Statisch en dynamisch belaste las- en klinkverbindingen
Statisch en dynamisch belaste las- en klinkverbindingen
Opgave 1
In de afbeelding bij deze opgave is een strip loodrecht op een plaat gelast. De strip en daarmee de las wordt zuiver wisselend belast in de pijlrichting.
De las wordt aangeduid als een “Detail category 50 las”. Het materiaal van de onderdelen is S235, materiaalnummer 1.0038 met een 0.2 rekgrens van R_{p0.2} = 235\ \text{MPa} en een treksterkte van R_m = 360\ \text{MPa}.
1a
Volgens Eurocode 3 Part 1.9 voor lassen wordt deze lasverbinding aangeduid als een:
a) Butt weld
b) Fillet weld
1b
Bereken de belastingvermoeiingsgrens \Delta\sigma_L (endurance limit) van de lasverbinding.
1c
Bereken de verhouding tussen de belastingvermoeiingsgrens \Delta\sigma_L van de strip zelf (zonder las) en die van de lasverbinding.
1d
De belasting veroorzaakte een belastingamplitude \sigma_a = 30\ \text{MPa}. Bereken het aantal belastingcycli tot breuk.
Opgave 2
In de afbeelding bij deze opgave is een hijsbalk weergegeven. De hijsbalk wordt cyclisch belast bij het heffen van een last. De hijsbalk bestaat uit een kokerprofiel met vierkante doorsnede. In het midden van de hijsbalk is een zogenaamd hijsoog verbonden met de hijsbalk. Het hijsoog is op een verstevigingsplaat gelast, die op het kokerprofiel is gelast.
2a
Stelling: Het maximaal toelaatbare buigmoment dat het kokerprofiel moet weerstaan bij een cyclische belasting wordt gunstig beïnvloed door de gelaste verstevigingsplaat.
a) Waar
b) Niet waar
2b
De hoeklas waarmee het hijsoog aan de verstevigingsplaat gelast is moet worden gecontroleerd door berekening. De maximale hijslast bedraagt 30 kN. De totale balklengte gemeten tussen de bevestigingspunten, aan beide uiteinden, voor het te hijsen gewicht is L = 4\ \text{m}. Het materiaal van de onderdelen is staal S235, materiaalnummer 1.0038 met een 0.2% rekgrens van R_{p0.2} = 235\ \text{MPa} en een treksterkte van R_m = 360\ \text{MPa}. De laslengte, eenzijdig gemeten is 0.5 m. Het hijsoog is dubbelzijdig gelast (langs beide kanten dus totale laslengte 2L). De lashoogte van de hoeklas a = 5\ \text{mm}.
Bereken de gemiddelde waarde van de equivalente spanning \sigma_{eq} in de dwarsdoorsnede “a” van de hierboven beschreven hoeklas bij statische belasting.
2c
De levensduur van de hoeklas tussen hijsoog en verstevigingsplaat onder invloed van de cyclische belasting moet worden berekend volgens Eurocode 3 Part 1.9. Volgens deze norm kan de las worden aangeduid met een “Detail category 40”. Bereken de belastingvermoeiingsgrens \Delta\sigma_L van de las.
Opgave 3
Een hijsinstallatie zal per dag 100 maal een volle container verplaatsen en deze daarna geleegd terugplaatsen. Een hijsbalk is opgebouwd uit een kokerprofiel met vierkante doorsnede met in het midden van de hijsbalk een zogenaamd hijsoog. Het hijsoog is op een verstevigingsplaat gelast, die op het kokerprofiel is gelast.
De sterkte van de hoeklas waarmee het hijsoog aan de verstevigingsplaat gelast is moet worden gecontroleerd door berekening. De maximale hijslast bedraagt P = 30\ \text{kN}. De laslengte, eenzijdig gemeten is 0.5 m. Het hijsoog is dubbelzijdig gelast (langs beide kanten dus totale laslengte 2L). De lashoogte van de hoeklas a = 5\ \text{mm}.
3a
Bereken de equivalente spanning \sigma_{eq} in de dwarsdoorsnede “a” van de hierboven beschreven hoeklas bij de gegeven maximale hijslast P.
3b
Bij het bewegen van de hijslast treden eveneens versnellingskrachten op. De vermoeiingslevensduur van de hoeklas onder invloed van de cyclische belasting moet worden berekend volgens Eurocode 3 Part 1.9. Volgens deze norm kan de las bij een “root crack” worden aangeduid met een “Detail category 40”. Bereken de belastingvermoeiingsgrens van de toegepaste hoeklas (in MPa met 2 decimalen).
Opgave 4
Volgens “Eurocode 3 Part 1.9 prEN 1993-1-9 Fatigue” kan een lasverbinding tussen een buis en een flens zoals in deze opgave afgebeeld is worden ingedeeld als een detail categorie 40. De buis is van constructiestaal S235, materiaalnummer 1.0038 met een 0.2% rekgrens van R_{p0.2} = 235\ \text{MPa} en een treksterkte van R_m = 360\ \text{MPa}. De buis heeft een uitwendige diameter van d = 100\ \text{mm} en een wanddikte van t = 5\ \text{mm}. De lashoogte a is gelijk aan de buisdikte t. Het lasmateriaal is wat sterkte betreft gelijk aan die van het constructiestaal.
4a
Bereken \Delta\sigma_R bij N_R = 10^5 belastingwisselingen.
4b
Een soortgelijke lasconstructie is toegepast in een kermisattractie waarin “wagons” via deze constructie zijn opgehangen. Hoe zou je het ontwerp “fail-safe” kunnen maken?
Opgave 5
Een schijfwerper is zodanig ontworpen dat de schijf tussen twee aangedreven wielen wordt meegenomen. De wielen zijn rondom voorzien van schuurlinnen, waardoor een hoge wrijving tussen de wielen en de schijf ontstaat. Het frame waarin de wielen zijn opgenomen en de wielen zelf hebben een hoge stijfheid. Omdat de diameter van de schijf altijd wat groter moet zijn dan de afstand tussen de wielen, ontstaat er een redelijk hoge contactkracht tussen de wielen en de schijf bij het lanceren wanneer de constructie een hoge stijfheid heeft.
De contactkracht F op afstand L resulteert in een buigmoment M. Het buigmoment resulteert in een spanning \sigma in de getekende lasverbinding. De lengte L = 100\ \text{mm}. De buis heeft een vierkante doorsnede van b \times h = 20 \times 20\ \text{mm} met een wanddikte t = 2\ \text{mm}. De vierkante buis is alleen aan de onderzijde en aan de bovenzijde over de volle breedte gelast tot een diepte h_{las} = 0{,}5t (zie tekening).
De las wordt volgens “Eurocode 3 Part 1.9 prEN 1993-1-9 Fatigue” aangeduid met een detail categorie 40.
5a
Bereken de trekspanning \Delta\sigma_R (in MPa zonder decimalen) in de las bij een contactkracht tussen het wiel en de schijf van F = 100\ \text{N}. \Delta\sigma_R is hier de top-top waarde als gevolg van de zuivere zwelbelasting (blz. 4 formuleboekje).
5b
De las die hier gebruikt is wordt volgens “Eurocode 3 Part 1.9 prEN 1993-1-9 Fatigue” verder aangeduid als een:
a) Butt weld
b) Fillet weld
Opgave 6
Het buizenframe van een krattenstapelstapelaar is door middel van een hoeklas verbonden met een plaat. Tijdens het stapelen van de kratten neemt de belasting op de hoeklas toe met het aantal kratjes dat wordt opgetild.
De buizen van het buizenframe hebben een vierkante doorsnede van b \times h = 20 \times 20\ \text{mm} met een wanddikte t = 2\ \text{mm}. De vierkante buis is alleen aan de onderzijde en aan de bovenzijde over de volle breedte gelast tot een diepte a = 0{,}5t. De las wordt volgens “Eurocode 3 Part 1.9 prEN 1993-1-9 Fatigue” aangeduid met een detail categorie 40.
6a
De las die hier gebruikt is wordt volgens “Eurocode 3 Part 1.9 prEN 1993-1-9 Fatigue” verder aangeduid als een:
a) Butt weld
b) Fillet weld
6b
Welke van de twee lassen zal het eerst bezwijken bij een vermoeiingsbreuk als gevolg van een zogenaamde “Zuivere zwelbelasting” van het buigmoment M (pagina 4 van het formuleboekje)?
a) De bovenste las.
b) De onderste las.
c) Dit is niet te zeggen omdat beide lassen dynamisch belast zijn en dezelfde afmetingen hebben.
Opgave 7
Een stalen balk wordt geconstrueerd door twee delen in de lengte aan elkaar te lassen. Een karretje zal zich over de balk bewegen. Onder in de figuur worden de detailcategorieën uit Eurocode 3 voor het in de lengterichting aan elkaar bevestigen van buisprofielen gegeven.
Een lange stalen balk wordt geconstrueerd door twee losse buisprofielen in de lengterichting aan elkaar te lassen met een stompe stuiklas. De losse delen hebben een vierkante doorsnede b \times h = 15 \times 15\ \text{mm} met een wanddikte t = 1{,}5\ \text{mm}.
Over de lange stalen balk zal een karretje gaan rijden. Hierdoor wordt de balk op buiging belast.
7a
Waar in de lasnaad zal als eerste een vermoeiingsbreuk optreden?
a) Aan de onderkant van de balk, midden in de las
b) Aan de onderkant van de balk, aan de rand van de las
c) Aan de bovenkant van de balk, midden in de las
d) Aan de bovenkant van de balk, aan de rand van de las
e) Aan de zijkant van de balk, midden in de las
f) Aan de zijkant van de balk, aan de rand van de las
7b
Noem een manier om de vermoeiingssterkte van de lasnaad te verbeteren.
7c
Wanneer het karretje over de balk rijdt, ondervindt de las een piekspanning van 100 MPa. Bereken de levensduur van de lasnaad voor deze spanning, uitgedrukt in het aantal keer dat het karretje over de balk kan rijden.
Opgave 8
Eurocode 3 geeft vermoeiingssterktes voor verschillende lasverbindingen van stalen constructies. Dit wordt aangegeven met een detailcategorie.
Op pagina 14 van het formuleboekje zien we dat we de detailcategorie van een lasverbinding kunnen verhogen door het lasvlak te slijpen.
8a
Kan je een hogere detailcategorie bereiken door een hogere kwaliteit staal te gebruiken?
a) Ja
b) Nee
8b
Verklaar je antwoord.
8c
Ga uit van een zuivere wisselbelasting van 75 MPa. Hoeveel vaker kan de vlakgeslepen verbinding belast worden in vergelijking met de onbewerkte las?