6.5 Техніки підвищення втомної міцності

6.5 Improvement techniques

(1) Можуть використовуватися методи підвищення втомної міцності для певних зварних конструкційних деталей.

(1) Methods for improving the fatigue strength of certain welded constructional details may be used.

Примітка. Методи підвищення втомної міцності, як правило, дорогі в застосуванні та мають складності в контролі якості. Їх небажано використовувати для загального проектування, окрім випадків, коли втома є критичною для всієї конструкції У таких випадках необхідні консультації спеціалістів. Дані методи частіше використовуються для подолання існуючих проектних недоліків. Див. додаток Н.

NOTE: Improvement techniques are generally expensive to apply and present quality control difficulties. They should not be relied upon for general design purposes, unless fatigue is particularly critical to the overall economy of the structure, in which case specialist advice should be sought. They are more commonly used to overcome existing design deficiencies. See Annex H.

додаток А

(ОБОВ`ЯЗКОВИЙ):

основи розрахунку втомної міцності

Annex A

[NORMATIVE]:

Basis for calculation of fatigue resistance

A.1 Загальні положення

A.1 General

A.1.1 Вплив втоми на проектування

A.1.1 Influence of fatigue on design

(1) P Конструкції, що піддаються часто перемінним експлуатаційним навантаженням, можуть бути чутливими до втоми, яка може викликати руйнування, і повинні перевірятися за граничними станами.

(1) P Structures subjected to frequently fluctuating service loads may be susceptible to failure by fatigue and shall be checked for that limit state.

(2) Рівень відповідності критеріям граничного стану за несучою здатністю або граничного стану за експлуатаційною придатністю, що вказаний у EN 1999-1-1, не повинен використовуватися як критерій ризику руйнування через втому (див. A.1.3).

(2) The degree of compliance with the ultimate or serviceability limit state criteria given in EN 1999-1-1 should not be used as a measure of the risk of fatigue failure
(see A.1.3).

(3) Межа, до якої втома може впливати на конструкцію, повинна бути визначена на початковій стадії проектування. Для отримання достатньої точності у прогнозуванні безпеки проти втомного руйнування необхідно:

(3) The extent to which fatigue is likely to govern the design should be established at the conceptual stage of design. To obtain sufficient accuracy in prediction of the safety against fatigue failure it is necessary to:

a) точно визначити повну послідовність експлуатаційних навантажень впродовж терміну служби;

a) make an accurate prediction of the complete service load sequence throughout the design life;

b) ефективно і точно оцінити пружну реакцію конструкції під очікуваними впливами;

b) assess the elastic response of the structure under the predicted loads sufficiently accurately;

(c) розраховуючи конструкційну деталь, ретельно передбачити методи виготовлення та рівень контролю якості. Дані характеристики можуть мати вирішальне значення для втомної міцності, і їх необхідно контролювати з більшею точністю, ніж для конструкцій, розрахованих на інші граничні значення. Інформація щодо вимог до виконання міститься у EN 1090-3.

(c) perform constructional detail design, prescribe methods of manufacturing and degree of quality control appropriately. These issues can have a major influence on fatigue strength, and may need to be controlled more precisely than for structures designed for other limit states. For information on requirements to execution, see EN 1090-3.

A.1.2 Механізм руйнування

A.1.2 Mechanism of failure

(1) Слід припустити, що втомне руйнування зазвичай виникає у точці високого напруження (через раптову зміну геометричних характеристик, залишкове розтягуюче напруження або загострені тріщини, схожі на розриви). Втомні тріщини розповсюджуються з певним шагом під впливом зміни циклічного напруження. Вони, як правило, не змінюються під впливом постійного навантаження. Руйнування виникає, якщо поперечний переріз, що залишається, не взмозі витримати прикладене пікове навантаження.

(1) It should be assumed that fatigue failure usually initiates at a highly stressed point (due to abrupt geometry change, tensile residual stress or sharp crack-like discontinuities). Fatigue cracks will extend incrementally under the load of cyclic stress change. They normally remain stable under constant load. Failure occurs if the remaining cross section is insufficient to carry the peak applied load.

(2) Слід припустити, що втомні тріщини розповсюджуються приблизно під прямим кутом до напрямку максимального діапазону головних напружень. Рівень розповсюдження збільшується в геометричній прогресії. Через це розростання тріщини на ранніх стадіях часто незначне, і втомні тріщини часто неможливо помітити впродовж більшої частини часу їх існування. Це може спричиняти проблеми у виявленні їх в процесі експлуатації.

(2) It should be assumed that fatigue cracks propagate approximately at right angles to the direction of maximum principal stress range. The rate of propagation increases exponentially. For this reason crack growth is often slow in the early stages, and fatigue cracks tend to be inconspicuous for the major part of their life. This may give rise to problems of detection in service.

A.1.3 Потенційні місця виникнення втомних тріщин

A.1.3 Potential sites for fatigue cracking

(1) Розглядаються наступні ділянки можливого виникнення втомних тріщин, що відповідають певним конструкційним деталям:

(1) The following initiation sites for fatigue cracks associated with specified constructional details should be considered:

a) кромки та корені швів при зварці оплавленням;

a) Toes and roots of fusion welds;

b) кути, що підлягають машинній обробці;

b) machined corners;

c) перфораційні або висвердлені отвори;

c) punched or drilled holes;

d) обрізні та випилені кромки;

d) sheared or sawn edges;

e) поверхні під високим контактним тиском (корозійне стирання);

e) surfaces under high contact pressure (fretting);

f) корені кріпильної різьби;

f) roots of fastener threads.

(2) Втомні тріщини також можуть з’являтися через невизначені причини, які виникають під час роботи. При необхідності слід розглядати наступне:

(2) Fatigue cracks may also be initiated at unspecified features, which may occur in practice. The following should be considered where relevant:

a) неоднорідності матеріалу або дефекти зварювання;

a) Material discontinuities or weld flaws;

b) виїмки або подряпини, спричинені механічним пошкодженням;

b) Notches or scoring from mechanical damage;

c) корозійні язви.

c) Corrosion pits.

A.1.4 Умови чутливості до втоми

A.1.4 Conditions for fatigue susceptibility

(1) При оцінці ймовірності чутливості до втоми необхідно враховувати наступне:

(1) In assessing the likelihood of susceptibility to fatigue, the following should be taken into account:

a) значне співвідношення динамічного і статичного навантажень. Рухомі або підйомні конструкції, такі як наземний або водний транспорт, крани і.т.д, більше піддаються втомним навантаженням, ніж закріплені конструкції, якщо тільки останні не зазнають в основному рухомих навантажень, наприклад, мости;

a) High ratio of dynamic to static loading: Moving or lifting structures, such as land or sea transport vehicles, cranes, etc. are more likely to be prone to fatigue problems than fixed structures, unless the latter are predominantly carrying moving loads, as in the case of bridges;

b) часте прикладання навантаження. Це призводить до великої кількості циклів на протязі терміну служби. Тонкі конструкції або елементи з низькими природними частотами особливо схильні до резонансу і, таким чином, до збільшення динамічного напруження навіть при низьких статичних розрахункових напруженнях. Конструкції, що в основному зазнають рухомих навантажень, таких як вітрове навантаження, а також конструкції, що підтримують машинне обладнання, слід уважно перевірити на резонансний ефект.

b) frequent applications of load: This results in a high number of cycles in the design life. Slender structures or members with low natural frequencies are particularly prone to resonance and hence magnification of dynamic stress, even when the static design stresses are low. Structures subjected predominantly to fluid load, such as wind, and structures supporting machinery should be carefully checked for resonant effects;

c) використовування зварювання. Деякі зварні деталі, що часто використовуються, мають низьку втомну міцність. Це стосується не тільки з’єднань між елементами, а також будь-яких елементів, прикріплених до навантаженого елемента, незалежно від того, чи вважається сумарне з’єднання як «конструкційне».

c) use of welding: Some commonly used welded details have low fatigue strength. This applies not only to joints between members, but also to any attachment to a loaded member, whether or not the resulting connection is considered to be 'structural';

d) складність з’єднувальної деталі. Складні з’єднання часто спричиняють високі концентрації напруження через місцеві зміни жорсткості шляху завантаження. Хоча це часто не завдає значного впливу на граничну статичну міцність з’єднання, але може значно впливати на втомну міцність. Якщо втома домінантна, то необідно обирати таку форму поперечного перерізу для елемента, щоб забезпечити рівномірність та простоту конструкції з’єднання. Необідний розрахунок напружень та адекватні стандарти для виробництва й перевірки напружень.

d) complexity of joint detail: Complex joints frequently result in high stress concentrations due to local variations in stiffness of the load path. Whilst these may often have little effect on the ultimate static capacity of the joint they can have a severe effect on fatigue resistance. If fatigue is dominant the member cross-sectional shape should be selected to ensure smoothness and simplicity of joint design, so that stresses can be calculated and adequate standards of fabrication and inspection can be assured;

e) при певних температурних або хімічних впливах зовнішнього середовища втомна міцність може зменшуватися, якщо поверхня металу незахищена.

e) under certain thermal and chemical exposure conditions the fatigue strength may be reduced if the surface of the metal is unprotected.

A.2 Метод проектування, що забезпечує безпечний термін служби

A.2 Safe life design

A.2.1 Передумови для методу проектування, що забезпечує безпечний термін служби

A.2.1 Prerequisites for safe life design

(1) Передбачена картина експлуатації конструкції повинна бути прийнята у показниках послідовності навантажень та частоти. В якості альтернативи, реакція напруження на всіх потенційних місцях виникнення напружень повинна бути прийнята в показниках в історії напружень.

(1) The predicted service history of the structure should be available in terms of a loading sequence and frequency. Alternatively the stress response at all potential initiation sites should be available in terms of stress histories.

(2) Характеристики втомної міцності на всіх ділянках можливого виникнення напруження повинні бути прийняті в показниках кривої втомної міцності.

(2) The fatigue strength characteristics at all potential initiation sites should be available in terms of fatigue strength curves.

(3) Усі потенційні ділянки виникнення напруження, на яких відзначається високий рівень напружень та значні концентрації напружень, повинні бути перевірені.

(3) All potential fatigue crack initiation sites which have high stress fluctuations and/or severe stress concentrations should be checked.

(4) Стандарти якості, що використовуються у виробництві компонентів, що включають потенційні ділянки виникнення напруження, повинні бути сумісні з конструкційними деталями, що використовуються.

(4) The quality standards used in the manufacture of the components containing potential initiation sites should be consistent with the constructional detail being used.

(5) Основна методика описана нижче (див. рисунок A.1):

(5) The basic procedure is as follows (see Figure A.1):

a) Потрібно оцінити верхню межу частоти експлуатаційного навантаження для розрахункового терміну служби конструкції (див. 2.3);

a) Obtain an upper bound estimate of the service load sequence for the structure's design life (see 2.3);

b) Потрібно оцінити результуючу історію напруження на потенційних ділянках виникнення напруження, що перевіряються (див. A.2.3 «Отримання значень спектрів напруження»).

b) estimate the resulting stress history at the potential initiation site being checked (see A.2.3 Derivation of stress spectra);

c) там, де використовується нормальне напруження, необхідно модифікувати історію напружень в будь-якому місці концентрації місцевого напруження, яке не включено в деталізовану категорію, за допомогою використання відповідного коефіцієнту концентрації напруження (див. 5.3.2 «Отримання значень модифікованих номінальних напружень»).

c) where nominal stresses are being used, modify the stress history in any region of geometrical stress concentration which is not already included in the detail category, by applying an appropriate stress concentration factor (see 5.3.2 Derivation of modified nominal stresses);

d) необхідно зменшити історію напружень до еквівалентної кількості циклів (ni) різних діапазонів напружень , використовуючи метод підрахунку циклів (див. A.2.3 «Отримання значень спектрів напруження»).

d) reduce the stress history to an equivalent number of cycles (ni) of different stress ranges using a cycle counting technique
(see A.2.3 Derivation of stress spectra);

e) розподілити цикли у порядку зменшення діапазону , щоб сформувати спектр діапазону напружень, в якому = 1, 2, 3 і так далі для першого, другого третього інтервалу у спектрі (див. A.2.3 «Отримання значень спектрів напруження»).

e) rank the cycles in descending order of range to form a stress-range spectrum, where
= 1, 2, 3 etc. for the first, second, third band in the spectrum (see A.2.3 Derivation of stress spectra);

f) класифікувати конструкційну деталь відповідно до заданого ряду деталізованих категорій. Для відповідної деталізованої категорії та відповідного співвідношення необхідно визначити допустиму зносостійкість ( ) для розрахункового діапазону напружень ( ).

f) categorise the constructional detail in accordance with the given set of detail categories. For the appropriate detail category and the respective relationship determine for the design stress range ( ), permissible endurance ( );

g) необхідно розрахувати загальне пошкодження для усіх циклів, користуючись правилом накопичення Майнера, де:

g) calculate the total damage for all cycles using Miner's summation where

(А.1)

h) розрахувати безпечний термін служби , де:

h) calculate the safe life , where

(А.2)

де термін експлуатації має такі ж одиниці вимірювання, як ;

where the design life of has the same units as ;

i) необхідно вжити наступних заходів, якщо менше, ніж :

– ще раз розрахувати конструкцію або елемент, щоб знизити рівні напруження;

– замінити конструкційну деталь на іншу, яка має вищу категорію;

– якщо можливо, використовувати метод проектування з урахуванням допустимих руйнувань (див. A.3).

i) take one or more of the following actions if is less than :

– Redesign the structure or member to reduce the stress levels;

– change the constructional detail to one with a higher category;

– use a damage tolerant design approach, where appropriate (see A.3).

A.2.2 Підрахунок циклів

A.2.2 Cycle counting

(1) Підрахунок циклів – це процедура перетворення складної історії напружень у зручний спектр циклів у показниках діапазону напружень , кількості циклів та, при необхідності, коефіцієнту напружень .

(1) Cycle counting is a procedure for breaking down a complex stress history into a convenient spectrum of cycles in terms of stress range , number of cycles and, if necessary, ratio.

(2) Для коротких історій напружень, де прості впливи повторюються певну кількість разів, рекомендується резервуарний метод підрахунку. Його просто візуалізувати та використовувати (див. рисунок A.2). Там, де необхідно використовувати довгі історії напружень, наприклад, отримані з вимірювань деформацій в існуючих конструкціях (див. Додаток С), рекомендується метод дощового потоку. Обидва методи підходять для комп’ютерного розрахунку.

(2) For short stress histories where simple action events are repeated a number of times, the Reservoir method is recommended. It is easy to visualise and simple to use (see Figure A.2). Where long stress histories have to be used, such as those obtained from measured strains in actual structures (see Annex C) the Rain-Flow method is recommended. Both methods are suitable for computer analysis.

A.2.3 Отримання значень спектру навантажень

A.2.3 Derivation of stress spectrum

(1) В результаті складання у порядку спадання списку циклів діапазону напружень отримується спектр напружень.Для легкості підрахунків при необхідності можна спростити складний спектр до меншої кількості інтервалів. Консервативний метод використовується, щоб скомпонувати інтервали в більші групи, які містять таку ж загальну кількість циклів, але чий діапазон напружень рівний найбільшому інтервалу в групі. З більшою точністю середньозважене значення усіх інтервалів може бути вирахуване за допомогою , де – зворотній нахил кривої , який скоріш за все використовується (див. рисунок A.3). Використання арифметичного середнього значення завжди неконсервативне.

(1) The listing of cycles in descending order of stress range results in a stress spectrum. For ease of calculation it may be required to simplify a complex spectrum into fewer bands. A conservative method is to group bands together into larger groups containing the same total number of cycles, but whose stress range is equal to that of the highest band in the group. More accurately, the weighted average of all the bands in one group can be calculated using the power , where is the inverse slope of the curve most likely to be used (see Figure A.3). The use of an arithmetic mean value will always be not conservative.