A comparative study of fatigue design in crane runway girders
No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Author
Date
2024-08-19
Department
Major/Subject
Building Technology
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Building Technology (CIV)
Language
en
Pages
77 + 87
Series
Abstract
In process industry, design of a crane runway girder is a typical structural design task. A crane runway girder is exposed to fatigue loading, which is why it has to be designed for fatigue. Eurocodes define a simplified method for fatigue design and a design method based on operational conditions. While the simplified dimensioning method is faster, its application according to the Eurocodes is not straightforward, potentially leading to dimensioning errors and under-dimensioning of runway girders. This master’s thesis examines the differences between the simplified fatigue design method and the method based on operational conditions, identifying possible factors that contribute to design errors. Along with fatigue design, methods that improve fatigue resistance are reviewed in the literature review, and their application is evaluated through case studies. The results obtained in the case studies of this thesis show that the Eurocode’s simplified fatigue design method is highly open to interpretation, which significantly affects the accuracy of the results. The variability in interpretation can lead to significantly different outcomes compared to dimensioning based on operational conditions. Another major factor contributing to inaccuracy is that the simplified dimensioning method does not account for the number of stress fluctuations caused by the individual wheels of the crane, considering only the number of crane passages. This omission results in unreliable outcomes for structural details where local stresses from the wheels are critical. An example of such a structural detail is the upper web-to-flange weld of a crane runway beam, which is the most critical detail in terms of fatigue for cranes with a high fatigue class. Consequently, under-dimensioning of the crane runway girder is very likely when using the simplified method, if local stresses are not considered in the fatigue design. Regarding the fatigue resistance improvement methods presented in this thesis, the results indicate that these methods can enhance the fatigue resistance of critical details. By using these methods, crane girder profiles could be dimensioned more efficiently, as the cross-section would not need to be enlarged excessively to meet the fatigue design criteria. However, further research is needed on the application of these fatigue resistance improvement methods, as their integration into Eurocode practices is not yet feasible.Teollisuudessa nosturiratapalkin mitoittaminen on tyypillinen rakennesuunnittelutehtävä. Nosturiratapalkki altistuu väsyttävälle kuormitukselle, jonka vuoksi sille on tehtävä väsymismitoitus. Eurokoodeissa on määritelty väsymismitoitukselle yksinkertaistettu sekä todellisiin kuormiin perustuva mitoitusmenetelmä. Yksinkertaistettu menetelmä on nopeampi mitoitustapa, mutta Eurokoodien tulkitseminen ei ole yksiselitteistä, mikä voi johtaa mitoitusvirheisiin sekä alimitoitukseen. Tässä diplomityössä tarkastellaan yksinkertaistetun sekä todellisiin kuormiin perustuvan väsymismitoitusmenetelmän eroja, sekä selvitetään mahdollisia mitoitusvirheitä aiheuttavia tekijöitä. Väsymismitoituksen tueksi esitetään myös väsymiskestävyyttä parantavia menetelmiä työn kirjallisuuskatsauksessa sekä menetelmien käyttöä arvioidaan tapaustutkimusten yhteydessä. Työn tapaustutkimuksissa saadut tulokset osoittavat, että Eurokoodin yksinkertaistettu väsymismitoitusmenetelmä on erittäin tulkinnanvarainen, jonka vuoksi tulosten tarkkuus on riippuvainen suunnittelijan tulkinnasta. Tulkinnasta riippuen voidaan saada hyvinkin erilaisia tuloksia todellisiin kuormiin perustuvaan mitoitukseen verrattuna. Toisena suurena epätarkkuuteen vaikuttavana tekijänä on se, ettei Eurokoodin yksinkertaistettu mitoitusmenetelmä ota huomioon nosturin yksittäisistä pyöristä aiheutuvien jännitysheilahdusten lukumäärää, vaan se huomioi vain nosturin ohiajojen lukumäärän. Tämä johtaa epäluotettaviin tuloksiin rakenteen yksityiskohtien kannalta, joissa pyörien aiheuttamat paikalliset jännitykset tulee huomioida. Esimerkkinä tällaisesta rakenteen yksityiskohdasta on nosturiratapalkin yläkaulahitsi, joka on korkean väsymisluokan nostureiden ratapalkkien määräävin yksityiskohta väsymisen suhteen. Näin ollen nosturiratapalkin alimitoitus on hyvin todennäköistä yksinkertaistetulla menetelmällä, jos suunnittelija ei huomioi paikallisia jännityksiä väsymismitoitusta tehdessä. Työssä esitettyjen väsymiskestävyyttä parantavien menetelmien osalta, tuloksista voidaan päätellä, että menetelmiä hyödyntämällä voidaan väsymisen suhteen kriittisten yksityiskohtien kestävyyttä parantaa. Menetelmien avulla ratapalkkien profiileja voitaisiin mitoittaa tehokkaammin, sillä poikkileikkausta ei tarvitsisi kasvattaa niin suureksi, jotta väsymismitoituksen suunnitteluehdot saataisiin täyttymään. Väsymiskestävyyttä parantavien menetelmien hyödyntäminen nosturiratapalkeissa vaatii kuitenkin vielä lisätutkimuksia, sillä niiden soveltaminen Eurokoodien käytäntöihin ei ole vielä mahdollista.Description
Supervisor
Remes, HeikkiThesis advisor
Tuovila, JukkaKeywords
fatigue, crane runway girder, Eurocode, design
