Ultralujien terästen ominaisuuksien hyödyntäminen kone- ja teräsrakenteissa

Transkriptio

1 Ultralujien terästen ominaisuuksien hyödyntäminen kone- ja teräsrakenteissa CASR-Steelpolis verkostohanke (EAKR) Tekijä: Henri Kiuru Oulun yliopisto, Oulun Eteläisen instituutti Tulevaisuuden tuotantoteknologiat -tutkimusryhmä 1

2 Sisällysluettelo 1 JOHDANTO ULTRALUJAT TERÄKSET Ultralujat rakenneteräkset Ominaisuudet Saatavuus ja hinta Ultralujat ruostumattomat teräkset Ominaisuudet LAIT, ASETUKSET JA MÄÄRÄYKSET STANDARDIT SUUNNITTELU Staattisen lujuuden hyödyntäminen Liitokset Hitsausliitokset Ruuviliitokset Ruuvi- ja hitsausliitokset rinnakkain Väsyminen Perusmateriaalin väsymislujuus Väsymismitoitus väsymisluokkien perusteella Putkipalkkiliitosten konsentraatiokertoimet SIMULOINTI JA TESTAUS Hitsausliitokset Rakenteellisen hot spot -jännityksen määrittäminen Tehollisen lovijännityksen määrittäminen Ruuviliitokset VALMISTUS JA KOKOONPANO Hitsaus Hitsien jälkikäsittely Ruuviliitosten toteutus SUUNNITTELUNÄKÖKULMAA LÄHTEET

3 1 JOHDANTO Tämä kirjallisuusselvitys on koottu ultralujien terästen ominaisuuksien selvittämiseksi ja niiden hyödyntämiseksi erilaisissa rakenteissa sekä tietouden jakamiseksi erityisesti PK-yrityksiin. Nykyajan trendi koneiden ja teräsrakenteiden suunnittelussa on siirtyä yhä enemmän kevyempiin rakenteisiin. Tällöin on mahdollista pienentää ympäristölle aiheutuvaa kuormitusta niin painonsäästön kuin energian kulutuksenkin kannalta, jolloin myös kustannussäästöt ovat saavutettavissa. Vaihtoehtoisesti voidaan hyötykuomaa nostaa kokonaiskuormituksen pysyessä samalla tasolla. Ultralujat teräkset voivat olla tässä tapauksessa yksi ratkaisu määränpään saavuttamiseksi. Kokonaisvaltainen lähestymistapa ultralujien terästen tehokkaaseen hyödyntämiseen UHSS-DFMA Materiaali Lait, asetukset ja määräykset Standardit Suunnittelu Simulointi ja testaus Valmistus ja kokoonpano Siirtyminen ultralujiin teräksiin ei ole kuitenkaan helppoa, sillä lujemmat teräkset tuovat mukanaan omat haasteensa. Rakennetta kevennettäessä siirtymät ja taipumat kasvavat ja rakenteiden väsymislujuus nousee entistä määräävämmäksi tekijäksi. Liitokset ovat usein rakenteen kriittisimpiä kohtia dynaamisessa kuormituksessa. Usein varsinkin hitsiliitokset rajoittavat merkittävästi rakenteen väsymiskestävyyttä, tämän vuoksi myös muiden liitostyyppien käyttöä on syytä pohtia. Ultralujiin teräksiin keskittyvää suunnittelua on hyvä Kuva 1. UHSS-DFMA. [1] lähteä viemään eteenpäin tutustumalla termiin UHSS- DFMA (Ultra-High Strength Steel - Design For Manufacture and Assembly): Kokonaisvaltainen lähestymistapa ultralujien terästen ominaisuuksien tehokkaaseen hyödyntämiseen. Prosessi kokoaa tiedon ultralujia teräksiä hyödyntävien rakenteiden suunnitteluun ja valmistukseen. Termiä on havainnollistettu kuvassa 1. [2] Ultraluja teräsmateriaali on tunnettava hyvin, jotta sen lujuus ja kestävyys kyetään hyödyntämään tehokkaasti. Tällöin voi myös materiaalivalmistajan tuki tulla tarpeelliseksi. Teräsrakenteiden suunnittelulle on käytössä useita standardeja ja ohjeita. Rakennussuunnittelun standardit tarjoavat kattavat, mutta usein myös rajoituksiltaan hyvin tiukat suunnitteluohjeet. Koneensuunnittelun standardit eivät puolestaan usein ole yhtä kattavia, mutta ne ovat toteutukseltaan vapaammat. Erilaiset kansalliset ja kansainväliset lait, asetukset ja määräykset antavat omat vaatimuksensa tuotteen suunnittelulle. Laskentaohjelmien sekä käytännön testauksen hyödyntäminen on oleellinen tie teräsmateriaalin tehokkaaseen hyödyntämiseen ja hyvien ratkaisujen löytämiseen. Valmistuksen ja kokoonpanon ratkaisut vaikuttavat jo tuotteen suunnittelu- ja mitoitusvaiheessa. 3

4 2 ULTRALUJAT TERÄKSET Ultralujien terästen määrittelyssä ei ole tällä hetkellä täysin yhtenäistä linjaa. Esimerkiksi World Auto Steel määrittelee ultralujiksi teräksiksi myötölujuudeltaan yli 550 MPa:n ja murtolujuudeltaan yli 700 MPa:n teräkset [3]. 2.1 Ultralujat rakenneteräkset Rakenneteräkset voidaan jaotella seostettuihin ja seostamattomiin teräksiin. Seostamattomissa teräksissä rajana erään määritelmän mukaan on seosaineiden määrältään maksimissaan Al 0,1 %, Cu 0,25 %, Mn 0,8 % ja Si 0,5 %. Seostetuissa teräksissä on ominaisuuksien parantamiseksi tarkoituksellisesti lisätty seosaineita kuten kromia, nikkeliä tai molybdeeniä. Seostamattomat ja seostetut rakenneteräkset voidaan jaotella seuraaviin alaryhmiin: seostamattomat rakenneteräkset, yleiset rakenneteräkset, hienoraeteräkset, painelaiteteräkset, säänkestävät teräkset, laivanrakennusteräkset, ohutlevyteräkset, seostetut rakenneteräkset, ruostumattomat teräkset, nuorrutusteräkset, hiiletysteräkset, jousiteräkset, kulumista kestävät teräkset, kuumalujat ja tulenkestävät teräkset. [4] 4

5 Ultralujia rakenneteräksiä valmistetaan lämpökäsittelyiden avulla. Markkinoilla on tällä hetkellä termomekaanisesti valssattuja (M, thermomechanically rolled) ja nuorrutettuja (Q, quenched and tempered) teräksiä. Termomekaanisesti valssattuja teräksiä on tällä hetkellä saatavilla esimerkiksi Ruukilla 700 MPa lujuuteen asti ja nuorrutettuja 1100 MPa lujuuteen asti. [5, 6] Termomekaaninen valssaus suoritetaan valssauksen lämpötiloja ja muokkausta kontrolloiden minkä jälkeen teräslevy jäähdytetään nopeasti vesisuihkulla. Tällöin saavutetaan pienempi raekoko, parempi sitkeys ja korkeampi lujuus. Termomekaanisesti valssatut teräkset voidaan luokitella kuuluvaksi seostamattomiin hienoraeteräksiin, joissa hienorakeisuus on saatu aikaiseksi perinteisten hienoraeterästen tapaan mikroseosaineilla, kuten niobilla, titaanilla ja vanadiinilla. Nuorrutetut teräkset valmistetaan suorittamalla päästö n C lämpötilassa normalisoinnin ja vesisuihkun avulla tehdyn suorasammu- Kuva 2. Ultralujien terästen käyttökohteita. [7, 8, 9] tuksen jälkeen. Kyseisillä teräksillä saavutetaan korkeampi lujuus kuin muilla levytuotteilla. Huonona puolena on kuitenkin vaativampi hitsaus. Nuorrutetut teräkset luokitellaan seostettuihin teräksiin. [4, 6] Ultralujia rakenneteräksiä käytetään esimerkiksi liikkuvan kaluston runkorakenteissa, nosto- ja siirtolaitteissa, erilaisissa masto- ja puomirakenteissa sekä kuorman käsittelylaitteissa [5]. Kuvassa 2 on esitetty esimerkkejä käyttökohteista Ominaisuudet Suuren myötölujuuden perusteella ultralujat teräkset tuovat suuren potentiaalin painon kevennykseen ja kustannustehokkaisiin ratkaisuihin. Korkea myötölujuus yhdessä hyvän muovattavuuden ja hitsattavuuden kanssa ovat tavoiteltavissa olevia ominaisuuksia. Ultralujien terästen potentiaalin hyödyntämiseksi on suunnittelupe- Kuva 3. Eri muuttujien vaikutus teräksen väsymislujuuteen. [10] 5

6 riaatteissa ja tuotantomenetelmissä huomioitava useita tekijöitä kuten muovattavuus, hitsattavuus, jäykkyys, lommahtaminen, törmäyskestävyys ja väsyminen. [10] Ultralujien terästen käyttö johtaa usein kevyempiin ja ohuempiin rakenteisiin. Kimmokerroin on kuitenkin sama sekä heikommilla että lujemmilla teräksillä, jolloin paksuuden pienentyminen vaikuttaa alentavasti myös rakenteen jäykkyyteen. Jäykkyyden häviötä voidaan kuitenkin kompensoida rakenneosan profiilin muutoksella. [10, 11] Perusmateriaalin lujuuden kasvaessa myös materiaalin väsymiskestävyys kasvaa. Hitsatuissa rakenteissa väsymislujuus ei kuitenkaan normaalisti nouse perusmateriaalin lujuuden noustessa. Tämä johtuu hitsien rajaviivoilla esiintyvistä särömäisistä virheistä, jolloin särön eteneminen vaikuttaa suuren osan koko väsymisiästä. Särön kasvun vastustuskyky ei eroa heikoilla ja ultralujilla teräksillä, joten väsymiskestävyyskin pysyy samalla tasolla. Kuvassa 3 on havainnollistettu hitsien, lovien ja pinnankarheuden vaikutusta teräksen väsymislujuuteen. [10, 12] Ultralujat teräkset ovat tehokkaita absorboimaan suuria määriä energiaa ja kestämään suuripiikkisiä kuormia. Esimerkiksi tiukentuneet turvallisuusvaatimukset autojen törmäyskestävyydelle ovat herättäneet kiinnostuksen ultralujiin teräksiin. [10] Saatavuus ja hinta Ultralujien terästen saatavuus on heikompaa ja ne voivat olla saatavissa ainoastaan tehdastoimituksena. Tällöin on otettava huomioon pidemmät toimitusajat, minimitoimituserien suuruudet ja määrän vaikutus toimitushintaan. Myös profiilivaihtoehdot voivat olla pienemmät. Ultralujat teräkset ovat jossain määrin kalliimpia verrattaessa yleisemmin käytettyihin S235 ja S355 -teräslaatuihin. Esimerkkinä kuvassa 4 on esitetty Ruukin levymateriaalien hintoja vuoden 2007 alun hintatason mukaan. Kuva 4. Ruukin levymateriaalien suhteellinen hinta eri lujuusluokilla. [6] 6

7 2.2 Ultralujat ruostumattomat teräkset Ruostumattomat teräkset ovat vähintään 10,5 % kromia sisältäviä seosteräksiä, millä taataan niiden hyvä korroosionkestävyys. Ne voidaan metallurgisen rakenteen mukaan jaotella austeniittisiin, ferriittisiin, austeniittis-ferriittisiin (duplex), martensiittisiin ja erkautuskarkeneviin ruostumattomiin teräksiin. Rakenteellisissa sovelluksissa käytetään eniten austeniittisia ja duplex-teräksiä. [13, 14, 15] Ominaisuudet Ruostumattomien terästen jännitys-venymäkäyttäytyminen poikkeaa hiiliterästen käyttäytymisestä. Käyttäytyminen on huomattavasti hiiliterästä epälineaarisempaa eikä selvää myötörajaa ole havaittavissa (kuva 5). Myötöraja määritetään ruostumattomilla teräksillä näin ollen yleensä 0,2 %:n pysyvää venymää vastaavana arvona eli R p0,2 -arvona. Ruostumattomilla teräksillä kimmokertoimet poikkeavat toisistaan riippuen teräslajista. Mitoituksessa ferriittisille teräksille voidaan käyttää kimmokertoimen arvoa MPa, austeniittis-ferriittisille arvoa MPa ja austeniittisille arvoa MPa tai MPa. Kyseiset arvot poikkeavat hiiliteräksille yleisesti käytetystä arvosta MPa. [13, 15, 16, 17) Kuva 5. Tyypillisiä hehkutetussa tilassa olevien ruostumattomien terästen ja hiiliteräksen jännitys-venymäkäyriä. [15] Kuva 6. Tyypillisiä ruostumattomien terästen jännitys-venymäkäyriä. Poikkileikkaukseltaan pyöreä vetosauva, jonka halkaisija on 5 mm. [18] Lujuusominaisuuksiltaan austeniittiset ja ferriittiset teräslaadut ovat samalla tasolla (kuva 6). Duplex-laaduilla saavutetaan hehkutettuihin austeniittisiin laatuihin nähden noin kaksinkertainen mekaaninen lujuus johtuen niiden kaksoisfaasirakenteesta. Martensiittiset ruostumattomat teräkset ovat karkaistuja teräksiä, jotka karkaistaan hehkuttamalla austeniittialueella ja sammuttamalla veteen tai öljyyn. Austeniittisilla laaduilla on erityisen suuri murtovenymä ja ne ovat voimakkaasti muokkauslujittuvia. Tämän vuoksi ne soveltuvat hyvin lujitettavaksi kylmämuokkaamalla, jolloin rakenneteräksille tyypilliset myötölujuudet MPa on mahdollista saavuttaa pienellä muokkauksella heikentämättä materiaalin sitkeyttä olennaisesti. Duplex-teräksillä muokkauslujittuminen on vähäisempää ja sitkeyden heikkeneminen on suurempaa. Kylmämuokatuilla ruostumattomilla teräksillä esiintyy jännitys-venymäkäyttäytymisessä anisotrooppisuutta, jolloin ominaisuudet ovat erilaisia valssaussuunnassa ja poikittain valssaussuuntaan nähden sekä epäsymmetrisyyttä, jolloin käyttäytyminen on erilaista vedossa ja puristuksessa. Anisotropian ja epäsymmetrisyyden aste riippuu teräslajista, kylmämuokkausasteesta ja valmistushistoriasta. Nämä ominaisuudet on huomioitava rakenteen mitoituksessa. [Rosterit käsikirja, Ohutlevytuott. suunn. kskirja, Lämpökäsittelyoppi] 7

8 Taulukko 1. Standardin EN mukaiset kylmämuokkausta kuvaavat lujuustasot (soveltuu, kun aineenpaksuus 6mm). [15, 19] Kylmämuokattujen ruostumattomien terästen lujuuden kasvu voidaan myös huomioida mitoituksessa. Kylmämuokatut ruostumattomat teräkset luokitellaan standardissa EN eri kylmämuokkaustiloihin (taulukko 1). Kylmämuokkaustilaa merkitään joko 0,2 %- venymärajan mukaan (CP) tai murtolujuuden mukaan (C). [15, 16] Kuva 7. Myötölujuuden riippuvuus lämpötilasta hiiliteräksellä ja ruostumattomilla teräslaaduilla. [20] Kuva 8. Kimmokertoimen riippuvuus lämpötilasta hiiliteräksellä ja ruostumattomilla teräslaaduilla. [20] Ruostumattomien terästen lämpötilasta riippuva käyttäytyminen eroaa hiiliteräksistä selvästi. Austeniittisilla ruostumattomilla teräksillä murtovenymä ja iskusitkeys säilyvät matalissa lämpötiloissa hyvin. Myös hitsatut rakenteet ovat sitkeitä. Ferriittisillä teräksillä esiintyy haurasmurtumaa alhaisissa lämpötiloissa ja hitsatut rakenteet voivat olla alttiita haurasmurtumalle jopa huoneenlämpötilassa. Duplex-teräksillä alin suositeltava käyttölämpötila on C. Kuvassa 7 on esitetty myötölujuuden riippuvuutta ja kuvassa 8 kimmokertoimen riippuvuutta korkeissa lämpötiloissa. Ruostumattomilla teräksillä lujuuden muutoskäyrät riippuvat teräslajista, kun kimmokertoimen muutoskäyrä on yhtenäisempi kaikille ruostumattomille teräksille. Austeniittiset ja duplex-teräkset säilyttävät lujuutensa hiiliteräksiä paremmin noin 550 C yläpuolella. Haurastumisvaaran vuoksi ferriittisillä ja duplex-teräksillä konstruktiivinen käyttölämpötila-alue loppuu kuitenkin karkeasti ottaen lämpötilaan 350 C. Ruostumattomat teräkset säilyttävät kimmokertoimensa korkeissa lämpötiloissa huomattavasti hiiliteräksiä paremmin. [16, 20, 21] 8

9 Kuvassa 9 on ruostumattomien terästen ja hiiliterästen väsymislujuuksia vertailtu samoissa lujuusluokissa. Kaikissa tarkastelluissa lujuusluokissa ruostumattomilla teräksillä on hiiliteräksiä korkeampi, usein huomattavasti korkeampi väsymislujuus. [22] 3 LAIT, ASETUKSET JA MÄÄRÄYKSET Euroopan unionissa jäsenvaltioiden lainsäädäntöä ohjataan direktiiveillä ja kansallisesti direktiivit asetetaan toimintaan asetusten avulla [23]. Sovelluskohteesta riippuen on varmistettava minkä määräysten mukaisesti tuote tulee suunnitella ja valmistaa. Teräsrakenteille on määräyksiä eri direktiiveissä kuten rakennustuotedirektiivissä, konedirektiivissä ja painelaitedirektiivissä. Määräykset ja vaatimukset voivat vaihdella suuresti eri direktiivistä riippuen. Esimerkiksi rakennustuotedirektiivin mukaisesti teräsrakenteiden suunnittelu on määrätympää kuin konedirektiivin mukaisesti. 4 STANDARDIT Teräsrakenteiden suunnittelua ja toteutusta käsitellään useissa ohjeissa ja standardeissa. Osa ohjeista on kattavia koko rakenteen suunnittelun osalta ja osa keskittyy tiettyyn osa-alueeseen. Mitoituksessa voidaan käyttää esimerkiksi Eurokoodeja, CIDECT:n (Comité International pour le Développement et l'etude de la Construction Tubulaire) ohjeita ja IIW:n (International Institute of welding) ohjeita. Eurokoodit ovat suhteellisen kattavat, kun CIDECT:n ohjeet käsittelevät putkipalkkirakenteita ja IIW:n ohjeet hitsattuja rakenteita. Ultralujille teräksille on tarjolla kuitenkin niukasti suunnitteluohjeita. Esimerkiksi Eurokoodi 3 -standardit kattavat teräkset ainoastaan lujuusluokkaan S700 asti. Usein on myös perehdyttävä useampiin ohjeisiin, että ultralujien terästen ominaisuudet saadaan tehokkaasti hyödynnettyä. 5 SUUNNITTELU Kuva 9. Ruostumattomien terästen ja hiiliterästen väsymislujuuksien vertailua eri myötölujuuksilla. [22] Tuotteen suunnittelussa on pyrittävä huomiomaan ultralujien terästen ominaisuudet niiden tehokkaaksi hyödyntämiseksi. Suunnittelussa pätevät monilta osiltaan samanlaiset ohjeet kuin heikommillakin teräksillä, mutta yleensä ne on huomioitava tarkemmin parhaimman hyödyn saamiseksi. Tässä kappaleessa käydään läpi suunnittelua rakenneterästen kannalta, joten ruostumattomilla teräksillä suunnittelussa voi esiintyä poikkeuksia. 9

10 5.1 Staattisen lujuuden hyödyntäminen Puhtaasti vetokuormituksessa ultralujien terästen tuoma hyöty on suoraan todettavissa teräksen lujuuden kasvaessa. Muissa kuormitustapauksissa on huomioitava kuitenkin rakenteen stabiilisuuden menetykset, kuten levyn lommahtaminen, sauvan nurjahtaminen ja palkin kiepahtaminen, mitkä saattavat merkittävästi rajoittaa korkeammasta lujuudesta saatavaa hyötyä. Lisäksi pyrkimys keveämpiin rakenteisiin ja ohuempiin seinämiin johtaa epästabiiliuteen ja jäykkyyden menetykseen. Levyrakenteiden muotoilulla on jäykkyyden menetystä kuitenkin mahdollista kompensoida. Esimerkkinä kuvassa 10 on esitetty suurlujuusteräksestä jäykistein toteutettu välipohjapalkki. Lisäksi kuvassa 11 Kuva 10. Välipohjapalkki suurlujuusteräksestä. [24] on esitetty kuinka teräspalkin muodon optimoinnilla ja materiaalin lujuuden nostolla on mahdollista hyötyä. Kuva 11. Palkin poikkileikkauksen optimointi. [25] 10

11 Ultralujien terästen käytön kannalta on syytä tarkastella terästen nurjahduskestävyyttä. Palkki- ja sauvarakenteita ajatellen voidaan nurjahduskestävyyttä tarkastella esimerkiksi Eurokoodin mukaisesti. Eurokoodin osassa EN annetaan teräksille kuvan 12 mukaiset dimensiottomaan hoikkuuteen λ perustuvat nurjahduskäyrät. Nurjahdusluokka a 0 antaa parhaimman tuloksen ja luokka d huonoimman. Kyseiset luokat valitaan standardin mukaisesti eri poikkileikkausten perusteella. Nurjahduskäyrät sisältävät standardin mukaiset rakenneosien alkuepätarkkuudet. Ne soveltuvat korkeintaan Kuva 12. Nurjahduskäyrät muunnetun hoikkuuden funktiona. [26] S700-lujuusluokan teräksille. [26] Eurokoodin esittämät käyrät eivät kuitenkaan suoraan havainnollista lujempien terästen tuomaa hyötyä. Näin ollen kuvassa 13 on esitetty nurjahduskäyrät dimensiottoman hoikkuuden sijaan hoikkuusluvun λ funktiona. Tällöin lujemman materiaalin tuoma hyöty on suoraan nähtävissä kuvaajasta. Käyrät perustuvat Eurokoodin mukaiseen nurjahduskäyrään c. Kuten kuvasta nähdään, lujemmasta teräksestä saatu hyöty kasvaa hoikkuusluvun pienentyessä. Kuva 13. Nurjahduskäyrät hoikkuusluvun funktiona. [1] Puristussauvat kannattaa mitoittaa Eurokoodin 3 mukaisesti poikkileikkausluokkaan 3 lähelle poikkileikkausluokan 4 rajaa. Tällöin poikkileikkaus ei lommahda paikallisesti ennen myötörajan ylittymistä ja poikkileikkaukselle saadaan mahdollisimman suuri jäyhyysmomentti, mikä vaikuttaa suoraan nurjahduskestävyyteen. Taulukossa 2 on esitetty eri tapauksissa levykenttien maksimi leveyden ja paksuuden suhteita, jolloin poikkileikkaus ei lommahda paikallisesti ennen myötörajaa. Tällöin poikkileikkaus kuuluu vähintään luokkaan 3. Arvot soveltuvat 11

12 kahdelta reunalta ja yhdeltä reunalta tuetuille taso-osille. Taulukko 2. Puristettujen taso-osien suurimmat leveys-paksuussuhteet. Kiinnitys Myötölujuus f y [MPa] ε = (235 / f y ) c / t Vapaasti tuettu - vapaasti tuettu 355 0,81 31,12 c / t = 38,25ε 460 0,71 27, ,65 25, ,63 23, ,60 23, ,58 22,16 Vapaasti tuettu - tukematon 355 0,81 11,31 c / t = 13,96ε 460 0,71 9, ,65 9, ,63 8, ,60 8, ,58 8, Liitokset Dynaamisesti kuormitetuissa teräsrakenteissa liitosten suunnittelu voi osoittautua haastavaksi, sillä useimmiten juuri liitoskohdat ovat kestävyyden kannalta kriittisimpiä. Näin ollen liitosten suunnittelu usein myös määrää muun rakenteen suunnittelua. Siksi liitostyypin valinta ja liitoksen geometria on syytä huomioida jo teräsrakenteen suunnittelun alkumetreillä. Ultralujien teräsrakenteiden liitosten suunnittelussa pätevät monilta osiltaan samanlaiset ohjeet kuin käytettäessä heikompiakin teräksiä. Toisaalta lujemmilla teräksillä ohjeiden huomioiminen on astetta tärkeämpää, jotta suuremmasta lujuudesta oikeasti hyödytään. Ultralujista teräksistä saatu hyöty on suurin silloin, kun maksimijännityksen ja jännitysheilahduksen suhde on suuri, kuormituskertymä on edullisen muotoinen, jännitysvaihteluita on vähän, väsymisluokkaa voidaan nostaa liitoksen muotoilulla, väsymisluokkaa voidaan nostaa hitsin jälkikäsittelyllä, kriittisessä kohdassa voidaan käyttää erillistä liitoskomponenttia. [27] Suurella maksimijännityksen ja jännitysheilahduksen suhteella sekä pienellä jännitysheilahtelujen määrällä saadaan ultralujien terästen staattinen lujuus käytettyä parhaiten hyväksi. Tällöin teräksen väsymislujuus ei ole niin rajoittava tekijä. Ultralujien terästen käytön tavoitteena usein on rakenteen keventäminen. Tällöin on huomioitava, että materiaalipaksuuksien pienentäminen vastaavasti kasvattaa jännitysvaihteluväliä ja näin ollen heikentää väsymiskestävyyttä [6]. Liitoksen väsymisluokkaa voidaan nostaa oikealla liitoksen muotoilulla. Tällöin turhat jännityskeskittymiä aiheuttavat epäjatkuvuuskohdat pyritään pitämään minimissä. Hitsausliitoksen väsymisluokkaa voidaan nostaa myös hitsin jälkikäsittelyllä, millä usein on suurempi vaikutus lujemmilla kuin heikommilla teräksillä [28]. Kuitenkin on pidettävä mielessä jälkikäsittelyiden taloudellisuus, jolloin suurta määrää jälkikäsittelyitä ei usein ole kannattavaa tehdä. Joissain tapauksissa kuitenkin pientä yksityiskohtaa 12

13 käsittelemällä saatetaan koko rakenteen väsymisikää nostaa helposti [27]. Lisäksi kriittisimmissä kohdissa voidaan käyttää erillistä liitoskomponenttia, jolloin liitokset saadaan pois kriittisistä paikoista. Kuvassa 14 on esitetty muutamia tapoja liitosten väsymiskestävyyden parantamiseen Hitsausliitokset Hitsausliitos on väsymisilmiön seurauksena herkkä murtumaan. Hitsin alueella useimmiten kriittisin kohta on hitsin kuvun ja perusaineen yhtymäkohta, eli hitsin rajaviiva. Rajaviivalle syntyy lähes aina mikroskooppinen reunahaava ja siihen liittyvä kuona- tai oksidisulkeuma, mikä muodostaa rakenteeseen valmiin alkusärön. Lisäksi väsymistä edesauttaa hitsiin syntyvät jännityskeskittymät. Jännityskeskittymiä aiheuttavat hitsin kuvun lovivaikutus ja jäykkyyden muutos hitsin sijaitessa yleensä rakenteessa olevassa epäjatkuvuuskohdassa. Hitsin jäähtymisen ja kutistumisen seurauksena alkusärön kohdalle syntyy myös siihen nähden poikittainen vetojännitys. Sisäiset jännitykset saattavat olla hitsatussa kappaleessa jo itsessään myötörajan luokkaa. [30] Kuva 14. Keinoja liitosten väsymiskestävyyden parantamiseksi. [29] Hitsiliitosten väsymislujuutta on mahdollista nostaa erilaisilla parannusmenetelmillä. Haagensen [28] jaottelee parannusmenetelmät kahteen pääryhmään: hitsigeometrian parannusmenetelmiin ja jäännösjännitysmenetelmiin. Kuvassa 15 on esitetty Haagensenin luokitteluun perustuva, mutta Kirkhopen et al. [31] ja Lepistön [32] päivittämä jaottelu parannusmenetelmistä. 13

14 Parannusmenetelmien käyttöä kuitenkin rajoittaa se, ettei suurimmalle osalle niistä ole suoritus- tai mitoitusohjeita. IIW (International Institute of Welding) tarjoaa suoritus- ja mitoitusohjeet [33] mm. koneviilaukselle, TIG-käsittelylle, vasaroinnille ja neulavasaroinnille. Myöstö voidaan suorittaa esimerkiksi Ruukin ohjeiden [34] mukaisesti Ruuviliitokset Ruuviliitokset voivat olla kuormitustavasta riippuen tyypiltään vedettyjä tai leikattuja liitoksia, sekä näiden yhdistelmiä. Vedetyissä liitoksissa ruuviin kohdistuu aksiaalinen kuormitus. Aksiaalisessa kuormituksessa ruuvin väsymislujuus on vain murto-osan verrattaessa samasta materiaalista tehtyyn sileään sauvaan, minkä vuoksi väsyttävän kuormituksen välittymistä ruuviin tulisi välttää. Väsyttävän kuormituksen kannalta on suositeltavaa käyttää esijännitettyjä ruuveja. Tällöin ruuvin kiristyksellä aiheutetaan ruuviin esijännitys, Kuva 15. Hitsien parannusmenetelmät. [31, 32] jolloin ruuvi venyy ja liitoskappaleet puristuvat puristuskohdan ympäriltä. Esijännityksen vaikutusta on havainnollistettu kuvassa 16. Ulkoisen kuorman pysyessä esijännityksen alapuolella liitos toimii hyvin jäykkänä, jolloin ainoastaan pieniä ruuvivoiman vaihteluita syntyy laippojen kimmoisesta muodonmuutoksesta johtuen. Ulkoisen voiman kasvaessa noin esijännitysvoiman suuruiseksi kappaleiden kontaktipinnat irtoavat ja ulkoisen voiman lisäys tulee kokonaan ruuvin kannettavaksi. [35, 36] Väsyttävässä kuormituksessa on esijännitetyt päätyliitokset hyvä muotoilla kevennettyjen laippojen tai laippojen väliin asetettavien täytelevyjen avulla, jolloin laippojen kontaktipinta pienenee. Tällöin saadaan tuotettua hallitun suuruinen esipuristus ja liitoksen ulkopuolinen rasitus kulkemaan suorinta reittiä niin kauan kuin esipuristus säilyy. [35] 14

15 Leikatut liitokset voidaan toteuttaa vedettyjen liitosten tapaan myös jännittämättömillä tai esijännitetyillä ruuveilla. Jännittämättömässä tapauksessa liitosta kutsutaan reunapuristusliitokseksi. Tällöin kuormitus aiheuttaa ruuviin leikkausvoiman sekä levyn ja ruuvin välille reunapuristuksen. Esijännitettyjä ruuveja käytettäessä liitosta kutsutaan kitkaliitokseksi, jolloin ruuvin jännitysvoima aiheuttaa liitettävien pintojen välille kitkavoiman, jolla saadaan aikaiseksi liukumaton liitos. [36] Kitkaliitoksessa jännitys jakautuu liitettäville levyille reunapuristusliitosta edullisemmin kuvan 17 tapaan. Reunapuristusliitoksessa jännityshuippu syntyy reiän reunoille, jolloin mahdollinen murtuma syntyy nettopoikkileikkaukseen. Kitkaliitoksessa rei'än ympärille ei synny jännityshuippuja. Siinä esijännityksen aiheuttama pintapaine pienenee vähitellen reiän ympärillä, jolloin mahdollinen murtuma syntyy kohtaan, jossa kosketuspaine ei riitä estämään levyjen välistä liukumaa. Tällöin murtuma syntyy bruttopoikkileikkaukseen. [36] Kitkaliitoksen toteutuksen kannalta on huomioitava myös kosketuspintojen valmistelu. Kosketuspinnat tulee esivalmistaa vaaditun kitkakertoimen saamiseksi. Pinnoilla ei saa olla öljyä, likaa, maalia tai muita epäpuhtauksia eikä liitettävien osien tiiviin asettumisen estäviä purseita. Pinnoittamattomat pinnat eivät saa sisältää ruostekerroksia eikä muuta irtonaista ainetta. Eri työstömenetelmillä ja pinnoitteilla saatavia kitkakertoimen arvoja on esitelty standardin EN mukaisesti kappaleessa 7.3. [38] Kuva 16. Ruuvin vetovoiman N ja ulkoisen kuorman F välinen riippuvuus. [35] Kuva 17. Mahdolliset ruuviliitoksissa vaikuttavat jännitysjakaumat. [37] Liitoksessa voidaan käyttää myös soviteruuveja, joilla liitoksen deformaatio saadaan pieneksi. Niiden asentaminen on kuitenkin hankalaa pienten välysten takia. Soviteruuvien sijaan voidaan käyttää myös injektioruuveja, jotka ovat normaaleja ruuveja, mutta tällöin ruuvin ja reiän väli täytetään kaksikomponenttiliimalla. Ne toimivat lähes samoin kuin soviteruuvit, mutta tällöin välykset voivat olla suuria. Injektointi tapahtuu ruuvin kantaan porattavan reiän kautta ja ilmanpoisto mutterin alle asetettavan karkaistun aluslevyn ilmauran kautta. Ilmaura asetetaan mutteriin päin, ettei maalattujen levyjen maali täytä uraa kiristämisen aikana. Injektioruuveja voidaan käyttää jännittämättöminä ja jännitettyinä. Injektointi voi auttaa kitkaliitoksen toimivuutta huomattavasti, jos liukumiskitka on pieni esimerkiksi maalatuissa ja kuumasinkityissä pinnoissa. Injektioruuvien käyttö kitkaliitoksen sijaan voi olla paljon halvempaa, sillä niiden kiristäminen on helpompaa eikä erityiskalustoa tarvita. [36] 15

16 Ruuvien kiristysmenetelmiä on käytössä useita, joiden toimintaperiaatteet voivat olla erilaisia ja niiden kiristystarkkuudet voivat vaihdella suuresti, mikä aiheuttaa hajontaa saatuun esijännitykseen. Kiristysmenetelmän lisäksi hajontaan vaikuttavat kierteiden kitkakertoimet, liitoksen geometrinen muoto, liitoksen lujuus ja kiristystyökalu. Kiristysmenetelmiä ovat vääntömomenttimenetelmä, mutterinkiertomenetelmä, yhdistetty menetelmä, HRCkiristysmenetelmä ja suoraan vedon ilmaisuun perustuva menetelmä. Eri kiristysmenetelmiä on käyty tarkemmin läpi lähteissä [36, 38, 39]. Kuva 18. Kiristysmenetelmän vaikutus esikiristysvoiman hajontaan ja ruuvin halkaisijan valintaan. [39] Kiristysmenetelmien vaikutusta ei usein huomioida mitoitusohjeissa, millä on kuitenkin suuri merkitys tarvittavaan ruuvin kokoluokkaan (kuva 18). Esimerkiksi VDI standardin mukaisesti tämä on mahdollista kuitenkin huomioida. Standardi on kuitenkin tarkoitettu yksiruuvisten liitosten mitoitukseen ja soveltuu ainoastaan rajoitetusti moniruuvisille liitoksille Ruuvi- ja hitsausliitokset rinnakkain Ruuvi- ja hitsausliitoksia on mahdollista käyttää myös yhdessä rinnakkain. Kuvassa 19 esitetään kaksi erilaista liitosta, joissa molemmissa käytetään rinnakkain hitsiliitosta ja ruuviliitosta. Kuvan a- kohdassa liitos kantaa normaalivoimaa ja toimii kuvan c-kohdan mukaisesti. Tällöin jäykempi liitos eli tässä tapauksessa hitsausliitos kantaa käytännöllisesti katsoen koko rasituksen ja ruuviliitoksen alkaessa kantamaan reunapuristuksena ja leikkauksena on hitsien muodonmuutoskyky jo ylitetty. Tällaisessa tapauksessa molempia liitoksia ei saa olettaa kantaviksi, joten kyseinen liitosmenettely on yleensä kiellettyä. Kyseistä liitostapaa on mahdollista kuitenkin käyttää nopeuttamaan asennusta, jolloin ruu- Kuva 19. Eri liitostyypit rinnakkain. [40] vit kantavat kuormitukset asennusvaiheessa ja hitsit käyttövaiheessa. [40] Kuvan 19 b-kohdassa esitetään kitkaliitoksen ja hitsausliitoksen yhdistelmä, joka toimii kuvan d- kohdan tavoin. Tällaisen liitosyhdistelmän käyttö on sallittua, koska molemmat liitokset ovat yhtä jäykkiä ja kitkaliitoksella on riittävä liukumiskapasiteetti, jolloin se toimii hyvin hitsausliitoksen kanssa. Kyseisiä liitoksia voidaan käyttää mm. silloissa, jolloin esimerkiksi kotelopalkin ylälaippa hitsataan ja uumat sekä alalaippa liitetään kitkaliitoksella. [40] 16

17 5.3 Väsyminen Lujempaan materiaaliin siirryttäessä entistä kriittisemmäksi seikaksi saattaa muodostua rakenteiden väsymiskestävyys. Ultralujien terästen korkeamman väsymislujuuden hyödyntäminen on mahdollista rakenteiden oikeanlaisella suunnittelulla ja toteutuksella. Nykystandardit eivät usein kuitenkaan tunnusta kaikkia ultralujien terästen tuomia hyötyjä eikä niille välttämättä esitetä edes korkeampaa väsymislujuutta. Silloin kun korkeampaa väsymislujuutta halutaan hyödyntää, tulisi hitsausliitoksia välttää, jollei ole mahdollista tehdä hitseille jälkikäsittelyä. Hitsausliitosten sijaan tulisi suosia ruuviliitosten käyttöä, koska tällöin perusmateriaalin väsymislujuus ei alene Perusmateriaalin väsymislujuus Yleisimmissä standardeissa ja suunnitteluohjeissa [esim. 41, 42] ultralujille teräksille ei esitetä mitoitettaessa parempaa väsymislujuutta, vaikka käytännössä näin olisikin. Sperlen & Nilssonin [43] tutkimusten perusteella nauhateräksillä väsymisraja kuitenkin kasvaa lujempaan materiaaliin mentäessä. Toisaalta samassa tutkimuksessa QT-teräksillä (karkaistu ja nuorrutettu) suuren pinnankarheuden on todettu olevan kriittinen väsymislujuuden kannalta mikä pudottaa niiden väsymisrajan huomattavasti nauhateräksiä alemmaksi [43]. Sperlen & Nilssonin [43] julkaisun mukaisesti perusmateriaalille voidaan laskea väsymislujuus kuvan 20 koetuloksiin perustuvan peruskäyrän mukaisesti. Peruskäyrä tarkoittaa tässä tapauksessa loveamatonta, täysin hiottua ja kiillotettua koekappaletta. Muut väsymislujuutta pienentävät tekijät otetaan huomioon erillisinä kertoimina. Laskennassa voidaan huomioida pinnankarheuden, loveuksen ja keskijännityksen vaikutus. Laskennasta saatava väsymislujuuden arvo kuvaa keskiarvoa, joten sen suhteen on määritettävä lopuksi vielä haluttu varmuus. Tällöin väsymislujuuden arvo voidaan kertoa luvulla 0,6, mikä vastaa 98 % kestämistodennäköisyyttä. SSAB:n ohjeissa [24] perusmateriaalin väsymislujuus voidaan huomioida materiaalikertoimella kuvan 21 mukaisesti. [24, 43] Kuva 20. Väsymislujuuden peruskäyrä (N = 10 6 ). HRBM = kuumavalssattu perusmetalli, CRBM = kylmävalssattu perusmetalli, HRN = kuumavalssattu koekappale reiällä, CRN = kylmävalssattu koekappale reiällä. [43] Kuva 21. Materiaalikerroin φ m. [24] 17

18 5.3.2 Väsymismitoitus väsymisluokkien perusteella Eurokoodin 3 osassa 1-9 [41] ja IIW:n ohjeissa [42] esitetään eri rakenneyksityiskohdille erilaiset väsymisluokat ja niitä vastaavat Wöhler-käyrät erikseen normaali- ja leikkausjännityksille (kuvat 22-25). Eurokoodin ja IIW:n käyrät vastaavat suurimmaksi osaksi toisiaan, ainoastaan normaalijännitysten alaiset perusmateriaalille annetut käyrät ovat poikkeavat (vrt. kuvat 17 ja 18). IIW:n ohjeissa perusmateriaalin käyrä on loivempi, jolloin alle 2 miljoonassa syklissä väsymiskestävyydelle saadaan Eurokoodia 3 huonompia arvoja, kun taas yli 2 miljoonassa syklissä saadaan parempia arvoja. Eurokoodi 3 tosin tarjoaa erillisen käyrän myös vakioamplitudiselle kuormitukselle, millä on mahdollista saada korkeampia arvoja. IIW:n ohjeiden mukainen perusmateriaalin loivempi käyrä myös rajoittaa alempia väsymisluokkia alhaisilla syklimäärillä, jolloin alemmat luokat eivät voi saada perusmateriaalia korkeampia arvoja. Perusmateriaalille esitettävät korkeimmat käyrät eivät ole kummassakaan tapauksessa kuitenkaan riippuvaisia materiaalin lujuudesta. Toisin sanoen ultralujille teräksille ei esitetä parempaa väsymislujuutta. IIW:n ohjeilla voidaan kuitenkin huomioida useampi hitsin jälkikäsittelymenetelmä väsymiskestävyyden parantamiseksi. Hot spot -tasoisille jännityksille käytetään Eurokoodissa väsymisluokkia 90, 100 ja 112 sekä IIW:n ohjeissa luokkia 90 ja 100. [41, 42] Kuva 22. Eurokoodin 3 Wöhler-käyrät normaalijännityksille. [41] 18

19 Kuva 23. IIW:n Wöhler-käyrät normaalijännityksille. [42] Kuva 24. Eurokoodin 3 Wöhler-käyrät leikkausjännityksille. [41] 19

20 Kuva 25. IIW:n Wöhler-käyrät leikkausjännityksille. [42] Putkipalkkiliitosten konsentraatiokertoimet CIDECT:in ohjeessa [44] käsitellään putkipalkkiliitosten väsymiskestävyyttä. Kyseisessä ohjeessa hot spot -jännitys voidaan määrittää laskennallisesti valmiiksi annettujen kaavojen avulla, jolloin hot spot -jännitys saadaan normaalijännityksestä konsentraatiokertoimen avulla. Ohjeen mukaisesti eri materiaalipaksuuksille käytetään eri Wöhler-käyriä, jolloin ohuemmilla paksuuksilla saadaan parempi väsymislujuus (kuva 26). 20

21 Kuva 26. CIDECT:in Wöhler-käyrät putkipalkkien liitoksille. [44] 6 SIMULOINTI JA TESTAUS Lujempiin teräksiin siirryttäessä ja rakenteiden optimoimiseksi on usein turvauduttava rakenneyksityiskohdan simulointiin sekä käytännön testaukseen. Tässä kappaleessa käydään läpi hitsaus- ja ruuviliitosten mallintamista sekä testausta. 6.1 Hitsausliitokset Väsymiskestävyyden kannalta merkittävin parametri on jännitysheilahduksen suuruus. Hitsatuissa rakenteissa lähes aina esiintyvät geometriset epäjatkuvuuskohdat aiheuttavat läheisyyteensä kohonneen jännitystason. Syntyneet jännityskentät voivat olla luonteeltaan hyvinkin laaja-alaisia tai paikallisia. Jännitysanalyysissä epäjatkuvuuskohdat on otettava huomioon yhdessä väsymiskestoiän arviointiin valittavan analyysimenetelmän kanssa. Väsymiskestävyyden arviointiin on käytettävissä neljä perusmenetelmää: nimellisten jännitysten menetelmä, rakenteellisten hot spot -jännitysten (tai -venymien) menetelmä, lovijännitysten ja -venymien menetelmät, murtumismekaniikkaan perustuva menetelmä. [45] Nimellisten jännitysten menetelmän mukainen mitoitus voidaan tehdä nimellisjännityksillä ja kyseistä rakenneyksityiskohtaa vastaavalla Wöhler-käyrällä. Vaihtoehtoisesti rakenneyksityiskohta 21

22 voidaan testata käytännössä, jolloin jokainen rakenneyksityiskohta on testattava erikseen. Rakenteellisten hot spot -jännitysten menetelmää voidaan käyttää hitsatuille rakenneyksityiskohdille. Menetelmässä yksityiskohdalle määritetään hot spot -jännitykset FE-menetelmällä tai käytännön kokeilla venymäliuskojen avulla, minkä jälkeen hot spot -jännitystä verrataan hot spot -tasoisiin Wöhler-käyriin. Tässä tapauksessa Wöhler-käyriä on vain pieni määrä eri liitostyypeille. Lovijännitysten menetelmällä on mahdollista tarkkailla mm. särön ydintymisvaihetta ja särönkasvun vaihetta. Menetelmän toteutukselle on erilaisia tapoja, joista yksi on esitelty kohdassa Lovijännityksiä ei ole mahdollista arvioida käytännön kokeilla, joten on käytettävä FE- tai BE-menetelmiä. Menetelmää varten tarvitaan vain yksi Wöhler-käyrä. Murtumismekaniikkaan perustuvalla menetelmällä voidaan särönkasvun vaiheita seurata tarkemmin. Menetelmä kuitenkin edellyttää todellista tietoa parametrien lähtöarvoista, kuten esimerkiksi alkusäröjen karakteristisista mitoista ja käytössä on oltava sopivat tietokoneohjelmat menetelmän soveltamiseksi. Menetelmän mukaisten laskelmien tekeminen on tietokoneohjelmilla kuitenkin helppoa Rakenteellisen hot spot -jännityksen määrittäminen Hot spot -jännitysten määrittämiseksi on käytössä erilaisia menetelmiä, kuten jännityksen ekstrapolointi pinnalta, jännityksen linearisointi paksuuden suunnassa ja Dong'in esittämä menetelmä (kuva 27). Jännityksen ekstrapolointi pinnalta on mahdollista tehdä sekä kokeellisesti venymäliuskojen avulla sekä simuloimalla. Jännityksen linearisointi paksuuden suunnassa ja Dong'in menetelmä soveltuvat ainoastaan simulointiin. [46] Kuva 27. Eri menetelmiä hot spot -jännitysten määrittämiseen: a) jännityksen ekstrapolointi pinnalta, b) jännityksen linearisointi paksuuden suunnassa ja c) Dong'in esittämä menetelmä. [46] Pinnalta ekstrapoloitaessa hitsin aiheuttaman epälineaarisen huippujännityksen sulkemiseksi pois mittaustuloksista on venymäliuskat tai vaihtoehtoisesti FE-menetelmää käytettäessä mittauspisteet valittava riittävältä etäisyydeltä hitsin rajaviivasta (kuva 27a). Tämän vuoksi mittaustulokset täytyy ekstrapoloida hot spot -pisteeseen. Mittauksissa voidaan käyttää kahta tai kolmea mittauspistettä yhdelle hot spot -pisteelle riippuen tilanteesta. Kahden mittauspisteen avulla tapahtuva lineaarinen ekstrapolointi sopii parhaiten tilanteessa, kun jännityskonsentraatio aiheutuu pääasiassa kalvojännityksistä, jolloin jännitys kasvaa kohtuullisen lineaarisesti ensimmäiseen liuskaan asti. Usein jännitysgradientti on kuitenkin epälineaarinen johtuen kuoren taivutusjännityksistä, tällöin on syytä käyttää kolmea liuskaa ja neliöllistä ekstrapolointia. [45] Hot spot -jännityksen määrittämiseen paksuuden läpi linearisoitaessa tarvitaan jännitysjakauma hitsin rajaviivan kohdalta levyn paksuussuunnassa (kuva 27b). Hot spot -jännitys on tällöin kalvojännityksen ja kuoren taivutusjännityksen summa. Linearisointi määritetään tässä tapauksessa yksiselitteisesti hitsin rajaviivalta, kun pinnan yli ekstrapoloitaessa ekstrapolointietäisyydet vaihtelevat. 22

23 Dong et al. [47] ja Dong [48] on esitellyt menetelmän, mikä yhdistää ominaisuuksia kahdesta edellisestä menetelmästä [ks. 49]. Se perustuu solmuvoimien tasapainoon ja kehitettiin ensisijaisesti kuorielementtimalleja varten. Rakenteellisen hot spot -jännityksen määrittämiseksi tarvitaan levyn paksuussuuntainen jännitysjakauma etäisyydellä δ hitsin rajaviivalta sekä samalla etäisyydellä vaikuttavan levyn paksuussuuntaisen leikkausjännitysjakauman aiheuttamat taivutusjännitykset hitsin rajaviivalla. Hot spot -jännitys saadaan laskettua olettaen, että pisteessä A vallitsee momenttitasapaino kuvan 27c mukaisesti. [49] Tehollisen lovijännityksen määrittäminen Lovijännitysten menetelmistä yhtenä voidaan käyttää tehollisen lovijännityksen menetelmää. Tehollinen lovijännitys on loven pohjalla oleva kokonaisjännitys, mikä voidaan määrittää kimmoisella materiaalimallilla. Ennalta määräämättömän hitsigeometrian ja materiaalin epälineaarisen käyttäytymisen huomioimiseksi todellinen hitsigeometria korvataan tässä tapauksessa tehollisella geometrialla (kuva 28). Rakenneteräksillä on saatu yhteneviä tuloksia, kun Kuva 28. Kuvitteellinen hitsin juuren ja rajaviivan pyöristäminen. [42] loven pohjan säteelle käytetään arvoa 1 mm. Menetelmä sopii hyvin erilaisille hitsigeometrioille. Päittäishitsit suositellaan kuitenkin mallintamaan 30 kulmalla ja pienahitsit 45 kulmalla, jos ennalta ei ole muuten määritelty. [42] 6.2 Ruuviliitokset Esijännitettyjen ruuviliitosten mallinnuksen osalta ei löydy vielä vakiintuneita menetelmiä. Esimerkiksi lähteessä [50] on vertailtu 4 eri mallia (kuva 29). Kohdan a) mallissa ruuvi on toteutettu tilavuuselementeillä käyttäen kontaktipinnoilla kontaktielementtejä. Kohdan b) mallissa ruuvi on mallinnettu palkkielementillä, mikä on yhdistetty kontaktipintoihin DOF coupling -liitännillä. Kohdan c) mallissa ruuvin varsi ja kanta sekä mutteri on mallinnettu palkkielementteinä. Kohdan d) mallissa ruuvia ei ole mallinnettu vaan esijännitys tuodaan malliin painekuormalla. Kohdan a) mallin on todettu antavan realistisimman tuloksen, mutta myös kohdan b) mallia suositellaan sen tehokkuuden ja käytettävyyden vuoksi. 23

24 Kuva 29. FE-mallit: a) solid bolt model, b) coupled bolt model, c) spider bolt model, d) No-bolt model. [50] Smolnicki et al. [51] esittelevät menetelmän väsymiskuormitettujen laipallisten ruuviliitosten mallintamiseen (kuva 30). Menetelmässä mallinnetaan ensin osa liitoksen geometriasta mallintaen ruuvi ja osa laipasta yksityiskohtaisesti. Mallista määritetään liitoksen kontaktikäyttäytyminen ja jäykkyys aksiaaliselle voimalle, taivutukselle ja väännölle. Kyseisestä mallista saatujen arvojen perusteella ruuvien kierteellinen osa korvataan kokonaisessa mallissa ekvivalentilla anisotrooppisella materiaalilla ja kokonaisesta mallista määritetään ruuvivoimat. Ruuvivoimat tuodaan sen jälkeen yksityiskohtaiseen malliin, mistä ruuviin aiheutuva keskijännitys, jännitysamplitudi ja jännitysvaihteluväli määritetään väsymistarkastelua varten. [51] Kuva 30. Kaavio laippaliitoksen laskennasta. [51] 24

25 7 VALMISTUS JA KOKOONPANO Ultralujien terästen käyttöönotto voi tuoda omat vaatimuksensa myös valmistukselle ja kokoonpanolle. Vaatimukset on hyvä tietää jo tuotteen suunnitteluvaiheessa. 7.1 Hitsaus Hitsausprosessin, -tavan ja -energian valinnan vaikutus korostuu lujempiin teräksiin siirryttäessä ja iskusitkeysvaatimusten noustessa. Kaikilla tavanomaisilla hitsausprosesseilla on mahdollista päästä hyvään liitoksen iskusitkeyteen, jos hitsausenergia pidetään kyseiselle teräkselle annettujen suositusten mukaisina. Ultralujia teräksiä hitsattaessa lisäaine saattaa olla selvästi perusainetta seostetumpaa ja karkenevampaa, kuten on esimerkiksi lujimmilla termomekaanisesti valssatuilla teräksillä. Tällöin työlämpötilan valinnassa lisäaine voi olla määräävä tekijä. Hitsausvaiheessa railopintojen on oltava kuivia ja puhtaita. [34] Kemialliseen koostumukseen perustuva hiiliekvivalentti kuvaa teräksen karkenevuutta ja kylmähalkeilualttiutta hitsauksessa. Yleisimpänä määritelmänä hiiliekvivalentin arvolle käytetään IIW:n julkaisemaa CEV-arvoa. Kyseisen arvon ollessa alle 0,41 teräs on kylmähalkeilun kannalta hyvin hitsattavaa. CEV-arvon ollessa 0,41-0,45 hitsattavuus on hyvä, kun käytetään kuivia ja vähävetyisiä hitsausaineita. [34] Ultralujia teräksiä hitsattaessa voidaan käyttää sekä tasalujia että alilujia hitsausaineita. Tasalujia suositellaan käytettäväksi, kun hitsiltä vaaditaan lujuutta. Lujimmille teräksille tasalujia hitsausaineita ei välttämättä ole kuitenkaan saatavilla. Alilujien hitsausaineiden käyttö voi olla usein edullista silloin, kun vältetään hitsien sijoittamista rasitetuimpiin ja kulumiselle alttiisiin rakenteen osiin. Seostetuimmilla teräksillä hitsiaineen lujuus saattaa nousta jopa noin 100 MPa perusaineen seostuessa hitsiaineeseen hitsauksen seurauksena. Ylilujan lisäaineen käyttö aiheuttaisi korkean jäännösjännitystilan. [34] Hitsausten jälkeiset tarkastukset tulisi arvioida jo hitsaussuunnitelmaa tehtäessä. Eri toimialojen määräykset, suunnittelijan vaatimukset, konepajan laatuvaatimukset tai asiakkaan vaatimukset vaikuttavat tarkastusten laajuuteen. Viiveellä tapahtuvan hitsausliitosten kylmä- eli vetyhalkeilun vuoksi yleensä vaaditaan, että hitsien lopputarkastus voidaan tehdä vasta 16 tunnin kuluttua hitsauksesta. Silloin kun aineenpaksuus on yli 50 mm tai teräksen myötölujuus yli 500 MPa voidaan aikarajaa pidentää. [34] 7.2 Hitsien jälkikäsittely Suurimmalle osaa hitsien jälkikäsittelymenetelmistä ei ole tarjolla päteviä toteutusohjeita. IIW:n ohjeilla [33] voidaan toteuttaa koneviilaus, TIG-käsittely, vasarointi ja neulavasarointi sekä myöstö voidaan toteuttaa esimerkiksi Ruukin ohjeiden [34] mukaisesti. 7.3 Ruuviliitosten toteutus Väsyttävässä kuormituksessa suositellaan käytettäväksi esijännitettyjä ruuviliitoksia, joiden toteutukselta vaaditaan enemmän kuin tavallisesti kiristetyiltä ruuviliitoksilta. Esijännitettäviä ruuviliitoksia ei saa asettaa ulkoisille kuormille ennen kuin kiristäminen on suoritettu loppuun. Ruuvien oikea kiristyminen tulee varmistaa ja ettei esijännitys häviä ensimmäisistä ruu- 25

26 veista jälkimmäisiä ruuveja kiristettäessä. Jos ruuvikokoonpano kiristetään pienimpään vaadittavaan esijännitykseen ja sen jälkeen löysätään, on koko ruuvikokoonpano poistettava ja hylättävä. Eri kiristysmenetelmillä on erilaiset toleranssialueet minkälaisella tarkkuudella ruuviin saadaan haluttu esijännitys. Tämä on huomioitava sekä suunnittelu- että asennusvaiheessa, ettei ruuviin tuoda liian suurta jännitystä tai liian pientä jännitystä, jolloin liitos on altis luistamiselle tai väsymiselle. Kiristysmenetelmä tulisi siis valita huolellisesti jo suunnitteluvaiheessa ja valittua menetelmää tulisi käyttää asennettaessa. Riippuen suunnitteluohjeesta tai -standardista kiristysmenetelmä voi vaikuttaa jo mitoitusvaiheessa, kuten on esimerkiksi standardin VDI 2230 kohdalla. Kiristysmenetelmän lisäksi esijännityksen hajontaan vaikuttavat kierteiden kitkakertoimet, liitoksen geometrinen muoto, liitoksen lujuus ja kiristystyökalu. [38, 39, 52] Kiristysmenetelmiä ovat vääntömomenttimenetelmä, mutterinkiertomenetelmä, yhdistetty menetelmä, HRC-kiristysmenetelmä ja suoraan vedon ilmaisuun perustuva menetelmä. [36, 38] Kitkaliitosten kosketuspinnat tulee esivalmistaa vaaditun kitkakertoimen saamiseksi. Pinnoilla ei saa olla öljyä, likaa, maalia tai muita epäpuhtauksia eikä liitettävien osien tiiviin asettumisen estäviä purseita. Pinnoittamattomat pinnat eivät saa sisältää ruostekerroksia eikä muuta irtonaista ainetta. Taulukossa 3 on esitetty teräsrakenteille standardin EN mukaisia eri pintakäsittelyjen tuottamia kitkakertoimia, joiden oletetaan vähintään toteutuvan. Kitkakerroin voidaan määritellä myös kokeella, joka voidaan tehdä esimerkiksi standardin EN liitteen G mukaisesti. [38] Taulukko 3. Pintakäsiteltyjen pintojen kitkakertoimia. [38] Pintakäsittely Luokka Kitkakerroin μ Pinnat, joilta irtonainen ruoste on poistettu hiekka- tai teräsraepuhalluksella, ei pistemäisiä syöpymiä. Hiekalla tai teräsrakeilla puhalletut pinnat: a) alumiini- tai sinkkipohjaisella tuotteella ruiskupäällystetty pinta b) alkali- tai alkali-sinkkimaali, jonka paksuus on 50 μm...80 μm. Teräsharjalla tai liekkipuhalluksella puhdistetut pinnat, irtonainen ruoste on poistettu. A 0,50 B 0,40 C 0,30 8 SUUNNITTELUNÄKÖKULMAA Ultralujilla teräksillä jäykkyyden häviötä voidaan kompensoida uusilla jäykistävillä muotoiluilla. Teräsrakenteiden sovelluksissa yleinen käytäntö on käyttää standardisoituja palkkiprofiileita, mikä toisaalta hidastaa ultralujiin teräksiin siirtymistä. Lujempiin teräksiin siirryttäessä on kuitenkin alettava harkitsemaan entistä enemmän erikoisprofiileihin siirtymistä. Profiileilta tulisi tällöin hakea suurta jäyhyysmomenttia, millä jäykkyys saadaan säilytettyä seinämänpaksuuden ohentuessa. Monimutkaisemmat profiilit ovat valmistamisen kannalta kuitenkin hankalampi valmistaa, mikä on profiilin muotoilussa otettava huomioon. Erikoismuotoiltu profiili saattaa myös hankaloittaa liitosten toteutusta. Riippuen sovelluskohteesta profiilia ei tulisi suunnitella myöskään niin, että vesi pääsee siihen kerääntymään. Optimointiin vaikuttaa myös rakenteeseen kohdistuvat kuormitukset, eli onko rakenne optimoitava esimerkiksi puristus tai taivutuskuormalle. Esimerkkinä kuvassa 31 on ideoitu erilaisia poikkileikkauksia puristuskuormalle ja kuvassa 32 taivutuskuormalle. 26

27 Kuva 31. Puristusprofiileita. Kuten todettu, hitsausliitokset voivat helposti hankaloittaa ultralujien terästen käyttöä erityisesti dynaamisesti kuormitetuissa rakenteissa. Hitsien jälkikäsittelymenetelmät tarjoavat suuriakin parannuksia väsymiskestävyyteen, mutta jos niiden toteuttamiseen ei ole riittävästi edellytyksiä, olisi hitsausliitosten korvaaminen ruuviliitoksilla mahdollisuuksien mukaan suositeltavaa. Nurjahdusta ajatellen rakenteiden riippuvuus kimmokertoimesta saadaan pienemmäksi kun suunnitellaan lyhyempiä ja tuettuja rakenteita. Tällöin on mahdollista hyötyä enemmän ultralujien terästen korkeammasta lujuudesta. Teräsrakenteiden ollessa dynaamisen kuormituksen alaisena voitaisiin rakenneosilta vaatia suurta jäyhyysmomenttia sekä samalla liitokselle edullista muotoilua. Esimerkkinä putkiprofiilien liitoksilla on jonkin verran parempi väsymiskestävyys. Tätä ajatellen kaarevien liitospintojen käyttö saattaisi tulla edullisemmaksi joissain tapauksissa. Ristikkorakenteissa suljetut profiilit ovat parhaimpia kiepahduskestävyyttä ajatellen. Kuitenkin avointen profiilien käyttö voisi joissain tapauksissa olla edullista, kun profiilit olisi helpompi liittää yhteen ruuviliitoksilla. Kuva 32. Taivutusprofiileita. 27

28 9 LÄHTEET [1] Kiuru, Henri. Ultralujien terästen käyttö dynaamisesti kuormitetuissa koneen rakenteissa. Diplomityö. Oulun Yliopisto. Oulu, s. [2] Mäntyjärvi, K. UHSS-DFMA Kokonaisvaltainen lähestymistapa ultralujien terästen ominaisuuksien tehokkaaseen hyödyntämiseen [sähköinen dokumentti]. Oulun yliopiston Oulun Eteläisen instituutti, Tulevaisuuden tuotantoteknologiat -tutkimusryhmä, [Eijulkinen]. [3] The World Steel Association. Advanced high strength steel (AHSS) application guidelines [verkkodokumentti]. Version 4.1, revised 08 june 2009 [viitattu ]. The World Steel Association, WorldAutoSteel group. Saatavissa: [4] Leinonen, Jouko. Materiaalitekniikka I. Opintomoniste. Oulu: Oulun yliopisto, konetekniikan osasto, s [5] Ruukki. Rakenneteräkset [verkkodokumentti]. [Viitattu ]. Saatavissa: [6] Ongelin, Petri. Hitsatun profiilin valmistus ja valinta. Teoksessa: Ongelin, P. & Valkonen, I. Hitsatut profiilit EN käsikirja. Uudistettu 3. painos. Hämeenlinna: Rautaruukki Oyj, S ISBN [7] Ruukki. Referenssit [verkkodokumentti]. [Viitattu ]. Rautaruukki Oyj. Saatavissa: [8] Ruukki. Referenssejä. Ruukin erikoisluja Optim: teräs vaativiin tarpeisiin [verkkodokumentti]. [Viitattu ]. Rautaruukki Oyj. Saatavissa: [9] SSAB. Cases [verkkodokumentti]. [Viitattu ]. Svenskt Stål AB. Saatavissa: [10] Sperle, Jan-Olof. High strength sheet and plate steels for optimum structural performance [verkkodokumentti]. [Viitattu ]. Borlänge, Sweden: SSAB Tunnplåt AB, Saatavissa: [11] Pennala, Erkki. Lujuusopin perusteet. 11. muuttumaton painos. Helsinki: Otatieto, s. ISBN [12] Sperle, Jan-Olof & Nilsson, Tony The Application of High Strength Steels for Fatigue Loaded Structures. Teoksessa: Proceedings from HSLA Steels Conference. Beijing, S [13] Hiitelä, Erja. Ruostumattomat teräkset. Teoksessa: Matilainen et al. Ohutlevytuotteiden suunnittelijan käsikirja. Helsinki: Teknologiateollisuus ry / Teknologiainfo Teknova Oy, S ISBN [14] Kivivuori, Seppo & Härkönen, Seppo. Lämpökäsittelyoppi. Helsinki: Teknologiateollisuus ry / Teknologiainfo Teknova Oy, s. ISBN [15] Euro Inox. Käsikirja - Ruostumattomien terästen käyttö kantavissa rakenteissa. Kolmas painos Euro Inox:n käsikirjasta: Design Manual for Structural Stainless Steel. Euro Inox ja The Steel Construction Institute. 103 s. ISBN