VÄÄNTÖKUORMITETUN HITSATUN KOTELOPROFIILIPALKIN VÄSYTYSKOE FATIGUE TEST OF A TORQUE LOADED WELDED BOX SECTION BEAM

Transkriptio

1 LAPPEENRANNAN TEKNILLINEN YLIOPISTO LUT Metalli Konetekniikan koulutusohjelma BK10A0401 Kandidaatintyö ja seminaari VÄÄNTÖKUORMITETUN HITSATUN KOTELOPROFIILIPALKIN VÄSYTYSKOE FATIGUE TEST OF A TORQUE LOADED WELDED BOX SECTION BEAM Lappeenrannassa Mikko Borgström

2 SISÄLLYSLUETTELO SYMBOLILUETTELO 1. Johdanto Koejärjestely Koelaitteisto Datankeräys laitteisto Kuormitustapaus Koesuunnitelma Instrumentointi Koekappale Koekappaleet 2 ja Koekappale Teoriaa Mittaukset Väännön mittaus Jännitys venymä suhteet väännön mittauksessa Kahden elementin puolisiltakytkentä Koekappaleen rakenne Muodonmuutokset Analyyttinen laskenta Tulokset Koekappale K Vauriot Mittausdata Koekappale K Vauriot... 28

3 4.2.2 Mittausdata Koekappale K Vauriot Mittausdata Koekappale K Vauriot Mittausdata Tulosten tarkastelu Yhteenveto Lähteet... 45

4 SYMBOLI LUETTELO M Momentti L Momenttivarsi F Voima E Kimmomoduuli ε Venymä γ Liukukulma τ Leikkausjännitys σ Jännitys N Syklimäärä v Poisson vakio µ Liukumoduuli I Jäyhyys D Jousivakio β BEF-parametri u Siirtymä ϕ Kiertymä K Alustakerroin L r Referenssikestoikä

5 1 1. JOHDANTO Hitsattu rakenne on altis väsymisvaurioille. Hitsaus aiheuttaa rakenteeseen epäjatkuvuus kohtia ja alkusäröjä, joista väsymisvaurio voi lähteä kasvamaan. Hitsien oikea mitoitus ja laatuvaatimukset ovatkin erittäin tärkeässä roolissa hitsattujen rakenteiden kestoiän kannalta. Tässä työssä tutkitaan hitsatun koteloprofiilipalkin väsymiskestoa. Väsyttävänä kuormana on vaihtuva vääntökuormitus. Tutkittava palkki on osa useammasta palkista koostuvaa puominosturi rakennetta. Koko nosturirakenne on jatkuvan väsyttävän kuormituksen alaisena sen koko käyttöiän ajan. Näin ollen palkin väsymiskestolla on merkittävä vaikutus koko rakenteen käyttöikään. Tästä syystä väsyttäväkuormitus on mitoittava tekijä palkin profiilin määrittämisessä. Rakennetta rasittava kuormitus perustuu aikaisemman rakenteen kenttämittauksista kerättyyn dataan. Mittaustuloksiin perustuvaa kuormitusta käytetään rakenteen mitoituksessa ja tässä työssä tehtävissä väsytyskokeissa. Tämän työn tavoitteena on toteuttaa ja raportoida väsytyskokeet sekä selvittää tulosten ja mittausten taustalla olevaa teoriaa. Väsytyskokeiden tavoitteena on määrittää rakenteen kestoikä tietyn kuormituksen alaisena. Kokeiden avulla saadaan selville rakenteen kestoiän kannalta kriittiset tekijät. Väsytyskokeissa käytetään venymäliuska-antureita mittamaan kuormituksen rakenteeseen aiheuttamia rasituksia. Venymäliuska-antureita käytetään myös väsymissäröjen havaitsemisen helpottamiseksi. Työn tulokset voivat olla tärkeitä tekijöitä rakenteen lopullisen mitoituksen kannalta. Väsytyskokeiden tuloksia voidaan myös käyttää apuna rakenteen valmistuksen ohjeistuksessa ja laatuvaatimusten määrittämisessä.

6 2 2. KOEJÄRJESTELY Väsytyskokeet toteutettiin Lappeenrannan teknillisen yliopiston Teräsrakenteiden laboratoriossa. Kokeiden käytännön järjestelyistä ja asennuksista vastasi Teräsrakenteiden laboratorion henkilökunta. 2.1 Koelaitteisto Testipenkki muodostuu kahdesta rungosta. Rungot ovat kiinnitetty laboratorion t-ura lattiaan kiinnitysruuveilla. Rungoissa on kiinnitysadapterit, joihin koepalkki kiinnitetään. Toisessa rungossa adapteri on kiinteästi kiinni rungossa ja toisessa päässä adapterin ja rungon välissä on laakeroitu nivel. Nivelletyssä päässä on momenttivarret, joihin kuormittavat sylinterit kiinnitetään. Momenttivarren pituus on säädettävissä. Testipenkin rungot on esitetty kuvassa 1. Kuva 1. Testipenkki

7 3 Kuormittavat sylinterit ovat MTS:n valmistamat kaksipuoleisella männänvarrella, voimaantureilla ja asema-antureilla varustetut sylinterit. Sylintereiden männänvarsien päissä on pallonivelet. Sylinterien alapäät ovat kiinnitetty jäykästi ruuviliitoksilla testipenkin runkoon. Sylintereitä ohjataan MTS:n valmistamilla kontrollereilla. Ohjaus toteutetaan molemmissa sylintereissä olevien voima-antureiden avulla voimaservotyyppisesti. Ohjausventtiilit ovat asematakaisinkytkettyjä proportionaalisia magneettiventtiilejä. 2.2 Datankeräys laitteisto Mittausdataa kerätään testikappaleisiin asennetuista venymäliuskoista, kuormitussylinterien asema-antureista, kuormitussylintereiden voima-antureista ja syklimäärästä. Sylintereiden voima-antureiden ja asema-antureiden tulot menevät MTS:n kontrollereille. Venymäliuska-antureiden tulot menevät 14-kanavaiselle Ectron vahvistimelle. Tulot kootaan vahvistimelta sekä kontrollereilta PC:lle Data Aquisition 2.2 ohjelmalla. Data tallennetaan edelleen tekstitiedostoiksi myöhempää käsittelyä varten. 2.3 Kuormitustapaus Kuormituksena on vaihtuva vääntökuormitus. Vapaakappale kuva kuormitustapauksesta on esitetty kuvassa 2.

8 4 Kuva 2. Vapaakappalekuva M + Kuvassa 2 voimat ja ovat sylinterivoimia. Kuormitussyklin maksimi momentti syntyy siten, että sylinteri A työntää voimalla F kn ja samanaikaisesti sylinteri B vetää samalla voimalla vastakkaiseen suuntaan. Kuormitussylintereiden momenttivarret ovat ja. Yhden sylinterin maksimi momentti on siis. Näin ollen momenttiamplitudi saadaan summayhtälöstä. Kuormitussykli syntyy kun momentti vaihtelee välillä +/-. Tällöin maksimi momenttivaihtelu on knm, mikä on siis yksi kuormitussykli. 2.4 Koesuunnitelma Jokaista koekappaletta kuormitetaan kokeessa niin kauan kunnes sylinteri siirtymälle asetettu katkaisuraja saavutetaan tai väsymisvauriot ovat kasvaneet niin suuriksi, että jokin vaurioista on selkeästi kriittinen (särön pituus > 500 mm). Sylinteri siirtymän katkaisurajaksi asetettiin 30 mm. Suunnitelmaa noudattaen testattiin neljä koekappaletta. 2.5 Instrumentointi Instrumentointi suunniteltiin jokaiselle koekappaleelle erikseen, koska väsymissäröjen havaitsemiseen käytettyjen venymäliuskojen sijainnin määrittämisessä käytettiin apuna väsytyskokeiden tuloksia. Ensimmäisellä koepalkilla tehtiin mittauksia myös

9 5 testausjärjestelmän toimivuuden varmistamiseksi. Koepalkeilla 2-4 venymäliuskoja käytettiin ainoastaan väsymissäröjen ydintymisen havaitsemiseen Koekappale 1 Ensimmäisen koepalkin testissä mitattiin venymäliuskoilla vääntöä, nimellistä jännitystä sekä väsymissäröjen ydintymistä. Mittauksissa käytettiin yhteensä 11:ta venymäliuskaa, jotka kytkettiin siten, että tulot saadaan kuudesta kanavasta. Taulukossa 1 on esitetty koekappaleeseen asennetut anturit ja kuvassa 3 niiden sijainnit palkissa. anturi mittava suure sijainti liuskavakio kytkentä Kanava voima S1 sylinterivoima sylinteri 1 1 siirtymä S1 sylinterisiirtymä sylinteri 1 2 voima S2 sylinterivoima sylinteri 2 3 siirtymä S2 sylinterisiirtymä sylinteri 2 4 liuska 1. särö poikittain 2.02 ¼-siltaan 5 laipassa liuska 2. särö poikittain 2.02 ¼-siltaan 6 päätylevyssä liuska 3. särö poikittain 2.02 ¼-siltaan 7 päätylevyssä liuska 4. vääntömomentti laipassa 2.08 täyssiltaan 8 liuska 5. vääntömomentti laipassa 2.08 täyssiltaan 8 liuska 6. vääntömomentti laipassa 2.08 täyssiltaan 8 liuska 7. vääntömomentti laipassa 2.08 täyssiltaan 8 liuska 8. nimellinen pitkittäin 2.08 ½-siltaan 9 jännitys liuska 9. nimellinen pitkittäin 2.08 ½-siltaan 10 jännitys liuska 10. nimellinen pitkittäin 2.08 ½-siltaan 9 jännitys liuska 11. nimellinen jännitys pitkittäin 2.08 ½-siltaan 10 Taulukko 1. Koekappaleen 1 anturit

10 6 Kuva 3. Venymäliuskojen sijainnit Koekappaleet 2 ja 3 Koekappaleisiin 2. ja 3. asennettiin vain kaksi liuskaa. Liuskat asennettiin puomin tyvipään poikittaishitsin nurkkiin väsymissärön ydintymisen havaitsemiseksi. Taulukossa 2 on esitetty kappaleisiin asennetut anturit ja kuvassa 4 on esitetty antureiden sijainnit.

11 7 numero mitattava suure sijainti liuskavakio kytkentä kanava voima S1 sylinterivoima sylinteri 1 1 siirtymä S1 sylinterisiirtymä sylinteri 1 2 voima S2 sylinterivoima sylinteri 2 3 siirtymä S2 sylinterisiirtymä sylinteri 2 4 liuska 1. särö poikittain 2.02 ¼-siltaan 5 laipassa liuska 2. särö poikittain laipassa 2.02 ¼-siltaan 6 Taulukko 2. Anturit koekappaleisiin 2 ja 3 Kuva 4. Venymäliuska-antureiden sijainnit

12 Koekappale 4 Koekappaleeseen 4. asennettiin neljä venymäliuska-anturia. Anturit asennettiin päätyjen poikittaishitsien vastakkaisiin nurkkiin säröjen ydintymisen havaitsemiseksi. Taulukossa 3 on esitetty koekappaleeseen asennetut anturit ja kuvassa 5 on esitetty antureiden sijainnit. numero mitattava suure sijainti liuskavakio kytkentä kanava voima S1 sylinterivoima sylinteri 1 1 siirtymä S1 sylinterisiirtymä sylinteri 1 2 voima S2 sylinterivoima sylinteri 2 3 siirtymä S2 sylinterisiirtymä sylinteri 2 4 liuska 1. särö poikittain 2.02 ¼-siltaan 5 laipassa liuska 2. särö poikittain 2.02 ¼-siltaan 6 laipassa liuska 3. särö poikittain 2.02 ¼-siltaan 7 laipassa liuska 4. särö poikittain laipassa 2.02 ¼-siltaan 8 Taulukko 3. Anturit koekappaleeseen 4

13 Kuva 5. Venymäliuska-antureiden sijainnit 9

14 10 3. TEORIAA Tässä luvussa käsitellään venymäliuska-mittausten teoriaa. Lisäksi teoriaosassa käsitellään kokeeseen liittyvää lujuusopin teoriaa ja lasketaan analyyttisesti kuormituksen aktivoiman ilmiön aiheuttamia jännityksiä ja muodonmuutoksia. 3.1 Mittaukset Venymäliuska-antureita voidaan käyttää monien eri suureiden mittaamiseen. Tämän työn väsytyskokeissa venymäliuska-antureilla mitattiin vääntöä ja nimellisiä jännityksiä. Lisäksi venymäliuska-antureilla pyrittiin havaitsemaan väsymissäröjen ydintymistä. Kuvassa 6 on esitetty venymäliuska-anturin siltakytkentä Väännön mittaus Väännön mittaaminen perustuu leikkausjännityksen määrittämiseen. Leikkausjännitys saadaan määritettyä liukukulman avulla, kun tiedetään venymän ja jännityksen välinen suhde. (Dally & Riley 1991, ) Kuva 6. Periaatekuva kahden venymäliuskan ½-siltakytkennästä (SRAINTECH)

15 11 Vääntökuormituksen aiheuttama leikkausvenymä saadaan mitattua kahden venymäliuskan kohtisuoralla rusetilla. Rusetin venymäliuska-anturit ovat asetettu 45 ja -45 asteen kulmaan x-akselin suhteen. Kun toinen liuska kytketään kytkentäsillan R1:een ja toinen R4:een, saadaan mittauksen ulostulona suoraan venymäkomponentti. (Dally & Riley 1991, ) Tämän työn väsytyskokeissa väännön mittaaminen toteutettiin neljän venymäliuskaanturin vääntösilta mittauksella. Neljän venymäliuska-anturin siltakytkentä koostui kahdesta kahden venymäliuskan kohtisuorasta rusetista. Rusetit olivat asennettu palkin laippojen pintoihin, kuten kuvassa 3 on esitetty. Mittauksessa käytetty neljän elementin siltakytkentä on esitetty kuvassa 7. Neljän elementin siltakytkentä antaa ulostulona. (Dally & Riley 1991, ) Kerroin 4 voidaan eliminoida tulosta mittauksen kalibroinnissa. Kalibrointi on esitetty yhtälössä 1. (1)

16 12 Kuva 7. Täysilta kytkentä vääntömittaukseen Jännitys venymä suhteet väännön mittauksessa Kaksiaksiaalisessa puhtaassa leikkauksessa on suora verrannollisuus jännitys- ja venymäkomponenttien välillä. Jännitys venymä suhde määritellään liukumoduulin µ avulla yhtälön 2 mukaisesti. (2) (Dally&Riley 1991, 44) Liukumoduuli voidaan myös määrittää materiaalin elastisten vakioiden perusteella. Liukumoduulin ( ), kimmomoduulin ( ) ja Poisson vakion ( ) välillä vallitsee yhteys, joka on määritelty yhtälössä 3 (3)

17 13 Kun tämä yhtälö sijoitetaan yhtälöön (2) saadaan yhtälö (4) (4) Kun yhtälöstä 4 ratkaistaan jännityskomponentti, saadaan yhtälö 4 muotoon (5) Yhtälön 5 avulla saadaan venymäliuska-anturin mittausdata muutettua venymästä jännitykseksi. (Dally&Riley 1991, 46-47) Kahden elementin puolisiltakytkentä Koekappaleella 1 mitattiin nimellistä jännitystä palkin uumalevyistä kiinnityskorvallisten kohdalta. Mittauksessa venymäliuska-anturit olivat asennettu levyjen päätyihin kuvan 3 mukaisesti. Venymäliuska-anturit kytkettiin puolisiltakytkentään. Kytkentä on esitetty kuvassa 8. Kuva 8. Puolisiltakytkentä

18 14 Kalibrointi on suoritettu seuraavasti (6) Mittausdatan venymäarvo saadaan muutettua jännitykseksi ( ) Hooken lain mukaan yhtälön 7 avulla. (7) 3.2 Koekappaleen rakenne Koekappale on hitsattu koteloprofiilipalkki. Palkin poikkileikkaus on kaksoissymmetrinen koteloprofiili. Suorakulmaisia koteloprofiileja käytetään usein rakenteissa, joilta vaaditaan sekä suurta vääntöjäykkyyttä, että nurjahduskestävyyttä (Kähönen & Niemi 1986, 1). Poikkileikkaus muodostuu laippaväliä korkeammista uumista, joiden sisäpuolelle on hitsattu laipat. Uumalevyt ovat paksuudeltaan t w mm ja laippalevyt t f mm. Palkin päätyihin on hitsattu t mm vahvuiset elliptisen muotoiset päätylevyt. Uumalevyjen korkeus vaihtelee levyn pituussuunnassa rakenteen kiinnike- ja varusteludetaljien kohdilla. Palkin ylemmänpään päädyssä on lisäksi poikittainen putki (kiinnitysdetalji), joka jäykistää rakennetta. Päätylevyjen päihin on koneistettu päittäisliitoksien hitsausta varten juurituet. Päätylevyjen ja laippojen väliset päittäishitsit on hitsattu juuritukea vasten läpihitsauksena ilmarakoon. Päittäishitsien a-mitta on a mm. Uumien ja laippojen väliset pienahitsit on hitsattu yhdellä palolla ja niiden a-mitta on a 1 mm. Koteloprofiilin laippa- ja uumalevyjen välisten pienahitsien väsymisluokka on suunnitteluohjeessa määritetty 100 MPa. Päätylevyjen päittäishitsien väsymisluokka on

19 15 puolestaan vain puolet tästä eli 50 MPa, kun hitsataan juuritukea käyttäen. Jos päittäishitsi hitsataan ilman juuritukea, on väsymisluokka vain 36 MPa. (SFS-EN , 21 25) 3.3 Muodonmuutokset Vääntökuormitus aiheuttaa muodonmuutoksia poikkileikkaukseen. Muodonmuutokset voidaan jaotella puhtaaseen vääntöön, levykentän taipumiseen ja vinoutumiseen. (Kähönen & Niemi 1986, 1) Koekappaleen rakenteesta ja kuormitustapauksesta johtuen on vinoutuminen otettava huomioon rakennetta analysoitaessa. Vinouttava kuormitus aiheuttaa poikittaissuuntaisia vinoutumisjännityksiä sekä pituussuuntaisia estetyn väännönjännityksiä. Vinoutumisen aiheuttama poikkileikkauksen muodonmuutos on esitetty kuvassa 9. (Kähönen & Niemi 1986, 2) Kuva 9. Suorakulmaisen koteloprofiilin vinoutuminen (Kähönen & Niemi 1986, 1) 3.4 Analyyttinen laskenta Tässä kappaleessa esitetty vinoutumisen analyyttinen laskenta perustuu Erkki Niemen ja Asko Kähösen vuoden 1986 julkaisuun Distortion of a Double Symmetric Box Section Subjected to Eccentric Loading Using the Beam on Elastic Foundation Approach. Analyyttisen laskennan ratkaisemiseksi olen joutunut yksinkertaistamaan rakennetta sekä muokkaamaan kuormitustapauksen yksinkertaisemmaksi. Analyyttisessä ratkaisussa palkki mallinnetaan symmetrisenä ja palkin päätyjen jäykistelevyt jätetään huomioimatta. Uuman

20 16 korkeutena käytetään laskennassa laippalinjojen etäisyyttä, koska uumalevyn korkeus muuttuu palkin pituussuunnassa rakennedetaljien kohdilla, kuten kuvasta 10 käy ilmi. Kuormitustapaus muokataan vastaamaan Niemen ja Kähösen esimerkki tapausta, joka on esitetty kuvassa 9. Kuvassa 2 esitetty kuormitustapaus saadaan vastaamaan esimerkkiä yhdistämällä sylinterivoimat yhdeksi voimaksi. Momenttivarsi on edelleen. Laskentaa varten palkin uuma- ja laippalevyt käsitellään erillisinä palkkeina. Uumalle ja laipalle lasketaan tarvittavat poikkileikkaussuureet sekä alustakertoimet. Kuormituksen voimat jaetaan myös uumille ja palkeille kohdistuviksi erillisiksi voimiksi kuvassa 11 esitetyn periaatteen mukaisesti. Kuva 10. Poikkileikkaus

21 17 Kuva 11. Voimien jaottelu (Kähönen & Niemi 1986, 3) Laskentaan tarvittavat poikkileikkausmitat nähdään kuvasta 10. Momenttivarsi e ja voima F saadaan kuvan 2 vapaakappalekuvasta.

22 18 Kun kuormittava voima jaetaan kuvan mukaisesti, saadaan yhtälöt (8) kn (9) Jäyhyydet laipalle ja uumalle saadaan laskettua yhtälöistä (10) (Kähönen & Niemi 1986, 8) (11) Poikittaiset jousivakiot lasketaan yhtälöistä (12) (Kähönen & Niemi 1986, 12) (13) Teräksen yleiset materiaalivakiot elastisessa tilassa olevalle materiaalille ovat, Alustakertoimet uumalle ja laipalle BEF - menetelmää varten lasketaan yhtälöistä

23 19 (14) (15) (Kähönen & Niemi 1986, 14) Nyt saadaan laskettua BEF kerroin (16) (Kähönen & Niemi 1986, 14) Nyt laskentaan tarvittavat kertoimet ja suureet on määritetty. Seuraavaksi lasketaan vinoutumisen poikkileikkaukseen aiheuttamia muodonmuutoksia sekä jännityksiä palkin eri kohdissa. Laskettavat suureet ovat siirtymä u, kiertymä ϕ, momentti m ja poikittainen jännitys. Laskentapisteet on valittu väsytyskokeissa havaittujen kriittisten kohtien alueelta. Siirtymä u lasketaan yhtälöstä 17 ja jännitys yhtälöstä 18 (17) (Kähönen & Niemi 1986, 19) (18) (Kähönen & Niemi 1986, 30) (19)

24 20 (Kähönen & Niemi 1986, 12) Kiertymä ϕ lasketaan yhtälöstä 20 (20) (Kähönen & Niemi 1986, 11) Taulukossa 4 on esitetty laskennan tulokset. Taulukossa x:n arvo on pituussuuntainen etäisyys kuormituspisteestä. Laskentaväli on palkin ylemmänpään poikittaishitsistä 30mm molempiin suuntiin. x(mm) u(mm) m(nm) ϕ( ) (MPa) Taulukko 4. Laskennan tulokset

25 21 4. TULOKSET Väsytyskokeiden tulokset on esitetty koekappaleittain. Tuloksissa on esitetty venymäliuska mittausten tulokset sekä siirtymän muutos syklimäärän funktiona. Lisäksi tuloksissa on esitetty koekappaleisiin kokeiden aikana ilmenneet vauriot sekä koekappaleen lopullinen kestoikä. Kokeet lopetettiin, kun jokin koesuunnitelmassa määritetyistä katkaisurajaarvoista saavutettiin. 4.1 Koekappale K1 Koekappaleessa K1 oli koesarjan laajin anturointi. Venymäliuskoilla mitattiin nimellisen jännityksen lisäksi vääntöä sekä käytettiin venymäliuskoja väsymissäröjen ydintymisen havaitsemiseen. Venymäliuskojen mittausdata on esitetty kaavioissa 1-7. Siirtymän maksimiarvo on esitetty syklimäärän funktiona kaaviossa 8. Väsytyskoe aiheutti ensimmäiseen koepalkkiin kaikkiaan 12 väsymissäröä. Vaurioita lähti kasvamaan sekä hitsien juurien puolelta että rajaviivoilta. Testi päättyi kun kokeen syklimäärä oli 325L r. Koe pysäytettiin, koska useampi särö oli saavuttanut kriittisen pituuden ja lähtenyt hallitsemattomaan kasvuun Vauriot Testin aikana ilmenneet vauriot on esitetty taulukossa 4. Väsymissäröjen pituudet testin päätyttyä on esitetty taulukossa 5. Vaurioiden sijainnit on havainnollistettu kuvassa 11.

26 22 numero N pituus (mm) kommentit L r 110 rajaviiva(ei jälkikäsittelyä) L r 27 juurenpuoli L r 6 rajaviiva L r 40 juurenpuoli L r 28 juurenpuoli L r L r L r 20 juurenpuoli L r L r L r 20 jälkikäsittelyn lopetuskohta L r 55 Taulukko 4. Vauriot testissä numero pituus (mm) Taulukko 5. Väsymissäröjen lopulliset pituudet Ensimmäiset väsymissäröt havaittiin, kun kokeen syklimäärä oli 169 L r sykliä. Särö 1 oli lähtenyt kasvamaan vasemman uuman ja ylemmän laipan pitkittäisen pienahitsin rajaviivalta. Särö 2 oli puolestaan tullut läpi juuren puolelta alalaipan pitkittäishitsin ja päätykappaleen poikittaishitsin nurkasta.

27 23 Kolmas särö havaittiin kun testi oli saavuttanut 193 L r sykliä. Särö 3 oli lähtenyt kasvamaan pienahitsin rajaviivasta alemman laipan ja oikeanpuolen uuman nurkassa lähellä palkin päätykappaleen liitosta. Särö neljä oli taas tullut juuren puolelta läpi hitsien nurkassa oikeanpuolen uuman, ylemmän laipan ja päätylevyn kohdalla 216 L r vaiheessa. Särön 1:en eteneminen oli kääntynyt rajaviivalta 45 asteen kulmassa laippalevyn perusaineeseen. Särö 5 löytyi 243 L r syklin jälkeen. Särö 5 oli vastaavanlainen vaurio kuin särö 4 saman poikittaishitsin vastakkaisessa nurkassa. Syklimäärän ollessa 320 L r koekappaleesta löytyi vielä viisi uutta säröä. Särön 1 eteneminen oli kääntynyt toisessakin suunnassa perusaineeseen sekä laippalevyyn (45 ) että uumalevyyn (90 ). Särö 1 oli lähtenyt hallitsemattomaan kasvuun ja koe pysäytettiin 325 L r syklin kohdalla. Tässä vaiheessa koepalkissa oli kaikkiaan 12 väsymissäröä. Kuva 11. Väsymissäröjen sijainnit

28 Mittausdata Särön ydintymistä mitanneiden liuskojen (1-3) kohdalle ei syntynyt vaurioita. Kuitenkin liuska 1:en Δε arvo alkoi pienentyä 150 L r syklin jälkeen. Tämä johtui ilmeisesti samassa poikkileikkauksessa olleesta säröstä 1. Kuormitussylinterien siirtymien maksimi taso nousi koko kokeen ajan. Siirtymätason nousu jyrkkeni loivasti testin loppupuolella, mutta se ei saavuttanut katkaisurajaa Liuska µε N Liuska 1 max Liuska 1 min Kaavio 1. Venymäliuskan 1 maksimi- ja miniarvot

29 25 µε Liuska 2 N Liuska 2 max Liuska 2 min Kaavio 2. Liuskan 2 maksimi- ja minimiarvot 400 Liuska µε N Liuska 3 max Liuska 3 min Kaavio 3. Liuskan 3 maksimi- ja minimiarvot

30 26 Vääntösillan mittaustulokset on esitetty sekä venymänä että jännityksenä kaavioissa 4 ja Vääntösilta µε N Vääntösilta maksimi Kaavio 4. Vääntösillan maksimiarvo MPa Vääntösilta N Vääntösilta Kaavio 5. Vääntösillan maksimiarvo Mpa:na, laskettu yhtälön 5 avulla

31 Puolisilta 8/ µε N Puolisilta 8/10 Kaavio 6. Liuskojen 8/10 puolisillan maksimiarvot 600 Puolisilta 9/ µε N Puolisilta 9/11 Kaavio 7. Liuskojen 9/11 puolisillan maksimiarvot

32 28 Puolisiltojen mittaustulosten maksimitasot ovat jännitysarvona (σ = εe) noin 90 MPa:n luokkaa. 30 Siirtymä mm Siirtymän maksimi 5 0 N Kaavio 8. Kuormitussylinterin siirtymän maksimiarvo 4.2 Koekappale K2 Koekappaleeseen K2 asennettiin ainoastaan kaksi venymäliuskaa säröjen ydintymisen havaitsemiseksi. Venymäliuskojen mittausdata on esitetty kaaviossa 9 ja 10. Siirtymän maksimiarvo on esitetty syklimäärän funktiona kaaviossa Vauriot Koekappale K2:en koe kesti ainoastaan 36 L r sykliä. Koepalkin päittäishitsi ylemmänlaipan ja tyvipään päätykappaleen välillä murtui heti kokeen alussa koko matkaltaan. Murtunut liitos on esitetty kuvassa 12.

33 29 Kuva 12. Vaurio Tähän koetulokseen löytyi syy hitsauksessa tapahtuneesta virheestä. Palkin päätykappaleet hitsataan juuritukea vasten ilmarakoon läpihitsauksella. Koepalkin tyvipään päätylevyn kohdistuksessa oli tapahtunut virhe ja hitsin ilmarako oli lähes nolla. Tämä aiheutti läpihitsaukseen vajaatunkeuman, joka aiheutti liitoksen murtumisen kokeen alkuvaiheessa Mittausdata Särön ydintymistä mitanneet venymäliuskat sijaitsivat murtuneen päittäishitsin nurkissa. Venymäliuska- sekä siirtymäkäyristä nähdään, että vaurion aiheuttanut hitsi on lähtenyt murtumaan, kun kokeessa oli noin 20 L r sykliä.

34 30 µε Liuska 1 N Liuska 1 maksimi Liuska 1 minimi Kaavio 9. µε Liuska 2 N Liuska 2 maksimi Liuska 2 minimi Kaavio 10.

35 31 35 Siirtymä mm N Siirtymä Kaavio 11. Kuormitussylinterin siirtymän maksimiarvo 4.3 Koekappale K3 Koepalkin K3 anturointi on sama kuin edellisellä koekappaleella (K2). Koekappaleessa K3 ei ollut hitsien rajaviivojen jälkikäsittelyjä ollenkaan. Venymäliuskojen mittausdata on esitetty kaaviossa 12 ja 13. Siirtymän maksimi arvo on esitetty syklimäärän funktiona kaaviossa Vauriot Testin aikana ilmenneet vauriot on esitetty taulukossa 6. Väsymissäröjen pituudet testin päätyttyä on esitetty taulukossa 7. Vaurioiden sijainnit on havainnollistettu kuvassa 13.

36 32 numero N pituus (mm) kommentit L r 45 juurenpuoli L r 31 juurenpuoli L r 18 juurenpuoli L r 9 juurenpuoli L r 10 juurenpuoli L r 45 juurenpuoli L r 50 juurenpuoli L r 55 juurenpuoli Taulukko 6. Testin aikana havaitut vauriot numero pituus (mm) (yhdistynyt säröön 1) Taulukko 7. Väsymissäröjen pituudet testin loputtua Koekappaleeseen K3 muodostui testin aikana samankaltainen vaurio kaikkiin kahdeksaan nurkkaan, joissa päätylevyjen poikittaishitsit sekä uumien ja laippojen väliset pitkittäishitsit kohtaavat. Kaikki säröt lähtivät kasvamaan hitsin juuren puolelta.

37 33 Kuva 13. Väsymissäröjen sijainnit Koe lopetettiin syklimäärän ollessa 493 L r. Koe päättyi, kun katkaisurajaksi asetettu siirtymäraja (30mm) oli saavutettu eli koepalkki menetti jäykkyytensä. Säröt kasvoivat lähes 900mm pitkiksi, mikä kertoo rakenteen hyvästä vaurio sietokyvystä Mittausdata Siirtymädatasta nähdään, että koekappaleen jäykkyys on alkanut heikentyä 250 L r syklin jälkeen. Jäykkyys ja kuormankantokyky ovat kuitenkin heikentyneet hitaasti aina noin 420 L r sykliin saakka. Vaurioiden kriittinen pituus on saavutettu noin 470 L r kohdalla, jonka jälkeen koepalkki on menettänyt kuormankantokykynsä nopeasti.

38 34 µε Liuska 1 N Liuska 1 maksimi Liuska 1 minimi Kaavio 12. Liuska Liuska µε N Liuska 2 maksimi Liuska 2 minimi Kaavio 13. Liuska 2

39 35 35 Siirtymä mm N Siirtymä Kaavio 14. Kuormitus sylinterin siirtymän maksimiarvo 4.4 Koekappale K4 Koe kappaleeseen K4 asennettiin neljä venymäliuskaa. Liuskat asennettiin hitsien yhdistymiskohtien nurkkiin tarkoituksena havaita edellisien testien tuloksissa toistuvien nurkista lähtevien säröjen ydintymistä. Venymäliuskojen mittausdata on esitetty kaaviossa Siirtymän maksimi arvo on esitetty syklimäärän funktiona kaaviossa 19. Koepalkissa K4 oli suoritettu hitsien rajaviivojen jälkikäsittelyjä (TIG). Jälkikäsittelyt oli tehty päätylevyjen ja uumien välisen pienan rajaviivalle sekä laippojen ja uumien välisen pienan rajaviivoille 100mm matkalle poikittaishitsistä alkaen Vauriot Testin aikana ilmenneet vauriot on esitetty taulukossa 8. Väsymissäröjen pituudet testin päätyttyä on esitetty taulukossa 9. Vaurioiden sijainnit on havainnollistettu kuvassa 14.

40 36 numero N pituus (mm) kommentit L r 16 TIG-käsittelyn aloitus/lopetuskohta L r 46 juurenpuoli L r 10 rajaviiva L r 41 TIG-käsittelyn aloitus/lopetuskohta Taulukko 8. Testin aikana havaitut vauriot numero pituus (mm) (yhdistynyt säröön 1) Taulukko 9. Väsymissäröjen pituudet testin loputtua Ensimmäinen särö havaittiin noin 266 L r syklin kohdalla. Särön ydintymiskohta oli TIG käsittelyn aloitus/lopetuskohdassa. Särö kasvoi 45 kulmassa päätylevyn perusaineeseen. Särö 2 oli samantyyppinen vaurio kuin edellisissä kokeissa hitsien nurkissa. Särö havaittiin 318 L r syklin kohdalla. Särö kaksi tuli hitsin juuren puolelta suoraan venymäliuskan 2 kohdalta. Venymäliuska 2 datasta nähdäänkin, että särön kasvu on alkanut jo huomattavasti aiemmin kuin särö havaittiin. Venymäliuskadata ja sen tarkempi analysointi on esitetty luvussa Särö 3 havaittiin 415 L r syklin kohdalla. Kyseessä oli palkin ylemmän pään alapinnan poikittaishitsiin muodostunut rajaviivalta lähtenyt vaurio. Särö neljä havaittiin kokeen lopputarkastuksessa. Kyseessä oli samantyyppinen vaurio kuin särö 1, mutta puomin ylemmässä päädyssä.

41 37 Kuva 14. Väsymissäröjen sijainnit Koe lopetettiin syklimäärän ollessa 461 L r. Koe päättyi, kun katkaisurajaksi asetettu siirtymäraja (30mm) oli saavutettu eli koepalkki menetti jäykkyytensä. Suurimmat vauriot kasvoivat yli 500mm pitkiksi Mittausdata Koekappaleen K4 kokeessa venymäliuskan 2 mittauksesta saatiin havaintoja väsymisvaurion ydintymis ajankohdasta. Anturin mittaamien minimi- ja maksimivenymätasojen erotus alkoi pienentyä ja myöhemmin kokeen aikana havaittiin väsymissärön kasvaneen venymäliuskan kohdalle.

42 38 Liuska µε N Liuska 1 maksimi Liuska 1 minimi Kaavio 15. Venymäliuska 1 µε Liuska 2 N Liuska 2 maksimi Liuska 2 minimi Kaavio 16. Venymäliuska 2

43 39 µε Liuska 3 N Liuska 3 maksimi Liuska 3 minimi Kaavio 17. Venymäliuska 3 µε Liuska 4 N Liuska 4 maksimi Liuska 4 minimi Kaavio 18. Venymäliuska 4

44 40 35 Siirtymä mm N Siirtymä Kaavio 19. Kuormitus sylinterin siirtymän maksimiarvo Kuten kaaviosta 16 nähdään, venymäliuskan 2 maksimi- ja minimitasojen välinen ero Δε on lähtenyt pienenemään 200 L r syklin kohdalla. Väsymissärö 2 on siis ydintynyt ja lähtenyt kasvamaan syklimäärän ollessa noin 200 L r. Venymäliuska 2 ja väsymissärö 2 on esitetty kuvassa 15.

45 41 Väsymissärö 2 Kuva 15. Venymäliuska 2

46 42 5. TULOSTEN TARKASTELU Taulukossa 10 on esitetty koekappaleiden väsytyskokeiden syklimäärät kokeen päätyttyä ja ensimmäisen vaurion havaitsemisen kohdalla. koekappale N, 1. vaurio N, kokeen päätyttyä kokeen pysäytys K1 169 L r 325 L r särön pituuden raja K2 36 L r 36 L r siirtymäraja K3 132 L r 493 L r siirtymäraja K4 266 L r 461 L r siirtymäraja Taulukko 10. Väsytyskokeiden syklimäärät Koekappaleiden kestoiän vaihteluväli on 36 L r 493 L r sykliä. Erittäin suuri vaihteluväli kestoiässä johtuu koekappaleen K2 rakenteessa olleesta hitsausvirheestä. Kun koekappale K2 jätetään tarkastelun ulkopuolelle rakenteessa olleen poikkeavuuden vuoksi, saadaan tulosten vaihteluväliksi 325 L r 493 L r sykliä. Syklimäärät ensimmäisen vaurion havaitsemishetkellä vaihtelevat välillä 36 L r 132 L r. Kun koekappale K2 jätetään tarkastelun ulkopuolelle, saadaan vaihteluväliksi 132 L r L r. Väsytyskokeiden tulosten perusteella rakenteessa on väsymiskestoiän kannalta kriittisiä alueita. Kriittisimmät kohdat ovat palkin päätylevyjen päittäishitsien ja päätylevyjen ja uumien välisten pienahitsien alueella. Myös laippa- ja uumalevyjen väliset pienahitsit ovat alttiita säröjen ydintymiselle päätyjen päittäisliitosten läheisyydessä. Päittäisliitosten nurkissa hitsin juurenpuoli on kriittinen. Pienahitseissä vaurioita syntyi rajaviivalle sekä juurenpuolelle. Väsymiskestoiän kannalta kriittiset kohdat ovat rakenteessa korkean jännityskeskittymän alueella, joten kaikki mahdolliset epäjatkuvuuskohdat noilla alueilla voivat olla alttiita väsymissärön ydintymiselle. Kokeiden aikana väsymissäröjä muodostui eniten päätylevyjen poikittaishitsien nurkkiin. Kyseiset vauriot lähtivät joka kerta kasvamaan hitsien juuren puolelta, joten niiden

47 43 ydintymistä ei voida hidastaa/estää jälkikäsittelymenetelmillä. Ainoastaan koekappaleen K4 kokeessa muodostui päittäishitsiin väsymissärö hitsin rajaviivalle, mutta kyseinen vaurio ei ollut kestoiän kannalta kriittinen. Testien aikana väsymissäröjä muodostui myös pienahitsien rajaviivoille. Rajaviivasäröjä muodostui uumien ja laippojen pitkittäisiin pienahitseihin sekä uumien ja päätylevyjen pienahitseihin. Näiden rajaviivasäröjen muodostumista voidaan ehkäistä jälkikäsittelemällä rajaviivat kriittisiltä alueilta. TIG-jälkikäsittelyjä tehtäessä on kuitenkin otettava huomioon, että TIG-sulatuksen aloitus- ja lopetuskohtia ei saisi olla jännityshuippujen alueilla, kuten koekappaleessa K4 havaittiin. Myös se on otettava huomioon, että koekappaleeseen K3, jossa ei ollut rajaviivojen jälkikäsittelyjä, ei muodostunut yhtään rajaviivalta lähtenyttä väsymissäröä.

48 44 6. YHTEENVETO Väsytyskokeet saatiin suoritettua testaussuunnitelman mukaisesti. Koelaitteisto ja järjestely toimivat suunnitellusti ja kokeet saatiin suoritettua ilman suuria vastoinkäymisiä. Ainoat ongelmat kokeiden aikana aiheutuivat MTS:n kontrollereiden pienistä teknisistä ongelmista. Kokeen tulokset olivat koekappaletta K2 lukuun ottamatta odotetun kaltaisia. Väsymisvaurioiden kannalta kriittisiä kohtia ovat hitsit, jotka sijaitsevat jännityshuippujen alueella. Kokeissa havaittiin myös, että pienikin valmistuksessa tapahtuva virhe voi johtaa kestoiän dramaattiseen alenemiseen ja jopa lähes staattiseen vaurioon, kun valmistusvirhe tapahtuu kriittisellä alueella. Tästä syystä rakenne vaatii kriittisten hitsiensä osalta tarkasti määritellyt raja-arvot valmistuksen laatuvaatimuksille. Valmistuksen raja-arvojen määrittäminen voisikin olla mahdollinen jatkotutkimuksen aihe. Jatko kehittelynä voisi myös tutkia mahdollisuuksia alentaa kriittisten alueiden jännityksiä rakenteellisilla muutoksilla.

49 45 LÄHTEET Dally, James W. & Riley, William F Experimental Stress Analysis, Third edition. McGraw-Hill, Inc. 639 s. ISBN Kähönen, Asko & Niemi, Erkki Distortion of a Double Symmetric Box Section Subjected to Eccentric Loading Using The Beam on Elastic Foundation Approach. Report no 36. Lappeenranta: Lappeenrannan Teknillinen Korkeakoulu. 37 s. ISBN SFS-EN EUROCODE 3: TERÄSRAKENTEIDEN SUUNNITTELU. OSA 1-9: VÄSYMINEN STRAINTECH FINLAND OY Venymäliuskojen siltakytkennät, lähtösignaalit ja kytkennän ominaisuudet, [viitattu ] Saatavilla pdf muodossa: