Verifica a fatica delle vie di corsa per la linea di trasferimento coke della BHP, Port Kembla

Introduzione

Straus7 è stato utilizzato per analizzare le travi della via di corsa dei carrelli di trasferimento coke delle batterie di forni a coke della BHP Steel Works, Port Kembla, NSW, Australia. La trave fa parte della struttura di supporto binari e condotti per il sistema di controllo delle emissioni da coke. L'opera fa parte del progetto della BHP per il miglioramento ambientale di Port Kembla.

La trave a cassone porta il binario sul quale scorrono i carrelli di trasporto coke, a servizio delle batterie di forni a coke.I carrelli si spostano ad una velocità massima di 1 m/s. La trave ha una altezza totale di 2,000 mm ed una larghezza di 950 mm. Le ali sono ottenute da lamiera di spessore 50 mm e le anime sono ottenute da lamiere di 16 e 32 mm di spessore. La lunghezza complessiva della via di corsa è di 431.79 m ed è composta da singole travi che poggiano su portali. Ogni trave ha una controfreccia tipica di 6 mm.

Il binario appoggia su profilati 155 CT 79 che sono collegati all'anima delle travi mediante saldature di testa continue. Il profilato ha uno spessore d'anima di 15.7 mm, ma è stato considerato di 13.5 mm per tener conto della possibile corrosione lungo tutta la vita di progetto dell'opera.

Il progetto comporta un investimento di 93 milioni di dollari australiani.

Scopo dell'analisi

Il principale scopo dell'analisi era di valutare le tensioni complessive in luce nella trave e di verificare la resistenza a fatica delle saldature più sollecitate. Una sezione rilevante dell'analisi FEA era da dedicare alle parti maggiormente sollecitate della particolare sezione a cassone adottata per la trave. In particolare, è stata investigata la saldatura longitudinale di testa a piena penetrazione fra l'anima dei 155 CT 79 e l'anima della trave nei confronti di rotture per fatica indotte dai quattro carichi da 50 tonnellate applicate dalle ruote dei carrelli in movimento.

Analisi 2D

Una analisi bidimensionale con un modello basato su elementi beam è stata utilizzata per identificare la sezione critica della trave da analizzare. Le forze nodali rappresentanti i carichi delle ruote sono state poste nelle diverse posizioni che assumono le ruote per determinare i valori di progetto inviluppo dei momenti flettenti e delle forze di taglio. Il generatore di inviluppi di casi di carico di Straus7 è stato usato per rappresentare i diagrammi di momenti e tagli lungo l'asse della trave generati dal movimento del carrello.

Il generatore di Straus7 per sezioni di forma arbitraria è stato usato per determinare le proprietà di resistenza della sezione della trave da inserire nel modello 2D. La figura mostra la rappresentazione di Straus7 per l'elemento beam.

Analisi 3D

Successivamente è stato approntato un modello tridimensionale della parte di trave più sollecitata, usando un mix di elementi beam e spring, di shell sottili e di elementi brick solidi. Il tipo, la dimensione e la quantità di elementi sono stati scelti con cura in modo da assicurare la corretta messa in conto nell'analisi degli sforzi di flessione, taglio e torsione. Si è cercato di ottenere una forma quasi quadrata degli elementi piani (cioè con un rapporto di forma prossimo a 1), in particolare nelle zone dove l'analisi tensionale era più critica. La mesh è stata inoltre raffinata nelle zone di raccordo e con forature per valutare gli effetti di concentrazione delle tensioni.

I fissaggi dei binari del tipo regolabile BHP da 86 kg sono stati modellati con elementi brick solidi a 8 nodi per determinare correttamente il modo di trasferimento del carico dalle ruote alla trave. Il fissaggio Fabreeka SA47 ed il pattino di gomma vulcanizzata sono stati modellati con elementi a molla elicoidale (coil spring). Anche le zone di contatto sono state modellate mediante elementi spring.

Dimensioni del modello

Analisi

Siccome il carrello si muove ad una velocità massima di 1 m/s, il solutore statico lineare è stato considerato appropriato per analizzare la trave. Sono state determinate le reazioni nei nodi vincolati, onde eseguire una verifica dell'equilibrio globale.

Sono stati analizzati i casi di carico costituiti dal peso proprio (il peso delle strutture), dai carichi variabili (i carichi applicati dalle ruote), dalla eccentricità delle ruote e dalle forze trasversali durante il movimento, nonché le loro possibili combinazioni. In generale i carichi delle ruote sono stati applicati come pressioni agenti sulla faccia superiore degli elementi brick che modellano la perte superiore del binario. Il momento flettente massimo è stato applicato come pressione agente sulla faccia degli elementi piani rappresentanti la trave. Ogni caso di carico rappresentava una particolare posizione del carrello durante la sua corsa.

I carichi di progetto sono stati determinati come massimo inviluppo delle condizioni di servizio della struttura durante la sua vita di progetto (si è cioè tenuto conto di tutti i probabili fenomeni derivanti dall'uso e dall'ambiente circostante suscettibili di presentarsi durante l'uso della via di corsa e tali da influenzarne le condizioni di resistenza). Come conseguenza, in accordo con le norme di progetto, nessun fattore di sicurezza è stato applicato ai carichi per l'analisi a fatica. I valori di momento e di taglio applicati al modello sono i valori massimi determinati come sopra.

Le distribuzioni tensionali mostrate sono basate sulle tensioni interpolate fra elementi. Questa tecnica fornisce la miglior descrizione possibile della effettiva distribuzione tensionale ed inoltre risolve il problema delle discontinuità di tensione fra elementi per la rappresentazione grafica delle tensioni.

Analisi a fatica

L'analisi a fatica è stata condotta in accordo con la Section 11 di AS 4100-1990 e con la BS 7608:1993, "Code of Practice for Fatigue Design and Assessment of Steel Structures".

La variazione di tensione di progetto deve comprendere le tensioni normali e taglianti determinate da tutte le azioni previste sulla struttura (cioè momenti e reazioni). Quando tensioni normali e taglianti si presentano contemporaneamente, si sono calcolate le tensioni principali. Quando invece gli sforzi normali e di taglio non si presentano nello stesso istante, il danno compIessivo è stato ottenuto combinando i vari effetti con la regola di Miner.

La variazione di tensione utilizzata per la verifica a fatica è quella massima che si presenta nei punti di Gauss point sulla superficie degli elementi plate adiacenti al punto di possibile formazione di una fessura nella saldatura e non all'interno della saldatura stessa. Questo è da considerare corretto, perché la categoria d assegnata alla saldatura tiene già conto di una serie di fattori, quali la concentrazione locale delle tensioni, la dimensione e la forma del massimo difetto accettabile, il modo di carico, effetti metallurgici, sforzi residui, il procedimento di saldatura ed eventuali trattamenti termici successivi.