Advanced automated procedure for fatigue characterization of welded steel joints

Fatigue is a common failure in steel structure with welded joints; these, being their weakest parts, require accurate analysis verification. The thesis is aimed at providing a tool, named ABACO, that performs the fatigue checks of the possible crack locations in an automated way. It is based on a numerical procedure of general validity that needs to be specialized for each joint geometry. Fatigue cracks at the weld toe are verified according to the hot-spot stress method, in which the hot-spot stress range at the detail is obtained by applying the surface stress extrapolation technique (SSE); while for the verification of the fillet weld roots the stress range is evaluated on the plane of the weld throat. The first part of the thesis introduces the fatigue phenomenon with special reference to welded details.Then the fatigue verification is set in the official framework of two standard codes, BS 7608 and DNVGL-RP-C203, whose recommended analysis methods are tested on a dummy structure. After defining the basic hypothesis and requirements for ABACO, the implementation procedure of the tool is described in all phases for a three-sides node. ABACO converts input displacements into fatigue endurance of the joint, providing also an indication of the critical detail for that input configuration. The innovative way of combining finite elements analysis and hot-spot stress method in ABACO allows analysis time and cost reduction together with design optimization and, consequently, manufacturing cost reduction.

La fatica é uno dei principali motivi di collasso nelle strutture in acciaio con giunzioni saldate. Queste ultime, essendo gli elementi piú deboli, richiedono accurate procedure di verifica. La tesi definisce uno strumento, ABACO, in grado di svolgere in modo automatico la verifica a fatica delle possibili zone di propagazione della cricca nei giunti saldati. La procedura numerica su cui si basa ABACO ha valitá generale, ma richiede la specificazione per ciascuna geometria di giunto. Per la verifica delle cricche che si originano al piede della saldatura é usato il metodo dell’hot-spot, in cui lo stress range é calcolato estrapolando gli stress dalla superificie dell’elemento in prossimitá del dettaglio saldato (Surface stress extrapolation - SSE); per la verifica dei cordoni d’angolo, invece, lo stress range é calcolato nel piano della sezione di gola. Entrambe le verifiche sfruttano i risultati ricavati da una preliminare analisi ad elementi finiti del nodo. Nella tesi inizialmente si introduce il fenomeno della fatica con riferimento alle giunzioni saldate e lo si inquadra nel contesto normativo di due codici di riferimento, BS 7608 e DNVGL-RP-C203. Dopodiché sono analizzati i metodi di verifica indicati dalle normative tramite una applicazione numerica e formulate le ipotesi alla base della definizione di ABACO. Infine sono trattate nel dettaglio le fasi di implementazione di ABACO nel caso di un nodo a tre vie. Lo strumento ottenuto traduce gli input, in forma di spostamenti, in numero di cicli che la giunzione é in grado di resistere, indicando anche il dettaglio dimensionante per quella specifica configurazione di input. Il modo in cui ABACO combina l’analisi ad elementi finiti del nodo con il metodo di verifica dell’hot-spot, consente sia di ridurre tempi e costi di analisi sia di ottimizzare il design con conseguente riduzione dei costi di produzione.