Väsymisanalyysi Case Reposaaren silta

Transkriptio

1 Väsymisanalyysi Case Reposaaren silta TERÄSSILTAPÄIVÄT 2012, Jani Meriläinen, Liikennevirasto

2 Esityksen sisältö Lyhyet esimerkkilaskelmat FLM1, FLM3, FLM4 ja FLM5 Vanha silta Reposaaren silta Esitelmän Excel-ohjelmasta Itse tehty omaan käyttöön, jotta ymmärtäisin miten eurokoodin väsytyskaavat toimivat. Tällä hetkellä vain tiesiltojen normaalijännitystarkastelu. Puuttuu leikkausjännitysten (erilainen S-N-kuvaaja) ja yhteisvaikutusten tarkastelu. Puuttuu rautatiesiltojen tarkastelu. (KL-silloille ei tarvitse tehdä väsytystarkastelua.) FLM2:lle en keksinyt käytännössä mitään käyttöä. Onko? Jännitysvaihteluita laskiessa voi puristuksen puolella olevia jännityksiä ( < 0) redusoida 40 %. Tien teräsputkisilloille on kehitetty vielä oma menetelmänsä (K. Julku), joka on esitetty uudessa putkisiltaohjeessa (LO 2/2012). Jani Meriläinen, Kunnossapito

3 S-N-kuvaajat 2 miljoonan jännityssyklin kohdalta löytyy väsymisluokka C. 5 miljoonan jännityssyklin kohdalta löytyy vakioamplitudinen väsymisraja D, jonka jälkeen potenssi muuttuu 3 5. Jos jännitysvaihtelu ei koskaan ylitä D:tä niin rakenne ei väsy ollenkaan. Kun jännitysvaihtelu on alle alemman väsytysrajan L, niin rakenne ei väsy ollenkaan kyseisellä jännitysvaihteluvälillä (cut-off limit). Palmgren-Miner: SFS-EN : Jani Meriläinen, Kunnossapito

4 S-N-kuvaajat SFS-EN : Jani Meriläinen, Kunnossapito

5 1 (VÄSY-v0.13) KOHDE OSA PVM. Esimerkkisilta Jonkun rakenneosan väsyminen SUUNNITELLUT TARKASTANUT J. Meriläinen TYÖN NUMERO SIVU TUNNUS FLM1 UUDEN TIESILLAN VÄSYMISMITOITUS Väsytyskuormakaavio FLM1 (kaaviota LM1 vastaava) Väsytyskuormakaaviota FLM1 voidaan käyttää tarkistettaessa voidaanko väsymisikää pitää rajattomana. FLM1 on rakenteeltaan samanlainen kuin LM1 siten, että akselikuormien arvo on 0,7Q ja tasaisesti jakautuneiden kuormien arvot 0,3q. Tarkasteltava rakenneosa: Jonkun rakenneosan väsyminen Tarkastelu normaalijännityksen vaihtelulle EN , taulukko 3.1 Aineosavarmuuslukujen suositeltavat arvot väsytysmitoituksessa Luotettavuustarkastelu Vaurion seuraukset Pienet Suuret Vaurionsietoperiaate 1,00 1,15 Varman kestämisen periaate 1,15 1,35 Rakenneosan väsymisluokka C = 80 N/mm 2 ja materiaalin osavarmuuskerroin väsytyksessä: Mf = 1,15 Cd C / Mf = 69,6 N/mm 2 (Rakenne kestää 2 miljoonaa jännitysvaihtelua.) Dd D / Mf = 51,3 N/mm 2 (Rakenne kestää 5 miljoonaa jännitysvaihtelua. Jos Dd ei ylity koskaan, rakenne ei saa alkusäröä eikä väsy ollenkaan.) Ld L / Mf = 28,2 N/mm 2 (Rakenne ei väsy kun jännitys jää tämän alle.) Jännitysvaihtelu: = FLM1,max - FLM1,min = 51,3 N/mm 2 ja osavarmuusluku: Ff = 1,00 d / Ff = 51,3 N/mm 2 d / Dd = 1,00 < 1,0 RAKENNEOSALLE EI TARVITSE TEHDÄ TÄMÄN TARKEMPAA VÄSYMISTARKASTELUA.

6 KOHDE OSA PVM. Esimerkkisilta Jonkun rakenneosan väsyminen SUUNNITELLUT TARKASTANUT (VÄSY-v0.13) J. Meriläinen TYÖN NUMERO SIVU TUNNUS FLM3 UUDEN TIESILLAN VÄSYMISMITOITUS Väsytyskuormakaavio FLM3 Väsytyskuormakaaviota FLM3 suositellaan käytettäväksi uudissiltojen väsymismitoituksessa. Väsytyskuormakaavio FLM3 koostuu neljästä akselista (akselipaino 120 kn), joista jokaisessa on kaksi samanlaista pyörää Akselivälit ovat 1, ,2 metriä ja akselien rengasväli on 2,0 metriä (ks. SFS-EN kuva 4.8). Tarkasteltava rakenneosa: Jonkun rakenneosan väsyminen Jänteen Keskikohta vai tukialue: Keskikohta Tarkastelu normaalijännityksen vaihtelulle Liikenteen luokka: 3 Liikenteen luokat N obs => N obs = Moottori-, moottoriliikenne- ja muut tiet (>1200 rask.ajon/vrk/suunta) 2E+06 Käyttöikä: t Ld = 100 vuotta 2 Moottori-, moottoriliikenne- ja muut tiet ( rask.ajon/vrk/suunta) Liikenteen tyyppi: Keskipitkäliikenne 3 Päätiet ( rask.ajon/vrk/suunta) Rakenteen jännemitta: L = 20,0 m 4 Paikallistiet (<50 rask.ajon/vrk/suunta) Ekvivalentti vauriokerroin = 1 * 2 * 3 * 4 = 1,57 max - liikenteen aiheuttama vauriovaikutuskerroin (SFS-EN kuva 9.5): 1 = 2,45 (10 m < L < 80 m) - liikenteen määrän huomioiva kerroin: 2 = 0,643 kun kuorma-autojen bruttopainojen keskiarvo: Q m1 = 407 kn - sillan suunnittellun käyttöiän huomioiva kerroin: 3 = 1,000 - muiden kaistojen liikenteen huomioiva kerroin: 4 = 1,000 - vauriovaikutuskertoimen maksimi (kuva 9.6): max = 2,17 Jännitysvaihtelu Rakenneosan väsymisluokka C = 80 N/mm 2 ja materiaalin osavarmuusluku väsytyksessä: Mf = 1,15 C / Mf = 69,6 N/mm 2 Jännitysvaihteluiden lukumäärä sillan eliniän aikana: N = 12,50 miljoonaa Jännitysvaihtelu (erillisestä laskennasta): = FLM3,max - FLM3,min = 44,2 N/mm 2 ja osavarmuusluku: Ff = 1,00 muunnettu nimellinen jännitysvaihteluväli E2 = * 2 = 69,58 N/mm 2 (tiesilloilla sys.kerroin 2 = 1,0) Ff * E2 = 69,6 N/mm 2 < C / Mf Rakenne kestää väsytyksen kaaviolla FLM3 laskettuna.

7 KOHDE OSA PVM. Esimerkkisilta Jonkun rakenneosan väsyminen SUUNNITELLUT TARKASTANUT (VÄSY-v0.13) J. Meriläinen TYÖN NUMERO SIVU TUNNUS FLM4 UUDEN TIESILLAN VÄSYMISMITOITUS Väsytyskuormakaavio FLM4 Väsytyskuormakaaviossa FLM4 kuormitetaan siltaa sarjalla ekvivalentteja kuorma-autoja, jotka yhdessä tuottavat Euroopan teillä tyypillisen liikenteen kaltaiset vaikutukset (ks. SFS-EN taulukko 4.7). Yksittäisten kuorma-autojen siltaa ylittäessään aiheuttamasta jännityksen vaihtelusta syntyvän jännitysvaihteluvälin spektrin ja vastaavan jaksojen lukumäärän määrittämiseen käytetään rainflow-menetelmää tai vesisäiliöanalogiaa. Väsytyskuormakaavion FLM4 käyttö on sallittu vain asianomaisen viranomaisen suostumuksella. Väsytyskuormakaavion FLM4 käyttö on perusteltua kansirakenteen yksityiskohtien väsymismitoituksessa (esim. teräksinen ortotrooppikansi). Asianomainen viranomainen voi tarvittaessa määrittää standardin SFS-EN taulukon 4.7 liikenteen tyypin sekä laskennassa käytetyt ekvivalentit akselikuormat myös hankekohtaisesti. Tarkasteltava rakenneosa: Jonkun rakenneosan väsyminen Valmistusvuosi: Tarkastelu normaalijännityksen vaihtelulle Liikenteen luokka: 3 => N obs = Käyttöikä: t Ld = 100 vuotta 3 Liikenteen tyyppi: Keskipitkäliikenne 4 Rakenneosan väsymisluokka C = 80 N/mm 2 5 materiaalin osavarmuusluku väsytyksessä: Mf = 1,15 Cd C / Mf = 69,6 N/mm 2 (rakenne kestää 2 miljoonaa jännitysvaihtelua) Dd D / Mf = 51,3 N/mm 2 (rakenne kestää 5 miljoonaa jännitysvaihtelua) Ld L / Mf = 28,2 N/mm 2 (rakenne ei väsy kun jännitys jää tämän alle) KUORMA-AUTO Jännityssyklin nro ja sitä vastaava jännitysvaihtelu i [N/mm 2 ] ,0 2 0,0 3 0,0 4 0,0 5 0, ,2 2 0,0 3 0,0 4 0,0 5 0, ,0 2 0,0 3 0,0 4 0,0 5 0, ,3 2 0,0 3 0,0 4 0,0 5 0, ,6 2 0,0 3 0,0 4 0,0 5 0,0 Kuormituksen osavarmuusluku: Ff = 1,00 KUORMA-AUTO N Ri = määrä, minkä rakenne kestää jännitysvaihteluita Ff * i [milj. kpl.] 1 äär. 2 äär. 3 äär. 4 äär. 5 äär. 1 99,2 2 äär. 3 äär. 4 äär. 5 äär. 1 17,3 2 äär. 3 äär. 4 äär. 5 äär. 1 5,0 2 äär. 3 äär. 4 äär. 5 äär. 1 2,0 2 äär. 3 äär. 4 äär. 5 äär. N Ri = D 3 * 5*10 6 / i 3, kun i D N Ri = D 5 * 5*10 6 / i 5, kun L i D N Ri = ääretön, kun i L KUORMA-AUTO YHT Liikennemäärät sillan käyttöiän aikana osuus N i [milj.] 40 % 5,00 10 % 1,25 30 % 3,75 15 % 1,88 5 % 0, % 12,50 Käyttöaste N i / N Ri 0,000 0,013 0,217 0,376 0,313 0,919 < 1,0 => OK! Rakenteen viimeinen laskennallinen käyttövuosi väsymisen suhteen: 2119

8 KOHDE OSA PVM. Esimerkkisilta Jonkun rakenneosan väsyminen SUUNNITELLUT TARKASTANUT (VÄSY-v0.13) J. Meriläinen TYÖN NUMERO SIVU TUNNUS FLM5 UUDEN TIESILLAN VÄSYMISMITOITUS Väsytyskuormakaavio FLM5 Väsytyskuormakaavion FLM5 käyttö on sallittu vain asianomaisen viranomaisen suostumuksella. Väsytyskuormakaavio FLM5 muodostuu suoraan mitatusta liikennetiedosta ja asianomainen viranomainen voi määrittää liikenteen jakauman sekä lopulliset ekvivalentit akselikuormat hankekohtaisesti. Tarkasteltava rakenneosa: Niitattu pääpalkki, max jännitys Valmistusvuosi: 2012 Tarkastelu normaalijännityksen vaihtelulle Liikenteen luokka: 3 => N obs = Käyttöikä: t Ld = 100 vuotta Rakenneosan väsymisluokka C = 80 N/mm 2 materiaalin osavarmuusluku väsytyksessä: Mf = 1,15 Cd C / Mf = 69,6 N/mm 2 (rakenne kestää 2 miljoonaa jännitysvaihtelua) Dd D / Mf = 51,3 N/mm 2 (rakenne kestää 5 miljoonaa jännitysvaihtelua) Ld L / Mf = 28,2 N/mm 2 (rakenne ei väsy kun jännitys jää tämän alle) Ajoneuvotyyppi Jännityssyklin nro ja sitä vastaava jännitysvaihtelu i [N/mm 2 ] A 1 28,0 2 0,0 3 0,0 4 0,0 5 0,0 B 1 28,2 2 0,0 3 0,0 4 0,0 5 0,0 C 1 40,0 2 0,0 3 0,0 4 0,0 5 0,0 D 1 51,3 2 0,0 3 0,0 4 0,0 5 0,0 E 1 69,6 2 0,0 3 0,0 4 0,0 5 0,0 Kuormituksen osavarmuusluku: Ff = 1,00 Ajoneuvotyyppi A B C D E N Ri = määrä, minkä rakenne kestää jännitysvaihteluita Ff * i [milj. kpl.] 1 äär. 2 äär. 3 äär. 4 äär. 5 äär. 1 99,2 2 äär. 3 äär. 4 äär. 5 äär. 1 17,3 2 äär. 3 äär. 4 äär. 5 äär. 1 5,0 2 äär. 3 äär. 4 äär. 5 äär. 1 2,0 2 äär. 3 äär. 4 äär. 5 äär. N Ri = D 3 * 5*10 6 / i 3, kun i D N Ri = D 5 * 5*10 6 / i 5, kun L i D N Ri = ääretön, kun i L Ajoneuvotyyppi Liikennemäärät sillan käyttöiän aikana Käyttöaste osuus N i [milj.] N i / N Ri A 40 % 5,00 0,000 B 10 % 1,25 0,013 C 30 % 3,75 0,217 D 15 % 1,88 0,376 E 5 % 0,63 0,313 YHT 100 % 12,50 0,919 Rakenteen viimeinen laskennallinen käyttövuosi väsymisen suhteen: < 1,0 => OK! 2119

9 Reposaaren silta Silta on vuonna 1955 suunniteltu avattava niitattu terässilta. Pituussuuntaisissa sekundääripalkeissa on havaittu pahoja syöpymis- ja halkeiluvaurioita (kuva). Pääpalkeissa ja poikkipalkeissa ei ilmeisesti ole havaittu väsymissäröjä, mutta näiden väsytyskestävyyttä haluttiin tutkia tarkemmin. Väsymisanalyysi suoritettiin arvioidulla todellisella raskaalla liikenteellä, sekä eurokoodin mukaisella Palmgren-Miner -sääntöön perustuvalla mitoituksella. Laskentaa varten tehtiin kaksi eri oletusta asiaan vaikuttavista seikoista, ( bestcase ja worst-case ). Oletettavasti todellinen tilanne on jossain näiden kahden oletuksen välissä. Jani Meriläinen, Kunnossapito

10 Reposaaren silta raskaan liikenteen painot ennen vuotta 1990 on valittu ajoneuvoasetuksen mukaisina suurimpina sallittuina painoina (varmistettu Olli Pyyköseltä). Vuoden 1990 jälkeen on käytettävissä tarkempaa statistiikkaa kuljetusten painoista. raskaan liikenteen ajoneuvojen vuorokausimäärät arvioitiin karkeasti ajanjaksolla Vuorokausiliikennemäärät on esitetty liitteessä ( worst case -liikennemäärät = ~1,7 * best case -liikennemäärät) vuodesta 1990 eteenpäin liikenteen määristä on tarkempaa tietoa (mm. tarkat tiedot eri liikennöitsijöiltä) ( worst case = ~1,2* best case ) 2012 liikennemäärä pidetään samana, mutta ajoneuvojen painojakauma on rankempi worst case -tilanteessa Ajoneuvojen lukumäärillä on yleisesti ottaen ajoneuvojen painoa pienempi vaikutus väsymiskestävyyteen. Teräspalkkien korroosio on otettu huomioon materiaalin osavarmuusluvussa. Jani Meriläinen, Kunnossapito

11 Reposaaren silta, väsymisanalyysi, oletukset ja tulokset "WORST CASE" "BEST CASE" Ajoneuvojen paino (tn) Ajoneuvojen paino (tn) Ajoneuvojen lukumäärä / vrk Ajoneuvojen lukumäärä / vrk Väsymisluokka Materiaalin osavarmuuskertoimet Väsymisluokka Materiaalin osavarmuuskertoimet 80 Pääpalkit: 1,10 Poikkipalkit: 1,20 90 Pääpalkit: 1,05 Poikkipalkit: 1,10 Väsymislujuus kyseisille rakenteille on ohjeiden mukaan 80 Mpa. "Best case":ssä on käytetty väsymislujuutta 90 MPa. Osavarmuusluvuissa on huomioitu rakenteen korroosio. Poikkipalkeissa korroosio on pidemmällä, joten osavarmuusluvut ovat isompia. Ajoneuvojen painot on kyseisinä vuosina käytetyt sallitut suurimmat painot. Poikkipalkkien laskennassa on 60 tonnin AA-kaaviolla oletettu olevan 4 jännitysvaihtelua / yliajo ja 48 tonnin kaaviolla 3 ja muilla kaaviolla 2 jännitysvaihtelua / yliajo. 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 WORST BEST WORST-poikkip. BEST-poikip. Väsymisen kehittyminen (arvioitu ensimmäisen väsymisvaurion ajankohta on )

12 (VÄSY-v0.13) KOHDE OSA PVM Reposaaren silta Pääpalkkien väsyminen SUUNNITELLUT TARKASTANUT TYÖN NUMERO SIVU TUNNUS VANHA SILTA VANHAN TIESILLAN VÄSYMISMITOITUS Tarkasteltava rakenneosa: Niitattu pääpalkki, max jännitys (WORST CASE) Valmistusvuosi: 1955 Rakenneosan väsymisluokka C = 80 N/mm 2 ja materiaalin osavarmuuskerroin väsytyksessä: Mf = 1,10 Cd C / Mf = 72,7 N/mm 2 (rakenne kestää 2 miljoonaa jännitysvaihtelua) Dd D / Mf = 53,6 N/mm 2 (rakenne kestää 5 miljoonaa jännitysvaihtelua) Ld L / Mf = 29,4 N/mm 2 (rakenne ei väsy kun jännitys jää tämän alle) Ajoneuvotyyppi Jännityssyklin nro ja sitä vastaava jännitysvaihtelu i [N/mm 2 ] 60 ton (AA) 1 63,9 2 0,0 3 0,0 4 0,0 5 0,0 48 ton 1 53,2 2 0,0 3 0,0 4 0,0 5 0,0 42 ton 1 46,5 2 0,0 3 0,0 4 0,0 5 0,0 32 ton 1 35,4 2 0,0 3 0,0 4 0,0 5 0,0 1 0,0 2 0,0 3 0,0 4 0,0 5 0,0 Ajoneuvotyyppi 60 ton (AA) 48 ton 42 ton 32 ton n Ri = määrä, minkä rakenne kestää jännitysvaihteluita i [milj. kpl.] 1 2,9 2 äär. 3 äär. 4 äär. 5 äär. 1 5,2 2 äär. 3 äär. 4 äär. 5 äär. 1 10,1 2 äär. 3 äär. 4 äär. 5 äär. 1 39,5 2 äär. 3 äär. 4 äär. 5 äär. 1 äär. 2 äär. 3 äär. 4 äär. 5 äär. Ajoneuvotyyppi 60 ton (AA) 48 ton 42 ton 32 ton y 0 y 1 kvl y 0 y 1 kvl y 0 y 1 kvl N Ri = 3 D * 5*10 6 / 3 i, kun i D y 0 = Liikennemäärän ensimmäinen vuosi N Ri = 5 D * 5*10 6 / 5 i, kun L i D y 1 = Liikennemäärän viimeinen vuosi N Ri = ääretön, kun i L kvl = keskimääräinen vuorokausiliikenne aikavälillä y 0 - y 1 Rakenteen viimeinen käyttövuosi väsymisen suhteen: 1,000 0,900 0,800 0,700 0,600 0,500 0,400 0,300 0,200 0,100 Liikennemäärät (tarkemmat vuosikohtaiset tiedot seuraavalla sivulla) 2013 Väsymisen kehittyminen (1 = rakenne saavuttaa käyttöikänsä väsymisen suhteen) 0,

13 (VÄSY-v0.12) KOHDE OSA PVM Reposaaren silta Pääpalkkien väsyminen SUUNNITELLUT TARKASTANUT TYÖN NUMERO SIVU TUNNUS VANHA SILTA VANHAN TIESILLAN VÄSYMISMITOITUS Tarkasteltava rakenneosa: Niitattu pääpalkki, max jännitys (BEST CASE) Valmistusvuosi: 1955 Rakenneosan väsymisluokka C = 90 N/mm 2 ja materiaalin osavarmuuskerroin väsytyksessä: Mf = 1,05 Cd C / Mf = 85,7 N/mm 2 (rakenne kestää 2 miljoonaa jännitysvaihtelua) Dd D / Mf = 63,2 N/mm 2 (rakenne kestää 5 miljoonaa jännitysvaihtelua) Ld L / Mf = 34,7 N/mm 2 (rakenne ei väsy kun jännitys jää tämän alle) Ajoneuvotyyppi Jännityssyklin nro ja sitä vastaava jännitysvaihtelu i [N/mm 2 ] 60 ton (AA) 1 63,9 2 0,0 3 0,0 4 0,0 5 0,0 48 ton 1 53,2 2 0,0 3 0,0 4 0,0 5 0,0 42 ton 1 46,5 2 0,0 3 0,0 4 0,0 5 0,0 32 ton 1 35,4 2 0,0 3 0,0 4 0,0 5 0,0 1 0,0 2 0,0 3 0,0 4 0,0 5 0,0 Ajoneuvotyyppi 60 ton (AA) 48 ton 42 ton 32 ton n Ri = määrä, minkä rakenne kestää jännitysvaihteluita i [milj. kpl.] 1 4,8 2 äär. 3 äär. 4 äär. 5 äär. 1 11,8 2 äär. 3 äär. 4 äär. 5 äär. 1 23,1 2 äär. 3 äär. 4 äär. 5 äär. 1 89,8 2 äär. 3 äär. 4 äär. 5 äär. 1 äär. 2 äär. 3 äär. 4 äär. 5 äär. Ajoneuvotyyppi 60 ton (AA) 48 ton 42 ton 32 ton y 0 y 1 kvl y 0 y 1 kvl y 0 y 1 kvl N Ri = 3 D * 5*10 6 / 3 i, kun i D y 0 = Liikennemäärän ensimmäinen vuosi N Ri = 5 D * 5*10 6 / 5 i, kun L i D y 1 = Liikennemäärän viimeinen vuosi N Ri = ääretön, kun i L kvl = keskimääräinen vuorokausiliikenne aikavälillä y 0 - y 1 Rakenteen viimeinen käyttövuosi väsymisen suhteen: 1,000 0,900 0,800 0,700 0,600 0,500 0,400 0,300 0,200 0,100 Liikennemäärät (tarkemmat vuosikohtaiset tiedot seuraavalla sivulla) 2041 Väsymisen kehittyminen (1 = rakenne saavuttaa käyttöikänsä väsymisen suhteen) 0,

14 Reposaaren silta, johtopäätökset Sillan sekundääriset pituuskannattajat ja kansiritilät uusitaan korroosio- ja halkeamavaurioiden takia vuoden sisään. Väsymisanalyysin mukaan todennäköinen ensimmäinen väsymisvaurio tapahtuu pääpalkeissa vuoden 2013 jälkeen, mutta ennen vuotta Palkistoa voidaan käyttää, mikäli silta asetetaan erityistarkkailuun. Koko silta koneistoineen on uusittava joka tapauksessa seuraavan muutaman vuoden aikana koneiston huonon kunnon takia. Parasta olisi uusia samalla koko silta, kun sekundääriset pituuskannattajat ja kansiritilät uusitaan. KIITOS MIELENKINNOSTA! Jani Meriläinen, Kunnossapito