Lujasta rakenneteräksestä tehdyn rakenteen vikasietoisuuden määritys
Lahtinen, Antti (2011)
Tiivistelmä
Tässä työssä tutkittiin Ruukin valmistamista lujista Optim 700 MC Plus sekä Optim 700 QL teräksistä tehtyjen hitsattujen palkkirakenteiden vikasietoisuutta sekä murtumiskäyttäytymistä laboratoriossa suoritettujen täyden mittakaavan kokeiden avulla. Koerakenteet suunniteltiin siten, että rakenteen kylmämuovauksen sekä hitsauksen vaikutukset yhdessä rakenteen geometrian vaikutuksen kanssa heikentävät rakenteen murtumissitkeyttä rakenteeseen tehdyn teräväkärkisen alkusärön tasossa. Suunnitellussa koesarjassa varioidaan testauslämpötilan lisäksi hitsauksen lämmöntuontia sekä koerakenteeseen tehtävän alkusärön kokoa.
Tässä työssä tavoitteena oli yleisesti esittää menettely hitsatun säröllisen teräsrakenteen kestävyyden arviointia varten. Optim 700 MC Plus teräksestä tehdyn koerakenteen käyttäytymistä tutkittiin laskennallisesti murtumismekaniikan avulla. Laadittujen FEM - mallien avulla laskettiin rakenteen murtumisparametrien arvot kummallekin tutkittavalle teräkselle. Optim 700 MC Plus materiaalista valmistetuille koerakenteen säröalueen rakennedetaljia vastaavalle koekappaleille suoritettiin murtumissitkeyskokeita. Murtumissitkeyskokeista saatujen tulosten avulla pystyttiin kuvaamaan täyden mittakaavan koerakenteessa olevan särön murtumiskäyttäytymistä mitoitusmenetelmissä. Koerakenteelle laskettiin tässä työssä kriittisen särökoon ja sitä vastaavan kuorman arvot perustuen rakenteen oletettuun hauraaseen, epästabiiliin sitkeään sekä plastiseen murtumiskäyttäytymiseen.
Tässä työssä testattiin molemmista tutkittavista materiaaleista valmistetut täyden mittakaavan koerakenteet -40 °C lämpötilassa. Molemmat testatut rakenteet käyttäytyvät mitattujen siirtymätulosten perusteella melko hauraasti. Optim 700 MC Plus materiaalille saatujen laskentatulosten voidaan todeta testatun koekappaleen perusteella soveltuvan hauraasti käyttäytyvän rakenteen mitoitukseen. In the present Master’s Thesis welded beam structures made of Optim 700 MC Plus and Optim 700 QL high strength steels, manufactured by Ruukki, were tested in a laboratory in order to determine the flaw tolerance and the cracking behaviour of the full scale test structures. The tested structures were designed in a manner that the effects of the cold forming and welding, together with the structure’s geometry, decrease the fracture toughness in the pre-cracked plane. In the test series the parameters were modified in terms of the test temperature as well as the welding heat rate and the size of the prefabricated crack.
The aim of the present thesis was to present a practice for evaluating the ultimate load carrying capacity of a welded steel structure with a crack. Fracture mechanics was applied when studying the behaviour of the test structure made of Optim 700 MC Plus steel. The fracture toughness of both materials studied was calculated with FEM - analysis. Fracture toughness tests were carried out on specimens that were made of Optim 700 MC Plus material and that match the structural details of the full scale test structure crack zone. The results of the tests made it possible to describe the fracture behaviour of the cracked full scale test structure in the design methods. The critical crack size and the corresponding critical force values for the test structure were calculated in the present thesis based on its presumably brittle, unstable ductile and plastic fracture behaviour.
In the present thesis full scale laboratory tests were carried out for one structure made of each material in -40 °C temperature. According to the measured displacement values both structures behaved in a relatively brittle manner. The calculation results for the Optim 700 MC Plus material can be seen to be suitable for estimating structures behaving in a brittle manner.
Tässä työssä tavoitteena oli yleisesti esittää menettely hitsatun säröllisen teräsrakenteen kestävyyden arviointia varten. Optim 700 MC Plus teräksestä tehdyn koerakenteen käyttäytymistä tutkittiin laskennallisesti murtumismekaniikan avulla. Laadittujen FEM - mallien avulla laskettiin rakenteen murtumisparametrien arvot kummallekin tutkittavalle teräkselle. Optim 700 MC Plus materiaalista valmistetuille koerakenteen säröalueen rakennedetaljia vastaavalle koekappaleille suoritettiin murtumissitkeyskokeita. Murtumissitkeyskokeista saatujen tulosten avulla pystyttiin kuvaamaan täyden mittakaavan koerakenteessa olevan särön murtumiskäyttäytymistä mitoitusmenetelmissä. Koerakenteelle laskettiin tässä työssä kriittisen särökoon ja sitä vastaavan kuorman arvot perustuen rakenteen oletettuun hauraaseen, epästabiiliin sitkeään sekä plastiseen murtumiskäyttäytymiseen.
Tässä työssä testattiin molemmista tutkittavista materiaaleista valmistetut täyden mittakaavan koerakenteet -40 °C lämpötilassa. Molemmat testatut rakenteet käyttäytyvät mitattujen siirtymätulosten perusteella melko hauraasti. Optim 700 MC Plus materiaalille saatujen laskentatulosten voidaan todeta testatun koekappaleen perusteella soveltuvan hauraasti käyttäytyvän rakenteen mitoitukseen.
The aim of the present thesis was to present a practice for evaluating the ultimate load carrying capacity of a welded steel structure with a crack. Fracture mechanics was applied when studying the behaviour of the test structure made of Optim 700 MC Plus steel. The fracture toughness of both materials studied was calculated with FEM - analysis. Fracture toughness tests were carried out on specimens that were made of Optim 700 MC Plus material and that match the structural details of the full scale test structure crack zone. The results of the tests made it possible to describe the fracture behaviour of the cracked full scale test structure in the design methods. The critical crack size and the corresponding critical force values for the test structure were calculated in the present thesis based on its presumably brittle, unstable ductile and plastic fracture behaviour.
In the present thesis full scale laboratory tests were carried out for one structure made of each material in -40 °C temperature. According to the measured displacement values both structures behaved in a relatively brittle manner. The calculation results for the Optim 700 MC Plus material can be seen to be suitable for estimating structures behaving in a brittle manner.