Laiturirakenteen tarkastelu

Transkriptio

1 Laiturirakenteen tarkastelu DI Timo Teelahti Kuva: Mikko Oikarainen Avantouintilaituri syysjäissä.

2 Pitkänsivun verhoilun hyväksikäyttö laiturin jäykkyyteen Tarkastellaan kestopuu 28 x 120 x 6,0 m lujuusominaisuuksia ja todetaan, lattasuunnassa lujuusominaisuuksia ei sanottavasti ole ole, pystysuunnassa yllättävänkin hyvät. Jotta pystysuuntaisen lujuusominaisuuden hyväksikäyttö toteutuisi, tulee rakennekiinnikkeen estää lankun kiertyminen. Kootaan paneeli kolmesta lankusta ja tarkastellaan, miten kolmen lankun paneelin jäyhyysmomentti (suure, joka kuva profiilin kykyä vastustaa taipumaa) suhtautuu yhden laudan jäyhyysmomenttiin? Jäyhyysmomentti saadaan kaavasta I = bh 3 /12 nyt kun yksittäisellä laudalla tuo h = 120 mm ja paneelin korkeus on ( ) = 390 mm heti huomataan, että paneelien jäyhyysmomenttien suhde on I1 / I2 = (390/120)3 = kolmekymmenkertainen

3 Ponttoonin ja juoksun yhdistäminen palkiksi Pituussuunnassa ( x-akseli) nähdään sielun silmin I-palkki, jonka ylälaippana on puinen juoksu ja alalaippana ponttooni. I-palkissahan uuman tehtävä on ainoastaan pitää ylälaippa ja alalaippa kontrolloidusti erillään, jotta palkille muodostuu yksiselitteinen taipumaviiva. Juoksu-ponttoonipalkissa yksiselitteinen taipumaviiva saavutetaan laittamalla kiinnikkeitä tasaisin välein (1,5-2 m ). Kuva 3 Jotta haluttu rakenne toteutuisi ja olisi tukeva vielä vuosienkin päästä täytyy kiinnikkeiden lukita elementit ( ponttooni ja juoksu ) toisiinsa tukevasti. Tässä eivät muovihitsatut kiinnikkeet toimi, hitsaukset joko repeävät tai pultinreiät kuluvat väljiksi. Lämpölaajeneminen, joka on ponttoonilla huomattava, aiheuttaa myös korvien repeilyn ja reikien kulumisen. Mikäli kiinnitys ei ole tukeva on juoksu ainoastaan ponttoonin päällä mukana ja I-palkki efekti ei toteudu. Poikittaissuunnan jäykkyys Poikkisuunnassa ( y-akseli ) jäykkyys saavutetaan rakennekiinnikkeillä, joiden yläelementtinä on metalliputki, neliö 40 x 80 x 2,0. Muunkin mittaisia elementtejä on myöskin, luonnollisesti. Kiinnikkeitä on n. 1,5-2 m välein, jolloin niiden antama jäykkyys y-suunnassa pystysuunnan z suhteen on niiden summa. Kuva 4 Kiertojäykkyyden luominen Tähän asti kaikki onkin ollut helppoa, mutta nyt päästään sen vaikeimman ja tärkeimmän, laiturin kiertojäykkyyden kimppuun Kuva 5 Kuva 6

4 Mikäli laituriin ei saada kiertojäkkyyttä, myötäilee se kuorman alla ja aallokossa. Kun kulmalle laitetaan kuormitusta, kulma vajoaa. Kuva 7 Ponttoonissa ( ponttooneissa ) on kuitenkin luonnostaan valtaisa kiertojäykkyys, joka on hyödynnettävissä. Kuvan 7 koejärjestelyssä ponttooni ( 500 ) on asetettu vapaasti pöydälle. Toisesta päästä laitetaan vastaan parhaansa mukaan kun toisesta päästä väännetään tulisesti. Kiertyykö ponttooni, ei kierry! Kuva 8 Kuvassa 8 sama koe. Asian havainnollistamiseksi vääntövarsien välinen kulma on nyt pienempi. Ei kierry nytkään! Kun vääntövarret lukitaan samansuuntaisiksi on kysymyksessä laiturin rakentaminen. Nyt ei kuvissa 5 ja 6 kammoksuttu kiertyminen pääse tapahtumaan. Kuva 9 Vääntövarret ovat pitkiä ja jopa kymmenkertaistavat liikkeen ja voimat. Tästä seuraa vääntöelimelle laatuvaatimukset koko matkalle. Rakennekiinnikkeen on otettava kiinni ponttoonista siten että pysyy kanssa. Kun tehtiin muovilätkillä ja puuvarsilla havaittiin, että reiät kuluvat vuosien saatossa väljiksi, muovihitsaukset antavat periksi ja tai putki joustelee kiinnikkeen kohdalla. Kun rakennekiinnikkeellä otetaan tiukasti kiinni putken ympäri ja voima viedään kiinnikkeen läpi toiseen laitaan kiinteällä rakenteella ilman liitoksia ponttoonin kiertojäykkyyden hyödyntäminen toteutuu, aikuisten oikeesti! Kuva 10 Kuva 11 Muovihitsattu kaivo

5 Lämpölaajeneman tarkastelu pituussuunnassa Lämpölaajenemisvoima on pitelemätön voima, joka rapauttaa suuria vuoristojakin. Rakenteessa on kiinnitetty päällekkäin puinen juoksu ja polyeteeninen ponttooni, joilla on erilaiset lämpölaajenemiskertoimet. Lämpötilan vaihtelut eivät kuitenkaan hajota rakennetta. Mitäköhän tapahtuu? Laitoimme tuossa muutama vuosi sitten pihavajaan pylyeteeniponttoonin, jonka kylkeen vedimme rautasahalla kaksi merkkiä n. 1,5 m etäisyydelle. Pidimme ponttoonia tarkkailussa vuoden päivät, mittasimme merkkien välisen etäisyyden muutosta, kirjasimme lämpötilat. Lämpötilat kävivät vajassa tuon vuoden aikana astetta celsius. Mittauksen tulokset analysoimalla tulimme tulokseen, että 60 asteen lämpötilan muutos aiheuttaa ponttooniin pituusmuutoksen 10 mm metrille. Puulle ei oikein vastaavaa lämpölaajenemiskerrointa löydy, kirjallisuudesta eikä kokeellisesti. Viileillä ilmoilla puu kutistuu, mutta kun viileisiin ilmoihin liittyy korkea ilmankosteus jota puu vetää itseensä, ei pituudenmuutosta juurikaan tapahdu. Ponttoonin lämmetessä ja pidentyessä enemmän kuin puu taittaa se rakenteen päitä ylös. Ponttoonin jäähtyessä vetää se rakenteen päitä alas. 60 asteen lämpötilanvaihtelulla tuo minimin ja maksimin ero on 6 m:n laituripäädyssä 20 mm. Käytännössä laiturin kannesta ei voi katsomalla sanoa kuinka kylmä tai lämmin ulkona on. Lämpölaajeneman tarkastelu ponttoonin radiaalisuuunnassa Esimerkkinä, 500 mm ponttoonin ympärysmitta on 1570 mm. Jos ja kun ponttooniin tulee tuo 60 asteen lämpötilavaihtelu, ympärysmitan muutos on 15 mm. Ponttoonipannan on oltava niin tukeva, että ei kuumalla ilmalla oikene, veny yli myötörajan, tahikka irtoa kiinnityksistään. Jos näin tapahtuu, kylmällä ilmalla ponttoonikiinnitys on löysä. Tietenkin teräskin lämpölaajenee, teräspanta toimii kimmoalueellaan jousena. Muovin lämpölaajeneminen suuntautuu faasissa helpoimpaan suuntaan ie. osa lämpölaajenemisesta pakenee ponttoonin pituussuuntaan kun radiaalisuuntaan ei pääse.

6 Miten käy kustannusten rakennekiinnikkeillä rakennettaessa? Ponttooniin on otettava kiinni joka tapauksessa. Muovihitsaukset tai yksittäiset metallikiinnikkeet maksavat /kpl. Lisäksi tarvitaan rakenteet poikittaisen rungon rakentamiseen, pitkittäisjuoksujen kiinnittämiseen sekä pitkän sivun verholautojen kiinnitykseen. Rakennekiinnikkeessä tulee mukana, useampi ponttoonikiinnitys, tukeva poikkirakenne, sivuverholautojen kiinnitys sekä tarvittavat pultit ja mutterit. Miten käy laiturin kokonaispainon rakennekiinnikkeillä rakennettaessa? Well, jos nyt katsotaan mainiolla laiturilaskurilla esim. päädyn 2,5 x 6,0 4 kpl 400 mm ponttooni, kiinnikkeen painoksi saadaan 30 kg/ kpl, tarvitaan 4 kpl eli yht. 120 kg. Lisäksi tarvitaan 4 juoksua 48 x 123 x 6,0 m a 18 kg, yht 72 kg eli kiinnikkeet ja juoksut yhteensä 200 kg ja rakenne on kansi ja sivuverhoilua vaille valmis. Nyt kun metallin paino on tuo 120 kg, alumiinilla korvaamisella säästäisi ehkä/ehkäpä ei noin kolmasosan eli 40 kg. Puuntiheytenä on laiturilaskurissa ja tässä käytetty 500 kg/m3. Esimerkkin laiturin puutavaran paino on kaikkine verhoiluineen 315 kg. Jos laskennalliseksi tiheydeksi otetaan syksyinen kostea 600 kg/m3, vaikutus laiturin painoon on 60 kg. Tämä onkin se kuva mistä ollaan kaikkein ylpein. Otetaan noin vähän tavaraa ja lähdetään hinaamaan Puulaveden aalloille. Kevyesti ja ryhdikkäästi tulee perässä

7 Pienvenesatama 2,5 x 15,0, venekerhon talkootyömaa Laituri 1,3 x 6,0 + 2,5 x 6,0 Laituripääty 2,5 x 6,0 m T-malli, kesällä paistaa aina aurinko! Prinsessa Armada, Mika 135 kg, Timo 109 kg laiturin nurkalla, ei keskellä. Laituri 1,3 x 6,0 kunnon kaiteet + 2,5 x 4,5 m

8 Kulkusilta pyörät kannella vs. kulkusilta päädyn kyljessä saranalla Kulkusillan tulee olla pitkä jotta, - veden pinnan vaihtelussa kulkusilta ei mene liian jyrkäksi. Tähän geometriseen tosiasiaan ei vaikuta se kuinka syvää rannassa on. - rantaa lähimpänä olevan ponttoonin alla on matalan veden aikana oltava tarpeeksi vettä. Siis alimman vedenkorkeuden aikana sattuvan myrskyn suurimman aallon aallonpohjan alla on oltava enemmän vettä kuin laiturin uintisyvyys, muutoin ponttooni hankautuu rikki. Testissä vasemmalla kulkusilta on pyörillä kannen päällä joustamassa aallon iskua. Kulkusilta ei voi lähteä rannasta ylämäkeen, koska päädyn reuna nostaisi kulkusillan pyörät irti kannelta. Kun vesipinta putoaa, kannesta tulee jyrkempi, ja rantaa lähinnä oleva ponttooni ottaa pohjaan. Kannelle tulee porras, jonka alla pyörivät pöyrät, joiden alle mahtuvat lasten sormet ja varpaat. Laiturin joustaessa ankkuroinnissaan, länsituulella itään, itätuulella länteen, kulkusilta ei käänny mukana ja laiturissa näyttää olevan mutka. Testissä oikealla testivoittaja, kulkusilta on saranalla päädyn kyljessä, rannassa vapaasti pölkyn päällä joustamassa aallon iskua. Koska kulkusilta voi lähteä myös ylämäkeen, voidaan rantakiinnitys viedä aivan ylävesipinnan vesirajaan, jopa sen allekin. Huippuvesikorkeudet eivät yleensä montaa päivää kestä. Näin saadaan rantaa lähimpänä oleva ponttooni kauemmaksi syvään veteen. Kun vesipinta putoaa, kulkusillasta ei tule niin jyrkkä ja vettä on rantaa lähinnä olevan ponttoonin alla. Saranaan eivät sormet ja varpaat mahdu väliin, ostoskärry ei tökkää. Laiturin joustaessa ankkuroinnissaan, länsituulella itään, itätuulella länteen, kulkusilta kääntyy mukana ja laiturissa on suora. Oikeanpuoleisen laiturin kulkusillan alle on hahmoteltu kulkusillan lisäponttooni, joka näyttää nousevan vedestä kun vedenkorkeus laskee.

9 Ankkurointi Laituri ankkuroidaan neljällä ketjulla, kaksi rantaan kaksi ulapan suuntaan. Ketjujen viistous laiturin pääsuuntaan nähden estää laiturin liikkumista sivusuunnassa. Laituria ei pyritäkään ankkuroimaan kiinteäksi vaan ketjut laskeutuvat aika lyhyellä matkalla pohjaan. Kun aalto työntää laituria nousee ketju pohjasta ja painuu jälleen takaisin aallon hellittäessä. Tämä toimii erittäin hienona iskunvaimentimena. Kulkusilta jätetään jommasta kummasta päästä vapaaksi. Laiturin rungossa on hitsattuna pystysuorat putket, joiden läpi ketju nostetaan. Kun ketju on halutussa kohdassaan, laitetaan ketjuun ylisuuri sakkeli ja ketju ei pääse takaisin putken läpi. Putkella on saatu ketjun lähtöpiste alas laiturin alle, ei hinkkaa ponttooneihin. Ankkuriketjujen yläpäät jäävät kannen alle piiloon, pois varpaista. Ankkurointivoimien hallinta Jo kuusikymmenluvulla opin tuon fysiikan lauseen, jokaista voimaa edustaa aina vastavoima. Aina tuotiin esille; Perustukset, rungot ja nosturit on mitoitettava siten, että kestävät niille tulevat kuormitukset. Vasta 2000-luvulla huomasin, että kukaan ei koskaan tuonut esille, jos vastavoimaa ei ole, ei voimaakaan voi olla olemassa!. Seitsemänkymmentä luvulla tajusin, mikä on sulake ( tai mikä on murtosokka ). Se on rakenteeseen tarkoituksella mitoitettu heikko kohta, joka pettää, kun jäät meinaavat särkeä laiturin. Ei ne jäät sitä laituria rikki saa, jollei joku pitele vastaan, ja jos joku pitelee vastaan liikaa, heikoimmain kohdan pitää pettää ensiksi. Jää särkee laiturin viidellä tavalla Jään lämpölaajeneminen. Järvenselälle muodostunut jäälautta kutistuu pakkasen kiristyessä, jäähän repeää railo johon tullut vesi jäätyy. Jäälautan kokoon on lisätty railon leveys. Keväällä jäälautta laajenee lämmetessään ja työntää tuon lisätyn leveyden rannoilta ylös. Voima on sellainen, että siinä siirtyvät isot siirtolohkareetkin. Tämä siirtymä on tyypillisesti alle metrin luokkaa. Jos ankkurointi on sen verran löysä, laituri siirtyy jään mukana ja säilyy ehjänä. Sitten jäitten häivyttyä laituri on palautettava alkuperäiselle paikalleen.

10 Ajojäät Vedenpinnan raju muutos Laituri ui liian syvällä, jää saa laiturin syleilyynsä, syksyllä roiskunut vesi jäätyy kannelle Jää on ankkuroinut osan laiturista pohjaan

11 Miksi kannattaa rakentaa rakennekiinnikkeillä? - testattu rakenne - valmiit lujuusopin asiantuntijan tekemät ratkaisut - valmiit piirustukset - pultit ja mutterit mukana - kun runkorakenne on kunnossa ja kestävä voi sen päälle rakennella ja viimeistellä mitä mieleen tulee - talkooporukalle voi tulostaa selvät ohjeet Rakennekiinnikkeillä on myös tehty Kaivoksen pumppaamo Pienvenesatama Pyörätuolilautta Avantouintilaituri Lentokoneen kuivaparkki Vesijetin kuivaparkki Pumppaamo Kylpytynnyrilautta kaislikonruoppauslautta Pyörätuolilautta taittuvalla eturampilla Pienvenesatama käyntisilta, 1,3 x 6,0 m + 2,5 x 24,0 m, kunnan työpajan toteuttama

12 Esityksessä käsiteltävät toistaiseksi puuttuvat aiheet; Tuotetestaus, ymmärrys ovat olemassa analyysit tehty, virheet tehty, nyt vain pitää huolellisesti kirjoittaa puhtaaksi. Teen lähiviikkoina esitystä kappaleen kerrallaan ja liitän julkaisuun. Lopuksi sitten järjestän kappaleet lukuihin ja siistin esityksen graafisesti. Mielelläni keskustelen puhelimessa aiheesta Timo Teelahti aluksen runkonopeus, laiturihan on alus, vesi virtaa ohi - rungon epäjatkuvuuskohtien vaikutus lujuuteen, runkonopeuteen - ankkurointipisteet runkoon alas, ei sivuverhoiluun ylös - kulmavahvistukset sisäpuolelle, ei venettä raapimaan ulkopuolelle - venepollarit runkoon - elementtien uusimismahdollisuus, kannen, juoksut, verhoilut, ponttoonit voi vaihtaa - muoviponttoonin seinämänpaksuuden vaatimukset ja tarkastelu - ei täkkipultteja nitkumassa irti, ei muovihitsattuja lätkiä - kustannusrakenne, markkinointikustannus pieneksi, säästö laiturin ominaisuuksiin, asiakas maksaa kaiken myös messuilla. - käyntisillan tarvittava pituus pinnankorkeuden vaihteluun nähden ettei mene liian jyrkäksi - käyntisillan saranointi päätyyn, rannanpää irti vs. saranointi rantaan pyörät kannelle - kestopuun ja painekyllästetyn ero - mistä ja milloin kannattaa tinkiä, ehkä ei kuitenkaan ensimmäiseksi perustuksesta - kölin tarpeellisuus lautassa

13 Summa summarum Vuosien kuluessa kehittyi tuo ajatus laiturirakenteen optimoinnista. Laiturin rakentaminen on,yllätys yllätys, vaikein tontilla tapahtuva toimenpide. Valokaapelin liittäminen on lasten leikkiä. Puuvajan voi rakentaa kiinteälle maalle vaikka vähän vinoonkin, on siinä vieressä joku puukin sen verran vinossa, että kaikki näyttää luonnollisen hyvältä. Laiturirakentamisen vaikeudet tärkeysjärjestyksessä, vedenpinnan vaihtelu, jatkuva nitkutus, pohjaan hankautuminen, vaihtuva kuormitus, talvehtiminen, vatupassi jatkuvasti vieressä, ankkurointi, veneiden kiinnittäminen ja lisäksi pitäisi olla vuosienkin päästä siisti. Ajatus kehittyi, että kaikkea ei kannata keksiä itse vaan kannattaa tutkia samankaltaisuuksia, synergioita, muualta. Esityksessä viitataan noihin synergioihin silloin tällöin. Ei tarkoita matkimista, vaan tarkoittaa muissa sovellutuksissa käytetyn tiedon tuomista myös laiturirakenteeseen. Itsekantava rakenne, tuttu autojen, tankkiautojen yms. kehityksestä tarkoittaa, että huomioidaan materiaalit, jotka rakenteeseen on joka tapauksessa laitettava ja pyritään muodostamaan niistä runko. Täydennetään sitten rakennetta tarvittavilla osilla. Komposiittirakentaminen tarkoittaa, että yhdistetään eri materiaalit yhdeksi kokonaisuudeksi. Rakenteemme ei siis ole metalli-, puu- tai muovirunkoinen vaan komposiittirakenne. Vaatimukset Ennen kuin voidaan lähteä kertomaan rakenteen hienoista yksityiskohdista on kuitenkin analysoitava tarpeet, mitä kunnon laiturirakenteelta vaaditaan. Vedenkorkeuden vaihtelussa on varauduttava ainakin tuohon 1,5 m vaihteluun 3 vuoden aikana. Laituri on eräänlainen alus, vesi virtaa laitojen ohi. Nyt kun haetaan noita synergioita, huomataan, että kaikki alukset tehdään aina jäykiksi. Pienimpiinkin kumiveneisiin ollaan istuttamassa runkoa rakenteen jäykistämiseksi. Ilmeisesti jäykkyys on vesillä oleellinen asia. Rahtikustannukset nuosevat ylileveissä ja -pitkissä kuljetuksissa valmiiden laitureiden osalta.