Convenience of scallops in plate structures

In this thesis was performed comprehensive study about the convenience of scallops in plate structures. A literature review was performed and lack of knowledge was fulfilled with fatigue tests performed in the laboratory of Steel Structures at the Lappeenranta University of Technology and with finite element method. The aim of this thesis was to produce design guidance for the use of scallops for different structural details and different loading conditions. An additional aim was to include more precise instructions for scallop design to produce good fatigue resistance and appropriate manufacturing quality. The literature review was performed searching bridge engineering and maritime standards and design guides and studies from scientific databases and reference lists from the literature of this field. Fatigue tests were used to research the effect of using scallops or not using scallops to fatigue strength of bracket specimen. Tests were performed on three specimens with different scallop radii and to five specimens without scallops with different weld penetration depths. Finite element method using solid elements, symmetry and submodels was used to determine stress concentration factors for I-beams with scallops. Stresses were defined with hot spot stress method. Choosing to use a scallop or not in the structure is affected by many factors, such as structural and loading conditions and manufacturability. As a rule of thumb, scallops should be avoided because those cause stress concentration points to the structure and take a lot of time to manufacture. When scallops are not used, good quality welding should be provided and full weld penetration is recommended to be used in load carrying corner weld areas. In some cases, it is advisable to use scallops. In that case, circular scallops are recommended to be used and radius should be chosen from fatigue strength or manufacturing point of view.

Tässä työssä tehtiin kattava tutkimus nurkkakolojen tarpeellisuudesta levyrakenteissa. Aiheesta suoritettiin kirjallisuustutkimus, jota täydennettiin Lappeenrannan teknillisen yliopiston Teräsrakenteiden Laboratoriossa tehdyillä väsytyskokeilla sekä FE-menetelmällä mallintamalla. Työn tavoitteena oli tehdä ohjeistus nurkkakolojen suunnittelulle tai pois jättämiselle eri rakenne- ja kuormitustilanteissa. Lisätavoitteena oli sisällyttää ohjeistukseen tarkempia muotoiluohjeita tarkoituksenmukaisen laadun saavuttamiseksi. Kirjallisuustutkimus suoritettiin etsimällä sillan- ja laivanrakennuksen standardeja sekä tutkimuksia tieteellisistä tietokannoista ja alan teosten lähdeluetteloista. Väsytyskokeilla tutkittiin kulmatuen loveamisen ja loveamattomuuden vaikutusta liitoksen kestoikään. Koe suoritettiin kolmella erikokoisella kololla varustetuilla kappaleilla ja viidellä koloamattomalla kappaleella eri syvyisillä tunkeumilla. FE-menetelmällä verrattiin I-palkin kolotun liitoksen jännityskonsentraatiokertoimia kirjallisuudessa oleviin ristiriitaisiin arvoihin. I-palkki mallinnettiin käyttäen solidi-elementtejä, symmetriareunaehtoja ja alimalleja. Jännitykset määritettiin hot spot -menetelmällä. Nurkkakolojen tekemiseen tai tekemättä jättämiseen vaikuttaa moni asia, kuten rakenne- ja kuormitustilanne sekä valmistettavuus. Pääsääntönä voidaan todeta, että nurkkakoloja tulisi välttää, koska ne aiheuttavat rakenteisiin väsymiskestävyyden kannalta haitallisia jännityskeskittymiä sekä lisäävät valmistuksen työvaiheita ja kustannuksia. Kun nurkkakoloja ei käytetä, tulisi hitsauksen laadun olla hyvä ja suositeltavaa olisi käyttää täyden tunkeuman hitsejä voimaliitoksien nurkka-alueilla. On myös tilanteita, joissa nurkkakolon käyttäminen on suotavampaa kuin koloamatta jättäminen. Tällöin ympyrän kaaren muotoista koloa tulisi käyttää, jonka säde tulisi valita väsymiskestävyyden ja valmistuksen vaatimusten mukaisesti.