Tehollisen lovijännityksen menetelmän käytettävyys ultralujien terästen korkealaatuisten hitsien väsymismitoituksessa

Tässä diplomityössä on tutkittu tehollisen lovijännityksen menetelmän soveltuvuutta ultralujien terästen korkealaatuisten hitsien väsymismitoitukseen. International Institute of Welding suosittelee käyttämään elementtimenetelmässä hitsin rajaviivoilla sekä juuressa fiktiivistä 1 mm pyöristystä, jonka avulla tehollinen lovijännitys määritetään. Kaikille liitostyypeille sovelletaan samaa, kaltevuudeltaan m = 3 olevaa SN-käyrää, jolloin maksimipääjännitystä vastaava väsymisluokka FAT saa arvon 225. Nykyisiä mitoitusohjeita on pidetty kuitenkin liian konservatiivisina, etenkin jos kyseessä on suurilujuuksisesta teräksestä valmistettu korkealaatuinen hitsi. Rajaviivalla vaikuttavaa lovijännitystä on tutkittu mallintamalla liitokset FEMAP – elementtimenetelmäohjelmalla varioimalla rajaviivan pyöristystä. Elementtimenetelmän tuloksia on verrattu analyyttisiin loven muotoluvun laskentakaavoihin. Tutkittavana on ollut Ruukin Optim 960 QC sekä Optim 1100 QC – teräksistä valmistettuja koesauvoja. Koesauvat on valmistettu sekä koestettu pääasiassa Lappeenrannan teknillisen yliopiston teräsrakenteiden laboratoriossa. Tutkittavat koesauvat ovat olleet kuormaa kantamattomia ristiliitoksia sekä päittäisliitoksia. Suurin osa koesauvoista on väsytetty käyttämällä jännityssuhdetta R < 0,11. Koesauvat on jaoteltu jännityssuhteen sekä liitostyypin mukaan. Kaikkien koekappaleiden karakteristiseksi väsymisluokan arvoksi on määritetty FAT 200. Alle 0,11 jännityssuhteella väsytettyjen koekappaleiden karakteristinen väsymisluokka on FAT 230 ja isoilla jännityssuhteilla väsytettyjen FAT 126. Tulosten perusteella nykyiset mitoitusohjeet eivät ole liian konservatiivisia. Väsymisluokkaa FAT 225 voidaan käyttää väsymislaskennassa, mikäli rakenteen kuormitusten suhde on alle 0,1. Isoilla jännityssuhteilla koestettujen koekappaleiden lukumäärä on ollut pieni, joten niiden mitoitukselle ei voida antaa tarkkoja ohjeita.

In this thesis the applicability of effective notch stress method for high quality welds made of high strength steel was studied. International Institute of Welding recommends using fictitious 1 mm rounding both the weld toe and root when calculating notch stresses. All kind of joint types can be calculated using single SN-curve, which slope m = 3 and fatigue class FAT 225. Anyhow current design guidelines are considered to be too conservative for high quality welds made of high strength steel test pieces. Notch stresses at the welds are determined by modeling the joints using FE-analysis program and varying the notch rounding. FE-analysis results are compared to analytical stress concentration factor equations. Test pieces under investigation were made of Ruukki’s Optim 960 QC and Optim 1100 QC – steels. Specimens were welded and tested mainly in Lappeenranta University of Technology’s Laboratory of Steel Structures. Test pieces were non-load-carrying X-joints and butt joints. Most of them are tested under variable loading with low stress ratio R < 0.11. Test pieces are divided into stress ratio and joint type. Characteristic fatigue class for all specimens is FAT 200. Characteristic fatigue class for test pieces stress ratio less than 0.11 is FAT 230 and for specimens R > 0.11 FAT 126. According to test results current design guidelines are not too conservative. Fatigue class FAT 225 is reasonable for fatigue calculations if structures actual stress ratio is under 0.11. Only few test pieces were tested using bigger stress ratios, so it is not possible to give exact calculation guidelines for those.