Estimating the Fatigue Life of Typical Openings in Longitudinal Strength Members in an Early Design Phase

Abstract

Denne oppgaven undersøker muligheten for et forenklet beregningsverktøy for å estimere utmattings-levetiden for typiske åpninger i langsgående styrkeelementer. Verktøyet ble foreslått av VARD Group AS og er ment til å brukes i en tidlig designfase når elementmodeller ennå ikke er utviklet. En pilotversjon av verktøyet ble laget i prosjektoppgaven og var bygget på en regelbasert utmattingsanalyse der den lokale spenningsvidden ble beregnet ved bruk av analytiske modeller for spenningskonsentrasjonsfaktorer og todimensjonal bjelketeori.

Kvaliteten på dette verktøyet ble evaluert i denne oppgaven, hovedsakelig med fokus på de analytiske modellene for å beregne spenningskonsentrasjonsfaktorer som finnes i klasse-dokumenter og annen litteratur, ved anvendelse av elementmetoden for forskjellige geometrier. Dette ble utført med programvare fra DNV GL SESAM-pakken, ved bruk av henholdsvis GeniE, Sestra og Xtract for modellering, analyse og behandling av resultater. Flere modeller ble bygget basert på en nedenfra og opp strategi for å observere hvordan forskjellige geometriske parametere påvirket spenningskonsentrasjonsfaktoren.

Fra elementanalysene ble det observert at den lokale spenningen til en åpning var svært avhengig av geometrien rundt, og at dette påvirket bruksområdet til de analytiske modellene. Det ble vist at flere åpninger forårsaket en "spenningsskygge" som reduserte spenningen mellom åpningene og følgelig spenningskonsentrasjonsfaktoren i de tilhørende hjørner. Elementmodellene ble brukt for å kvantifisere en gjennomsnittlig reduksjonsfaktor som kan implementeres i beregningsverktøyet for å ta hensyn til denne effekten. Modellene ble også brukt for å observere hvordan forsterkning av åpninger med "insert-plater" påvirker spenningskonsentrasjonsfaktoren. Forholdet mellom økningen i tykkelse og reduksjonen i spenningskonsentrasjonsfaktoren ble kvantifisert og kan også implementeres i beregningsverktøyet.

På grunn av forenklingene og antagelsene som beregningsverktøyet er basert på, er utmattings-levetiden assosiert med en rekke usikkerheter som brukeren må være klar over om verktøyet skal brukes. Det antydes at disse usikkerhetene burde undersøkes nærmere ved å bruke mer detaljerte modeller og andre prosedyrer for utmattings-beregning for å evaluere resultatene som er presentert i denne oppgaven.

This thesis investigates the possibility of a simplified calculation tool for estimating the fatigue life for typical openings in longitudinal strength members. The tool was proposed by the company VARD Group AS and is intended to be used in an early design phase when finite element models are not yet developed. A pilot version of the tool was built in the project thesis which was based on a prescriptive fatigue analysis where the local stress input was calculated using analytical models for stress concentration factors and two-dimensional beam theory.

The quality of the tool was evaluated in this thesis, mainly focusing on the analytical models for calculating stress concentration factors found in classification notes and other literature, by application of the finite element method for different geometries. This was conducted with software from the DNV GL SESAM package, using GeniE, Sestra and Xtract for conceptual modelling, structural analysis and post-processing respectively. Several models were built based on a bottom-up approach to observe how different geometrical parameters affected the stress concentration factor.

From the finite element analyses, it was observed that the local stress of an opening was highly dependent on the geometric properties of its surroundings and that this affected the application area of the analytical models. It was shown that several openings caused a "stress shadow" effect which reduced the stress between the openings and consequently the stress concentration factor of the associated corners. The FE models were used to quantify an average reduction factor which may be implemented in the calculation tool to take this effect into account when estimating the local stress using the analytical models. The finite element models were also used to observe how reinforcement of openings with insert plates affect the stress concentration factor. The relationship between the thickness increase and the reduction in the stress concentration factor was quantified and may also be implemented in the calculation tool.

Due to the simplifications and assumptions in which the calculation tool is based on, the fatigue life output is associated with a number of uncertainties which the user must be aware of if the tool is to be used. It is suggested that these uncertainties are investigated further by using more detailed models and other procedures for fatigue assessment to evaluate the results presented in this thesis.