Crack propagation in steel constructions due to fatigue

Stålbroars approximativa livslängd bestäms av stålets utmattningshållfasthet, då utmattning är en av de främsta anledningarna till att livslängden begränsas. I Sverige existerar ett antal broar som närmar sig slutet av sin livslängd, samtidigt som behovet för kapacitet och kraven på broarna ökar. Flertalet av dessa broar är i behov av upprustning. Däremot är det inte möjligt ur vare sig ett ekonomiskt- eller miljöperspektiv att byta ut alla broar, och därför behöver de broar som är mest kritiska prioriteras. Vid utmattningsdimensionering av stålbroar beaktas hela spänningsvidden, oavsett om spänningarna är i drag eller tryck. En spricka propagerar endast vid dragspänningar, vilket innebär att tryck- spänningar egentligen inte bör vägas in i samband med dimensionering. Detta innebär att en del stålbroar skulle kunna ha en längre livslängd än vad den traditionella dimensioneringen ger. Spänningsintensitetsfaktorn används inom brottmekaniken för att förutspå spänningsintensiteten i närheten av sprickspetsen, och appliceras till linjärelastiska material. Det finita elementprogrammet Abaqus användes när brodetaljen modellerades och analyserades. Brodetaljen representerar en balk med en påsvetsad anslutningsplåt, som utsätts för trafiklasten på en bro och en temperaturlast för att simulera egenspänningar. Detaljen representerar problematiken med utmattning i stålkonstruktionsdelar. Motivet för denna studie är att inga sprickor har hittats under inspektioner av liknande detaljer, det till trots att en del stålbroar teoretiskt sett förbrukat sin livslängd. Studien genomfördes med en mer avancerad modell än vad som vanligtvis skapas för bedömning av utmattning, med syftet att modellera verkligheten mer korrekt. Resultaten visar hur egenspänningarna bidrar till dragspänningar, vilket leder till sprickpropagering i modellen. Vid spricklängden 9,5 mm övergår spänningarna från drag till tryck, och då upphör spricktillväxten. Resultaten visar även att utmattningssprickor kan växa i stålkonstruktionsdelar som i huvudsak utsätts för nominella tryckspänningar, ifall höga egenspänningar uppstår vid anslutningsplåten.Steel bridges estimated service life is determined by the fatigue strength of the steel, since fatigue is one of the main reasons for limiting the service life. In Sweden there is a number of bridges that approach the end of their service life, while the need of increasing the capacity and demands on bridges grows. The majority of these bridges is in need of reparation. On the other hand, it is not possible either from a financial- or environmental perspective to replace all bridges, and therefore the bridges that are most critical needs priority. In the case of fatigue design calculation of steel bridges, the entire stress range is taken into account, regardless of whether the stresses are in tension or pressure. A crack propagates only at tensile stresses, which means that pressure should not really be considered in the design calculations. This means that some steel bridges could have a longer life span than the traditional design calculation gives. The stress intensity factor K is used within the fracture mechanism to predict the stress intensity near crack tip, and is applied to linear elastic materials. The finite element program Abaqus was used when the bridge detail was modeled and analyzed. The bridge detail represents a beam with a welded connection plate, which is exposed to traffic load at the bridge and a temperature load to simulate residual stresses. The detail represents the problem of fatigue in steel structural parts. The motive for this study is that no cracks have been found during inspections of similar details, despite the fact that some steel bridges theoretically have consumed their longevity. The study is conducted with a more advanced model than usually created for assessment of fatigue, with the purpose of modeling the reality more correctly. The results show how the residual stresses cause tensile stresses, which leads to crack propagation in the model. At a crack length of 9,5 mm, the stresses change from tension to compression, and then the crack growth ceases. The results also indicate that fatigue cracking can grow in steel structural parts that are mainly exposed to compressive nominal stresses, if tensile residual stresses appear at the connection plate