A modified nominal stress method for fatigue assessment of steel plates with thermally cut edges

Thermal cutting methods, are commonly used in the manufacture of metal parts. Thermal cutting processes separate materials by using heat. The process can be done with or without a stream of cutting oxygen. Common processes are Oxygen, plasma and laser cutting. It depends on the application and material which cutting method is used. Numerically-controlled thermal cutting is a cost-effective way of prefabricating components. One design aim is to minimize the number of work steps in order to increase competitiveness. This has resulted in the holes and openings in plate parts manufactured today being made using thermal cutting methods. This is a problem from the fatigue life perspective because there is local detail in the as-welded state that causes a rise in stress in a local area of the plate. In a case where the static utilization of a net section is full used, the calculated linear local stresses and stress ranges are often over 2 times the material yield strength. The shakedown criteria are exceeded. Fatigue life assessment of flame-cut details is commonly based on the nominal stress method. For welded details, design standards and instructions provide more accurate and flexible methods, e.g. a hot-spot method, but these methods are not universally applied to flame cut edges. Some of the fatigue tests of flame cut edges in the laboratory indicated that fatigue life estimations based on the standard nominal stress method can give quite a conservative fatigue life estimate in cases where a high notch factor was present. This is an undesirable phenomenon and it limits the potential for minimizing structure size and total costs. A new calculation method is introduced to improve the accuracy of the theoretical fatigue life prediction method of a flame cut edge with a high stress concentration factor. Simple equations were derived by using laboratory fatigue test results, which are published in this work. The proposed method is called the modified FAT method (FATmod). The method takes into account the residual stress state, surface quality, material strength class and true stress ratio in the critical place.

Stress intensity factor of wood from crack-tip displacement fields obtained from digital image processing

Abstract

Fatigue study of the fillet weld waving on weld toe and the penetration in the weld root based on the effective notch stress approach

The fatigue failure of structures under fluctuating loads in fillet weld joints raises a demand to determine the parameters related to this type of loading. In this study, the stress distribution in the susceptible area of weld toe and weld root in fillet welded models analyzed by finite element method applying FEMAP software. To avoid the geometrical singularity on the path of analytical stress analysis in the toe and root area of a weld model the effective notch stress approach applied by which a proper fictitious rounding that mostly depend on the material of structure is applied. The models with different weld toe waving width and radius are analyzed while the flank angle of weld varied in 45 and 30 degrees. The processed results shows that the waving compare to the straight weld toe makes differences in the value of stress and consequently the stress concentration factor between the tip and depth of the waves in the weld toe which helps to protect the crack of propagation and gives enough time and tools to be informed of the crack initiation in the structure during the periodical observation of structure. In the weld root study the analyses among the models with the welding penetration percentage from non-penetration to the full-penetration shows a slightly increase in the root area stress value which comparing with the stiffening effect of penetration conclude that the half-penetration can make an optimization between the stress increase and stiffening effect of deep penetration.

Effective notch method assessment of misalignment for fatigue loaded welds

 The objective of this thesis work was to assess axial misalignment in fatigue loaded welds using the effective notch method. As a result, the fatigue behaviour of non-load carrying cruciform fillet welded joint under cyclic tensile loading has been studied. Various degrees of axial misalignment have been found in one series of non-load carrying cruciform fillet welded joints used in a laboratory investigation. As a result, it was important to carry out a comprehensive investigation since axial misalignment forms part of thequality of fatigue loaded structure and can reduce the fatigue strength. To extend the study, the correlation between fatigue strength and stress ratio, as well as stress concentration factor, were also studied. Moreover, a closer investigation of place of crack initiation and its dependence on weld sequence and imperfections of test specimen (angular distortion) was studied. For the fatigue class calculations, FEM (finite element method) and the effectivenotch approach are used. The addressed variable is the axial misalignment whichis introduce by modeling the entire joint. Fracture mechanics based calculations are also used and quantitatively compared with effective notch and experimental results.

Siltanosturin teräsrakenteen suunnittelun avuksi luodun ohjelman jatkokehitys

Diplomityössä tehdään jatkokehitystä KCI Konecranes yrityksen siltanosturin laskentaohjelmaan. Ohjelman tärkeimmät jatkokehityskohteet kartoitettiin käyttäjäkyselyn avulla ja niistä valittiin toivotuimmat, sekä diplomityön lujuusopilliseen aihepiiriin parhaiten soveltuvat. Työhön valitut kaksi aihetta ovat koteloprofiilin kaksiosaisen uuman lujuuslaskennan selvittäminen ja siltanosturin kahdeksanpyöräisenpäätykannattajan elementtimallin suunnittelu. Diplomityössä selvitetään jatkokehityskohteisiin liittyvä teoria, mutta varsinainen ohjelmointi jätetään työn ulkopuolelle. Kaksiosaisella uumalla varustetussa koteloprofiilissa nostovaunun kulkukiskon alla olevan uuman yläosa tehdään paksummaksi, jotta uuma kestäisi nostovaunun pyöräkuormasta aiheutuvan paikallisen jännityksen, eliniin sanotun rusennusjännityksen. Rusennusjännityksen määrittäminen uumalevyissä on kaksiosaisen uuman lujuuslaskennan tärkein tehtävä. Rusennuksen aiheuttamankalvojännityksen ja jännityskeskittymien määrittämiseen erilaisissa konstruktioissa etsittiin sopivimmat menetelmät kirjallisuudesta ja standardeista. Kalvojännitys voidaan määrittää luotettavasti käyttäen joko 45 asteen sääntöä tai standardin mukaista menetelmää ja jännityskonsentraatioiden suuruus saadaan kertomallakalvojännitys jännityskonsentraatiokertoimilla. Menetelmien toimivuus verifioitiin tekemällä kymmeniä uuman elementtimalleja erilaisin dimensioin ja reunaehdoin ja vertaamalla elementtimallien tuloksia käsin laskettuihin. Käsin lasketut jännitykset saatiin vastaamaan tarkasti elementtimallien tuloksia. Kaksiosaisen uuman lommahdus- ja väsymislaskentaa tutkittiin alustavasti. Kahdeksanpyöräisiä päätykannattajia käytetään suurissa siltanostureissa pienentämään pyöräkuormia ja radan rusennusjännityksiä. Kahdeksanpyöräiselle siltanosturin päätykannattajalle suunniteltiin elementtimallit molempiin rakenteesta käytettyihin konstruktioihin: nivelöityyn ja jäykkäkehäiseen malliin. Elementtimallien rakentamisessa hyödynnettiin jo olemassa olevia malleja, jolloin niiden lisääminen ohjelmakoodiin nopeutuu ja ne ovat varmasti yhteensopivia muiden laskentamoduuleiden kanssa. Elementtimallien värähtelyanalyysin reunaehtoja tarkasteltiin. Värähtelyanalyysin reunaehtoihin ei tutkimuksen perusteella tarvitse tehdä muutoksia, mutta staattisen analyysin reunaehdot kaipaavat vielä lisätutkimusta.

Size Effect and Notch Size Effect in Metal Fatigue

It is a well known phenomenon that the constant amplitude fatigue limit of a large component is lower than the fatigue limit of a small specimen made of the same material. In notched components the opposite occurs: the fatigue limit defined as the maximum stress at the notch is higher than that achieved with smooth specimens. These two effects have been taken into account in most design handbooks with the help of experimental formulas or design curves. The basic idea of this study is that the size effect can mainly be explained by the statistical size effect. A component subjected to an alternating load can be assumed to form a sample of initiated cracks at the end of the crack initiation phase. The size of the sample depends on the size of the specimen in question. The main objective of this study is to develop a statistical model for the estimation of this kind of size effect. It was shown that the size of a sample of initiated cracks shall be based on the stressed surface area of the specimen. In case of varying stress distribution, an effective stress area must be calculated. It is based on the decreasing probability of equally sized initiated cracks at lower stress level. If the distribution function of the parent population of cracks is known, the distribution of the maximum crack size in a sample can be defined. This makes it possible to calculate an estimate of the largest expected crack in any sample size. The estimate of the fatigue limit can now be calculated with the help of the linear elastic fracture mechanics. In notched components another source of size effect has to be taken into account. If we think about two specimens which have similar shape, but the size is different, it can be seen that the stress gradient in the smaller specimen is steeper. If there is an initiated crack in both of them, the stress intensity factor at the crack in the larger specimen is higher. The second goal of this thesis is to create a calculation method for this factor which is called the geometric size effect. The proposed method for the calculation of the geometric size effect is also based on the use of the linear elastic fracture mechanics. It is possible to calculate an accurate value of the stress intensity factor in a non linear stress field using weight functions. The calculated stress intensity factor values at the initiated crack can be compared to the corresponding stress intensity factor due to constant stress. The notch size effect is calculated as the ratio of these stress intensity factors. The presented methods were tested against experimental results taken from three German doctoral works. Two candidates for the parent population of initiated cracks were found: the Weibull distribution and the log normal distribution. Both of them can be used successfully for the prediction of the statistical size effect for smooth specimens. In case of notched components the geometric size effect due to the stress gradient shall be combined with the statistical size effect. The proposed method gives good results as long as the notch in question is blunt enough. For very sharp notches, stress concentration factor about 5 or higher, the method does not give sufficient results. It was shown that the plastic portion of the strain becomes quite high at the root of this kind of notches. The use of the linear elastic fracture mechanics becomes therefore questionable.

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.

A novel approachfor assessing the fatigue strength of ultrasonic impact treated welded structures.

It is commonly observed that complex fabricated structures subject tofatigue loading fail at the welded joints. Some problems can be corrected by proper detail design but fatigue performance can also be improved using post-weld improvement methods. In general, improvement methods can be divided into two main groups: weld geometry modification methods and residual stress modification methods. The former remove weld toe defects and/or reduce the stress concentrationwhile the latter introduce compressive stress fields in the area where fatigue cracks are likely to initiate. Ultrasonic impact treatment (UIT) is a novel post-weld treatment method that influences both the residual stress distribution andimproves the local geometry of the weld. The structural fatigue strength of non-load carrying attachments in the as-welded condition has been experimentally compared to the structural fatigue strength of ultrasonic impact treated welds. Longitudinal attachment specimens made of two thicknesses of steel S355 J0 have been tested for determining the efficiency of ultrasonic impacttreatment. Treated welds were found to have about 50% greater structural fatigue strength, when the slope of the S-N-curve is three. High mean stress fatigue testing based on the Ohta-method decreased the degree of weld improvement only 19%. This indicated that the method could be also applied for large fabricated structures operating under high reactive residual stresses equilibrated within the volume of the structure. The thickness of specimens has no significant effect tothe structural fatigue strength. The fatigue class difference between 5 mm and 8 mm specimen was only 8%. It was hypothesized that the UIT method added a significant crack initiation period to the total fatigue life of the welded joints. Crack initiation life was estimated by a local strain approach. Material parameters were defined using a modified Uniform Material Law developed in Germany. Finite element analysis and X-ray diffraction were used to define, respectively, the stress concentration and mean stress. The theoretical fatigue life was found to have good accuracy comparing to experimental fatigue tests.The predictive behaviour of the local strain approach combined with the uniformmaterial law was excellent for the joint types and conditions studied in this work.

Analytical Study on the Influence of Geometrical Parameters on the Fatigue Strength of Welds with Undercuts

The purpose of this study is to analyze the influence of geometric parameters on the fatigue strength of the welded joint. The thesis includes the analytical study pertaining to variation of undercut and the weld toe radius. The theoretical part includes the concepts of fracture mechanics, different stages of the crack propagation and finally the results. The numerical results are obtained from FRANC2D/L. The results show that the fatigue strength of the welded structure depends on the parameters of the welds such as the weld toe radius, weld angle, height of the undercut and plate thickness. The results show that the fatigue life can be improved by having the undercut as minimum as possible. However there has been significant variation on the fatigue life of the structure when the weld toe radius is increased.

Fatigue analysis of brackets with and without scallop for bridge and other deck structure using effective notch stress.

Due to functional requirement of a structural detail brackets with and without scallop are frequently used in bridges, decks, ships and offshore structure. Scallops are designed to serve as passage way for fluids, to reduce weld length and plate distortions. Moreover, scallops are used to avoid intersection of two or more welds for the fact that there is the presence of inventible inherent initial crack except for full penetrated weld and the formation of multi-axial stress state at the weld intersection. Welding all around the scallop corner increase the possibility of brittle fracture even for the case the bracket is not loaded by primary load. Avoiding of scallop will establish an initial crack in the corner if bracket is welded by fillet welds. If the two weld run pass had crossed, this would have given a 3D residual stress situation. Therefore the presences and absence of scallop necessitates the 3D FEA fatigue resistance of both types of brackets using effective notch stress approach ( ). FEMAP 10.1 with NX NASTRAN was used for the 3D FEA. The first and main objective of this research was to investigate and compare the fatigue resistance of brackets with and without scallop. The secondary goal was the fatigue design of scallops in case they cannot be avoided for some reason. The fatigue resistance for both types of brackets was determined based on approach using 1 mm fictitiously rounded radius based on IIW recommendation. Identical geometrical, boundary and loading conditions were used for the determination and comparison of fatigue resistance of both types of brackets using linear 3D FEA. Moreover the size effect of bracket length was also studied using 2D SHELL element FEA. In the case of brackets with scallop the flange plate weld toe at the corner of the scallop was found to exhibit the highest and made the flange plate weld toe critical for fatigue failure. Whereas weld root and weld toe at the weld intersections were the highly stressed location for brackets without scallop. Thus weld toe for brackets with scallop, and weld root and weld toe for brackets without scallop were found to be the critical area for fatigue failure. Employing identical parameters on both types of brackets, brackets without scallop had the highest except for full penetrated weld. Furthermore the fatigue resistance of brackets without scallop was highly affected by the lack of weld penetration length and it was found out that decreased as the weld penetration was increased. Despite the fact that the very presence of scallop reduces the stiffness and also same time induce stress concentration, based on the 3D FEA it is worth concluding that using scallop provided better fatigue resistance when both types of brackets were fillet welded. However brackets without scallop had the highest fatigue resistance when full penetration weld was used. This thesis also showed that weld toe for brackets with scallop was the only highly stressed area unlike brackets without scallop in which both weld toe and weld root were the critical locations for fatigue failure when different types of boundary conditions were used. Weld throat thickness, plate thickness, scallop radius, lack of weld penetration length, boundary condition and weld quality affected the fatigue resistance of both types of brackets. And as a result, bracket design procedure, especially welding quality and post weld treatment techniques significantly affect the fatigue resistance of both type of brackets.

Stress testing practices in risk management - Empirical evidence from the Finnish banking and insurance sectors

The main purpose of this study was to analyze how stress tests are used in risk management in the Finnish banking and insurance sectors. In order to enhance understanding of the topic, stress testing was explored in the context of corporate governance and regulato-ry implications of Basel II and Solvency II on stress testing were examined. In addition, the effects of the global financial crisis on stress testing were mapped and the differences in stress testing practices between the banking and insurance sector were discussed. The research method was qualitative case study and it was conducted by interviewing risk managers from ten institutions and a representative from FIN-FSA. Findings pointed out that stress testing practices vary significantly between different institutions. Interesting observations were made in terms of stress testing practices in the banking and insurance sectors. The increasing importance and use of stress tests were recognized as a result of the financial crisis. Stress testing was even considered more like art than science given the amount of challenges it involves. In general, improvements in stress tests were suggested, with an emphasis on stress concentration between different types of risks.

Kosketukseton hitsin pintageometrian määrittäminen

Yleisesti tiedetään hitsin pintageometrian vaikuttavan rakenteen väsymislujuuteen. Nopean, edullisen ja luotettavan pintageometrian mittausmenetelmän kehittäminen on askel kohti tarkempaa ja varmempaa rakenteen väsymislujuuden tarkastelua. Tässä työssä on tutkittu hitsejä, joiden pinnan geometria on mitattu norjalaisen SINTEF -yrityksen kehittämällä rakenteellisen valon menetelmällä. Osana työtä kehitettiin MatLab -pohjainen ohjelma, jolla jälkikäsitellään mittauksesta saadut x-y-z -mittapisteet. Mittausdatan jälkikäsittelyssä saadaan mittauksesta määritettyähitsin reunan pyöristys, liittymäkulma, a-mitta, reunahaava ja kateettisuhde. Kehitettyä menetelmää käyttämällä mitattiin lähes 300 voimaakantamatontaristiliitoksen hitsiä. Mittaustuloksia verrattiin vastaavista kappaleista tehtyihin hiemittauksiin. Manuaalisen hieestä tehdyn mittauksen havaittiin olevan tarkempi ja pystyttiin havaitsemaan paikallisempia muotoja. Rakenteellisen valon mittauksissa tapahtunut heijastelu saatiin pienenemään käsittelemällä mitattava pinta mattavalkoisella maalilla. Rakenteellisen valon mittatarkkuudeksi saatiin noin 0,2 mm. Pohjautuen mitattuun hitsin reunan pyöristykseen ja liittymäkulmaan voidaan yksinkertaista kaavaa käyttämällä laskea hitsin jännityskonsentraatio ja näin saada alkuarvaus väsymislujuudelle. Myös muiden tekijöiden tiedetään vaikuttavan hitsin väsymislujuuteen, joten pyöristyksen ja liittymäkulman avulla tehdyt arviot eivät ole absoluuttisen oikeita. Tämä havaittiin väsytyskokeilla, joista yhdessä väsymisvaurio ei syntynyt suurimmankaan jännityskonsentraation alueella.

Constant and variable amplitude fatigue strength of high strength steel welds treated with ultrasonic impact treatment

Hitsattujen rakenteiden väsymiskestävyyttä pystytään parantamaan jälkikäsittelymenetelmillä, joistayksi, ultraäänikäsittely muokkaa hitsin geometriaa ja aiheuttaa puristusjäännösjännitystilan. Tässä tutkimuksessa verrataan kokeellisesti kuormaa kantamattoman hitsatun ja ui -käsitellyn rivan väsymislujuutta toisiinsa. Tutkimusohjelmaan kuuluu kahta teräslajia ja sekä vakio - että vaihtuva - amplitudista kuormitusta. Ultraäänikäsittelyllä saavutetaan väsymiskestoiän parantuminen vakio - ja vaihtuva - amplitudisella kuormituksella. Perusaineen lujuudella ei ole merkittää vaikutusta väsymislujuuteen kun liitos on hitsatussa tilassa. Tällöin väsymiskestävyyden määrää hitsin rajaviivan jännityskeskittymä. Ultraäänikäsitellyn hitsatunliitoksen väsymiskestävyys on suurempi korkeamman lujuuden omaavilla teräksillä. Tästä syystä korkealujuuksisten terästen käyttö ultraäänikäsiteltynä väsyttävästi kuormitetuissa kevytrakenteissa on perusteltua.

An Assessment ofFatigue Strength of Load Carrying Welded Joints with Lack of Penetration

On yleisesti tiedossa, että väsyttävän kuormituksen alaisena olevat hitsatut rakenteet rikkoutuvat juuri hitsausliitoksista. Täyden tunkeuman hitsausliitoksia sisältävien rakenteiden asiantunteva suunnittelu janykyaikaiset valmistusmenetelmät ovat lähes eliminoineet väsymisvauriot hitsatuissa rakenteissa. Väsymislujuuden parantaminen tiukalla täyden tunkeuman vaatimuksella on kuitenkin epätaloudellinen ratkaisu. Täyden tunkeuman hitsausliitoksille asetettavien laatuvaatimuksien on määriteltävä selkeät tarkastusohjeet ja hylkäämisperusteet. Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia geometristen muuttujien vaikutusta kuormaa kantavien hitsausliitosten väsymislujuuteen. Huomio kiinnitettiin pääasiassa suunnittelumuuttujiin, joilla on vaikutusta väsymisvaurioiden syntymiseen hitsauksen juuren puolella. Nykyiset määräykset ja standardit, jotka perustuvat kokeellisiin tuloksiin; antavat melko yleisiä ohjeita hitsausliitosten väsymismitoituksesta. Tämän vuoksi muodostettiin kokonaan uudet parametriset yhtälöt sallitun nimellisen jännityksen kynnysarvon vaihteluvälin, ¿¿th, laskemiseksi, jotta vältettäisiin hitsausliitosten juuren puoleiset väsymisvauriot. Lisäksi, jokaiselle liitostyypille laskettiin hitsin juuren puolen väsymisluokat (FAT), joita verrattiin olemassa olevilla mitoitusohjeilla saavutettuihin tuloksiin. Täydentäviksi referensseiksi suoritettiin useita kolmiulotteisia (3D) analyysejä. Julkaistuja kokeellisiin tuloksiin perustuvia tietoja käytettiin apuna hitsausliitosten väsymiskäyttäytymisen ymmärtämiseksi ja materiaalivakioiden määrittämiseksi. Kuormaa kantavien vajaatunkeumaisten hitsausliitosten väsymislujuus määritettiin käyttämällä elementtimenetelmää. Suurimman pääjännityksen kriteeriä hyödynnettiin murtumiskäyttäytymisen ennakoimiseksi. Valitulle hitsatulle materiaalille ja koeolosuhteille murtumiskäyttäytymistä mallinnettiin särön kasvunopeudella da/dN ja jännitysintensiteettikertoimen vaihteluvälillä, 'K. Paris:n yhtälön numeerinen integrointi suoritettiin FRANC2D/L tietokoneohjelmalla. Saatujen tulosten perusteella voidaan laskea FAT tutkittavassa tapauksessa. ¿¿th laskettiin alkusärön jännitysintensiteettikertoimen vaihteluvälin ja kynnysjännitysintensiteettikertoimen, 'Kth, perusteella. ¿Kth arvoa pienemmällä vaihteluvälillä särö ei kasva. Analyyseissäoletuksena oli hitsattu jälkikäsittelemätön liitos, jossa oli valmis alkusärö hitsin juuressa. Analyysien tulokset ovat hyödyllisiä suunnittelijoille, jotka tekevät päätöksiä koskien geometrisiä parametreja, joilla on vaikutusta hitsausliitosten väsymislujuuteen.