KERROSLEVYJEN ISKULUJUUDEN JA KIINNITYSMENETELMIEN PARANTAMINEN SEKÄ PUULAMINAATTIEN INTEGROINTI

Transkriptio

1 KERROSLEVYJEN ISKULUJUUDEN JA KIINNITYSMENETELMIEN PARANTAMINEN SEKÄ PUULAMINAATTIEN INTEGROINTI GSM , Fax

2 Tiivistelmä Tutkimushanke Kerroslevyjen iskulujuuden ja kiinnitysmenetelmien parantaminen sekä puulaminaattien integrointi KERROSLEVY toteutettiin Mikkelin ammattikorkeakoulun YTI - tutkimuskeskuksessa välisenä aikana. Projektin kokonaisbudjetti oli 250 k, josta TEKES rahoitti EAKR aluetuen kautta 75 prosenttia (TEKES Dnro 318/31/05) ja yritykset 15 prosenttia. Rahoittaja yrityksiä olivat System 300 Group Oy, Exel Oyj, Ahlstrom Glassfibre Oy ja Sinex Oy. Projektia hallinnoi Mikkelin ammattikorkeakoulun YTI tutkimuskeskuksen materiaaliteknologian. Projektin tavoitteina oli löytää ratkaisut: 1. kerroslevyjen isku- ja pistekuormitusten kestoon, 2. liitostekniikkaan, 3. rakenteiden akustisten ominaisuuksien hallintaan ja muunteluun, 4. puupintalaminaattien käyttöön ja pinnoitukseen, 5. puupintalaminaattien pitkäaikaiskeston ja mittastabiiliteetin parantaminen. YTI tutkimuskeskus, materiaaliteknologia Martti Kemppinen, Jukka Koulu, Petri Pykäläinen, Mikko Kajatsalo, Ola Muttilainen, Markku Tanttu, Tero Karttunen GSM , Fax

3 SISÄLLYSLUETTELO SYMBOLI- JA LYHENNELUETTELO JOHDANTO MATERIAALIT MATERIAALIKUSTANNUKSET Raaka-aineet Kerroslevyrakenteiden valmistuskustannukset Johtopäätökset valmistuskustannuksista PUDOTUSKOKEET Koelevyjen valmistus pudotustesteihin Anturoidut pudotuskokeet Anturoimattomat pudotuskokeet Johtopäätökset pudotuskokeista Pudotuskohdan vaikutus syntyviin kuormituksiin ISKUKOKEET Tulokset UP Ominaisiskulujuus Tulokset epoksi vs. kuminanoepoksi Johtopäätökset OLOSUHDETESTAUKSET Kosteusaltistukset Lämpölaajenemistestit x 500 mm levyt x 2000 mm levyt GSM , Fax

4 6.3 Suurten kerroslevyrakenteiden FEM-analyysit Task Task Task Task PUUVIILUN INTEGROINTI Puuviilun liimaaminen tukikerrokseen Puuviilupintaisen kerroslevyrakenteen kulutuksen keston parantaminen Kulutustestin tulokset Puuviilupintaisen kerroslevyrakenteen olosuhdemittaukset KERROSLEVYJEN VALMISTAMINEN Valmistus raaka-aineista Valmistuskokeet Johtopäätökset valmistuskokeista Valmistus puolivalmisteista Valmistuskokeet Johtopäätökset valmistuskokeista Mittatarkkuus valmistuksen yhteydessä Mittatarkkuus valmistettaessa raaka-aineista Mittatarkkuus valmistettaessa puolivalmisteista KERROSLEVYJEN LIITTÄMINEN JA KIINNITTÄMINEN JOHTOPÄÄTÖKSET GSM , Fax

5 SYMBOLI- JA LYHENNELUETTELO AVG CFM CSM EP GA GFRP HDPE HPL PE POM PP-HC PUR PVC s SPU UP v V-% W-% WR keskiarvo continuous filament mat, jatkuvakuituinen matto chopped starand mat, katkokuitumatto epoksihartsi lasi-aramidi-hybridilujite lasikuitulujitettu muovi korkeatiheyksinen polyeteeni korkeapainelaminaatti polyeteeni polyasetaali polypropeenihunajakenno polyuretaani polyvinyylikloridi keskihajonta SPU Systems Oy:n PUR-levyn tuotemerrki polyesterihartsi suhteellinen keskihajonta kuitujen tilavuusosuus kuitujen paino-osuus kudoslujite GSM , Fax

6 1 JOHDANTO Lujitemuovirakenteiden piirissä sandwich- eli kerroslevyrakenteet tunnetaan erinomaisesta ominaislujuudesta ja -jäykkyydestä. Tähän päästään yhdistämällä ohuet taivutuskuormaa kantavat pintalaminaatit kevyeen leikkauskuormia kantavaan vaahtoon. Kyseisiä omaisuuksia on hyödynnetty jo vuosikausia lukuisissa eri sovelluskohteissa kuten veneiden runkorakenteissa, junien kantavissa koreissa ja turvekonteissa. Kerroslevyrakenteiden suurin heikkous liittyy kuitenkin niiden vaatimattomaan iskunkestoon. Huonon iskunkeston lisäksi kerroslevyrakenteisiin liitetään muitakin ongelmia, kuten pintalaminaattien heikko liitos vaahtoon, mittastabiilisuus ja levyjen kiinnittäminen ja liittäminen. Lisäksi riittävän mittatarkkojen panelien valmistus on usein erittäin haastavaa. Projektin lähtökohtana oli esimerkkisovellutusten avulla tutkia eri materiaalien ja materiaaliyhdistelmien käyttäytymistä edellä esitettyjen ongelmakohtien yhteydessä ja kerroslevyrakenteille yleispätevien ratkaisujen löytämiseen. Esimerkkikohteeksi valittiin keilaratarakenne koska siinä yhdistyvät kaikki ne ongelmat jotka on liitettävissä muihinkin tyypillisiin kerroslevysovelluksiin, kuten esiintymislavoihin, veneiden ja kuljetusvälineteollisuuden rakenteisiin ja tanssilavoihin. Kerroslevyrakenteita yleisesti käyttävä veneteollisuus ei ole pyrkinyt ratkaisemaan iskukuormitukseen liittyviä ongelmia suunnittelun ja optimoinnin kautta, vaan sijoittamalla iskuille alttiille alueelle umpilaminaatin jolla on tunnetusti erittäin hyvä iskunkesto. Näin ollen veneteollisuuden ratkaisumalleja on vaikea soveltaa esim. keilaratarakenteisiin. Sen lisäksi veneteollisuus on sidottu materiaalivalinnoissa varsin suppeaan joukkoon erilaisia materiaaleja, joten on epätodennäköistä, että niiden joukosta löytyisi teknillis-taloudellisesti optimaalinen ratkaisu tasomaisiin kerroslevyrakenteisiin. Kerroslevyrakenteiden mekaanisiin ja mittastabiilisuuteen liittyvien ongelmien tutkimisen ja havaittujen ongelmien ratkaisumallien löytämisen lisäksi projektissa tutkittiin aidon puuviilun integroimista kerroslevyrakenteen pintaan. Aidon puuviilun integroimisella kerroslevyrakenteen pintaan saadaan rakenteeseen luotua laadukkaampi vaikutelma. Luonnonmateriaalien käyttöön liittyy lukuisia ongelmia, kuten kulutuksen kesto, mittastabiilisuus ja liittäminen/liimaaminen rakenteen pintaan. GSM , Fax

7 2 MATERIAALIT Tutkimushankkeessa käytettiin lukuisia erilaisia materiaalityyppejä jotka on listattu alla toimittajatietoineen. Listaan on koottu eri hartsien, kuitumateriaalien, kerrosmateriaalien ja puolivalmisteiden tiedot. Eri materiaalien väliset kustannukset on käsitelty kohdassa materiaalikustannukset. Kuitumateriaalit: Ahlstrom Glassfibre Oy, puh Epoksihartsit: Amroy Europe Ltd. puh Hexion Speciality Chemicals, Polyesterihartsit: Reichhold Oy, puh Ydinaineet: SPU Systems Oy, puh , PUR-levyt KG Enterprise Oy, puh , PP-HC ja PVC-vaahdot Muovilevyt: Vink Finland Oy, puh Lujitemuovilaminaatit: Eurocon Oy, puh MATERIAALIKUSTANNUKSET Erilaisten materiaalien ja materiaaliyhdistelmien kilpailukyvyn määrittää lähes poikkeuksetta teknillis-taloudelliset seikat. Mikäli materiaalin valmistus ja/tai käyttökustannukset ovat liian korkeat, ei hyvilläkään ominaisuuksilla pystytä perustelemaan kalliin materiaalin käyttöä. Alla on listattu tutkimuksessa käytetyt raaka-aineet yksikköhintoineen ja taulukoissa 2-6 on vertailtu eri rakenteiden valmistuskustannuksia käyttäen valmistusprosessina alipaineinjektiota tai liimaamista. Laskelmia arvioitaessa on muistettava, että raaka-aineiden ja valmistuskustannuksien hinnat ovat suuntaa antavia, koska etenkin hartsien ja muiden öljypohjaisten tuotteiden hinta voi vaihdella merkittävästi lyhyelläkin aikavälillä. GSM , Fax

8 3.1 Raaka-aineet Kuitumateriaalit: pulverisidottu katkokuitumatto (CSM) 2-2,5 /kg, Ahlstrom M tasavaltainen kudos 3-3,5 /kg ±45 biaksiaali 3-3,5 /kg, Ahlstrom 62017/M100 quadriaksiaali 3-3,5 /kg Hartsit: ortoftaalinen UP 2,5 3 /kg, Reichhold Polylite epoksi 7-9 /kg, MGS L135i+L137i nanoepoksi 25 /kg, Amroy Europe Oy kuminanoepoksi 30 /kg, Amroy Europe Oy Ydinaineet: PUR-vaahto mm /m 2 PVC-vaahto (uritettu ja rei itetty) mm /m 2 PP honeycomp mm, 27 /m 2 (50 mm), Nestaplast Puolivalmisteet: tehdasvalmisteinen hiottu 4 mm lujitemuovilaminaatti /m 2, Eurocon Oy. 3.2 Kerroslevyrakenteiden valmistuskustannukset Erilaisten kerroslevyrakenteiden valmistuskustannusten laskeminen perustuu arvioituihin materiaalikustannuksiin, henkilöstökuluihin ja arvioon eri työvaiheiden suorittamiseen vaatimasta ajasta. Tulokset on esitetty rakennekohtaisesti taulukoissa, joista toisessa on arvioidut materiaalikustannukset ja toisessa taulukossa arviot kunkin työvaiheen aiheuttamasta kustannuksesta. Laskelmissa ei ole huomioitu valmistukseen liittyviä mahdollisia investointikustannuksia. Taulukossa 1 esitetyt raaka-ainekustannukset ovat polyesterihartsin ja PUR-liiman osalta yksikkökustannuksia ja muiden raaka-aineiden tai puolivalmisteiden osalta aina kustannus per neliömetri. Ydinaineiden osalta neliökustannus on ydinainetyypin kohdalla mainitun paksuuden neliöhinta. Kaikki hinnat perustuvat valmistajilta tai jakelijoilta saatuihin indikaatioihin ja näin ollen hintoihin saattaa tulla todellisuudessa muutoksia johtuen esim. tilausmääristä ja yleisistä hintojen kohoamisesta. GSM , Fax

9 Taulukko 1. Kustannusrakenteen laskennassa käytetyt yksikkö- tai neliöhinnat. Kustannus Yksikkö Yksikköhinta Työntekijän tuntipalkka sivukuluineen /h 16,00 Hartsi (UP) /kg 3,00 Lasikuitu (CSM), 9 x 450 g/m 2 /m 2 10,50 Vaahto (PVC 40 mm) /m 2 52,00 Hunajakenno (PP 50 mm) /m 2 27,00 Vaahto (PUR 40 mm) /m 2 25,00 Teollinen lujitemuovilaminaatti 4 mm /m 2 30,00 Korkeapainelaminaatti 2 mm /m 2 22,00 Liima /kg 8,00 Vaneri 6 mm /m 2 6,00 Taulukko 2. HPL/laminaatti/PVC-vaahto/laminaatti/HPL-rakenteen kustannusrakenne valmistettaessa injektoimalla koko rakenne. Materiaali Määrä Neliöhinta korkeapainelaminaatti 2mm 2 44,00 katkokuitumattolaminaatti, 4 mm 2 21,00 Vaahto 40mm 1 52,00 Hartsi* 7,5 22,50 Liima 0,5 4,00 Tiivistenauha 1 8,00 Letkut 1 5,00 Hartsinjohtomediat 1 4,00 Alipainekalvo 1 5,00 Työvaihe Aika (min) Leikkaus - vaahto 5 1,33 - lujitteet 15 4,00 - korkepainelaminaatti 5 1,33 Ladonta 15 4,00 Kalvotus 15 4,00 Injektio 60 16,00 Valmistuskustannukset yhteensä 196,17 *Hartsin määrä on laskettu 2 laminaatille, jonka lisäksi on arvioitu valmistuksessa tuleva materiaalihukka. GSM , Fax

10 Taulukko 3. HPL/laminaatti/hunajakenno/laminaatti/HPL-rakenteen kustannusrakenne valmistettaessa laminaatit injektoimalla ja liimaamalla hunajakennoon. Materiaali Määrä Neliöhinta korkeapainelaminaatti 2mm 2 44,00 katkokuitu 9 kerrosta 2 21,00 hunajakenno 50mm 1 27,00 Hartsi 8 24,00 Liima 1 8,00 Tiivistenauha 2 16,00 Letkut 2 10,00 Hartsinjohtomediat 2 8,00 Alipainekalvo 2 10,00 Työvaihe Aika (min) Leikkaus - kenno 5 1,33 - lujitteet 15 4,00 - korkeapainelaminaatti 5 1,33 Ladonta 10 2,67 Kalvotus 15 4,00 Injektio 60 16,00 Ladonta_2 10 2,67 Kalvotus_2 15 4,00 Injektio_ ,00 Hionta 10 2,67 Liimaus 15 4,00 Valmistuskustannukset yhteensä 226,67 GSM , Fax

11 Taulukko 4. HPL/laminaatti/lastulevyt-rakenteen kustannusrakenne valmistettaessa laminaatit injektoimalla. Materiaali Määrä Neliöhinta korkeapainelaminaatti 2mm 1 22,00 katkokuitu 9 kerrosta 1 10,50 Lastulevy 3 18,00 Hartsi 4 12,00 Liima 0,5 4,00 Tiivistenauha 2 16,00 Letkut 2 10,00 Hartsinjohtomediat 2 8,00 Alipainekalvo 2 10,00 Työvaihe Aika (min) Leikkaus - lastulevyt 7 1,87 - lujitteet 7 1,87 - korkepainelaminaatti 5 1,33 Ladonta 10 2,67 Kalvotus 15 4,00 Injektio 60 16,00 Hionta 10 2,67 Liimaus 15 4,00 Valmistuskustannukset yhteensä 144,90 Taulukko 5. HPL/laminaatti/vaahto/laminaatti/HPL-rakenteen kustannusrakenne liimamaalla teollisesti valmistetut laminaatit PUR-vaahtoon. Materiaali Määrä Neliöhinta korkeapainelaminaatti 2mm 2 44,00 Teollisesti valmistettu laminaatti 4 mm 2 60,00 Vaahto 40mm 1 25,00 Liima 0,5 4,00 Työvaihe Aika (min) Liimaus 15 4,00 Valmistuskustannukset yhteensä 137,00 Taulukko 6. Perinteinen rakenne Materiaali Määrä Neliöhinta korkeapainelaminaatti 10mm 1 100,00 Lastulevy 3 18,00 Työvaihe Aika (min) Leikkaus - lastulevyt 7 1,87 - korkepainelaminaatti 7 1,87 Ladonta 2 0,53 Poraus&upotus 5 1,33 Ruuvaus 2 0,53 Valmistuskustannukset yhteensä 124,13 GSM , Fax

12 3.3 Johtopäätökset valmistuskustannuksista Arvioidessa tarkemmin eri rakenteiden valmistuskustannusmalleja, tulee muistaa ainakin seuraavat seikat. Materiaalikustannukset perustuvat materiaalitoimittajilta ja jakelijoilta saatuihin hintatietoihin. Näin ollen on mahdollista, että kaikki hintatiedot eivät ole keskenään täysin vertailukelpoisia. Lisäksi etenkin öljypohjaisten tai paljon valmistuksessa energiaa vaativien tuotteiden hinnat saattavat muuttua suurestikin lyhyessä ajassa. Varsinaiset kustannusmallit perustuvat projektiryhmän omiin autenttisiin mittauksiin, kokemuksiin ja laskelmiin. Näin ollen kustannusmallia ja eri työvaiheiden vaatimaa työaikaa voidaan pitää ainakin keskenään vertailukelpoisina ja hyvänä pohjana, johon materiaalikustannukset voidaan päivittää tapauskohtaisesti. Arvioidessa eri rakennevaihtoehtojen kustannusrakennetta yhdessä niiden tekniseen toimivuuteen, voidaan varsin yksiselitteisesti todeta, että teknis-taloudellisesti ainoa toimiva ratkaisu on puolivalmisteista liimaamalla valmistettu rakenne. Valmistettaessa mittatarkkoja, mittastabiileja, kustannustehokkaita ja iskumaisten kuormien alla toimivia kerroslevyrakenteita, kääntyy vaakakuppi täysin puolivalmisteisiin perustuvaan tuotantoon seuraavien hankkeessa ilmi tulleiden seikkojen perusteella: - iskumaisia kuormia kantavien tukikerroslaminattien kustannustehokas valmistus on käytännössä mahdotonta raaka-aineista verrattaessa sitä täyssynteettisiin laminaatteihin - varovaisestikin arvioiden raaka-aineisiin perustuva laminaatin valmistus on 2-3 kertaa niin kallis kuin teollinen valmistus - teollisesti valmistettu rakenne on yleisesti ottaen tasalaatuisempi ja toimitustila saadaan kohtuullisen pienillä kustannuksilla halutuksi - rakenteen käyttäytymisen ja käytön kannalta tärkeä symmetrisyys on helpommin ja varmemmin saavutettavissa teollisesti valmistetuilla laminaateilla - hyvien iskun sieto ominaisuuksien kannalta edullinen alhainen kuitupitoisuus on helposti saavutettavissa teollisesti valmisteilla laminaateilla - kerroslevyrakenteen valmistuksen automatisointi ja laadunvarmistus onnistuu helpommin ja varmemmin puolivalmisteisiin perustuvassa valmistuksessa - puolivalmisteisiin perustuva valmistus vaatii huomattavasti vähemmän ammattitaitoa kuin raaka-aineisiin perustuva valmistus GSM , Fax

13 4 PUDOTUSKOKEET Pudotuskokeiden tarkoituksena oli kartoittaa erilaisten rakenneyhdistelmien pudotuksen kestoa eri korkeuksilta. Testien alkuvaiheessa suoritetuissa esikokeissa keskityttiin arvioimaan ainoastaan tukikerrosmateriaalin tai materiaaliyhdistelmien toimivuutta, ydinaine oli vakioitu polypropeenista valmistetuksi hunajakennoksi. Pudotustestejä suoritettiin kolmella eri alustalla, massiivisella täysin joustamattomalla teräsalustalla, System300 Oy:n kehittämällä teräksisellä runkorakenteella ja kolmen 16 mm lastulevypakan päällä, jotka oli kasattu puisten I-palkkien päälle. Raportissa puista alustaa nimitetään käyttäen perinteisen puualustan termiä. Osa pudotustestikoekappaleista anturoitiin kiihtyvyysanturein. Anturoinnin tarkoitus oli tutkia eri materiaalien ja materiaaliyhdistelmien käyttäytymistä keilapallon putoamisen aikana. Kiihtyvyysantureilla mitattiin keilapallon kokema kiihtyvyys iskunhetkellä sekä keilapallon kahden pompun välinen aika. Keilapallon kiihtyvyyden mittauksen tarkoituksena oli löytää yhteys kiihtyvyyden ja rakenteen vaurioitumisen välillä. Kahden pompun välisen ajan mittauksen tarkoituksena oli arvioida kerroslevyrakenteiden kimmoista käyttäytymistä. Lisäksi osaan koelevyistä liimattiin venymäliuskoja, joiden tarkoituksena oli tutkia kerroslevyrakenteen pinnan venymätiloja. Osa pudotustesteistä suoritettiin ilman kiihtyvyysanturointia, jolloin arviointi perustui ainoastaan rakenteen pinnan ja joissain tapauksissa ydinaineen visuaaliseen arviointiin. Testattuja rakenteita oli neljää eri tyyppiä: kerroslevyrakenne perustuen polypropeenihunajakennoon kerroslevyrakenne perustuen PVC-vaahtoon kerroslevyrakenne perustuen PUR-vaahtoon HPL-levyn ja tukikerroksen yhdistelmä 4.1 Koelevyjen valmistus pudotustesteihin Kerroslevyrakenteet: Pudotustestien koelevyt valmistettiin pääosin liimalla pinta-, tuki-, ja ydinkerrokset toisiinsa PUR-liimalla käyttäen puristinta. Liimaamalla kasattujen koelevyjen ydinmateriaalina oli polypropeeninen honeycomb (PP-HC), PUR-vaahto (SPU40, SPU50 tai SPU100). Varsinaisten kerroslevyrakenteiden lisäksi liimaamalla valmistettiin rakenteet, joissa kahden pintakerroksen (2 mm HPL) väliin liimattiin lujitemuovinen tukikerros (esim. 5 mm Eurocon). Osa kerroslevyrakenteista valmistettiin injektoimalla tukikerros suoraan prosessin yhteydessä vaahdon pintaan. Näissä tapauksissa ydinmateriaalin on ollut uritettu PVC-vaahto (rakenteet 20 ja 21). Rakenteissa 20 ja 21 pintakerros (HPL) liimattiin kerroslevyrakenteen pintaan jälkikäteen GSM , Fax

14 PUR-liimalla käyttäen hydraulista puristinta. Pudotustestejä varten valmistettiin injektiolla myös kolme erikoisrakennetta, rakenteet 32, 33 ja 37. Rakenne 32 valmistettiin injektoimalla tukikerros suoraan 2 mm HPL-kerroksen pintaan käyttäen yhdeksää kerrosta pulverisidottua 450 g/m 2 katkokuitumattoa sekä yhtä kerrosta 450 g/m 2 jatkuvakuitumattoa virtauskerroksena. Rakenne 33 injektoitiin vastaavalla lujiterakenteella kuin rakenne 32, integroimalla lujitekerros, HPL-kerros ja 19 mm filmivaneri yhdellä kertaa. Rakenteen 37 injektio on periaatteessa vastaava kuin rakenteen 32 injektio, erona on kuitenkin se, että kulutusta kestävä HPL-kerros korvattiin ns. rimapaperilla ja dekoratiivisella puukuviopaperilla. Hartsina käytettiin samaa polyesterihartsia, jonka kulutuksen kestoa pyrittiin parantamaan 10 % Al 2 O 3 seostuksella. Tukikerrokset: Koelevyrakenteiden tukikerrokset valmistettiin pääosin alipaineinjektiolla kahden lasilevyn välissä. Alipaineinjektiolla valmistettujen tukikerrosten lujitteiden lyhenteiden takana ovat seuraavat lujitetyypit ja laminaattien kuitupitoisuudet (V-%): - WR tasavaltainen kudos, kuitupitoisuus noin 50 V-% - Quadriaxial 4-aksiaalujite, kuitupitoisuus noin 50 V-% -CSM -GA -CFM pulverisidottu katkokuitumatto, kuitupitoisuus noin 45 V-% lasi-aramidi-hybridilujite, kuitupitoisuus noin 50 V-% jatkuvakuituinen matto, ollut virtauskerroksen yhdessä CSM:n kanssa Teollisesti valmistettujen tukikerrosten lyhenteiden/koodien takana ovat seuraavat valmistusprosessit ja laminaattiominaisuudet: - 5 mm Sinex UP Sinexin käsilaminoitu ja puristimella konsolidoitu pulverisidottu CSM-laminaatti, kuitupitoisuus noin V-% - Eurocon 3, 4 tai 5 mm Eurocon Oy:n maahantuoma teollisesti jatkuvatoimisella linjalla valmistettu laminaatti, kuitupitoisuus noin V-% GSM , Fax

15 Laminaattien valmistuksissa käytettyjen hartsien koodien takana ovat seuraavat hartsityypit ja kauppanimet: UP Ortoftaalinen tyydyttymätön polyesteri, Reichhold Polylite EP Nanomodifoitu epoksi Kuminanomodifioitu epoksi Epoksihartsi, MGS L135i + L137i Amroy Oy Amroy Oy Kappaleissa Anturoidut pudotuskokeet ja Anturoimattomat pudotuskokeet käytetyt rakennekoodit vastaavat seuraavia kerroslevyrakenteita. Rakennekoodit koskevat ainoastaan edellä mainittuja kappaleita. Taulukko 7. Pudotustestien koerakenteet. Rakenne Pinta 10 mm HPL 2 mm HPL 2 mm HPL 2 mm HPL 2 mm HPL 2 mm HPL 2 mm HPL 2 mm PE + 3 x 16 mm WR 10 mm 6 mm 6 mm Quadriaxial 4 mm lastulevy 5 mm UP HDPE PVC POM 5 mm UP GFRP Tukikerros ylä Ydin Tukikerros ala Paksuus [mm] (+tuulileijona) - 50 mm PP-HC WR 5 mm UP 50 mm PP-HC 10 mm HDPE 50 mm PP-HC 6 mm PVC 50 mm PP-HC 6 mm POM 50 mm PP-HC Quadriaxial 5 mm UP 50 mm PP-HC 2 mm PE + 4 mm GFRP Taulukko 8. Pudotustestien koerakenteet. Rakenne Pinta 2 mm HPL 2 mm HPL 2 mm HPL 2 mm HPL 2 mm HPL 2 mm HPL Tukikerros ylä 6 mm vaneri 5 mm CSM EP 5 mm CSM EP+nano 5 mm CSM EP+kuminano 5 mm CSM UP 5 mm GA UP Ydin 50 mm PP-HC 50 mm PP-HC 50 mm PP-HC 50 mm PP-HC 50 mm PP-HC 50 mm PP-HC Tukikerros ala 6 mm vaneri 5 mm CSM EP 5 mm CSM EP+nano 5 mm CSM EP+kuminano 5 mm CSM UP 5 mm GA UP Paksuus [mm] GSM , Fax

16 Taulukko 9. Pudotustestien koerakenteet. Rakenne Pinta - 2 mm HPL 2 mm HPL 2 mm HPL 2 mm HPL 2 mm HPL Tukikerros ylä 5 mm PC 5 mm PC 4 mm alumiini 5 mm CSM UP 5 mm Sinex UP 5 mm Sinex UP Ydin 50 mm PP-HC 50 mm PP-HC 50 mm PP-HC 50 mm PP-HC 50 mm PP-HC 50 mm PP-HC Tukikerros ala 5 mm PC 5 mm PC 6 mm vaneri 6 mm vaneri 5 mm Sinex UP 6 mm vaneri Paksuus [mm] Taulukko 10. Pudotustestien koerakenteet. Rakenne Pinta 2 mm HPL 2 mm HPL 2 mm HPL 2 mm HPL 2 mm HPL 2 mm HPL 4 mm 4 mm 3 mm 4 mm 5 mm 3 mm Tukikerros ylä CSM CSM UP Eurocon Eurocon Eurocon Eurocon kuminanoepoksi Ydin Tukikerros ala 50 mm Uritettu PVC vaahto 4 mm CSM UP 50 mm Uritettu PVC vaahto 4 mm CSM UP 60 mm SPU40 3 mm Eurocon 60 mm SPU40 4 mm Eurocon 60 mm SPU40 5 mm Eurocon 60 mm SPU50 3 mm Eurocon Paksuus [mm] Taulukko 11. Pudotustestien koerakenteet. Rakenne Pinta 2 mm HPL 2 mm HPL 2 mm HPL 2 mm HPL 2 mm HPL 2 mm HPL 5 mm 4 mm 5 mm 3 mm 4 mm 5 mm Tukikerros ylä EP CSM, Eurocon Eurocon Eurocon Eurocon Eurocon liimattu Ydin 60 mm SPU50 60 mm SPU50 36 mm SPU mm SPU mm SPU100 3 x 16 mm lastulevy Tukikerros ala 4 mm Eurocon 5 mm Eurocon 3 mm Eurocon 4 mm Eurocon 5 mm Eurocon - Paksuus [mm] GSM , Fax

17 Taulukko 12. Pudotustestien koerakenteet. Rakenne Pinta 2 mm HPL 2 mm HPL 2 mm HPL 2 mm HPL 2 mm HPL - 4 mm UP 4 mm 4 mm UP 4 mm UP CSM+CFM, 8 mm spray - EP+kuminano 4 mm VE CSM+CFM 10 Tukikerros ylä CSM+CFM, 19 mm up UP, 19 CSM, CSM, liimattu % Al injekoitu filmivaneri, mm vaneri liimattu injektoitu injektoitu Ydin 3 x 16 mm lastulevy 3 x 16 mm lastulevy 3 x 16 mm lastulevy 3 x 16 mm lastulevy 3 x 16 mm lastulevy 3 x 16 mm lastulevy Paksuus [mm] Taulukko 13. Pudotustestien koerakenteet. Rakenne Pinta mm HPL 2 mm HPL 2 mm HPL 2 mm HPL Tukikerros ylä IKI-levy 10 mm Trespa-levy 10 mm 4 mm Euroncon 5 mm Eurocon 6 mm Eurocon 7,5 mm Eurocon Pinta mm HPL 2 mm HPL 2 mm HPL 2 mm HPL Ydin 3 x 16 mm lastulevy 3 x 16 mm lastulevy 3 x 16 mm lastulevy 3 x 16 mm lastulevy 3 x 16 mm lastulevy 3 x 16 mm lastulevy Paksuus [mm] ,5 GSM , Fax

18 4.2 Anturoidut pudotuskokeet Kuva 1. Anturoitu pudotustesti teräksisellä runkorakenteella. Kuvassa 1 on levyn keskellä on 3-hilainen venymäliuska. Kiihtyvyysanturi on upotettu keilapalloon. Taulukoissa on esitetty anturoitujen pudotuskokeiden tulokset jaoteltuna pudotusalustan mukaan. Tuloksissa on esitetty keilapallon kokema kiihtyvyys (hidastuvuus), keilapallon kahden pomppauksen välinen aika ja visuaalinen pinnan arviointi kustakin pudotuskorkeudesta. Joillekin levyille on myös suoritettu useampi pudotustesti samasta korkeudesta. GSM , Fax

19 Taulukko 14. Anturoitujen pudotuskokeiden tulokset jäykällä teräslevyllä. Rakenne Pudotuskorkeus [m] Kiihtyvyys [g] 1. ja 2. pulssin väli [ms] Kappaleen tila pudotuksen jälkeen 2 1, vaurio 2 1, vaurio 3 1, vaurio 4 1, vaurio 5 1, vaurio 6 1, ehjä 6 1, ehjä 6 2, vaurio 7 1, vaurio 7 1, vaurio 8 1, vaurio 8 1, vaurio 10 1, ehjä 10 1, ehjä 10 2, ehjä 11 1, ehjä 11 1, ehjä 11 2, ehjä 12 1, ehjä 12 1, ehjä 13 1, ehjä 13 1, ehjä 14 1, ehjä 14 2, ehjä 20 1, ehjä 20 1, ehjä 20 1, ehjä 20 1, ehjä 21 1, ehjä 21 1, ehjä GSM , Fax

20 Taulukko 15. Anturoitujen pudotuskokeiden tulokset teräsrunkorakenteella. Rakenne Pudotuskorkeus [m] Kiihtyvyys [g] 1. ja 2. pulssin väli [ms] Kappaleen tila pudotuksen jälkeen 1 1, vaurio 1 1, vaurio 15 1, ehjä 15 1, vaurio 16 1, vaurio 18 1, ehjä 18 1, ehjä 18 1, ehjä 18 1, ehjä 18 2, vaurio 18 2, vaurio 18 3, vaurio 19 1, ehjä 19 1, ehjä 19 2, ehjä 19 2, ehjä 19 3, vaurio 20 1, ehjä 20 2, ehjä 20 2, ehjä 20 3, ehjä Taulukko 16. Anturoitujen pudotuskokeiden tulokset perinteisellä puisella alusrakenteella. Rakenne Pudotuskorkeus [m] Kiihtyvyys [g] 1. ja 2. pulssin väli [ms] Kappaleen tila pudotuksen jälkeen 20 1, ehjä 20 1, ehjä 20 3, ehjä 21 1, ehjä 21 1, ehjä 21 2, ehjä 21 2, ehjä 21 3, vaurio GSM , Fax

21 4.3 Anturoimattomat pudotuskokeet Anturoimattomat pudotuskokeet suorittiin joko massiivisella umpiteräksisellä alustalla tai perinteisellä puualustalla joka koostui puisista I-palkeista, joiden päälle on ruuvattu 3 kappaletta 16 mm vahvuista lastulevyä. Anturoimattomat pudotuskokeet suoritettiin ilman mitään anturointia, koekappaleiden arviointi perustui täysin rakenteen kunnon silmämääräiseen arviointiin. Taulukoissa on esitetty sandwich- ja umpilaminaattirakenteiden pudotustesteissä käytetyt rakenteet ja kokeiden tulokset. Taulukko 17. Sandwich-rakenteiden anturoimattomat pudotuskokeet Rakenne Pudotuskorkeus [m] Kappaleen tila pudotuksen jälkeen 22 1,2 vaurio 23 1,2 vaurio 24 1,2 vaurio 25 1,2 ehjä 25 1,5 vaurio 26 1,2 ehjä 26 1,5 vaurio 27 1,2 ehjä 27 1,5 ehjä 28 1,2 vaurio 29 1,2 vaurio 30 1,2 ehjä 30 1,5 vaurio GSM , Fax

22 Taulukko 18. Umpilaminaattirakenteiden anturoimattomat pudotuskokeet Rakenne Pudotuskorkeus [m] Kappaleen tila pudotuksen jälkeen 31 1,0 ehjä 31 1,5 ehjä 31 2,0 ehjä 32 1,0 vaurio 33 1,0 ehjä 33 1,5 ehjä 33 2,0 ehjä 34 1,0 ehjä 34 1,5 ehjä 34 2,0 ehjä 34 3,0 ehjä 35 1,0 vaurio 36 1,0 ehjä 36 1,5 ehjä 36 2,0 ehjä 36 3,0 vaurio 37 1,0 vaurio 37 1,2 vaurio 38 1,0 vaurio 39 1,0 vaurio 40 1,2 ehjä 40 1,5 ehjä 41 1,2 ehjä 41 1,5 ehjä 42 1,2 ehjä 42 1,5 ehjä 43 1,2 ehjä 43 1,5 ehjä 4.4 Johtopäätökset pudotuskokeista Anturoitujen pudotustestien perusteella ei havaittu yksiselitteistä yhteyttä pallon pudotuskorkeuden, pallon kokeman kiihtyvyyden ja koekappaleen vaurioitumisen välillä. Erimateriaaleilla ja niiden yhdistelmillä havaittiin kuitenkin olevan suuri vaikutus materiaalin vaurionsietoon. Parhaiten kaikilla kolmella eri alustalla suoritetuista pudotuskokeista selvisi rakenne numero 20. Rakenne numero 20 valmistettiin suoralla alipaineinjektioprosessilla käyttäen Diabin valmistamaan uritettua ja rei itettyä PVC-vaahtoa ja pulverisidottua katkokuitumattoa. Kyseisellä rakenteella oli hyvä vaurionsieto kaikilla alustoilla jopa 3 m pudotuskorkeudesta. Todennäköisimpänä syynä hyvään vaurionsietoon voidaan pitää vaahdon rei ityksen GSM , Fax

23 muodostamat hartsiputket ylä- ja alapinnan välillä, jotka mahdollisesti jakavat kuorman tasaisemmin vaahdossa. Vastaavaa rakennetta ei valmistettu ja testattu käyttäen lujitteina korkeampia tasomaisen lujuuden omaavia lujitetyyppejä, kuten multiaksiaaleja ja kudoksia. Näin ollen lujitteen osuutta hyvään vaurionsietoon on täysin aukottomasti vaikea arvioida. Toisaalta voidaan myös todeta, että myöhemmin esiteltävien Charpy-iskukokeen perusteella havaittiin, että katkokuitumatolla on erittäin korkea iskulujuus verrattuna biaksiaaliin ja kudoksiin, kun isku kohdistuu tasoa vastaan kohtisuorassa. Tämä testitulos tukee voimakkaasti rakenteen numero 20 hyvää vaurionsietoa suoritetuissa iskukokeissa. Katkokuitumaton, kudoksen ja multiaksiaalin osalta saatiin kuitenkin keskenään vertailukelpoista tietoa pudotustesteistä, joiden ydinaineena oli polypropeenista valmistettu honeycomb ja tukikerroksina alipaineinjektiolla valmistetut ja ytimen ylä- ja alapuolille PURliimalla liimatut katkokuitu-, kudos ja multiaksiaalilaminaatit. Kyseiset rakenteet ovat numerot 2, 6 ja 12. Edellä mainittujen rakenteiden pudotustestien tuloksena voidaan todeta, että 4- aksiaalilujite ja katkokuitumatto säilyivät testissä ehjinä, kudosversioon muodostui vaurio. Testitulosta arvioitaessa tulee kuitenkin huomioida, että tulos perustuu ainoastaan visuaaliseen arviointiin ja on näin ollen hieman tulkinnanvarainen. Kootusti pudotustestien perusteella voidaan todeta seuraavat johtopäätökset: kalliimpien lujitetyyppien käytöllä, kuten kudokset tai multiaksiaalit, ei saavutettu käytetyllä koejärjestelyllä ja koerakenteilla merkittävää hyötyä kerroslevyrakenteen iskulujuudessa, johtopäätöstä tukee Charpy-iskulujuuskokeen tulokset tukikerroksen alhainen kuitupitoisuus näyttäisi olevan suosiollinen kerroslevyrakenteen iskulujuudelle korkean kuitupitoisuuden omaavan tukikerroksen liimaaminen joustavalla liimalla ydinaineeseen parantaa iskulujuutta kalliiden hartsien, kuten epoksi, nanoseostettu epoksi ja kuminanoseostettu epoksi, käyttö ei paranna merkittävästi kerroslevyrakenteiden iskulujuutta verrattuna perus polyesterihartsiin. ydinaine tulee valita siten, että se ei tyssäänny iskun vaikutuksesta eri vaahtotyyppien, PUR ja PVC, ei havaittu merkittäviä eroavaisuuksia kerroslevyrakenteen iskulujuuden osalta, silloin kun vaahdon tiheys on identtinen. hunajakennomateriaaleista testattu PP toimii hyvin kerroslevyrakenteen ydinaineena, alumiinikennon uumilla on selvä taipumus tyssääntyä GSM , Fax

24 4.5 Pudotuskohdan vaikutus syntyviin kuormituksiin Tutkimuksessa on simuloitu keilapallon putoamista keilarataan. Tarkoituksena oli selvittää, mikä merkitys pallon putoamispaikalla on radan painumaan, syntyviin jännityksiin jne. Laskennan lähtökohtana oli kuvassa 2. esitetty systeemi. Pallo pudotettiin neljään eri kohtaan radan leveyssuunnassa. Eri pudotuskohdat on kuvassa esitetty pistekatkoviivoilla. Pallon massa oli 7,2 kg ja sen nopeus törmäyshetkellä oli 5,4 m/s, joka vastaa vapaata pudotusta 1,5 m:stä. Radan pituutena käytettiin 8:aa metriä. Radan poikkileikkaus on esitetty kuvassa 3. Radan pintamateriaaleina käytettiin [45/-45] SE lasikuitulaminaattia ja ydinaineena Nestaplast 8 polypropyleeni hunajakennoa. Analysoidulla rakenteella ei ole suoritettu varsinaista anturoitua tai anturoimatonta pudotuskoetta. Laskennassa käytetyt materiaaliarvot vastaavat kuitenkin todellisia materiaaliarvoja, mikäli kyseinen rakenne olisi valmistettu ja pudotustestattu. Kuva 2. Pallon putoamisen analyysikohdat suhteessa radan leveyteen. GSM , Fax

25 Kuva 3. Radan poikkileikkaus ja materiaalit. Laskennat suoritettiin ABAQUS 6.5 ohjelmistolla ja ratkaisijana käytettiin eksplisiitttistä ratkaisijaa. Pallo mallinnettiin jäykkänä kappaleena ja sen kaikki siirtymä ja rotaatiovapausasteet olivat simuloinneissa vapaina. Analyyseissä käytetty elementtiverkko on esitetty kuvissa 4 ja 5. Pallon putoamispaikan läheisyydessä näkyvä tiheä verkko on mallinnettu parabolisin solidi- ja kuorielementein. Hunajakenno on mallinnettu solideilla ja lasikuitupinnat kuorilla. Kauempana oleva harva verkko on mallinnettu kontinuumikuorielementeillä (Continuum shell). Rata on tuettu molemmilta pituussuuntaisilta reunoiltaan siten, että toisen reunan kaikki translaatiovapausasteet ovat kiinnitetty ja toiselle reunalle sallitaan siirtymä radan leveyssuunnassa. Simuloinnin alussa pallo oli 8,35 millimetrin päässä pinnasta ja sillä oli nopeutta alaspäin 5,4 m/s. Analyysin kestoksi valittiin 0,01 s. GSM , Fax

26 Kuva 4. Käytetty elementtiverkko. GSM , Fax

27 Kuva 5. Yksityiskohta käytetystä elementtiverkosta. Kuvissa 6-8 on esitetty pallon pystysuuntainen siirtymä, nopeus sekä kiihtyvyys ajan funktiona. Kuvasta 9 nähdään laskentatapauksien paikat kuvien tuloksille. Kuvissa on esitetty kerroslevyn pinnan ja ytimen siirtymiä ja jännityksiä. Kaikki kuvissa esitetyt arvot ovat simuloinneissa esiintyneitä maksimiarvoja, jotka useimmiten esiintyvät pallon ollessa alimmassa asemassaan. GSM , Fax

28 Kuva 6. Pallon siirtymä pystysuunnassa. GSM , Fax

29 Kuva 7. Pallon nopeus pystysuunnassa. GSM , Fax

30 Kuva 8. Pallon kiihtyvyys pystysuunnassa GSM , Fax

31 paikka I paikka II paikka III paikka IV Kuva 9. Kuvissa esitettyjä tuloksia vastaavat laskentatapaukset. Paikat vastaavat kuvassa 2 esitettyjä paikkoja I-IV. Puh , Fax , GSM mikko.kajatsalo@mikkeliamk.fi 31

32 Kuva 10. Pintalevyn siirtymä[mm]. Puh , Fax , GSM

33 Kuva 11. Pintalevyn Von Mises vertailujännitys [MPa] Puh , Fax , GSM

34 Kuva 12. Pintalevyn symmetriatason Tresca vertailujännitys [MPa]. Puh , Fax , GSM

35 Kuva 13. Ytimen Von Mises vertailujännitys [MPa]. Puh , Fax , GSM

36 Kuva 14. Ytimen paksuussuuntainen jännitys [MPa] Puh , Fax , GSM

37 Pallon putoamispaikalla ei ole juurikaan merkitystä pinnan painumalle. Ero suurimman ja pienimmän painuman välillä oli 0,71 mm (6 %). Mielenkiintoinen huomio on että pallon suurin painuma ei löytynyt reunasta eikä keskeltä vaan paikasta III. Törmäyksen kesto oli sitä pienempi mitä lähemmäksi reunaa pallo putosi. Aika törmäyshetkestä pallon alimpaan asemaan oli reunalla noin 3 ms ja keskellä noin 4,5 ms (50 % suurempi). Pintalevyyn ja ytimeen kohdistuvat jännitykset muodostuivat sitä korkeammiksi mitä lähemmäksi reunaa pallo putosi. Aivan reunalle pudotettu pallo ei täysin noudattanut tätä sääntöä. Tämä johtuu siitä, että laskentamalli on täysin ideaalinen, jonka johdosta reunalle asetetulla siirtymäreunaehdolla on huomattava vaikutus tuloksiin ko. tapauksessa. 5 ISKUKOKEET Tutkimushankkeessa suoritettiin iskukokeita puhtaalle laminaatille. Kokeiden tarkoituksena oli tutkia onko eri lujitetyyppien välillä eroavaisuuksia iskulujuudessa ja mikä lujitetyyppi on kustannustehokkain iskulujuuden näkökulmasta. Hartsina testeissä käytettiin Reichholdin ortoftaalista UP-hartsia. Kustannustehokkuuden lisäksi tutkittiin, mikä vaikutus on epoksihartsin seostamisella kuminanokomponentilla, joka teoriassa parantaa iskulujuutta. Kustannusvertailussa käytettiin lujitetyyppeinä kudosta, biaksiaalia ja pulverisidottua katkokuitumattoa. Epoksihartsi vs. kuminanoseostettu epoksihartsi vertailussa käytettiin lujitteena ainoastaan pulverisidottua katkokuitumattoa. Testimateriaalit valmistettiin kahden tasomaisen lasilevyn välissä käyttäen alipaineinjektiota. Kukin testimateriaali pyrittiin valmistamaan mahdollisimman tarkasti 10 mm paksuuteen. Materiaalien iskulujuus määritettiin kahteen eri suuntaan eli iskettäessä lappeeseen ja syrjään. Lisäksi kudoksen ja biaksiaalin osalta koekappaleet sahattiin siten, että yksi pääkuitusuunta oli yhteneväinen koekappaleen pitkän sivun kanssa. Laminaattien kuitupitoisuudet olivat kudoksen ja biaksiaalin osalta W-% ja katkokuitumaton osalta 64 W-%. Iskutestiä havainnollistavat kuvat Testitulokset on esitetty taulukoissa

38 Kuva 15. Testissä käytetty iskuvasara ja koekappaleen asemointi iskettäessä lappeeseen. Kuva 16. Havainnollistava kuva iskusuunnasta suhteessa laminoihin iskettäessä z- suunnassa (lappeeseen). 38

39 Kuva 17. Havainnollistava kuva iskusuunnasta suhteessa laminoihin iskettäessä y- suunnassa (syrjään). Kuva 18. Vaurioituneet koekappaleet, C on katkokuitumatto, W on kudos ja B on biaksiaali. 39

40 5.1 Tulokset UP Materiaali Taulukko 14. Biaksiaalilujitteen iskulujuus, hartsina UP. Leveys [mm] Y-suunta l. syrjään Paksuus [mm] Energia [J] Energia [kj/m 2 ] Leveys [mm] Z-suunta l. lappeeseen Paksuus [mm] Energia [J] Energia [kj/m 2 ] B1 10,2 9, ,3 9, B2 10,3 9, ,2 9, B3 10,3 9, ,3 9, B4 10,3 9, ,2 9, B5 10,3 9, ,2 9, B6 10,3 9, ,4 9, B7 10,3 9, ,3 9, B8 10,2 9, ,2 9, B9 10,0 9, ,4 9, B10 10,2 9, Avg. [kj/m 2 ] s [kj/m 2 ] v [%] Materiaali 53,4 8,66 8,56 4,03 Taulukko 15. Katkokuitumaton iskulujuus, hartsina UP. Leveys [mm] Y-suunta l. syrjään Paksuus [mm] Energia [J] Energia [kj/m 2 ] Leveys [mm] Z-suunta l. lappeeseen Paksuus [mm] Energia [J] Energia [kj/m 2 ] C1 10,2 10, ,3 9, C2 10,3 10, ,3 10, C3 10,3 10, ,4 10, C4 10,3 10, ,4 9, C5 10,4 9, ,3 10, C6 10,2 10, ,3 10, C7 10,3 10, ,3 10, C8 10,2 10, ,3 10, C9 10,2 10, ,4 10, C10 10,4 9, ,4 10, Avg. [kj/m 2 ] s [kj/m 2 ] v [%] 11,5 59,5 4,08 14,5 40

41 Materiaali Taulukko 16. Kudoslujitteen iskulujuus, hartsina UP. Leveys [mm] Y-suunta l. syrjään Paksuus [mm] Energia [J] Energia [kj/m 2 ] Leveys [mm] Z-suunta l. lappeeseen Paksuus [mm] Energia [J] Energia [kj/m 2 ] W1 10,0 11, ,9 11, W2 10,1 11, ,0 11, W3 10,1 11, ,0 11, W4 10,1 11, ,0 11, W5 10,1 11, ,0 11, W6 10,0 11, ,9 11, W7 10,0 11, ,1 11, W8 10,1 11, ,9 11, W9 10,0 11, ,0 11, W10 10,0 11, ,0 11, Avg. [kj/m 2 ] s [kj/m 2 ] v [%] ,0 32,6 11,2 11,7 5.2 Ominaisiskulujuus Kunkin kolmen testimateriaalin ominaisiskulujuus määritettiin laskemalla kuinka monta joulea energian absorptiokykyä saa eurolla. Ominaisiskulujuuden määrityksen tulokset on esitetty taulukossa 17. Ominaisiskulujuudet on laskettu perustuen vuoden 2007 tammikuun hintojen mukaan. Hintatiedot on saatu hartsin osalta Reichholdilta ja lujitteiden osalta Ahlstrom Glassfibre Oy:ltä. Taulukko 17. Ominaisiskulujuudet. Iskusuunta CSM [J/ ] Kudos [J/ ] Biaksiaali [J/ ] Z-suunta 0,97 0,53 0,36 Y-suunta 0,66 0,89 1,03 41

42 5.3 Tulokset epoksi vs. kuminanoepoksi Materiaali Taulukko 18. Katkokuitumaton iskulujuus, hartsina EP. Leveys [mm] Y-suunta l. syrjään Paksuus [mm] Energia [J] Energia [kj/m 2 ] Leveys [mm] Z-suunta l. syrjään Paksuus [mm] Energia [J] Energia [kj/m 2 ] EPC1 10,0 4, ,4 4, EPC2 10,1 4, ,2 4, EPC3 10,7 4, ,6 4, EPC4 10,7 4, ,0 4, EPC5 10,4 4, ,1 4, EPC6 10,4 3, ,2 4, Avg. 2] [kj/m s [kj/m 2 ] v [%] Materiaali 19,6 11,3 12,1 7,4 Taulukko 19. Katkokuitumaton iskulujuus, hartsina nanomodifioitu epoksi. Leveys [mm] Y-suunta l. syrjään Paksuus [mm] Energia [J] Energia [kj/m 2 ] Leveys [mm] Z-suunta l. syrjään Paksuus [mm] Energia [J] Energia [kj/m 2 ] EPNC1 10,8 4, ,7 4, EPNC2 10,5 4, ,4 4, EPNC3 11,1 4, ,2 4, EPNC4 11,1 4, ,1 4, EPNC5 10,1 4, ,0 4, Avg. 2] [kj/m s [kj/m 2 ] v [%] 31,0 25,1 17,3 14,8 5.4 Johtopäätökset Iskukuormituksen kohdistuessa rakenteen tasoa vastaan kohtisuorassa suunnassa, ovat materiaalin Z-suuntaisen iskun ominaisuudet olennaiset. Tarkastellessa iskutestien tuloksia voidaan havaita, että katkokuitumaton keräämä iskuenergia on huomattavasti suurempi kuin biaksiaalin ja kudoksen keräämä iskuenergia. Syynä tähän on se, että z-suuntaisessa iskussa iskuenergia varastoituu pääasiassa koekappaleeseen kerrostenvälisenä delaminaatiolla. Koska kaikki testilaminaatit pyrittiin valmistamaan samaan noin 10 mm paksuuteen, on katkokuitumattolaminaatissa pienimmästä neliöpainosta johtuen eniten laminoita (yksittäisiä lujitekerroksia) ja täten sen varastoima iskuenergia on suurin. Asiaa havainnollistaa hyvin kuva 42

43 18, josta voidaan havaita kaikkien koekappaleiden vaurioituneen delaminaatiolla. Kuvasta ilmenee myös hyvin katkokuitumattolaminaatin (kuvassa merkattu kirjaimelle C) muita materiaaleja ohuemmat laminat. Tarkastellessa iskuenergian varastoitumista y-suuntaisessa iskussa l. syrjään voidaan havaita, että katkokuitumatto absorboi huomattavasti vähemmän iskuenergiaa kuin biaksiaali- ja kudoslujite. Syynä tähän on se, että y-suuntaisessa iskussa iskuenergia varastoituu kuitujen katkeamisena ja näin ollen sekä kudoksen ja biaksiaalin pitkät kuidut pystyvät varastoimaan enemmän iskuenergiaa kuin katkokuitumaton lyhyet kuidut. Kuminanomodifioidulla epoksilla saatiin aikaan 6-11 % parannus iskulujuuteen, verrattuna puhtaaseen epoksihartsiin. Lujitemateriaalina käytettiin samaa materiaalia, jota käytettiin myös UP-pohjaisissa iskulujuuskokeissa, eli pulverisidottua katkokuitumattoa. Parannus on huomattava, mutta esim. 5 mm paksun katkokuitumatosta ja epoksista valmistetun laminaatin materiaalikustannukset yli kaksinkertaistuvat. Arvioidessa kuminanomodifioinnin etuja verrattuna sen kustannuksiin, voidaan todeta, että perus ortoftaalisella polyesterihartsilla saavutetaan z-suuntaisen iskun osalta 140 % paremmat iskulujuusarvot, y-suunnassa vastaava ero oli noin 60 %. Näin ollen kalliiden erikoishartsien käyttö iskulujuuden lisääjänä ei välttämättä ole perusteltua ja kannattavaa. Täyttä varmuutta asiasta ei kuitenkaan tämän tutkimuksen perusteella saada. Syynä tähän on katkokuitumaton valmistuksessa käytetty pulverimainen sidosaine, joka saattaa vaikuttaa epoksihartsin ja katkokuitumaton kuidun rajapinnan tartuntaan sitä alentavasti. Syynä mahdollisesti huonompaan tartuntaan on epoksihartsin huonompi kyky liuottaa pulveria kuidun pinnasta verrattuna styreenipohjaiseen polyesterihartsiin. Näin ollen tartunta eri laminoiden välillä saattaa heiketä merkittävästi. Ominaisiskulujuuden osalta voidaan todeta, että katkokuitumatolla saadaan tuotettua laminaattitasoa vastaan kohtisuoraa iskulujuutta (z-suuntaista) alhaisimmalla kustannuksilla verrattuna kudos- ja biaksiaalilujitteeseen. Syynä tähän on katkokuitumaton muita alhaisempi hinta ja erinomainen iskuenergian absorptiokyky. Keskinäiset voimasuhteet ominaisiskulujuuden osalta muuttuvat merkittävästi mikäli tilannetta tarkastellaan tasonsuuntaisen iskun (y-suunta) osalta. Tällöin lujitteen jatkuvilla kuiduilla on huomattavan suuri merkitys saavutettaviin iskulujuusarvoihin. Tällöin kudos- ja biaksiaalilujiteet antavat parhaimmat ominaisarvot. Käytännön merkitys y-suuntaisella iskuenergian absorptiokyvyllä on olematon, sillä tasomaisilla rakenteilla isku kohdistuu poikkeuksetta tasoa vastaan kohtisuorassa suunnassa. 6 OLOSUHDETESTAUKSET Kerroslevyrakenteiden käytön kannalta yksi tärkeimmistä ominaisuuksista on niiden käyttäytyminen erilaisten olosuhdealtistusten kuten kosteuden ja lämmön vaikutuksen alaisena. Erittäin hankalaksi tilanteen tekee se, että johtuen kerroslevyrakenteen huomatavasta paksuudesta ja ydinaineen eristävyydestä, ylä- ja alapinnoissa vallitsevat erilaiset ominaisuudet. Erilaiset lämpö- ja kosteusolosuhteet aiheuttavat väistämättä levyyn mittamuutoksia, jotka yleensä ilmenevät kaareutumisina ja käyristymisinä. Mittamuutosten hallinnan tekee entistä 43

44 monimutkaisemmaksi se, että usein kerroslevyjen ylä- ja alapinnoissa käytetään eri materiaaleja tai kerrospaksuuksia. Toisaalta eri materiaalien ja kerrospaksuuksien käyttö mahdollistaa levyn ominaisuuksien optimoinnin siten, että levyn mittamuutokset pysyvät halutuissa toleransseissa. Mittamuutosten hallinta on ensiarvoisen tärkeää erityisesti rakenteissa joissa, tasomaisuusvaatimukset ovat tiukat. Hyvänä esimerkkinä korkeista tasomaisuusvaatimuksista voidaan mainita keilarata, jonka standardinmukainen leveyssuuntainen toleranssi on ±1,0 mm elementin leveyden ollessa noin 1000 mm. Olosuhdetestauksia suoritettiin kahdella eri tavalla käyttäen altistuksena joko kosteutta tai lämpöä. Testien tarkoituksena oli tuottaa tietoa kerroslevyrakenteiden muodonmuutoksista, joiden perusteella voidaan arvioida, minkälaisten kiinnitysmenetelmien käyttö on ylipäätänsä mahdollista. Käytännön testitulosten lisäksi lämpölaajenemiskokeessa käytetystä kerroslevyrakenteesta laadittiin FEM-malli, jonka tarkoituksena oli helpottaa rakenteen suunnittelua siten, että taipumat saadaan kerrospaksuuksia ja ominaisuuksia varioiden sallitulle/halutulle tasolle. Suunnittelun lisäksi FEM-mallista saadaan hyödyllistä tietoa voimista joita kappaleen kiinnittämisessä tulee ottaa huomioon. 6.1 Kosteusaltistukset Kosteusaltistukset suoritettiin kahdella eri kerroslevyrakenteella, jotka on esitetty taulukossa 20. Testijärjestelyä esittää kuva 19 ja testitulokset on esitetty kuvissa 20 ja 21 Taulukko 20. Kosteusaltistustestin rakenteet Kerros Rakenne 1 Rakenne 2 1 HPL 1,8 mm HPL 1,8 mm 2 Sinex CSM 5,0 mm Sinex CSM 5,0 mm 3 PP-HC 50 mm PP-HC 50 mm 4 vaneri 6,0 mm Sinex CSM 5,0 mm HPL 1,8 mm 44

45 Kuva 19. Kosteusaltistustestin koejärjestely. Kosteuslatistus suoritettiin teltassa, jonka ilmaa kostutettiin ilmakostuttimella. Levyn kokemat muodonmuutokset mitattiin kolmella puikolla levyn keskeltä, nurkasta sekä levyn päästä. Materiaalin absorboituneen kosteuden määrää ei mitattu. Rakenne 1 muodonmuutokset kosteuden vaikutuksesta Puikon siirtymä [mm] 0,8 0,6 0,4 0, nurkka vaaka nurkka pysty keski pysty Altistusaika [h] Kuva 20. Kosteusaltistusrakenne 1 muodonmuutokset. 45

46 Rakenne 2 muodonmuutokset kosteuden vaikutuksesta Puikon siirtymä [mm] 0,5 0,4 0,3 0,2 0, nurkka vaaka nurkka pysty keski pysty Altistusaika [h] Kuva 21. Kosteusaltistusrakenne 2 muodonmuutokset Kosteusaltistustestien tuloksiin pitää suhtautua varauksellisesti. Syinä tähän ovat puikkojen sijoittelu siten, että pystysuuntaisia muodonmuutoksia mitataan ainoastaan kahdesta kohdasta. Näin ollen levyn todellisista muodonmuutoksista kuten käyristymisistä ja taipumista ei saada täyttä varmuutta. Myös pituussuuntaisiin muodonmuutoksiin liittyy epävarmuutta, koska puikkoanturi on ilmeisesti uponnut ainakin rakenteessa 1 olevaan vaneriin. 6.2 Lämpölaajenemistestit Lämpölaajenemistestejä suoritettiin kahdessa eri vaiheessa käyttäen kahta eri levykokoa. Alustavat testit suoritettiin noin 550 x 550 mm kokoisilla levyillä ja varsinaiset testit noin 1000 x 2000 mm kokoisilla levyillä. Laminaattien lämmitys toteutettiin sisätilalämmittimellä ja lämpötilan mittaus laminaattien ylä- ja alapintaan kiinnitetyillä termopareilla. Kerroslevyrakenteiden muodonmuutokset mitattiin puikkoantureilla x 500 mm levyt Pienten 500 x 500 mm kerroslevyrakenteiden rakenteet ilmenevät taulukossa 21. Testijärjestely ja tulokset on esitetty kuvissa

47 Kuva 22. Puikkoantureiden asemointi mittauksessa. Kuva 23. Mittauksessa käytetty kaappi. 47

48 Taulukko x 550 mm kokoisten levyjen rakenteet Kerros Rakenne 1 Rakenne 2 1 HPL 0,8 mm HPL 1,8 mm 2 Laminaatti 5,0 mm Laminaatti 5,0 mm 3 PUR-vaahto 60 mm PUR-vaahto 50 mm 4 Laminaatti 5,0 mm vaneri 6,0 mm 5 HPL 0,8 mm - - Rakenne 1 T aip u m a [m m ] 0,8 0,6 0,4 0,2 0-0, ,4 Aika [min] L äm p ö tila [ C ] etu siirtymä keski siirtymä taka siirtymä T ala T ylä Kuva x 550 mm kokoisen kerroslevyjen rakenteen 1 muodonmuutokset lämpölaajenemisaltistuksessa. 48

49 Rakenne 2 Taipuma [mm] 0-0, ,4-0,6 30-0, ,2 10-1,4 0 Aika [min] Lämpötila [ C ] etu siirtymä keski siirtymä taka siirtymä T ala T ylä Kuva x 550 mm kokoisen kerroslevyjen rakenteen 2 muodonmuutokset lämpölaajenemisaltistuksessa. Kuvista 24 ja 25 voidaan havaita, että kummankin 550 x 550 mm kokoisen kerroslevyrakenteen muodonmuutos (taipuma) on noin 0,5 mm lämpötilaeron ollessa noin 17 C. Koekappaleita lämmitettiin alapuolelta siten, että rakenteen 2 vaneripinta oli ylöspäin eli ns. kylmällä puolella. Kuten kuvasta 22 voidaan havaita, puikkoanturit on sijoitettu diagonaalisesti neliömäisen levyn geometriaan nähden. Mittaustuloksia analysoidessa tulee kuitenkin huomioida puikkojen asemointi, mistä johtuen on todennäköistä, että kaikki levyn kokemat muodonmuutokset eivät ole tiedossa x 2000 mm levyt Suurten 1000 x 2000 mm kerroslevyrakenteiden rakenteet ilmenevät taulukossa 22. Testijärjestely ja tulokset on esitetty kuvissa Kuvissa on esitetty levyittäin kunkin mittauspisteen maksimisiirtymä. Taulukko 22. Suurten koelevyjen rakenteet. Kerros Rakenne 1 Rakenne 2 Rakenne 3 1 HPL 0,8 mm HPL 0,8 mm lakka 0,5 mm 2 laminaatti 4,0 mm laminaatti 4,0 mm puuviilu 0,5 mm 3 PUR-vaahto 50 mm PUR-vaahto 50 mm laminaatti 4,0 mm 4 laminaatti 4,0 mm vaneri 6,0 mm PUR-vaahto 50 mm vaneri 6,0 mm 49

50 Kuva 26. Suurten koelevyjen mittausjärjestely. Kuva 27. Suurten koelevyjen mittausjärjestely. 50

51 Kuvissa esitettyjen suurten kerroslevyrakenteiden puikkojen sijainnit määriteltiin kirjainkoodein käyttäen apuna kuvaa 27. Esimerkiksi puikon jonka kirjainkoodi on VE, sijaitsee kuvassa 27 ensimmäisenä vasemmalla. Kaikki kirjainkoodit sijoituspaikkoineen on listattu alla: VE VK VT KE KK KT OE OK OT VP OP T ala T ylä vasemmalla etualalla vasemmalla keskellä vasemmalla takana keskellä etualalla keskellä keskellä keskellä takana oikealla etualalla oikealla keskellä oikealla takana päätypuikko etualalla päätypuikko takana alapinnan lämpötila yläpinnan lämpötila Taipuma [mm] HPL / tukikerros / SPU50_50 mm / tukikerros 10,5 9,5 8,5 7,5 6,5 5,5 4,5 3,5 2,5 1, Aika [min] Kuva 28. Rakenteen 1 käyttäytyminen lämpöaltistuksessa Lämpötila [C] VE VK VT KE KK KT OE OK OT VP OP T ala T ylä 51

52 Taipuma [mm] HPL / tukikerros / SPU50_50mm / vaneri 6 mm 7,5 6, , ,5 27 3,5 22 2, Aika [min] Kuva 29. Rakenteen 2 käyttäytyminen lämpöaltistuksessa. Lämpötila [C] VE VK VT KE KK KT OE OK OT VP OP T ala T ylä Taipuma [mm] PUR-lakka/puuviilu/tukikerros/SPU50_50mm/6mm vaneri Aika [min] Lämpötila [C ] VE VK VT KE KK KT OE OK OT VP OP T ala T ylä Kuva 30. Rakenteen 3 käyttäytyminen lämpöaltistuksessa. 52

53 Levy 1 T = 20,3 C 0,16-1,81 0,19 0,37-0,12-2,67 0,37 0,20 0,43-1,71 0,16 Kuva 31. Rakenteen 1 muodonmuutokset puikoittain, [mm]. Levy 2 T = 21,9 C 1,02-0,59 1,62 0,27 0,92-1,33 0,77 0,30 1,82-0,51 1,17 Kuva 32. Rakenteen 2 muodonmuutokset puikoittain, [mm]. Levy 3 T = 11,2 C 0,79-1,04 1,10 0,31 0,62-2,21 0,01 0,25 1,78-0,88 0,52 Kuva 33. Rakenteen 3 muodonmuutokset puikoittain, [mm]. 53

54 Suoritettujen lämpölaajenemiskokeiden perusteella voidaan todeta, että levyjen lämpötilasta johtuvat mittamuutokset ovat huomattavia ja siten huomioonotettavia rakenteita suunniteltaessa. Tämä korostuu etenkin silloin kun rakenteelta odotetaan mittatarkkuutta ja esim. silloin kun levykentän tasaisuus on tärkeää. Riittävän mittastabiilin rakenteen suunnittelu ja valmistus on erityisen hankalaa mikäli rakenne ja terminen rasitus ovat epäsymmetrisiä. Testitulosten perusteella voidaan todeta seuraavaa: pituussuuntaiset lämpölaajenemiset kaikissa kolmessa levyssä käytännössä identtiset, noin 0,6 mm tuloksessa epävarmuutta koska mitta-anturit olivat kiinni rungossa jonka lämpöeläminen ei ole tiedossa levyjen taipumat leveyssuunnassa noin 1 mm ja pituussuunnassa 2-3 mm huomattavien taipumien lisäksi rakenteet 2 ja 3 käyristyivät voimakkaasti mahdollisimman symmetrinen rakenne paras mittastabiilisuuden kannalta 6.3 Suurten kerroslevyrakenteiden FEM-analyysit Suurille (1000 x 3000 mm) suoritettiin FEM-analyysi, jonka tarkoituksena oli tutkia kuinka hyvin rakenteen lämmönvaihteluista johtuvia muodonmuutoksia voidaan arvioida ilman varsinaisia testejä. FEM-mallilla saatuja tuloksia verrattiin mitattuihin testituloksiin, joiden perusteella arvioitiin luodun FEM-mallin tarkkuutta. Vertailtaessa FEM-analyysin ja varsinaisten lämpölaajenemistestien tuloksia keskenään on huomioitava, että FEM-mallissa käytetyt arvot ovat kirjallisuusarvoja ja eivät näin ollen perustu testeihin. Näin ollen FEManalyysin tuloksiin liittyy analyysille tyypillistä epävarmuutta. FEM-mallin avulla tutkittiin kuinka kerroslevyrakenteen kerroksia modifioimalla rakenteen käyttäytyminen saadaan halutuksi esim. siten, että sen muodonmuutokset pysyvät muuttuvista lämpöolosuhteista huolimatta halutuissa rajoissa. Edelleen FEM-mallia käytettiin mm. tarvittavien voimien määrittämiseen joilla taipunut kerroslevyrakenne saadaan pakotettua haluttuun muotoon. Saaduista voimatiedoista on hyötyä erityisesti silloin kun arvioidaan minkälaisia kiinnitys- ja liittämismenetelmiä rakenteisiin voidaan soveltaa. FEM-analyysillä suoritettiin seuraavat analyysit: TASK 1: Lämpölaajenemistestien rakenteen 2 analysointi - lämpötilagradientti ylä- ja alapinnan välillä 15 C - lämmitetään HPL-kerroksen puolelta TASK 2: Sama kuin task 1, vanerin kimmoarvot alemmat 54

55 - vanerin kimmoarvoja ja tiheyttä pudotettiin task 1 arvoista TASK 3: Sama kuin task 2, vanerin paksuutta kasvatettu - vanerin paksuutta kasvatettu kuudesta mm:stä 12 mm:iin TASK 4: Levyn pakottaminen suoraksi task 2:n materiaaliarvoilla ja paksuuksilla - laskettu voima jolla kerroslevyrakenne pysyy suorana Analyysien erona todellisiin mittauksiin on levyn koko, joko analyysissa on 1000 x 3000 mm, kun todellisissa testeissä levyn koko jouduttiin testausteknisistä syistä rajaamaan kokoon 1000 x 2000 mm Task 1 0,8mm High Pressure Laminate 4 mm Fiberglass Laminate 50 mm Divinycell H80 Foam 6 mm Birch Plywood Kuva 34. FEM-analyysin task 1 kerrospaksuudet ja järjestys. 55

56 Taulukko 23. FEM-mallin task 1 materiaaliominaisuudet. Material ρ, Ex kg/m3 MPa Ey MPa Ez MPa νxy νyz νxz GXY MPa GYZ MPa GXZ MPa K, Watt/ (m K) High Pressure ,33 0,33 0, ,2 50 Laminate Fiberglass Laminate 0,33 0,33 0, , Divinycell H ,28 0,28 0, , Foam Birch Plywood ,15 9,5 α, K-1, 10-6 Task 1 FEM-analyysissa kuormituksena oli kappaleen omapaino ja lämpötila ero ylä- ja alapinnan välillä siten, että yläpinnan lämpötila oli 15 C korkeampi kuin alapinnan lämpötila. Analyysin tuloksena saatiin, että rakenne taipuu 1,05 mm ylöspäin kun huomioidaan omapaino ja lämpötilagradientti. Taipuman muoto on esitetty kuvassa 35. Kuva 35. Kerroslevyrakenteen taipuman muoto Task 2 Task 1 ja 2 ovat rakenteeltaan keskenään identtisiä, ero niiden välillä on laskennassa käytetyt vanerin kimmo-ominaisuudet. Task 2:ssa vanerin jäykkyyttä on alennettu merkittävästi 56

57 verrattuna task 1:een. Analyysin tarkoituksena on tutkia, voidaanko tukikerroksen lämpölaajenemisen aiheuttamaa kaareutumistaipumusta kompensoida eri jäykkyyden omaavilla materiaaleilla. Kuva 36. FEM-analyysin task 2 kerrospaksuudet ja järjestys. Taulukko 24. FEM-mallin task 2 materiaaliominaisuudet. Material ρ, Ex kg/m3 MPa Ey MPa Ez MPa νxy νyz νxz GXY GYZ MPa MPa GXZ MPa K, Watt/ (m K) High Pressure ,33 0,33 0, ,2 50 Laminate Fiberglass ,33 0,33 0, Laminate , Divinycell H ,28 0,28 0, , Foam Birch Plywood ,15 9,5 α, K-1, 10-6 Task 2 FEM-analyysissa kuormituksena oli kappaleen omapaino ja lämpötila ero ylä- ja alapinnan välillä siten, että yläpinnan lämpötila oli 15 C korkeampi kuin alapinnan lämpötila. Analyysin tuloksena saatiin, että rakenne taipuu 1,05 mm ylöspäin kun huomioidaan omapaino ja lämpötilagradientti. Taipuman muoto ja suunta ovat identtiset task 1 kanssa. 57

58 6.3.3 Task 3 Kuva 37. FEM-analyysin task 3 kerrospaksuudet ja järjestys. Taulukko 25. FEM-mallin task 3 materiaaliominaisuudet. Material K, α, ρ, Ex Ey Ez GXY GYZ GXZ νxy νyz νxz Watt/ K-1, kg/m3 MPa MPa MPa MPa MPa MPa (m K) 10-6 High Pressure ,33 0,33 0, ,2 50 Laminate Fiberglass ,33 0,33 0, , Laminate Divinycell H ,28 0,28 0, , Foam Birch Plywood ,15 9,5 Task 3 FEM-analyysissa kuormituksena oli kappaleen omapaino ja lämpötila ero ylä- ja alapinnan välillä siten, että yläpinnan lämpötila oli 15 C korkeampi kuin alapinnan lämpötila. Analyysin tuloksena saatiin, että rakenne taipuu 0,95 mm ylöspäin kun huomioidaan omapaino ja lämpötilagradientti. Taipuman muoto ja suunta ovat identtiset task 1 kanssa. Suoritetuista kolmesta analyysista voidaan todeta, että vanerin ominaisuuksilla, tiheys ja kimmoarvot, ja paksuudella ei ole käytännön vaikutusta lämpötilagradientin aiheuttamaan taipumaan Task 4 Task 4 suoritettiin samoilla materiaaliarvoilla, kerrospaksuuksilla ja järjestyksillä kuin task 2 analysoitiin. Analyysin perusteella voidaan todeta, että keskeltä taipuneen kerroslevyrakenteen painamiseksi suoraksi vaaditaan noin 1800 N voima. 58