FG Baustatik, Stahlbau, FEM
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Keywords
- Ratcheting (15)
- Vereinfachte Fließzonentheorie (12)
- Shakedown (9)
- Zarka-Methode (7)
- Dehnschwingbreite (6)
- KTA (6)
- Zarka's method (6)
- cyclic loading (5)
- Simplified Theory of Plastic Zones (4)
- progressive Deformation (4)
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Die Vereinfachte Fließzonentheorie dient der Berechnung der elastisch-plastischen Beanspruchungen einer Struktur infolge monotoner oder zyklischer Belastung auf der Basis der Zarka-Methode. Sie wurde bereits in den Vorhaben SR 2221, SR 2226 und in früheren Unteraufträgen zum Vorhaben SR 2298 vorgestellt und ihre Leistungsfähigkeit durch umfangreiche Beispielrechnungen relativ einfacher Strukturen mittels Handrechnung belegt. Für realistische und somit kompliziertere Konfigurationen von Bauteilgeometrie und Belastung ist dagegen eine Implementierung der Vereinfachten Fließzonentheorie in ein Finite-Elemente-Programm erforderlich. Dies setzt eine Anpassung der Theorie an diskrete anstelle kontinuierlicher Systeme voraus. Das anzuwendende Finite-Elemente-Programm muß bestimmte Anforderungen erfüllen, um eine Implementierung zu gestatten. Anhand beispielhafter Anwendungen wird gezeigt, dass die Vereinfachte Fließzonentheorie auch auf Finite-Elemente-Modelle anwendbar ist.
This paper is intended to provide an overview of different aspects of ratcheting under cyclic loading below the creep range. It distinguishes between material ratcheting and structural ratcheting, each being characterized by several different phenomena which appear in different configurations of materials, states of stress, structural geometries and loadings. The systematic compilation of these phenomena presented in the paper may help to improve understanding between material researches, developers of inelastic methods of analysis, structural analysts and design code committees. Above all, a certain degree of knowledge about the different mechanisms of ratchetting is important for a structural analyst to be able to choose an appropriate analytical method for assessing the ratcheting phenomena involved in a specific design problem.
Plastische Tragreserven werden im Stahlbau häufig planmäßig in Anspruch genommen und zumindest auf der Bewertungsseite (Verfahren Elastisch - Plastisch der DIN 18800) oder zusätzlich auch auf der Ermittlungsseite der Beanspruchungen (Verfahren Plastisch - Plastisch) quantitativ berücksichtigt. In diesen Nachweisverfahren lauern jedoch einige Gefahren, die nicht immer leicht zu erkennen sind. Einige davon werden in diesem Beitrag angesprochen.
Es wird eine Vereinfachte Fließzonentheorie zum Nachweis gegen Ratcheting (progressive Deformation) vorgestellt. Sie beruht auf der Zarka-Methode und gestattet nicht nur festzustellen, ob die Struktur infolge zyklischer Belastung elastisch oder plastisch einspielt (qualitativer Nachweis), sondern auch die Bestimmung der mit dem Einspielen verbundenen elastisch-plastischen Dehnungen und Verformungen (quantitativer Nachweis). Der vorliegende Bericht stellt eine Erweiterung zum Vorgängervorhaben SR 2221 dar, das (unter anderem) bereits eine Variante der Zarka-Methode zur Berechnung elastisch-plastischer Dehnschwingbreiten (Faktor Ke) zum Inhalt hatte. Die der Vereinfachten Fließzonentheorie zugrunde liegenden Annahmen und die Vorgehensweise bei ihrer Anwendung für einen Ratcheting-Nachweis werden dargestellt und kritisch diskutiert. Umfangreiche Beispielrechnungen erläutern die Methode.
Design codes require to demonstrate that certain limits of inelastic deformation are not exceeded during the service life of a structure. If the loading is cyclic, inelastic strains may accumulate cycle by cycle and may exceed specified allowables after a number of cycles before a stationary state (elastic or plastic shakedown) is achieved, or the inelastic strains may grow unboundedly due to a ratchetting mechanism.
In principle, inelastic deformations can be calculated by performing evolutive (step-by-step) inelastic analyses. These require specific information, which is, however, not always available, such as detailed constitutive modelling and loading history. Furthermore, evolutive inelastic analyses are very costly. Therefore, simplified inelastic analyses are desirable to provide at least partial information about structural behaviour: more specifically, upper bounds on, or estimates of, elastic-plastic-creep deformations.
Some simplified methods are envisaged by design codes (as pointed out in Chapter 2). However, they are based on specific configurations of geometry and loading or they adopt heuristic assumptions, the reasonability of which is not always evident for general applicability within the scope of these codes. Accordingly, design codes seem to require improvements.
Several simplified methods are reviewed in the present Report and might serve as alternatives to those suggested by design codes. Simplified methods can be grouped in two classes: (a ) procedures intended to determine a safety factor against a critical event of the global structure (such as collapse); (b ) techniques apt to provide information on local quantities (such as inelastic strain) associated to inelastic structural responses. Procedures of class (a ) and some of their recent extensions are briefly surveyed in Chapter 3. Subclasses of category (b ) are discussed in the subsequent Chapters, with emphasis on their operative peculiarities and on their practical usefulness or potentialities.
Upper bounds in plasticity (Chapter 4 and Appendix A) can be computed by various approaches, basically by satisfying a set of equations and inequalities and by carrying out some optimisation procedure. To within the consequences of modelling errors, residual post shakedown quantities are guaranteed to be bounded from above: this circumstance is referred to by the adjective "rigorous". A number of bounding inequalities can be proved. Usually, the better (lower) the bound, the more expensive is its computation. However, computational advantages over other simplified approaches can hardly be ascertained in general.
Upper bounds in creep (Chapter 5) are based on general rigorous mechanical foundations, but the applications available mostly concern particular cases employing "ad hoc" imaginative, sometimes heuristic assumptions which are not easy to transfer to other cases. Mostly, elastic-perfectly plastic material behaviour and the Bailey-Orowan creep model are assumed.
Some simplified methods, such as the British shakedown method (Chapter 6), intend to estimate residual stress fields after elastic shakedown (the British method also, in certain circumstances, after plastic shakedown). They adopt empirically corroborated conjectures, rather than rigorous arguments. Material hardening is neglected.
Zarka's method (Chapter 7 and 8 and Appendix B) provides estimates of the mean strain in case of elastic shakedown and, in addition, a lower and an upper estimate of strain range in case of plastic shakedown, by adopting some heuristic assumptions. The validity of these assumptions is difficult to assess in practical applications. Material hardening is required.
The method developed by Ladevèze and coworkers (Chapter 9 and Appendix C) is not, strictly speaking, a simplified method, in the sense that it provides the same kind of information as rigorous evolutive analyses. The simplification lies in the solution process, which can be stopped after a few iterations since each one of these concern the whole
time interval of interest. Thus estimates are achieved of the structural inelastic response over a large time interval (much larger than the time step in an evolutive analysis). General material models are admitted.
None of the simplified methods reviewed in the present Report can directly be recommended for general practical use in nuclear design situations. However, some of them seem to have at least no less potentialities than the methods mentioned so far by design codes. Further work is necessary to clarify the conditions under which they are advantageous.
Das Phänomen Ratcheting - Auswirkung plastischen Materialverhaltens bei ortsveränderlicher Belastung
(2017)
Bei Belastungsänderungen kann eine progressive Deformation (Ratcheting) auftreten, sobald plastische Beanspruchungen im Tragwerk existieren. Dann akkumulieren sich Dehnungen und Verformungen im Falle zyklischer Belastung in jedem Belastungszyklus. Dieser Vorgang begrenzt die Lebensdauer eines Tragwerks, ist aber unabhängig von einer eventuell ebenfalls auftretenden Ermüdungsschädigung als eigenständige mögliche Schadensursache zu betrachten. Bekannt als Auslöser von Ratcheting und in manchen Regelwerken bereits berücksichtigt sind Konfigurationen, bei denen ein Tragwerk mindestens zwei unterschiedlichen Belastungsarten unterworfen ist, nämlich einer konstanten Belastung (der Primärlast) und einer überlagerten zyklischen Belastung. Selbst wenn letztere klein ist und für sich alleine keine plastischen Deformationen hervorruft, kann sie durch Zusammenwirkung mit der Primärlast dennoch eine progressive Deformation in Gang setzen.
In der vorliegenden Arbeit wird ein weiterer, Ratcheting erzeugender Mechanismus vorgestellt, der allein auf ortsveränderliche Wirkung einer einzelnen Lastgröße zurück zu führen ist. Im einfachsten Fall lässt sich dieser erklären durch die sukzessive Aktivierung von (gegebenenfalls unendlich vielen existierenden) Fließgelenken. Die Inkremente der Dehnungen und Verformungen können von Zyklus zu Zyklus ab- oder zunehmen, wenn die Verfestigung des Werkstoffs berücksichtigt wird, elastische Bettung vorliegt, die Formulierung des Gleichgewichts am verformten System erfolgt (Theorie II. Ordnung) oder die wahre Verformungsgeometrie (Theorie III. Ordnung) berücksichtigt wird.
According to the relevant KTA-Rules, e.g. KTA 3201.2, strain correction factors — Ke-factors — have to be used in the fatigue analysis of pressurised components if the strain intensity ranges are determined by elastic analyses, and if in this case the range of primary plus secondary stress intensity exceeds a certain limit. This limit is three times the design stress intensity value, Sm, and thus approximately corresponds to twice the value of the 0.2% strain limit. The relations given in the above-mentioned rules to determine the Ke-factors for considering plastification have proved to be very conservative in many cases compared with the strain intensity ranges that were determined by complete elastic–plastic analyses. In order to improve the validity of the fatigue analysis, the topic of `Performance of fundamental work to prepare concrete proposals for realistic Ke,r-factors (strain correction factors) to consider plastification at large strain amplitudes' was one of the subjects of the BMU project SR 2063. In summary, the result was that the proposed realistic Ke,r-factors present a real alternative to the Ke-factors of the regulations; the latter serve a mostly conservative registration of the observed elastic–plastic strain but cannot be explained in terms of physics and are not formulated in a manner adequately specific of any material. The exemplary verification calculations that have been performed so far show, furthermore, that the proposed realistic Ke,r-factors can be easily determined and also deliver sufficiently conservative results. This new method therefore has great potential which, however, still has to continue to be verified by further calculations before it can be included in the KTA-Rules.
The Simplified Theory of Plastic Zones (STPZ) may be used to determine post-shakedown quantities such as strain ranges and accumulated strains. The principles of the method are summarized succinctly and the practical applicability is shown by the example of a pipe bend subjected to internal pressure and cyclic in-plane bending.
The Simplified Theory of Plastic Zones (STPZ) may be used to determine post-shakedown quantities such as strain ranges and accumulated strains at plastic or elastic shakedown. The principles of the method are summarized. Its practical applicability is shown by the example of a pipe bend subjected to constant internal pressure along with cyclic inplane bending or/and cyclic radial temperature gradient. The results are compared with incremental analyses performed step-by-step throughout the entire load history until the state of plastic shakedown is achieved.
Im Zuge einer Ermüdungsanalyse plastisch beanspruchter Komponenten von Kernkraftwerken werden Dehnungserhöhungsfaktoren Ke zur Ermittlung der plastischen Dehnschwingbreite aus elastisch berechneten Beanspruchungen verwendet. Ausgehend von einer Kritik an der derzeit üblichen Vorgehensweise nach ASME Code wird eine Modifikation vorgeschlagen.
Der Vorschlag basiert wie der Ke-Faktor des ASME Code (der auch von diversen KTA-Regeln übernommen worden ist) auf dem Konzept eines einfachen Faktors. Er beseitigt die potentielle Unkonservativität des ASME Code bei Kerben (Rundungsradien) und reduziert gleichzeitig dessen Überkonservativität in vielen anderen Anwendungsbereichen, indem drei unterschiedliche Effekte berücksichtigt und individuelles Werkstoffverhalten erfasst werden können. Zudem beruht er im Gegensatz zu Ke-ASME auf möglichst realitätsnahen Werkstoffdaten, die eher den Charakter von Mittel- als von Mindestwerten besitzen. Ferner ist die Anwendung dieses Vorschlages insofern einfacher als die des ASME Code, als die Suche nach der ungünstigsten Orientierung eines Schnittes durch die Wand, die i. allg. nicht einfach zu identifizieren ist, entfällt.
Eine Reihe detaillierter elastisch-plastischer Vergleichsrechnungen für hinsichtlich Bauteilgeometrie und Belastung typische Problemstellungen bei schnellen und Leichtwasserreaktoren bestätigen die Konservativität des Vorschlages.
Es wird ein Potential zur weiteren Reduzierung der Konservativität bei Anwendung auf Bauteile von Leichtwasserreaktoren im Rahmen eventueller zukünftiger Entwicklungsarbeiten aufgezeigt.
Es werden Ke,r-Faktoren als Dehnungserhöhungsfaktoren für vereinfachte elastisch-plastische Ermüdungsanalysen vorgeschlagen, die realistischer sind als in Regelwerken vorhandene Ke-Faktoren. Letztere dienen einer meistens konservativen Erfassung der auftretenden elasto-plastischen Dehnungen, sie sind aber weder physikalisch nachvollziehbar, noch werkstoffgerecht formuliert. Die bisher exemplarisch durchgeführten Verifikationsrechnungen belegen, dass die vorgeschlagenen realistischen Ke,r-Faktoren leicht bestimmbar sind und zudem ausreichend konservative Ergebnisse liefern. Somit liegt mit dieser neuen Methode ein beachtenswertes Potential vor, das jedoch noch durch weitere Verifikationsrechnungen abgesichert werden muss, bevor es in das KTA-Regelwerk eingebunden werden kann.
Es werden drei vereinfachte Methoden zur Berechnung elastisch-plastischer Dehnschwingbreiten infolge zyklischer Belastung von Komponenten der Kerntechnik vorgestellt. Es handelt sich um die Methoden von Roche, Seshadri und Zarka. Diese werden mit dem Faktor Ke des KTA-Regelwerks sowie dem im Vorhaben SR 2063 unterbreiteten Vorschlag zu seiner Modifikation verglichen. Die ihnen zugrunde liegenden Annahmen werden kritisch durchleuchtet. Ihre Anforderungen an das Werkstoffgesetz im plastischen Bereich sowie der erforderliche Berechnungsaufwand werden herausgestellt. Einfache Beispielrechnungen zeigen, durch Gegenüberstellung mit den exakten Werten, die erzielbare Genauigkeit.
Die Implementierung der Zarka-Methode als User-Subroutine in ANSYS wird vorgestellt. Ihr Ausbau-Potential zur Erfassung temperaturabhängiger Streckgrenzen und die Praxisrelevanz hiervon in Hinblick auf die Abschätzung elastisch-plastischer Beanspruchungen in zyklisch belasteten Tragwerken werden aufgezeigt. Anhand zahlreicher Animationen wird für einen thermozyklisch belasteten Behälterstutzen das thermische und das Strukturverhalten veranschaulicht und die Qualität der Zarka-Methode im Vergleich zu einer inkrementellen Analyse dargestellt.
The European Fast Reactor (EFR) collaboration with the EFR Associates Design and Construction Rules Committee, and the R&D Agreement (AGT9B) produced significant developments in design-by-analysis procedures for high temperature plant. Many of these developments are judged to be relevant to the non-creep conditions of LWR plant, and for this reason, the CEC DGXI Working Group Codes and Standards supported this study to review and make recommendations on their potential application for improving LWR design code procedures. The topics considered are judged to be those where the most significant and relevant developments have been made and the list, although not exhaustive, is as follows:
- Negligible creep criteria
- Design-by-analysis procedures for weldments
- Shakedown design rules
- Design-by-analysis methods for tubeplates
- Buckling rules
- Interaction diagrams for assessing ratcheting
- Rules for the prevention of elastic follow-up in piping
- Strain range enhancement
- Constitutive equations for inelastic analysis
- Margins on Level D criteria
- Zarka's method
Die Grundlagen der Vereinfachten Fließzonentheorie (VFZT) werden dargestellt. Für einige praxisnahe Beispiele aus dem Bereich der Kerntechnik wird die VFZT zur Ermittlung der Dehnschwingbreite und der akkumulierten Verzerrungen im Einspielzustand heran gezogen. Die Bewegungen des Spannungsbildvektors aufgrund veränderlicher Belastung werden anschaulich animiert im deviatorischen Hauptspannungsraum dargestellt. Die Entwicklung der Dehnungsakkumulation wird für zahlreiche Belastungszyklen im Spannungs-Dehnungs-Diagramm sowie im Dehnungshistogramm animiert dargestellt.
After distinguishing material ratcheting and structural ratcheting, different phenomena related to structural ratcheting are gathered. Ratcheting of elastic–plastic structures observed with stationary position of loads is distinguished from ratcheting with moving loads. Both categories are illustrated by examples. The effect of evolution laws for the internal variables describing kinematic hardening on the accumulation of strain due to a ratcheting mechanism, and whether the ratcheting mechanism ceases with the number of cycles so that the accumulated strains are limited, is discussed. Some conditions are shown, under which the Chaboche model can lead to shakedown. Scenarios where shakedown is guaranteed at every load level, or where it may or may not occur at a specific load level, or where it definitely cannot occur at any load level, are distinguished. Correspondingly, the usefulness of shakedown analyses, which are searching for maximum load factors assuring shakedown, or direct (or simplified) methods to obtain postshakedown quantities by avoiding incremental cyclic analyses is discussed.
Die theoretische Basis des vereinfachten Ermüdungsnachweises im deutschen, US-amerikanischen, französischen und japanischen kerntechnischen Regelwerk wird aufgezeigt. Insbesondere wird Kritik geübt am Faktor Ke. Mehrere alternative Berechnungsmethoden werden aufgezeigt (Hübel, Roche, Seshadri, Zarka). Die theoretische Basis des vereinfachten Ratcheting-Nachweises in den Regelwerken durch Begrenzung der Dehnungen wird kritisch gewürdigt, insbesondere die des Bree-Diagramms.
Life assessment of a structure subject to cyclic loading rests on quantifying strain accumulated prior to shakedown and the strain range experienced after plastic shakedown has been achieved. Few methods exist to predict these quantities. Zarka's method is one of these methods. It is evaluated by analyzing several examples of structures and comparing the quality of the results obtained and the numerical effort required with evolutive analyses by using a commercial Finite Element program.