Ruostumattomien rakenneputkien käsikirja

Transkriptio

1 Tämä Ruostumattomien rakenneputkien käsikirja keskittyy Stalatube Oy:n ja Oy Outokumpu Stainless Tubular Products Ab:n tuotteiden ominaisuuksiin ja käyttöön eri sovelluskohteissa. Käsikirja on ensimmäinen kattava teos ruostumattomien rakenneputkien materiaaleista, ominaisuuksista ja mitoituksesta. Ruostumattomien rakenneputkien käsikirja Ruostumattomien rakenneputkien käsikirja Ruostumaton rakenneputki on rakenneosa, joka säilyttää voimansa koko elinkaaren ajan. Ruostumattomat teräkset ovat teräksiä, joissa on vähintään 10,5 % kromia.

2 Ruostumattomien rakenneputkien käsikirja

3 1

4 2

5 Teräsrakenneyhdistys ry on vuodesta 1971 lähtien edistänyt ja kehittänyt teräksen ja muiden metallien käyttöä rakennusteollisuudessa. Teräsrakenneyhdistys ry PL 381 Unioninkatu 14, 3. krs Helsinki Puh.: (09) Fax: (09) Internet: 3

6 Activating Your Ideas Outokummun ruostumaton teräs on suunnittelijan ykkösvalinta. Syyt siihen ovat selkeät: kauneus, lujuus, ympäristöystävällisyys sekä matalat elinkaarikustannukset. Ideat ovat sinun meiltä saat maailmanluokan teräksen, teknisen tuen ja asiantuntemuksen parhaan mahdollisen materiaalin valitsemiseksi. Inspiraation voima kantaa pidemmälle käytä se hyväksesi. Aktivoidu osoitteessa 4

7 LAAJIN VALIKOIMA Stalatube Oy on erikoistunut ruostumattomien rakenneputkien valmistukseen. Yli 30:n vuoden aikana yritys on kehittänyt kansainvälisen merkkituotteen, jota viedään globaalisti kaikille mantereille. Stalatube Oy:llä on laajin tuotevalikoima, jonka yksittäinen ruostumattoman rakenneputken valmistaja pystyy markkinoille tarjoamaan. Valmistusohjelmaan kuuluvat neliön- ja suorakaiteenmuotoiset ruostumattomat rakenneputket. Valikoimaan kuuluvat myös ruostumattomat lattaputket, jotka ovat hyvä vaihtoehto lattatangoille (lattateräksille). Toimitamme myös asennusvalmiita putkikomponentteja asiakkaan toivomuksen mukaisesti. Tilaamalla rakenneputket jo tuotantovaiheessa määrämitta- tai kulmakatkaistuina säästetään aikaa sekä kustannuksia työmaalla. Stalatube Oy Finland Taivalkatu 7 FI Lahti Tel (0) Fax +358 (0) Stalatube BV The Netherlands Touwslagerij 13 NL AT Zevenbergen Tel. +31 (0) Fax +31 (0) Panostamme laatuun. Yrityksellä on sertifioidut ISO 9001 ja ISO laatujärjestelmät. USE OUR STRENGTH Ruostumattomat rakenneputket Ruostumattomat lattaputket 25 x 25 x x 300 x 12.5 mm 30 x 20 x x 200 x 12.5 mm 40 x x 10 and 100 x 20 mm 5

8 Toimitus: DI Pekka Yrjölä, Teräsrakenneyhdistys ry Taitto: Teemu Seppänen, ark. yo 2008 Teräsrakenneyhdistys ry ISBN Kirjapaino: Libris Oy, Helsinki 6

9 Esipuhe Tämä Ruostumattomien rakenneputkien käsikirja perustuu ensisijaisesti eurooppalaisiin Eurocode-standardeihin ja erityisesti ruostumattomia teräksiä koskevaan standardiin SFS-EN :2007, joka on tarkoitettu käytettäväksi pääsääntöisesti rakenteiden ja rakennusteknisten töiden suunnitteluun. Käsikirjan rakenneputkille esitettyjä ohjeita voidaan kuitenkin käyttää soveltuvin osin myös muihin kuormaa kantavien rakenteiden suunnitteluun sekä materiaalin valintaan. Käsikirja on ensimmäinen laajempi ruostumattomien rakenneputkikomponenttien suunnitteluun kohdistettu teos. Käsikirjan tarkoituksena on helpottaa ruostumattoman teräksen valintaa rakenteelliseksi komponentiksi. Kirjaan on koottu hyödyllistä tietoa ruostumattomista teräksistä ja niistä tehdyistä rakenneputkista sekä niiden materiaaliominaisuuksista kuten korroosionkestävyys, lujuus, hitsattavuus ja valmistettavuus. Käyttösovelluksista, kantavien rakenteiden mitoittamisesta ja kustannustarkastelusta on omat osuutensa. Käsikirjaa voidaan hyödyntää sekä jokapäiväisissä työrutiineissa että oppimateriaalina. Käsikirjan sisällön on koonnut DI Pekka Yrjölä, joka toimii ruostumattomien terästen rakennesuunnittelun asiantuntijana Teräsrakenneyhdistys ry:ssä. Käsikirjan tekemisestä vastanneeseen ohjausryhmään ovat kuuluneet DI Jukka Säynäjäkangas, Outokumpu Tornio Works, Ins. Bengt Slotte Oy Outokumpu Stainless Tubular Products Ab ja DI Kenneth Söderberg, Stalatube Oy. Kirjan työstämiseen ja kommentointiin ovat osallistuneet DI Tero Taulavuori, DI Minna Sellman ja DI Pekka Vainio, Outokumpu Tornio Works, DI Jouko Kouhi ja TkT Olli Kaitila Teräsrakenneyhdistys ry, DI Asko Talja VTT, DI Antero Kyröläinen, Steelpolis Oy, TkL Asko Kähönen ja Ins. Hans Storbacka Oy Outokumpu Stainless Tubular Products Ab ja DI Petteri Maaranen, Ins. Jari Maukonen ja tuotannon kehittäjä Jukka Nyyssönen, Stalatube Oy. Käsikirjassa on osia kirjasesta Ruostumattomat teräkset, joka on eripainos Teknologiateollisuus Oy:n julkaisemasta ja Teknologiainfo Teknova Oy:n kustantamasta Raaka-ainekäsikirjasarjan osasta 1, Muokatut teräkset, kohdasta ruostumattomat teräkset. Kirjan taiton ja kannen suunnittelun on tehnyt ark.yo. Teemu Seppänen. Kirjan on painanut ja sitonut Libris Oy. Kiitokset kaikille käsikirjan valmistelutyöhön osallistuneille. Ohjausryhmä toivoo saavansa palautetta kirjan sisällön kehittämiseksi seuraavaan painokseen. Helsingissä Teräsrakenneyhdistys ry Käsikirjan sisällön oikeellisuus on tarkastettu huolellisesti. Emme kuitenkaan vastaa mahdollisista virheistä tai tietojen väärästä soveltamisesta aiheutuneista välittömistä tai välillisistä vahingoista. Käsikirjan tiedot ovat ohjeellisia. Oikeudet muutoksiin pidätetään. 7

10 Sisällysluettelo 1 Johdanto 10 2 Ruostumattomien rakenneputkien käyttökohteita 12 3 Ruostumattomat teräkset Ruostumattomat teräslajit rakenneputkien materiaaleina Mekaaniset ominaisuudet Fysikaaliset ominaisuudet Korroosionkestävyys Korroosion peruskäsitteet Yleinen korroosio Paikalliset korroosioilmiöt Korroosion ennaltaehkäisy Esimerkkejä materiaalinvalintaan Materiaalin valinta rakennuskohteeseen huomioiden mekaanisen lujuuden vaatimukset Uimahalliolosuhde Itämeren vesi Rakennuskohde kaupungissa Liikennevälineet Kulku- ja liikenneväylien rakenteet Maa- ja vesirakentaminen Ohjelmisto ruostumattoman rakenneputken valintaan mekaaninen kestävyys huomioiden Ohjelmisto ruostumattoman materiaalin valintaan korroosio huomioiden 45 4 Ruostumattomat rakenneputket Putkenvalmistus Rullamuovaus Yksittäisvalmistus taivuttamalla Teräslajit Mittavalikoimat Mittatoleranssit Lujuusluokat Pinnan viimeistelytilat Jatkojalostuspalvelut Tilauksen spesifiointi 54 5 Konepajavalmistus Pintakäsittelyt Hitsaus Hitsauslisäaineet Hitsauskaasut Railomuodot Hitsauslisäaineen valinta eripariliitokselle Hitsausjärjestys Hitsausliitosten jälkikäsittely Katkaisu ja aukotus Katkaisu Aukotus Ruuviliitokset ja itseporautuvat ruuvit Muu lastuava työstö 72 8

11 5.6 Taivutus Suurpainemuovaus Eri metallien liittäminen Rakenneosien toleransseista 81 6 Rakenneputkien liitosten kestävyysnäkökohtia 86 7 Ruostumattomista rakenneputkista valmistettavien rakenteiden 92 mitoitus standardin SFS EN mukaisesti 7.1 Rajatilamitoitus Rakenneputkesta valmistettavan rakenteen mitoitus huoneenlämpötilassa Materiaaliominaisuudet Rakenneputken poikkileikkausluokitus Vedetyn rakenneputken mitoitus Taivutetun rakenneputken mitoitus Keskeisesti puristetun rakenneputken mitoitus Puristetun ja taivutetun sauvan mitoitus Leikkausvoimalla kuormitettujen rakenneputkien mitoitus Hitsausliitokset Ristikkorakenteiden mitoituksesta Rakenneputken liitosten mitoitus Siirtymien laskennasta Rakenneputkesta valmistettavan rakenteen mitoitus palotilanteessa Materiaaliominaisuudet sekä teräksen palonaikaisen lämpötilan laskenta 117 SFS EN mukaisesti Materiaalin termiset ominaisuudet Ruostumattoman teräksen lämmön kehittyminen palotilanteessa Ruostumattomasta teräksestä valmistettavan rakenteen palotilanteen mitoitus Esimerkit Kustannustarkastelua Hintakehitys Elinkaarikustannukset Käsittely/huolto-ohjeita Varastointi Siirtely Työstäminen Valmiin rakenteen käsittely Pinnan huolto 144 Lähdeviitteet 146 Liite: Taulukko 1. Neliömäisten rakenneputkien poikkileikkaussuureet. 148 Taulukko 2. Suorakaiderakenneputkien poikkileikkaussuureet. 150 Taulukko 3. Pyöreiden rakenneputkien poikkileikkaussuureet. 152 Merkkien selitykset 154 9

12 1. Johdanto Ruostumattoman teräksen käyttö on lisääntynyt rakentamisessa julkisivujen materiaalina sekä muissa erityisesti näkyviin jäävissä rakenteissa. Koneenrakennuksessa sekä prosessi- ja kuljetusvälineteollisuudessa ruostumaton teräs on vakiinnuttanut paikkansa koneiden ja laitteiden runkojen, säiliöiden ja linja-autojen runko- ja korirakenteiden sekä kulkuväylien kaidejärjestelmien materiaalina korroosionkestävyyden, pitkäaikaiskestävyyden, hygieenisyyden, esteettisyyden sekä mekaanisen kestävyyden ansioista. Ruostumaton rakenneputki on edullinen valinta rakennemateriaaliksi, kun huomioidaan rakenteelta vaadittava mekaaninen kestävyys, pitkä elinkaari ja helppo huollettavuus sekä esteettinen ulkonäkö. Ruostumaton teräs on turvallinen valinta myös piiloon jäävissä rakenteissa, joissa kosteus voi aiheuttaa huonommin korroosiota kestävillä materiaaleilla vaikeasti tarkastettavissa olevan vaurion. Ruostumattoman teräksen kromipitoisuus (Cr) on vähintään 10,5 %. Yleisimmin käytetyt ruostumattomat teräkset sisältävät kuitenkin noin % kromia, jolloin korroosionkestävyys ja pinnan ulkonäkö säilyvät hyvin useissa käyttökohteissa. Ruostumattoman teräksen kestävyys korroosiota aiheuttavissa ympäristöissä perustuu materiaalin pinnan passiivikalvoon, joka muodostuu materiaalin kromin reagoidessa ilman hapen kanssa. Tämä passiivikalvo suojaa teräspintaa, jolloin muuta suojaa korroosiota vastaan ei tarvita. Mikäli pinta vahingoittuu, passiivikalvolla on kyky uusiutua nopeasti ilmassa olevan hapen vaikutuksesta. Ruostumattomissa teräksissä perusseosaineina ovat kromi (Cr) ja nikkeli (Ni). Näiden lisäksi ruostumaton teräs voi sisältää myös muita seosaineita kuten molybdeeni (Mo), titaani (Ti) ja mangaani (Mn). Seosaineiden pitoisuudet määrittelevät ruostumattoman teräksen lajin ja vaikuttavat sen mekaanisiin ja korroosio-ominaisuuksiin. Ruostumattoman teräksen perusryhmiä luokiteltuna metallurgisen faasirakenteen mukaan ovat austeniittiset, ferriittiset, austeniittis-ferriittiset (duplex-teräkset), martensiittiset ja erkautuskarkenevat ruostumattomat teräkset. Rakenteellisissa sovelluksissa käytetään austeniittisia, duplex ja ferriittisiä teräksiä. Näiden mekaaniset ominaisuudet sekä korroosionkestävyys on annettu standardeissa, ohjeissa ja määräyksissä. Erityisesti austeniittisilla teräslajeilla on voimakas taipumus muokkauslujittua kylmämuokkaamalla tapahtuvassa valmistuksessa. Materiaalin lujittumisen johdosta austeniittisten rakenneputkien mitoituslujuus voidaan korottaa vastaamaan kohonnutta lujuutta. 10

13 Lisäksi austeniittisten teräslajien mekaaniset lujuusarvot säilyvät korkeina mahdollisella käytönaikaisella lämpötila-alueella matalista lämpötiloista palonaikaisiin lämpötiloihin, mikä on hyödynnettävissä rakenteiden mitoitusohjeissa. Ruostumattoman teräksen suunnittelu käyttökohteeseen sisältää samanaikaisesti sekä rakenteen mekaanisen kestävyyden, valmistettavuuden, toimivuuden ja korroosionkestävyyden suunnittelun että pinnanlaadun valinnan. Käsikirja sisältää tietoa, joka helpottaa soveltuvan ruostumattoman teräslajin valintaa eri käyttökohteisiin. 11

14 2. Ruostumattomien rakenneputkien käyttökohteita Julkisivun kantavat rakenteet 12

15 Näkyviin jäävät pilarit Katteen kantava rakenne 13

16 14 Kaidejärjestelmät

17 Asuntorakentaminen 15

18 Kuljetusvälineet Elintarviketeollisuuden koneet 16

19 Teollisuusrakentaminen Tieväylät 17

20 3. Ruostumattomat teräkset Teräs luokitellaan ruostumattomaksi teräkseksi, kun sen kromipitoisuus (Cr) on vähintään 10,5 % /SFS EN :2005/. Standardisoituja ruostumattoman teräksen lajeja on noin kaksisataa, perustuen niiden soveltuvuuteen moninaisissa käyttökohteissa ja erittäin vaativissa prosessiteollisuuden ympäristöissä. Ruostumattoman teräksen metallurgisen faasirakenteen mukaan luokiteltuja perusryhmiä ovat austeniittiset, ferriittiset, austeniittis-ferriittiset (duplex-teräkset), martensiittiset ja erkautuskarkenevat ruostumattomat teräkset. 3.1 Ruostumattomat teräslajit rakenneputkien materiaaleina Rakenteissa käytettävät ruostumattomat teräkset on esitetty taulukossa Taulukon mukaisista teräksistä yleisimmät rakenneputkimateriaaleina käytetyt austeniittiset teräslajit ovat , , ja Projektikohtaisesti rakenneputkimateriaaleina käytetään myös austeniittisia teräslajeja , , , ja , duplexteräksiä , ja sekä ferriittisiä teräslajeja ja Austeniittiset teräslajit voidaan luokitella myös CrNi-, CrNiMo-, CrMn- ja runsasseosteisiin austeniittisiin teräksiin sisältämiensä kromin (Cr), nikkelin (Ni), molybdeenin (Mo) ja mangaanin (Mn) määrän mukaisesti. Rakenneputkien pinnanlaadut noudattavat pääosin standardin SFS EN :2005 määrittelyjä, kun materiaali putken valmistukseen tilataan ko. standardin mukaisesti. Rakenneputkien valmistajilla on omat tehdaskohtaiset pinnan viimeistelytilansa, joita on esitetty kohdassa 4.6. Rakenneputkien pinnanlaadun valinnassa on syytä olla yhteydessä rakenneputkien valmistajiin ja pyytää heiltä näytepaloja lopputuotteen pinnan määrittelyyn. Austeniittiset CrNi teräslajit 18 Tyypillinen seostus on 18%Cr-8%Ni. Austeniittiset CrNi teräslajit ovat eniten käytettyjä teräksiä. Niiden pääasialliset käyttökohteet ovat korroosiorasitukseltaan ei-aggressiiviseen maaseutu-, kaupunki- ja teollisuusympäristöön sijoittuvat rakenteet. CrNi-teräksien yleisimmät teräslajit ovat , , ja Näiden terästyyppien alhaisen hiilipitoisuuden CrNi versio on Teräslaji eroaa edellisistä hieman matalammilla Cr- ja Ni-pitoisuuksilla sekä korkeammalla typpipitoisuudella (N). Typpiseostuksensa ansiosta teräslajin lujuusarvot ovat korkeammat kuin peruslajeissa. Teräslajiin on seostettu pieni määrä titaania (Ti), joka parantaa materiaalin lujuusominaisuuksia korkeissa lämpötiloissa sekä vähentää riskiä herkistymiselle paksumpien materiaalien hitsauksen yhteydessä. Yli 6 mm:n seinämänvahvuuksilla suositellaan käytettäväksi alle 0,03 %:n hiilipitoisuuden sisältäviä tai titaanistabiloituja teräslajeja. Korroosio-ominaisuuksiltaan teräslajit ja ovat verrattavissa teräslajeihin ja

21 Austeniittiset CrNiMo teräslajit, Tyypillinen seostus 18%Cr-10%Ni-2, 0%Mo. Niiden pääasiallinen käyttö on rakenteissa, joiden sijaintipaikka on aggressiivinen kaupunki-, teollisuusympäristö tai meri-ilmasto. CrNiMo-teräksillä tarkoitetaan yleensä teräslajeja , , sekä Peruslaatu on ja sen suuremman hiilipitoisuuden omaava versio on Teräslaji sisältää seosaineena titaania (Ti), joka CrNiMo-teräksenkin osalta parantaa materiaalin lujuusarvoja korkeissa lämpötiloissa sekä vähentää riskiä herkistymiselle paksumpien materiaalien hitsauksen yhteydessä. Teräslaji sisältää seosaineena edellisiä suuremman määrän molybdeeniä (Mo), mikä parantaa materiaalin pistekorroosiokestävyyttä. Tämä teräslaji onkin yleisimmin käytössä vaativammissa teollisuusympäristöissä ja meriilmastossa. Austeniittiset CrMn teräslajit Tyypillinen seostus on 17%Cr-4%Ni-7%Mn-0,20%N. Amerikkalainen standardointi on luonut näille CrMn-teräksille nimikkeen 200-sarjan teräkset. Näissä teräksissä on pyritty vähentämään nikkelipitoisuutta säilyttäen austeniittinen kiderakenne korvaamalla nikkeliä mangaanilla ja typellä. CrMn-teräslajilla on lähes vastaava muovattavuus, korroosionkestävyys ja hitsattavuus, mutta paremmat lujuusominaisuudet verrattuna teräslajiin Niukemmin seostetuilla CrMn-teräksillä korroosionkestävyys, muovattavuus ja hitsattavuus eroaa CrNi-teräksistä riippuen seostuksesta. CrMn-terästen soveltuvuudesta rakennemateriaaliksi eri käyttökohteisiin on jo kokemuksia ja niitä voi tiedustella materiaalin ja putkiprofiilien toimittajilta. CrMn teräslajeista on julkaistu mm. tiedotteet New 200 series steel, an opportunity or a threat to the image of stainless steel, ISSF, 2005 ja 200 Series Stainless Steel CrMn grades, ASSDA, Runsasseosteiset austeniittiset teräslajit Runsasseosteiset austeniittiset teräslajit voivat sisältää seosaineita yli 50 % koostu- muksestaan. Näille teräslajeille ei voida antaa varsinaisesti tyypillistä seosainepitoisuutta. Ne on kehitetty vaativiin korroosioympäristöihin ja niiden seosaineiden pitoisuudet vaihtelevat teräslajien kesken. Runsasseosteisten austeniittisten teräslajien pääasiallisia käyttökohteita ovat erittäin vaativat ja korroosiorasitukseltaan aggressiivisen teollisuus- ja meriympäristön prosessilaitteet ja rakenteet. Runsasseosteiset austeniittiset teräslajit , , ja soveltuvat kuormaa kantaviin rakenneosiin, jotka sijaitsevat kloridia sisältävässä ilmastossa ja joita ei voida säännöllisesti puhdistaa kuten uima-altaiden yläpuolella sijaitsevat alaslasketut katot (EN :2006). Runsasseosteisten lajien muita etuja ovat ruostumattomien terästen paras korroosion- kestävyys sekä kohtalainen hehkutetun materiaalin mekaaninen lujuus. Runsasseosteisten austeniittisten rakenneputkien saatavuus on tarpeellista tarkistaa projektikohtaisesti. 19

22 Austeniittis-ferriittiset eli Duplex-teräslajit Tyypillinen seostus 22%Cr-4%Ni-3%Mo Duplex-teräslajien seosainepitoisuus määräytyy kuten runsasseosteisilla austeniitti- silla ruostumattomilla teräksillä pääosin korroosioympäristön vaatimusten mukaisesti. Keskiseostettujen ja runsaimmin seostettujen duplex-teräslajien , ja pääasiallinen käyttö on rakenteissa ja prosessilaitteissa, jotka sijoittuvat aggressiiviseen teollisuus- ja meriympäristöön sekä kevyen liikenteen siltojen rakenteisiin. Ruostumattomien terästen kasvava käyttö kantavissa rakenteissa on luonut kysyntää uusille duplex-teräksille ( lean duplex), joissa duplex-terästen mekaaniset ja korroosio-ominaisuudet on saavutettu niukemmalla seostuksella. Vähemmän seostettu lean duplex teräslaji soveltuu useisiin rakenneteknisiin sovelluksiin. Duplex-terästen etuna on niiden korkea mekaaninen lujuus, joka on noin kaksinker- tainen verrattuna hehkutettujen austeniittisten teräslajien vastaaviin arvoihin. Ferriittiset teräslajit Tyypillinen seostus rakenneputkissa käytettävissä ferriittisissä teräslajeissa on 10,5 % 18 % Cr. Yleisesti ferriittiset teräslajit perustuvat kromiseostukseen, johon korroosionkestävyys on suoraan verrannollinen. Runsaimmin seostetuissa ferriittisissä teräslajeissa seosaineena käytetään myös molybdeeniä. Teräslaji on yleisin ferriittisten ruostumattomien rakenneputkien materiaali (10,5%Cr). Toinen merkittävä rakenneputken materiaali on (18%Cr). Muiden ferriittisten teräslajien käyttö rakenneputkien materiaalina on harvinaista. Teräslajin käyttö suojaamattomana ulkotiloissa soveltuu kohteisiin, joissa pinnan ulkonäköön liittyvät vaatimukset ovat vähäiset. Tämän teräslajin rakenneputkien tyypillisiä käyttökohteita ovat linja-autojen kantavan rungon profiilit sekä korirakenteet. Ferriittisten teräslajien lämpölaajenemiskertoimen arvo on pienempi kuin austeniittisten ja sen arvo vastaa hiiliterästen arvoa. Ferriittiset ruostumattomat teräslajit eivät ole herkkiä jännityskorroosiolle. Niiden iskusitkeys matalissa lämpötiloissa ja murtovenymä ovat alhaisemmat austeniittisiin teräslajeihin verrattuna. Ferriittisistä teräslaaduista on olemassa mm. julkaisu The ferritic solution, properties, advantages, applications, ISSF,

23 Taulukko Yleisimmät ruostumattomat teräkset. Teräs 2) Tyypillinen kemiallinen koostumus, % R p0,2 [N/mm2] R p1,0 [N/mm2] Rm [N/mm2] A 5 [%] KV [J] Kuvaus 1) EN ASTM OUTOK C N Cr Ni Mo Muut RT 3) RT 3) RT 3) RT 3) RT 3) S ,02-11,5 0, Cr rakenneteräs ,04-16, Cr yleisteräs S , Ti+Nb Cr yleisteräs , Ti Pakoputki- ja katalysaattoriteräs Ferriittiset ruostumattomat teräkset , Ti+Nb Kuumavesivaraajateräs S32101 LDX ,03 0,22 21,5 1,5 0,3 5Mn Niukkaseosteinen duplex S ,02 0, ,8 0, Niukkaseosteinen duplex S ,02 0, ,7 3, Keskiseosteinen duplex Duplex teräkset S ,02 0, Runsasseosteinen duplex LN ,02 0,14 17,7 6, Rakenneteräs ,05 0, ,5Mn Mn-seosteinen yleisteräs ,04-18,1 8, Yleisteräs L ,02-18,1 8, Matalahiilinen yleisteräs LN ,02 0,14 18,5 10, Typpiseostettu ruostumaton ,04-17,3 9,1 - Ti Ti-stabiloitu ruostumaton Austeniittiset CrNi- ja CrMn-teräkset L ,02-18,2 10, Matalahiilinen ruostumaton ,04-17,2 10,2 2, "Haponkestävä" L ,02-17,2 10,1 2, Matalahiilinen "haponkestävä" ,04-16,9 10,7 2, "Haponkestävä" 2,6Mo L ,02-16,9 10,7 2, Matalahiilinen "haponkestävä" 2,6Mo LN ,02 0,14 17,2 10,3 2, Typpiseostettu "haponkestävä" Austeniittiset CrNiMo teräkset Ti ,04-16,8 10,9 2,1 Ti Ti-stabiloitu "haponkestävä" L ,02-17,3 12,6 2, Niukkahiilinen "haponkestävä" LMN ,02 0,14 17,8 12,7 4, Kemianteollisuuden erikoisteräs N L 0, ,3 1,5Cu Esim.Uimahallien vetokuormitetut rakenteet N ,02 0, ,5 0,5Cu Esim.Uimahallien vetokuormitetut rakenteet S SMO 0,01 0, ,1 Cu Esim.Uimahallien vetokuormitetut rakenteet Austeniittiset runsasseosteiset teräkset S ,02 0, ,5 5,5Mn Esim.Uimahallien vetokuormitetut rakenteet 1) Jaottelu kiderakenteen (ferriittinen, duplex eli austeniittis-ferriittinen, austeniittinen) tai seostuksen perusteella. 2) Teräslajit SFS EN / ASTM A240 / Outokumpu mukaan. Mekaaniset arvot SFS EN mukaan. Lihavoidut EN-standardin mukaiset teräslajit sisältyvät SFS EN standardiin, mutta myös muita teräslajeja voidaan käyttää, kun mitoitus on perusteltu standardin kohdan 7 mukaisesti. 3) Huoneenlämpötilassa (poik.), minimiarvo. 21

24 3.2 Mekaaniset ominaisuudet Kuvassa on esitetty tyypillisimmät ruostumattomien terästen jännitys-venymäkäyrien muodot. Ruostumattomilla teräksillä hiiliterästen myötörajaa vastaava jännitys määritetään 0,2 % pysyvän venymän aiheuttamana jännityksenä. Tyypillinen piirre austeniittisille ja austeniittis-ferriittisille ruostumattomille teräksille on suuri murtovenymä sekä korkea murtolujuuden ja 0,2 % -venymärajan suhde. Suuren murtovenymän ansiosta materiaalin lujittaminen kylmämuokkaamalla on mahdollista ilman, että murtovenymän tai murtolujuus/myötölujuus-suhteen arvo jäisi liian alhaiseksi standardien minimivaatimuksiin nähden. Kuvassa on havainnollistettu kolmen erilaisen ruostumattoman teräksen jännitysvenymä-käyriä. Alin käyrä kuvaa hehkutetun tilan jännitys-venymä-käyrää austeniittisilla teräslajeilla ja Ferriittinen teräslaji, , sijoittuu samalle lujuustasolle austeniittisten perusterästen kanssa, mutta sen murtovenymä on pienempi. Teräslajin (17Cr-7Ni) jännitys-venymäkäyrä sijoittuu austeniittisten peruslaatujen ja duplexterästen väliin. Tämän teräslajin 0,2 % -venymäraja vastaa hehkutetussa tilassa hiiliterästen lujuusluokan arvoa 355 N/mm 2. Hehkutetun tilan korkein lujuustaso saavutetaan duplex-teräksillä, joita edustaa kuvassa teräslaji Kuva Tyypillisiä hehkutetussa tilassa olevien ruostumattomien teräs ten ja hiiliteräksen jännitysvenymäkäyriä /Käsikirja- Ruostumattomien terästen käyttö kantavissa rakenteissa, Euro Inox, 2006/ 22

25 Kuvassa on esitetty austeniittisten teräslajien ja mekaanisten lujuusarvojen muuttuminen kylmämuokkausasteen kasvaessa. Austeniittisilla teräksillä on mahdollista saavuttaa rakenneteräksille tyypilliset myötölujuudet N/mm 2 pienellä kylmämuokkauksella ilman, että materiaalin sitkeys muuttuu merkittävästi. Duplex-terästen materiaalin sitkeys heikkenee voimakkaammin kylmämuokkausasteen kasvaessa. Standardin SFS EN :2007 mukaisesti suurin mitoituksessa hyödynnettävä myötölujuus on rajattu arvoon 480 N/mm 2. Tämä rajaus on voimassa Eurocoden mukaisesti mitoitettaessa. Ruostumatonta terästä käytetään kuitenkin rakentamisen lisäksi hyvin laajasti muillakin aloilla ja myös Euroopan ulkopuolella maissa, joissa ohjeet voivat erota standardin SFS EN ohjeista. Tästä syystä on huomioitava, että ruostumattomien terästen myötölujuutta 480 N/mm 2 korkeampi lujuus voi olla hyödynnettävissä muiden kuin EN-standardien mukaisten kohteiden mitoituksessa tai sovellettaessa muuta ohjetta. Kuva Austeniittisten teräslajien (vasen) ja (oikea) mekaaniset ominaisuudet kylmämuokkausasteen funktiona /Outokumpu Tornio Works/. Austeniittisilla kylmämuokatuilla teräksillä esiintyy jännitys-venymä-käyttäytymisessä anisotropiaa ja epäsymmetrisyyttä. Yleensä valssaussuuntaisen eli pituussuuntaisen puristuslujuuden arvo on alhaisin arvo. Kuvassa on esitetty tyypillisen kylmämuokatun austeniittisen teräksen jännitysvenymäkäyrät eri kuormitustyyppien ja suuntien mukaan. 23

26 Kuva Kylmämuokatun austeniittisen teräksen jännitys-venymäkäyrät valssaus- ja kuormitussuunnan mukaisesti jaoteltuna /Käsikirja - Ruostumattomien terästen käyttö kantavissa rakenteissa, Euro Inox, 2006/ Mikäli materiaalin myötölujuutta eri suuntiin tai - suuntaiselle kuormitukselle ei tunneta, minimimyötölujuuden (pituussuuntainen puristus) voidaan olettaa olevan 0,8-kertainen taulukon ,2 % venymärajan arvoon nähden/käsikirja - Ruostumattomien terästen käyttö kantavissa rakenteissa, Euro Inox, 2006/. Kylmämuokatut ruostumattomat teräkset jaotellaan standardin SFS EN :2005 mukaisesti lujuusluokkiin joko 0,2 % -venymärajan (esim. CP350, missä 350 tarkoittaa R p0,2(min) = 350 N/mm 2 ) tai murtolujuuden (C700, R m(min) = 700 N/mm 2 ) perusteella. Rakentamisessa käytettävät lujuusluokat määräytyvät standardin SFS EN mitoitusohjeiden mukaisesti myötölujuuden ylärajan ollessa 480 N/mm 2. Korkeampien lujuusluokkien materiaaleja voidaan käyttää, mikäli niiden ominaisuudet todetaan tarkoituksenmukaisiksi standardin SFS EN kohdan 7 ohjeiden mukaisesti. Taulukossa on esitetty yleisimmät rakentamisessa käytettävät lujuusluokat ja teräslajit, joilla on mahdollista saavuttaa kyseessä oleva lujuusluokka. Taulukko Kylmämuokatut teräkset SFS EN :2005 mukaisesti soveltuen SFS EN mukaisesti mitoitettaessa. 1) R p0,2 [MPa] R m [MPa] Saatavissa olevat teräslajit nauha- ja levytuotteina CP ), , , , CP , , , , C , , , , C , , , , ) EN mukainen lujuusluokka, CP = proof strength, C = tensile strength 24 2) Täyttää lujuusluokan vaatimukset pehmeäksihehkutetussa tilassa (2B)

27 3.3 Fysikaaliset ominaisuudet Erilaisten ruostumattomien terästen pääryhmien fysikaaliset ominaisuudet eroavat sekä hiiliteräksistä että keskenään toisistaan. Oleellisimmat erot eri ruostumattomien terästen pääryhmien välillä ovat tiheyden ja lämpölaajenemiskertoimien arvoissa. Taulukossa on esitetty ruostumattomien terästen fysikaalisia ominaisuuksia. Ferriittisillä ruostumattomilla teräksillä lämpölaajenemiskerroin on likipitäen samansuuruinen kuin hiiliteräksillä, duplex-teräksillä kerroin on hieman suurempi ja austeniittisilla laaduilla kerroin on noin 1,5-kertainen hiiliteräksiin nähden. Nämä erot näkyvät eri suuruisina lämpöliikkeinä rakenteissa lämpötilan vaihdellessa. Lämmönjohtavuus on ferriittisillä teräksillä suurin, mikä ilmenee käytännössä materiaalin nopeampana reagointina lämpötilan muutoksiin. Austeniittiset teräslajit eivät ole hehkutetussa tilassa ferromagneettisia, mutta kylmämuokkauksessa kiderakenteeseen syntyy muokkausmartensiittia, joka tekee teräksestä lievästi magneettisen. Ilman lisäainetta hitsattu ja lämpökäsittelemätön hitsi on lievästi magneettinen kiderakenteen ferriittisen faasin vuoksi. Edellä mainituista syistä johtuen austeniittisista ruostumattomista teräksistä valmistetut rakenneputket saattavat olla lievästi magneettisia. Ferriittiset ja duplex-teräksistä valmistetut rakenneputket ovat aina magneettisia. 3.4 Korroosionkestävyys Ruostumattomien terästen hyvä korroosionkestävyys perustuu teräksen pinnalle muodostuvaan läpinäkyvään kromirikkaaseen oksidikalvoon, jota kutsutaan passiivikalvoksi. Tämän kerroksen paksuus on vain muutamia nanometrejä (nm). Passiivikalvon syntyyn vaikuttavat teräksen kromipitoisuus sekä ympäristön hapettavuus. Rikkoutuessaan passiivikalvo kykenee uusiutumaan hapettavissa olosuhteissa ja tähän uusiutumiskykyyn vaikuttavaa kromin lisäksi myös nikkeli. Kappaleessa 3.4 esitetään muutamia korroosioon liittyviä peruskäsitteitä, ruostumattoman teräksen yleisiä ja paikallisia korroosiomuotoja sekä toimintatapoja joilla, voidaan välttää korroosiovaurioita. 25

28 Taulukko Ruostumattomien terästen fysikaaliset ominaisuudet / Outokumpu Steel Grades, Properties and Global Standards -esite/ Teräs Fysikaaliset ominaisuudet Ryhmä EN ASTM OUTOK Tiheys [kg/dm3] E [GPa] RT / 400 C α [10-6/ C] 100 C / 400 C λ [W/m C] RT / 400 C c RT [J/kg C] ρ RT [µωm] Ferriittiset ruostumattomat teräkset Duplex-teräkset CrNi- ja CrMn-teräkset CrNiMo-teräkset Runsasseos-teiset teräkset S ,7 220 / - 11,0 / - 28 / , ,7 220 / ,0 / 10,5 25 / , S ,7 220 / - 10,0 / - 25 / , ,7 220 / - 10,0 / - 25 / , ,7 220 / - 10,0 / - 25 / , S32101 LDX ,8 200 / ,0 / 14,5 15 / , S ,8 200 / ,0 / 14,5 15 / , S ,8 200 / ,0 / 14,5 15 / , S ,8 200 / ,0 / 14,5 15 / , LN ,9 200 / ,0 / 17,5 15 / , ,8 200 / ,0 / 17,5 15 / , ,9 200 / ,0 / 17,5 15 / , L ,9 200 / ,0 / 18,0 15 / , LN ,9 200 / ,0 / 17,5 15 / , ,9 200 / ,0 / 17,5 15 / , L ,9 200 / ,0 / 17,5 15 / , ,0 200 / ,0 / 17,5 15 / , L ,0 200 / ,0 / 17,5 15 / , ,0 200 / ,0 / 17,5 15 / , L ,0 200 / ,0 / 17,5 15 / , LN ,0 200 / ,0 / 17,5 15 / , Ti ,0 200 / ,5 / 18,5 15 / , L ,0 200 / ,0 / 17,5 15 / , LMN ,0 200 / ,0 / 17,5 14 / , N L 8,0 195 / ,8 / 16,9 12 / , N ,1 195 / ,8 / 16,9 12 / , S SMO 8,0 195 / ,5 / 18,0 14 / , S ,0 190 / ,5 / 16,8 12 / ,92 Termien selitykset: E = kimmomoduuli α = lämpölaajenemiskerroin λ = lämmönjohtavuus c = ominaislämpökapasiteetti ρ = resistiivisyys RT = huoneenlämpötilassa 26

29 3.4.1 Korroosion peruskäsitteet /Muokatut teräkset, Raaka-ainekäsikirja 2001/ Metallien korroosio luokitellaan kahteen ryhmään metallia ympäröivän väliaineen mukaan: 1) Kemiallinen korroosio ( kuivakorroosio ) on etupäässä kaasujen aiheuttamaa, jolloin metallipinta reagoi suoraan ympäristön kanssa (esim.savukaasut ta rikkivetykaasu). 2) Sähkökemiallinen korroosio ( märkäkorroosio ) on metallin korroosiota nestemäisessä ympäristössä, jolloin metallipinta reagoi sähkövarausten välityksellä (esim. vahvat hapot tai kloridipitoiset vesiliuokset). Sähkökemiallinen korroosio on näistä käytännössä yleisempi. Sähkökemiallisessa korroosiossa metallin pinnalle muodostuu kahdenlaisia alueita, joista toisella tapahtuu metallin liukenemista eli hapettumisreaktiota (anodi) ja toisella elektronien luovutusta eli pelkistysreaktiota (katodi). Aluetta, jolla metalli liukeneee, kutsutaan anodiseksi alueeksi. Anodiselta alueelta metallin liukenemisen myötä vapautuvat elektronit siirtyvät katodiselle alueelle, jossa elektronien luovutus ulkopuoliseen sähköä johtavaan liuokseen tapahtuu. Mitä suurempi virta muodostuneessa virtapiirissä kulkee, sitä suurempi on korroosionopeus. Anodisten ja katodisten alueiden muodostuminen metallin pinnalle voi olla seurausta esimerkiksi mikrorakenne-eroista, raoista, liasta tai paikallisista konsentraatioeroista.metallin pinnalle muodostuvaa sähkökemiallista potentiaalieroa kutsutaan korroosiopariksi. Kuvassa on esitetty sähkökemiallisen korroosion mekanismi. Kuva Sähkökemiallisen korroosion muodostama konsentraatiopari. Sähkökemiallinen potentiaaliero voi muodostua myös kahden sähköisessä kosketuksessa olevan eri metallin välille. Tällöin jalompi metalli muodostuu katodiksi ja epäjalompi syöpyväksi anodiksi. Kahden eri metallin paria kutsutaan galvaaniseksi pariksi ja korroosiomuotoa galvaaniseksi korroosioksi. Eri metallien jaloutta voidaan verrata sähkökemiallisen jännitesarjan avulla. Taulukossa oleva jännitesarja on tehty merivedessä. Mitä kauempana jännitesarjassa metallit ovat toisistaan, sitä suurempi sähkökemiallinen potentiaaliero (jännite) metallien välille muodostuu. Tällöin korroosionopeus anodiksi muodostuneella metallilla on suuri. 27

30 Taulukko Sähkökemiallinen jännitesarja merivedessä. Korroosionopeutta säätelevät potentiaalierot, metalli-ionien liikenopeus elektrolyytissä sekä elektronien siirtymisnopeus anodiselta alueelta katodiselle alueelle. Näistä hitain tapahtuma säätelee koko korroosioprosessin nopeutta. Usein metalli-ionien määrä teräksen pinnalla anodisella alueella kasvaa niin suureksi, että koko korroosioprosessi hidastuu. Tätä ilmiötä kutsutaan konsentraatiopolarisaatioksi. Konsentraatiopolarisaatiota tehokkaampi este korroosiolle on kuitenkin oksidikerroksen muodostuminen teräspinnalle. Kuitenkin esimerkiksi hiiliteräksen pinnalle muodostuva huokoinen oksidikerros tavallisesti ei kykene estämään sähkökemiallisen korroosioprosessin etenemistä. Metalleja, jotka muodostavat pinnalleen hyvin vaikeasti liukenevia kalvoja, kutsutaan passivoituviksi metalleiksi. Ruostumattomille teräksille on ominaista, että niiden pintaan muodostuu jo lievästi hapettavissa olosuhteissa ohut passiivikalvo, joka suojaa terästä syöpymiseltä. Riittävän alhaisessa ph:ssa tai voimakkaiden pelkistävien aineiden läsnä ollessa (esim. eräät hapot) passiivikalvo tuhoutuu täysin oksidikerroksen pelkistyessä. Eräät ionit, kuten kloridit ja sulfidit saattavat riittävän suurina pitoisuuksina esiintyessään estää passiivikalvon muodostumisen. Silloin teräs aktivoituu ja alkaa syöpyä. Toisaalta voimakkaiden hapettimien tai emästen vaikutuksesta teräs voi joutua niin sanotulle transpassiiviselle alueelle, jossa passiivikerros tuhoutuu ja teräs syöpyy. 28

31 3.4.2 Yleinen korroosio /Muokatut teräkset, Raaka-ainekäsikirja 2001/ Yleisessä korroosiossa teräksen pinta on aktivoitunut kauttaaltaan ja metalli syöpyy samalla nopeudella kaikkialta. Yleistä korroosiota esiintyy ruostumattomissa teräksissä silloin, kun käytetty teräslaji on täysin sopimaton kyseisiin olosuhteisiin ( esim. liian voimakas happo tai emäs) tai käyttöolosuhteissa on tullut raju muutos aikaisempaan nähden. Korroosio-ongelmat voidaan yleensä välttää kyseisiin olosuhteisiin sopivilla materiaalivalinnoilla. Muun muassa lähteissä Korroosiotaulukot (1979), DECHEMA (1987), ja Corrosion Handbook, Outokumpu 2004 on esitetty ohjeita materiaalinvalintaan eri olosuhteissa. Kuvassa esitetyt kaksi rikkihappopitoisessa ympäristössä ollutta nostokoukkua ovat syöpyneet osasta, joka on ollut kosketuksessa liuokseen. Kuva Teräksestä valmistetut nostokoukut, jotka ovat syöpyneet ollessaan kosketuksissa rikkihappoon (H 2 SO 4 noin 200 g/l, T = 40 C) (Outokumpu Tornio Works) Paikalliset korroosioilmiöt /Muokatut teräkset, Raaka-ainekäsikirja 2001/ Paikallisia korroosioilmiöitä ovat rako-, piste-, jännitys- ja raerajakorroosio. Tunnettaessa riittävän hyvin kyseisen sovelluksen valmistusmenetelmät ja ympäröivät olosuhteet, korroosiovauriot voidaan välttää oikeilla materiaalivalinnoilla. Mikäli olosuhteita ei pystytä hallitsemaan riittävän hyvin, paikallisen korroosion riski on olemassa. Paikalliset korroosiovauriot voivat esiintyä hyvinkin pienellä alueella, mutta niiden aiheuttamat ulkonäkö-, rakenne-, tai muut vauriot voivat vahingoittaa rakenneratkaisua huomattavasti. 29

32 Tyypillisiä ongelmakohtia ovat useimmiten rakenteessa olevat likaa keräävät raot sekä jälkikäsittelemättömät hitsisaumat. Väärä hitsauslisäaineen koostumus ja eri metallien liittäminen keskenään aiheuttavat usein ongelmia. Kosteissa olosuhteissa hiiliteräspöly ruostumattomalla teräspinnalla (vierasruoste) sekä korkeat kloridipitoisuudet aiheuttavat pistemäisiä syöpymiä tai värjääntymistä. Seuraavassa on esitetty muutamia paikallisia korroosiomuotoja ja keinoja niiden estämiseksi. Galvaanista korroosiota käsiteltiin edellä kohdassa Korroosion peruskäsitteet. Pistekorroosio (engl. pitting corrosion) Pistekorroosio alkaa pinnan passiivikalvon paikallisesta rikkoutumisesta. Rikkoutumisen voivat aiheuttaa esimerkiksi pintaviat, teräksen epätasainen koostumus tai ympäröivän liuoksen korkeat kloridipitoisuudet. Rikkoutunut alue muodostuu anodiksi ja ympäröivä alue katodiksi. Koska anodi on usein pieni suhteessa ympäröivään katodiin, korroosionopeus on aluksi suuri. Korroosionopeus hidastuu ajan kuluessa, mutta syöpymät voivat tunkeutua ohuiden seinämien läpi. Kuvassa on esitetty kuva pistekorroosiosta, joka on ydintynyt hitsin viereiselle hapettuma-alueelle kloridipitoisessa ympäristössä. Kuva Hitsin viereen syntyneen hapettuman alueelle ydintynyt pistekorroosio. Oikeanpuoleisessa kuvassa on esitetty hitsin poikkileikkaus vaurioituneelta alueelta. Pistekorroosion välttämiseksi lopputuotteessa on materiaalinkäsittelyssä oltava huolellinen. Hiiliteräspölyn pääsy metallipinnoille on estettävä. Hitsisaumat tulee jälkikäsitellä. Valmiiden teräspintojen säännöllinen puhdistus pienentää merkittävästi pistekorroosion esiintymistodennäköisyyttä. 30

33 Kloridipitoisten (Cl-) olosuhteiden kanssa on oltava erityisen varovainen. Tavanomaista ruostumatonta terästä (1.4301) ei esimerkiksi suositella vesijohtoputkistoihin kloridipitoisuuden ylittäessä 200 mg/l. Haponkestävillä teräksillä, kuten ja , vastaava raja on 500 mg/l. /Korroosiotaulukot (1979)/. Uimahalliolosuhteissa voi haihtuvan natriumhypokloriitin ja merien läheisyydessä kloridia sisältävien roiskeiden vuoksi ilmetä ongelmia myös runsaammin seostetuilla teräksillä. Näissä käyttökohteissa oikea materiaalinvalinta sekä säännöllinen puhdistus ovat välttämättömiä. Mikrobiologiset eliöt voivat varsinkin seisovassa vedessä aiheuttaa pistekorroosiota. Ongelmia on esiintynyt mm. palovesiputkistoissa, joissa putkistojen hitsisaumojen juurensuojaus on jätetty tekemättä. Oikean juurensuojauksen lisäksi veden säännöllinen juoksutus tai inhibiittorien käyttö vähentää mikrobiologisen korroosion riskiä. Teräksen pistekorroosion kestävyyttä voidaan verrata koostumuksen perusteella laskettavalla pistesyöpymiskertoimella (PRE, Pitting Resistance Equivalent), joka voidaan ruostumattomille teräksille laskea kaavalla PRE = % Cr + 3,3 x % Mo + 16 x % N. Esimerkiksi merivesilämmönvaihtimissa yleisesti käytetyn teräslajin (254 SMO )pistesyöpymiskerroin on 43, kun taas teräslajilla kerroin on 19. Taulukossa on esitetty eräiden yleisesti käytettyjen ruostumattomien terästen pistesyöpymiskertoimia (PRE) sekä laboratoriomittauksilla saatuja kriittisiä pistesyöpymislämpötiloja (Critical Pitting Temperature, CPT). Kriittinen pistesyöpymislämpötila kuvaa teräksen korroosionkestävyyttä passiivikalvon rikkoutumiseen tarvittavan lämpötilan avulla. On kuitenkin huomattava, että PRE ei korreloi suoranaisesti materiaalin käyttöiän kanssa. Teräslaji Cr% / Ni% / Mo% / N% EN ASTM (tyypilliset arvot) PRE* CPT (ASTM G150) ,2 / - / - / 0,01 11 < 15 C ,2 / - / - / 0,03 17 < 15 C ,0 / - / - / 0,01 / Ti+Nb 18 < 15 C ,0 / - / 2,1 / 0,01 / Ti+Nb ,2 / 4,5 / - / 0,20 / Mn 20 < 15 C ,8 / 6,4 / - / 0,07 18 < 15 C LN 17,5 / 6,5 / - / 0,16 20 < 15 C ,2 / 8,2 / - / 0,05 19 < 15 C L 17,2 / 10,1 / 2,1 / 0,05 23 ~ 17 C L 16,8 /10,6 / 2,6 / 0,05 26 ~ 22 C L 20,0 / 25,0 / 4,3 / 0,06 / Cu 35 ~ 61 C S ,0 / 18,0 / 6,1 / 0,20 / Cu+Mn 43 ~ 90 C S ,5 / 1,6 / 0,3 / 0,22 / Mn 26 ~ 20 C S ,0 / 4,8 / 0,3 / 0,10 26 ~ 18 C S ,0 / 5,7 / 3,1 / 0,17 31 ~ 52 C S ,0 / 7,0 / 4,0 / 0,27 / Mn 43 ~ 87 C * PRE = Cr% + 3,3x Mo% + 16x N% Taulukko Eräiden ruostumattomien terästen pistesyöpymiskertoimia (PRE) ja sekä kriittiset pistekorroosion muodostumislämpötilat (CPT) mitattuna 35 g/l NaCl-liuoksessa. (Outokumpu Avesta Research Centre). Huom! Pistekorroosion kestävyys ei ole lineaarinen esitettyjen lukuarvojen suhteessa. 31

34 Rakokorroosio (engl. crevice corrosion) Erityisesti metallit, joiden korroosionkestävyys perustuu passivoitumisilmiöön, kuten ruostumattomat teräkset, ovat herkkiä rakokorroosiolle. Korroosiota aiheuttavat aineet yleensä konsentroituvat rakojen väleihin altistaen rakoja sisältävät rakenteet korroosiovaurioille. Esimerkiksi kloridipitoisuus raossa voi olla huomattavasti muuta liuosta korkeampi. Lisäksi happipitoisuus, joka edistäisi passiivikerroksen uusimista, on usein raoissa matala. Näin ollen rakokorroosiota esiintyy useissa erilaisissa liuoksissa, jopa luonnon vesissä. Kloridi-ioneja sisältävät liuokset ovat erityisen vaarallisia. Rakokorroosion kannalta vaarallisin rakokoko on leveydeltään 0, ,1 mm. Hitsausliitoksen reunahaavat ja juurivirheet voivat myös olla rakokorroosion ydintymispaikkoina. Kuvassa on esitetty esimerkki rakokorroosiosta säiliön vaipan liitoksessa. Kuva Esimerkki hitsatun rakenteen rakokorroosiosta (Outokumpu Tornio Works). Rakokorroosion ehkäisemiseksi tulee rakenne suunnitella siten, ettei likaa kerääviä tasoja tai rakoja pääse muodostumaan. Niitatut liitokset, kierreliitokset tai hitsatut rakenteet vaativat erityistä huomiota. Rakoja voidaan myös tiivistää erilaisilla tiivistemassoilla kuten silikonilla. Rakenteiden säännöllinen puhdistus ja saostumien poistaminen esimerkiksi säiliöistä ehkäisevät myös rakokorroosion syntyä. Jännityskorroosio (engl. stress corrosion cracking) Jännityskorroosio on lähinnä austeniittisten ruostumattomien terästen ongelma ja sitä esiintyy lämpimissä kloridi- tai rikkivetypitoisissa olosuhteissa, kuumissa emäksissä tai erittäin kuumassa höyryssä, mikäli rakenteisiin kohdistuu samanaikaisesti riittävän suuri vetojännitys. Jännityskorroosion havaitseminen ennen murtumaa on usein vaikeaa, joten se voi aiheuttaa hyvinkin äkillisiä vahinkoja. Kuva on otettu luukun kautta vuotaneen kuumavesisäiliön ulkopinnalle ydintyneestä jännityskorroosiosta. Vaikka austeniittisten terästen jännityskorroosiota on tutkittu paljon, ei ole pystytty tarkasti määrittelemään niitä olosuhteita, joissa vaurio esiintyy. Yleensä tarvitaan ainakin seuraavien kolmen tekijän yhteisvaikutus ennenkuin jännityskorroosio on mahdollinen. 32

35 Kuva Jännityskorroosiomurtumaa vuotaneen kuumavesisäiliön ulkopinnalla. Pintaa on hiottu murtuman paikallistamiseksi. Murtumasta otetusta SEM-EDS -spektristä havaitaan mm. korkea kloridipitoisuus (Outokumpu Tornio Works). Riittävä vetojännitys Vetojännitykselle ei voida määrittää tarkkaa alarajaa, mutta käytännössä jopa puolet myötölujuudesta voi olla riittävä. Vetojännitys voi olla rakenteellista tai se voi olla peräisin valmistuksen kuten hitsauksen, taivutuksen ja koneistuksen, aiheuttamista jäännösjännityksistä. Paineen ja lämpötilan aiheuttamat jännitystilat voivat myös aiheuttaa riittäviä jännitystasoja. Lämmönvaihtimissa esiintyvät termiset jännitykset voivat riittää jännityskorroosion syntymiseen teräkselle Cl - -pitoisuuden ollessa vain 15 mg/l. Syövyttävä ympäristö tai passiivikalvon rikkovat ionit Kloridit (esim. HCl, NaCl, CaCl 2, MgCl 2 ) voivat hyvinkin pieninä pitoisuuksina aiheuttaa vaurion, mikäli lämpötila on korkea. Emäkset (esim. NaOH, KOH ja LiOH) ovat myös vaarallisia väkevinä (yli 20 %) ja kuumina (yli 80 C) liuoksina. Rikkivetyliuos (H 2 S) on voimakkaasti pelkistävänä liuoksena vaarallinen teräkselle erityisesti silloin, kun ph 4. Lämpötila Kloridien aiheuttamaa jännityskorroosiota esiintyy harvoin alle 50 C:een lämpötiloissa. Matalista lämpötiloista huolimatta uimahalliolosuhteissa on noudatettava erityistä huolellisuutta kohteissa, joita ei voida säännöllisesti puhdistaa (ks. kohta 3.5.2). Emästen lämpötilan tulee yleensä olla yli 80 C ennen kuin käytännössä on jännityskorroosion vaara. Rikkivety on vaarallinen myös matalissa lämpötiloissa. 33

36 Herkistyminen ja raerajakorroosio (engl. sensitization and intergranular corrosion) Herkistyminen ja sitä mahdollisesti seuraava raerajakorroosio ovat nykypäivän teräksiä käytettäessä harvinaisia. Ongelmia voi esiintyä lähinnä paksuilla (yli 6 mm:n ainesvahvuudet) hitsatuilla rakenteilla sekä tuotteilla, joiden hehkutus- tai käyttölämpötila-alue on C. Tällöin runsaasti hiiltä sisältävien terästen (> 0,06% C) hiiliatomit pystyvät muodostamaan suhteellisesti nopeasti raerajoille kromikarbideja. Raerajojen läheisyyteen muodostuu kromista köyhtyneitä alueita, joiden korroosionkestävyys alenee ja raerajakorroosion mahdollisuus kasvaa. Kuvassa on kuvaaja, josta selviää lämpötilan, teräksen hiilipitoisuuden ja hehkutusajan yhteys kromikarbidien muodostamiseen. Kuva Hiilipitoisuuden vaikutus ruostumattoman 18Cr-8Ni -tyyppisen teräksen herkistymisalttiuteen /Korroosiokäsikirja (1988)/ Korroosion ennaltaehkäisy /Muokatut teräkset, Raaka-ainekäsikirja 2001/ Korroosio-ongelmat voidaan useimmissa tapauksissa välttää oikealla materiaalinvalinnalla, rakennesuunnittelulla, käytöllä ja ylläpidolla. Seuraavassa on muutamia ohjeita korroosion ennaltaehkäisemiseksi. Yleinen korroosio on useimmiten seurausta väärästä materiaalivalinnasta. Kemiallisiin prosesseihin ja kuljetussäiliöihin valittavien materiaalien soveltuvuus tulee aina varmistaa kirjallisuuden, laboratoriokokeiden tai kenttäkorroosiokokeiden avulla. Piste- ja rakokorroosio estetään pitämällä teräspinnat puhtaana, välttämällä rakoja ja onkaloita rakenteessa sekä estämällä tiivistysaineella (esim. silikonimassa) nesteen pääsy kapeaan rakoon. Kuvassa on esitetty rakenneratkaisuja, joilla rakojen ja lian kerääntyminen voidaan välttää. Hitsausliitosten huolellinen jälkikäsittely on välttämätöntä. Jännityskorroosiota voidaan estää vähentämällä teräkseen kohdistuvia vetojännityksiä esimerkiksi rakennetta muuttamalla. Ympäristön syövyttävien aineiden pitoisuuden alentaminen, ph:n nostaminen (mutta ei yli ph=13) ja ympäristön lämpötilan 34

37 laskeminen (< 50 C) pienentävät korroosioriskiä. Ferriittisillä teräksillä ei esiinny jännityskorroosiota kloridiliuoksessa. Austeniittis-ferriittisillä teräksillä ja runsasseosteisillä austeniitisillä teräksillä on parempi jännityskorroosiokestävyys. Herkistyminen ja sitä seuraava raerajakorroosio vältetään useimmissa tapauksissa käyttämällä niukkahiilisiä (esim , AISI 304L) tai titaanistabiloituja (esim , AISI 321) teräslajeja, kun hitsataan paksumpia, yli 6 mm:n ainesvahvuuksia. Ohutlevyillä ei ole herkistymisvaaraa normaaleja valmistusmenetelmiä käytettäessä. Hehkutusja käyttölämpötila-alue C on kuitenkin haitallinen, mikäli olosuhde on syövyttävä. Mikäli rakenteen epäillään herkistyneen, on se liuotushehkutettava lämpötilassa C ja jäähdytettävä tämän jälkeen nopeasti. Galvaanisen korroosion vaara vältetään, kun eri metalleja ei liitetä suoraan kontaktiin. Jännitesarjassa (taulukko , kohta 3.4.1) toisistaan kaukana olevat metallit ovat erityisen alttiita muodostamaan galvaanisen parin. Mikäli kahden eri metallin liitos on välttämätön, tulisi ne eristää toisistaan esimerkiksi maalauksella. Ruuviliitoksissa on suositeltavaa käyttää ruuvin eristävää holkkia sekä tiivisterenkaita, jotka eristävät metallipinnat toisistaan. Liikkuvissa rakenteissa eristeen kestävyys tulee varmistaa, jolloin esimerkiksi kumityyny voi olla paras ratkaisu. Niittiliitoksissa voidaan joissakin vähemmän vaativissa korroosio-olosuhteissa käyttää jalompaa metallia epäjalomman levyn kiinnitykseen. Esimerkiksi ruostumattomien teräsniittien käyttö alumiinilevyjen kiinnittämisessä on usein onnistunut ratkaisu. Kuva Epäedullisia ja hyviä rakenneratkaisuja uima-halliolosuhteisiin sekä muihin korroosionkestävyyden kannalta vaativiin rakennuskohteisiin. 35

38 3.5 Esimerkkejä materiaalinvalintaan Useissa käyttökohteissa materiaalinvalinta perustuu aiemmin saatuihin kokemuksiin eli eräänlaiseen perimätietoon. Esimerkiksi tavanomaisissa käyttökohteissa, kuten taloustarvikkeissa, teräs on vakiinnuttanut asemansa. Rakentamisen kohteissa tyypillisimmät käytetyt teräslajit ovat , ja Lähitulevaisuudessa näitä perusmateriaaleja voivat korvata ferriittiset, mangaaniseosteiset austeniittiset sekä duplex-teräkset. Erikoisissa käyttöolosuhteissa voi ainoa mahdollisuus olla eri materiaalien kokeileminen riittävän kauan kyseessä olevalle altistukselle. Seuraavassa on esitetty lyhyesti muutamia esimerkkitapauksia materiaalinvalinnan kannalta Materiaalin valinta rakennuskohteeseen huomioiden mekaanisen lujuuden vaatimukset Rakennuskohteen lasikatteen tukirakenteen on säilytettävä kestävyytensä normaalilämpötilassa sekä 30 minuutin paloa vastaavassa tilanteessa. Lasikate sijoittuu yleisötilan pienen erkkerin julkisivuksi. Koska tukirakenne näkyy sekä sisä- että ulkopuolelta, on ruostumattomalle rakenneputkelle asetettu myös ulkonäkövaatimuksena esteettinen, luonnollinen teräksen harmaa pinta. Kantava rakenne muodostuu kevyestä ristikosta sekä sitä tukevista pilareista. Komponentit valmistetaan konepajalla hitsaamalla. Asennuspaikalla kiinnitykset tehdään ruuviliitoksilla. Rakenteen mitoitus voidaan tehdä 2D-elementtiohjelmistolla WinRami Stainless, jonka lyhyt esittely on kohdassa Huoneenlämpötilamitoitukseen valitaan materiaalin lujuusluokaksi CP350, joka takaa myötölujuuden nimellisen arvon 350 N/mm 2 hyväksikäytön mitoituksessa. Tämä vaatimus toteutuu austeniittisilla CrNi- ja CrNiMo-teräslajeilla kylmämuokatussa tilassa sekä teräslajilla ja duplex-teräksillä hehkutetussa tilassa. Duplex-teräksillä voidaan hyödyntää nimellinen myötölujuus N/mm 2 mitoituksessa. Palotilanteen kestävyyden tulee täyttyä 30 minuutin paloa vastaavilla teräksen lämpötiloilla. Suojaamattoman ruostumattoman teräksen lämpötila 30 minuutin palon jälkeen on C materiaalin paksuudesta riippuen. Eri ruostumattomien teräslajien kesken sen sijaan on suuriakin eroja mitoituksessa käytettävän tehollisen myötölujuuden suhteen. Titaanistabiloiduilla teräslajeilla sekä on muita ruostumattomia teräslajeja korkeampi lujuus korotetuissa lämpötiloissa. Siten teräslajin valinta on optimointia suhteessa palotilanteen hyväksikäyttöasteeseen ja materiaalin hintaeroon teräslajeihin ja sekä duplex-teräksiin nähden. Pinnan laaduksi voidaan määritellä esimerkiksi kuivaharjattu GRIT220/240 pinta peitattuna. Pinnankarheus on varsin hyvä ja helpohkosti sisätiloissa puhtaana pidettävä. Rakenneputken pinnaksi voidaan valita vaihtoehtoisesti mattamainen, heijastamaton pinta. 36

39 Rakenneputkien vaakapinnoille saattaa kerääntyä epäpuhtauksia ympäröivästä ilmasta. Samassa yhteydessä kun laseja pestään, on huomiota kiinnitettävä myös mahdolliseen teräsrakenteen vesipesuun ja kuivaukseen. Rakenneputken pinnanlaaduista on kerrottu enemmän kappaleessa 4. Rakenteen asennuksesta on tehtävä yksinkertainen suunnitelma, jota noudattamalla rakenteet saadaan turvallisesti ja pintoja kolhimatta asennettua paikalleen. Asennuksen yhteydessä mahdollisesti kolhitut pinnat tulee korjata vastaamaan alkuperäistä. Harjattujen ja hiottujen rakenneputkipintojen yhteydessä tämä on mahdollista suorittaa asennuspaikalla riittävän ohjeistuksen avulla Uimahalliolosuhde /Muokatut teräkset, Raaka-ainekäsikirja 2001/ Kohde: Kaiteet Veden lämpötila: 29 C Hallin lämpötila: 28 C Desinfiointiaineena käytetty natriumhypokloriitti (NaClO) on siinä mielessä ongelmallinen, että se voi haihtua kosteuden mukana ilmaan, jolloin natriumhypokloriitti sekä sen sisältämät kloridi-ionit (Cl-) voivat aiheuttaa korroosio-ongelmia. Haihtuminen on sitä suurempaa mitä korkeampi veden lämpötila on suhteessa hallin lämpötilaan. Toisaalta erilaiset korroosiomuodot, kuten värjäytyminen, pistekorroosio sekä jännityskorroosio, tulevat sitä todennäköisimmiksi mitä korkeampi on hallin lämpötila. Karkeasti ottaen nykyisissä kylpylänomaisissa uimahalleissa korroosiorasitus on suuri. Varsinkin muuta ympäristöä kylmemmät pinnat esimerkiksi kylmälaitteissa, hisseissä sekä ilmastointijärjestelmissä ovat suuressa vaarassa ruostumiselle. Perussääntö materiaalinvalinnassa on, että uimahalleissa tulee käyttää molybdeeniseosteisia CrNiMo teräksiä, kuten esimerkiksi ja Standardissa SFS EN suositellaan, että kantavissa rakenteissa, joita käytetään kloridipitoisissa ympäristöissä ja joita ei voida säännöllisesti puhdistaa (kuten esimerkiksi uima-altaiden yläpuolella olevat alaslasketut katot), käytetään vain teräslajeja , tai , ellei uimaveden kloridi-ionien konsentraatio ole < 250 mg/l (epätavallista), jolloin myös teräslaji on sopiva. Vastaavissa olosuhteissa voidaan käyttää myös vaihtoehtoisia teräslajeja, joille on osoitettu riittävä korroosionkestävyys jännityskorroosion suhteen. Oikean materiaalinvalinnan ohella tulee kiinnittää huomiota säännölliseen puhdistukseen, johon kuuluu muun muassa päivittäinen kaiteiden huuhtelu ja kuivaus. 37

40 3.5.3 Itämeren vesi /Muokatut teräkset, Raaka-ainekäsikirja 2001/ Kohde: Vedenottoputken välppä Paikka: Vaasan edusta, Merenkurkku Lämpötila: max. 25 C Itämeren suolapitoisuus vaihtelee sen eri osissa, kuten kuvasta ilmenee. Molybdeenipitoisen CrNiMo-teräksen käytössä kloridipitoisuuden ylärajana esimerkiksi vesijohtoverkoissa pidetään yleisesti 500 mg/l /Korroosiotaulukot/. Kuitenkin kyseinen teräs soveltuu käytettäväksi Pohjanlahdella ja Suomenlahdella, mikäli lämpötila on alhainen. Kuvassa on esitetty teräksen (AISI 316) kestävyys rakokorroosiota vastaan lämpötilan ja kloridipitoisuuden suhteen. Näin ollen kyseisen teräksen käyttö mainitussa käyttökohteessa on mahdollista. Korkeamman lämpötilan käyttökohteissa, kuten merivesilämmönvaihtimissa, tai suuremman kloridipitoisuuden alueille siirryttäessä tulee siirtyä runsaammin seostettuihin ruostumattomiin teräksiin, kuten , ja /Erfahrungen bei der Anwendungnichtrostender Stähle in chlorhaltigen Wässern, ISER (1996)/. Taulukossa on esitetty materiaalien soveltuvuutta mm. erilaisiin vesiin liittyviin korroosio-olosuhteisiin /Ruostumaton teräs maa- ja vesirakentamisessa, VTT, 2006/. Rakenneputken käyttösovelluksia meren tai sisäveden äärellä voivat olla esim. laitureiden kantavat rakenteet, kaidejärjestelmät ja paalutukset. Kuva Itämeren alueen veden kloridipitoisuus (Merentutkimuslaitos). Kuva Teräksen (AISI 316) kestävyys rakokorroosiota vastaan eri kloridipitoisuuslämpötilayhdistelmillä. Määritykset on tehty käytännön prosessiolosuhteissa neutraalissa vesiliuoksessa /Kovach, Thackray (1982)/. 38

41 Taulukko Ruostumattomien terästen korroosiokäyttäytyminen ja soveltuvuus erilaisiin olosuhteisiin maa- ja vesirakentamisessa /Ruostumaton teräs maa- ja vesirakentamisessa, VTT, 2006/. Itämeren vesi (murtovesi) Makea vesi Fouling (kiin nittyvät eliöt, meri- ja makeavesi) Maantiesuola Koirien urea (304) (304L) (301LN) ++ Cl < 200 mg/l (rk ja pk) + rk + (pk ja rk), jk ++ (pk) (LDX 2101) [+] (pk ja rk) [++] (pk ja rk) [+] rk [+] (pk ja rk) [++] (pk) (316L) (316) + (pk ja rk) ++ Cl<500 mg/l (pk ja rk) + rk ++ (pk ja rk) ++ (pk) (Duplex 2205) ++ (pk ja rk) ++ + (rk) [++] ++ + tai ++ = soveltuu käytettäväksi (pk ja rk) = piste- ja rakokorroosiovaara otettava huomioon erityisesti tiiviyttä vaativissa rakenteissa tai jos on vaara, että syöpyminen keskittyy rakenteen kantavuuden kannalta epäedullisesti rk = rakokorroosiovaara otettava huomioon rakenteita suunniteltaessa (rk) = kuten rk, mutta vaara pienempi jk = jännityskorroosioriski, jos vetojännityksiä ja CaCl 2läsnä [ ] = ei käyttökokemuksia Cl = kloridipitoisuus (mg/l) Aggressiivisempaan meri-ilmastoon materiaalin ja pinnanlaadun valinnaksi on julkaisu ASSDA Technical Bulletin Stainless Steel Tea Staining No 2 February Julkaisu koskee materiaalin valintaa valtamerten rannikkoalueilla, joissa meriveden kloridipitoisuus on huomattavan korkea verrattuna Suomen merialueiden vastaavaan ja lämpötilat ovat korkeampia kuin Suomen kesässä normaalisti koetaan. Valintaohjeessa suositellaan CrNiMo-teräslajeja, kun rakenne sijaitsee 5 kilometrin etäisyydellä merestä. Pinnanlaaduksi suositellaan mekaanisesti kiillotettua tai elektrolyyttisesti kiillotettua pintaa, jonka Ra-arvo on parempi kuin 0,5 µm. Nämä suositukset ovat hyvin samansuuntaiset kuin taulukossa on annettu Rakennuskohde kaupungissa /Muokatut teräkset, Raaka-ainekäsikirja 2001/ Paikka: Kohde: Keskikokoinen kaupunki Suomessa Rakennuksen verhoilulevyt katutasosta katonrajaan Ilmastollinen korroosiorasitus vaihtelee kohteen sijainnin mukaan. Maaseutuilmastossa voidaan yleisesti käyttää teräslajia , mutta kaupunki-ilmastossa on useimmiten suositeltavaa valita ns. haponkestävä teräs tai Korroosiorasitus on myös huomattavan paljon erilainen sadeveden huuhtelemissa rakenneosissa, kuten ulkokatossa, kuin likaa helposti keräävissä katutason seinälevyissä tai vaikeasti puhdistettavissa rakenneosissa. Likaantumiselle alttiit rakenneosat tulee puhdistaa esim. kuumavesipesulla 1-2 kertaa vuodessa. Taulukossa on esitetty materiaalinvalintoja erilaisiin olosuhteisiin. Taulukossa on esitetty materiaalinvalintaohjeita erilaisiin olosuhteisiin. 39

42 Taulukko Suositeltavat teräslajit eri ilmasto-olosuhteissa /Architects Guide... (1997)/, / SFS-EN :2006/ Teräslaji EN Ympäristön tyyppi ja korroosio-olosuhteen luokka Maaseutuilmasto Kaupunki-ilmasto Teollisuusilmasto Meri-ilmasto L M H L M H L M H L M H O X X O X X X X X X X X OK OK OK OK OK O O O X OK O X OK OK OK OK O OK OK O OK - - OK Korroosio-olosuhteet: L (low) = alhainen. Alhaisimmat korroosio-olosuhteet ko. ympäristössä. Esim. tiettyyn lämpötilaan lämmitetyt tilat, joissa on alhainen kosteus tai alhaiset lämpötilat. M (medium) = keskimääräinen. Melko tyypillinen ko. ympäristössä. H (high) = korkea. Korroosion todennäköisyys korkeampi kuin tyypillisessä ko. ympäristössä. Esim. korroosio kasvaa korkean kosteuden, korkean ympäröivän lämpötilan tai erityisesti aggressiivisten ilmansaasteiden takia. Merkinnät soveltuvuudesta: OK = Todennäköisesti paras valinta korroosionkestävyyden ja kustannusten kannalta. O = Tarkastelun arvoinen, jos ryhdytään sopiviin varotoimenpiteisiin (s.o. määritellään suhteellisen tasainen pinta ja sen jälkeen pinta pestään säännöllisesti). - = Mahdollisesti ylimitoitettu korroosion kannalta katsoen. X = Todennäköisesti tapahtuu liiallista korroosiota Liikennevälineet /Muokatut teräkset, Raaka-ainekäsikirja 2001/ Ruostumattomia teräksiä käytetään yleisesti junien ja bussien valmistuksessa sekä kantaviin että ei-kantaviin rakenneosiin. Tärkein peruste on ruostumattoman teräksen hyvä korroosionkestävyys, jolloin korroosiosuojausta voidaan vähentää tai kokonaan poistaa. Lisäksi austeniittisilla teräksillä saavutetaan hyvä sitkeys myös hitsatuissa rakenteissa. Käyttöolosuhteet junissa vaihtelevat maaseutuolosuhteista, kaupunki-ilmastosta aina meri-ilmastoon saakka. Näin ollen vaatimukset terästenkin korroosionkestävyydelle vaihtelevat. Tärkeitä mitoitusperusteita ovat staattisen lujuuden lisäksi väsymiskestävyys sekä kolariturvallisuus. Yleisimmin käytetään austeniittisia teräksiä , ja sekä hehkutetussa (2B tai 2D) että lujitetussa (2H) tilassa. Teräksen etuna on suurempi lujuus sekä hehkutettuna että kylmämuokattuna. Liittämisprosesseina käytetään kaarihitsausta (paksummat kantavat rakenteet), vastuspistehitsausta, liimapistehitsausta ja laserhitsausta. 40

43 Ruostumattomien terästen käyttö on yleistymässä linja-autojen valmistuksessa. Linjaautojen käyttöolosuhteet vaihtelevat maaseutuilmastosta meri-ilmastoon. Suhteellisesti suuri osa busseista operoi kaupunkiolosuhteissa. Erityispiirteenä linja-autojen käyttöolosuhteissa on voimakkaasti syövyttävän tiesuolan käyttö pohjoisilla alueilla. Ruostumattomien terästen käytöllä voidaan vähentää rakenneosien korroosiosuojausta. Tärkeitä suunnittelukriteerejä ovat staattinen lujuus, väsymislujuus ja rakenteiden paino. Linjaautojen valmistuksessa yleisiä teräksiä ovat ferriittiset ruostumattomat teräkset (putkipalkkeina) ja (ohutlevyinä) sekä austeniittinen ruostumaton teräs (putkipalkkeina ja ohutlevyinä). Putkipalkkien liittämisprosessina käytetään pääasiassa MAG-hitsausta. Ohuiden materiaalien liittämisessä on perinteisesti käytetty niittausta, jonka vuoksi ferriittiset teräkset hyvän porattavuutensa vuoksi ovat olleet suosittuja. Ferriittisten terästen korroosionkestävyys voidaan varmistaa esim. maalaamalla. Mielenkiinto ruostumattomien terästen käyttöön on kasvamassa myös henkilöautoteollisuudessa, jossa austeniittisten ruostumattomien terästen erinomaista iskusitkeyttä ja energian absorbtiokykyä voidaan hyödyntää kolariturvallisuutta kehitettäessä. Tällöin tulevat kysymykseen lähinnä teräslajit , ja , mutta hinnanmuodostuksen vuoksi ferriittiset teräkset ovat yleisimmin käytettyjä materiaaleja henkilöautoissa Kulku- ja liikenneväylien rakenteet Liikenneväylien rakenteissa ruostumattoman teräksen etuina ovat riittävä mekaaninen kestävyys ja pitkäaikaiskestävyydesta johtuvat edulliset huoltokustannukset. Käyttökohteina voivat olla kevyen liikenteen siltojen kaiderakenteet sekä sillan kantavat pilarit ja kehärakenteet, törmäyskaiteet, liikenteenohjaus- ja valaisintolpat, meluaitojen kantavat rakenteet sekä suurten betonipilareiden pintakuoret ja kokoontumistilojen kalusteiden rungot sekä sisä- että ulkotiloihin. Liikenne- ja kulkuväylien rakenteiden materiaalin valinnassa on eriteltävä, onko väylään liittyvä rakenne tiesuolauksen alainen. Mikäli suolausta ei käytetä ovat teräslajit , ja soveltuvia. Muutoin käytetään yleisesti teräslajeja , ja Korroosio-olosuhteet /Ruostumaton teräs maa- ja vesirakentamisessa, VTT, 2006/ Maantiesuolausta käytetään talvisin poistamaan jään aiheuttamaa liukkautta ja kesäisin sitomaan pölyä. Maantiesuola lisää ilmastollista rasitusta teiden varsilla ja alueilla, joille sitä voi kulkeutua. Suolasumu voi olla yhtä vaarallista kuin täydellinen upotusrasitus, koska kloridikonsentraatio väkevöityy veden höyrystymisen tai suolakiteiden syntymisen seurauksena. Esimerkiksi meluaidat, kaiteet, lyhtypylväät, liikennemerkit ja tienvarsien aidat ovat alttiita maantiesuolan vaikutuksille. Katujen varsilla olevat varusteet ja kalusteet ovat alttiita paitsi maantiesuolan vaikutuksille, myös koirien urealle. 41

44 Maantiesuolan vaikutus perustuu niiden kykyyn alentaa veden jäätymispistettä. Yleisimmin Suomessa käytetty kemikaali on natriumkloridi (NaCl). Toinen yleisesti käytetty kemikaali on kalsiumkloridi (CaCl 2 ), useimmiten yhdessä natriumkloridin kanssa. Haitallisimpia maan tiesuoloista ovat pölyä sitovat hygroskooppiset suolat, kuten kalsium- ja magnesiumkloridi. Maantiesuolat voivat aiheuttaa ruostumattomiin teräksiin paikallista syöpymistä. Materiaalin valinta /Ruostumaton teräs maa- ja vesirakentamisessa, VTT, 2006/ Maantiesuolan vaikutuksia ruostumattomiin teräksiin on esitetty taulukossa Materiaalit ja ovat alttiita piste-, rako- ja tietyissä olosuhteissa myös jännityskorroosiolle maantiesuolojen vai kutusalueilla. Myös haponkestävä teräs tai on altis jännityskorroosiolle huoneenläm pötilassa, jos kloridien konsentroituminen pinnoille on mahdollista ja ympäristössä vallitsee alhainen ilmankosteus. Jännityskorroosio ei kuitenkaan ole vaarana rakenteissa, joissa ei ole vetojännityksiä. Maa- ja vesirakentamisessa maantiesuolan vaikutuksille alttiina olevissa rakenteissa huomioon otettavia tekijöitä ovat erityisesti liitokset ja mahdolliset raot, koska rakokorroosion riski on suuri käytettäessä vähän tai ei ollenkaan molybdeeniä sisältäviä ruostumattomia teräksiä rakenteissa, joihin kloridien kon sentroituminen on mahdollista. Mikäli rakenteissa on esim. laippa- tai hitsiliitoksia, voi rakokorroosio olla alkuna myös jännityskorroosiosäröille. Taulukossa on esitetty yhteenveto koirien urean vaikutuksesta materiaalinvalintaan. Urea voi aiheuttaa pistesyöpymistä austeniittisissa ruostumattomissa teräksissä, mutta sen ei kuitenkaan uskota vaikuttavan niiden rakenteelliseen kestävyyteen. Pistesyöpymisvaaraa ei ole, mikäli kriittiset kohdat huuhtoutuvat tai huuhdotaan riittävän usein Maa- ja vesirakentaminen /Ruostumaton teräs maa- ja vesirakentamisessa, VTT, 2006/ Maa- ja vesirakentamisen osalta ruostumattomat rakenneputket soveltuvat maahan tai vesistöön upotettaviksi paaluiksi, laiturien rakenteiksi ja betonipaalujen suojakuoriksi. Alla olevissa taulukoissa on esitetty maalajien jaottelu korroosion aggressiivisuuteen perustuen sekä materiaalilajin pistekorroosionopeus kyseessä olevassa maaperässä. Tämä on eräs käyttösovellusalue, johon ruostumaton teräs soveltuu ominaisuuksiensa perusteella erinomaisesti. 42

45 Taulukko Maapohjien luokittelu korroosioherkkyyden perusteella /Ruostumaton teräs maa- ja vesirakentamisessa, VTT, 2006/ 1. Ei-aggressiiviset Häiriintymättömät luonnonmaat, joissa enintään vähäisessä määrin klorideja ja sulfaatteja (hiekka, siltti, savi, liuske). Maalajien eloperäisen aineksen osuus on alle 2 paino-%. Ellei tavanomaisin pohjatutkimuksin ja kohteen olosuhteiden tarkastelun perusteella maaperän ei-aggressiivisuutta voida riittävällä varmuudella todeta, aggressiivisuutta arvioidaan ensisijaisesti maan ja huokosveden kloridi- ja sulfaattipitoisuusmääritysten perusteella. 2. Jossain määrin aggressiiviset Saastuneet luonnonmaat ja teollisuusalueiden maa-alueet (yleensä). Tiivistämättömät, ei-aggressiiviset täytemaat (hiekka, siltti, savi, moreeni, murskeet). 3. Aggressiiviset maat ja väylärakenteet Aggressiiviset luonnonmaat (kloridi- ja sulfaattipitoiset savet ja siltit sekä liejut, suo, räme, turve) sekä suolatut väylärakenteet, joissa sulfaattipitoisuus on > 500 mg/maa-aines kg tai > 100 mg/l huokosvedessä, klorideja > 100 mg/maa-aines kg tai > 50 mg/l vesiliuoksessa. Tiivistämättömät ja aggressiiviset täytemaat (tuhka, kuona, aggressiivista luonnonmaata sisältävät täytöt). Kaikki pilaantuneet maapohjat, ellei niiden ei-aggressiivisuutta ole todettu. Maa-alueet, joissa esiintyy tasavirtalähteiden aiheuttama potentiaalikenttä. Taulukko Suositellut ruostumattomat teräslajit pohjamaan aggressiivisuuden perusteella sekä kes kimääräisen korroosion suuruusluokkatasot /Ruostumaton teräs maa- ja vesirakentamisessa, VTT, 2006/. Teräslaji Ei-aggressiivinen Aggressiivinen Niukkaseosteiset ferriittiset teräkset Austeniittiset CrNi teräkset (304), (304L) (301LN) Niukkaseosteinen duplex (LDX 2101) Haponkestävät CrNiMo teräkset (316 L) (316) Keskiseosteinen duplex (Duplex 2205) Ei poikkeamaa hiiliteräksiin Keskimääräinen korroosio: 1,2 mm / 100 v Keskimääräinen korroosio: 0, ,1 mm / 100 v Ei käyttökokemuksia, ole tettavasti parempi kuin yllä Keskimääräinen korroosio: 0, ,01 mm / 100 v Keskimääräinen korroosio: 0, ,01 mm / 100 v Ei poikkeamaa hiiliteräksiin Keskimääräinen korroosio: mm / 100 v Keskimääräinen korroosio: 0, mm /100 v Ei käyttökokemuksia, ole tettavasti parempi kuin yllä Keskimääräinen korroosio: 0, ,1 mm /100 v Keskimääräinen korroosio: 0, ,1 mm /100 v Huom. On huomioitava, että taulukon pohjana oleva aineisto on hyvin suppea sekä paikallisten olosuhteiden säätelemä. 43

46 3.5.8 Ohjelmisto ruostumattoman rakenneputken valintaan mekaaninen kestävyys huomioiden Suomessa kehitetty 2D-ohjelmisto WinRami Stainless sisältää ruostumattomista suorakaide-, neliö- ja pyöreän poikkileikkauksen omavista rakenneputkista valmistettavien rakenteiden mitoituksen Eurocode 3:n standardin EN :2006 mukaisesti. Mitoitus voidaan suorittaa huoneenlämpötilassa sekä valitun palonkestoajan mukaisessa tilanteessa. Huoneenlämpötilamitoituksessa voidaan hyödyntää CrNi ja CrNiMo teräslajeja hehkutetun materiaalin myötölujuudella sekä korotetuille lujuusarvoilla CP350. Palotilanteen mitoitus tapahtuu Eurocode 3:n standardin EN :2006 mukaisesti huomioiden eri ruostumattomien teräslajien mekaaniset arvot palotilanteessa (informatiivinen liite). Alla on esitetty kuvaus ohjelman jälkikäsittelijästä. Ohjelman voi tilata Teräsrakenneyhdistys ry:stä (Internet-osoite: Kuva Esimerkki Winrami-ohjelmiston mallin geometriasta sekä yhden sauvan kestävyystarkastelun tulos. Yksittäisen sauvan kestävyys voidaan määrittää SCI:n kehittämän ohjelman avulla, joka on käytettävissä osoitteessa Kuva Esimerkki Steel Construction Instituten kehittämän ohjelman liittymästä 44

47 3.5.9 Ohjelmisto ruostumattoman materiaalin valintaan korroosio huomioiden /Ruostumattomien terästen korroosiovaaran ennustaminen konsentroituvissa liuoksissa kvantitatiivinen mallintaminen, VTT 2007/ Tutkimusprojektissa Ruostumattomien terästen korroosiovaaran ennustaminen konsentroituvissa liuoksissa kvantitatiivinen mallintaminen - KORRKONS on kehitetty Excel-pohjainen mitoitusohjelmisto pistekorroosion todennäköisyydelle rakenteessa, kun rakennetta ympäröivä korroosioympäristö tunnetaan. Ohjelmisto soveltuu korroosioympäristölle, joka sisältää klorideja, sulfaattia, natriumia sekä kalsiumia ja jonka lämpötila tunnetaan. Ohjelmalla voidaan arvioida esim. sateen materiaalin pinnalle jättämän lammikon haihtuessaan aiheuttama pistekorroosioriski tai uimahallin sekundäärirakenteisiin konsentroituvan kosteuden aiheuttama riski. Ohjelman ensimmäinen versio sisältää teräslajit , , sekä Testausvaiheessa materiaalin pinnanlaatuja ei ole varioitu. Ohjelmiston taustalla olevat matemaattiset yhteydet on määritetty toimitustilaiselle materiaalille. Alla on esimerkki ohjelman toiminnasta. Ohjelma on tilattavissa sekä VTT:n että Teräsrakenneyhdistys ry:n kautta (Internetosoitteet: ja Kuva Esimerkki kehitetyn ohjelmiston syöttöarvoista sekä tulostuksesta. 45

48 4. Ruostumattomat rakenneputket Tässä luvussa esitetään Stalatube Oy:n ja Oy Outokumpu Stainless Tubular Products Ab:n (Oy OSTP Ab:n) valmistamien ruostumattomien rakenneputkien valmistusta, mittavalikoimia ja ominaisuuksia. Yritykset valmistavat kaikki rakenneputket ruostumattomista teräksistä. 4.1 Putkenvalmistus Ruostumattomat rakenneputket valmistetaan kylmämuovaamalla ja hitsaamalla. Muovaus tapahtuu joko rullamuovaamalla tai yksittäisvalmistuksena taivuttamalla. Hitsausmenetelminä käytetään TIG/plasma-, HF- ja laserhitsausta Rullamuovaus Rullamuovaus on jatkuvatoiminen valmistusmenetelmä, jossa teräsnauha kylmämuovataan putkilinjassa haluttuun muotoon useiden rullaparien avulla. Valmistuksen lähtömateriaalina on kelattu teräsnauha, joka on leikattu pituussuuntaan putkimittaa vastaavaan leveyteen. Teräsnauha aukikelataan, jatkohitsataan edelliseen teräsnauhaan ja ohjataan rullamuovauslinjaan. Tarvittaessa nauhan reunojen laatua voidaan parantaa reunahöylillä ennen muovausta. Neliö- ja suorakaideputkille on käytössä kaksi erilaista muovaustapaa, pyöreämuotoilu ja suoramuotoilu. Pyöreämuotoilussa teräsnauha muovataan poikkileikkaukseltaan ympyrämäiseen muotoon, hitsataan ja muovataan hitsauksen jälkeen profilointirullilla neliön tai suorakaiteen muotoiseksi. Suoramuotoilussa teräsnauha muovataan suoraan poikkileikkaukseltaan neliön tai suorakaiteen muotoiseksi nurkka-alueilta taivuttamalla ja hitsataan tämän jälkeen. Suoramuotoilua käytetään ulkomitoiltaan suurimpien putkien valmistamiseen. Hitsauksen jälkeen hitsisauma tasoitetaan hiomalla tai höyläämällä. Hitsin laatua seurataan jatkuvatoimisella pyörrevirtatarkastuksella sekä tarvittaessa myös muilla menetelmillä (esim. litistyskoe). Putket katkaistaan haluttuun pituuteen, niputetaan, vanteutetaan ja siirretään joko lähetysvarastoon tai jatkojalostukseen. Putkien tunnistaminen varmistetaan jatkuvalla mustesuihkumerkinnällä ja nippukohtaisella merkinnällä. Putkenmuovauksessa teräksen mekaaniset ominaisuudet muuttuvat kylmämuokkauksesta johtuen. Nämä muutokset riippuvat valmistusmenetelmästä ja putken mitoista. Valmiin putken mekaaniset ominaisuudet voidaan testata valmistamalla putkinäytteestä testisauvat, joille suoritetaan aineenkoetus. Rullamuovauslinjan vaiheet on esitetty kuvassa

49 Aukikelaus 2 Jatkohitsaus 3 Reunahöylä 4 Muotoilu 5 Hitsaus 6 Sauman hionta 7 Kalibrointi 8 Profilointi 9 Katkaisu Kuva Rullamuovauslinjan vaiheet (pyöreämuotoilu) Yksittäisvalmistus taivuttamalla Taivutuksessa on lähtömateriaalina putken mittoja vastaava leikattu levy. Levy muotoillaan särmäyskoneella ympyrämäiseksi usean yksittäisen työvaiheen eli piston avulla. Tämän jälkeen avoin profiili hitsataan hitsausasemassa pitkittäissaumalla suljetuksi putkeksi. Putken hitsin ja pinnan viimeistelyt tehdään erillisillä työasemilla. Tällä menetelmällä valmistetaan pyöreitä ruostumattomia rakenneputkia, joita mittojen ja eräkoon perusteella ei ole taloudellista valmistaa rullamuovaamalla. 4.2 Teräslajit Stalatube Oy:n ja Oy OSTP Ab:n valmistamien ruostumattomien rakenneputkien vakioteräslajit on esitetty taulukossa Teräslajien koostumuksia ja ominaisuuksia on käsitelty käsikirjan luvussa 3, ruostumattomat teräkset. CrNi CrNiMo Taulukko Stalatube Oy:n ja Oy OSTP Ab:n valmistamien ruostumattomien rakenneputkien vakioteräslajit. Rakenneputkia valmistetaan myös muista austeniittisista, ferriittisistä ja duplex-teräslajeista, joita on esitetty luvussa 3. Mittakohtainen saatavuus eri teräslajeilla on aina varmistettava toimittajalta. 47

50 4.3 Mittavalikoimat Stalatube Oy:n ja Oy OSTP Ab:n valmistamien ruostumattomien rakenneputkien mittavalikoimat on esitetty taulukoissa Mittavalikoimat koskevat teräslajia , saatavuus muiden teräslajien osalta on varmistettava toimittajalta. Rakenneputkien toimituspituudet ovat 2 18 m. Ruostumattomia rakenneputkia toimitetaan myös tuumamitoituksella, joista saa lisätietoa myynnistä. Taulukko Neliön muotoiset ruostumattomat rakenneputket (Stalatube Oy, Oy OSTP Ab). Mittavalikoima koskee teräslajia , saatavuus muiden teräslajien osalta on varmistettava toimittajalta. H mm B mm 1,2 mm 1,5 mm 2,0 mm 3,0 mm 4,0 mm 5,0 mm 6,0 mm 8,0 mm 10,0 mm 12,0 mm

51 Taulukko Suorakaiteen muotoiset ruostumattomat rakenneputket (Stalatube Oy, Oy OSTP Ab). Mittavalikoima koskee teräslajia , saatavuus muiden teräslajien osalta on varmistettava toimittajalta. H mm B mm 1,2 mm 1,5 mm 2,0 mm 3,0 mm 4,0 mm 5,0 mm 6,0 mm 8,0 mm 10,0 mm 12,0 mm

52 Taulukko Pyöreät ruostumattomat rakenneputket (Oy OSTP Ab). Mittavalikoima koskee teräslajia , saatavuus muiden teräslajien osalta on varmistettava toimittajalta. D mm / t mm 1 mm 1,2 mm 1,6 mm 2 mm 2,6 mm 3 mm 3,6 mm 4 mm 4,5 mm 5 mm 6 mm 7,1 mm 8 mm 8,8 mm 10 mm 11 mm 12 mm 14 mm 21, , , ,4 44,5 48, , ,3 63,5 76,1 88,9 101, , , ,3 219, ,9 355,6 406,

53 4.4 Mittatoleranssit Ruostumattomalle rakenneputkelle sovelletaan tuotestandardia SFS EN Ruostumattomien rakenneputkien markkinoilla on muodostunut käytännöksi valmistaa austeniittiset rakenneputket seinämänpaksuuteen 3 mm asti käyttäen pienempiä ulkokulman mittoja verrattuna standardiin SFS EN Stalatube Oy:n ja Oy OSTP Ab:n ruostumattomien rakenneputkien mittatoleranssit on esitetty taulukossa Toleranssien arvot muille kuin austeniittisille rakenneputkille tulee tarkistaa putkitehtaalta. Taulukko Austeniittisten rakenneputkien mittatoleranssit. Toleranssit ovat standardin EN mukaiset, poikkeuksena ulkokulman mitat. Ominaisuus Ulkomitat (D, B ja H) Ulkokulman mitat (C1, C2 tai R) Seinämänpaksuus (T) Epäpyöreys (O) Neliön ja suorakaiteen muotoiset rakenneputket Sivun pituus mm H, B < H,B 200 H, B > 200 Seinämänpaksuus T (mm) T 3 T > 3 Seinämänpaksuus T (mm) T 5 T > 5 Toleranssi ± 1 %, kuitenkin vähintään ± 0,5 mm ± 0,8 % ± 0,6 % Ulkokulman mitat - 1,5T 1) 1,6T... 2,4T Toleranssi ± 10 % ± 0,5 mm Pyöreät rakenneputket ± 1 %, kuitenkin vähintään ± 0,5 mm ja enintään ± 10 mm Kun D 406,4 mm: Seinämänpaksuus T (mm) T 5 T > 5 Toleranssi ± 10 % ± 0,5 mm Kun D > 406,4 mm: ± 10 %, kuitenkin enintään ± 2 mm - 2 % rakenneputkille, joiden ulkohalkaisijan suhde seinämänpaksuuteen on enintään 100 2) Koveruus tai kuperuus Enintään 0,8 %, vähintään 0,5 mm - (x1, x2) 3) Sivujen kohtisuoruus (θ) 90º ± 1º - Pituus (L) -0/+20 mm 4) -0/+5 mm 4) Kiertymä (V) 2 mm + 0,5 mm/m - Suoruus (e) 0,15 % kokonaispituudesta 0,20 % kokonaispituudesta 1) Poikkeaa standardin EN vaatimuksesta 2) Kun ulkohalkaisijan suhde seinämänpaksuuteen on suurempi kuin 100, epäpyöreyden toleranssista tulee sopia 3) Koveruuden ja kuperuuden toleranssi on riippumaton ulkomittojen toleranssista 4) Poikkeaa standardin EN vaatimuksesta 51

54 4.5 Lujuusluokat Ruostumattomien rakenneputkien lähtömateriaalien lujuusarvot hehkutetussa tilassa on esitetty eri teräslajeille luvun 3 taulukossa Taulukon mukaiset arvot pätevät rakenneputkelle, kun ei taata korotettuja lujuusarvoja. Tällöin rakenneputkien toimituserälle annetaan ainestodistus, jossa esitetään lähtömateriaalin testaustulokset. Rakenneputkien lujuusarvoja voidaan korottaa kylmämuokkaamalla materiaalia. Tämä voi tapahtua joko terästehtaalla rakenneputken valmistukseen tarkoitetun teräsnauhan lujitusvalssauksella tai putkenvalmistuslinjalla. Mekaaniset arvot rakenneputkien toimituserälle annetaan tässä tapauksessa ainestodistuksella, jossa on putkesta testatut arvot. Stalatube Oy:n ja Oy OSTP Ab:n toimittamat rakenneputket korotetuilla lujuusarvoilla on esitetty taulukossa Taulukko Stalatube Oy:n ja Oy OSTP Ab:n ruostumattomien austeniittisten rakenneputkien lujuusluokitus, kun materiaalin kylmämuokkauksen aiheuttama lujittuminen hyödynnetään. Lujuusluokka Lujuusarvot f y [N/mm2] f u [N/mm2] CP350 2) ) CP500 2) ) 1) Rakenneputken toimittajan ilmoittama minimimurtolujuus. 2) Eri teräslajien mittakohtainen saatavuus on varmistettava rakenneputken toimittajalta. Rakenneputken korotetut lujuusarvot todennetaan vetokokeilla. Vetokoesauvat irrotetaan rakenneputken kyljestä pituussuuntaisesti. Näin menetellen vetokoetulos todentaa rakenneputken pituussuuntaisen myötölujuuden. Rakenneputkille, joille taataan myötölujuuden arvo 350 N/mm2, voidaan myös käyttää samaa arvoa puristusmyötölujuuden mitoitusarvona. 4.6 Pinnan viimeistelytilat Rakenneputkien pinnan viimeistelytiloille ei ole standardoitua menetelmää eri valmistajien tuotteen yhdenmukaistamiseksi. Tästä syystä pinnan viimeistelytilan valitsemiseksi on yleensä tarkoituksenmukaista pyytää valmistajalta näytepaloja eri vaihtoehdoista. Yleensä nelikulmaputkilla mekaaniset pinnankäsittelymenetelmät muokkaavat tasomaisia osia nurkkien välillä, jättäen nurkka-alueen pinnan vastaamaan alkuperäisen materiaalin pinnan ulkonäköä. Nurkka-alueiden pinnankäsittely on mahdollista erillisenä työnvaiheena. Pyöreillä rakenneputkilla näkyviin jäävä pinta voidaan käsitellä niin, että visuaalisesti materiaalissa ei ole epäjatkuvuuskohtia. Pintakäsittely voidaan tehdä joko pitkittäin tai poikittain pyöreän rakenneputken pituusakseliin nähden. 52

55 Stalatube Oy:n ja Oy OSTP Ab:n toimittamien rakenneputkien pintojen viimeistelytilat on esitetty taulukossa Pinnan viimeistelytila Valmistustilainen Harjattu Hiottu Peilihiottu Kuulapuhallettu Peitattu Taulukko Stalatube Oy:n ja Oy OSTP Ab:n toimittamien rakenneputkien pintojen viimeistelytilat 4.7 Jatkojalostuspalvelut Käyttämällä putkentoimittajan jatkojalostuspalveluita on mahdollista saavuttaa merkittäviä kustannussäästöjä (esim. pienempi materiaalihukka ja alhaisemmat työvoimakustannukset). Taulukossa on esitetty Stalatube Oy:n ja Oy OSTP Ab:n yleisimmät jatkojalostuspalvelut Jatkojalostuspalvelu Kuvaus Erikoispituus 2 18 m, toleranssi 0/+20 mm Määrämittakatkaisu mm, toleranssi ± 1 mm Kulmakatkaisu Toleranssi ± 1 Laserleikkaus Aukotukset Asiakasräätälöidyt komponentit Asennusvalmiita komponentteja Taulukko Stalatube Oy:n ja Oy OSTP Ab:n yleisimmät jatkojalostus-palvelut Ruostumattoman rakenneputken jatkojalostuspalveluna on muun muassa asennusvalmiiden komponenttien toimittaminen. Alla olevissa kuvissa on esitetty laser-aukottamalla valmistettuja komponentteja asennuksen helpottamiseksi esteettisen ulkonäön vaativiin kohteisiin. Kuva Laser-aukottamalla valmistettuja rakenneputkikomponentteja. 53

56 4.8 Tilauksen spesifiointi Ruostumattomille rakenneputkille tekniset toimitusehdot määritellään toimittajien omissa tai asiakkaiden kanssa sovituissa spesifikaatioissa. Mittatoleranssien osalta viitataan soveltuvin osin standardiin EN , joka koskee hiiliteräksestä valmistettuja rakenneputkia. Teräslajien osalta viitataan yleensä standardiin EN Rakenneputken tilauksessa on syytä määritellä riittävän yksityiskohtaisesti kaikki putken tekniset vaatimukset. Vähimmäistiedot ovat: ulkomitat seinämänpaksuus pituus teräslaji Esim. 40x40x Tekniset toimitusehdot vakiotoimituksille on esitetty toimittajien spesifikaatioissa. Mahdolliset lisävaatimukset on aina määriteltävä erikseen ja on syytä ottaa huomioon ainakin seuraavat tekniset asiat: pinnan viimeistelytila mittatoleranssit pakkaustapa puhtaus päiden laatu hitsisauman sijainti tarkastukset ja testaukset ainestodistuksen tyyppi 54

57 5. Konepajavalmistus Konepajalla rakenneputkista valmistetaan kokonaisia rakenteita tai rakennekomponentteja, jotka edellyttävät materiaalin työstöä, liitoksia ja pintakäsittelyä. Liitokset rakenneputkikomponenteissa ovat useimmiten hitsaamalla valmistettuja. Valmistuksen yhteydessä on annettava ohjeistus pinnan viimeistelylle, mikäli liitokselle vaaditaan samanlainen pinnanlaatu kuin ympäröivällä rakenneputkella. Mikäli pinnanlaadulle ei ole asetettu erillistä vaatimusta, on hitsatun liitoksen pinta vähintäänkin harjattava tai hiottava puhtaaksi ja mahdollisesti peitattava korroosionkestävyyden parantamiseksi. Hitsatun liitoksen pinnanlaatu voi olla vaikea saattaa visuaalisesti ympäröivää, esimerkiksi hiottua pintaa, vastaavaksi. Jälkikäsittelyillä on pyrittävä saamaan pinnanlaatu kuitenkin mahdollisimman huomaamattomaksi ympäröivästä pinnasta. Yleistä ohjetta liitosten pinnanlaadun käsittelemiseksi ei ole kehitetty. Konepajassa suoritettavien valmistusvaiheiden yhteydessä on noudatettava erityistä huolellisuutta ja pintojen puhtaudesta on huolehdittava ennen ja jälkeen työvaiheen. Pintaan jääneet epäpuhtaudet voivat aiheuttaa värjäymää hyvinkin varhain asennuksen jälkeen komponentin altistuessa kosteudelle. 5.1 Pintakäsittelyt Konepajalla rakenneputkelle voidaan suorittaa lisää pintakäsittelyjä kappaleessa 4 esitettyjen lisäksi. Yleisimmät pinnan mekaanisen työstämisen käsittelyt on esitetty taulukossa ja julkaisussa Dekoratiivisten ruostumaton teräspintojen mekaaninen viimeistely, Euroinox, Taulukko Rakenneputkelle mahdollisia pintakäsittelyjä konepajassa tai alihankkijalla. Pinnanlaatu Hiottu grit Hiottu peilikirkas Elektrolyyttisesti kiillotettu pinta Kuulapuhallettu pinta 1) Peitattu pinta 2) Kuvaus yksisuuntainen nauhahionta Pinta on kiiltävä ja peilaava Pinta on kiiltävä perusilmeeltään, alkuperäinen pinnan profiili jää näkyviin Riippuen käytetystä puhalteesta: kiiltoaste voi vaihdella mattamaisesta kirkkaaseen Mattamainen 1) 2) Puhalteena voidaan käyttää saatavilla oleva puhalteita, kuitenkaan ei tule käyttää puhalletta, jota on jo aiemmin käytetty hiiliteräksen pinnan käsittelyyn. Suositeltavimpia ovat lasikuula-, Al-oksidi- ja Cr-Ni-puhalteet. Puhallejäämät tulee poistaa pinnalta työn jälkeen. Peittausaineena on allaspeittauksessa useimmiten sekahappo (8-20%HNO 3, 0,5-5% HF, loppuosa H 2 O, lämpötila C, aika 15-30min / Ruostumattomat teräkset ja niiden hitsaus/, mutta myös muita happoja voidaan käyttää. Peittaustahnat ja ruiskutettavat aineet ovat vertailukelpoisia allaspeittauksessa käytettäviin. Peittausaika allaspeittauksessa on lyhyempi verrattuna tahnoihin ja ruiskutettaviin happoihin. Materiaalin koostumus vaikuttaa valittavaan peittaushappoon sekä hapotusaikaan. 55

58 Värillisiä pintoja voidaan valmistaa sähkökemiallisin menetelmin. Pinta saadaan värilliseksi kasvattamalla passiivikalvon paksuutta. Eripaksuiset kalvot taittavat valoa eri tavoin, jolloin valmistettava väriskaala saadaan laajaksi. Teknologian omaavia yrityksiä ei ole Suomessa, mutta Saksassa ja Englannissa on palvelun tuottajia. Menetelmä toimii ainakin austeniittisille laaduille. Mikäli rakenteeseen valitaan sähkökemiallisesti värjätty pinta, on syytä olla mahdollisimman aikaisessa vaiheessa yhteydessä palvelun tuottajiin ja selvittää tarkemmin edellytykset vaaditun pinnan aikaansaamiseksi. Konepajalla rakenneputken pinta voidaan maalata märkämaalausjärjestelmällä. Maalijärjestelmien toimittajilla on ohjeita ruostumattomien terästen maalaamiseen. Perinteisillä austeniittisilla ja duplex-lajeilla maalauksen päätarkoitus on esteettisen vaikutelman tukeminen. Vaikkakin ruostumattomien terästen käyttö perustuu passiivikalvon antamaan suojaan ilman erillisiä pintakäsittelyjä, voidaan maalausta tarvita ulkonäöllisistä syistä. Vähiten kromia sisältävät teräkset kuten (Cr-pitoisuus %) vaativat useimmiten maalipinnan suojakseen, mikäli niitä käytetään ulko-olosuhteissa. /Muokatut teräkset, Raaka-ainekäsikirja 2001, 3.painos/. Maalaukseen soveltuvat useimmat epoksi- ja polyuretaanipohjaiset maalit pohjamaaleineen. Maalattavan pinnan esikäsittelyyn tulee kiinnittää erityistä huomiota. Pinta puhdistetaan huolellisesti rasvasta ja liasta esimerkiksi alkali- tai liuotinpesulla, jonka jälkeen pinta huuhdellaan ja kuivataan. Paras maalin tarttuvuus saadaan karhennettuun pintaan. Suihkupuhallus alumiinioksidirakeilla tai lasikuulilla sekä hionta soveltuvat käytettäviksi. Mattapintainen teräs soveltuu maalausalustaksi. Voimakasta raepuhallusta ei suositella koska sen aiheuttama epätasainen pinta saattaa näkyä maalikalvon läpi. Puhallus voidaan tehdä normaalilla laitteistolla, mutta puhallusmateriaalin tulee soveltua ruostumattomalle teräkselle. /Muokatut teräkset, Raaka-ainekäsikirja 2001, 3.painos/. Uudempana pintakäsittelymenetelmänä on kehitetty hyvin ohuita tiettyjä pinnan ominaisuuksia parantavia ns. nanopinnoitteita. Levymateriaaleille on menestyksellisesti käytetty esimerkiksi sol-gel-pinnoitteita, jotka ovat nestemäisiä pinnalle levitettäviä pinnoitusseoksia. Seoksen koostumus vaikuttaa pinnoitteella saatavan pinnan ominaisuuksiin. Tyypillisiä pinnoitteella haettavia ominaisuuksia ovat kulutuksenkestävyys, helpompi puhdistettavuus, jopa itsepuhdistuvuus ja korroosionkestävyys. Rakenneputkien osalta nämä pinnoitteet ovat vielä aikaisessa kehitysvaiheessa. 56

59 5.2 Hitsaus Ruostumattomat rakenneputkimateriaalit ovat hyvin hitsattavia kaikilla yleisimmillä hitsausmenetelmillä; puikko-, MIG-, TIG-, plasma-, MAG-täytelanka- ja sädehitsausmenetelmillä. Hitsaus on tällä hetkellä yleisin menetelmä rakenneputkien välisiin liitoksiin. Standardi SFS-EN ISO 3834 Metallien sulahitsauksen laatuvaatimukset sisältää menettelyt, joita noudattamalla asiakkaan esittämät vaatimukset voidaan toteuttaa ja hitsauksen laatu todeta. SFS-EN ISO 3834 ei ole laadunohjausjärjestelmä, vaan työkalu sovellettaessa standardia ISO9000:2000 /SFS-EN ISO 3834/. Siten standardin SFS EN ISO 3834 noudattaminen tukee valmistajan hitsaustoiminnan laatutasoa yleisesti teollisuuden komponenttien valmistukseen. Erityisesti toiminnan tasoa arvioitaessa tärkeitä asioita ovat hitsaus-, tarkastus- ja koordinointihenkilöiden pätevyydet sekä hitsausohjeiden olemassaolo. Esimerkiksi rakennusteollisuuden alalla standardin EN 1993 alaiseen rakenteeseen suunnitellun komponentin valmistus- ja asennustyövaiheet tulee tehdä standardin pren 1090 mukaisesti, joka edelleen viittaa hitsauksen osalta standardiin SFS EN ISO CEN ISO/TR 15608:2004 mukaisesti ruostumattomat teräkset jaotellaan hitsausta varten ryhmiin 7, 8 ja 10 seuraaavasti: Ryhmä 7 Ferriittiset ja martensiittiset ruostumattomat teräkset Ryhmä 8 Austeniittiset ja mangaaniseosteiset austeniittiset ruostumattomat teräkset Ryhmä 10 Duplex- (austeniittis-ferriittiset) ruostumattomat teräkset Ruostumattomien terästen hitsattavuus eroaa hiiliterästen hitsattavuudesta matalamman sulamispisteen sekä austeniittisten ja duplex-terästen suurempien lämpölaajenemiskertoimien ja pienempien lämmönjohtumiskertoimien vuoksi. Matalampi sulamispiste mahdollistaa hitsaamisen pienemmillä virran arvoilla tai vastaavasti suuremmalla hitsausnopeudella, joten päästään pienempään lämmöntuontiin. Eri terästen (ml. ruostumaton-hiiliteräs) liittäminen toisiinsa hitsaamalla on mahdollista, kun liitoksen alueen metallurgiset muutokset korroosio- ja mekaaniseen kestävyyteen huomioidaan materiaali-, lisäaine- ja menetelmävalinnoissa. Alla olevaan taulukkoon on kerätty tyypillisiä ruostumattomien terästen hitsaukseen ja hitsausliitoksiin liittyviä ongelmia, jotka voivat aiheuttaa laatuongelmia ruostumattomien terästen hitseissä. 57

60 Taulukko Ruostumattomien teräslajien tyypilliset hitsauksen metallurgiset ongelmat. Ominaisuus Austeniittinen Ferriittinen Duplex Kuumahalkeiluriski ei, mikäli hitsin ferriittipitoisuus yli 5% korkea Mn ei riski, vaikka ferriittipitoisuus < 5 % täysin austeniittisilla CrNi-teräksillä riski olemassa ei kriittinen ei kriittinen Rakeenkasvuhauraus ei kriittinen kyllä ei kriittinen Käyttölämpötila-alue, iskusitkeys kriittinen ei kriittinen huoneenlämpötilassa sitkeä käyttäytyminen matalammissa lämpötiloissa seostuksesta riippuen hauras käyttäytyminen ei kriittinen Kriittinen lämpötila-alue Huokosten muodostus Jännityskorroosio 475 C 800 C runsasseosteisilla herkistyminen 500 C 700 C ei kriittinen mikäli typpipitoisuus CrNiteräksillä alle 0,20% Kriittinen esim. uimahallin Cl - pitoisessa ympäristössä vähemmän seostetuissa lajeissa Runsaasti seostetuilla austeniittisilla ei kriittinen 475 C 800 C 475 C 800 C ei kriittinen ei kriittinen mikäli typpipitoisuus CrNiteräksillä alle 0,20% ei kriittinen Saattaa olla kriittinen uimahalliympäristössä Raerajakorroosio riippuen seostuksesta, vähähiilisillä ja seostetuilla laaduilla ei kriittinen kriittinen seostuksesta riippuen ei kriittinen Vetyhauraus ei kriittinen kriittinen (ei vetyä suojakaasuun) kriittinen (ei vetyä suojakaasuun) 58

61 5.2.1 Hitsauslisäaineet Taulukko Ruostumattomasta teräksestä valmistettaviin hitsausliitoksiin soveltuvat lisäaineet /Käsikirja Euro Inox, 2006/. Perusaine Hitsauslisäaine EN EN 1600 EN EN Hitsauspuikko Hitsauslanka Ydintäytelanka A E 19 9 G 19 9 L T 19 9 L A E 19 9 L G 19 9 L T 19 9 L A E 19 9 L G 19 9 L T 19 9 L A E 19 9 G 19 9 L T 19 9 L A E 19 9 Nb G 19 9 Nb T 19 9 Nb A E L G L T L A E L G L T L A E Nb G Nb T Nb A Cu L Cu L Cu L A NiCr22Mo9Nb NiCr22Mo9Nb NiCr22Mo9Nb A NiCr22Mo9Nb NiCr22Mo9Nb NiCr22Mo9Nb A NiCr25Mo16 NiCr25Mo16 NiCr25Mo16 F E 19 9 L 1) G 19 9 L 1) T 19 9 L 1) F E 19 9 L 1) G 19 9 L 1) T 19 9 L 1) D E N L /2304 2) G L /2304 2) T N L /2304 2) D E N L G L T N L D E N L /LDX2101 2) G L /LDX2101 2) T N L /LDX2101 2) 1) Austeniittinen ruostumaton lisäaine valitaan yleisesti ferriittisen ruostumattoman teräksen liitokseen mekaanisen ja korroosionkestävyyden vuoksi. Mikäli liitokselta kuitenkin vaaditaan samanlaista lämpölaajenemista, väriä tai nikkelitöntä hitsiä on valittava ferriittinen ruostumaton lisäaine esimerkiksi E Ferriittisillä lisäaineilla hitsatuille liitoksille vaaditaan jälkilämpökäsittely. 2) Lisäaine on Avesta Welding suositus ja valmistama. Lisäaineelle ei ole standardinmukaista merkintää. Taulukko Hitsiaineen mekaaniset ominaisuudet /Käsikirja Euro Inox, 2006/. Lisäaine Myötöraja [N/mm2] Murtoraja [N/mm2] Murtovenymä min. [%] Jälkilämpökäsittely E ei E/G/T 19 9 L ei E/G/T 19 9 Nb ei E ei E/G/T L ei E/G/T Nb ei LDX2101 1) 580 1) 760 1) 30 1) ei 1) ) 550 1) 750 1) 30 1) ei 1) E N L ei G L ei T N L ei 1) Lisäaine on Avesta Welding suositus ja valmistama. Lisäaineelle ei ole standardinmukaista merkintää. Arvot ovat valmistajan antamia tyypillisiä arvoja. 59

62 5.2.2 Hitsauskaasut Hitsauskaasut määritellään standardissa SFS-EN 439. Ruostumattomille teräksille hitsauskaasu yleisimmin valitaan standardin ryhmistä R, I tai M1. Hitsauskaasun valintaan vaikuttavat hitsausmenetelmä sekä hitsattava materiaali. Ferriittisten ja duplex-materiaalien hitsauksessa suojakaasuna ei käytetä vetyä sisältäviä kaasuja. Taulukko Ruostumattomien terästen hitsauksessa käytettävät suojakaasuyhdistelmät menetelmäkohtaisesti /Euroinox The welding of stainless steel/. Hitsausprosessi Suojakaasu Juurikaasu TIG-hitsaus ja plasma-hitsaus Ar Ar+H 2 (tot 20%) (1) Ar+He (tot 70%) (1) Ar+He+H 2 Ar+N 2 Ar N 2 N 2 +10%H 2 (1) MAG-hitsaus 98%Ar+2%O 2 97%Ar+3%CO 2 95%Ar+3%CO 2 +2%H 2 (1) Ar N 2 N 2 +10%H 2 (1) 83%Ar+15%He+2%CO 2 69%Ar+30%He+1%O 2 90%He+7,5%Ar+2,5%CO 2 Ydintäytelankahitsaus ilman suojakaasua 97%Ar+3%CO 2 80%Ar+20%CO 2 Ar N 2 N 2 +10%H 2 (1) ilman juurikaasua Ar: argon, H 2 : vety, He: helium, N 2 : typpi, CO 2 : hiilidioksidi (1) Vetyä sisältäviä hitsauskaasuja ei saa haurastumisriskin vuoksi käyttää ferriittisten ja duplex-ruostumattomien lajien hitsauksessa. 60

63 5.2.3 Railomuodot Rakenneputkien välisten hitsausliitosten railomuodot valmistetaan soveltuvin osin standardin SFS-EN ISO 9692 ja pren liite E mukaisesti. Taulukko Rakenneputkien välisiin hitsausliitoksiin soveltuvia railomuotoja /SFS-EN ISO 9692/. Taulukko Rakenneputkien välisiin hitsausliitoksiin soveltuvia railomuotoja /SFS-EN ISO 9692/. [viite-nro] t[mm] huomautuksia Nimitys <t 8-6 b juurituella Poikki-leikkaus - ~t Kulma IIma-rako b [mm] Juuripinnan korkeus Viisteen syvyys suositeltava hitsausmenetelmä I-railo - ~t , <t 8 suositeltava - 6 b juurituella hitsaus- - ~t menetelmä 3<t 10 V-railo 40 α ,13,141 jos mahdollista juurituella Viisteen syvyys t 40 osaviistetty Juuripinnan korkeus V-railo <t 10 Puoli V-railo IIma-rako b [mm] t1>2 t2>2 Kulma Poikkileikkaus Nimitys t[mm] [viite-nro] I-railo - ~t , <t 10 V-railo 40 α ,13,141 jos mahdollista juurituella ~60 1 b 4 2 c 4-111,13,141 ~60 1 b 4 2 c 4-111,13, β 60 2 b 4 1 c 2-111,13,141 I-railo 70 α 100 b 2 111,13, t 40 osaviistetty V-railo 35 β 60 2 b 4 1 c 2-111,13, <t 10 Puoli V-railo I-railo 70 α 100 b 2 111,13, t1>2 t2>2 huomautuksia 61

64 Taulukko Ympyrämäisen poikkileikkauksen rakenneputkien välisille liitoksille soveltuvat railomuodot /pren /. Liitos Detalji c[mm] b[mm] huomautukset pyöreiden rakenneputkien liitokset, päittäishitsi d 1 <d 0, θ = piste A ja B 1 c 2 2 b 4 piste C 1 b 2 2 b 4 piste D 1 c 2 2 b 4 kun θ<60 niin hitsi valmistetaan pienahitsinä d 1 =d 0 1 c 2 2 b 4 b 2 pyöreiden rakenneputkien liitokset, pienahitsi 1 c 2 piste A ja B b 2 piste C b 2 60 θ 90, kun θ<60 niin hitsi valmistetaan päittäishitsinä piste D b 2 30 θ 90 62

65 Taulukko Suorakulmaisten rakenneputkien välisille liitoksille soveltuvat railomuodot /pren /. Liitos Detalji huomautukset nelikulmaisten rakenneputkien liitokset, päittäishitsi b 1 <b 0, θ = c[mm] b[mm] piste A ja B 1 c 2 2 b 4 piste C 1 b 2 2 b 4 piste D 1 c 2 2 b 4 60 θ 90, jos θ<60 niin hitsi valmistetaan pienahitsinä b 1 =b 0 1 c 2 b 2 20 α 25 nelikulmaisten rakenneputkien liitokset, pienahitsi piste A ja B b 2 piste C b 2 60 θ 90, jos θ<60 niin hitsi valmistetaan päittäishitsinä piste D b 2 30 θ 90 63

66 5.2.4 Hitsauslisäaineen valinta eripariliitokselle Tyypillisessä eripariliitoksessa yhdistetään hitsaamalla ruostumaton teräs ja joko maalattu tai sinkitty hiiliteräs. Ensimmäinen toimenpide on hiiliteräksen pinnoitteen poistaminen. Hitsauksessa perusaineet sekoittuvat sulassa tilassa toisiinsa ja sekoittuminen vaikuttaa sulan jäähtyessä syntyvään mikrorakenteeseen. Epäedullinen mikrorakenne vaikuttaa liitoksen mekaaniseen- ja korroosionkestävyyteen. Suurin riski syntyy hitsausliitoksen mikrorakenteen muuttuessa jäähtymisen aikana hauraaksi martensiitiksi,kun hitsausliitos karkenee. Siksi hitsaamalla valmistettavien sekaliitosten lisäaineena tulee käyttää runsaasti seostettuja lisäaineita, taulukko Taulukko Runsaasti seostettuja lisäaineita eriparihitsaukseen /EN1600, EN12072 JA EN12073/. Hitsauslisäaine EN1600 EN12072 EN12073 Hitsauspuikko Hitsauslanka Ydintäytelanka E 18 8 Mn G 18 8 Mn T 18 8 Mn E G T E L G L T L E Nb G Nb T Nb E L G L T L E 29 9 G 29 9 T 29 9 Lisäaineen valintaan voidaan käyttää ns. Schaeffler-diagrammia. Kuvassa on esitetty ruostumattoman teräksen ja hiiliteräksen S235 hitsausliitokseen soveltuvan lisäaineen E L arviointi. Kuva Eriparihitsin koostumuksen muodostuminen Schaeffler-diagrammin mukaan, kun liitoksessa Fe37(S235) (AISI 304L) käytetään runsaasti seostettua ruostumatonta puikkoa E L /Ruostumattomat teräkset ja niiden hitsaus/ 64

67 Eripariliitoksen hitsiainetta kuvaava piste sijaitsee keskellä janaa, joka yhdistää perusaineiden koostumukset. Tästä keskipisteestä vedetään uusi jana käytettävään lisäaineeseen. Tältä uudelta janalta voidaan sekoittumissuhteen perusteella arvioida syntyvän hitsiaineen koostumus. Sekoittumissuhde on riippuvainen käytetystä hitsausmenetelmästä. Hitsiaineen koostumus pyritään saamaan hieman ferriittiä sisältävälle austeniittiselle alueelle Hitsausjärjestys Ruostumattomien terästen hitsausjärjestyksen suunnittelulla pyritään minimoimaan hitsauslämmön aiheuttamia muodonmuutoksia eli vetelyjä. Perusajatuksena on suunnitella hitsausjärjestys siten, että valmistettavilla hitseillä voidaan vähentää edellisten hitsien aiheuttamia muodonmuutoksia. Vetelyä voidaan minimoida välttämällä ylisuurien hitsien valmistusta, suunnittelemalla railot tilavuudeltaan pieniksi, sijoittamalla hitsit rakenteen neutraaliakselille sekä käyttämällä hitsauskiinnikkeitä, jotka estävät muodonmuutosten synnyn. Tapauskohtaisesti voi harkita katkohitsien käyttöä huomioiden kuitenkin, että katkohitsit saattavat vaikuttaa liitoksen korroosion- ja väsymiskestävyyteen riippuen korroosioympäristöstä ja rakenteen kuormituksista. Kuva Esimerkki hitsausjärjestyksestä, jolla voidaan vähentää vetelyä /Muokatut teräkset, Raaka-ainekäsikirja 2001/. Oikealla olevan kuvan mukaan liitos on silloitettava, jotta hitsauksen edetessä ilmarako säilyy vakiona. Lämmön aiheuttamat muodonmuutokset ovat suurimmat austeniittisilla teräslajeilla, joiden lämpölaajenemiskerroin on suurin ja lämmönjohtumiskerroin pienin. Ferriittisten ruostumattomien teräslajien osalta muodonmuutokset ovat hiiliterästen luokkaa. Duplex-teräslajien vetely on suuruudeltaan ferriittisten ja austeniittisten teräslajien välillä. Rakenneputkien välisten tyypillisten voimaa siirtävien kehä- ja ristikkoliitosten suositeltava hitsausjärjestys on esitetty kuvassa / pren : (E)/. Nelikulmaisten rakenneputkien hitsi tulee aina jatkua nurkkasäteen ympäri. Nurkkasäteen alueella sijaitessaan hitsin aloitus/lopetuskohta on liitoksen väsymiskestävyyden kannalta huonoimmassa kohdassa; nurkkasäteen alueella on jännityksillä huippu ja tämä yhdistettynä ympäristön aiheuttamalle piste- tai rakokorroosioriskille voi olla haitallinen yhdistelmä rakenteellisen kestävyyden kannalta. 65

68 Pyöreiden rakenneputkien hitsin aloitus- ja lopetuskohdat tulee sijoittaa paarresauvan pituusakseliin nähden kulmiin. Sijaitessaan 90 /270 tai 0 /90 kulmissa paarteen pituusakseliin nähden, on hitsi epäedullisissa kohdissa väsymiskestävyyden kannalta kuten edellä on esitetty nelikulmaputkien osalta. Kuva Nelikulmaisten ja pyöreiden rakenneputkien hitsien suositeltavat hitsausjärjestykset /pren : (E)/ Hitsausliitosten jälkikäsittely Hitsauksessa ruostumattoman rakenneputken pinnalle muodostuu runsaasti kromia ja epäpuhtauksia sisältävä oksidikalvo, johon kromi on siirtynyt alla olevasta perusmateriaalista. Sekä hitsi että perusaine (HAZ = Heat Affected Zone) hapettuvat. Tämä on korroosiolle altis alue, joka vaativampaan ympäristöön, hygieeniseen tai esteettiseen käyttöön tarkoitetussa rakenteessa tulee poistaa. Siten hitsausliitokset jälkikäsitellään joko korroosionkestävyyden ja/tai ulkonäön parantamiseksi. Hitsausliitosten jälkikäsittelyssä pyritään poistamaan hitsauksen aiheuttama huokoinen oksidikerros materiaalin pinnalta, pinnan alla oleva kromiköyhä kerros sekä epäjatkuvuudet hitsin pinnan ja liittymän geometriassa, kuva Korroosionkestävyyden kannalta on oleellista, että saavutetaan hyvä ja tasainen pinnanlaatu. Hitsausliitoksen jälkikäsittely voidaan suorittaa mekaanisilla ja/tai kemiallisilla menetelmillä. Hitsin seosaineiden jakaantumisen tasaisuuteen voidaan vaikuttaa lämpökäsittelyillä. Lämpökäsittelyt ovat kuitenkin hyvin harvinaisia rakenneputkista valmistetuissa komponenteissa. Kun ruostumaton teräs on hitsaamalla liitetty hiiliteräksestä, sinkitystä teräksestä tai muusta epäjalommasta metallista valmistettuun rakenteeseen, on epäjalomman rakenneosan korroosiosuojausta (maalaus tai teippaus) jatkettava lyhyen matkaa myös ruostumattoman materiaalin puolelle. Kuva Korroosion ydintymispaikkoja hitsausliitoksessa /Ruostumattomat teräkset ja niiden hitsaus/. 66

69 Taulukko Hitsausliitosten eri jälkikäsittelymenetelmiä. Menetelmä Työtapa Materiaalin poisto Ulkonäkö työvaiheen Mekaaninen jälkeen Korroosionkestävyys Korroosionkestävvyden parantaminen Harjaus Tehdään teräsharjalla yleensä käsityönä Poistaa oksidikerroksen ja roiskeet. Pinta on varsin karkea harjauksen jälkeen. Korroosionkestävyys ei oleellisesti parane verrattuna käsittelemättömään hitsiin. Harjatun pinnan korroosionkestävyyttä voidaan parantaa hiomalla tai peittaamalla pinta kemiallisilla menetelmillä Hionta Tehdään hiomanauhoilla, -harjoilla tai laikoilla joko käsityönä tai sähköisellä/pneumaattisella työkalulla Poistaa materiaalia hitsistä ja hitsin alueelta. Hitsi voidaan hioa muun pinnan tasoon. Pinnan karheuteen voidaan vaikuttaa hiontanauhan karheudella. Sileän pinnan aikaansaanti edellyttää, että pinnan hionta aloitetaan karkeammalla nauhalla ja vaihdetaan sileämpään hionnan edetessä. Korroosionkestävyys on suhteessa saavutettuun pinnankarheuteen. Kun kromiköyhä kerros on poistettu ja saavutettu hyvin sileä pinta, myös korroosionkestävyys on lähes perusmateriaalin tasoa. Oleellista korroosionkestävyyden parantamiseksi on materiaalin poistaminen riittävältä paksuudelta hitsauksen lämpövaikutusalueelta sekä pinnan karheus. Hiotun pinnan korroosionkestävyyttä voidaan parantaa peittaamalla kemiallisilla menetelmillä. Kuula/hiekkapuhallus Tehdään puhallukseen soveltuvalla laitteistolla yleensä käsityönä joko kaapissa tai suljetussa puhallustilassa Poistaa oksidikerroksen ja roiskeet. Kuulapuhallus muokkaa materiaalin pintaa sekä hitsigeometrian epäjatkuvuuskohtia Saavutettavaan pinnan laatuun voidaan vaikuttaa puhalteen materiaalilla, puhallepartikkelin geometrialla sekä kuula/ raekoolla, puhalluspaineella, -etäisyydellä ja kulmalla. Voidaan saavuttaa hyvinkin karhea, sileä, mattamainen tai kiiltävä pinta. Korroosionkestävyys on parempi kuin harjatulla pinnalla. Poistaa hapettuneen mutta ei kromiköyhää kerrosta. Eri puhalteiden ja kuulapuhalluksella saavutettavan pinnanlaadun vaikutusta korroosionkestävyyteen ei tunneta. Puhallejäämät tulee poistaa materiaalin pinnalta korroosio- sekä ulkonäkösyistä. Kuulapuhalletun pinnan korroosionkestävyyttä voidaan parantaa peittaamalla kemiallisilla menetelmillä. Kemiallinen Peittaus Tehdään allas-, tahna-, sively- tai ruiskupeittauksena huomioiden työympäristö- ja työturvallisuusvaatimukset. Poistaa syövyttämällä pinnan epäpuhtaudet. Peittaushapon koostumuksesta riippuen myös passivoi pinnan. Peittaushappo on huuhdeltava hyvin materiaalin pinnalta pois. Pinnan ulkonäkö muuttuu hieman mattamaisemmaksi. Peittauksella saadaan yleensä hyvä korroosionkestävyys, lähes perusaineen taso. Passivointi peittauksen jälkeen saattaa parantaa korroosionkestävyyden. Passivointi Tehdään allas- tai ruiskutuskäsittelynä. Passivointiliuoksena on tavallisesti typpihapon vesiliuos. Menetelmä ei poista materiaalia eikä epäpuhtauksia Muodostaa materiaalin pinnalle passiivikalvon. Pinnan ulkonäkö muuttuu hieman mattamaisemmaksi. Passivointia edeltää ainakin jokin mekaaninen hitsin jälkikäsittelymenetelmä. Korroosionkestävyys on riippuvainen em. menetelmällä aikaansaadusta pinnanlaadusta Peittaus ennen passivointia parantaa korroosionkestävyyttä Elektrolyyttinen kiillotus Tehdään allas- tai käsityökalukiillotuksena Ei yhtä tehokas menetelmä kuin peittaus, poistaa kuitenkin epäpuhtauksia ja tasoittaa pinnan epätasaisuuksia. Pinnan ulkonäkö muuttuu kiiltäväksi ja hieman tasaisemmaksi. Alkuperäinen pinnan profiili jää näkyviin. Saavutetaan erittäin hyvä korroosionkestävyystulos, jos pinnan karheus ennen elektrolyyttistä kiillotusta on pieni. Korroosionkestävyyttä voidaan parantaa peittaamalla hitsi ensin tai hiomalla pinta sileäksi ennen elektrolyyttistä kiillotusta. 67

70 Mekaanisia hitsin jälkikäsittelymenetelmiä ovat harjaus, kuulapuhaltaminen, hionta ja kiillottaminen. Kemiallisia pintakäsittelymenetelmiä ovat peittaus sekä elektrolyyttinen kiillotus, ks. taulukko Ruostumattomien terästen mekaanisessa jälkikäsittelyssä tulee ehdottomasti muistaa käyttää omia työkaluja ja kuulapuhalteita, jotta vältytään esim. hiiliteräsjäämien mukaanaan tuomalta vierasruosteelta. Kuva Hitsin jälkikäsittelymenetelmien vaikutus korroosionkestävyyteen /Ruostumattomat teräkset ja niiden hitsaus/. Kuvassa on esitetty eri jälkikäsittelymenetelmien vaikutuksen pistekorroosiokestävyyteen, mittana CPT, Critical Pitting Temperature, eli lämpötila, jonka yläpuolella alkaa pistekorroosio. Alla olevaan taulukkoon on kerätty edellisen kuvan menetelmien ja niiden yhdistelmien vaikutus hitsatun liitoksen korroosiokestävyyteen luokiteltuina kahteen luokkaan; CPT > 10 C ja CPT < 10 C. Arvosana (CPT, Critical Pitting Temperature, Kriittinen pistekorroosiolämpötila) hyvä CPT > 10 C CPT < 10 C Menetelmä (SHA = sekahappopeittaus) SHA+elektrolyyttinen kiillotus Hionta (karkeus: 600grit) + SHA SHA SHA+mekaaninen kiillotus (SHA), tahnapeittaus ruostumaton teräsharjaus + SHA Keraaminen laikkahionta + SHA Al-oksidipuhallus + SHA hionta (karkeus:600 grit) Ruostumaton teräsharjaus + 20%HNO3passivointi Elektrolyyttinen kiillotus Mekaaninen kiillotus Ruostumaton teräsharjaus Keraaminen laikkahionta Al-oksidipuhallus Käsittelemätön Taulukko Hitsin jälkikäsittelymenetelmien valinta ja vaikutus pinnan korroosiokestävyyteen /Ruostumattomat teräkset ja niiden hitsaus/. 68

71 5.3 Katkaisu ja aukotus Katkaisu Ruostumattoman rakenneputken katkaisuun voidaan käyttää perinteisten menetelmien vanne- ja kiekkosahauksen lisäksi laserkatkaisua. Vanne- ja kiekkosahaamisen katkaisujäljen laadun ja kilpailukyvyn kannalta oleellisia parametreja ovat terän materiaali, hammasprofiili ja jako, syöttö, leikkausnopeus sekä jäähdytys, joille tulee hakea katkaistavalle ruostumattomalle materiaalille ja profiilille soveltuvat arvot. Lähtöarvoina on syytä käyttää katkaisuterän toimittajan antamia arvoja. Laserin hyödyntäminen rakenneputken katkaisemiseen edellyttää automaattisen laserleikkaustyöaseman. Nelikulmaisen rakenneputken leikkauksessa nurkka muodostaa epäjatkuvuuskohdan, joka on huomioitava katkaisua suunniteltaessa. Pyöreillä rakenneputkilla vastaavanlaista epäjatkuvuutta ei ole. Soveltuvia työasemia on olemassa alihankintakonepajoilla sekä palvelukeskuksissa. Laserin teho rajoittaa katkaistavan materiaalin levynvahvuuden n. 10 mm:n. Leikkauskaasun valinta vaikuttaa leikkausnopeuteen sekä leikatun pinnan laatuun, jäysteenmuodostukseen ja oksidoitumiseen. Leikkauskaasuna voidaan käyttää happea, typpeä tai argonia. Katkaisussa voi joissain tapauksissa olla tarpeen asettaa katkaistavan putken sisälle sisäsuoja, joka kerää materiaaliroiskeet ja estää niiden tarttumisen vastakkaiseen seinämään sekä estää leikkaavan säteen osumisen vastakkaiseen seinämään. Rakenneputken katkaisuissa sisäsuojan käyttö on tapauskohtaisesti arvioitava. Laserilla katkaistaessa on mahdollista työstää reunaan viiste hitsaamista tai muuta jatkotoimenpidettä varten Aukotus Rakenneputken aukotus voidaan tehdä plasma-, laser- tai vesisuihkuleikkaamalla sekä pyöreät aukot poraamalla ja ohueen materiaaliin meistämällä. Laser- ja plasma-aukottamalla on syytä kiinnittää erityinen huomio laitteiston parametrien asetukseen, jotta vältytään roiskeilta, epätasaiselta leikkauspinnalta, pinnan oksidoitumiselta sekä leikatun pinnan kartiokkuudelta. Aukotettavan putken sisäpuolelle voidaan laittaa sisäsuoja syistä, jotka on esitelty edellisessä kappaleessa. Laserilla aukotettaessa on mahdollista työstää reunaan viiste hitsaamista tai muuta jatkotoimenpidettä varten. 69

72 Laserilla aukotettaessa saavutetaan n. 10 mm aineenpaksuus laserin tehokkuudesta riippuen. Plasmaleikkauksella pystytään aukottamaan koko rakenneputkien seinämän vahvuusalue 1,2 mm 14,2 mm. Vesisuihkuleikkauksella korkeapaineinen vesi ja siihen lisätty abrasiivi (leikkausta tehostava partikkeli) muodostavat leikkaavan suihkun. Vesisuihkuleikkauksella voidaan aukottaa koko rakenneputkien seinämän vahvuusalue 1,2 mm 14,2 mm. Vesisuihkulla leikattaessa on, kuten edellisissäkin menetelmissä, huomioitava suihkun mahdollinen osuminen vastakkaiseen seinämään. Työstön jälkeen rakenneputken pinnoilta on pestävä abrasiivi pois. Pyöreät reiät voidaan aukottaa rakenneputkiin poraamalla. Porattaessa reikiä on kiinnitettävä huomiota terän materiaaliin ja geometriaan sekä syöttöön ja pyörimisnopeuteen. Eri ruostumattomat teräslajit käyttäytyvät porauksessa eri tavoin. Ferriittiset teräkset ovat helpoimmin porattavissa ja voimakkaasti muokkauslujittuvat austeniittiset ja duplex-teräkset hieman heikommin. Austeniittisten ja duplex-terästen porauksessa terän alla oleva materiaali lujittuu, mikäli terä, sen geometria tai porauksen muiden parametrien arvot eivät ole säädetty ruostumattomalle teräkselle. Lujittunut alue on vaikea työstää seuraavalla kierroksella. Paikallisen lujittumisen estämiseksi työstöparametrin syöttöarvon tulee olla mahdollisimman suuri ja terän pyörimisnopeuden matala. Terän pyörimisnopeus voi olla alueella 8 30 m/min ja syöttö 0,1 0,5 mm/kierros. Nämä arvot ovat materiaalikohtaisia. Ruostumattomien terästen porauksessa käytetään yleisesti pikateräs- tai kovametallisia spiraaliteriä. Terät voivat olla titaaninitridillä (TiN) päällystettyjä paremman kestävyyden saavuttamiseksi erityisesti kovia ja lujia ruostumattomia teräksiä työstettäessä. Tarkemmin terän valintaa ja työstöparametrien arvoja koskevaa tietoa saa terävalmistajilta sekä lähteestä Maskinbearbetning av rostfria Stål. Tyypillinen aukotuskohde on useamman ruuvireiän ryhmä, joka toistuu samanlaisena putken pituudella useita kertoja. Oleellista tällaisessa tapauksessa on aukotusmenetelmän tarkkuus; reiän ja reikäryhmän keskittäminen sekä saavutettava halkaisijan tarkkuus sisä- ja ulkopinnalla. 5.4 Ruuviliitokset ja itseporautuvat ruuvit Ruuvimateriaalin valinnassa on huomioitava liitokseen syntyvä galvaaninen pari ja ruuvin on oltava liitoksen korroosiota parhaiten kestävä eli jaloin elementti. Siten myös saman korroosiokestävyyden omaavia materiaaleja liitettäessä toisiinsa suositellaan ruuvimateriaaliksi jalompaa kuin liitettävät materiaalit. Ruuviliitosten tarvitsemat reiät voidaan tehdä huomioiden edellisessä kappaleessa esitetty rakenneputken aukotus. Ruuviliitoksissa käytettävät ruuvit ja mutterit on standardoitu EN ISO 3506 mukaisesti valmistettuina austeniittisistä, ferriittisistä sekä martensiittisistä teräksistä. Ominaisuus- 70

73 luokat 50, 70 ja 80 kuvaavat austeniittisista teräslajeista valmistettujen ruuvien lujuutta. Kuvassa on osoitettu austeniittisille teräslajeille millä tavoin kyseessä oleva lujuus materiaalissa on saatu aikaiseksi. Kuva Ruostumattomien ruuvien standardin EN ISO mukainen jaottelu. Teräslaji Materiaali Lujuus Taulukko Ruostumattomien ruuvien kemiallinen koostumus Kemiallinen koostumus [%] (maksimi arvoja) Teräslaji Materiaali C Si Mn P S Cr Mo Ni Cu Huomioitavaa Austeniittinen A1 0,12 1 6,5 0,2 0,15 0, , ,75 2,25 1) 2) 3) A2 0, ,05 0, ) ) 6) A3 0, ,045 0, ) ) A4 0, ,045 0, , ) 8) A5 0, ,045 0, , , ) 8) 1) Rikki voidaan korvata seleenillä 2) Jos nikkelipitoisuus on vähemmän kuin 8 %, niin mangaanin vähimmäispitoisuuden tulee olla 5 % 3) Kuparille ei ole asetettu minimimäärää edellyttäen, että nikkelipitoisuus on enemmän kuin 8 % 4) Koostumus voi sisältää molybdeeniä valmistajakohtaisesti. Kuitenkin, jos käyttökohde edellyttää rajoituksia molybdeenimäärälle, tämä tulee tilauksen yhteydessä määritellä 5) Mikäli kromipitoisuus on vähemmän kuin 17 %, on nikkelin vähimmäispitoisuus 6) Kun hiilipitoisuuden maksimimäärä on 0,03 %, niin typpipitoisuuden maksimimäärä 0,22 % 7) Koostumuksen stabilisoimiseksi titaanin määrän tulee olla 5 x C (hiilen määrä) hiilenmäärään 0,8 % asti tai koostumuksen stabiloimiseksi niobiumin (colombiumin) ja/tai tantalumin määrän tulee olla 10 x C hiilenmäärään 1,0 % asti. Koostumus tulee esittää tarkoituksenmukaisesti tämän taulukon mukaisesti. 8) Toimittajakohtaisesti koostumuksen hiilimäärä voi olla korkeampi jotta määritellyt mekaaniset ominaisuudet suuremmilla halkaisijoilla voidaan saavuttaa, kuitenkaan hiilimäärä ei saa ylittää arvoa 0,12 % austeniittisilla ruostumattomilla teräslajeilla. Taulukko Austeniittisten ruostumattomien ruuvien mekaaniset ominaisuudet Ryhmä Austeniittinen Teräslaji A1, A2 A3, A4 A5 Ominaisuusluokka Kierteytetty halkaisija Murtolujuus R m min [N/mm2] 0,2%-lujuus R p0,2% min [N/mm2] Murtovenymä A min. [mm] 50 M ,6d 70 M ,4d 80 M ,3d 71

74 Kevyiden rakenteiden liitoksissa voidaan käyttää itseporautuvia ruuveja ilman esireikää materiaalipaksuuteen 3 mm asti. Kuitenkin paksumpaan materiaaliin porattaessa suositellaan sekä itseporautuville että itsekierteittäville ruuveille esireiän tekoa. Esireiän halkaisijan suhde ruuvin halkaisijaan on kriittinen suure sekä porautuvuuden/kierteittävyyden mutta myös kuormankestävyyden kannalta. Ruuveilla saattaa olla suuria toimittajakohtaisia eroja sekä porautuvuuden että liitokselta saavutettavan kestävyyden suhteen /Pull-out resistance tests of stainless steel screws with pre-drilled clearance holes, VTT, 2005/. Itseporautuvia/kierteittäviä ruuveja käytettäessä on ruuvi/pohjamateriaalikohtaisesti testattava sopiva esireiän halkaisija työn helpottamiseksi. Mikäli ruuviin kohdistuu ruuvin varren suuntainen vetovoima, on ruuvin kestävyys osoitettava kokeellisesti. Käytettäessä itseporautuvia ruuveja ruostumattomiin teräksiin on puutteellisen yleisen tiedon vuoksi syytä tiedustella edellä mainitut seikat ruuvitoimittajilta. Itseporautuville ja kierteittäville ruuveille ei ole eurooppalaista standardia. Maakohtaisesti voi olla kansallisia ohjeita koskien näiden ruuvien käyttöä ruostumattomaan materiaaliin. Myös ruuvien toimittajilla on valintaohjeita. Kitkaporaa ja kierteitystä käytetään rakenneputkien ruuviliitosten valmistamiseen ohuilla materiaaleilla. Kitkaporausta käytetään mm. kaidejärjestelmien kiinnityksissä. 5.5 Muu lastuava työstö Rakenneputkesta ainetta lastuamalla poistavan työstön osalta jyrsintä saattaa tulla kyseeseen käytännön työssä esim. kone- ja laiterakenteiden valmistuksessa. Materiaalin työstämiseen jyrsimällä pätee samat seikat kuin jo on esitetty porauksen yhteydessä. Taulukko Otsajyrsintään soveltuvia työstöarvoja /Muokatut teräkset, Raaka-ainekäsikirja, 2001, Metals Handbook 1989/. Syöttö [mm/hammas] Nopeus[mm/mm] / Jyrsimen halkaisija 6mm 13mm 19mm 25-50mm 24 0,05 0,07 0,13 0, ,025 0,05 0,07 0,13 Jyrsintää voidaan käyttää rakenneputken katkaistun pään työstämiseen viistettä varten tai suoristamiseen kun katkaistun pään suoruuden toleranssivaatimus on erittäin tiukka tai sivuihin tarvittavien tasojen valmistaminen liittyvien osien kiinnityspinnoiksi. 72

75 5.6 Taivutus Rakenneputken taivutusta voidaan tehdä useilla erilaisilla menetelmillä. Yleisimmät ovat kuitenkin kolmipistetaivutus, pyöreän putken tuurnataivutus ja induktiotaivutus, jossa taivutettava kappale lämmitetään induktiokuumennuksella. Rakenneputkilla taivuttaminen aiheuttaa voimakasta muokkausta taivutuksen alueella, mikä johtaa poikkileikkauksen geometrian muodonmuutoksiin. Muodonmuutosten suuruus on verrannollinen taivutussäteeseen sekä taivutusmenetelmään; pieneen säteeseen pyrittäessä muodonmuutokset pyrkivät suuremmiksi, samoin taivutettaessa putkea kylmänä muodonmuutokset ovat suuremmat kuin induktiotaivutuksessa. Käytännössä pienin saavutettava säde on verrannollinen poikkileikkauksen geometriaan sekä hyväksyttäviin poikkileikkauksen muodonmuutoksiin. Pyöreillä rakenneputkilla on pienimmälle taivutussäteelle suosituksena 3 kertaa halkaisija mitattuna poikkileikkauksen keskeltä /Architects Guide to Stainless Steel/. Suorakaide- ja neliöprofiileille vastaavanlaista sääntöä ei ole; muodonmuutos on riippuvainen levykenttien h/t- ja b/t-suhteista sekä profiilien korkeudesta taivutussuunnassa (h,b). Taivutettavuuteen vaikuttaa lisäksi materiaalin lujuus, taivutusmenetelmä sekä taivutuskohdan tuenta muodonmuutosten synnyn estämiseksi. Austeniittisten ja duplex-ruostumattomien terästen taivutettavuuteen vaikuttaa poikkileikkauksen muokkauslujittumisen vaikutus sekä suurempi takaisinjousto kuin esimerkiksi hiiliteräksillä. Kuva Poikkileikkauksen muodonmuutoksia taivutuksen vaikutuksesta. Rullataivutus tehdään taivutus- ja ohjausrullien välissä. Kolmi- ja kaksirullaiset taivutuslaitteet ovat yleisesti käytössä, kuva Kolmirullataivutuksessa taivuttava keskimmäinen rulla poikkeutetaan haluttua taivustussädettä vastaavaan asemaan, jonka jälkeen putki ajetaan rullien läpi. Kaksirullataivutuksessa ohjausrullien avulla säädetään taivutussädettä. Yleisesti rakenneputki on huoneenlämpötilaisena työvaiheen ajan. Rullataivutus vaatii suuret voimat ja menetelmällä saavutettavan taivutussäteen minimiarvo on suurempi kuin induktiotaivutuksella. Poikkileikkauksen tuenta taivutuskohdassa vaikuttaa poikkileikkauksen muodonmuutoksiin. Menetelmä soveltuu sekä nelikulmaisille että pyöreille rakenneputkille. Tuloksena saavutetaan laajoja kaarevia rakenneputkia, joiden pituus voi olla 18 m. Kolmipistetaivutusta on tutkittu muun muassa projektissa Development of lightweight train and metro cars by using ultra high strength stainless steels (DOLTRAC), ECSC projektisopimus no PR-363. / /. 73

76 Kuva Rullataivutuksen periaate /Pipe and Tube Bending Manual, John Gillanders/. Pyöreän rakenneputken taivutus voidaan tehdä tuurnaa vasten radiaalitaivuttamalla, kuva Taivutettavan kappaleen toinen pää on kiinnitetty ja taivutussäde mankeloidaan tuurnaa vasten. Taivutuskohdan poikkileikkaus on taivutustyökaluilla suljettu. Tuenta estää poikkileikkauksen muodonmuutosten synnyn. Menetelmä soveltuu pienihalkaisijaisille putkille. Tuloksena saadaan putkikäyriä ja lyhyitä taivutuksia, kun laitteen kokoonpanossa puristustyökalut eivät liiku. Liikkuvien puristustyökalujen avulla voidaan tuottaa jatkuvasäteisiä, pidempiä taivutuksia. Kuva 5.6.3a) Periaatekuva pyöreän rakenneputken radiaalitaivutustyökaluista /Pipe and Tube Bending Manual, John Gillanders/ 74

77 Kuva 5.6.3b) Periaatekuva pyöreän rakenneputken radiaalitaivutuksesta / Pipe and Tube Bending Manual, John Gillanders/ Kuvan mukaisella poikittaisella puristustaivutuksella paikallaan oleva rakenneputki taivutetaan poikittaisen työkalun avulla muottia vasten. Poikittaisella puristustaivutuksella voidaan tehdä laajoja taivutussäteitä. Laitteistot ovat usein teknisesti varsin vaatimattomia. Kuva Poikittaisen puristustaivutuksen periaatekuva /Pipe and Tube Bending Manual, John Gillanders/. 75

78 Induktiotaivutuksessa taivutettava kohta kuumennetaan induktiolaitteella taivutukselle soveltuvaan lämpötilaan. Korotetun lämpötilan käyttö helpottaa taivutusprosessia. Taivutuskohdassa materiaali lämmitetään vain hyvin kapealta alueelta samalla ajaen putkea eteenpäin. Induktiotaivutuksessa poikkileikkauksen muodonmuutokset ovat pieniä ja voidaan saavuttaa pienempiä taivutussäteitä kuin edellä mainituilla menetelmillä. Lämpötilasykli saattaa aiheuttaa ruostumattoman materiaalin kiderakenteen muutoksia sekä oksidikalvon materiaalin pintaan. Oksidikalvon poisto voi tapahtua peittaamalla mutta myös muilla menetelmillä (kts. kappale hitsaus/pinnankäsittely). Lämpötilan vaikutuksesta materiaalin ominaisuuksiin on syytä keskustella materiaaliasiantuntijan kanssa. Alla oleviin taulukoihin on annettu arvioita taivutussäteelle kolmipistetaivutuksessa, kun rakenneputken poikkileikkauksessa sallitaan 1%:n, 2%:n tai 5%:n muodonmuutos uumassa tai laipassa. / CIDECT Report 11C-88/14-E/. Parametri P b kuvaa profiilin levenemän suhteessa profiilin laipan leveyteen ja parametri P e laipan taipuman suhteessa profiilin uuman korkeuteen, kuva Taulukoista ja voidaan alustavasti arvioida profiiliin taivutuksesta aiheutuvaa muodonmuutosta. Esimerkiksi taivutetun rakenteen profiiliksi on valittu 150x150x8 mm. Kun sallitaan poikkileikkauksessa tapahtuvan profiilin levenemisen ja puristuspuolen laipan sisäänpainuman suhteelliseksi arvoksi 1%, levenemisen osalta rakenneputkea voidaan taivuttaa säteeseen 72,75 m. Sisäänpainuman osalta taivutussäde on 48,93 m. Vastaavasti voidaan arvioida profiilikokoa taivutettavuuden osalta, kun on tiedossa vaadittava taivutussäde. Rakenteeseen on määritetty taivutussäde 20 m. Tämä toteutuu esimerkiksi seuraavilla profiili-poikkileikkausdeformaatio-yhdistelmillä: 100x100x8 mm, 1%, 20,71 m 150x150x10 mm, 2%, 21,36 m 200x200x6,3 mm, 5%, 19,76 m Tässä tapauksessa on arvioitava profiilin käyttökohteen avulla esteettisyysvaatimus sekä kestävyys profiiliin kohdistuville kuormille. Näiden avulla voidaan profiili alustavasti valita. Rakenneputken kaareuttamisen osalta on huomioitava, että taulukoissa ja annetut kaarevuussäteet ovat alustavia arvioita kolmipistetaivutuksella saavutettaville minimisäteille. Tapauskohtaisesti on keskusteltava konepajan kanssa saavutettavasta säteestä sekä siihen liittyvistä poikkileikkauksen deformaatioista. 76

79 Taulukko Neliöpoikkileikkauksen omaavan rakenneputken taivutussäteen arvoja /CIDECT Report 11C-88/14-E / 1% 2% 5% h[mm] b[mm] t[mm] I[mm 4 ] P b P e P b P e P b P e ,88 0,71 0,22 0,22 0,22 0,22 0,22 2,6 3,49 0,22 0,22 0,22 0,22 0,22 0,22 3,2 4,00 0,63 0,22 0,22 0,22 0,22 0, ,6 8,94 1,61 0,22 0,50 0,22 0,22 0,22 3,2 10,40 1,53 0,22 0,47 0,22 0,22 0, ,10 1,44 0,22 0,45 0,22 0,22 0, ,2 21,60 3,05 0,22 0,95 0,22 0,22 0, ,50 2,88 0,22 0,90 0,22 0,22 0, ,60 2,72 0,22 0,85 0,22 0,22 0, ,2 38,70 5,36 1,76 1,67 0,66 0,36 0, ,10 5,07 0,95 1,57 0,35 0,34 0, ,40 4,79 0,51 1,49 0,22 0,32 0, ,2 63,00 8,65 4,74 2,69 1,76 0,57 0, ,70 8,17 2,55 2,54 0,95 0,54 0, ,10 7,72 1,37 2,40 0,51 0,51 0, ,2 95,80 13,08 11,15 4,06 4,14 0,87 1, ,00 12,36 5,99 3,84 2,23 0,82 0, ,00 11,68 3,22 3,63 1,20 0,77 0,32 6,3 165,00 11,02 1,69 3,42 0,63 0,73 0, ,2 139,00 18,83 23,72 5,85 8,82 1,25 2, ,00 17,80 12,75 5,53 4,74 1,18 1, ,00 16,83 6,85 5,23 2,55 1,11 0,69 6,3 242,00 15,87 3,60 4,93 1,34 1,05 0, ,2 192,00 26,10 46,61 8,11 17,33 1,73 4, ,00 24,67 25,05 7,67 9,31 1,63 2, ,00 23,32 13,46 7,25 5,00 1,54 1,35 6,3 341,00 22,00 7,07 6,83 2,63 1,46 0, ,00 20,71 3,64 6,43 1,35 1,37 0, ,00 19,58 1,95 6,08 0,73 1,30 0, ,2 338,00 45,92 150,01 14,27 55,76 3,04 15, ,00 43,41 80,60 13,48 29,96 2,88 8, ,00 41,03 43,31 12,75 16,10 2,72 4,35 6,3 610,00 38,70 22,76 12,02 8,46 2,56 2, ,00 36,44 11,70 11,32 4,35 2,41 1, ,00 34,44 6,29 10,70 2,34 2,28 0, ,00 86,88 336,99 26,92 125,26 5,74 33, ,00 81,91 181,06 25,45 67,30 5,43 18,19 6,3 1212,00 77,27 95,15 24,00 35,37 5,12 9, ,00 72,75 48,93 22,60 18,19 4,82 4, ,00 68,76 26,29 21,36 9,77 4,55 2, ,66 618,67 66,82 187,26 10,83 38,58 6,3 2991,00 176,76 316,83 44,63 95,90 7,24 19, ,00 116,47 158,64 29,41 48,02 4,77 9, ,00 78,88 83,14 19,92 25,17 3,23 5, ,9 5637,00 422,55 623,69 106,69 188,78 17,30 38, ,00 248,27 258,27 62,69 78,17 10,16 16, ,00 168,15 135,35 42,46 40,97 6,88 8, , ,00 567,46 543,13 143,28 164,39 23,23 33, ,00 460,71 384,45 116,32 116,37 18,86 23, ,00 312,03 201,50 78,79 60,99 12,77 12,56 77

80 Taulukko Suorakaidepoikkileikkauksen omaavan rakenneputken taivutussäteen arvoja /CIDECT Report 11C-88/14-E/. 1% 2% 5% 78 h[mm] b[mm] t[mm] I[mm 4 ] P b P e P b P e P b P e ,6 12,40 2,43 0,32 0,76 0,22 0,22 0,22 3,2 14,50 2,31 0,22 0,72 0,22 0,22 0, ,00 2,18 0,22 0,68 0,22 0,22 0, ,2 28,30 4,30 0,73 1,34 0,27 0,28 0, ,60 4,07 0,39 1,26 0,22 0,27 0, ,20 3,84 0,22 1,19 0,22 0,25 0, ,2 41,60 6,38 1,41 1,98 0,52 0,42 0, ,60 6,03 0,76 1,87 0,28 0,40 0, ,30 5,70 0,41 1,77 0,22 0,38 0, ,2 58,10 8,97 2,49 2,79 0,92 0,59 0, ,60 8,48 1,34 2,63 0,50 0,56 0, ,2 117,00 17,90 10,39 5,56 3,86 1,19 1, ,00 16,92 5,58 5,26 2,08 1,12 0, ,00 15,99 3,00 4,97 1,12 1,06 0, ,2 132,00 19,77 15,42 6,14 5,73 1,31 1, ,00 18,69 8,29 5,80 3,08 1,24 0, ,00 17,66 4,45 5,49 1,66 1,17 0,45 6, ,66 2,34 5,18 0,87 1,10 0, ,2 207,00 31,49 33,45 9,78 12,43 2,09 3, ,00 29,77 17,97 9,25 6,68 1,97 1, ,00 28,14 9,66 8,74 3,59 1,86 0,97 6,3 366,00 26,54 5,07 8,25 1,89 1,76 0, ,2 251,00 36,83 62,36 11,44 23,18 2,44 6, ,00 34,81 33,50 10,81 12,45 2,31 3, ,00 32,90 18,00 10,22 6,69 2,18 1,81 6,3 447,00 31,04 9,46 9,64 3,52 2,06 0, ,2 364,00 54,60 119,98 16,96 44,60 3,62 12, ,00 51,61 64,47 16,03 23,96 3,42 6, ,00 48,78 34,64 15,15 12,88 3,23 3,48 6,3 656,00 46,01 18,20 14,29 6,77 3,05 1, ,2 500,00 73,53 260,70 22,84 96,91 4,87 26, ,00 69,50 140,08 21,59 52,07 4,60 14, ,00 69,59 75,26 20,41 27,98 4,35 7,56 6,3 910,00 61,97 39,55 19,25 14,70 4,10 3, ,00 58,34 20,34 18,12 7,56 3,86 2, ,00 55,14 10,93 17,13 4,06 3,65 1, ,2 505,00 260,74 141,09 65,84 42,70 10,67 8, ,00 176,59 73,94 44,59 22,38 7,23 4, ,00 119,60 38,75 30,20 11,73 4,90 2,42 6,3 917,00 79,88 19,85 20,17 6,01 3,27 1, ,00 376,44 120,37 95,05 36,43 15,41 7, ,00 254,95 63,09 64,37 19,09 10,44 3,93 6,3 1809,00 170,28 32,31 42,99 9,78 6,97 2, ,19 16,18 28,33 4,90 4,59 1, ,00 75,98 8,48 19,19 2,57 3,11 0, ,00 548,84 187,23 138,58 56,67 22,46 11,68 6,3 4112,00 366,57 95,89 92,56 29,02 15,00 5, ,00 241,53 48,01 60,98 14,53 9,89 2, ,00 163,58 25,16 41,30 7,62 6,70 1, ,9 7334,00 767,31 244,28 193,74 73,94 31,41 15, ,00 450,84 101,16 113,83 30,62 18,45 6, ,00 305,34 53,01 77,09 16,05 12,50 3, , , ,81 103,85 366,32 31,43 59,38 6, , ,85 73,51 297,40 15,14 48,21 4, ,00 797,71 38,52 201,41 11,66 32,65 2,40

81 5.7 Suurpainemuovaus Putken sisäpuolinen suurpainemuovaus on varsin yleinen tapa valmistaa pyöreiden putkien liitososia sekä autoteollisuuden komponentteja. Neliö- ja suorakaideprofiilien osalta suurpainemuovauksen käyttö on varsin harvinaista, mutta menetelmiä kehitetään edelleen. Alla on esitettynä suurpainemuovaamalla valmistettuja osia. Kuva Oikealla suurpainemuovaamalla valmistettuja liitoskappaleita sekä vasemmalla periaateratkaisu hydromuovaamalla valmistettavien osien käytöstä voimaa siirtävän rakenteen komponenteiksi /Oy OSTP Ab/. 5.8 Eri metallien liittäminen Eripariliitos syntyy kun rakenneosien eri materiaalit ovat kontaktissa keskenään. Eripariliitos voi muodostua korroosioriskiksi ympäristöissä, joissa kosteus pääsee liitoksen alueelle eivätkä osat ole eristettyjä toisistaan. Kuivissa ympäristöolosuhteissa korroosioriskin oletetaan olevan vaatimaton. Yleisistä rakenteissa käytettävistä materiaaleista ruostumattomat teräkset ovat jaloimpia materiaaleja eivätkä siten kärsi galvaanisesta korroosiosta rakenteellisesti, kun niitä liitetään muihin metalleihin. Eri materiaalien välisten kontaktipintojen riskiä galvaaniselle korroosiolle voidaan minimoida /Edelstahl Rostfrei in Kontakt mit Anderen Material/ katkaisemalla sähkönjohtavuus pintojen kesken esimerkiksi asentamalla eristävää materiaalia pintojen väliin tai valitsemalla materiaaleiksi saman jännitepotentiaalin omaavat materiaalit; tai estämällä elektrolyytin muodostuminen pintojen väliin esimerkiksi varmistamalla kuivat olosuhteet tuuletuksella, ohjaamalla kosteuden muodostuminen vain toisen kontaktissa olevan materiaalin pinnalle tai käyttämällä liitosalueella materiaalien pinnoitusta. 79

82 Yllä mainituista mahdollisuuksista johtuen voi olla hyödyllistä tehdä detaljikohtaiset valmistusohjeet konepajavalmistusta varten eri materiaalien liittämiseksi ruostumattomaan teräkseen. Rakenteellisessa tarkoituksessa eri materiaalit liitetään toisiinsa joko hitsaus- tai ruuviliitoksilla. Kappaleessa 3.4 galvaanisen korroosion yhteydessä on esitetty materiaalien elektrokemiallinen jännitesarja. Tämän avulla voidaan arvioida ongelmallisia materiaalipareja. Jännitesarjassa kaukana toisistaan olevat materiaalit muodostavat korroosioriskin olleessaan kontaktissa keskenään. Tällaisia pareja ovat ruostumaton teräs-hiiliteräs, ruostumaton teräs-sinkitty teräs, ruostumaton teräs-alumiini ja ruostumaton teräskupari. Nämä ovat käytännössäkin varsin yleisiä materiaaliyhdistelmiä esimerkiksi julkisivujen rakenteissa, kaiteissa sekä kiinnikkeissä. Hitsausliitoksissa galvaaninen pari voi muodostua sekä päittäis- että pienaliitoksissa kun juuren puolella ei tapahdu läpihitsautumista. Juuren puolelle muodostuu myös useissa tapauksissa hyvin kapea rako, johon keräytyvä kosteus luo riskin galvaaniselle korroosiolle. Alla olevassa kuvassa on esitetty detalji hyvin tyypillisestä hitsausliitoksesta. Hitsauslisäaineen valinta on esitetty jo aiemmin kappaleessa 5.2. Kuva Hitsin juuren puolen galvaaniselle korroosiolle alttiina oleva detalji. Ylempi hitsi on suositeltava. Hitsausliitoksissa liitettävät materiaalit useimmissa tapauksissa ovat ruostumaton teräs ja hiiliteräs. Hiiliteräksellä on korroosiosuojana joko pelkkä maalaus tai sinkitys ja maalaus. Hitsaustyön ohjeistuksessa hiiliteräksen pintakäsittely on poistettava riittävän laajalta alueelta ja pinnat puhdistettava ennen hitsausta. Hitsauksen jälkeen on pinnat uudelleen käsiteltävä alkuperäisellä tavalla sekä huomioitava, että maalaus tulee jatkaa lyhyen matkaa ruostumattoman teräksen päälle. Näin menetellen estetään galvaaninen pari liitosalueella myös siinä tapauksessa, että maalipinta hiiliteräksen puolella vaurioituu paikallisesti. Sinkityissä materiaaleissa sinkkiä ei jatketa ruostumattoman teräksen päälle vaan liitosalue tulee ylittää maalamalla tai teipillä. Sinkin ja ruostumattoman 80

83 teräksen potentiaaliero on varsin suuri, ja tämä voi aiheuttaa epäedullisen elektrolyytin läsnäollessa sinkin nopean syöpymisen ja siten korroosiovaurion myös alla olevaan hiiliteräkseen. Ruuviliitoksella liitetään usein ruostumaton teräs maalattuun teräkseen, sinkittyyn teräkseen, alumiiniin tai kupariin. Ohutlevyruuveja käytettäessä ruuvimateriaalin tulee olla yhtä jaloa tai jalompaa kuin liitettävät materiaalit toimiakseen korroosio-olosuhteissa syöpymättömänä katodina. Liitettäessä materiaaleja ruostumattomaan teräkseen on suositeltavaa asentaa pintojen väliin eriste. Alumiinilista voidaan kiinnittää ruostumattomaan rakenneputkeen, mutta kosteuden vaikutuksesta galvaaninen korroosio aiheuttaa jauhemaisen korroosiotuotteen irtoamisen pinnoille. Samanlainen korroosiotuote muodostuu ruostumattoman ja sinkityn teräksen liitokseen. Suurempia voimia siirtävien eri materiaalien välisen liitoksen periaatekuva on esitetty alla (kuva 5.8.2) Kuva Periaatekuva eripariliitoksen eristämiseksi. 5.9 Rakenneosien toleransseista Konepajalla valmistettavien rakennusteollisuuteen päätyvien rakenteiden toleranssien osalta noudatetaan standardin pren1090 ohjeita. Alla olevissa taulukoissa on esitetty rakenneputkille käytettävien toleranssien eurooppalaisen standardin mukaiset vaatimukset luokille 1 ja 2. On huomioitava, että muuhun kuin rakennusteollisuuteen päätyvillä rakenteilla saattaa olla alla esitetyistä eroavat vaatimukset, jotka konepajan tulee toteuttaa. 81

84 Taulukko Komponenttien toiminnalliset valmistustoleranssit No Kriteeri Parametri Sallittu poikkeama Luokka 1 Luokka 2 1 Osan pituus: Katkaistu pituus mitataan keskilinjaa pitkin. yleinen tapaus: päät työstetty asennusvalmiiksi: Rakenneosan pituus mitataan mukaan lukien hitsatut päätylaput, mikäli nämä suunnitelmassa. = L/ mm = 1 mm = L/ mm = 1 mm 2 Osan pituus, mikäli seuraavilla komponenteilla voidaan kompensoida: Katkaistu pituus mitattuna keskilinjaa pitkin: = 50 mm = 50 mm 3 Suoruus: Poikkeama annetaan standardissa SFS EN ja tämä kirjan kappaleessa 4. 4 Suunnitelman mukainen kallistuma tai tavoiteltu kaarevuus: Keskellä mitattu poikkeama: = L/500 mutta 6 mm suurempi arvoista on sallittu = L/1000 mutta 4 mm 6 Päiden suoruus: Kohtisuoruus pituusakseliin: päiden suunniteltu olevan täysin kontaktissa: päiden ei suunniteltu olevan kontaktissa: = D/1000 = D/100 = D/1000 = D/300 mutta 10 mm 7 Kiertymä: Kokonaispoikkeama osan pituudella L standardin SFS EN mukainen ja tämän kirjan kappaleen 4 mukainen 82

85 Taulukko Kiinnikkeiden reikien ja leikattujen reunojen toiminnalliset valmistustoleranssit No Kriteeri Parametri Sallittu poikkeama Luokka 1 Luokka 2 1 Kiinnikkeiden reikien sijainti: Reikäryhmän yksittäisen reiän keskilinjan poikkeama suunnitellusta sijainnista: = 2 mm = 1 mm 2 Kiinnikkeiden reikien sijainti: Yksittäisen reiän poikkeama päätyyn: - = 0 mm + 3 mm - = 0 mm + 2 mm 3 Reikäryhmän sijainti: Poikkeama suunnitellusta sijainnista: = 2 mm = 1 mm 4 Reikäryhmien sijainti: Reikäryhmien keskipisteiden etäisyyden c poikkeama : yleinen tapaus kun yksittäinen kappale on kiinnitetty kahden kiinnikeryhmän avulla = 5 mm = 2 mm = 2 mm = 1 mm 5 Reikäryhmän kiertymä: Kiertymä : kun h 1000 mm = 2 mm = 1 mm 6 Reikien ovaalisuus: = L1 L2 = 1 mm = 0,5 mm 8 Katkaistun reunan suoruus: Reunan poikkeama 90º kulmasta: = 0,1t mm = 0,05t mm 83

86 Taulukko Pilarien jatkosten ja pohjalevyjen toiminnalliset valmistustoleranssit No Kriteeri Parametri Sallittu poikkeama Luokka 1 Luokka 2 1 Pilarin jatkos: Asennuksesta johtuva epäkeskeisyys e: (kummankin akselin suhteen) 5 mm 3 mm 2 Pohjalevy: Asennuksesta johtuva epäkeskeisyys e: (kaikkiin suuntiin) 5 mm 3 mm 84

87 Taulukko Ristikkorakenteiden toiminnalliset valmistustoleranssit No Kriteeri Parametri Sallittu poikkeama Luokka 1 Luokka 2 1 Suoruus ja kaareutuminen: a on mitattu kaareutuminen b on suunniteltu kaareutuminen c on mitattu linjaus d on suunniteltu linjaus Jokaisen liitoskohdan poikkeama suhteessa suoraan linjaan tai suunniteltuun kaareutumiseen tai säteseen = L/500 mutta 12 mm = L/500 mutta 6 mm 2 Kokoonpanon dimensiot: Yksittäisen solmupistevälin p pituus mitattuna keskilinjaa pitkin: = 5 mm = 3 mm Kumulatiivinen poikkeama Σp solumpisteiden sijainnille: = 10 mm = 6 mm 3 Uumasauvojen suoruus: Suoruuspoikkeama: = L/500 mutta 6 mm = L/1000 mutta 3 mm 5 Paarteeseen liittyvät sauvat: Epäkeskeisyys (vastaavaan suunniteltuun epäkeskeisyyteen): = B/20+5 mm = B/40+3 mm 6 Vapaaväli liitoksissa: Uumasauvojen välinen vapaaväli g: = t1 + t2 mutta 5mm (pienempi arvoista vaaditaan) = t1 + t2 mutta 3mm (pienempi arvoista vaaditaan) 85

88 6. Rakenneputkien liitosten kestävyysnäkökohtia Liitosten ja kiinnitysten suunnittelussa tulee ottaa huomioon, että: liitosten ja kiinnitysten mekaaninen ja korroosionkestävyys voidaan varmistaa; liitokset ja kiinnitykset voidaan valmistaa ja tarkastaa kunnollisesti; voidaan välttää vaikeasta asennuksesta johtuvia virheitä; erityisesti hitsatuissa liitoksissa ja kiinnityksissä tulee pyrkiä - sijoittamaan hitsi suurten jännitysten vaikutusalueen ulkopuolelle - sijoittamaan hitsi jännityskeskittymän ulkopuolelle - varmistamaan, että kaikki merkityt hitsit voidaan valmistaa - varmistamaan, että hitsit voidaan jälkikäsitellä Rakenneputkikonstruktiossa tyypillisiä liitoksia ovat T-, K-, N- ja Y-liitokset sekä päittäisjatkokset. Liitokset valmistetaan yleisimmin konepajalla hitsaamalla. Voimaa siirtävien hitsattujen liitosten geometrian raja-arvot on annettu standardissa SFS EN sekä CIDECT:n julkaisemissa ohjeissa. Ruuviliitoksia käytetään yleensä, kun osakomponentit liitetään työmaalla toisiinsa. Muotosulkeisia liitoksia ja lasertyöstön antamia mahdollisuuksia ei ole suurimittakaavaisesti käytetty voimaa siirtävien liitosten tapauksissa. K-liitokset Rakenneputkikonstruktioissa K-liitoksilta edellytetään että diagonaalin liittymiskulma paarteeseen on suurempi kuin 30, samaan liitokseen liittyvien uumasauvojen välinen kulma on suurempi kuin 30, vapaa väli g diagonaalisauvojen välillä paarresauvan pinnalla on riittävä ja ettei liitoksen epäkeskeisyys e (diagonaalisauvojen keskilinjojen yhtymäpiste paarresauvaan) ole liian suuri. Näiden reunaehtojen toteutuessa liitosta kuormittava rasitus pystyy jakautumaan tasaisemmin liitoksen alueella. Kuva Tyypillinen rakenneputkien välinen K-liitos. 86

89 Paarresauvaan nähden poikittaiset diagonaalisauvojen hitsit voidaan valmistaa pienahitseinä, kun liittymiskulma θ on Kun liittymiskulma on pienempi kuin 60 on diagonaalisauvan vapaavälin puoleinen sivu viistettävä ja hitsi valmistettava päittäishitsinä. Vastakkaisen sivun hitsi valmistetaan pienahitsinä, jonka riittävän a-mitan saavuttaminen tulee varmistaa pienilläkin liittymiskulman arvoilla. Näin menetellen varmistetaan, että liitoksen kuormitetuille sivuille ei tule alimittaisia hitsejä. Liitoksen epäkeskeisyys e kuvaa diagonaalisauvojen leikkauspistettä paarresauvan pituusakselin suhteen. Epäkeskeisyyden arvoilla e 0 mm liitokseen muodostuu taivutusmomentti, joka on otettava huomioon paarresauvaa kuormittavana voimana. Liitoksen paikallisia rasituksia määritettäessä epäkeskeisyys on otettava huomioon, mikäli se on raja-arvoa suurempi. Yleensä suunnittelussa on tehtävä kompromissi epäkeskeisyyden ja vapaavälin arvojen valinnassa. Vapaavälin g minimiarvo, jotta liitos voidaan valmistaa, on oltava vähintään t 1 +t 2, missä termit t 1 ja t 2 ovat liitokseen liittyvien uumasauvojen seinämänvahvuudet. Liitoksen hitsien reunaviivojen väliselle vapaavälille g a on määritetty minimiarvo 1,5 kertaa paarresauvan seinämänpaksuus /CIDECT 1996 Project 5AQ/2/. Riittävän suuren vapaavälin g ja liittymiskulman valinnoilla varmistetaan, että liitos on valmistettavissa ja tarkastettavissa. Kuva Liittyvän diagonaalisauvan pää on viistettävä, kun liittymiskulma θ 60. Tässä tapauksessa diagonaalin vapaan välin puoleisen sivun pää on viistettävä ja liitoshitsi tehdään päittäishitsinä puoli-v-railoon. Kuva Uumasauvojen välisen vapaavälin g vaikutus liitokseen syntyvään epäkeskeisyyteen e. Kuvan liitoksessa liittymiskulma on suurempi (60 θ 90 ). Suuremmalla liitoskulmalla vapaavälin puoleinen hitsi on helpompi valmistaa riittävän a-mitan pienahit sinä. Suuremmilla liittymiskulman arvoilla kuitenkin liitoksen epäkeskeisyys kasvaa. Oikean puoleisessa kuvassa liitoksen epäkes keisyyden pienentäminen johtaa myös vapaan välin g pienenemiseen. Vapaan välin pienentäminen heikentää liitoksen muodonmuutoskykyä sekä liian pieni vapaa väli estää myös kunnollisen hitsin valmistamisen. Molemmat liittyvät diagonaalit on aina hitsattava erikseen tai on käytettävä kuvan mukaista limitettyä liitosta. 87

90 Kuva Limitetty liitos. Liitoksen kestävyyttä ja jäykkyyttä voidaan parantaa limittämällä liittyvien uumasauvojen päät (kuva 6.1.4). Limityksen ansiosta uumasauvojen laipat osallistuvat sauvavoiman siirtämiseen paarteelle. Tällöin paarteen pinnan jännitykset jäävät pienemmiksi ja kestävyys määräytyy uumasauvojen tehollisen poikkipinnan mukaan. Limitettyjen liitosten piiloon jäävä uumasauvan pää suositellaan aina hitsattavaksi. T- ja Y-liitokset T- ja Y-liitosten diagonaalisauvan liittyminen paarteeseen suunnitellaan kuten K-liitoksen tapauksessakin, kun kuormitus vaikuttaa diagonaalin ja paarteen tasossa. Kuva Tyypillinen T-liitoksen kuormitustapaus. Kuvan mukaisissa liitoksissa liittyvän palkin päässä oleva kuormitus aiheuttaa paar resauvalle palkin taivutuskuormituksen lisäksi leikkaus- ja vääntömomenttikuormituk sen. Vääntömomentti voidaan edelleen jakaa paarresauvan poikkileikkausta vääntävään ja vinouttavaan kuormitukseen. Vinouttava kuormitus tasapainottaa itsensä, mutta aiheuttaa poikkileik kauksen vinoutumisen, eli sen muodon muut tumisen "salmiakin" muotoon (kuva 6.1.6). Poikkileik kauk sen vinoutuminen aiheuttaa palkkiin muodonmuutoksia ja lisäjännitys komponentit, jotka tulee huomioida mitoitukses sa. Vinoutumista ei tapahdu, kun paarresauva on pyöreä profiili. Kotelopalkin vinoutumisesta on esitetty teknisessä tiedotteessa MET 2/80 /19/. 88

91 Kuvan mukaisessa rakenteessa liittyvä sauva on hitsattu paarresauvan kyl keen ilman paarteen sisäisiä jäykis telev yjä. Tässä tapaukses sa paarteen poik kileik kauk sen vinout umista ei ole estetty ja kuvan mukainen lisämuodon muutos pääsee tapahtumaan. Kuva Poikkileikkauksen vinoutumisen aiheuttava kuormitus (vasemmalla) sekä vinoutunut muoto (oikealla). Ku vas sa on esitetty vaihtoehtoja, joilla poikkileikkaus voidaan jäykistää siten, että vinoutum inen on estetty. Ylimmässä tapauksessa liittyvä sauva on ulkodimensioiltaan paarretta suurempi ja siitä on leikattu alanurkka pois. Keskimmäisessä tapauksessa paarre on hitsattu liittyvään sauvaan. Tämä ratkaisu on huono paarteen kestävyyden kannalta. Poikkileikkauksen vinoutu minen voidaan myös estää putken sisään hitsattavilla poikittais levyil lä, mutta työ on erittäin hankala suorittaa. Kuva Paarretta korkeampi liittyvä sauva viistetään ja hitsataan osittain tai kokonaan paarteen ympäri jäykistäen paarteen poikkileikkauksen(ylin kuva). Paarre hitsataan poikittaiseen liittyvään sauvaan (keskimmäinen kuva). Paarresauva aukotetaan vastakkaisilta sivuiltaan ja liittyvä sauva hitsataan paarteen molempiin sivuihin päittäis/ pienahitseilla (alin kuva). 89

92 Kuva Kuormittava voima ei aiheuta poikkileikkauksen vinoutumista, jos voima F asetetaan vaikuttamaan etäisyydelle e=b profiilin keskipisteestä. Korvaketta käytetään tyypillisimmin siirtämään voimaa toimilaitteesta, yleensä hydraulisylinteristä, tai ripustuksesta rakenneputkeen. Korvakkeen muotoilulla ja sijoittelulla voidaan vaikuttaa liitoksen ja rakenneputken kestävyyteen. Kuva Kun kuormitus ei aiheuta paarteeseen vääntömomenttia, voima voidaan siirtää paarresauvan korkuisen korvakkeen välityksellä. Tasakork uisen korvakkeen käytöllä voidaan pienentää paar resauvan levykentän muodon muutok sia (vasemman puoleinen kuva). Kun kuormitus aiheuttaa paarteeseen vään tömomentin, kannattaa korvake muotoilla siten, että se pystyy estämään vinout tavasta kuor masta seurauksena olevan poik kileik kauksen muodon muutok sen (oikean puoleinen kuva). 90

93 Rakenneputken jatkokset Osa rakenteista on esim. suuren koon vuoksi siirrettävä komponentteina asennuspaikalle. Komponentin liittäminen rakenteeseen on edullista valmistaa ruuviliitoksina, sillä vaativan hitsaus työn suorittaminen asennusolosuhteissa saattaa olla ylivoimaista komponentin tarkan asemoinnin tai ympäris töolosuhteiden vaikutuksesta. Rakenneputken jatkamiselle hitsaamalla on annettu ohjeita kohdassa 5.2. Ruuviliitoksissakin voiman välittäminen osalta toiselle tapahtuu rakenneputkeen hitsaamalla kiinnitettyjen levyjen välityksellä. Pienten rakenneputkien ja vähäiselle vetokuormitukselle joutuvien rakenneputkien jat kami nen voidaan tehdä kuvan osoittamalla taval la. Kuormitus ei ole tasaisesti jakau tunut putken poikkileikkauk sessa lähellä jatkos levyä. Jos liitos tehdään kaksileikkeisenä, se pienen tää epäkeskeisyydestä aiheutuvaa taivutusmomenttia. Suuremmalle vetokuormalle joutuvissa liitoksissa kuorma saadaan tasaisemmin jakautu maan putken poikkileikkauk seen, kun liitos levyä jatketaan putken puolelle. Kuva Periaatteellisia ratkaisuja rakenneputken päittäisjatkoksille. Poikittainen levy tai ruuvien varret välittävät voiman puristus- ja vetokuormitetuille jatkosliitoksille. Liitettävien sauvojen keskiviivojen tulee yhtyä, jolloin liitoksen epäkeskeisyys pienenee. Puris tus kuormite tuille sau voil le liitok sen epäkes keisyys voi aiheut taa alkutaipu man, joka heikentää ra kenteen kestävyyttä 91

94 7. Ruostumattomista rakenneputkista valmistettavien rakenteiden mitoitus standardin SFS EN mukaisesti Tämän luvun osalta on huomioitava, että pääosin esitetty aineisto on standardin SFS EN mukaista ja soveltuu rakentamiseen suunniteltavien rakenteiden mitoittamiseen. Tämä on kuitenkin vain yksi sovellusalue ruostumattomille rakenneputkille. Mikäli rakenteelle on määritetty muu käyttökohde, on suunnittelijan noudatettava asianmukaista mitoitusohjetta. Tapauskohtaisesti, mikäli muita ohjeita ei ole annettu voi harkinnan mukaan soveltaa standardia SFS EN tai Euro Inox-käsikirjan (2006) mukaisia ohjeita. Tässä luvussa on esitetty ruostumattoman teräsrakenteen mitoituksen eroja SFS EN mukaiseen mitoittamiseen. Ristikkorakenteiden mitoitus on esitetty SFS EN mukaisesti, vaikkakin mitoitus tapahtuu samalla tavoin materiaalista riippumatta. 7.1 Rajatilamitoitus Rakenteiden mitoitus standardin SFS EN mukaisesti perustuu rajatilamitoitukseen. Rajatilat ovat murto- ja käyttörajatila. Murtorajatiloilla tarkoitetaan tilanteita, joiden ylittyminen voi aiheuttaa rakenteen tai sen osan murtumisen. Käyttörajatiloilla tarkoitetaan tilanteita, joiden ylittymisen jälkeen rakenteen käytölle asetettuja vaatimuksia ei enää täytetä. Säilyvyys voidaan käsittää murto- ja käyttörajatilojen osajoukoksi riippuen vaikuttaako esim. korroosio rakenteen lujuuteen vai esteettiseen ilmeeseen /Käsikirja-ruostumattomien terästen käyttö kantavissa rakenteissa, Euroinox, 2006/. Murtorajatilassa seuraavan ehdon tulee toteutua: Ed Rd Missä Ed on kuormien vaikutuksen mitoitusarvo. Rd on kestävyyden mitoitusarvo, jonka arvo lasketaan mitoitusohjeiden mukaisesti. Murtorajatiloja ovat rakenteen lujuuteen liittyvät vauriomuodot (yleinen myötääminen, murtuminen, nurjahdus tai mekanismin syntyminen, jne.), rakenteen kaatuminen tai sivusuun tainen siirtyminen sekä väsymisestä aiheutuva murtuminen. 92

95 Murtorajatilan kuormitus määritetään SFS EN 1990 mukaisesti määräävämpi seuraavista: 1,15K FIGkj, sup 0,9Gkj,inf 1,5 K FIQk,1 1, 5K ψ0,1q k, i (7.1.1a ) tai FI i 1 1,35 FIGkj, sup 0, 9Gkj,inf K ( 7.1.1b) missä: Gkj,sup, Gkj,inf on pysyvän kuorman epäedullinen ja edullinen arvo Qk,1 on määräävimmän muuttuvan kuorman 1 ominaisarvo (ts. epäedullisin muuttuva kuorma) Qk,i ovat samanaikaisesti vaikuttavien muuttuvien kuormien i ominaisarvoja j on pysyvän kuorman indeksi i on muuttuvan kuorman indeksi ψ0,i on muuttuvan kuorman Q yhdistelykerroin KFI on kerroin, jonka arvo riippuu luotettavuusluokasta. Arvo annetaan standardisssa NA SFS EN Käyttörajatilassa seuraavan ehdon tulee toteutua: Ed Cd missä: Ed Cd on käyttökelpoisuuskriteerissä määriteltyjen kuormien vaikutusten mitoitusarvo. on käyttökelpoisuuskriteerin mukainen rajoittava mitoitusarvo. Käyttörajatilassa tarkasteltavat ehdot antavat sallittuja arvoja taipumille, värähtelyille, korjattavissa oleville ja väsymisvaurioille. Käyttörajatiloissa teräsrakenteelle tarkastellaan ominaiskuormitusyhdistelmä: G ψ Q ψ k, j 1,1 k,1 0, i j1 i1 Q k, i (7.1.2) missä yhdistelykertoimien ψ 0, ψ 1 ja ψ 2 arvot annetaan NA SFS EN

96 Palotilanteessa teräsrakenteelle tarkastellaan seuraava kuormitusyhdistelmä: G ψ Q ψ k, j 11 k1 2, i j1 i1 Q k, i (7.1.3) mikäli pääasiallinen muu muuttuva kuorma on jokin muu kuin lumi-, jää- tai tuulikuorma käytetään kuitenkin arvoa ψ21 arvon ψ11 sijaan. Säilyvyyteen kuuluvat korroosiotarkastelut. Ohjeita ruostumattoman materiaalin valintaan annetaan luvussa Rakenneputkesta valmistettavan rakenteen mitoitus huoneenlämpötilassa Ruostumattomasta rakenneputkesta valmistettavat rakenteet suunnitellaan standardin SFS EN mukaisesti ottaen huomioon kansallisessa liitteessä NA annetut parametrien arvot. Standardi SFS EN Yleiset ohjeet-täydentävät ohjeet ruostumattomille teräksille antaa ohjeet suunnittelulle, mikäli ruostumattomien terästen mitoituksessa on erityispiirteitä, jotka tulee ottaa huomioon. Muutoin mitoituksen tulee perustua muiden EN standardien ohjeisiin sekä niiden kansallisiin liitteisiin. Rakenteiden valmistuksen osalta ruostumattomia teräksiä koskevat ohjeet, jotka on esitetty esistandardissa pren (myöhemmin muutetaan standardiksi SFS EN1090-2) Materiaaliominaisuudet Kantavien rakenteiden mitoituksessa yleisesti materiaalilta vaadittavien mekaanisten arvojen tulee täyttää käytettävien ohjeiden vaatimukset. Alla on annettu NA SFS EN mukaiset materiaalia koskevat vaatimukset. Murtovenymän A5 arvo vähintään 15 % Murtolujuus/myötölujuus-suhteen fu / fy arvo 1,10 Kokonaistasavenymän arvo εu 15 εy, kun εy on myötövenymä Materiaalilla tulee olla riittävä murtumissitkeys hauraan murtumisen välttämiseksi alhaisimmassa lämpötilassa, jonka odotetaan esiintyvän rakenteen tarkoitetun käyttöiän aikana. SFS EN mukaiset austeniittiset ja duplexteräslajit voidaan olettaa olevan riittävän sitkeitä eivätkä ne ole alttiita haurasmurtumiselle käyttölämpötilaan -40C asti. Ruostumattomia teräksiä voidaan käyttää myös alle -40C lämpötiloissa, mutta vaatimukset määritetään tapauskohtaisesti. Standardissa SFS EN esitetyt mitoitussäännöt soveltuvat hehkutetun materiaalin myötölujuuteen fy=480 N/mm 2 asti sekä kylmämuokatuilla materiaaleilla lujuusluokkiin C700 ja CP350 asti. 94

97 Taulukko Materiaalin suositeltavat osavarmuuskertoimet NA SFS EN mukaisesti. Poikkileikkausten kestävyys liiallisen myötäämisen suhteen mukaan lukien paikallinen lommahdus Sauvojen kestävyys stabiiliuden suhteen, kun laskelmat tehdään sauvojen tarkastuksena γ 0Μ suositeltava arvo 1,1 γ 1Μ suositeltava arvo 1,1 Poikkileikkausten kestävyys vetomurtumisen suhteen γ 2Μ suositeltava arvo 1,25 Ruuvien, niittien, hitsien, niveltappien ja levyjen reunapuristuskestävyys γ 2Μ suositeltava arvo 1, Rakenneputken poikkileikkausluokitus Poikkileikkausluokitus puristetulle rakenneputkelle määritetään seuraavasti: Suorakaide/neliö Pyöreä Poikkileikkausluokka 1: c/t 25,7ε d/t 50ε 2 Poikkileikkausluokka 2: c/t 26,7ε d/t 70ε 2 Poikkileikkausluokka 3: c/t 30,7ε d/t 90ε 2 Poikkileikkausluokitus taivutetulle rakenneputkelle määritetään seuraavasti: Suorakaide/neliö Pyöreä Poikkileikkausluokka 1: c/t 56,0ε d/t 50ε 2 Poikkileikkausluokka 2: c/t 58,2ε d/t 70ε 2 Poikkileikkausluokka 3: c/t 74,8ε d/t 280ε 2 Poikkileikkausluokitus puristetulle ja taivutetulle suorakaiderakenneputkelle määritetään seuraavasti: Poikkileikkausluokka 1: α > 0,5: 308 ε c/t 13 α 1 α 0,5: 28 ε c/t α Poikkileikkausluokka 2: α > 0,5: 320 ε c/t 13 α 1 α 0,5: 29,1 ε c/t α Poikkileikkausluokka 3: c/t 15,3ε kσ c on konservatiivisesti h-2t tai b-2t ε 235 E f y 95

98 α kuvaa poikkileikkausluokissa 1 ja 2 puristetun osan korkeuden suhteessa rakenneputken sivun suoran osan mittaan c. 1 N α 1 2 f y c Ed tw (Euroinox Käsikirja 2006) kδ määräytyy seuraavasti EN mukaisesti Pyöreän rakenneputken tapauksessa pätevät poikkileikkausluokkien raja-arvoille samat arvot kuin edellä on esitetty pyöreän rakenneputken raja-arvoiksi puristuskuormalle. Leikkausvoimalla kuormitetun poikkileikkauksen kestävyys, kun leikkauslommahduskestävyys on kriittinen, lasketaan SFS-EN mukaisesti. Muussa tapauksessa leikkausvoimakestävyys lasketaan kohdan mukaisesti. Suorakaide- ja neliöprofiileilla leikkauslommahduskestävyys tarkistetaan, kun seuraava ehto on voimassa: h w / t 52ε / η missä η =1,20 Pyöreillä rakenneputkilla kun poikkileikkaus kuuluu poikkileikkausluokkiin 1, 2 tai 3, voidaan soveltaa kohdan menettelyä Vedetyn rakenneputken mitoitus Rakenneputken bruttopoikkileikkauksen vetokestävyys lasketaan seuraavasti: N pl, Rd Af y ( ) γ M0 Vastaavasti nettopoikkileikkauksen vetokestävyys: N u, Rd k A γ r net u ( ) M2 f d missä k (1 3 ( 0 r r 0,3)), mutta kuitenkin 1,0 u r on suhde ruuvien määrä ko poikkileikkauksessa / liitoksen kokonaisruuvimäärä u on 2e2, mutta kuitenkin p2 d0 on ruuvin reiän nimellinen halkaisija e2 p2 on reunaetäisyys reiän keskeltä profiilin reunaan kohtisuorassa suunnassa liitoksessa vaikuttavaan voimaan nähden on reikien keskipisteiden etäisyys kohtisuorassa suunnassa liitoksessa vai kuttavaan voimaan nähden 96

99 Taivutetun rakenneputken mitoitus Taivutetun rakenneputken poikkileikkauksen kestävyys Poikkileikkausluokat 1 ja 2: Wpl f y Mc, Rd Mpl, Rd ( ) γ M0 Poikkileikkausluokka 3: Wel f y Mc, Rd Mel, Rd ( ) γ M0 Poikkileikkausluokka 4: Weff f y Mc, Rd Meff, Rd γ ( ) M0 Mpl,Rd on poikkileikkauksen plastisuusteorian mukainen taivutuskestävyys Mel,Rd on poikkileikkauksen kimmoteorian mukainen taivutuskestävyys Meff,Rd on poikkileikkauksen tehollinen taivutuskestävyys Taivutetun rakenneputken kestävyys kiepahduksen suhteen (tämä murtumismuoto voi tulla kyseeseen kun suorakaiteen muotoisen rakenneputken h/b-suhde on suuri ) Kiepahdus voidaan jättää huomioon ottamatta, kun: taivutus tapahtuu vain heikomman akselin suunnassa taivutettu sauva on tuettu tehokkaasti sivusuunnassa koko matkalta rakenneputket, joille muunnettu kiepahdushoikkuus MEd λ LT 0,4 tai kun 0, 16. M M b, Rd M1 cr Wy f y χ LT ( ) γ Wy on Wpl,y poikkileikkausluokissa 1 ja 2 Wy on Wel,y poikkileikkausluokassa 3 Wy on Weff,y poikkileikkausluokassa 4 1 χ kuitenkin 1,0 ( ) LT φ 2 lt φ 2 LT λ 2 LT 2 φ LT 0,5 1 0,34 λlt 0,4 λlt ( ) λ LT W f y M cr y ( ) Mcr on kriittinen kimmoteorian mukainen kiepahdusmomentti. 97

100 7.2.5 Keskeisesti puristetun rakenneputken mitoitus Poikkileikkauskestävyys Puristetun sauvan poikkileikkauskestävyys lasketaan kaavasta: N pl, Rd Af y ( ) γ M0 missä: A on poikkileikkauspinta-ala poikkileikkausluokissa 1, 2 ja 3. A on tehollinen poikkileikkauspinta-ala poikkileikkausluokassa 4. Poikkileikkausluokassa 4 poikkileikkauskestävyyden laskemisessa otetaan huomioon levykentän lommahdus suorakaide- ja neliöpoikkileikkauksen kestävyyttä rajoittavana tekijänä. Poikkileikkauksen puristuksella kuormitetun osan pinta-alaa redusoidaan alla olevan menettelyn mukaisesti. Näin menetellen poikkileikkaukselle määritetään tehollinen poikkileikkauksen pinta-ala Ae, joka on pienempi kuin bruttopinta-ala kaavassa ( ). Levykentän puristetun osan tehollinen pinta-ala Aeff on: Ac,eff = ρac ( ) missä: ρ on levykentän lommahduksen huomioon ottava pienennystekijä Ac on levykentän puristetun osan pinta-ala Poikkileikkausluokan 4 tehollinen leveys määritetään seuraavasti: 0,772 0,125 ρ mutta 1,0 ( ) 2 λ p λ p missä λ p on taso-osan muunnettu hoikkuus, joka määritetään seuraavasti: b / t λp 28,4ε k σ 98 missä: t on rakenneputken aineenpaksuus; kσ on jännityssuhdetta ja reunaehtoja vastaava lommahduskerroin standardin EN taulukon 4.1 mukaan; Kun levykenttää kuormittaa tasainen puristus on kσ = 4,0. Muut kuormitustapaukset on esitetty taulukossa b on rakenneputken sivumitta, jonka varmalla puolella olevaksi arvoksi voidaan valita h-2t;

101 Taulukko Kahdelta reunalta tuetut taso-osat /SFS EN / Jännitysjakautuma (puristus on positiivinen) b b b e1 e1 e1 b c b b b b e2 b b e2 e2 bt 2 2 Tehollinen leveys beff ψ = 1: b eff = ρb b e1 = 0,5 beff be2 = 0,5 beff 1 > ψ 0: b eff = ρb 2 be1 b eff be2 = beff - be1 5 ψ ψ < 0: b eff = ρ bc = ρb / (1-ψ) b e1 = 0,4 beff be2 = 0,6 beff Ψ = σ2/σ1 1 1 > ψ > > ψ > > ψ > -3 Lommahduskerroin kσ 4,0 8,2 / (1,05 + ψ) 7,81 7,81-6,29ψ + 9,78ψ 2 23,9 5,98 (1 - ψ) Keskeisesti puristetun sauvan kestävyys nurjahdukselle Sauvan kestävyys aksiaalisesti vaikuttavalle voimalle määritetään seuraavasti: N χ Af γ ( ) b, Rd y / M0 1 χ mutta χ 1, 0 ( ) 2 2 φ φ λ 2 λ 0,4 φ 0,51 0,49 λ Afy λ poikkileikkausluokille 1, 2 ja 3; N cr Aeff f y λ poikkileikkausluokalle 4; N cr Ncr on kimmoteorian mukainen bruttopoikkileikkauksen mukaan laskettu kriittinen voima kyseeseen tulevassa nurjahdusmuodossa. Poikkileikkausluokassa 4 kaavassa ( ) poikkileikkauspinta-alana käytetään tehollista poikkileikkauspinta-alaa Aeff. 99

102 7.2.6 Puristetun ja taivutetun sauvan mitoitus Aksiaalinen puristus ja vahvemman akselin suhteen tapahtuva taivutus: Ennenaikaisen nurjahduksen välttämiseksi vahvemman akselin suhteen: N My,Ed N e Ed Ed Ny k y 1 ( ) ( Nb,Rd ) min W,y pl,y y / β W f γm1 Ennenaikaisen nurjahduksen välttämiseksi heikomman akselin suhteen (sauvat, jotka ovat alttiit kiepahdukselle): N My,Ed NEd eny Ed k LT 1 ( ) ( Nb,Rd ) min1 Mb, Rd Aksiaalinen puristus ja heikomman akselin suhteen tapahtuva taivutus: Ennenaikaisen nurjahduksen välttämiseksi heikomman akselin suhteen: N Mz,Ed NEd e Ed Nz k z 1 ( ) ( Nb,Rd ) min W,z pl,z y / β W f γm1 Aksiaalinen puristus ja taivutus kahden akselin suhteen: Kaikki sauvat suunnitellaan siten, että seuraava ehto on voimassa: N My,Ed NEd e Ed Ny Mz,Ed NEd enz k y kz 1 ( ) ( Nb,Rd) min W,y pl,y y / M1 W,z pl,z y / β W f γ β W f γm1 Kiepahdukselle alttiit sauvat mitoitetaan siten, että myös seuraava ehto on voimassa: N My,Ed NEd eny Ed Mz,Ed NEd enz k LT k 1 ( b,rd) z ( ) N min1 b,rd W,z pl,z y / M β W f γm1 Edellä olevissa lausekkeissa: eny ja enz ovat neutraaliakselien siirtymisiä, kun poikkileikkaukseen vaikuttaa tasainen puristus; NEd, My,Ed ja Mz,Ed ovat puristavan normaalivoiman mitoitusarvo sekä y-y- ja z-zakselien suhteen vaikuttavien momenttien mitoitusarvoja; (Nb,Rd )min on Nb,Rd:n pienin arvo seuraavissa neljässä nurjahdustapauksesta: taivutusnurjahdus y-y-akselin suhteen, taivutusnurjahdus z-z-akselin suhteen, vääntönurjahdus ja taivutusvääntönurjahdus; 100

103 (Nb,Rd )min1 on Nb,Rd:n pienin arvo seuraavissa kolmessa nurjahdustapauksessa: taivutusnurjahdus z-z-akselin suhteen, vääntönurjahdus ja taivutusvääntönurjahdus; βw,y ja βw,z ovat βw:n arvoja y-y- ja z-z-akseli suhteen, missä: βw = 1,0 poikkileikkausluokan 1 ja 2 poikkileikkauksille; βw = Wel / Wpl poikkileikkausluokan 3 poikkileikkauksille; βw = Weff / Wpl poikkileikkausluokan 4 poikkileikkauksille; Wpl,y ja Wpl,z ovat plastisuusteorian mukaisia taivutusvastuksia y-y- ja z-zakselien suhteen; Mb,Rd on kiepahduskestävyyden mitoitusarvo; ky, kz, klt ovat yhteisvaikutustekijöitä. SFS EN mukaisesti yhteisvaikutustekijöiden arvot lasketaan seuraavasti: NEd k y 1,0 2λ y 0,5, mutta N z b, Rd, y NEd λ z 0,5 Nb, Rd min1 k 1,0 2, mutta klt = 1,0 N 1,2 k y 1,2 2 N 1,2 k z 1,2 2 Ed b, Rd, y N Ed N b, Rd min Leikkausvoimalla kuormitettujen rakenneputkien mitoitus Poikkileikkauksen leikkauskestävyys lasketaan seuraavasti: Leikkauskestävyyden mitoitus, kun leikkauslommahduskestävyys ei ole kriittinen V ( ) pl, Rd Av ( f y / 3) / γm0 missä Av on poikkileikkauksen leikkauspinta-ala: Nelikulmaisille rakenneputkille - kuormitus vaikuttaa korkeuden suunnassa: Ah /( b h) - kuormitus vaikutta leveyden suunnassa: Ab /( b h) Pyöreille rakenneputkille: 2 A/ π Hitsausliitokset Hitsattujen liitosten kestävyyden laskeminen on riippuvainen käytetystä standardista. Soveltuvia standardeja ovat SFS EN :2006 ja Australian ja Uusi-Seelannin standardi AS/NZS 4673:2001 Cold-formed stainless steel structures ja ohjeet Euroinox Käsikirja ruostumattomien terästen käyttö kantavissa rakenteissa, TRY ry:n Teräsnormikortti 15/2002 Austeniittiset ruostumattomat suorakaideputket - Muokkauslujittumisen hyödyntäminen päittäisliitoksissa. 101

104 SFS EN :2006 perustaa mitoituksen standardiin SFS EN :2005, jossa mitoituksen perusteena käytetään päittäisliitoksella heikomman liitettävän materiaalin nimellistä myötölujuutta sekä pienaliitoksen mitoituksessa heikoimman liitettävän osan nimellistä murtolujuutta ja kokeellisesti määritettyä liitettävien materiaalien lujuusluokalle ominaista βw korrelaatiokerrointa. Käytettävän lisäaineen mekaanisten ominaisuuksien arvojen tulee olla vähintään yhtä hyvät kuin liitettävillä materiaaleilla. Standardin SFS EN :2006 mukaisesti määritettäessä pienahitsien mitoituskestävyyttä korrelaatiokertoimen βw arvoksi valitaan 1,0 kaikille ruostumattomille teräksille ellei pienempää arvoa osoiteta kokeellisesti perustelluksi. Liitettävien materiaalien mitoituksessa käytettävä lujuus valitaan taulukon 3.1 mukaan tai kylmämuokattuja materiaaleja käytettäessä vastaamaan lujuusluokkaa CP350, jonka murtolujuuden arvo suositellaan valittavaksi vastaamaan hehkutetun materiaalin nimellistä murtolujuutta. Korkeampien lujuuksien käyttö austeniittisille ruostumattomille teräslajeille voidaan perustella kokeisiin perustuen. Pienahitsien kestävyyden mitoitusarvo voidaan määrittää komponenttimenetelmän tai yksinkertaistetun menetelmän mukaan /SFS EN /. Komponenttimenetelmän mukaisesti tarkistetaan seuraavat ehdot: ,5 fu σ 3 τ τ ll ja β γ missä: fu w M2 0,9fu σ ( ) γ on heikomman liitettävän osan vetomurtolujuuden nimellisarvo; βw on korrelaatiokerroin, jonka arvo on 1,0 ruostumattomille teräksille. M2 Yksinkertaistetun menetelmän mukaisesti tarkistetaan, että hitsin jokaisessa pisteessä sen pituudella hitsiin kohdistuva kaikkien voimien resultantti yksikköpituutta kohti täyttää ehdon: Fw,Ed Fw,Rd ( ) missä: Fw,Ed on hitsin pituusyksikköä kohti vaikuttavan voiman mitoitusarvo; Fw,Rd on hitsin kestävyyden mitoitusarvo pituusyksikköä kohti. F w, Rd fu / 3 a β γ w M2 ( ) missä: fu on taulukon 3.1 mukainen materiaalin nimellinen murtolujuus βw on korrelaatiokerroin, jonka arvo on 1,0 ruostumattomille teräksille. 102

105 Läpihitsatun päittäishitsin kestävyyden mitoitusarvo määritetään kaavasta: F w, Rd f A y ( ) γ M 0 joka on yhtä suuri kuin heikoimman liitettävän osan kestävyyden mitoitusarvo. Hitsauslisäaine valitaan siten, että hitsiaineen vetokokeessa lisäaineelle saavutetut myötöja murtolujuuden arvot ovat vähintäinkin samansuuruiset kuin perusaineelle spesifioidut. Lisäaineen soveltuvuus liitettäville materiaaleille voidaan tarkistaa kappaleen 5 perusteella. Osittain läpihitsatun päittäishitsin kestävyys lasketaan pienahitsinä, jonka effektiivinen a-mitta vastaa jatkuvasti saavutettavaa päittäishitsin tunkeumaa Ristikkorakenteiden mitoituksesta Ristikkorakenteiden mitoitus suoritetaan SFS EN :2005 mukaisesti. Tässä luvussa on esitetty ristikkorakenteiden mitoituksen perusteita sekä liitosten mitoitus tasoristikoissa, kun paarre- ja uumasauvat ovat suorakaide-, neliö- tai pyöreitä rakenneputkia. Ristikkorakenteiden mitoituksessa sauvojen voimasuureet määritetään olettaen uumasauvojen liittyvän nivelliitoksina paarresauvoihin. Siten diagonaali- ja vertikaalisauvat kuormittuvat akselin suuntaisilla puristus- tai vetovoimilla. Ristikon paarresauvat toimivat jatkuvina palkkeina, jotka oletetaan nivelellisesti tuetuiksi liitoskohdissa. Uumasauvojen päiden poikkileikkauksia ei tule litistää tai laajentaa liitoksen valmistuksen helpottamiseksi, kun liitosten kestävyys määritetään taulukoiden mukaisesti. Ristikon profiilien seinämänvahvuus tulee olla 2,5 mm tai suurempi. Profiilien myötölujuus voidaan hyödyntää mitoituksessa 460 N/mm 2 arvoon saakka. Kylmämuokkaamalla lujitettujen austeniittisten ruostumattomien rakenneputkien välisissä hitsatuissa liitoksissa korotettu myötölujuus 350 N/mm 2 voidaan hyödyntää. Tätä suuremmilla korotetun myötölujuuden arvoilla tulee austeniittisten ruostumattomien rakenneputkien hitsatun liitoksen kestävyys osoittaa kokeellisesti. Duplex-teräksestä valmistettujen rakenneputkien välisissä liitoksissa voidaan hyödyntää myötölujuus 460 N/mm 2. Puristuksella kuormitettujen sauvojen profiileiksi valitaan poikkileikkausluokan 1 tai 2 vaatimukset täyttäviä profiileja. Putkiristikon paarteen nurjahduspituudeksi Lcr voidaan valita 0,9L, missä L on systeemipituus, sekä ristikon tasossa että ristikon tasoa vastaan kohtisuorassa tasossa tapahtuvassa nurjahduksessa. Systeemipituus ristikon tasossa on liitosten välinen etäisyys. Systeemipituus ristikon tasoa vastaan kohtisuorassa tasossa on poikittaisten tukien välinen etäisyys. 103

106 Ristikoissa uumasauvana käytettävän rakenneputken, joka ympärihitsataan rakenneputkesta tehtyyn paarteeseen, nurjahduspituudeksi Lcr voidaan yleensä valita 0,75L sekä ristikon tasossa että ristikon tasoa vastaan kohtisuorassa suunnassa tapahtuvassa nurjahduksessa. Liitoksella on kiertymäjäykkyys, jota ei oteta huomioon liitoksen eikä liittyvän sauvan mitoituksessa, mikäli taulukoiden ja mukaiset geometriaehdot toteutuvat sekä sauvan pituuden suhde sen sivumittaan on suurempi kuin 6. Sauvat kuormittuvat momenttikuormalla mikäli liitosten välillä vaikuttaa ristikon tasossa tai tasosta ulospäin kuormia. Momenttikuormitus syntyy myös liitosten epäkeskeisyyden aiheuttamana. Mikäli liitoksen epäkeskeisyys on raja-arvojen -0,55 d0 e 0,25 d0 (7.2.9.a) -0,55 h0 e 0,25 h0 (7.2.9.b) sisäpuolella, epäkeskeisyydestä aiheutuva taivutusmomentti otetaan huomioon puristetun paarteen mitoituksessa. Epäkeskeisyydestä aiheutuva momentti jakautuu liitokseen liittyville paarresauvoille paarresauvojen suhteellisten jäykkyyksien (I/l) suhteessa. Mikäli liitoksen epäkeskeisyys ylittää yllä olevat raja-arvot, on syntyvä taivutusmomentti otettava huomioon liitoksen sekä puristetun paarteen ja uumasauvojen mitoituksessa. Tässä tapauksessa syntyvä taivutusmomentti jakautuu kaikille liitokseen kiinnittyville sauvoille niiden suhteellisen jäykkyyden mukaisesti. Pyöreän poikkileikkauksen omaavien profiilien liitoksissa, kun uumasauvat liittyvät paarresauvaan, yhdistetyn kuormituksen vaikutus sauvan suuntaisille aksiaalivoimille sekä taivutusmomenteille tarkistetaan ehdosta: N N i, Ed i, Rd M M ip, i, Ed ip, i, Rd 2 M M op, i, Ed op, i, Rd 1,0 ( ) Nelikulmaisten rakenneputkien liitoksissa yhdistetylle kuormitukselle tarkistetaan ehto: N N i, Ed i, Rd M M ip, i, Ed ip, i, Rd M M op, i, Ed op, i, Rd 1,0 ( ) 104

107 Rakenneputken liitosten mitoitus Pyöreiden rakenneputkien liitosten mitoitus, kun pyöreät uumasauvat liittyvät pyöreään paarresauvaan, taulukoissa esitettävillä tavoilla edellyttää kappaleen ehtojen lisäksi seuraavien toteutumisen. Taulukko Halkaisijasuhde 0,2 di/d0 1,0 Poikkileikkausluokitus: Paarresauvat PL1 tai PL2 ja 10 d0/t0 50 mutta 10 d0/t0 40 X-liitokset Uumasauvat PL1 tai PL2 ja 10 d0/t0 50 Limitys: λov 25% Vapaaväli: g t1+t2 105

108 Taulukko K ja N liitos, pyöreät uumasauvat ja pyöreän muotoinen paarresauva Vauriomuoto : Paarteen pinnan murtuminen N k k f t 2 g p y 0 0 d1 1, Rd 1,8 10,2 / sinθ 1 d 0 sinθ 1 N 2, Rd N1, Rd sinθ2 γ M5 (myös limitetty liitos) (myös limitetty liitos) M f t d 2 y ,7 op, 1, Rd kp / sinθ1 1 0,81β γ M5 Vauriomuoto : Paarteen lävistysleikkautuminen kun d id 0-2t 0 N M M f 1 sinθ y 0 i i, Rd t0π di / 2 3 2sin θi f t d 2 y sinθ1 ip, 1, Rd / sin θ1 f t d 2 y sinθ1 op, 1, Rd / sin θ1 γ M5 γ γ M5 M5 Parametrit: k g γ d d 0 0,2 1 β, 0,024γ (1 1 exp(0,5 g t d0 γ 2t 0 1,2 0 ) 1,33) n 0 (puristuskuormitus) : k 0,3n (1 n ), mutta 1, 0 p p 1 p p k p n 0 (vetokuormitus) : 1, 0 p σ np f p, Ed 1 y 0 γ M5 k p 106

109 Taulukko T ja Y liitos, pyöreät uumasauvat ja pyöreän muotoinen paarresauva Vauriomuoto : Paarteen pinnan murtuminen N γ k f t 2 2,8 14,2β γm5 0,2 2 p y 0 0 1, Rd / sinθ1 M M f t d 2 y ip, 1, Rd 4,85 γβkp / γm5 sinθ1 f t d 2 y ,7 op, 1, Rd kp / sinθ1 1 0,81β γ M5 Vauriomuoto : Paarteen lävistysleikkautuminen kun d id 0-2t 0 N M M f 1 sinθ y 0 i i, Rd t0π di / sin θi f t d 2 y sinθ1 ip, 1, Rd / sin θ1 f t d 2 y sinθ1 op, 1, Rd / sin θ1 γ M5 γ γ M5 M5 Parametrit: d 1 β, d0 d 2t 0 γ, 0 n 0 (puristuskuormitus) : k 0,3n (1 n ), mutta 1, 0 p p 1 p p k p n 0 (vetokuormitus) : 1, 0 p σ np f p, Ed 1 y 0 γ M5 k p 107

110 Taulukko X liitos, pyöreät uumasauvat ja pyöreän muotoinen paarresauva Vauriomuoto : Paarteen pinnan murtuminen M M N k f t 2 p y 0 0 5,2 1, Rd / sinθ1 (1 0,81β ) f t d γ M5 2 y ip, 1, Rd 4,85 γβkp / γm5 sinθ1 f t d 2 y ,7 op, 1, Rd kp / sinθ1 1 0,81β γ M5 Vauriomuoto : Paarteen lävistysleikkautuminen kun d id 0-2t 0 N M M f 1 sinθ y 0 i i, Rd t0π di / 2 3 2sin θi f t d 2 y sinθ1 ip, 1, Rd / sin θ1 f t d 2 y sinθ1 op, 1, Rd / sin θ1 γ M5 γ γ M5 M5 Parametrit: d d 1 β, 0 d 2t 0 γ, 0 n 0 (puristuskuormitus) : k 0,3n (1 n ), mutta 1, 0 p p 1 p p k p n 0 (vetokuormitus) : 1, 0 p σ np f p, Ed 1 y 0 γ M5 k p 108

111 Nelikulmaisten rakenneputkien liitosten mitoitus, kun nelikulmaiset uumasauvat liittyvät nelikulmaiseen paarresauvaan, taulukoissa esitettävillä tavoilla edellyttää kappaleen ehtojen lisäksi taulukon ehtojen toteutumisen. Taulukko Reunaehdot nelikulmaisten rakenneputkien T-, Y-, X-, K- ja N-liitoksille sekä rakenteille joissa uumasauvat ovat pyöreitä rakenneputkia. Liitostyyppi Liitosparametrit (i = 1 tai 2, j = limitetty uumasauva) b i /b 0 tai d i /d 0 b i /t i ja h i /t i tai d i /t i h 0 /b 0 ja b 0 /t 0 ja h 0 /t 0 Vapaaväli tai Puristus Veto h i /b i limitys b i /b j T, Y tai X Vapaaväliset b i /b 0 0,25 b i /b 0 0,35 ja b i /t i 35 ja h i /t i 35 ja PL 1 tai PL 2 K ja N 0,1+0,01 b 0 /t 0 b i /t i 35 ja h i /t i 35 0,5 mutta h i /t i 2,0 35 ja PL 1 tai PL 2 35 ja PL 1 tai PL 2 g/b 0 0,5(1-β), mutta 1,5(1-β) 1) g t 1 +t 2 Limitetyt K ja N b i /b 0 0,25 PL 1 PL 1 tai PL 2 λ ov 25%, mutta λ ov 100% 2) Pyöreät uumasauvat d i /b 0 0,4 mutta 0,8 PL 1 d i /t i 50 kuten yllä olevassa on esitetty, mutta b i korvataan d i sekä d j korvataan b j 1) jos g/b 0 > 1,5(1-β) ja g/b 0 > t 1 +t 2 liitos mitoitetaan kuten kaksi erillistä T tai Y liitosta 2) Limitystä voidaan kasvattaa, jotta limitetyn uumasauvan reuna voidaan hitsata paarresauvaan. 109

112 Taulukko X-liitos β < 0,85 Vauriomuoto : Paarteen pinnan murtuminen M N M k f t 2 n y 0 0 2η i, Rd 4 1 β / (1 β)sinθ 1 sinθ 1 1 2η 2 ip, 1, Rd knfy 0t0h1 / 1 h 1 β 2 1 β β > 0,85 Vauriomuoto : Uumasauvan murtuminen γ M5 2 η γ 1 β 1 β op, 1, Rd knfy 0t0 / M M N M5 2b b (1 β) γ 1 β i, Rd fyit i ( 2hi 4ti 2beff ) / γm5 W pl,1 1 beff / b1b 1h1 t1 γm5 2 2 W pl,1 0,51 beff / b1 b1 t1 γm5 ip, 1, Rd fy1 / op, 1, Rd fy1 / M5 Vauriomuoto : paarteen sivun murtuminen M M 2 h1 5t 0 γ 5 ip, 1, Rd 0,5 0,8 fy 0t0 / M h1 5t 0 γ 5 op, 1, Rd 0,8 fy 0t0( b0 t0 ) / M β = 1,0 Vauriomuoto : Paarteen sivun lommahtaminen N f t 2h b 0 i i, Rd 10t0 / sinθ i sinθ 1 γ M5 0,85 β (1 1 / γ) Vauriomuoto : Paarteen lävistysleikkautuminen N f t 2h y 0 0 i i, Rd 2be, p / 3 sinθ sinθ 1 1 γ M5 110

113 Parametrit: b 1 β, b0 hi η, b 0 σ n f n 0 (puristuskuormitus) : 0, Ed 1 y 0 n 0 (vetokuormitus) : 1, 0 b 10 f t k n γ y 0 0 eff bi, mutta eff bi bo / t0 fyiti Vetokuormitus : fb f y 0 M5 0, 4n k n 1,3, mutta k n 1, 0 β 10 b, be, p bi, mutta be, p bi b / t o 0 Puristuskuormitus : f b 0,8 χfy 0 sinθ, missä nurjahduskestävyyden pienennystekijä χ i h t 0 sinθi lasketaan EN mukaisesti, kun λ 3,46 E π f y 0 111

114 Taulukko T ja Y liitos β <0,85 Vauriomuoto : Paarteen pinnan murtuminen M N M k f t 2 n y 0 0 2η i, Rd 4 1 β / (1 β)sinθ 1 sinθ 1 1 2η 2 ip, 1, Rd knfy 0t0h1 / 1 h 1 β 2 1 β β >0,85 Vauriomuoto : Uumasauvan murtuminen 2 1 β γ M5 η γ 1 β op, 1, Rd knfy 0t0 / M M N M5 2b b (1 β) γ 1 β i, Rd fyit i ( 2hi 4ti 2beff ) / γm5 W pl,1 1 beff / b1b 1h1 t1 γm5 2 2 W pl,1 0,51 beff / b1 b1 t1 γm5 ip, 1, Rd fy1 / op, 1, Rd fy1 / M5 Vauriomuoto : Paarteen sivun murtuminen M M 2 h1 5t 0 γ 5 ip, 1, Rd 0,5 fy 0t0 / M h1 5t 0 γ 5 op, 1, Rd fy 0t0( b0 t0 ) / M β =1,0 Vauriomuoto : Paarteen sivun lommahtaminen N f t 2h b 0 i i, Rd 10t 0 / sinθ i sinθ 1 γ M5 0,85 β (1-1/γ) Vauriomuoto : Paarteen lävistysleikkautuminen N f t 2h y 0 0 i i, Rd 2be, p / 3 sinθ sinθ 1 1 γ M5 Vauriomuoto : Paarresauvan poikkileikkauksen vinoutuminen M op, 1, Rd 2fy 0t0( h1t 0 b0h0t 0( b0 h0 ) ) / γm5 112

115 Parametrit: b b 1 β, 0 hi η, b 0 σ n f n 0 (puristuskuormitus) : 0, Ed 1 y 0 n 0 (vetokuormitus) : 1, 0 b 10 f t k n γ M5 y 0 0 eff bi, mutta eff bi bo / t0 fyiti Vetokuormitus : fb f y 0 0, 4n k n 1,3, mutta k n 1, 0 β 10 b, be, p bi, mutta be, p bi b / t o 0 Puristuskuormitus : f b χf y 0 sinθ, missä nurjahduskestävyyden pienennystekijä χ i lasketaan EN mukaisesti, kun h t 0 sinθi λ 3,46 π E / f y 0 113

116 Taulukko K ja N liitos Vauriomuoto : Paarteen pinnan murtuminen N 8,9k f t γ 2 n y 0 0 b1 b2 h1 h2 i, Rd / sinθ 1 4b 0 γ M5 Vauriomuoto : Uumasauvan murtuminen N i, Rd fyiti ( 2hi 4ti bi beff ) / γm5 Vauriomuoto : paarteen leikkautuminen f A y 0 v i, Rd / N 3 sinθ i γ M5 β (1 1/γ) Vauriomuoto : Paarteen lävistysleikkautuminen N f t 2h y 0 0 i i, Rd bi be, p / 3 sinθ sinθ 1 1 γ M5 Parametrit: σ n f 0, Ed 1 y 0 γ M5 n 0 (puristuskuormitus) : n 0 (vetokuormitus) : 1, 0 b 10 f t k p y 0 0 eff bi, mutta eff bi bo / t0 fyiti A v ( 2h t ; α 0 αb0 ) 0 0, 4n k n 1,3, mutta k p 1, 0 β 10 b, be, p bi, mutta be, p bi b / t 1 4g 1 3t o 0 114

117 Taulukko Hitsatut polviliitokset Liittyvät profiilit valitaan siten, että ne täyttävät poikkileikkausluokan 1 vaatimuksen puristuskuormalla NEd MEd ja κ N M N Ed 0,2N pl, Rd pl, Rd pl, Rd Jos θ 90 0 : 3 κ b0 / h0 0,8 b / t 1 2b0 / h Jos 90 θ 180 : κ ( 2 cos( θ /2))(1 κ ), missä κ κ( θ 90 ) Poikittainen välilevy t p 1, 5t ja 10mm N N Ed pl, Rd M M Ed pl, Rd 1,0 115

118 Siirtymien laskennasta Ruostumattomien terästen epälineaarinen jännitys-venymä-yhteys otetaan huomioon taipumien määrityksessä. Käyttörajatilassa yksittäisen palkin siirtymä lasketaan käyttäen materiaalin kimmomodulin E arvona ko jännitystä vastaavaa sekanttimodulin Es arvoa. Sekanttimodulin arvo käyttörajatilaa vastaavalle jännitykselle Es,ser voidaan määrittää : E s, ser ( E ) s,1 E s, 2 ( ) 2 missä: Es,1 on vedetyn laipan jännitystä σ1 vastaava sekanttimoduli; Es,2 on puristetun laipan jännitystä σ2 vastaava sekanttimoduli. Sekanttimodulien E s,1 ja E s,2 arvot käyttötilan jännitykselle σ i,ed,ser lasketaan kaavasta: E E s, i ( ) n E i,ed,ser σ +, σ i,ed,ser f y Kun jännityksen i,ed,ser arvot valitaan vastaamaan käyttörajatilan maksimijännitystä, niin sekanttimodulin Es,i arvo saavuttaa miniminsä. Jännityksen i,ed,ser arvot voidaan määrittää tehollisina jännityksinä kuormitustapauksittain nelikulmaisille ja pyöreille profiileille/11th Int. Specialty conference on cold-formed steel structures 1992/. Tehollinen jännitys määritetään kaavasta: Mmax σe kσ ( ) W e missä: Mmax palkin maksimimomentti käyttörajatilassa We on poikkileikkauksen kimmoteorian mukainen poikkileikkauksen taivutusvastus kerroin kσ valitaan rakenteen ja profiilin poikkileikkauksen perusteella Yksiaukkoiselle pistekuormalla rasitetulle rakenteelle kσ = 2 ₃ nelikulmaisille rakenneputkille kσ = ¾ pyöreille rakenneputkille Jatkuvalla rakenteelle kσ = ½ nelikulmaisille ja pyöreille profiileille 116

119 7.3 Rakenneputkesta valmistettavan rakenteen mitoitus palotilanteessa Ruostumattomasta teräksestä valmistetun rakenteen palomitoituksen perusteet on esitetty standardissa SFS EN sekä Euroinox ohjeessa Käsikirja-ruostumattomien terästen käyttö kantavissa rakenteissa Standardin SFS EN yhteydessä tulee käyttää palomitoituksessa standardin SFS EN mukaisia ohjeita. Tässä yhteenvedossa esitetään SFS EN mukainen menettely. Eroina näissä kahdesta eri lähteestä otetulla ohjeilla on Euroinox-käsikirjan mukaisesti voidaan käyttää voimakkaasti muokattujen austeniittisten ruostumattomien terästen kohonneita myötö- ja murtolujuuden arvoja mitoitusperustana lujuusluokkaan CP 500. Puristetun sekä puristetun ja taivutetun sauvan mitoituksessa mitoituslujuutena Euroinox-käsikirjan mukaisesti käytetään materiaalin lämpötilasta riippuvaa myötölujuuden arvoa. Erona muiden metallien käyttäytymiseen palonaikaisissa lämpötiloissa on ruostumattoman teräksen mekaaniset ominaisuudet; kimmomoduli ja myötölujuus. Nämä säilyttävät arvonsa varsin hyvin aina 30 minuutin paloa vastaaviin lämpötiloihin asti. Ruostumattomalla teräksellä myötölujuuden säilyminen on riippuvainen materiaalin seostuksesta, näin ollen siis valitusta ruostumattomasta teräslajista. On huomoitava, että RST-rakenteen palotilanteen mitoituksessa myötölujuutena käytetään 0,2%-pysyvää venymää vastaavan lujuuden f0,2p,θ sijasta myötölujuutta fy,θ. Palotilan lämpötilan nousua on kuvattu ISO 834 mukaisella mallilla. Tässä kappaleessa esitetään kuuden yleisimmän materiaalin mekaaniset arvot lämpötilan funktiona, teräksen palonaikaisen lämpötilan laskenta suojaamattomalle teräkselle, rakenteiden mitoitus sekä muutama mitoitusesimerkki Materiaaliominaisuudet sekä teräksen palonaikaisen lämpötilan laskenta SFS EN mukaisesti Seuraavissa kohdissa on esitetty taulukoituina tyypillisimpien rakentamisessa käytettävien ruostumattomien terästen mekaaniset ominaisuudet ja menetelmä rakenteen mitoituslujuuden määrittämiseksi sekä teräksen palonaikaisen lämpötilan laskenta ja siinä tarvittavien parametrien arvot. 117

120 Mekaaniset ominaisuudet; myötölujuus ja murtolujuus Ruostumattomien terästen myötö- ja murtolujuuden arvot pienenevät lämpötilan kasvaessa. Taulukoissa on esitetty yleisimpien ruostumattomien terästen 0,2%-lujuuden ja murtolujuuden arvojen lämpötilasta riippuvien reduktiotekijöiden (k0,2p,θ ja ku,θ) arvot. Lisäksi taulukossa on esitetty tekijän k2%,θ lämpötilasta riippuvat arvot. Tekijää k2%,θ käytetään laskettaessa ruostumattoman teräksen mitoituslujuus, tehollinen myötölujuus, tutkittavassa lämpötilassa (kohta ) Taulukko Austeniittisten terästen EN , EN , EN ja EN mekaanisten arvojen riippuvuus lämpötilasta. Teräslaji Teräksen lämpötila θ a k 0,2p,θ k u,θ k 2%,θ , ,82 0,87 0, ,68 0,77 0, ,64 0,73 0, ,6 0,72 0, ,54 0,67 0, ,49 0,58 0, ,4 0,43 0, ,27 0,27 0, ,14 0,15 0, ,06 0,07 0, ,03 0,03 0, ,4 Teräslaji ja Teräksen lämpötila θ a k 0,2p,θ k u,θ k 2%,θ , ,88 0,93 0, ,76 0,87 0, ,71 0,84 0, ,66 0,83 0, ,63 0,79 0, ,61 0,72 0, ,51 0,55 0, ,4 0,34 0, ,19 0,18 0, ,1 0,09 0, ,05 0,04 0, ,4 Teräslaji Teräksen lämpötila θ a k 0,2p,θ k u,θ k 2%,θ , ,89 0,88 0, ,83 0,81 0, ,77 0,8 0, ,72 0,8 0, ,69 0,77 0, ,66 0,71 0, ,59 0,57 0, ,5 0,38 0, ,28 0,22 0, ,15 0,11 0, ,075 0,055 0, ,4

121 Taulukko Duplex teräksen mekaanisten arvojen riippuvuus lämpötilasta Taulukko Ferriittisen teräksen mekaanisten arvojen riippuvuus lämpötilasta. Teräslaji Teräksen lämpötila θ a k 0,2p,θ k u,θ k 2%,θ , ,91 0,93 0, ,8 0,85 0, ,75 0,83 0, ,72 0,82 0, ,65 0,71 0, ,56 0,57 0, ,37 0,38 0, ,26 0,29 0, ,1 0,12 0, ,03 0,04 0, ,015 0,02 0, ,47 Teräslaji Teräksen lämpötila θ a k 0,2p,θ k u,θ k 2%,θ , ,94 0, ,88 0, ,98 0,86 0, ,91 0,83 0, ,8 0,81 0, ,45 0,42 0, ,19 0,21 0, ,13 0,12 0, ,1 0,11 0, ,07 0,09 0, ,035 0,045 0, , Kimmomoduli Kaikilla ruostumattomilla teräksillä kimmomodulin arvo pienenee samalla tavoin lämpötilan kasvaessa. Reduktiotekijän arvo lämpötila funktiona on annettu taulukossa Tarkasteltavassa lämpötilassa materiaalin kimmomodulin arvo saadaan kertomalla kimmodulin huoneenlämpötila-arvo taulukon mukaisella tarkasteltavaa lämpötilaa vastaavalla reduktiotekijällä k E,θ. Kimmomodulin huoneenlämpötila-arvot ovat: EN1.4301, EN1.4401, EN1.4404, EN ja EN materiaaleille N/mm 2. EN materiaalille N/mm 2. Taulukko Ruostumattomien teräksien kimmomodulin reduktiotekijän k E,θ arvon riippuvuus lämpötilasta. Teräksen lämpötila θ a k E,θ , , , , , , , , , , ,

122 Materiaalin mitoituslujuus (tehollinen myötölujuus) Ruostumattoman teräksen tehollinen myötölujuus fy,θ tarkasteltavassa lämpötilassa määritetään kaavalla: y, θ 0,2p, θ 2%, θ( u, θ 0,2p, θ f f k f f ) ( ) missä: f0,2p,θ on materiaalin 0,2%-lujuus tarkasteltavassa lämpötilassa. Suureen arvo lasketaan kertomalla 0,2%-lujuuden huoneenlämpötila-arvo taulukoiden ,2%-lujuuden reduktiotekijällä k0,2p,θ. k2%,θ on korjaustekijä myötölujuuden määrittämiseksi tarkasteltavassa lämpötilassa. Suureen arvo saadaan taulukoista fu,θ on vetomurtolujuus tarkasteltavassa lämpötilassa. Suureen arvo lasketaan kertomalla murtolujuuden huoneenlämpötila-arvo taulukoiden murtolujuuden reduktiokertoimella ku,θ. Taulukkoon on laskettu materiaalien mitoituslujuuden arvot sekä kimmomodulin arvo lämpötilan funktiona. Materiaalien huoneenlämpötila-arvoina on käytetty EN1.4301: fy=230n/mm 2, fu=540n/mm 2, E= N/mm 2. EN ja : fy=240n/mm 2, fu=530n/mm 2, E= N/mm 2. EN1.4571: fy=240n/mm 2, fu=540n/mm 2, E= N/mm 2. EN : fy=480n/mm 2, fu=660n/mm 2, E= N/mm 2. EN : fy=280n/mm 2, fu=450n/mm 2, E= N/mm 2. Taulukko Materiaalin mitoituslujuuden (tehollinen myötölujuus) f y sekä kimmodulin E arvot palonaikaisissa korkeissa lämpötiloissa. 120 EN Teräksen EN EN EN EN EN EN Muut lämpötila θ a f y,θ f y,θ f y,θ f y,θ f y,θ E [N/mm 2 ] E[N/mm 2 ]

123 Kuva Materiaalien mitoituslujuuden suhde huoneenlämpötilan myötölujuuteen (0,2%-lujuus) lämpötilan funktiona. Mitoituslujuuden (tehollisen myötölujuuden) reduktiotekijä k y,θ on laskettu taulukon sekä kappaleen alussa annettujen huoneenlämpötilan mekaanisten arvojen avulla. Taulukko Teräksen mitoituslujuuden (tehollisen myötölujuuden) reduktiotekijän k y,θ sekä kimmodulin reduktiotekijän k E,θ arvot teräslaaduille. k y,θ k E,θ Teräksen EN kaikki rstmateriaalit lämpötila θ a EN EN EN EN EN ,34 1,29 1,31 1,22 1, ,10 1,16 1,16 1,19 1,04 0, ,89 1,04 1,08 1,15 0,92 0, ,84 0,98 1,02 1,13 0,87 0, ,80 0,91 0,96 1,09 0,83 0, ,73 0,85 0,91 1,00 0,75 0, ,68 0,80 0,86 0,55 0,63 0, ,55 0,68 0,76 0,26 0,43 0, ,39 0,52 0,62 0,16 0,32 0, ,22 0,27 0,36 0,14 0,13 0, ,10 0,14 0,19 0,11 0,04 0, ,05 0,07 0,09 0,05 0,02 0, ,00 0,00 0,00 0,00 0,

124 7.3.2 Materiaalin termiset ominaisuudet Tiheys ρa Teräksen tiheys ρa palotilanteen lämmönnousua laskettaessa on ρa= 7850 kg/m Ominaislämpökapasiteetti ca Teräksen ominaislämpökapasiteetti ca lasketaan seuraavasti: c a 450 0,280 θa 2,9110 θa 1,34 10 θa J / kgk ( ) Ruostumattoman teräksen lämmön kehittyminen palotilanteessa Teräksen lämmönkehittyminen palon aikana Suojaamattoman sisällä olevan teräsrakenteen lämpötilan kehittyminen lasketaan standardin SFS EN mukaisesti kaavasta : θ A / V t ( ). a, t m K sh c aρa hnet missä: Ksh on varjostusvaikutuksen korjaustekijä, jonka arvo pyöreille ja suorakaiteen muotoisille putkipalkeille on 1,0. Am / V on suojaamattoman terässauvan poikkileikkaustekijä hnet on pinta-alan yksikköä kohden laskettu nettolämpövuo [W/m 2 ] t on laskennan aika-askelen väli [s]. Laskennan aika-askel väli tulee olla 5 sekuntia tai vähemmän. Nettolämpövuo h net lasketaan kaavasta (EN ): h net hnet, c hnet, r missä: kuljettumalla siirtyvä lämpövuon osa määritellään h net 2, c α (Θ Θ )[ W / m K ] c g m säteilemällä siirtyvä lämpövuon osa määritellään h net 4 4 2, r φ ε ε σ [(Θ 273) (Θ 273) ][ W / m K ] m f r m 122

125 joissa: Kuljettumisen lämmönsiirtymiskerroin, kun käytetään standardipalon lämpötila-aikakäyrää αc = 25 W/m 2 K φ on näkyvyyskerroin, käytetään arvoa 1,0 ε m on rakenneosan pinnan säteilykerroin - SFS EN ruostumattomalle teräkselle 0,4 ε f on liekkien säteilykerroin, käytetään arvoa 1,0 σ on Stefan Boltzmannin vakio [5, W/m 2 K 4 ] Θg on rakenneputkea ympäröivän palokaasun lämpötila nimellisen palo-aikakäyrän mukaan [ 0 C] Θm on rakenneputken poikkileikkauksen lämpötila, jonka oletetaan olevan vakio ajanhetkellä [ 0 C] Θr on rakenneosan ympäristön säteilylämpötila [ 0 C] Kuljettumisen lämmönsiirtokertoimen arvona kaikissa määrityksissä on käytetty 25W/m 2 K Teräksen lämpötilan laskenta ISO 834 mukaiselle palolle Taulukkoon on laskettu 3mm, 4mm, 5mm, 6mm, 8mm, 10mm, 12mm ja 14,2mm paksuisen materiaalin lämpeneminen käyttäen rakenneosan pinnan säteilykertoimelle arvoja 0,2 ja 0,4 10 minuutin, 15 minuutin ja 30 minuutin palolle, kun palotilan lämpötila määritetään ISO834-käyrän mukaisesti. Taulukko Teräksen lämpötilan nousu materiaalin paksuuden, ajan sekä pinnan emissiivisyyden funktiona. Materiaalin pinnan emissiivisyyden εmarvo 0,4 vastaa SFS EN menettelyä. Arvo 0,2 on määritetty laboratoriokokeissa /VTT, TTY/ T [ C] 10 min 15min 30 min t / ε m 0,2 0,4 0,2 0,4 0,2 0,4 3mm mm mm mm mm mm mm ,2mm

126 Ruostumattomasta teräksestä valmistettavan rakenteen palotilanteen mitoitus Kohdissa esitettyjä suureita : k y, θ on tehollisen myötörajanreduktiotekijä, taulukko ja kuva γ M 0 on materiaalin osavarmuuskerroin huoneenlämpötilamitoituksessa, suositeltava arvo 1,1. γ M, fi on materiaalin osavarmuuskerroin palotilanteen mitoituksessa, suositeltava arvo 1,0 Poikkileikkausluokkana ruostumattomille rakenneputkille suositellaan palotilanteessa käytettäväksi huoneenlämpötilamitoituksessa määritettyä poikkileikkausluokkaa /Käsikirja- Ruostumattomien terästen käyttö kantavissa rakenteissa, Euro Inox, 2006/. Ruostumattomille teräksille termi poikkileikkausluokkien raja-arvojen määrittämiseen käytettävän tekijän ε arvo huoneenlämpötilassa määritetään kaavalla (esitetty kohdassa 7.2.2): ε 235 E f y Kun yllä olevan kaavan mukaisesti tekijän ε arvot lasketaan palotilannetta vastaavissa lämpötiloissa asettamalla kimmomodulin E ja myötölujuuden fy arvoiksi kyseessä olevaa lämpötilaa vastaavat arvot, saadaan: k 235 E, θ E, θ εθ ε 0 20 C k y, θ f y k y, θ E k Hiiliteräksille neliöjuurilauseen k f E, θ y, θ arvoksi on annettu lämpötilasta riippumaton arvo 0,85 /SFS EN /. Kun ruostumattomien terästen kimmomodulin ja myötölujuuden ke,θ ja f0,2p, θ reduktiokertoimien arvot sijoitetaan lämpötilan funktiona neliöjuurilausekkeeseen, saadaan tekijän εθ arvoksi austeniittisilla ja duplex-teräslajeilla suurempi arvo kuin huoneenlämpötilassa /J. Kouhi, 2008/. Tämän perusteella neliöjuurilauseen arvoksi suositellaan arvoa 1,0, tarkoittaen, että palotilanteen poikkileikkausluokitus ruostumattomille teräksille on sama kuin huoneenlämpötilamitoituksessa Aksiaalisesti vedetyt sauvat Kun poikkileikkauksen lämpötilajakauma θa on tasainen, saadaan kestävyyden mitoitusarvo: N fi, θ, Rd k y, θnrd γ M,0 / γ M, fi ( ) 124 missä: NRd on poikkileikkauksen mitoituskestävyys huoneenlämpötilassa SFS EN mukaisesti

127 Taivutetut sauvat N fi, θ, Rd k y, θmrd γm,0 / γm, fi ( ) missä: Poikkileikkausluokan 1 ja 2 taivutetuille sauvoille: MRd on poikkileikkauksen plastisuusteoriaan perustuva mitoituskestävyys Mpl,Rd huoneenlämpötilassa SFS EN mukaisesti. Poikkileikkausluokan 3 taivutetuille sauvoille: Mrd on poikkileikkauksen kimmoteoriaan perustuva mitoituskestävyys Mel,Rd huoneenlämpötilassa SFS EN mukaisesti. Poikkileikkausluokan 4 taivutetuille sauvoille: Mrd on poikkileikkauksen tehollinen mitoituskestävyys Meff,Rd huoneenlämpötilassa SFS EN mukaisesti. ky,θ arvon sijasta käytetään arvoa k0,2p,θ taulukoista Aksiaalisesti puristetut sauvat, poikkileikkausluokat 1, 2 ja 3. Puristetun sauvan nurjahduskestävyys ajanhetkellä t lasketaan: N b, fi, t, Rd χ fi Ak y, θfy / γm, fi ( ) missä: χ on taivutusnurjahduksen pienennystekijä palomitoitustilanteessa. fi Arvo lasketaan: 1 χ ( ) φ fi θ φ θ 2 θ 2 φ λθ 2 0,5 1 α λθ λθ missä α 0,65 235/f y Muunnettu hoikkuus tarkasteltavassa lämpötilassa lasketaan : λ θ λ k y, θ / ke, θ ( ) Termien ky,θ ja ke,θ arvot on esitetty taulukoissa ja sekä neliöjuuritermin arvot taulukossa missä: Huoneenlämpötilan muunnettu hoikkuus lasketaan λ A f N cr Lcr i π y 1 f y E 125

128 Ohjeita pilarin nurjahduspituuden valintaan palotilanteessa on annettu SFS-EN , kohta Kaava ( ) eroaa EuroInox käsikirjan 2006 kaavasta, jossa palotilanteen mitoituslujuutena käytetään tarkasteltavaa lämpötilaa vastaavaa 0,2%-lujuuden arvoa. Euro Inoxkäsikirjan 2006 kaavassa termi φθ määritetään kuten huoneenlämpötilassa. Taulukko Kaavassa ( ) tarvittavan apusuureen teräslaaduille lämpötilan funktiona. k y θ ke, θ, / lasketut arvot ruostumattomille EN Teräksen lämpötila θ a EN EN EN EN EN ,16 1,14 1,15 1,11 1, ,07 1,10 1,10 1,11 1, ,98 1,06 1,08 1,12 1, ,98 1,06 1,08 1,13 0, ,98 1,04 1,07 1,14 1, ,96 1,03 1,07 1,12 0, ,94 1,02 1,06 0,85 0, ,88 0,98 1,04 0,60 0, ,79 0,91 1,00 0,50 0, ,70 0,77 0,90 0,55 0, ,71 0,84 0,97 0,72 0, ,68 0,81 0,97 0,72 0,46 126

129 Taivutetut ja aksiaalisesti puristetut sauvat Poikkileikkausluokkiin 1 ja 2 kuuluvat sauvat : χ min N fi, Ed Ak y, θ f γ y M, fi k W y pl, y M k y, fi, Ed y, θ f γ y M, fi k W z pl, z M k z, fi, Ed z, θ f γ y M, fi 1 ( ) Poikkileikkausluokkaan 3 kuuluvat sauvat: χ min N fi, Ed Ak y, θ f γ y M, fi k W y el, y M k y, fi, Ed y, θ f γ y M, fi k W z el, z M k z, fi, Ed z, θ f γ y M, fi 1 ( ) missä termi ky ja kz määritetään k y 1,0 χ y, fi μ N y Ak fi, Ed y, θ f γ y M, fi 3 ( M, y M, y μ 2β 5) λ y, θ 0,44β 0,29 0,8 ja λ y, θ 1, 1 y sekä k z z 1,0 χ z, fi M z μ N z Ak fi, Ed y, θ f γ y M, fi 3 μ ( 1.2 β, 3) λz, θ 0.71β, M z termit β M, y ja β M, z riippuvat sauvan päiden momenteista sekä momentin jakautumisesta päiden välillä. Eri tapauksille termin määrittäminen on annettu SFS-SFS EN

130 Taulukko Ekvivalentin tasaisen momentin tekijät. Momenttikuvio Ekvivalentin tasaisen momentin tekijä β w Päätymomentit β M, w 1,8 7 0, ψ M 1 ψ 1 ψm1 1 Lateraalikuormituksen aiheuttamat momentit β M, Q 1,3 β M, Q 1,4 M Q Lateraalikuormien sekä päätymomenttien aiheuttama momentti M Q β M βm, ψ βm, Q βm, ψ M M Q maxm vain lateraalikuormituksesta Momenttikuviot, kun momentin merkki ei muutu: M max M Momenttikuviot, kun momentin merkki muuttuu: M max M minm 128

131 8. Esimerkit Esimerkeissä 8.2 ja 8.3 laskennan perustietoina on käytetty Euro Inox Käsikirja - Ruostumattomien terästen käyttö kantavissa rakenteissa, esimerkin 13 Stainless steel lattice girder made of hollow sections voimasuureita. Esimerkeissä materiaalin minimipaksuutena käytetään 3mm, joka täyttää minimipaksuus vaatimuksen 2,5mm ristikoiden nurkkaliitoksien mitoittamiseksi [SFS EN ]. 8.1 Esimerkki 1: Ruostumattoman rakenteen lämpötilan sekä mekaanisen lujuuden määrittäminen, kun palo noudattaa ISO 834-mallia Lähtötiedot: Putkipalkki 200x200x8mm Am/V = 1/t = 1000/8 = 125 Pinnanlaatu kuumavalssattu, εm = 0,4 Tiheys 7850 kg/m 3 Kuljettumisen lämmönsiirtymiskerroin 25 W/mK Teräksen lämpötilan laskenta kohdan mukaisesti θ A / V t ( ). a, t m K sh caρa hnet Aika Teräksen lämpötila 10 min 365 C 15 min 549 C 30 min 811 C 45 min 891 C 60 min 938 C Materiaalin mekaaninen kestävyys, kun profiilin paksuus t=8mm, yllä määritellyissä lämpötiloissa: Aika [min] ƒy,θ [N/mm 2 ] E [N/mm 2 ] ƒy,θ [N/mm 2 ] E [N/mm 2 ] ƒy,θ [N/mm 2 ] E [N/mm 2 ] ƒy,θ [N/mm 2 ] E [N/mm 2 ] ƒy,θ [N/mm 2 ] E [N/mm 2 ]

132 8.2 Esimerkki 2: Vedetyn sauvan mitoitus Palonkestovaatimuksena rakenteella on 30 minuuttia. Vetosauvaksi valitaan sekä pyöreäettä suorakaideprofiili ja lisäksi tarkastellaan materiaalit ja Huoneenlämpötilassa sauvan aksiaalinen vetovoima Palotilanteessa sauvan aksiaalinen vetovoima N t, Ed = 142 kn N t, fi, Ed = 47 kn Huoneenlämpötilamitoitus: N pl Afy γ M0 Nt, Ed Tarvittava poikkileikkauksen pinta-ala: A N γ / f = N*1,1 / 230 N/mm 2 = 680 mm 2 t, Ed M0 y 50x50x4 mm, A = 695 mm 2, metripaino 5,95 kg/m, N pl = 145,31kN N pl = 151,63kN ,1*3 mm, A = 689 mm 2, metripaino 5,49kg/m, N pl = 144,06kN N pl = 150,32kN Palotilanteen mitoitus: Määritetään 30 minuutin paloa vastaavat teräksen lämpötilat kaavalla ( ) 50x50x4 mm teräksen lämpötila 834 C 76,1x3 mm teräksen lämpötila 840 C Tehollinen myötölujuus tarkasteltavissa lämpötiloissa, kaava ( ) ja taulukko ( ) Lämpötila Materiaali 834 C 840 C N/mm 2 74 N/mm N/mm N/mm 2 Vetosauvan kestävyys, kaava ( ): k N γ γ N fi, θ, Rd y, θ Rd M0 M, fi Tehollisen myötölujuuden pienennyskerroin ky,θ määritetään taulukosta tai lasketaan seuraavasti Lämpötila Materiaali 834 C 840 C /230=0,33 74/230=0, /240=0,53 125/240=0,52 130

133 Profiilien kestävyydet 30 minuutin palon kohdalla ovat x50x4 52,75 kn 88,40 kn 76,1x3,0 50,71 kn 85,98 kn Materiaalista valmistetut profiilit riittävät kantamaan vedettyyn sauvaan kohdistuvan kuorman. Käyttöaste palotilanteen mitoituksessa on materiaalille n. 90% ja materiaalille n. 53%. Käyttöaste huoneenlämpötilamitoituksessa on yli 95% kummallekin materiaalille. 8.3 Esimerkki 3: Puristetun sauvan mitoitus Tarkastellaan teräsristikon puristetun diagonaalisauvan valinta, kun palonkestovaatimuksena on 15 minuuttia. Diagonaalin materiaalina voidaan käyttää , sekä materiaaleja. Puristussauvan pituus on 1253 mm, jota käytetään myös nurjahduspituutena. Huoneenlämpötilassa sauvan puristusvoima Palotilanteessa sauvan puristusvoima N c, Ed = -66 kn N c, fi, Ed = -22 kn Valitaan profiilit huoneenlämpötilamitoituksen perusteella: Neliöprofiili: , kokeillaan 50x50x3 mm, A=541mm 2, i=19,0mm , kokeillaan 50x50x3 mm, A=541mm 2, i=19,0mm , kokeillaan 50x50x3 mm, A=541mm 2, i=19,0mm Pyöreä profiili: , kokeillaan 48,3x3,2 mm, A=453mm 2, i=16,0mm , kokeillaan 48,3x3,2 mm, A=453mm 2, i=16,0mm Nurjahduskestävyys ( ): N χ A f b, Rd y /1,1 Profiili _ N, λ φ χ b Rd 50x50x ,711 0,829 0,796 90,0 50x50x ,727 0,844 0,784 92,6 50x50x ,748 0,866 0, ,9 48,3x3, ,845 0,966 0,696 66,1 48,3x3, ,863 0,986 0,683 67,5 131

134 Palotilanne: Teräksen lämpötila 15 minuutin palon jälkeen on 713 C (Taulukko ja kaava ( ). Lämpötilassa 713 C mitoituksessa käytettävien parametrien arvot on annettu ao taulukossa. Materiaali k y θ k E, θ, / α y θ k, k E, θ ,87 0,657 0,53 0, ,03 0,643 0,74 0, ,59 0,595 0,25 0,699 Sauvan nurjahduskestävyys N b fi, t, Rd, lasketaan kaavalla ( ), χ fi -kerroin kaavalla ( ) ja muut tarvittavat parametrien arvot kohdan mukaisesti. Profiili λ _ θ φθ χ fi N b, fi, t, 50x50x ,619 0,895 0,648 42,7 50x50x ,748 1,021 0,582 55,9 50x50x ,442 0,729 0,764 28,9 48,3x3, ,735 1,012 0,585 32,3 48,3x3, ,889 1,181 0,510 41,0 Rd Kaikki tarkastellut profiilit kestävät kuormitustilanteen. Austeniittisilla teräslajeilla sekä huoneenlämpötilamitoituksessa käytetty alhainen myötölujuus edellyttää isomman profiilin valinnan. 15 minuutin palolle profiilit ovat ylimitoitettuja. Austeniittisten teräslajien yhteydessä voidaan käyttää 0,2%-lujuutta 350N/mm 2, joka vaikuttaa huomattavasti huoneenlämpötila-mitoituksen profiilin valintaan. Hyödyntämällä korkeamman myötölujuuden, profiilin koko voidaan pienentää ja arvioidaan saavutettavan lähes 30% materiaalin säästö. Ferriittisen profiilin kriittinen mitoitustilanne on palotilanne. Huoneenlämpötilassa pienempikin profiili riittäisi, mutta palon aikana materiaalin mekaaninen lujuus pienenee nopeammin ja tämän seurauksena palotilanteen perusteella profiilikokoa joudutaaan suurentamaan. Tarkasteltujen profiilien käyttöasteet huoneenlämpötilasekä palotilamitoituksessa. Profiili Huoneenlämpötila Palotilanne 15 min 50x50x kn / 90 kn = 0,73 22 kn / 42,7 kn = 0,52 50x50x kn / 92,6 kn = 0,71 22 kn / 55,9 kn = 0,39 50x50x kn / 105,9 kn = 0,62 22 kn / 28,9 kn = 0,76 48,3x3, kn / 66,1 kn = 0,99 22 kn / 32,2 kn = 0,68 48,3x3, kn / 67,5 kn = 0,97 22 kn / 41,1 kn = 0,54 132

135 8.4 Esimerkki 4: Taivutetun sauvan mitoitus Mitoitetaan palkki 30 minuutin palolle, kun palkin päissä vaikuttaa momentti Ed = 55 knm huoneenlämpötilakuormana sekä palotilanteessa momentti Efi,d = 27,5 knm Valitaan profiilit huoneenlämpötila mitoituksen perusteella. Kokeillaan profiileja: x100x8 mm, Wpl = 267,26x1000 mm 3, fy = 230 N/mm ,7x8 mm, Wpl = 276,05x1000 mm 3, fy = 240 N/mm x100x8 mm, Wpl = 267,26x1000 mm 3, fy = 230 N/mm ,7x8 mm, Wpl = 276,05x1000 mm 3, fy = 240 N/mm 2 Profiilit kuuluvat poikkileikkausluokkaan 1. M W f γ c, Rd pl y / M x100x8 mm, M c, Rd = 267,26x1000 mm 3 x 230 N/mm 2 /1,1= 55,9 knm ,7x8 mm, M c, Rd = 276,05x1000 mm 3 x 230 N/mm 2 /1,1= 57,7 knm x100x8 mm, M c, Rd = 267,26x1000 mm 3 x 240 N/mm 2 /1,1= 58,3 knm ,7x8 mm, M c, Rd = 276,05x1000 mm 3 x 240 N/mm 2 /1,1= 60,2 knm Profiilit OK. Palotilanteessa 8 mm:n materiaali saavuttaa 30 minuutin palon jälkeen lämpötilan 811 C. Tehollisen myötörajan pienennyskerroin k, määritetään (taulukko ) y θ k y, θ = 0, k y, θ = 0,59 Profiilien taivutuskestävyys lasketaan palotilantessa: M fi, θ, Rd k y, θ γ M0 / γm, fi M Rd ( ) M, x100x8 mm, fi, θ Rd = 22,7 knm ,7x8 mm, M fi, θ, Rd = 23,5 knm x100x8 mm, M fi, θ, Rd = 37,8 knm ,7x8 mm, M fi, θ, Rd = 39,0 knm CrNiMo- haponkestävästä materiaalista valmistetut palkit toteuttavat vaaditun kestävyyden. CrNi- ruostumattomasta materiaalista valmistettujen palkkien dimensioita täytyy kasvattaa taivutuskestävyyden kohottamiseksi. Kasvatetaan materiaalin profiilien dimensioita 133

136 10 mm:n materiaali saavuttaa 30 minuutin palon jälkeen lämpötilan 789 C, jolloin tehollisen myötölujuuden pienennyskerroin k, = 0,41: y θ x100x10mm, M c, Rd = 318,08x1000mm3x230/1,1= 66,5kNm M fi, θ, Rd = 0,41x66,5x1,1 = 29,9 knm M c, Rd EN ,7x10mm, = 337,79x1000mm3x230/1,1= 70,6 knm M fi, θ, Rd = 0,41x70,6x1,1= 31,8 knm Molemmat profiilit OK. 8.5 Esimerkki 5: Puristetun ja taivutetun sauvan mitoitus Ristikon puristettuun paarresauvaan vaikuttaa seuraavat voimat: Huoneenlämpötilassa N c, Ed = -149,1 kn M max, = 2,15 knm Ed Palotilanteessa N c fi, Ed M fi, Ed, = -49,2 kn max, = 0,73 knm Momenttikuorma pitää sisällään ristikon nurkkaliitoksen epäkeskeisyydestä aiheutuvan momentin. Palonkesto vaatimuksena on rakenteen kestävyys 30 minuutin palolle. Huoneenlämpötilamitoitus: Aksiaalisen puristusvoiman ja taivutusmomentin yhteisvaikutus sauvan kestävyyteen tarkastellaan ao kaavalla (SFS EN ): N M y, Ed NEde Ed Ny k y 1,0 ( N, ) min,, / b Rd βw ywpl yfy γm1 Kokeillaan profiilia 80x80x5mm materiaaleina sekä Poikkileikkaussuureet: A = 1436mm 2 i = 30,3mm Wpl = 39,74x1000 mm 3 Lcr = 1536 mm 134

137 Nurjahduskestävyys: Profiili _ N, λ φ χ b Rd 80x80x ,545 0,684 0, kn 80x80x ,557 0,694 0, kn Taivutuskestävyys : 80x80x x80x M pl, Rd = 8,30 knm M pl, Rd = 8,67 knm Yhteisvaikutus: Momentin suurennuskerroin: _ N k y 1,0 2 λy 0,5 N Ed b, Rd, y N, mutta 1,2 k y 1,2 2 N Ed b, Rd, y k y = 1,0 + 2(0,545-0,5) 149,1 kn / 273 kn = 1, k y = 1,0 + 2(0,557-0,5) 149,1 kn / 283 kn = 1, Koska k y < 1,2 valitaan molemmille materiaaleilla k y = 1,2. 149,1 2,15 1,2 = 0,86 < 1,0 80x80x5mm OK ,30 149,1 2,15 1,2 = 0,82 < 1,0 80x80x5mm OK ,67 Palotilanteen mitoitus: 30 minuutin kohdalla 5mm:n materiaalin lämpötila on 830 C. χ min, fi N fi, Ed A k g y, θ γ f y M, fi k y M M y, fi, Ed y, fi, θ, Rd 1,0 Nurjahduskestävyys: Materiaali k y θ k E, θ, / α y θ k, k E, θ ,768 0,657 0,34 0, ,977 0,643 0,55 0,576 Profiili λ _ χ θ φθ fi N b, fi, t, Rd 80x80x ,418 0,724 0,760 85,3 80x80x ,544 0,822 0, ,1 135

138 Taivutuskestävyys: M fi, θ, Rd k y, θ γ M0 / γm, fi M Rd x80x5mm: 0,34 x [1,1/1,0] x 39,74 x 1000mm 3 x 230N/mm 2 = 3,41 knm x80x5mm: 0,55 x [1,1/1,0] x 39,74 x 1000mm 3 x 240N/mm 2 = 5,77 knm Yhteisvaikutus: Taivutusmomentin reduktiokeroin: k y 1 χ y, fi y A k μ N y fi, Ed f / γ g 0,2proof, θ y M, fi 3 μ 1,2β 3) λy, θ 0,44β 0,29 0, 8 ( M, y M, y ψ = -0,66 β M, y = 1,8-0,7x ψ = 2,466 μ = 1,35, valitaan 0,8 y k = 0, x80x5 mm y k = 0, x80x5 mm y Sauvan kestävyyden tarkistus: 49,2 0,73 0,539 = 0,69 < 1,0 EN x80x5 mm 85,3 3,41 49,2 0,73 0,699 = 0,46 < 1,0 EN x80x5 mm 131,1 5,77 Palotilanteessa materiaali toteuttaa vaaditun kestävyyden. Materiaalista valmistettu profiili on palotilanteessa ylimitoitettu. 136

139 8.6. Esimerkki 6 Lasketaan uudelleen esimerkin 8.4 taivutettu sauva käyttäen materiaalina lujuusluokan CP350 rakenneputkea. Mitoituksessa käytetään 0,2%-lujuuden arvona 350N/mm 2. Kokeillaan profiilia 200x100x5 mm A =2391 mm 2 Wpl,y = 181,37x1000 mm 3 ƒ0,2 = 350 N/mm 2 Huoneenlämpötilassa: M pl, y = 181,37x1000mm 3 x 350N/mm 2 /1,1 /1000/1000= 57,75 knm OK. Palotilanteessa: Teräksen lämpötila 830 C k y, θ = 0, k y, θ = 0, : M pl, θ = 0,34 x 57,75 x [1,1/1,0] knm = 21,6 knm, ei riittävä : M pl, θ = 0,55 x 57,75 x [1,1/1,0] knm = 34,3 knm, OK 137

140 9. Kustannustarkastelua 9.1 Hintakehitys Ruostumat toman teräksen hintaan vaikuttaa voimakkaasti käytettyjen seosaineiden, erityisesti nikkelin ja molybdeenin hinta. Markkinahinta (transaction price) muodostuu perushinnasta (base price) ja seosainelisästä (alloy surcharge), kuva 9.1. Aikavälillä markkinahinta on vaihdellut ja voimakkaimmin ajanjakson loppupuolella. Kuva 9.1. Ruostumattoman teräslajin (AISI 304, kylmävalssattu)hinnan kehitys Saksan markkinoilla (lähde: Outokumpu/CRU, / Vuosikertomus 2007). Hintojen vaihtelut perustuvat maailmantaloudessa esiintyviin raaka-aineiden ja lopputuotteiden kysynnän muutoksiin. Putkituotteiden hintataso riippuu sekä tuotemuodosta että dimensiosta. Myös rakenneputken hinta suhteessa lähtömateriaalin hintaan vaihtelee eri ajankohtina. Hintataso on keskimäärin ollut noin kertainen verrattuna lähtömateriaalin hintaan. 9.2 Elinkaarikustannukset Tuotteen elinkaari alkaa rakenteen suunnittelusta ja päättyy tuotteen hävittämiseen. Suurin osa elinkaarikustannuksista määräytyy jo suunnitteluvaiheessa ja siksi elinkaariajattelu on kehittymässä suunnittelun keskeiseksi lähtökohdaksi. Suunnittelussa tehty materiaalinvalinta vaikuttaa oleellisesti elinkaarikustannuksiin. Elinkaarikustannusanalyysiä varten on kehitetty ohjelmisto, joka on saatavilla Euro-Inox:n www-sivuilta ( Elinkaaren aikana kustannuksia aiheutuu erityisesti käytöstä ja kunnossapidosta. Siksi elinkaarikustannukset riippuvat merkittävästi tuotteen suunnitellusta käyttöiästä. 138

141 Monilla kulutustavaroilla suunniteltu käyttöikä on alle 5 vuotta. Arvokkaammilla tuotteilla, esimerkiksi kodinkoneilla ja henkilöautoilla, suunniteltu käyttöikä on usein 5 15 vuotta. Pidempi-ikäisillä tuotteilla, kuten esimerkiksi hyötyajoneuvoilla, voidaan käyttää vuoden suunniteltua käyttöikää. Rakennuksilla ja yhteiskunnallisesti tärkeillä investoinneilla suunniteltu käyttöikä on yleensä vuotta, joskus jopa yli 100 vuotta (taulukko 9.1). Rakennuksen vaihdettaville tai edullisesti kunnostettaville osille, esimerkiksi vesikatteille, julkisivuille, oville ja ikkunoille, asetetaan usein lyhyempi, yleensä noin 25 vuoden käyttöikä. Siltojen kantavilla rakenteilla suunniteltu käyttöikä on tavallisesti 100 vuotta, kannen vesieristyksillä vuotta, kaiteilla ja valaisinpylväillä vuotta. Satamalaitureilla ja rantamuureilla tavallinen suunniteltu käyttöikä on 50 vuotta, mutta yhteiskunnallisesti merkittävissä erityiskohteissa suunniteltu käyttöikä voi olla yli 100 vuotta (RIL 2006). Elinkaaritarkastelussa käytettävä suunniteltu käyttöikä määräytyy tuotteen omistajan, käyttäjän tai valmistajan asettamien tavoitteiden perusteella. Käyttöiän määrää joko vanhanaikaistuminen tai vaurioituminen. Vanhanaikaistuminen voi olla teknistä, toiminnallista, taloudellista tai ekologista vanhanaikaistumista. Taloudellinen vanhanaikaistuminen syntyy silloin, kun tuote on toiminnallisesti ja teknisesti käyttökelpoinen, mutta käyttö- ja huoltokustannuksiltaan uusia vaihtoehtoja kalliimpi siten, että uusinvestointi tulee kannattavammaksi. Ekologinen vanhanaikaistuminen on kyseessä, kun tuotteen ympäristövaikutukset eivät enää vastaa yhteiskunnan, käyttäjän tai omistajan vaatimuksia. Ikäluokka Suunniteltu käyttöikä Luokkaan kuuluvat rakennustyypit Luokkaan tyypillisesti kuuluvat rakennusosat Tyypillinen käyttöiän määräävä peruste Luokka vuotta Väliaikaiset rakennukset (hyvin harvinainen) Luokka 2 25 vuotta Tilapäiset rakennukset, majoitusparakit, tilapäisvarastot Rakennuksen tietotekniset järjestelmät ja niiden osat. Lyhytikäiset pinnoitteet. LVISTJ-järjestelmät ja niiden osat. Katteet. Ikkunat. Ovet. Täydentävät rakenteet (joskus). Pitkäikäiset pinnoitteet. Vanhanaikaistuminen Vaurioituminen Rakennukset: Vanhanaikaistuminen Rakennuksen osat: Vaurioituminen tai vanhanaikaistuminen Luokka 3 50 vuotta Tavalliset rakennukset Perustukset. Runkorakenteet. Ulkoseinät. Vesikattorakenteet. Täydentävät rakenteet. Rakennukset: Vanhanaikaistuminen tai vaurioituminen Rakennuksen osat: Vaurioituminen Luokka vuotta Tavallista vaativammat rakennukset, tai muu tavallista tarkemman laskentatarkkuuden tarve Perustukset. Runkorakenteet. Ulkoseinät. Vesikatorakenteet. Täydentävät rakenteet. Rakennukset: Vanhanaikaistuminen tai vaurioituminen Rakennuksen osat: Vaurioituminen Luokka 5 yli 100 (150, 200, 300, 500) vuotta Erikoisrakennukset (esim. historialliset rakennukset). Tapauskohtainen määrittely Perustukset. Runkorakenteet. Ulkoseinät. Vesikattorakenteet. Täydentävät rakenteet. Rakennukset: Vanhanaikaistuminen tai vaurioituminen Rakennuksen osat: Vaurioituminen Taulukko 9.2. Rakennustyyppien ja niiden osien suunniteltu käyttöikä eri ikäluokissa (RIL 2001). 139

142 Elinkaarikustannuslaskenta on luonteeltaan investoinnin kannattavuuslaskelma, jossa otetaan hankintahinnan lisäksi huomioon käyttö- ja huoltokustannukset sekä tuotteen tai järjestelmän omistamiseen, käyttöön, purkamiseen ja purkujätteen hävittämiseen liittyvät kustannukset. Elintasomaissa henkilökustannukset muodostuvat yhä merkittävämmäksi osaksi käyttö- ja huoltokustannuksia. Jäännösarvon ja tuotteen hävittämisen merkitys on yleensä merkityksetön pitkän eliniän tuotteissa, mutta lyhytaikaisissa investoinneissa sillä voi olla merkittävä vaikutus. Elinkaarikustannuslaskennan pääkohdat ovat: arviointikriteerien ja rajausten määrittely kustannuksia aiheuttavien tekijöiden tunnistaminen kustannusten laskeminen kustannusten muuttaminen (diskonttaaminen) nykyarvoon eri vaihtoehtojen vertailu. Elinkaarikustannusten arviointikriteerien määrittelyssä kustannuksia aiheuttavat tekijät voidaan tarvittaessa rajata valitun näkökulman mukaan. Esimerkiksi väylärakenteiden suunnittelussa voidaan elinkaarikustannusten kokonaistarkastelu tehdä joko tienpitäjän, tien käyttäjän tai yhteiskunnan näkökulmasta. Kun tarkastelu tehdään yhteiskunnalliseen näkökulmaan perustuen, on otettava huomioon rakennus- ja ylläpitokustannusten lisäksi myös välilliset tienkäyttäjille aiheutuvat kustannukset (pidentyneen ajomatkan polttoainekustannukset, nopeusrajoituksista johtuva matka-ajan piteneminen ja onnettomuuskustannukset) sekä ympäristövaikutusten kustannukset. Investoinnin kannattavuutta arvioidaan yleensä muuntamalla kaikki tulevaisuuden kustannukset nykyarvoon. Laskennassa käytetään diskonttauskorkoa, joka puhtaassa liiketaloudellisessa tarkastelussa kuvaa arviota siitä reaalikorosta, joka sijoite tulle pääomalle voidaan pitkäaikaisella sijoituksella saada. Valitulla korkotasolla on oleelli nen vaikutus elinkaarilaskelmien tuloksiin. Korkea diskonttauskorko suosii myöhemmin teh täviä korjaustoimenpiteitä ja matala korko rakennuksen pitkäikäisyyteen tähtääviä, esimerkiksi materiaalin valintaan liittyviä investointeja (kuva 9.2). Diskonttauskorko voidaan valita vaikutuksen näkökulman perusteella esimerkiksi seuraavasti (Tupamäki 2004, Tiehallinto 2004): ympäristövaikutusten näkökulma, korko 0 % kansantaloudellinen näkökulma, korko 3 % valtiontaloudellinen näkökulma, korko 6 % liiketaloudellinen näkökulma, korko 9 %. Käytettävä diskonttauskorko määräytyy yleensä viranomaisten ohjeiden tai investointiin sijoitetun pääoman tuottotavoitteiden perusteella. Pääoman tuottoon perustuvan diskonttauskoron asettaa tuotteesta riippuen tuotteen omistaja, käyttäjä tai valmistaja. 140

143 Kuva 9.2 Tulevaisuudessa syntyvän kustannuksen nykyarvo eri diskonttauskoroilla (Talja et al. 2006). Liiketaloudelliseen näkökantaan perustuvassa tarkastelussa diskonttauskorko riippuu markkinakorosta, johon vaikuttaa myös suhdannevaihtelu. Esimerkiksi linja-auton rungon elinkaaritarkastelussa on Euro Inox (2005) käyttänyt esimerkissään korkoa 7,4 %. Kyseisessä esimerkkitapauksessa ruostumattomien terälajien ja käyttö (rungon rakenneputket ja levyrakenteet) on arvioitu perustelluksi, jos rungon suunniteltu käyttöikä on 20 vuotta ja uudella materiaalinvalinnalla säästetään muuten 12 vuoden kuluttua tehtävä rungon peruskorjaus. Kansantalouden ja valtiontalouden näkökulmaan perustuvassa yhteiskunnallisesti tärkeissä investoinneissa korkotaso on yleensä 3 6 %. Suomessa liikenne- ja viestintäministeriön ohje väylähankkeille on 5 % (LVM 2003). Koska käytetyllä korolla on suuri merkitys elinkaarikustannuksiin, päätökset tehdään usein eri korkotasoilla tehtyyn laskentaan perustuen. Esimerkiksi lähteessä (Talja et al. 2006) on ruostumattoman teräksen käyttöä sillan betonipilarin muottikuorena tarkasteltu koroilla 0, 3 ja 6 %. Tehdyn tarkastelun perusteella ruostumattoman teräksen käyttö muottikuorena on kaikilla korkotasoilla perusteltu, mikäli käytöllä voidaan välttää betonipila rin korjaus ja siitä aiheutuvat välittömät ja välilliset kustannukset 2 kertaa (30 vuoden välein) käyttöiän (100 v) aikana. Pienemmillä korkotasoilla ruostumattoman teräksen käytön edullisuus näkyy huomattavasti korostuneempana. Yleensä ruostumattoman teräksen käytöllä saavutettava etu elinkaarikustannuksissa näkyy sellaisissa kohteissa, joissa yleisten ruostumattomien terästen käytön etujen lisäksi kunnossapidosta aiheutuvat välittömät tai välilliset kustannukset ovat suuret. Edut korostuvat, mikäli elinkaaritarkastelu perustuu esimerkiksi infrarakentamiselle tyypilliseen kansantaloudelliseen näkökulmaan. Talonrakennuksessa tällaisia käyttökohteita ovat esimerkiksi lasisten julkisivujen ja katteiden tukirakenteet. 141