Límite de fatiga Diseño del estado de las soldaduras ferroviarias de las vigas de grúa según EN 1993-6
Figura 01 - Weld Stresses in Fatigue Design
Figura 02 - Increased Wheel Load in Case of Eccentric Wheel Load Application
Figura 03 - Stress Calculation in Weld
Figura 04 - Multi-Level Stress Spectrum
Figura 05 - Damage Equivalent Stress Range Within Used S-N Curve
Artículo técnico
Basado en el artículo técnico sobre el diseño del estado límite último de las soldaduras de riel , la siguiente explicación se refiere al proceso de diseño de fatiga de las soldaduras de riel. En particular, este artículo explica en detalle los efectos de considerar la carga de la rueda excéntrica de 1/4 del ancho de la cabeza del riel.
Comportamiento
Generalmente, se requiere una evaluación de la fatiga solo para aquellos componentes de la estructura de soporte de la grúa que están sujetos a variaciones de tensión de las cargas de la grúa vertical ( [2] , Sección 9.1 (3)). La nota que se acompaña en la norma dice que las variaciones de tensión debidas a las cargas laterales de la grúa suelen ser despreciables. Sin embargo, deben tenerse en cuenta en el caso de diseño de conexión o un mayor número de acciones múltiples de aceleración y frenado. Por lo tanto, solo se obtienen cargas de ruedas verticales, que deben modificarse por los factores dinámicos correspondientes de acuerdo con [3] , Sección 2.12.1 (7).
Factores de impacto dinámico para la modificación de cargas de ruedas verticales:
$$ \ begin {array} {l} {\ mathrm \ varphi} _ {\ mathrm {fat}, 1} \; = \; \ frac {1 \; + \; {\ mathrm \ varphi} _1} 2 \ \ {\ mathrm \ varphi} _ {\ mathrm {fat}, 2} \; = \; \ frac {1 \; + \; {\ mathrm \ varphi} _2} 2 \ end {array} $$Tensiones debidas a las cargas de las ruedas.
En contraste con el estado límite último, las tensiones se refieren a la pata de ángulo de la soldadura en el caso del diseño de fatiga. Es necesario tener en cuenta las tensiones σ debidas a la carga de la rueda, así como las tensiones locales y globales debidas a la fuerza cortante en conformidad con [4] , Sección 5 (6).
Figura 01 - Tensiones de soldadura en diseño de fatiga
Según [2] , el diseño de fatiga de las soldaduras debe considerar la carga de la rueda excéntrica de 1/4 del ancho de la cabeza del riel de la clase de daño de la grúa de S3 en ([2], Sección 9.3.3 (1)). Por lo tanto, si la grúa en la pista de la grúa tiene una clase de daño ≥ S3, las tensiones locales debidas a las cargas de las ruedas deben determinarse en la brida superior, incluido el componente de la carga excéntrica de las ruedas. En [1] , se muestra un modelo de ingeniería simple para determinar el aumento de la carga de la rueda.
Figura 02 - Mayor carga de la rueda en el caso de la aplicación de carga excéntrica de la rueda
Para el cálculo de las tensiones de corte, la tensión de corte local puede determinarse utilizando el 20% de la tensión vertical debida a la carga de la rueda, de acuerdo con [2], Sección 5.7.2 (1). Además, se deben aplicar las tensiones de corte globales debidas a la diferencia de fuerza de corte de un paso de grúa ∆V.
Figura 03 - Cálculo del estrés en la soldadura
Tanto para el cálculo de los esfuerzos de carga de la rueda como para la determinación de las propiedades de la sección transversal, la altura del riel de grúa desgastado se puede establecer en 12.5% según [2], Sección 5.6.2 (3). La longitud de la aplicación de carga efectiva se calcula de la misma manera que en el diseño del estado límite último.
Diseño de estado límite de fatiga
El diseño de fatiga se realiza utilizando el espectro de rango de tensión resultante del análisis estructural. Los rangos de tensión resultan de las tensiones globales de la siguiente manera:
$$ \ begin {array} {l} \ mathrm {Δσ} \; = \; {\ mathrm \ sigma} _ \ max \; - \; {\ mathrm \ sigma} _ \ min \\\ mathrm {Δτ} \; = \; {\ mathrm \ tau} _ \ max \; - \; {\ mathrm \ tau} _ \ min \ end {array} $$Para las tensiones locales, los rangos de tensión son los valores máximos correspondientes, ya que los valores mínimos son 0.
Rango de estrés equivalente al daño
La tarea es convertir un espectro de tensión multinivel en un espectro de nivel único con el mismo daño y determinar el rango de tensión equivalente de daño resultante relacionado con 2 ⋅ 10 6 ciclos de tensión.
Figura 04 - Espectro de estrés multinivel
Al utilizar las curvas S ‑ N normalizadas (pendiente m = 3 para esfuerzos longitudinales y m = 5 para esfuerzos de corte) y los números máximos de ciclos de trabajo según la clase de daño de la grúa según [3] , Tabla 2.11, las siguientes fórmulas puede ser derivado.
Cálculo del rango de estrés equivalente al daño:
$$ {\ mathrm \ sigma} _ {\ mathrm E, 2} \; = \; \ lbrack \ frac1 {2 \; \ cdot \; 10 ^ 6} \; \ cdot \; \ mathrm \ Sigma (\ mathrm {Δσ} _ \ mathrm i ^ \ mathrm m \; \ cdot \; {\ mathrm n} _ \ mathrm i) \ rbrack ^ {1 / \ mathrm m} $$ $$ {\ mathrm \ tau} _ {\ mathrm E, 2} \; = \; \ lbrack \ frac {\ displaystyle1} {\ displaystyle2 \; \ cdot \; 10 ^ 6} \; \ cdot \; \ mathrm \ Sigma (\ mathrm {Δτ} _ \ mathrm i ^ \ mathrm m \; \ cdot \; {\ mathrm n} _ \ mathrm i) \ rbrack ^ {1 / \ mathrm m} $$La representación gráfica utilizando la curva S ‑ N seleccionada da el siguiente diagrama:
Figura 05 - Rango de esfuerzo equivalente al daño dentro de la curva S ‑ N usada
Ahora, utilizando los detalles constructivos de diseño, la soldadura y la categoría de muesca relacionada (Δσ c y Δτ c) , se puede realizar el diseño final. Los detalles de construcción se muestran en [4] , Tabla 8.1 - 8.10. Especialmente la Tabla 8.10 incluye algunos detalles de la viga de la grúa.
Los factores parciales dependen de los intervalos de inspección planificados y el resultado de [4], Tabla 3.1 y [2], NA / Tabla NA.3 .:
$$ \ frac {{\ mathrm \ gamma} _ \ mathrm {Ff} \; \ cdot \; {\ mathrm {Δσ}} _ {\ mathrm E, 2}} {\ displaystyle \ frac {\ mathrm {Δσ} \ mathrm c} {{\ mathrm \ gamma} _ \ mathrm {Mf}}} \; <\; 1.00 $$ $$ \ frac {{\ mathrm \ gamma} _ \ mathrm {Ff} \; \ cdot \; {\ mathrm {Δτ}} _ {\ mathrm E, 2}} {\ displaystyle \ frac {{\ mathrm {Δτ}} _ \ mathrm c} {{\ mathrm \ gamma} _ \ mathrm {Mf}}} \ ; <\; 1.00 $$De acuerdo con [4], Sección 5 (6), la interacción no se realiza para el diseño de la soldadura.
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