FE-analyysin soveltaminen S960 QC teräksisen I-profiilin äärikestävyyden määrittämisessä

Tässä työssä tutkittiin FE-analyysin soveltamista S960 QC teräksisen I-profiilin kestävyyden määrittämisessä. Työn tavoitteena oli tarkastella nykyisten suunnitteluohjeiden soveltuvuutta ultralujille teräksille ja koota ohjemateriaali I-profiilin optimoimisesta sekä FE-analyysin hyö-dyntämisestä I-profiilin staattisen ja dynaamisen kestävyyden määrittämisessä. I-profiili mitoitettiin ja optimoitiin Eurokoodi 3:ssa esitettyjen PL3 mukaisten mitoitusohjeiden avulla. Rakenteelle suoritettiin Eurokoodi 3:n ja IIW:n mukaiset lommahdus-, kiepahdus- ja vä-symiskestävyystarkastelut. Väsymistarkastelussa sovellettiin nimellisen jännityksen, rakenteelli-sen jännityksen ja tehollisen lovijännityksen menetelmiä sekä murtumismekaniikkaa. Rakenteel-lisen jännityksen menetelmässä sovellettiin lisäksi lineaarista ja parabolista pintaa pitkin ekstra-polointia, paksuuden yli linearisointia sekä Dong:in menetelmää. Lommahdus-, kiepahdus- ja väsymistarkasteluissa hyödynnettiin analyyttistä laskentaa, FE-analyysiä sekä Frank2d sovellusta. Tarkastelujen perusteella voidaan todeta, että analyyttisillä menetelmillä saadaan numeerisia me-netelmiä varmemmalla puolella olevia tuloksia. Lommahdustarkastelussa ero tulosten välillä on suurimmillaan 8 % ja kiepahdustarkastelussa suurimmillaan 20 % mutta väsymistarkastelussa saadut tulokset eroavat keskenään huomattavasti. Väsymistarkastelussa tehollisen lovijännityksen menetelmällä sekä rakenteellisen jännityksen menetelmän Dong:in menetelmällä saadaan huo-mattavasti muita menetelmiä pidempiä kestoikiä, kun taas yksinkertaisemmilla menetelmillä saa-dut kestoiät ovat lyhyempiä. Rakenteen kestävyyden määrittäminen analyyttisillä menetelmillä on melko helppoa, mutta tu-lokset ovat monesti liian konservatiivisia. FE-analyysillä saadaan puolestaan hyvin tarkkoja tu-loksia mallin ollessa yksityiskohtainen. Mallintaminen on kuitenkin aikaa ja resursseja vievää ja vaatii käyttökokemusta. FE-analyysin mahdolliset hyödyt on aina arvioitava tapauskohtaisesti tarkasteltavan geometrian, kuormitusten ja reunaehtojen perusteella.

In this paper the use of FE-analysis in determining the strength of an S960 QC steel I-profile beam was studied. The goal of the study was to evaluate the suitability of the present design guidelines for ultra-high strength steels, to create a design guideline for optimizing the size and shape of the I-profile and how to determine its static and dynamic strength using FE-analysis. The studied I-profile was designed and optimized using the design guidelines for cross-section category 3 presented in Eurocode 3. The flexural buckling, lateral buckling and fatigue resistance of the profile was analyzed according to the methods presented in Eurocode 3 and IIW. The fa-tigue resistance was determined using nominal stress method, structural stress method, effective notch stress method and fracture mechanics. In structural stress method the stress components were determined using linear and parabolic extrapolation, cross thickness linearization and Dong’s method. Analytical calculation, FE-analysis and Frank2d were used in the study. It can be noted according to the comparison that analytical methods give more conservative re-sults than numerical methods. A max difference of 8 % in buckling capacity and a max difference of 20 % in lateral buckling capacity can be noted but the fatigue life results have notable vari-ance. In the fatigue resistance analysis the Dong’s method and effective notch stress method give considerably higher fatigue lives than the more simple methods. The durability of the structure can easily be evaluated using analytical methods, but the results are often too conservative. FE-analysis gives very accurate results when the FE-model is properly created. On the other hand FE-analysis consumes resources and time and requires sufficient skills from the person using the software. The possible advantages of using FE-analysis must always be considered case-by-case based on the geometry-, loading- and constraint cases.