HFMI behandling av svetsdetaljer i stål- och samverkansbroar

Transkript

1 HFMI behandling av svetsdetaljer i stål- och samverkansbroar L 1 L L Bakgrund Utmattning är dimensionerande för våra stål- och samverkansbroar Vanligtvis endast ett få tal detaljer i en bro är bestämmande 8,000 12,000 FAT Låg utmattningshållfasthet Lågt materialutnyttjande ej relevant med HSS 2

2 UR Järnvägsbroar, frittupplagda, L = m S355 L 1 L L 2 Hur mycket kan vinnas med en förbättring av utmattningshållfastheten med 3 steg C71-C100? Hur mycket kan vinnas med en förbättring av utmattningshållfastheten med 3 steg C71-C100? a) Original design (S355) - Utilization ratios 1,0 0,8 Stål HFMI 0,6 0,4 ULS_Bend SLS_DEFL FLS 0,2 0, Span length [m]

3 UR Hur mycket kan vinnas med en förbättring av utmattningshållfastheten med 3 steg C71-C100? 1,0 New design S460 0,8 0,6 0,4 0,2 0, Span length [m] Hur mycket kan vinnas med en förbättring av utmattningshållfastheten med 3 steg C71-C100? 35% Material besparing 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% Span length [m] Detta är en ganska konservativ uppskattning..!

4 INNODEFAB L1 L L Tidigare projekt 1 INNODEFAB Fokus på broapplikationer, dvs relevanta Plåttjocklekar > 30 mm.. (få tester) Stålkvalitéer.. S355/S460 samt SS Utmattningsförsök Series Specimens t [mm] Steel n AW 38 S AW 60 S HFMI 40 S R ~ 0, HFMI 40 S HFMI 60 S HFMI 60 S460 10

5 Frequency Frequency Utmattningsförsök As Welded HFMI behandlad Tillverkning.. Lecor Stålteknik HFMI-bhandling Sonats Utmattningsförsök Skanning av svetsgeometri 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, AW AW Toe radius, ρ [mm] 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, HFMI HFMI HFMI HFMI Toe radius, ρ [mm] Series Specimens μ ρ [mm] σ ρ [mm] AW AW HFMI HFMI HFMI HFMI

6 Residual stress [MPa] Utmattningsförsök Mätning av restspänningar 200 Uppmätta restspänningar vinkelrätt svetslängden AW S460 HFMI S355 AW S355 HFMI Depth [μm] Utmattningsförsök Resultat från utmattningsprovning

7 Utmattningsförsök Resultat karakteristik utmattningshållfasthet Series Specimens S c AW AW HFMI HFMI HFMI HFMI 239 Mycket klar fy-effekt Ingen tjocklekseffekt (mellan försöken) Utmattningsförsök Resultat Jämförelsen Livslängd 1,E+08 1,E+07 1,E+06 1,E+05 1,E ,E+03 AW HFMI Experiment Prediction limit 95% IIW prediction AW 95% IIW prediction HFMI 95%

8 Analys av effekten av tillämpning av HFMI-behandling på broar Flera befintliga väg- och järnvägsbroar Räkna om med HFMI behandling på kritiska detaljer IIW-rekommendationer används Kostnader för utförande av HFMI enligt Sonats Analys av effekten av tillämpning av HFMI-behandling på broar Exempel: Järnvägsbro Förbättring med 3 C-klassar är tillräckligt efteråt, SLS avgörande I detta fall, ingen ökning i stålkvalité är nödvändig HFMI utförs i verkstad 17% material-/vikt besparing = ca 30 ton stål (15% lägre materialkost.) Kanske mindre viktigt i förhållande till totala bokostnad, men betydande map CO2

9 Analys av effekten av tillämpning av HFMI-behandling på broar Exempel: Två samverkansbroar för vägtrafik Utmaning i vägbroar.. Hög medelspänning IIW rekommendationer R = 0,65-0,52 R ratio R 0,15 Minimum FAT class reduction No reduction 0,15 < R 0,28 Reduction by one FAT class 0,28 < R 0,4 Reduction by two FAT classes 0,4 < R 0,52 Reduction by three FAT classes 0,52 < R 0,7 Reduction by four FAT classes 0,7 < R No data available Analys av effekten av tillämpning av HFMI-behandling på broar Exempel: Två samverkansbroar för vägtrafik Alternativ 1: Öka stålkvalité S690 för att nå erforderlig förbättring = 22% material-/viktbesparing Alternativ 1: Utför HFMI behandling onsite S420 ger = 23% material-/viktbesparing?

10 Slutsatser och fortsatt arbete IIW-rekommendationer kan utvidgas till tjocklekar upp till 60 mm Utmattningshållfasthet väl över rekommenderade C-klasser I nivå med eller högre än grundmaterialets utmattningshållfasthet Klar skillnad mellan S355 och S460 Ingen (eller mycket svag) tjocklekseffekt efter HFMI-behandling För järnvägsbroar ger HFMI intressant vikt- och materialbesparing För vägbroar.. Högre medelspänning & större risk för överlast (VAL) Bekräfta inverkan av HFMI under last (onsite) Studera beteendet under VA- (trafik-) last samt inverkan av överlaster Lätta brodäck med lasersvetsad stålsandwich - koncept, tillverkning och resultat

11 Brodäck i stål- och samverkansbroar Bild ur Harryson, 2008 Drivkrafter.. - Högre grad av förtillverkning - Standardiserad och industriell produktion - Lägre vikt - Snabbare montage - Lägre LCC kostnader Platsgjutet betongdäck Förtillverkade element i betong Brodäck i FRP-kompositer Konventionella (ortotropa) brodäck i stål Hög styvhet och bärighet i förhållande till vikt! Bron över Götakanal vid Lyrestad San Francisco Oakland Bay Bridge

12 Konventionella (ortotropa) brodäck i stål Däckplåt Öppen ribba Sluten längsgående ribba Tvärbalk Huvudbalk Ortotropa brodäck o Hög produktionskostnad o Komplexa detaljer o En hel del manuell svetsning o Svårt att verifiera kvalité, måla, etc..

13 Ortotropa brodäck Utmattningskänsliga detaljer Problem med beläggning Sandwich Elements Överlägsen styvhet och bärighet i förhållande till vikt! A A A-A 3-5 m 5-8 m Best Practice Guide for Sandwich Structures in Marine Applications

14 Preliminära studier Val av Core ur produktion och bärighets synpunkt Steel Sandwich Elements Laser & hybrid-laser svetsning Mycket snabb och helt automatiserad svetsning Stor penetreringsdjup Hög utmattningshållfasthet Ingen kantbearbetning Låg värmetillförsel (egenspänningar & krokighet)

15 Steel Sandwich Elements Tillverkning 1 Top deck plate Steel Sandwich Elements Tillverkning 2 Bottom deck plate Top deck plate

16 Utfört arbete - översikt Analytical models PLATE ANALYSIS LCC analysis Optimization Testing Bridge design Production Verification (FEM) Analys av lokala lasteffekter (Utmattning) Ökning i skjuvstyvhet och reduktion i lokala spänningar som funktion av avståndet mellan 2 svetsar

17 Optimering Bridge deck segment (5 x 5 m2) ULS, SLS & FLS Welding of the Demonstrators Steel sandwich

18 Welding of the Demonstrators Steel sandwich Welding of the Demonstrators Steel sandwich

19 Welding of the Demonstrators Steel sandwich Welding of the Demonstrators Steel sandwich Trumpf 10kW Disk Laser Trumpf 300 optics with 0,4 mm fibre core and 300mm focal length MIG/MAG power source: Fronius TPS 5000 & VR 1500 wire feeder

20 Welding of the Demonstrators Steel sandwich Welding of the Demonstrators Steel sandwich Heat inputs used: C-Mn steel: 0,9 to 1,2 kj/mm Stainless steel: 0,5 to 0,7 kj/mm Welding sequences: Laser (black) first, as numbered Laser-hybrid (red) last, ditto

21 Undersökning av svetsar 1. svetsbredd Totalt 70 mätpunkter

22 Undersökning av svetsar 2. Gaps ~500um ~100um n=2 n=2 0 1 Totalt 70 mätpunkter n=2 4 Försöksresultat Statisk last Predicted: 27 MPa Measured: 25 MPa Global behaviour Local behaviour

23 Försöksresultat Utmattningsprovning C-stål Last 60 kn på 450 x 450 mm2 area 3,0 millioner cyklar inga sprickor Fortsatt provning planeras Försöksresultat Utmattningsprovning C-stål Last 60 kn TH. på 450 FAT x 450 LIFE mm2 = 10e6, area TESTED Last 90 kn FOR på 11e6, 450 x NO 450 CRACKS mm2 area 10,0 millioner cyklar inga sprickor 1,0 millioner cyklar inga sprickor Fortsatt provning planeras

24 Brodäck av stålsandwichelement Fallstudie 1.. En klaffbro Bron över Götakanal vid Lyrestad Steel Sandwich Elements Konventionell ortotrop platta Stålsandwich platta

25 Sandwich element av stål - Fallstudie Plate action i två riktningar Högre böjstyvhet (x2) varannan tvärbalk sparas! Sandwich element av stål - Fallstudie Större effektivbredd (x2) Högre axial- och skjuvstyvhet Bättre material utnyttjande

26 Sandwich element av stål - Fallstudie Total besparing i vikt/material = ca 30% Total kostandsbesparing = ca 23% = 3,0 mil kr 50% material 50% produktion, etc. Övriga studier Buckling Förband

27 Slutsatser - Stålsandwich plattor går att tillverka med laser svetsar med erforderligt kvalité och till lägre pris än konventionella ståldäck - Som brodäck har sandwichplattor mycket bra mekaniska egenskaper - Mycket intressant material- och viktbesparing ( >30%) - Sandwichelement bör vara mycket intressanta även i andra applikationer där låg vikt och hög styvhet och utmattningshållfasthet är viktigt - Utomordentligt hög bucklingskapacitet gör konceptet intressant för applikationer med höghållfaststål Fortsatta studier - Verifiering av utmattningshållfasthet och framtagning av beräkningsmodeller för dimensionering m a p utmattning - Dimensionering m a p stabilitet, främst under koncentrerade laster - Utformning av utförande krav och kvalitetssäkrings metoder vid produktion - Verifiering av beständighet, samt dynamiska och akustiska egenskaper - Andra svetsmetoder med lägre investeringskostnader - Andra applikationsområden