TRY TERÄSNORMIKORTTI N:o 6/1997

Transkriptio

1 TRY TERÄSNORMIKORTTI N:o 6/1997 [korvaa Teräsnormikortin N:o 1/1995] STALA Oy:n valmistamien putkipalkkien käyttö standardin SFS-ENV mukaisissa kantavissa rakenteissa Hakijan yhteystiedot: STALA Oy Taivalkatu LAHTI puh.: (03) fax: (03) Yhteyshenkilö: Pekka Yrjölä Käytön kuvaus: Tässä Teräsnormikortissa käsitellään STALA Oy:n valmistamien ruostumattomista teräsputkista valmistettujen kantavien rakenteiden suunnittelua, valmistusta ja laadunvarmistusta. Käytön rajoitukset: Tämä Teräsnormikortti koskee staattisesti kuormitettuja rakenteita lämpötila-alueella -40 C C. Teräsrakenneyhdistyksen Normitoimikunta on käsitellyt Teräsnormikortin ja todennut sen täyttävän standardin SFS-ENV mukaiset vaatimukset. Kortin käyttäjällä on vastuu kortin ohjeiden käytöstä. Tämä Teräsnormikortti on voimassa toistaiseksi. Samalla kumotaan Teräsnormikortti N:o 1/1995. Tämä Teräsnormikortti voidaan peruuttaa Teräsrakenneyhdistys r.y:n harkinnan perusteella. Helsingissä maaliskuun 19. päivänä 1997 TERÄSRAKENNEYHDISTYS r.y. Jorma Lukkari puheenjohtaja Kai Räty toimitusjohtaja

2 1. Ruostumaton putkipalkki Tämä normikortti koskee STALA Oy:n austeniittisista standardin ASTM A 167 /1/ mukaisista ruostumattomista teräslajeista AISI 304, AISI 304L, AISI 316, AISI 316L ja AISI 316 Ti kylmämuovaamalla valmistettuja pitkittäissaumahitsattuja suorakaide- ja neliöputkiprofiileja. Standardin EN /2/ mukaisilla numerotunnuksilla vastaavat teräkset ovat No , No , No , No ja No Neliöputket valmistetaan kokoon t asti ja suorakulmaiset putket kokoon t asti kylmämuovaamalla lähtönauha ensin pyöreäksi väliaihioksi ja sen jälkeen suorakulmaiseksi profiiliksi (tapa 1). Näitä suurempidimensioiset putkipalkit valmistetaan lähtönauhasta suoraan nelikulmaiseen muotoon (tapa 2). Tavalla 2 valmistetuille profiileille tämä Teräsnormikortti on voimassa edellyttäen, että lähtönauhan myötölujuus f y0.2 ylittää taulukon 2.1 mukaisen minimiarvon 270 tai 350 MPa. Putkipalkin mitoitus tapahtuu Teräsrakenneyhdistys r.y:n julkaiseman ohjeen "RUOSTUMATTOMISTA TERÄKSISTÄ TEHDYT RAKENTEET - OHJEET 1993" /3/ mukaisesti ellei jäljempänä muuta mainita. Puristetun sauvan tarkastelu perustuu SFS-ENV :n /4/ mukaiseen tarkasteluun. Putkipalkkien liitosten mitoittaminen perustuu SFS-ENV :n liitteessä K /5/ esitettyihin ja CIDECT:n laatimiin ohjeisiin /6/. Ruuviliitokset mitoitetaan ohjeen /3/ mukaisesti. 2. Putkipalkkien mekaaniset ominaisuudet Mitoituksessa käytettävät putkipalkkien mekaaniset ominaisuudet on esitetty taulukoissa Taulukko 2.1 Kylmämuovaamalla valmistetun putkipalkin mekaaniset arvot. f y0.2 [MPa](min) f u [MPa](min) E[N/mm 2 ] Murtovenymä[%] Taulukko 2.2 Kylmämuovatun putkipalkin myötölujuus lämpötilan funktiona /7/. lämpötila f y0.2 =270 f y0.2 = C C Taulukko 2.3 Perusaineen mekaanisten ominaisuuksien minimiarvot (SFS-ENV ) /4/. Materiaali f y [MPa](min) f u [MPa](min) E[N/mm 2 ] AISI AISI 304L AISI AISI 316L AISI 316Ti

3 Taulukko 2.4 Kylmämuovaamalla valmistetun putkipalkin sekanttikimmokertoimen E S arvot taipumien laskentaa varten. σ[mpa] E S [N/mm 2 ] Sekanttikimmokerrointa käytetään rakenteen siirtymien tarkasteluun käyttörajatilassa. Taulukko 2.5 Sekanttikimmokertoimen määrittämiseen käytettävät parametrit. jännitys f pr [N/mm 2 ] f y [N/mm 2 ] E[N/mm 2 ] n veto missä : f pr = 0.01%:n pysyvää venymää vastaava jännitys f y = 0.2%:n pysyvää venymää vastaava jännitys f u = murtolujuus σ = ulkoisen kuorman aiheuttama jännitys E = alkukimmokerroin E s = sekanttikimmokerroin n = Ramberg-Osgood-käyrän vakio Sekanttikimmokerroin E s määritetään kaavasta 2.1 E s = E i E σ σ i f y n (2.1) 3. Putkipalkin valmistus 3.1 Putkipalkkien nimelliset mitat Tämän normikortin mukaisten putkipalkkien nimelliset poikkileikkausmitat on esitetty taulukoissa 3.1 ja 3.2. Lihavoidut mitat valmistetaan tavalla 2. Taulukko 3.1. Neliöputket t[mm] leveys korkeus[mm]

4 Taulukko 3.2. Suorakulmaiset putket t[mm] leveys korkeus[mm] Putkipalkkien toimitustoleranssit Putkipalkit toimitetaan taulukon 3.3 mukaisilla toleransseilla, jotka ovat standardiehdotuksen pren /8/ mukaisia. Taulukko 3.3 Putkipalkin toleranssit Dimensio sovellettava standardi toleranssi Ulkomitat h,b pren h,b<100 mm ± 1 % 100 mm h,b 150mm ± 0.8 % Ainepaksuus t pren t 5 mm ± 10 % t> 5 mm ± 0.50 mm Suorakulmaisuus pren ± 1 Sivutahkon koveruus x 1 pren % kuperuus x 2 min. 0.5mm Nurkan pyöristyssäde R ( ) t Suoruus pren max 0.15 % Kiertymä v pren mm mm/m Massa m pren ± 6 % Pituus l pren l 5000 mm +5mm/-0mm 5000 mm < l mm +15mm/-0mm l > mm +5mm+1mm/m/-0mm Putket toimitetaan tilauksen yhteydessä määriteltyinä pituuksina. Putkipalkki toimitetaan pintakäsiteltyinä vaihtoehtoisesti : - hiottu sekä peitattu pinta - esihiottu sekä peitattu pinta - peitattu pinta - hiottu pinta R a = µm (grit-arvo ) - esihionta R a = 2-4 µm (grit-arvo ) Tilauksen yhteydessä määritetään tilattavalta putkelta vaadittava pinnanlaatu.

5 3.4. Putkipalkin pituussuuntaisen hitsin valmistaminen Putkipalkin pituussuuntainen hitsi valmistetaan pituussuunnassa TIG- tai TIG-plasma-menetelmällä sisä- ja ulkopuolisella suojakaasulla suojattuun railoon. Hitsin lämpövyöhyke vesisammutetaan. Pituussuuntainen hitsi tarkastetaan 100%:sti pyörrevirtamenetelmällä. Pituussuuntaisen hitsin hitsiluokka pintavioille on B SFS-EN mukaisesti. Sisäiset virheet tarkastetaan pyörrevirtamenetelmällä kalibrointina SEP Tuotteiden merkintä ja pakkaus Tuotteet on merkitty materiaali-, sulatusnumero-, koko-, valmistaja- ja päiväystunnuksilla. Jokainen putkipalkkinippu pakataan muoviin. Jokainen putkipalkki on pyynnöstä mahdollista myös pakata erikseen muoviin. Putkipalkkierät pakataan erikoispakkaukseen. Pakkauksen koko määräytyy asiakkaan tilauksen mukaan. Pakkausmerkinnät on esitetty kuvassa 1. Kuva 1 Pakkausmerkinnät 4. Käyttöalue Putkipalkin käyttöalueena on ohjeiden B7 /12/ ja SFS-ENV /5/ mukaiset kantavat rakenteet sekä soveltuvin osin koneet ja laitteet erityisesti korroosioalttiissa tai hygieenisyyttä vaativissa olosuhteissa. Rakenteiden mitoitusohjeet soveltuvat staattiseen mitoitukseen lämpötila-alueella -40 C C käyttäen taulukoissa 2.1 ja 2.2 esitettyjä lujuusarvoja. Käyttö korotetuissa lämpötiloissa heikentää kylmämuovaamalla aikaansaatua lujittumista. Lujitetun materiaalin käyttäytymisestä korkeammissa lämpötiloissa ei ole riittävää kokeellista tietoa, minkä vuoksi lujittumista ei voida hyödyntää yli 100 C:n lämpötiloihin suunnitelluissa rakenteissa. Mikäli mitoituksessa käytetään taulukon 2.1 mukaista myötölujuutta, tulee rakenteiden valmistuksessa noudattaa erittäin tarkasti suunnittelijan antamia ohjeita. Jos rakenteeseen on tehtävä muutoksia valmistajan toimesta, on niihin aina oltava suunnittelijan antama lupa. 5. Putkipalkin kestävyys Putkipalkin kestävyysarvot määritetään ohjeen /3/ mukaisesti käyttäen ainepaksuutena taulukon 5.1 mukaisia laskentapaksuuksia. Taulukon 5.1 mukaiset laskentapaksuudet ovat 96 %:a nimellisestä materiaalipaksuudesta.

6 Liitosten kestävyysarvot määritetään ohjeen /3/ mukaisesti ottaen huomioon kohdassa 5.4 esitetyt hitsien mitoitusta koskevat lisäykset. Putkipalkkien väliset liitokset mitoitetaan ohjeen /5,6/ mukaisesti. Taulukko 5.1 Mitoituksessa käytettävä laskentapaksuus. nimellinen paksuus [mm] laskentapaksuus Puristuskestävyys Sauvan puristuskestävyys keskeiselle kuormalle lasketaan kaavasta N b,rd = χ A eff f y /γ M1 (5.1) missä : A eff on poikkileikkauksen tehollinen pinta-ala määritettynä arvolla σ com = f y. σ com on suurin, laskettu putken reunalla vaikuttava puristusjännitys kerrottuna osavarmuuskertoimella γ M1 A eff = A - Σ(b p -b eff ) t Jännityksen pienennyskerroin χ lasketaan seuraavasti χ=1 kun λ 0.4 (5.2) 1 χ = 2 2 φ+ φ -λ kun λ >0.4 (5.3) missä : 2 φ= 0,5(1+0.49( λ-0.4)+ λ ) (5.4) λ = l i π f y β E A ß A = 1 poikkileikkausluokissa 1,2 ja 3 ß A = A eff /A poikkileikkausluokassa 4 l = sauvan nurjahduspituus i = bruttopoikkileikkauksen jäyhyyssäde E = materiaalin kimmomoduuli nurjahdustarkastelussa = N/mm 2 γ M1 on ohjeen /3/ mukainen osavarmuusluku (5.5) Tässä esitetyt puristuskestävyyden arvot pätevät, kun sauvan alkukäyryys on pienempi kuin L/1000 ja sauvan hoikkuusluku L/i on pienempi kuin 250.

7 5.2 Taivutuskestävyys Sauvan taivutuskestävyys lasketaan ohjeen /3/ mukaan. Taulukko 5.2 Pienennyskertoimen c arvoja λ Puristus ja taivutus Sauvassa samanaikaisesti vaikuttavan puristus- ja taivutuskuorman yhteisvaikutus tarkastetaan : N Sd y y, Sd Sd N, y z z, Sd Sd N, z + k ( M + N e ) eff f y M1 W eff,y f y M1 W eff, z f y M1 + k ( M + N e ) 1.0 χ A γ γ γ min missä χ min = heikomman nurjahdussuunnan kestävyyden pienennyskerroin k i = kerroin, joka ottaa huomioon puristuslujuuden hyväksikäyttöasteen sekä taivutusmomentin jakautumisen sauvassa µ i N Sd = 1- (5.7) χ A f i eff y µ i = λi (2 ßM,ψ - 4) ß M,ψ = liitteen 2 mukaisesti e N,i = puristuskuorman todellinen epäkeskeisyys, määritettynä kuorman vaikutuslinjan ja neutraaliakselin välisenä etäisyytenä. W eff,i = poikkileikkauksen tehollinen taivutusvastus (5.6)

8 5.4 Hitsausliitosten mitoitus Hitsien mitoituksessa käytetään pienempää joko hitsiaineen tai perusaineiden lujuusarvoista. Pienahitsien mitoituksessa ohjeessa /3/ annettu materiaalin myötölujuus f y korvataan heikoimman materiaalin murtolujuudella f u. Liitettävien materiaalien murtolujuutena käytetään taulukon 2.3 mukaisia muokkauslujittumattoman teräksen arvoja. Päittäisliitokset mitoitetaan perustuen heikoimman materiaalin myötölujuuteen. Liitettävien materiaalien myötölujuutena käytetään taulukon 2.3 mukaisia muokkauslujittumattoman teräksen arvoja. 6. Hitsaaminen 6.1 Hitsausmenetelmät Austeniittista ruostumatonta terästä voidaan hitsata normaaleilla teräksen hitsausmenetelmillä. Suositeltavat hitsausmenetelmät ovat puikko- (SMAW), MIG- (MGAW) ja TIG-hitsaus (GTAW). Hitsausenergia (UI/v) pyritään pitämään mahdollisimman pienenä hitsausmuodonmuutosten ja hitsausjännitysten rajoittamiseksi, mahdollisen herkistymisen vuoksi sekä lujittuneen rakenteen heikentymisen rajaamiseksi. Lämmöntuonti on kuitenkin pidettävä riittävänä kunnollisen hitsin aikaansaamiseksi. Hitsausenergialle on arvio kj/mm. Materiaalia ei saa esilämmittää hitsauksen yhteydessä. Hitsiä ei myöskään saa lämpökäsitellä hitsauksen jälkeen. 6.2 Hitsauslisäaineet Hitsauslisäaineeksi valitaan liitettäville teräksille soveltuva lisäaine. Hitsaukseen käytettävän lisäaineen tulee olla Teknillisen tarkastuskeskuksen (TTK) hyväksymä. 6.3 Hitsauskaasut ja juuren puolen suojaaminen Hitsauskaasuksi valitaan hitsausmenetelmälle ja liitettäville materiaaleille soveltuva kaasu. Mikäli juuren puolen korroosionkestävyys päittäisliitoksissa halutaan varmistaa, on juuren puolella käytettävä suojakaasua. Juurikaasuksi soveltuva on esim. puhdas argon. 6.4 Railomuodot Hitsin railomuodot valitaan standardin SFS 2143 /9/ mukaisesti sekä ristikon liitoksissa esistandardin SFS-ENV liitteen K /5/ mukaisesti.

9 6.5 Hitsaajan pätevyys Hitsaajalta edellytetään standardin SFS-EN /10/ perusaineryhmän W11 mukainen pätevyys hitsaustyön suorittamiseen. 6.6 Hitsausohje (WPS) Hitsaukselle laaditaan aina hitsausohje. Hitsausohjeen hyväksyy hitsauskoordinaattori yhdessä rakennesuunnittelijan kanssa. 7. Laadunvarmistus Tämän normikortin mukaiset putket ovat 100%:sti pyörrevirtatarkastettuja hitsauksen osalta. Lujuusarvojen toteamiseksi tavalla 1 valmistetuille putkipalkeille tehdään lyhyen sauvan puristuskoe. Putkipalkkierälle toimitetaan standardin SFS-EN /11/ mukainen vastaanottotodistus 3.1.B perusaineelle. Tavalla 1 valmistetulle erälle toimitetaan lisäksi lyhyen sauvan puristuskokeen koetulokset eräkohtaisesti. Tilauksen yhteydessä pyydettäessä suoritetaan putkierälle jokin tai jotkin seuraavista tarkastustoimenpiteistä : - vetokoe putkipalkin laipoista otetuille osasauvoille - pituussuuntaisen hitsisauman röntgen/ultraäänitarkastus - koko putken vetokoe - sisäsauman videokuvaus Valmistajan laatujärjestelmä on ISO 9002 mukainen. Tämän normikortin mukaisista putkipalkeista valmistettujen rakenteiden laadunvarmistuksessa noudatetaan ohjeiden B7 /12/ kohtaa Opastavia tietoja Opastavissa tiedoissa kappaleen numerointi vastaa tekstin kappalenumerointia. 2. Putkipalkkien ominaisuudet Austeniittisille ruostumattomille teräksille on ominaista hyvä korroosionkestävyys altistavissa olosuhteissa johtuen korkeasta kromipitoisuudesta. Teräksen korroosionkestävyys perustuu materiaalin pinnalle muodostuvaan ohueen passiivikalvoon, joka estää syöpymisen. Korroosionkestävyyttä voidaan parantaa käyttämällä molybdeeniseosteisia austeniittisia ruostumattomia teräksiä (AISI 316, AISI 316 L ja 316 Ti).

10 Austeniittisille ruostumattomille teräksille on tyypillistä voimakas muokkauslujittuminen kylmämuovauksen seurauksena. Lujittuminen havaitaan materiaalin kohonneina myötö(f y )- ja murto(f u )lujuuden arvoina sekä pienentyneenä sitkeyden (A 5 ) arvona. Lujittuminen voidaan menettää korkeaan lämpötilaan tapahtuvan kuumentamisen seurauksena. Muokkauslujittumisen johdosta saavutettu suurempi lujuus mahdollistaa putkipalkkien taloudellisemman käytön rakenteissa. Putkipalkin sitkeysarvot lujittuneessakin tilassa pysyvät riittävän korkeina normaaleihin käyttötarkoituksiin. Austeniittisen ruostumattoman teräksen hitsausominaisuudet ovat hyvät. 3. Putkipalkin valmistus 3.1 Valmistusmenetelmät Putkenvalmistus tapahtuu kylmämuovaamalla lähtönauha rullamuovaustekniikalla haluttuun suorakulmaiseen muotoon. Suorakulmainen profiili voidaan valmistaa kahdella erilaisella muotoilutekniikalla. Tavalla 1 lähtönauha rullamuovataan ensin pyöreäksi väliaihioksi, joka pituussaumahitsataan suljetuksi profiiliksi. Tämän jälkeen pyöreä väliaihio edelleen rullamuovataan haluttuun suorakulmaiseen muotoon. Tavalla 2 lähtönauha rullamuovataan suoraan haluttuun suorakulmaiseen muotoon. Pituussauma hitsataan suorakulmaiseen profiiliin. Molemmilla tavoilla valmistetuissa putkipalkeissa pituussauma sijaitsee kapeammalla sivulla. Tavalla 1 valmistetaan neliöprofiilit ulkomittoihin mm sekä suorakulmaiset profiilit mm saakka. Nimellinen levynpaksuus on 3-6 mm. Tavalla 2 valmistetaan neliöprofiilit mm ja mm sekä suorakulmainen profiili mm. 3.2 Mekaaniset ominaisuudet Tavalla 1 valmistetut putkipalkit muokkautuvat enemmän rullamuovausprosessissa kuin tavalla 2 valmistetut. Siten tavalla 1 valmistetut putkipalkit ovat myös lujittuneet enemmän tavalla 2 valmistettuihin verrattuna. Pyöreäksi muovaus saa aikaan tavalla 1 valmistetuissa putkipalkeissa suorien levykenttien lujittumisen, mitä ei tapahdu tavalla 2 valmistetuissa putkipalkeissa. Tavalla 1 valmistetut putkipalkit saavuttavat putken rullamuovausprosessissa yli vaaditun 350 N/mm 2 :n myötölujuuden. Tavalla 2 valmistetuissa putkipalkeissa taulukon 2.1 mukainen lujuus taataan käyttämällä jo valmiiksi lujitettua lähtönauhaa. Raaka-aine toimittaja suorittaa nauhan lujituksen. Lujitetun lähtönauhan lujuusarvot mitataan nauhan pituussuunnassa. Lujitetusta lähtönauhasta toimitetaan aineenkoetustodistus putkipalkin tilaajalle. Taulukon 2.3 sekanttikimmokertoimen arvot on määritetty lujitetusta lähtönauhasta valmistetun vetosauvan (1 kpl) koetulokseen perustuvana. Lujitettua lähtönauhaa käytetään vain tavalla 2 valmistettavissa putkipalkeissa.

11 3.3 Putkipalkin pinnanlaatu Tyypillisiä käyttökohteita pinnanlaadultaan hyville putkipalkeille ovat mm. elintarvike- ja prosessiteollisuuden koneet, laitteet ja rakenteet. Elintarviketeollisuuden rakenteissa, joilta edellytetään erityistä hygieenisyyttä ja jotka säännöllisesti käsitellään puhdistusaineilla, rakenteen hyvä pinnanlaatu estää partikkeleiden ja liuosten tarttumisen putkipalkin pintaan ja siten vähentää korroosion todennäköisyyttä. Myös muissa rakenteissa, joissa esteettinen näyttävyys vaatii rakenteen pitämistä puhtaana (esim. rakennusten julkisivut), parempi pinnanlaatu on helpommin puhdistettavissa. Normaalille korroosiorasitukselle altistuvien rakenteiden pinnanlaaduksi soveltuu esim. esihiottu tai hiottu sekä peitattu pinta. LÄHDELUETTELO /1/ ASTM A 167. Specification for stainless and heat resisting cromium-nickel steel plate. Sheet and strip. American Society for Testing and Materials, /2/ SFS-EN Ruostumattomat teräkset. Osa 1: Ruostumattomien terästen luettelo. Suomen standardisoimisliitto SFS /3/ Ruostumattomista teräksistä tehdyt rakenteet - Ohjeet Teräsrakenneyhdistys r.y. TRY. /4/ SFS-ENV : Eurocode 3: Teräsrakenteiden suunnittelu. Osa 1.4: Yleiset säännöt. Ruostumattomia teräksiä koskevat lisäsäännöt. Suomen standardisoimisliitto SFS /5/ SFS-ENV Eurocode 3: Teräsrakenteiden suunnittelu. Osa 1-1: Yleiset säännöt ja rakennuksia koskevat säännöt. Suomen standardisoimisliitto SFS /6/ Packer, J.A., Wardenier, J., Kurobane, Y., Dutta, D., and Yeomans, N., Design Guide for Rectangular Hollow Section (RHS) Joints Under Predominantly Static Loading. CIDECT Comite International pour le Developpement et l'etude de la Construction Tubulaire, Verlag TUV Rheinland, Cologne. /7/ VdTUV-Werkstoffblatt: kaltgestreckte nichtrostende Stähle. 411/ /8/ pren Cold formed structural hollow sections of non-alloyed and fine grain structural steels. part 2. : tolerances, dimensions and sectional properties. /9/ SFS 2143 Teräsputkien sulahitsaus. Suosituksia päittäisliitoksen railomuodoille. Suomen standardoimisliitto /10/ SFS-EN 287 Hitsaajan pätevyyskokeet. Suomen standardisoimisliitto SFS /11/ SFS-EN Metallivalmisteet. Ainestodistukset. Suomen standardisoimisliitto SFS /12/ Teräsrakenteet. Ohjeet B7. Suomen rakentamismääräyskokoelma. Ympäristöministeriö