Hybrid formulation solution for stress analysis of curved pipes with welded bending joints

A method is presented for evaluating the stress intensity factor of part-through cracks in a thin pipe elbow. A hybrid formulation solution is used to evaluate the stress field close to the crack area. The stress field values are then inputted into a previously developed method published in the literature to evaluate the stress intensity factor in cylindrical shells. Results from cylindrical shells with part-through cracks are extended to double-curvature pipe configurations that contain the same kind of flaw.

Stress Concentration Factor and Fatigue Life Evaluation in offshore tubular KT-Joints

In the last few decades, offshore field has grown fast especially after the notable development of technologies, explorations of oil and gas in deep water and the high concern of offshore companies in renewable energy mainly Wind Energy. Fatigue damage was noticed as one of the main problems causing failure of offshore structures. The purpose of this research is to focus on the evaluation of Stress Concentration Factor and its influence on Fatigue Life for 2 tubular KT-Joints in offshore Jacket structure using different calculation methods. The work is done by using analytical calculations, mainly Efthymiou’s formulations, and numerical solutions, FEM analysis, using ABAQUS software. As for the analytical formulations, the calculations were done according to the geometrical parameters of each method using excel sheets. As for the numerical model, 2 different types of tubular KT-Joints are present where for each model 5 shell element type, 3 solid element type and 3 solid-with-weld element type models were built on ABAQUS. Meshing was assigned according to International Institute of Welding (IIW) recommendations, 5 types of mesh element, to evaluate the Hot-spot stresses. 23 different types of unitary loading conditions were assigned, 9 axial, 7 in-plane bending moment and 7 out-plane bending moment loads. The extraction of Hot-spot stresses and the evaluation of the Stress Concentration Factor were done using PYTHON scripting and MATLAB. Then, the fatigue damage evaluation for a critical KT tubular joint based on Simplified Fatigue Damage Rule and Local Approaches (Strain Damage Parameter and Stress Damage Parameter) methods were calculated according to the maximum Stress Concentration Factor conducted from DNV and FEA methods. In conclusion, this research helped us to compare different results of Stress Concentration Factor and Fatigue Life using different methods and provided us with a general overview about what to study next in the future.

Comportamento à fadiga de juntas soldadas de aços tipo 460M com fios fluxados

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

A Continuous Span Aluminum Girder Concrete Deck Bridge - Part 2 of 2: Fatigue Tests of Aluminum Girders, Final Report, 1997

In 1957, the Iowa State Highway Commission, with financial assistance from the aluminum industry, constructed a 220-ft (67-m) long, four-span continuous, aluminum girder bridge to carry traffic on Clive Road (86th Street) over Interstate 80 near Des Moines, Iowa. The bridge had four, welded I-shape girders that were fabricated in pairs with welded diaphragms between an exterior and an interior girder. The interior diaphragms between the girder pairs were bolted to girder brackets. A composite, reinforced concrete deck served as the roadway surface. The bridge, which had performed successfully for about 35 years of service, was removed in the fall of 1993 to make way for an interchange at the same location. Prior to the bridge demolition, load tests were conducted to monitor girder and diaphragm bending strains and deflections in the northern end span. Fatigue testing of the aluminum girders that were removed from the end spans were conducted by applying constant-amplitude, cyclic loads. These tests established the fatigue strength of an existing, welded, flange-splice detail and added, welded, flange-cover plates and horizontal web plate attachment details. This part, Part 2, of the final report focuses on the fatigue tests of the aluminum girder sections that were removed from the bridge and on the analysis of the experimental data to establish the fatigue strength of full-size specimens. Seventeen fatigue fractures that were classified as Category E weld details developed in the seven girder test specimens. Linear regression analyses of the fatigue test results established both nominal and experimental stress-range versus load cycle relationships (SN curves) for the fatigue strength of fillet-welded connections. The nominal strength SN curve obtained by this research essentially matched the SN curve for Category E aluminum weldments given in the AASHTO LRFD specifications. All of the Category E fatigue fractures that developed in the girder test specimens satisfied the allowable SN relationship specified by the fatigue provisions of the Aluminum Association. The lower-bound strength line that was set at two standard deviations below the least squares regression line through the fatigue fracture data points related well with the Aluminum Association SN curve. The results from the experimental tests of this research have provided additional information regarding behavioral characteristics of full-size, aluminum members and have confirmed that aluminum has the strength properties needed for highway bridge girders.

The influence ofvariable amplitude loading on the fatigue strength of rhs corners

Rectangular hollow section (RHS) members are components widely used in engineering applications because of their good-looking, good properties in engineering areas and inexpensive cost comparing to members with other sections. The increasing use of RHS in load bearing structures makes it necessary to analyze the fatigue behavior of the RHS members. In this thesis, concentration will be given to the fatigue behavior of the RHS members under variable amplitude pure torsional loading. For the RHS members, failure will normally occur in the corner region if the welded regions are under full penetration. This is because of the complicated stress components' distributions at the RHScorners, where all of three fracture mechanics modes will happen. Mode I is mainly caused by the residual stresses that caused by the manufacturing process. Modes II and III are caused by the applied torsional loading. Stress based Findleymodel is also used to analyze the stress components. Constant amplitude fatigue tests have been done as well as variable amplitude fatigue tests. The specimens under variable amplitude loading gave longer fatigue lives than those under constant amplitude loading. Results from tests show an S-N curvewith slope around 5.

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.

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.

WiseRoot-prosessilla hitsatun päittäisliitoksen väsymislujuus

Työssä tutkittiin Kempin WiseRoot-prosessilla hitsattujen päittäisliitosten väsymiskestävyyttä laboratoriokokein ja väsymiskestävyyden mitoitusmenetelmillä. WiseRoot-hitsausprosessi on räätälöity lyhytkaariprosessi juuripalkojen hitsaukseen yhdeltä puolelta. Väsytyskoekappaleissa käytettiin eri lujuusluokan rakenneteräksiä sekä materiaalipaksuuksia. Mantsinen Group Ltd Oy hitsasi lisäksi yhdeltä ja kahdelta puolelta hitsattuja vertailukappaleita normaalilla MAG-hitsausprosessilla. Väsymismitoitus tehdään yleisesti perustuen väsymisluokkiin, joten väsytyskokeilla ja mitoitusmenetelmillä saatuja tuloksia tarkasteltiin näiden luokitusten avulla. Tuloksia vertailtiin sekä keskenään että standardeista löytyviin väsymisluokkasuosituksiin. Väsymiskestävyyden mitoitusmenetelmistä työssä käytettiin nimelliseen jännitykseen, teholliseen lovijännitykseen ja paikalliseen venymään perustuvaa menetelmää sekä murtumismekaniikkaa. Laboratoriokokeiden perusteella voidaan todeta, että WiseRoot-hitsausprosessilla on mahdollista tuottaa yhdeltä puolelta päittäisliitos, jonka väsymiskestävyys on verrattavissa kahdelta puolelta hitsattuun päittäisliitokseen. Mitoitusmenetelmillä saadut tulokset olivat pääsääntöisesti konservatiivisia verrattuna koetuloksiin. Ainoastaan paikalliseen venymään perustuvalla menetelmällä saadut väsymisluokat olivat suurempia kuin väsytyskoetulosten perusteella lasketut väsymisluokat.

Pienahitsin sijainnin vaikutus kuormaa kantamattoman T-liitoksen väsymiskestävyyteen

Hitsatuissa rakenteissa on paljon hitsien aiheuttamia epäjatkuvuuskohtia, jotka ovat alttiita vaurioitumaan väsyttävän kuormituksen alaisina. Standardit ja normit auttavat suunnittelua rakenneyksityiskohtien analysoinnissa, mutta ohjeiden arvot vaihtelevat paljon. Onkin tär-keää päättää, mitä standardia tai normia käytetään ja saada tutkimustuloksia tukemaan ohjeen käyttöä. Tämä työ on tehty Konecranes Finland Oy:lle. Työn tarkoituksena on etsiä käytössä olevi-en ohjeiden joukosta suunnittelun kannalta parhaiten todellista rakennetta kuvaava. Työssä esitellään käytössä olevia standardeja ja normeja sekä vertaillaan niiden välisiä eroja rakenneyksityiskohdan väsymiskestävyyden määrittämisessä. Työssä tarkastellaan myös hitsatun rakenteen väsymiseen vaikuttavia tekijöitä sekä väsymisanalyysissä käytet-täviä menetelmiä. Tutkittavaan liitokseen valittiin kolme erilaista hitsiä, yksi –ja kaksipuolinen pienahitsi sekä katkopienahitsi. Elementtimenetelmän avulla luotiin malleja koekappaleista ja laskettiin niille väsymiskestävyydet. Tämä lisäksi väsymistä tarkasteltiin väsytyskokeilla, jotka suoritti Lappeenrannan Teknillisen Yliopiston Teräsrakenteiden laboratorio. Lopputuloksena työstä saatiin tietoa hitsien väsymiskestävyyksistä. Liitosten väsymiskes-tävyydet olivat hyviä ja varsinkin katkopienahitsin tulokset olivat odotettua paremmat. Kat-kopienahitsin väsymiskestävyys vaatii tämän työn tulosten perusteella lisää tutkimista.

FAT-luokkien määritys hitsatuille levyliitoksille käyttämällä lineaarisen murtumismekaniikan särönkasvun simulointia

Työssä tutkittiin hitsattujen levyliitosten väsymiskestävyyden mitoitusarvoja. Hitsien väsymiskestävyyden mitoitusarvot määritettiin lineaarista murtumismekaniikkaa soveltavalla 2D FEM-laskentaohjelmalla. Murtumismekaanisen laskennan tuloksista määriteltiin, eri liitosgeometrioiden ja kuormitustyyppien mukaisia, nimellisen jännityksen väsymismitoitusmenetelmää vastaavia FAT-luokkia, joissa on huomioitu rakenteellinen jännitys hitsiä vastaan kohtisuorassa suunnassa. Tutkittujen liitosten geometriat olivat pääsääntöisesti poikkeavia mitoitusstandardien ja ohjeiden sisältämistä taulukkotapauksista. Laskennassa otettiin huomioon hitsien liittymiskulma perusaineeseen, rajaviivan pyöristykset ja vajaa hitsautumissyvyys. Kuormitustyyppien vaihtelua tutkittiin rakenteellisen jännityksen taivutusosuuden muutoksilla ja kuormaa kantavien X-liitosten risteävien kuormituksien suhteellisilla suuruuksilla. Väsymiskestävyydet määritettiin kuormituskohtaisille kalvo- ja taivutusjännityksille sekä näiden jännitysjakaumien keskiarvoille. Työssä saatuja FAT-luokkia voidaan hyödyntää vastaavien geometrioiden ja kuormitusten yhteydessä, sekä interpoloimalla myös tuloksien väliarvoissa. Työssä käytetyillä menetelmillä voidaan parantaa nimellisen jännityksen mitoitusmenetelmän tarkkuutta ja laajentaa sitä koskemaan myös taulukkotapausten ulkopuolisia liitoksia. Työn tuloksissa on esitetty FAT-luokkia T-, X- ja päittäisliitoksille ja näiden eri kuormitusyhdistelmille.

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.

Elementtikoon vaikutus väsymismenetelmien tarkkuuteen

Kandidaatintyössä tutkittiin kolmen hitsatun palstalevyliitoksen väsymiskestävyyttä äärellisten elementtien menetelmällä. Tutkimuksen pääpaino oli 2D-mallin antamien tulosten suppenevuudessa kolmella eri elementtikoolla ja kolmessa eri mittasuhdetapauksessa. Tutkimustuloksissa havaittiin noin 5 % muutos harvimman ja tiheimmän elementtiverkon tulosten välillä. Tutkimuksessa havaittiin myös että muutos harvimman ja tiheimmän elementtiverkon tuloksissa pieneni hiukan mitä suurempia kappaleet ja niiden hitsausliitokset olivat.

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.

SAE 1045 steel/WC-Co/Ni-Cu-Ni/SAE 1045 steel joints prepared by dynamic diffusion bonding: Microelectrochemical studies in 0.6 M NaCl solution

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)