Size effects in the fatigue behavior of welded steel tubular bridge joints: Fid-Bau Portal

Size effects in the fatigue behavior of welded steel tubular bridge joints

Nussbaumer, A. / Costa Borges, L.A.

Im Brückenbau werden Raumfachwerke aus geschweißten Stahlhohlprofilen eingesetzt. Aufgrund der Bauteilabmessungen muss dem schwingfestigkeitsmindernden Größeneffekt besonders Rechnung getragen werden. In einer diesbezüglichen, gründlichen Studie wurden am ICOM/EPFL sowohl Ermüdungsversuche an großmaßstäblichen Proben als auch fortschrittliche Modellierungen des 3D-Ermüdungsrissfortschritts durchgeführt. Die Studie ist auf kreisförmige K-Rohrknoten (CHS) beschränkt. Die Risstiefen an den Schweißnahtübergangskerben wurden mit dem Wechselstrompotenzial-Verfahren (ACPD) gemessen. Die Ergebnisse werden hier als Wöhlerlinien, Rissfortschrittskurven und daraus abgeleiteten Kurven für die Risswachstumsrate mitgeteilt. Das Risswachstum wurde unter Zuhilfenahme der dualen Randelementemethode, Software BEASY, modelliert, wodurch die Versuchsergebnisse untermauert werden konnten. Insbesondere wurden die Spannungsintensitätsfaktoren (SIF) entlang der doppelt gekrümmten Rissfront für verschiedene Risstiefen berechnet. In einer parametrischen Studie mit diesem Modell wurden die Einflüsse der Geometrie, der Größe und der Lastkonfiguration auf die Lebensdauer untersucht. Diese Ergebnisse werden hier sowohl für proportionale als auch für nichtproportionale Größeneffekte vorgestellt. In der vorliegenden Veröffentlichung wird gezeigt, dass die Größeneffekte (proportional und nichtproportional) als Funktion von dimensionslosen Parametern und von der Gurtblechdicke beschrieben werden können.

Tubular space trusses for bridge applications use thick-walled tubes. The reduction in fatigue resistance due to geometrical size effects is thus an important issue. In order to carry out a thorough study, both fatigue tests on large-scale specimens and advanced 3D crack propagation modelling were carried out at ICOM/EPFL. The study is limited to circular hollow sections (CHS) K-joints. An alternate current potential drop (ACPD) system is used to measure crack depth on nodes of the tested truss specimens. The results obtained from the tests are given in the paper in terms of S-N data, crack depth versus number of cycles and deduced crack propagation rates. The numerical model was developed using the dual boundary elements method (DBEM), software BEASY , and was validated with fatigue tests data. The stress intensity factors (SIF) along the doubly curved crack front at different crack depths were obtained. With this model, a parametric study investigates the influence of geometry, size and load case on fatigue life. The results of both proportional and non-proportional sizing effects on fatigue strength are presented. The paper shows that size effects (proportional and non-proportional) can be expressed as a function of the non-dimensional parameters and chord thickness.