عملکرد خستگی و ارزیابی اتصالات جوش شده در پل های خرپایی فولادی

Fatigue performance and evaluation of welded joints in steel truss bridges

چکیده

1. مقدمه

2. برنامه آزمایشگاهی

2.1. نمونه ها

2.2. برپایی(set up) آزمایش و پروتکل(روند) بارگذاری

3. بحث و نتیجه گیری آزمایشگاهی

3.1. نتایج آزمایش

3.2. تحلیل گسیختگی

4. ارزیابی مقاومت خستگی

4.1. روش تنش اسمی

4.2. روش تنش ناچ(شکافی) مؤثر

4.3. روش تنش بیشینه

5. نتیجه گیری

منابع

چکیده

در حالیکه اتصالات جوش به طور گسترده در اتصالات پل های خرپایی فولادی استفاده می شود، مدت خدمت رسانی پل ها عمدتاً به مقاومت خستگی اتصالات جوش شده بستگی دارد. تمرکز تنش و تنش پسماند جوش، دو دلیل اصلی آسیب خستگی در اتصالات جوش شده هستند. در این مطالعه، مقطع گوشه ای پر شده (CFP) و عملیات ضربه اولتراسونیک (UIT) به منظور بهبود عملکرد خستگی اتصالات جوش شده از طریق کاهش تمرکز تنش و تنش پسماند جوش استفاده می شود. مقاومت خستگی اتصالات جوشی با استفاده از آزمایش بررسی می شود. نتایج نشان می دهد که استفاده از CFP و یا UIT می تواند محل شروع ترک خستگی را تغییر دهد. مقاومت خستگی اتصالات جوش شده با استفاده از CFP و UIT به ترتیب 24 درصد و 36 درصد افزایش یافت. عملکرد خستگی اتصالات جوش شده با استفاده از سه روش مختلف، از جمله روش تنش اسمی، روش تنش شکافی مؤثر و روش تنش بیشینه مورد بررسی قرار گرفت. روش تنش بیشینه با یک منحنی مقاومت خستگی ساده، بالاترین کاربرد و دقت را نشان داد.

مقدمه

خرپاهای فولادی به طور گسترده ای در پل های راه آهن و پل های بزرگراه هیبریدی(ترکیبی) استفاده شده است. پل های خرپایی فولادی معمولاً با مونتاژ اعضای خرپایی پیش ساخته در سایت(محل) ساخته می شوند. شکل 1 (a) و (b) نشان دهنده یک سطح مقطع نمایشی از یک شاهتیر اصلی در یک پل بزرگراه- راه آهن ترکیبی است. شاهتیر با استفاده از قطعات مختلف خرپا، از جمله وتر ها، دیرک های عمودی، عناصر قطری و غیره ساخته و مونتاژ می شود. قطعات با استفاده از جوشکاری و یا با استفاده از پیچ های با مقاومت بالا به هم متصل می شوند. اتصالات جوشی ترکیبی (شکل 1 (b)) معمولاً در کارخانه پیش ساخته شده اند تا کیفیت جوشکاری بالای داشته باشند. اتصالات جوشی بین ورق بال و ورق های لچکی تحت تنش های کششی متغیر و دیگر اثرات نامطلوب بر مقاومت خستگی قرار می گیرند و در نتیجه مستعد آسیب های خستگی هستند. به طور کلی، اثرات نامطلوب شامل تمرکز تنش، عیوب جوش و تنش های پسماند در اتصالات جوشی است [4-1]. تحت بارگذاری سیکلی، ترک ها تمایل دارند تا در اتصالات جوشی شروع شوند (شکل 1 (b)) و پایداری بلند مدت پل خرپایی را به خطر بیاندازند. 

5. نتیجه گیری

نتیجه گیری های اصلی به صورت زیر خلاصه می شود:

(1) استفاده از CFP و / یا UIT مود گسیختگی خستگی اتصالات جوش شده را تغییر می دهد. ترک های خستگی در لبه های ورق بال برای اتصالات جوش شده بدون CFP و در سطح ورق بال برای اتصالات جوش شده با CFP شروع می شود. ترک خستگی در ریشه یا پنجه جوش اتصالات جوش شده با UIT و در پنجه جوش اتصالات جوش شده بدون UIT شروع می شود.

(2) استفاده از CFP و UIT، مقاومت خستگی اتصالات جوش شده را به ترتیب 24 درصد و 36 درصد افزایش داد. استفاده ترکیبی از CFP و UIT مقاومت خستگی را 60 درصد افزایش داد. در مقایسه با CFP، استفاده از UIT در بهبود مقاومت خستگی مؤثرتر بود. 

Abstract

While welded joints are extensively used in the connections of steel truss bridges, service life of the bridges is largely dependent on the fatigue resistance of the welded joints. Stress concentration and weld residual stress are two primary causes of fatigue damage in the welded joints. In this study, corner-fillet profile (CFP) and ultrasonic impact treatment (UIT) are used to improve the fatigue performance of the welded joints through relieving stress concentration and weld residual stresses, respectively. The fatigue resistance of welded joints is evaluated through experimentation. The results indicate that the use of CFP and/or UIT can alter the initiation location of fatigue crack. The fatigue resistance of welded joints was increased by 24% and 36% by using the CFP and UIT, respectively. The fatigue performance of welded joints was evaluated using three different methods, including the nominal stress method, effective notch stress method, and peak stress method. The peak stress method with a single fatigue resistance curve demonstrated the highest applicability and accuracy.

1. Introduction

Steel trusses have been extensively used in railway bridges and hybrid highway-railway bridges. Steel truss bridges are typically constructed by assembling prefabricated truss components on site. Fig. 1 (a) and (b) show a representative cross section of a main girder in a hybrid highway-railway bridge. The girder is assembled using different truss components, including the chords, vertical posts, diagonal elements, etc. The components are connected through welding and/or using high-strength bolts. Integrated welded joints (Fig. 1(b)) are usually prefabricated in factory to ensure high welding quality. The welded joints between the flange and gusset plates are subjected to varying tensile stresses and other adverse effects on fatigue resistance, and thus susceptible to fatigue damages. In general, the adverse effects include stress concentration, weld defects and residual stresses at welded joints [1–4]. Under cyclic loading, cracks tend to initiate at the welded joints (Fig. 1(b)) and compromise the long-term durability of the truss bridge.

5. Conclusions

The main conclusions are summarized as follows:

(1) The use of CFP and/or UIT changed the fatigue failure mode of the welded joints. Fatigue cracks initiate at the flange plate edges for the welded joints without CFP, and on the flange plate surface for the welded joints with CFP. Fatigue cracks initiate at the weld root or weld of the welded joints with UIT, and at the weld toe of the welded joints without UIT.

(2) The use of CFP and UIT increased the fatigue resistance of welded joints by 24% and 36%, respectively. Combined use of CFP and UIT increased the fatigue resistance by 60%. Compared with CFP, the use of UIT was more effective in enhancing the fatigue resistance.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

عملکرد خستگی و ارزیابی اتصالات جوش شده در پل های خرپایی فولادی

Fatigue performance and evaluation of welded joints in steel truss bridges

برآورد قابلیت اطمینان خستگی پل های خرپایی مسیر ریلی قدیمی: معقولیت رویکرد احتمالاتی عمر تنش

Fatigue reliability assessment of ageing railway truss bridges: Rationality of probabilistic stress-life approach

چکیده

1- مقدمه

2- ارزیابی قابلیت اعتماد فرسودگی با استفاده از روش عمر تنش

2-1 شاخص قابلیت اعتماد فرسودگی

2-2 مدل تنش آسیب : یک شاخص آسیب جدید

3- مورد مطالعه – ارزیابی قابلیت اعتماد فرسودگی در یک پل ریلی قدیمی

3-1 پل های ریلی مد نظر

3-2 تحلیل سازه

3-3 منحنی های مقاومت فرسودگی عمر تنش

4- ارزیابی قابلیت اعتماد فرسودگی

5- مباحث و جمع بندی

چکیده

مسئولان خطوط ریلی در سراسر جهان، تلاش دارند تا مدت زمان خدمات پل های خطوط ریلی را افزایش دهند. قانون معروف ماینر که برای ارزیابی های فرسودگی به صورت معین یا احتمالی که به کار گرفته می شود، معمولا برای پیش بینی عمر فرسودگی باقی مانده ی پل های ریلی قدیمی مورد استفاده قرار می گیرد. تحت شرایط بارگذاری با دامنه ی متغیر، پیش بینی در مورد عمر این پل ها حالتی غیر قابل اعتماد دارد زیرا قانون ماینر به صورت مناسب تاثیر توالی بارگذاری ها را در نظر نمی گیرد. ازین رو، این مقاله یک مقیاس از روش های ارزیابی فرسودگی احتمالی را با روش معین ارائه می دهد که شامل تعیین کننده ی جدید برای آسیب می باشد، که تاثیر توالی بارگذاری ها با دامنه بار مختلف را نسبت به قانون ماینر، دقیق تر در نظر می گیرد. این مقایسه با اعمال کردن هر دو روش ارزیابی فرسودگی برای پیش بینی عمر فرسودگی باقی مانده از یک پل ریلی قدیمی، به دست می آید. نخست، این مقاله هر دو روش را ارائه می دهد. سپس روش های پیشنهاد شده برای پیش بینی کردن عمر فرسودگی یک پل ریلی مورد استفاده قرار می گیرد. در نهایت، عمر های فرسودگی پیش بینی شده با هم مقایسه می شود و میزان عقلانیت، اهمیت و اعتبار هر کدام از روش ها مورد بحث و بررسی قرار می گیرد.

5- مباحث و جمع بندی
یک روش ارزیابی احتمالی فرسودگی و روش های معین شامل یک شاخص آسیب جدید در این قسمت معرفی شده است که تاثیر توالی بار ها با دامنه های مختلف را، با شرایطی بهتر از قانون ماینر، ثبت می کند که این روش برای ارزیابی عمر فرسودگی یک پل قدیمی ریلی، مورد استفاده قرار گرفته است. عمر های فرسودگی به دست آمده با اعضای بحرانی هر مجموعه عضو مقایسه شده است که در جدول 1 نشان داده شده است. این جدول نشان می دهد که هر دو روش احتمالی و معین عمر های فرسودگی تقریبا نزدیک تری را برای اعضای عرشه ی پل را ارائه می کند ( یعنی، CG تیر آهن های صلیبی و ST تیر های عمودی). اما، این شرایط بر خلاف اعضای خرپای آهنی می باشد ( یعنی تیر آهن های اصلی و خرپای قطری)
این جدول نشان می دهد که اعضایی که از قسمت تیر آهن های تیر پایینی MT2 تحت بیشترین تنش هستند، در خطر بیشترین آسیب نسبت به شکست فرسودگی بوده و اعضای آسیب پذیر در قسمت تیر آهن اصلی در اعضای خر پا می باشد. علاوه بر این، به نظر می رسد که هیچ عمر باقی مانده برای اکثریت اعضای آسیب پذیر دیگر در خرپای تیر آهن اصلی ( یعنی MT2 ، MT3 ، DT2 ، DT3 و DT4) تحت احتمال نجات 95% ، وجود ندارد. تحت احتمال نجات 50% ، پل های مد نظر حدود 20 سال بیشتر از عمر فرسودگی دارند. اما، این پل هنوز بدون آسیب یا شکستگی ثبت شده، در حال خدمات رسانی می باشد. روش معین پیش بینی می کند که آسییب پذیر ترین قسمت ها برای شکست فرسودگی، در قسمت مجموعه ی CG تیر آهن صلیبی می باشد. بر اساس روش معین، عمر فرسودگی باقی مانده سه سال دیگر می باشد.

Abstract

Rail authorities all over the world are paying attention to extend the service lives of railway bridges. The famous Miner’s rule employed deterministic or probabilistic fatigue assessment approaches are generally used to predict remaining fatigue life of ageing railway bridges. Under many variable amplitude loading conditions, life predictions have been found to be unreliable since Miner’s rule does not properly take account the loading sequence effect. Therefore, this paper presents a comparison of a new probabilistic fatigue assessment approach with deterministic approach consisting of a new damage indicator, which captures the loading sequence effect of variable amplitude loads more precisely than the Miner’s rule. The comparison is performed by applying both fatigue assessment approaches to predict the remaining fatigue life of an ageing railway bridge. This comparison intends to conclude the possibility of capturing uncertainty behind loading sequence effect by proposed probabilistic fatigue assessment approach. Initially the paper presents the both approaches. Then the proposed approaches are applied to predict the fatigue lives of an ageing railway bridge. Finally predicted fatigue lives are compared and rationality, significance and validity of the proposed approaches are discussed.

5- Discussion and conclusions

A probabilistic fatigue assessment approach and a deterministic approach consisting of a new damage indicator, which captures the loading sequence effect of variable amplitude loads more precisely than Miner’s rule, were introduced to assess the fatigue life of an ageing railway bridge. Obtained fatigue lives were compared for critical members of each member sets as shown in Table 1. The Table shows that both the deterministic and probabilistic approaches provide almost closer fatigue lives for bridge deck members (i.e. cross girders CG and stringers ST). However, it is opposite for the main girder truss members (i.e. main girder chords and truss diagonals). Table shows that highly stressed member of main girder bottom chord MT2 is the most vulnerable to fatigue failure and the vulnerable members are located in the main girder consisting of truss members. Further, it seems that there are no more remaining lives for majority of vulnerable members of main girder truss (i.e. MT2, MT3, MT1, DT2, DT3 & DT4) under the 95% of survival probability. Under the 50% survival probability, considered bridge has about 20 more years of remaining fatigue life. However, bridge is still in service without any recorded damage or fracture. The deterministic approach predicts the most vulnerable member for the fatigue failure as the critical member in cross girder member set CG. According to the deterministic approach, the remaining fatigue life of the considered bridge is three more years.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

برآورد قابلیت اطمینان خستگی پل های خرپایی مسیر ریلی قدیمی: معقولیت رویکرد احتمالاتی عمر تنش

Fatigue reliability assessment of ageing railway truss bridges: Rationality of probabilistic stress-life approach

رفتار ساختاری خرپا فولادی تحت آسیب پیشرونده

Structural behavior of a metallic truss under progressive damage

چکیده

1. مقدمه

2. پس‌زمینه نظری

2. 1. پیچیدگی ساختاری

2. 2. آسیب پیش‌رونده و مقدار M

3. روش‌ها

4. نتایج

4. 1. آسیب پیش‌رونده

4. 2. تحلیل پارامتری

5. بحث

6. نتیجه‌گیری

چکیده

الزامات مدرن در خصوص ساخت و ساز ایجاب می‌نماید که برای بدست آوردن یک سازه قوی باید استراتژی‌های طراحی مناسبی را اتخاذ نمود: بدین معنا که، طراحی نتیجه‌گرا بر پاسخ سازه‌ای داده شده به آسیب‌های اعمالی متمرکز می‌باشد. رفتار استاتیکی سیستم‌های سازه‌ای معین تحت آسیب، غیرخطی است چون حتی اگر هر جزء، خطی رفتار نماید مسیرهای بار همدیگر را قطع نموده و در هم می‌پیچند. این مقاله درصدد برجسته نمودن رفتار یک خرپای فلزی تحت آسیب پیش‌رونده و تعریف استراتژی ممکن برای طراحی خرپایی است که قادر به تحمل آسیبی می‌باشد که به صورت تصادفی بر یکی از اجزای آن اعمال گردیده است. براساس نتایج تحلیل پارامتری مشخص می‌شود با افزایش شاخص پیچیدگی ساختاری بهنجار، تاثیر مسیرهای بار به گونه‌ای افزایش می‌یابد که تاثیر آسیب تصادفی کاهش یافته و این رویکرد را امکان‌پذیر می‌نماید.

1. مقدمه

الزامات جدید در طراحی سازه‌ای ایجاب می‌نماید که سازه باید تقویت شود. بسیاری از تعاریف موجود برای تقویت سازه‌ای فرمول‌بندی شده‌اند. ISO (1998)، احتمال آنکه سازه‌ای به اندازه‌ای نامتناسب با علت اصلی صدمه نبیند را مورد بررسی قرار داده است. یوروکد با در نظر گرفتن توانایی سازه برای مقاومت در برابر رویدادها (به جای آسیب دیدن آن)، ایده مشابهی را ارائه نموده است (CEN، 2006). پیشنهاد اداره خدمات عمومی آمریکا به مفهوم مقاومت در برابر آسیب‌ها بدون خرابی یا ایجاد عیب زودرس و یا شکننده مربوط می‌شود (ARA، 2003). کمیته مشترک اسناد ایمنی سازه، روشی مبتنی بر ریسک‌های موجود در حالت ایجاد آسیب را ارائه نموده است (JCSS، 2011). بسیاری از نویسندگان با مفهوم قدرتمندی روبرو می‌باشند که ویژگی‌های مختلفی که یک سازه را به عنوان یک سازه قوی تعریف می‌نمایند را ارائه می‌نمایند (آگراوال و انگلند، 2008؛ بیوندینی و همکاران،، 2008 الف؛ بونتمپی و همکاران، 2007؛ استاروسک و هابرلند، 2011؛ وال و همکاران، 2006). وروونولدر (2008) اظهار می‌نماید که یک سازه قوی نباید در مقابل آسیب‌های موضعی، منبع آسیب، حساسیت بالایی داشته باشد.

6. نتیجه‌گیری

به طور خلاصه، پاسخ یک سازه خرپا در مقابل آسیب‌های وارده مورد بررسی قرار گرفته است. انرژی کشسانی به عنوان معیاری برای ارزیابی اثرات آسیب پیش‌رونده مورد استفاده قرار گرفته است. برای ارزیابی بهتر پاسخ کلی، متوسط اندازه افزایش کار تغییرشکل از طریق پارامتر M مورد بررسی قرار گرفته است. علاوه بر این، رابطه بین مقدار شاخص پیچیدگی ساختاری بهنجار و M مورد بررسی قرار گرفته است. پارامتر اولی، معیاری از تاثیر مسیرهای بار در سراسر سازه می‌باشد. در کل محاسبات انجام شده، کانتیلور خرپایی متشکل از هشت گره و 15 میله مورد استفاده قرار گرفته است.

Abstract

Modern requirements on constructions impose that proper design strategies must be adopted in order to obtain a robust structure: in this sense, consequence-based design focuses the attention on the structural response to damage. The behavior of statically indeterminate structural systems under damage is nonlinear because the load paths intertwine each other, even if each component behaves linearly. The paper aims both to highlight the behavior of a metallic truss under progressive damage and to define a possible strategy for designing a truss that is able to sustain damage acting at random on one of its elements. Structural complexity is used as a leading parameter. Following the results of a parametric analysis, it emerges that, as much as the Normalized Structural Complexity Index increases, the efficacy of the load paths is spread such that the impact of random damage decreases, making the approach feasible.

1. Introduction

The modern requirements in structural design impose that a structure has to be robust. Many definition of structural robustness have been formulated. ISO (1998) considers the possibility of a structure not to be damaged to an extent disproportionate to the original cause. The Eurocode proposes a similar idea, considering the ability of the structure to withstand events, instead of being damaged (CEN, 2006). The American General Services Administration proposal relates to the concept of the resistance to damage without premature and/or brittle failure (ARA, 2003). The Joint Committee on Structural Safety’s document proposes an approach based on risk at a damage state (JCSS, 2011). Many authors have dealt with the concept of robustness proposing various properties that define a structure as robust (Agarwal and England, 2008; Biondini et al., 2008a; Bontempi et al., 2007; Starossek and Haberland, 2011; Val et al., 2006). Vrouwenvelder (2008) states that a robust structure should not be too sensitive to local damage, whatever the source of damage.

6. Conclusions

In summary, the study of the response of a truss structure to damage has been performed. The elastic energy was used as a measure for assessing the effects of progressive damage. In order to better evaluate the overall response, the average measure of the increment of deformation work was considered through the parameter M. In addition, the relationship between the value of the Normalized Structural Complexity Index and M was investigated. The former parameter is a measure of the efficacy of the load paths across the structure. A truss cantilever made of eight nodes and 15 rods was used throughout the calculations,

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

رفتار ساختاری خرپا فولادی تحت آسیب پیشرونده

Structural behavior of a metallic truss under progressive damage

درباره سنجش آسیب خستگی برای سازه های نگهدارنده دریایی با اتصالات لوله ای

On Fatigue Damage Assessment for Offshore Support Structures with Tubular Joints

• برای دانلود رایگان مقاله انگلیسی با فرمت pdf بر روی عنوان انگلیسی مقاله کلیک نمایید.
• برای خرید و دانلود ترجمه فارسی آماده با فرمت ورد، روی عنوان فارسی مقاله کلیک کنید.

سیزدهمین کنفرانس تحقیق و توسعه بادهای فراساحلی عمیق دریایی

13th Deep Sea Offshore Wind R&D Conference

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

درباره سنجش آسیب خستگی برای سازه های نگهدارنده دریایی با اتصالات لوله ای

On Fatigue Damage Assessment for Offshore Support Structures with Tubular Joints

• برای دانلود رایگان مقاله انگلیسی با فرمت pdf بر روی عنوان انگلیسی مقاله کلیک نمایید.
• برای خرید و دانلود ترجمه فارسی آماده با فرمت ورد، روی عنوان فارسی مقاله کلیک کنید.

مقاوم سازی لرزه ای قابهای خمشی خرپایی ویژه با استفاده از میراگرهای ویسکوز

Seismic retrofit of special truss moment frames using viscous dampers

• برای دانلود رایگان مقاله انگلیسی با فرمت pdf بر روی عنوان انگلیسی مقاله کلیک نمایید.
• برای خرید و دانلود ترجمه فارسی آماده با فرمت ورد، روی عنوان فارسی مقاله کلیک کنید.

مقاوم سازی لرزه ای قابهای خمشی خرپایی ویژه با استفاده از میراگرهای ویسکوز

Seismic retrofit of special truss moment frames using viscous dampers

• برای دانلود رایگان مقاله انگلیسی با فرمت pdf بر روی عنوان انگلیسی مقاله کلیک نمایید.
• برای خرید و دانلود ترجمه فارسی آماده با فرمت ورد، روی عنوان فارسی مقاله کلیک کنید.

طرح های بهسازی لرزه ای برای سازه های خرپای یک در میان

Seismic retrofit schemes for staggered truss structures

• برای دانلود رایگان مقاله انگلیسی با فرمت pdf بر روی عنوان انگلیسی مقاله کلیک نمایید.
• برای خرید و دانلود ترجمه فارسی آماده با فرمت ورد، روی عنوان فارسی مقاله کلیک کنید.

طرح های بهسازی لرزه ای برای سازه های خرپای یک در میان

Seismic retrofit schemes for staggered truss structures

• برای دانلود رایگان مقاله انگلیسی با فرمت pdf بر روی عنوان انگلیسی مقاله کلیک نمایید.
• برای خرید و دانلود ترجمه فارسی آماده با فرمت ورد، روی عنوان فارسی مقاله کلیک کنید.