantamattomien ripojen poikittaissuuntaisen porrastuksen ja hitsiliitoksen geometria muutosten vaikutusta jännityskonsentraatioihin hitsin rajaviivan alueella. Tutkimuksen taustalla on hitsattujen teräsrakenteiden väsymiskestävyyteen vaikuttavat paikalliset jännityskeskittymät, joita esiintyy erityisesti hitsien läheisyydessä. Tutkimus toteutettiin hyödyntäen tehollisen lovijännityksen (ENS) menetelmää ja äärellisten elementtien menetelmää (FEM).

Tutkimuksessa analysoitiin 16:ta FEM-mallia, joissa muutettiin rivan poikittaissuuntaista porrastusta, hitsin a-mittaa, sekä levyn ja rivan paksuutta. Rakenteita kuormitettiin erikseen veto- ja taivutuskuormituksille. Tulokset osoittavat, että vetokuormituksessa poikittaissuuntainen porrastus kasvattaa jännityskonsentraatiota, kun taas taivutuskuormituksessa vaikutus on pienempi ja voi jopa vähentää jännityksiä. Hitsin a-mitan kasvattaminen vähensi jännityskonsentraatiota molemmissa kuormitustapauksissa, mutta levyn ja rivan kasvu lisäsi niitä.

Tuloksia verrattiin aiempaan tutkimukseen ja niiden pohjalta esitettiin keskeiset johtopäätökset sekä suosituksia jatkotutkimuksille. Tulokset tarjoavat hyödyllistä tietoa teräsrakenteiden suunnittelun tueksi ja voivat edistää rakenteiden turvallisuutta, käyttöikää ja materiaalitehokkuutta.

This bachelor ’s thesis investigates the effect of transverse offsetting of longitudinal non-load-carrying gusset and changes in weld geometry on stress concentrations at the weld toe region. The study is motivated by a common challenge in welded steel structures: local stress concentrations, particularly near welds, which significantly affect fatigue strength. The research was conducted using the Effective Notch Stress (ENS) method and the Finite Element (FEM) Method.

A total of 16 FEM models were analysed, varying the transverse offset of the gusset, weld a-dimension, and the thicknesses of the plate and gusset. The structures were subjected separately to tensile and bending loads. The results shows that transverse offset increases stress concentrations under tensile loadings, whereas under bending, the effect is smaller and may even reduce stress levels. Increasing the weld a-dimension reduces stress concentrations in both loading cases, while increasing the plate and gusset thicknesses led to higher stress concentrations.

The results were compared with previous research and conclusions and recommendations for further research were presented. The findings provide valuable information for the design of steel structures and can contribute to improved safety, extended service life and reduced material waste due to manufacturing imperfections.