Analiza rozwoju pęknięć zmęczeniowych w dźwigarach mostów stalowych z zastosowaniem właściwości całki J

• Autorzy: Duchaczek A. , Mańko Z.

Identyfikatory

DOI

10.7862/rb.2014.2

Warianty tytułu

EN

Analysis of the development of fatigue cracks in the steel bridge girders using the properties of integral J

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W wojskowych mostach niskowodnych dźwigary główne są wykonywane przeważnie z kształtowników stalowych dostępnych na obszarze danego kraju. W różnych sytuacjach kryzysowych mosty te są używane także przez ludność cywilną. W pracy przedstawiono koncepcję konstrukcji przęsła mostu wojskowego, w którym użyto śrub do montażu stężeń poprzecznych. Ten typ połączeń wymaga wykonania otworów w środnikach dźwigarów głównych, które osłabiają nie tylko ich strukturę, ale też całego przęsła, tym bardziej, że otwory te znajdują się w strefie rozciągania i są bezpośrednim miejscem koncentracji naprężeń. Mogą się więc stać miejscem inicjacji pęknięć zmęczeniowych. W pracy przedstawiono wyniki obliczeń propagacji pęknięć zmęczeniowych, rozwijających się w dźwigarach mostów stalowych rozchodzących się od otworów montażowych. Analizę przeprowadzono za pomocą oprogramowania komputerowego FRANC2D wykorzystującego MES dla dwóch przyjętych modeli fizycznych materiału z zastosowaniem właściwości całki J. Przeprowadzone w pracy analizy wykazały, że przyjęcie określonych właściwości materiału ma dość istotny wpływ na wartości uzyskanych wyników obliczeń. W analizowanym przykładzie było to szczególnie widoczne w przypadku określenia kierunku kąta propagacji pęknięcia φ. Istotne dla praktyki inżynierskiej okazało się również porównanie wyników wartości współczynnika intensywności naprężeń KI (oraz jego wartości ekwiwalentnej Keq) dla materiału liniowego i nieliniowego. Otrzymane wyniki potwierdziły, że przyjęcie materiału liniowego do analiz zmęczeniowych jest dość konserwatywne, a tym samym bardziej bezpieczne dla konstrukcji inżynierskiej.

EN

The main girders of spans in the military nonstandard fixed bridges are made mostly from steel sections available in a given area of the country. In a variety of crisis situations, these bridges are also used by the civilian population. The article is presented a concept of span structure of a military bridge in which screws were used in assembly of sway braces. This type of sway brace assembly requires holes in main girders which weaken their structure and thus the entire spans, especially the more that these holes are located in the stretch zone (extensions) of these girders and thus are a place of stress concentration, and can very quickly become a place of fatigue crack initiation. The paper is presented the results of calculations of the propagation of fatigue cracks growing in the main girders of steel bridges and extending from the mounting holes. Analyses were performed by using the computer software FRANC2D based on the FEM for the two adopted physical material models of structure, (linear and nonlinear) using the properties of the J-integral. Some more findings resulting from analyses conducted as part of this work encompass showing that the adoption of particular material properties has significant influence on the value of the obtained calculation results. In the analysed example, this was clearly visible when the value of the direction of crack propagation φ was determined. Another issue, which is essential from the perspective of engineering practice, was the comparison of the values of the stress intensity factor KI (and its equivalent value Keq) for a linear material and a non-linear material. The obtained results confirmed that adoption of the linear material characteristics to fatigue analysis is more conservative, and thus a more safely for design of engineering structures.

Słowa kluczowe

PL

most stalowy; wytrzymałość materiałów; pęknięcie zmęczeniowe; całka J

EN

steel bridge; strength of materials; fatigue crack; integral J

• Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej
• Czasopismo: Czasopismo Inżynierii Lądowej, Środowiska i Architektury / Journal of Civil Engineering, Environment and Architecture
• Rocznik: 2014
• Tom: z. 61, nr 1
• Strony: 23--35
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., il.

Twórcy

autor

Duchaczek A.

• Wyższa Szkoła Oficerska Wojsk Lądowych im. gen. T. Kościuszki, Wrocław

autor

Mańko Z.

• Wyższa Szkoła Logistyki i Transportu, Wrocław

Bibliografia

• [1] Nemitz. A.: Mechanika pękania. Wydaw. Naukowe PWN, Warszawa 1998.
• [2] PN-EN 10027-1:2007: Systemy oznaczania stali. Cz. 1. Znaki stali.
• [3] Wawrzynek P., Ingraffea A.: FRANC2D. A two dimensional crack propagation simulator. User’s Guide. Version 3.1.
• [4] Rice J.R.: A path independent integral and the approximate analysis of strain concentration by notches and cracks. Journal of Applied Mechanics, vol. 35, 1968, pp. 379-386.
• [5] Cherepanov G.P.: Crack propagation in continuous media. Journal of Applied Mathematics and Mechanics, vol. 31, 1967, issue 3, pp. 503-512.
• [6] Eshelby J.D.: The force on an elastic singularity. Phil. Trans. R. Soc., London 1951, 244, pp. 87-112.
• [7] German J.: Podstawy mechaniki pękania. Politechnika Krakowska, Kraków 2011.
• [8] Ingraffea A.R., Wawrzynek P.: Finite element methods for linear elastic fracture mechanics. Chapter 3.1 in Comprehensive Structural Integrity, R. de Borst and H. Mang (eds). Elsevier Science, Oxford, England 2003.
• [9] Szata M.: Opis rozwoju zmęczeniowego pękania w ujęciu energetycznym. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2002.
• [10] Rozumek D.: Mieszane sposoby pękania zmęczeniowego materiałów konstrukcyjnych. Politechnika Opolska, Opole 2009.
• [11] Mańko Z., Kamyk Z., Zielonka M., Sadowski W.: Racjonalizacja wykorzystania materiałów miejscowych do budowy mostów niskowodnych. Etap III: Badania poligonowe. Praca Naukowo-Badawcza WIW/439, WyŜsza Szkoła Oficerska im. gen. T. Kościuszki, Wrocław 2001.
• [12] Mańko Z., Duchaczek A.: Badania niskocyklowe dwuteowników stalowych wykorzystywanych do budowy mostów niskowodnych. Cz. 1. Zeszyty Naukowe WSOW Ląd, nr 4, 2006, s. 54-65.
• [13] Duchaczek A., Mańko Z.: Ocena bezpośredniej metody określania wartości współczynnika intensywności naprężeń. Zeszyty Naukowe WSOW Ląd, nr 3, 2012, s. 336-346.
• [14] Dolbow J.E.: An extended finite element method with discontinuous enrichment for applied mechanics. Ph.D. Thesis. December 1999, http://dolbow.cee.duke.edu/phd.html (13.11.2013).
• [15] Erdogan F., Sih G.C.: On the crack extension in plates under plane loading and transverse shear. ASME, Journal of Basic Engineering Trans., vol. 85(4), 1963, pp. 519-527.
• [16] Hussain M.A., Pu S.L., Underwood J.: Strain energy release rate for a crack under combined mode I and II. Fracture Analysis. American Society for Testing Materials. Committee E-24 on Fracture Testing of Metals. National Symposium on Fracture Mechanics, 1974, pp. 2-28.
• [17] Sih G.C.: Strain-energy-density factor applied to mixed-mode crack problems. International Journal of Fracture, vol. 10, 1974, pp. 305-321.
• [18] Simões da Silva L., Rebelo C., Nethercot D., Marques L., Simões R., Vila Real P.M.M.: Statistical evaluation of the lateral-torsional buckling resistance of steel I-beams. Part 2: Variability of steel properties. Journal of Constructional Steel Research, vol. 65, April 2009, issue 4, pp. 818-831.
• [19] Li F.Z., Shih C.F., Needleman A.: A Comparison of Methods for Calculating Energy Release Rates. Engineering Fracture Mechanics, vol. 21, 1985, issue 2, pp. 405-421.
• [20] Banks-Sills L., Sherman D.: On the computation of stress intensity factors for three-dimensional geometries by means of the stiffness derivative and J-integral methods. International Journal of Fracture, vol. 53, 1992, issue 1, pp. 1-20.