The Plastic Capacity of Boiler Supporting Headers

The goal of this thesis was to make a dimensioning tool to determine the plastic capacity of the boiler supporting header. The capacity of the header is traditionally determined by using FE-method during the project phase. By using the dimensioning tool the goal is to ensure the capacity already in the proposal phase. The study began by analyzing the headers of the ongoing projects by using FE-method. For the analytical solution a plain header was analyzed without the effects of branches or lug. The calibration of parameters in the analytical solution was made using these results. In the analytical solution the plastic capacity of the plastic hinges in the header was defined. The stresses caused by the internal pressure as well as the normal and shear forces caused by the external loading reduced the plastic moment. The final capacity was determined by using the principle of virtual work. The weakening effect of the branches was taken into account by using pressure areas. Also the capacity of the punching shear was defined. The results from the FE-analyses and the analytical solution correlate with each other. The results from the analytical solution are conservative but give correct enough results when considering the accuracy of the used method.

Työn tarkoituksena oli laatia mitoitustyökalu, jonka avulla voidaan määrittää voimalaitoskattilaa kannattelevan kammion plastinen kantokyky. Kammioiden riittävä kantokyky on perinteisesti varmistettu projektivaiheessa käyttäen FE-menetelmää. Mitoitustyökalun avulla on tarkoitus saada varmistettua riittävä kammion kestävyys jo tarjousvaiheessa. Tutkimus aloitettiin analysoimalla yhtiössä käynnissä olevien projektien kammioita FE-menetelmällä. Analyyttistä mallia varten tutkittiin myös yksinkertaistettua kammiota ilman yhteiden tai korvakkeiden vaikutuksia. Näillä tuloksilla pystyttiin kalibroimaan analyyttisen ratkaisun parametreja. Analyyttisessä ratkaisussa määritettiin kammioon syntyvien plastisten nivelten plastinen momentti. Tätä varten tuli ottaa huomioon sisäisestä paineesta aiheutuvat jännitykset sekä ulkoisesta kuormituksesta aiheutuvat normaali- ja leikkausvoimat. Lopullinen kantokyky määritettiin virtuaalisen työn perusteella. Yhteiden heikentävä vaikutus otettiin huomioon käyttäen painealoja. Myös leikkauskriittinen rakenne määritettiin. Tulokset FE-malleista sekä analyyttisestä ratkaisusta korreloivat toisiaan. Analyyttisen ratkaisun tulokset ovat konservatiivisia, mutta antavat menetelmän tarkkuuteen nähden riittävän hyviä tuloksia.