TEKNILLINEN TIEDEKUNTA JÄNNEVIRRAN SILLAN VÄSYMISMITOITUS MITATULLA LIIKENNEKUORMALLA. Tarmo Iso-Junno

Transkriptio

1 TEKNILLINEN TIEDEKUNTA JÄNNEVIRRAN SILLAN VÄSYMISMITOITUS MITATULLA LIIKENNEKUORMALLA Tarmo Iso-Junno KONETEKNIIKAN TUTKINTO-OHJELMA Diplomityö 2017

2 TIIVISTELMÄ Jännevirran sillan väsymismitoitus mitatulla liikennekuormalla Tarmo Iso-Junno Oulun yliopisto, Konetekniikan tutkinto-ohjelma Diplomityö 2017, 78 s. + 2 liitettä Työn ohjaaja yliopistolla: Matti Kangaspuoskari Työssä verrataan Eurokoodin mukaisia väsytyskuormakaavioita Suomessa mitattuihin todellisiin liikennekuormiin. Eurokoodin mukainen väsymismitoitus tehdään väsytyskuormakaavioille FLM 3 ja FLM 4. Mitatut liikennekuormat on saatu Suomessa tehdyistä liikenteen automaattisista mittauksista, akselimassatutkimuksesta ja silta-wim -mittauksista. Väsymismitoitus tehdään Jännevirran sillalle. Silta on teräksinen jatkuva betonikantinen liittopalkkisilta, jonka jännemitat ovat m ja hyödyllinen leveys on 15,25 m. Tutkittavat detaljityypit ovat: laipan jatkaminen, lisälevyn päättäminen, vaarnan hitsi laippaan ja pystyjäykisteen hitsi alalaippaan. Tavoitteena on selvittää, miten tarkasti eri liikennekuormilla tehdyt mitoitukset vastaavat toisiaan ja onko FLM 3 mahdollisesti yli- tai alimitoittava todelliseen liikennekuormaan verrattuna tutkittavassa pitkiä jännevälejä sisältävässä sillassa. Mitatusta liikennekuormasta arvioidaan myös ajoneuvojen painorajoitusten noston vaikutusta liikenteen väsytyskuormittavuuteen. Lisäksi työssä perehdytään hitsin jälkikäsittelymenetelmiin, joilla voi parantaa detaljien väsymiskestävyyttä. Laskennan tuloksissa sillan kahdessa lyhyimmässä aukossa = ܮ) 50 m ja 70 m) sijaitsevien detaljien väsymismitoituksessa FLM 3 on ylimitoittava. Kahden pisimmän aukon = ܮ) 100 m ja 120 m) kriittisissä detaljeissa FLM 3 on alimitoittava. Detaljien väsymisvauriot pysyvät kuitenkin sallituissa rajoissa. Jänneväliltään pitkissä aukoissa mitattujen liikennekuormien aiheuttama väsymisvaurio on suuri, koska pitkälle jännevälille mahtuu kulkemaan monta raskasta ajoneuvoa peräkkäin. FLM 4 mitoituksen tulokset ovat epäluotettavia muihin väsytyskuormiin verrattuna. Tutkimuksen tulosten perusteella FLM 3 mitoitus vaatii kehittämistä, jotta se soveltuu käytettäväksi Suomessa jänneväliltään pitkille silloille. Myös FLM 4 mitoitus pitäisi kehittää Suomen ajoneuvoliikennettä vastaavaksi. Asiasanat: terässillat, väsyminen, väsytyskuormakaavio, liikennekuorma, Eurokoodi

3 ABSTRACT Fatigue Design of Jännevirta Bridge with Measured Traffic Load Tarmo Iso-Junno University of Oulu, Degree Programme of Mechanical Engineering Master s thesis 2017, 78 p. + 2 Appendixes Supervisor at the university: Matti Kangaspuoskari In this work Eurocode Fatigue Load Models are compared with real traffic loads measured in Finland. The fatigue design conforming to Eurocode is done with FLM 3 and FLM 4. The measured traffic loads have been obtained from automatic traffic measurements, axle load survey and bridge weigh in motion measurements that have been carried out in Finland. The fatigue design is done to the Jännevirta Bridge. The bridge is a continuous composite girder bridge, which spans are m and the effective width is m. The details chosen for the research are: the splice of the flange, the additional plate closure, the shear stud welded to the flange and the vertical stiffener welded to the lower flange. The aim is to find out how closely the fatigue design done by different traffic loads correspond to each other and whether the FLM 3 is over- or underestimating fatigue damage compared with the actual traffic load in the bridge with long spans. The change in fatigue damage due to increased vehicle weight limits is examined based on measured traffic loads. In addition, the post weld treatment methods that can improve the fatigue strength of the details are studied in the work. The calculation results show that the FLM 3 is overestimating fatigue damage in the details located at the two shortest opening of the bridge = ܮ) 50 m and 70 m). In critical details located at the two longest opening of the bridge = ܮ) 100 m and 120 m) the FLM 3 is underestimating fatigue damage. However, the fatigue damage of all details remains within the permitted limits. The fatigue damage is high in the long spans because many heavy vehicles in a row fit onto the long span. The FLM 4 results are unreliable in comparison with other fatigue loading. Based on the results FLM 3 requires the development so that it is suitable for use in Finland for long span bridges. Also FLM 4 should be developed to match the Finnish vehicle traffic. Keywords: steel bridges, fatigue, fatigue load model, traffic load, Eurocode

4 ALKUSANAT Tämä diplomityö on tehty Ramboll Finland Oy:n Oulun siltayksikössä. Työ on Liikenneviraston tilaama ja rahoittama. Diplomityön on ohjannut yliopisto-opettaja Matti Kangaspuoskari Oulun yliopistolta ja DI Raimo Karhumaa Rambollilta. Ohjausryhmään ovat lisäksi kuuluneet DI Heikki Lilja ja TkL Timo Tirkkonen Liikennevirastolta sekä DI Markus Ryynänen ja Ville Leskinen Rambollilta. Haluan osoittaa suuret kiitokset kaikille työn ohjaukseen osallistuneille. Liikennevirastolle kuuluvat lisäksi erityiset kiitokset mielenkiintoisesta diplomityön aiheesta ja rahoituksesta. Opintojeni aikana saamastani tuesta ja kannustuksesta tahdon esittää suuret kiitokset vaimolleni Elisalle. Lisäksi haluan kiittää vanhempiani opiskelutaitojen opettamisesta ja kannustavasta asenteesta koulutusta kohtaan. Oulu, Tarmo Iso-Junno

5 SISÄLLYSLUETTELO TIIVISTELMÄ ABSTRACT ALKUSANAT SISÄLLYSLUETTELO MERKINNÄT JA LYHENTEET 1 JOHDANTO EUROKOODIN MUKAINEN VÄSYMISMITOITUS Väsytyskuormakaaviot Väsymismitoitus Eurokoodin väsymismitoituksen tausta VÄSYMISLUOKKA Väsymisluokan määrittäminen Muotovirheet Nimellinen ja muunnettu nimellinen jännitys Väsymisluokat hot spot -jännitykselle Hot spot -jännitys Hitsiliitoksen väsymisluokan parantaminen jälkikäsittelyllä Myöstö Hionta TIG- ja plasma-käsittely Kuulapuhallus Vasarointi Ultraäänivasarointi Menetelmien vertailu TODELLISET VÄSYTTÄVÄT LIIKENNEKUORMAT Liikenteen automaattinen mittaus Akselimassatutkimukset WIM JÄNNEVIRRAN SILLAN VÄSYMISANALYYSI Jännevirran silta Väsymismitoituksessa tarkasteltavat detaljit Väsyttävät liikennekuormat Kuormakaistat... 52

6 5.5 Laskentamenetelmät Vaikutusviivat Väsymisanalyysiohjelma TULOKSET Detaljikohtaiset tulokset Tulosten vertailu Ajoneuvojen painorajoitusten noston vaikutus Erikoiskuljetusten vaikutus FLM 4 laskennan kehittäminen Väsymisluokan parantaminen Laskennan herkkyys YHTEENVETO JA JOHTOPÄÄTÖKSET LIITTEET: Liite 1. Tarkasteltavien detaljien väsymismitoitus Liite 2. Detaljien vaikutusviivat

7 MERKINNÄT JA LYHENTEET ܦ ܦ ܧ ௬,௦,,,,௦,௦௦ ௦ ܮ ௦, ݐ ݔ ݕ Minerin vaurioaste, jossa osavarmuusluvut on huomioitu Minerin vaurioaste teräksen kimmokerroin epäkeskisyys teräksen myötöraja jännityskonsentraatiokerroin jännityskonsentraatiokerroin hot spot -jännityksen laskentaan muotovirheen suurennuskerroin kulmavirheen suurennuskerroin epäkeskisyyden suurennuskerroin muotovirheen suurennuskertoimen tehokas arvo detaljille laskettu muotovirheen suurennuskerroin väsymisluokan sisältämä muotovirheen suuruus koon vaikutuksen pienennyskerroin jänneväli, pituusmitta S-N-käyrän kaltevuus jännitysheilahdusten lukumäärä kestoikä kestoikä, jossa osavarmuusluvut on huomioitu raskaan liikenteen määrä vuodessa yhdellä hitaan liikenteen kaistalla ekvivalentin jännitysheilahduksen lukumäärä jännitysheilahdusten ߪο lukumäärä jännityssuhde levyn paksuus sillan pituussuuntainen koordinaatti kulmavetäytymän poikkeamamitta

8 ߚ ߛ ߛ ߪȟ ߪȟ ߪȟ, ߪȟ ߪȟ ߪȟ,ଶ ߪȟ ߪȟ ௫ ߪȟ ௧,௫ ߟ ߣ ߪ ߪ ௦ ߪ ߪ ߪ ௫ ߪ ߪ ߪ ߪ ߪ, ߪ, ߪ ௧ korjauskerroin kulmavirheen suurennuskertoimen laskentaan väsytyskuorman osavarmuusluku materiaalin väsymiskestävyyden osavarmuusluku normaalijännityksen vaihteluväli eli jännitysheilahdus väsymisluokka redusoitu väsymisluokka vakioamplitudinen väsymisraja ekvivalentti jännitysheilahdus ekvivalentti jännitysheilahdus 2 10 syklille alempi väsymisraja suurin jännitysvaihteluväli tavallisten liikennekuormien aiheuttama suurin jännitysvaihteluväli yksikkövoiman aiheuttama jännitys detaljissa ekvivalentti vauriokerroin mitattu tai laskettu teräksen jännitys taivutusjännitys hot spot -jännitys hitsin reunan lovijännitys kalvojännitys jännityshistorian suurin jännitys jännityshistorian pienin jännitys muunnettu nimellinen jännitys loven aiheuttama epälineaarinen huippujännitys nimellinen jännitys taivutusjännityksen osuus nimellisestä jännityksestä aksiaalisen tai kalvojännityksen osuus nimellisestä jännityksestä sysäyskerroin dynaaminen suurennuskerroin

9 FLM HFMI IIW KAIP KAPP KAVP LA LAM LL LM RKVL UIT WIM SCF fatigue load model, väsytyskuormakaavio high frequency mechanical impact International Institute of Welding kuorma-auto ilman perävaunua kuorma-auto perävaunulla kuorma-auto varsinaisella perävaunulla linja-auto liikenteen automaattinen mittaus liikenneluokka load model, kuormakaavio raskaiden ajoneuvojen keskimääräinen vuorokausiliikenne ultrasonic impact treatment, ultraäänivasarointi weigh in motion, akselimassojen mittaaminen liikkuvista ajoneuvoista stress concentration factor, jännityskonsentraatiokerroin

10 1 JOHDANTO 7 Eurokoodit on otettu käyttöön Suomessa sillan mitoituksessa vuonna Eurokoodien mukaisessa mitoituksessa kantaville teräsrakenteille tulee suorittaa väsymistarkastelu, kun rakenteessa esiintyy toistuvia jännitysvaihteluita. Teräsrakenteisiin siltoihin aiheutuu väsyttävää jaksottaista kuormitusta liikennekuormista. Eurokoodissa SFS-EN on annettu siltojen suunnitteluun viisi erilaista väsytyskuormakaaviota FLM 1 FLM 5. Väsytyskuormakaavioilla FLM 1 ja FLM 2 voidaan tarkistaa, onko rakenteen väsymisikä rajaton. Yhden ajoneuvon väsytyskuormakaaviota FLM 3 voi käyttää yksinkertaistetussa mitoitusmenettelyssä, jossa liikennemäärä on huomioitu ekvivalentissa vauriokertoimessa Ȝ. Väsytyskuormakaaviot FLM 4 ja FLM 5 ovat tarkempaa mitoitusta varten, jossa määritetään ajoneuvojen teräsrakenteelle aiheuttama jännityshistoria ja vaurio. Väsytyskuormakaaviossa FLM 4 on annettu mitoitusta varten ekvivalenttien kuorma-autojen sarja. Väsytyskuormakaavio FLM 5 on yleisluontoinen kaavio, jossa väsymismitoitus suoritetaan todelliselle mitatulle liikennekuormalle. Eurokoodin SFS-EN kansallisessa liitteessä väsytyskuormakaavion FLM 2 käyttö kielletään Suomessa. Liitteessä suositellaan väsymismitoituksessa käytettäväksi Suomessa väsytyskuormakaaviota FLM 3. Väsytyskuormakaavioiden FLM 4 ja FLM 5 käytöstä on sovittava asianomaisen viranomaisen kanssa (NCCI 4). Eurokoodien väsytyskuormakaaviot on muodostettu käyttäen Ranskassa Auxerren alueella mitattuja liikennetietoja, joita on kalibroitu muilla Euroopassa (pääosin Saksassa, Italiassa ja Ranskassa) tehdyillä liikennemittauksilla (Groce & Sanpaolesi, 2005). Eurokoodien käyttöönotosta ja väsytyskuormakaavioiden soveltuvuudesta Suomen ajoneuvoliikenteelle on tehty useampi tutkimus. Chatzis et al. (2012) tutkimuksessa FLM 3:n soveltuvuudesta Suomen liikennekoostumukselle asetettiin SFS-EN kansalliseen liitteeseen rajoituksia väsytyskuormakaavioiden käyttöön. Silvennoisen (2007) diplomityössä vertaillaan Eurokoodin mukaista väsymismitoitusta Suomessa aiemmin käytössä olleeseen mitoitusmenetelmään ja tehdään ehdotukset kansallisten parametrien valinnoiksi. Tarkempaa vertailevaa tutkimusta FLM 3:n ja Suomen todellisen liikennekuorman välillä on tehty Leskisen (2016) diplomityössä. Työssä lasketaan todellisen liikennekuorman aiheuttamaa vauriota käyttäen liikennekuormaa, joka on määritetty Suomessa tehtyjen liikenteen automaattisten

11 8 mittausten (LAM) ja akselimassatutkimusten perusteella. Tutkimuksen esimerkkisilloissa FLM 3 mitoitus oli varmalla puolella todelliseen liikennekuormaan verrattuna. Väsymismitoituksessa teräsrakenteen väsymiselle alttiit yksityiskohdat mitoitetaan kestämään niihin kohdistuvat väsyttävät kuormat. Standardissa SFS-EN annetaan erityyppisille rakenneyksityiskohdille väsymisluokat. Rakenteen kannalta kriittisimpiä yksityiskohtia ovat yleensä hitsatut liitokset. Hitsiliitoksen väsymismitoitus voi olla rakenteen kannalta määräävä, mikä rajoittaa rakenteen jännitystasoa. Tällöin teräksen täyttä lujuuskapasiteettia ja nykyisiä lujia teräslaatuja ei voida hyödyntää. Hitsien väsymiskestävyyden parantamiseen on kehitetty useita menetelmiä, esimerkiksi TIG-käsittely ja ultraäänivasarointi, joilla hitsiliitoksen väsymisluokkaa voi parantaa (Hobbacher 2009). Terässiltoja koskevassa Eurokoodi-standardissa SFS-EN sallitaan hitsin jälkikäsittelymenetelmien käyttö väsymiskestävyyden parantamiseksi, mutta ei anneta ohjeita menetelmien käyttöön ja mitoitukseen. Ennen Eurokoodia Suomessa käytössä olleessa standardissa SFS 2378 hitsin jälkikäsittely menetelmät oli mahdollista hyödyntää mitoituksessa pienempää osavarmuuskerrointa käyttämällä. Tässä työssä tutkitaan Eurokoodin mukaisia väsymismitoitusmenetelmiä Jännevirran sillalle. Tutkittava silta on liittopalkkisilta, jonka jännemitat ovat metriä ja hyötyleveys 15,25 metriä. Väsymismitoitus tehdään Eurokoodin väsytyskuormakaavioille FLM 3 FLM 5. Tutkimuksessa vertaillaan yksinkertaistettua FLM 3:en perustuvaa mitoitusta tarkempaan todelliseen liikenteeseen perustuvaan väsymismitoitukseen. Tavoitteena on selvittää, kuinka tarkasti nämä eri kuormilla tehdyt mitoitukset vastaavat toisiaan ja onko FLM 3 mahdollisesti yli- tai alimitoittava verrattuna todelliseen liikennekuormaan pitkiä jännevälejä sisältävässä sillassa. Tutkimuksessa lasketaan vertailua varten myös FLM 4:n mukainen väsymismitoitus ja selvitetään mahdollisuuksia tehdä todellista mitattua liikennettä vastaavat ekvivalentit ajoneuvot Suomen ajoneuvoliikenteelle. FLM 5 laskennassa tutkitaan myös erikoiskuljetusten ja raskaan liikenteen koostumuksen vaikutusta väsymisvaurioiden suuruuteen. Raskaan liikenteen koostumus on muuttunut Suomessa vuoden 2013 ajoneuvoasetuksen muutoksen myötä, jolloin ajoneuvojen painorajoituksia nostettiin (407/2013).

12 9 Lisäksi tässä työssä tutkitaan mahdollisuuksia parantaa hitsiliitoksen väsymisluokkaa olemassa olevilla hitsin jälkikäsittelymenetelmillä. Näitä menetelmiä on jo yleisesti hyödynnetty konetekniikan puolella. Tavoitteena on perehtyä menetelmiin ja selvittää, kuinka paljon niillä olisi mahdollista parantaa hitsiliitoksen väsymiskestävyyttä. Tutkimuksessa lasketaan Jännevirran sillan detaljille kestoikä eri hitsin jälkikäsittelymenetelmillä ja verrataan tuloksia detaljin alkuperäiseen kestoikään. Tutkimuksessa todellisena liikennekuormana käytetään sekä LAM-pisteistä ja akselimassatutkimuksista muodostettuja että WIM-mittauksista (weigh in motion, akselimassojen mittaaminen liikkuvasta ajoneuvosta) saatuja liikennekuormia. Laskennassa käytetään Ramboll Finland Oy:n kehittämää väsymisanalyysiohjelmaa, joka laskee liikennekuorman aiheuttaman jännityshistorian ja vaurioasteen tutkittavassa detaljissa. Tukittaviksi detaljeiksi on valittu sillan pääpalkista pystyjäykisteen hitsi alalaippaan, vaarnan kiinnitys ylälaippaan, alalaipan jatkos sekä ala- ja ylälaipan lisälevyn päättäminen.

13 10 2 EUROKOODIN MUKAINEN VÄSYMISMITOITUS 2.1 Väsytyskuormakaaviot Siltojen liikennekuormat on esitetty standardissa SFS-EN , jonka lisäksi kansallisessa liitteessä on annettu tarkennuksia kyseisen standardin käyttöön. Standardi sisältää viisi väsytyskuormakaaviota FLM 1 FLM 5, jotka on tarkoitettu siltojen väsymiskestävyyden ja kestoiän arvioimiseen. Eurokoodin soveltamisohjeessa NCCI 1 (2014) on ohjeita väsytyskuormakaavioiden käytöstä Suomessa. Väsytyskuormakaavioilla FLM 1 ja FLM 2 tarkistetaan, voidaanko sillan väsymisikää pitää rajattomana. FLM 1 vastaa kuormakaaviota 1 (Kuva 1) siten, että pintakuormat kerrotaan arvolla 0,3 ja akselikuormat arvolla 0,7. FLM 1:n mukaiset kuormat on esitetty Taulukossa 1. Kuormakaavio koostuu kaksiakselisesta telistä ja tasan jakautuneesta pintakuormasta. FLM 2 koostuu idealisoiduista tavallisten kuormaautojen sarjasta. Suomessa FLM 2:n käyttö ei kuitenkaan ole mahdollista. Taulukko 1. FLM 1:n mukaiset akseli- ja pintakuormat (SFS- EN ). Kaista nro Akselikuormat [kn/akseli] Pintakuormat [kn/m 2 ] , , ,75 n 0 0,75 muu alue - 0,75 Kuva 1. Kuormakaavio LM 1 (SFS-EN , s. 32 mukaillen).

14 11 Kansallinen liite suosittelee käytettäväksi Suomessa väsytyskuormakaaviota FLM 3. Kaavio on yksittäinen ajoneuvo, jossa on neljä akselia (Kuva 2). Jokainen akseli painaa 120 kn, jolloin ajoneuvon kokonaispaino on 480 kn. Standardin mukaan samalla kaistalla käytetään lisäksi toista 40 m etäisyydellä kulkevaa akselipainoiltaan 36 kn ajoneuvoa, jos se tuottaa suuremman vaikutuksen. Suomen kansallisessa liitteessä toisen ajoneuvon käyttöä ei kuitenkaan edellytetä. Kuva 2. FLM 3 väsytyskuormakaavio (SFS-EN , s. 42 mukaillen). Väsytyskuormakaavion FLM 4 mukaiset ekvivalentit ajoneuvot on esitetty Kuvassa 3. Ajoneuvojen sarja on suunniteltu tuottamaan väsymismitoituksessa tyypillisen Eurooppalaisen liikenteen kaltaiset vaikutukset. Kuormakaaviota käytettäessä pitää arvioida mitoitettavan sillan yli kulkevan liikenteen tyyppi ja valita kuorma-autojen jakauma sen mukaisesti (Taulukko 2). Tarvittaessa hankekohtaisesti tai kansallisessa liitteessä voidaan määritellä myös muunlaisia ekvivalentteja kuorma-autoja ja niiden osuuksia. Väsytyskuormakaavion FLM 4 käytöstä Suomessa on sovittava Liikenneviraston kanssa, sillä se ei vastaa suomalaista liikennettä (NCCI 4, s. 106). Taulukko 2. FLM 4:n mukaiset ajoneuvojen osuudet raskaasta liikenteestä liikennetyypeittäin (SFS-EN s. 43 mukaillen). Kuormaauton tyyppi Osuus liikennetyypeittäin Kaukoliikenne Keskipitkä liikenne paikallisliikenne 1 20 % 40 % 80 % 2 5 % 10 % 5 % 3 50 % 30 % 5 % 4 15 % 15 % 5 % 5 10 % 5 % 5 %

15 12 Kuva 3. Väsytyskuormakaavion FLM 4 mukaiset ekvivalentit ajoneuvot (SFS- EN s. 42 mukaillen). Raskaiden ajoneuvojen (kokonaispaino yli 100 kn) määrää sillalla voidaan arvioida Taulukon 3 mukaisesti, missä N obs tarkoittaa raskaan liikenteen arvioitua lukumäärä. Raskaan liikenteen määrää voi myös arvioida havaintoihin perustuen ja Taulukkoon 3 perustuvien väliarvojen käyttö on sallittua. Taulukko 3. Raskaiden ajoneuvojen odotettavissa oleva lukumäärä vuotta ja hitaan liikenteen kaistaa kohti (SFS-EN s.40 mukaillen) Liikenteen luokat Moottori-, moottoriliikenne- ja muut tiet, joilla suuntaa kohti on vähintään 2 kaistaa, joilla kuorma-autoista muodostuva liikennemäärä on suuri (> 1200 raskasta ajoneuvoa /vrk/suunta) Moottori-, moottoriliikenne- ja muut tiet, joilla kuormaautoista muodostuva liikennemäärä on keskimääräinen ( raskasta ajoneuvoa /vrk/suunta) Päätiet, joilla kuorma-autojen liikennemäärä on vähäinen ( raskasta ajoneuvoa /vrk/suunta) Paikallistiet, joilla kuorma-autojen liikennemäärä on vähäinen (< 50 raskasta ajoneuvoa /vrk/suunta) N obs vuotta ja hitaan liikenteen kaistaa kohti

16 13 Mitattuun liikennemäärään perustuva väsytyskuormakaavio FLM 5 muodostetaan soveltamalla suoraan mitattua liikennetietoa. Mitattua liikennetietoa voi täydentää tarvittaessa tilastojen ja arvioiden mukaisilla ekstrapolaatioilla. Standardin SFS- EN liitteessä B annetaan lisäohjeita FLM 5:n käyttöön. Akselikuormat kerrotaan sysäyskertoimella ௧, jos dynaamiset vaikutukset eivät sisälly käytettävään liikennetietoon. ௧ = 1,2, kun tien pinta tasaisuudeltaan hyvä tai ௧ = 1,4, kun tien pinta on tasaisuudeltaan keskinkertainen. 2.2 Väsymismitoitus Teräsrakenteiden väsymismitoitus on esitetty standardissa SFS-EN Standardissa esitetään menetelmiä väsymiskestävyyden arviointiin rakenneosissa ja liitoksissa. Terässiltojen väsymistä koskevia lisäohjeita on annettu standardissa SFS-EN Betoni-teräs -liittorakenteiden suunnittelua koskevat säännöt löytyvät standardista SFS-EN Normaalijännitykselle väsymiskestävyys tarkastetaan ehdosta (SFS-EN , s. 18),ଶ οఙ ߪο ߛ ఊ, (1) missä ߛ on kuorman osavarmuusluku, ߪο,ଶ on ekvivalentti jännitysheilahdus 2 10 syklille, ߪο on detaljin väsymisluokka ja ߛ on materiaalin osavarmuusluku. Standardin SFS-EN kansallisessa liitteessä on valittu osavarmuusluvuille käytettäväksi Suomessa arvoja ߛ = 1,0 ja ߛ = 1,35 (Taulukko 4). Väsytyskuormakaaviolla FLM 1 laskiessa rajaton väsymisikä voidaan tarkistaa yhtälöllä (Nussbaumer et al. 2011, s. 201) ௫ οఙ ವ ߪο ߛ ఊ, (2) missä ߪο ௫ on kuormitusten aiheuttama maksimi jännitysvaihteluväli ja ߪο on detaljin väsymisluokkaa vastaava vakioamplitudinen väsymisraja. ߪο ௫ on jännityshistorian absoluuttisen maksimi- ja minimijännityksen erotus. Lisäksi tavallisten liikennekuormien aiheuttamille jännitysvaihteluväleille pitää toteutua ehto (SFS-EN , s. 18) ߪο ௧,௫ 1,5 ௬, (3)

17 missä ߪο ௧,௫ on tavallisten liikennekuormien aiheuttama maksimi jännitysvaihteluväli ja ௬ on teräksen myötöraja. 14 Taulukko 4. Ainesosavarmuusluvun ߛ suositellut arvot väsymismitoituksessa (SFS- EN , s. 11 mukaillen). Luotettavuustarkastelun mukaiset ainesosavarmuusluvut Vaurion seuraukset: Pienet: Suuret: Vaurionsietoperiaate: 1,00 1,15 Varman kestämisen periaate: 1,15 1,35 Yksinkertaistettua mitoitusmenetelmää (FLM 3) käytettäessä ekvivalentti jännitysheilahdus voidaan laskea kaavasta (SFS-EN , s. 37) ߪο,ଶ = ߪȟ ߣ ௫, (4) missä dynaaminen suurennuskerroin = 1,0 tieliikenteen silloille ja ߣ on ekvivalentti vauriokerroin. Kerroin ottaa huomioon sillan geometrian, liikennemäärän, liikenteen eri kaistoilla, käyttöiän sekä väsymisrajan vaikutukset rakenteen väsymiseen. Vauriokertoimen laskenta on esitetty tarkasti standardin SFS-EN luvussa 9.5. Väsymislujuuden tarkempaa määritystä varten standardissa SFS-EN on annettu väsymisluokkia vastaavat S-N-käyrät (Kuva 4). Käyrät kuvaavat detaljin kestoiän riippuvuutta jännitysheilahduksen suuruudesta. Väsymisluokat on merkitty numerolla, joka on väsymislujuuden arvo ߪο kahden miljoonan jännityssyklin kohdalla. Vakioamplitudinen väsymisraja ߪȟ on väsymislujuus viiden miljoonan ja alempi väsymisraja ߪȟ sadan miljoonan jännityssyklin kohdalla. Väsymislujuuden voi laskea käyrien mukaan yhtälöllä (SFS-EN , s. 15) οߪ ߪο 2 10 ; = 3; 5 10 ߪο ߪο 5 10 ; = 5; , (5) missä ߪο on normaalijännityksen vaihteluväli ja N on jännityssyklien lukumäärä. Väsymisrajat voi laskea väsymisluokasta kaavoilla (SFS-EN , s. 15) ߪο = ቀ ଶ ଵ ቁ ଷ ߪ 0,737ο οߪ = ହ ja (6) ߪο = ቀ ହ ଵ ቁ ହ ߪ 0,549ο οߪ = ଵ. (7)

18 15 Normaalijännityksen vaihteluväli ȟɐ E+04 1E+05 1E E+07 1E+08 1E+09 Jännityssyklien lukumäärä Kuva 4. Väsymislujuuden S-N-käyrät normaalijännitysten vaihteluväleille (SFS-EN s. 15 mukaillen). Vaihtuva-amplitudisella kuormituksella väsymisen aiheuttaman kumulatiivisen vaurion suuruuden voi laskea Minerin säännöllä ܦ = σ, (8) missä ܦ on vaurioaste, on jännitysheilahdusten οߪ lukumäärä ja on Kaavalla 5 laskettu jännitysheilahdusta οߪ vastaava kestoikä. Rakenteen todellinen jännityshistoria on usein monimutkainen, jolloin jännitysheilahdusten määrittämiseen voi käyttää Rainflow-menetelmää. Rainflow-analyysin voi tehdä käyttäen vesisäiliö- tai vesiputousanalogiaa. Molemmat tavat antavat oikein käytettynä keskenään saman tuloksen. Rainflow-menetelmän perusperiaate on helposti ymmärrettävissä vesisäiliöanalogialla (Kuva 5). (Nussbaumer et al. 2011; Kangaspuoskari 2015.)

19 16 Kuva 5. Jännitysheilahdusten määrittäminen Rainflow-menetelmällä käyttäen vesisäiliöanalogiaa. Pohjasta vettä laskemalla saadaan aikaan vedenpinnan lasku, joka vastaa jännitysheilahdusta. Säiliöt tyhjennetään järjestyksessä suurimmasta pienimpään. (SFS 2378, s. 25 mukaillen.) Rainflow-menetelmää ja Minerin sääntöä sovelletaan siltojen väsymismitoituksessa käytettäessä väsytyskuormakaavioita FLM 4 ja FLM 5. Kun otetaan huomioon kuorman ja kestävyyden osavarmuusluvut, Minerin säännön mukainen mitoitusehto on (SFS-EN , s. 36) = σ ಶ ܦ 1, (9) missä ܦ on vaurioaste mitoituksessa, on jännitysheilahdusten ߛ ߪο lukumäärä ja kyseistä jännitysheilahdusta vastaava kestoikä on laskettu Kaavalla 5 käyttäen osavarmuudella korjattua väsymisluokan arvoa ߪο ߛΤ. Jännityshistoriasta määritetyt jännitysheilahdukset voi muuttaa ekvivalentiksi jännitysheilahdukseksi kaavalla (Niemi 2003, s. 98) య ߪο = ට ଵ ൫σ ߪο ଷ ߪο ଶ σ ߪο ହ ൯, (10)

20 17 missä ߪο on ekvivalentti jännitysheilahdus, ߪȟ on vakioamplitudisen väsymisrajan ߪȟ ylittävä jännitysheilahdus, ߪȟ on jännitysheilahdus välillä ߪȟ ǥ ߪȟ ja on σ + σ tai muu paremmin käyttöikää kuvaava kestoiän yksikkö. Kun =1, kaavalla voi muuttaa esimerkiksi sillan ylittävän ajoneuvon aiheuttamat jännitysheilahdukset yhdeksi ekvivalentiksi jännitysheilahdukseksi. Sijoittamalla =2 10 saadaan ߪο ߪο,ଶ. Minerin säännöllä (Kaava 9) lasketun vaurioasteen voi muuttaa saman vaurion tuottavaksi ekvivalentiksi jännitysheilahdukseksi kaavalla ߪο,ଶ = οఙ ఊ ಷ ఊ ܦඥ, (11) missä =3. Kaava 11 on erittäin käyttökelpoinen, kun vertaillaan FLM 4:llä ja FLM 5:llä laskettua väsymisvauriota FLM 3:n mukaiseen ekvivalenttiin jännitysheilahdukseen. 2.3 Eurokoodin väsymismitoituksen tausta Siltojen väsymismitoituksen taustaa on avattu Leonardo da Vinci -projektissa laaditussa käsikirjassa Handbook 4 Design of Bridges (Groce & Sanpaolesi 2005). Kirja tarjoaa lisätietoa ja esimerkkilaskelmia Eurokoodin mukaisesta siltojen mitoituksesta. Kirjassa esitellään myös vaihe vaiheelta, miten siltojen kuormakaaviot on kehitetty Eurokoodia EN varten. Siltojen osalta kattavan väsymismitoitusmenetelmän laatiminen on haastavaa johtuen suuresta määrästä muuttujia. Liikenteen määrä ja tyyppi vaihtelee suuresti kohteesta riippuen. Kuormakaaviot perustuvat mitattuun liikennedataan, jonka käytössä pitää ottaa huomioon luotettavuus ja mahdollinen liikennemäärän kasvu tulevaisuudessa. Todellinen liikenne on niin monimutkaista, että mitoitusta varten on luotu sopivammat yksikertaiset kuormakaaviot, joiden tavoitteena on aiheuttaa sama väsymisvaurio kuin todellinen liikenne. Lisäksi kehitettyjen kuormakaavioiden pitäisi soveltua kaiken tyyppisille ja pituisille silloille. Kuormakaavioiden kehittämisessä on ollut haasteena myös sopivan S-N-käyrän valinta sekä väsymisrajojen huomioon ottaminen. Väsymisrajan olemassaolosta johtuen kuormakaaviot on jaettu kahteen tapaukseen: ekvivalenttiin kuormakaavioon todellisen väsymisvaurion laskemista varten, sekä

21 tavalliseen kuormakaavioon, joka tuottaa maksimi kuormitusvaihtelun rajattoman kestoiän tarkastamista varten. (Groce & Sanpaolesi 2005, s. I-33.) 18 Käsikirjassa esitetään väsymismitoituksessa käytettävä laskentaprosessi vaiheittain seuraavasti (Groce & Sanpaolesi 2005, s. I-34): 1. väsytyskuorman määrittäminen, 2. väsytykselle alttiiden rakennedetaljien tunnistaminen ja sopivan S-N-käyrän valinta, 3. osavarmuusluvun ߛ valinta ja 4. vaikutuspintojen laskeminen rakennedetaljeille. Väsytyksen aiheuttamaa vauriota laskettaessa laskentaprosessi jatkuu seuraavasti: 5.a ekvivalentin kuormakaavion aiheuttaman jännityshistorian laskeminen rakennedetaljissa vaikutuspinnan avulla, 6.a jännitysheilahdusten laskeminen jännityshistoriasta Rainflow-menetelmällä ja 7.a väsytysvaurion laskeminen Minerin säännöllä (Kaava 8) ja ehdon ܦ 1 tarkastaminen. Jos ehto ei toteudu, parannetaan detaljin väsymisluokkaa tai lasketaan jännitysheilahdusten tasoa rakenteen mittoja kasvattamalla. Rajatonta kestoikää tarkastettaessa laskentaprosessi jatkuu puolestaan seuraavasti: 5.b tavallisen kuormakaavion aiheuttaman jännityshistorian laskeminen rakennedetaljissa vaikutuspinnan avulla, 6.b maksimi jännitysheilahduksen ߪȟ ௫ laskeminen ja 7.b rajattoman kestoiän tarkastaminen (Kaava 2). Jos ehto ei toteudu, voi yrittää tarkempaa laskentaa a-kohdan mukaisesti. Eurokoodin väsytyskuormakaaviot on kalibroitu yksi- ja moniaukkoisille silloille, joiden jänneväli on metriä. Tutkimuksessa vertailulaskelmat suoritettiin aukkomomentille yksi- ja kolmeaukkoisen sillan keskellä sekä kaksiaukkoisen sillan reuna-aukossa. Tukimomenttia tutkittiin välituella kaksiaukkoisen sillan keskellä. Kalibrointi prosessi on ollut seuraava: merkittävimmän Eurooppalaisen liikennedatan valinta,

22 19 sopivan S-N-käyrän valinta, jännityshistorian laskeminen esimerkkisilloille, jännitysheilahdusten ja maksimi jännitysvaihteluiden laskeminen, ensimmäinen väsytyskuormakaavioiden määritys, standardisoitujen kuorma-autojen geometrian määritys, tavallisten kuormakaavioiden kalibrointi vastaamaan todellisen liikenteen aiheuttamaa maksimi jännitysvaihtelua ja ekvivalenttien kuormakaavioiden kalibrointi vastaamaan todellisen liikenteen aiheuttamaa väsytysvauriota. (Groce & Sanpaolesi 2005, s. I-35.) Väsytyskuormakaavioiden kehittämisessä käytetty liikennedata on peräisin Euroopassa vuosina ja tehdyistä liikennemittauksista. Väsytyskuormakaaviot perustuvat Ranskan Auxerressä moottoritiellä A6 tehtyihin mittauksiin. Auxerren liikenne on hyvin raskasta ja vastaa koostumukseltaan hyvin Eurooppalaista pitkän matkan liikennettä. Lisäksi kuormakaavioiden kalibrointiin ja luotettavuuden arviointiin on käytetty Saksassa, Italiassa ja muualla Ranskassa tehtyjä liikennemittauksia. Tutkimuksessa on huomioitu myös liikennemäärien ja liikenteen koostumuksen muutos tulevaisuudessa. (Groce & Sanpaolesi 2005.) Tutkimuksessa S-N-käyrille on käytetty yksinkertaistettua mallia ilman väsymisrajaa, missä kaltevuus =3 tai =5. Lisäksi on käytetty kaksikaltevuuksista käyrää ilman alempaa väsymisrajaa (Kuva 6). Käsikirjan mukaan yksinkertaistettu käyrä =5 on luotettava ja vastaa hyvin todellista väsymisvauriota. (Groce & Sanpaolesi 2005.) Kuva 6. Yksinkertaistetut S-N-käyrät. Tutkimuksen tuloksena käsikirjassa (Groce & Sanpaolesi 2005, s. I-37 43) esitellään Eurokoodissa käytössä olevat väsytyskuormakaaviot FLM 1 FLM 4. Väsytyskuormakaavioiden luotettavuutta on arvioitu vertaamalla todellisen liikenteen ja

23 20 väsytyskuormakaavion aiheuttamaa momenttia toisiinsa sillan jännemitan funktiona. Vertailun perusteella FLM 2:n ja FLM 4:n luotettavuus on hyvällä tasolla. FLM 2:lla laskettu tukimomentti on hieman epävarmalla puolella jännemitan kasvaessa yli 20 metrin. FLM 1 on varmalla puolella etenkin lyhyissä silloissa. FLM 3:n varmuustaso on hyvä lukuun ottamatta tukimomenttia, joka on epävarmalla puolella yli 40 metrin jännemitoilla. Tämän vuoksi Eurokoodissa ehdotetaan FLM 3 mitoituksessa käytettäväksi toista keveämpää, ensimmäisen ajoneuvon perässä kulkevaa väsytysajoneuvoa.

24 3 VÄSYMISLUOKKA Väsymisluokan määrittäminen Väsymisluokka kuvaa rakenteen väsymislujuutta eli kykyä kestää vaihtelevaa kuormitusta. Väsymisluokka riippuu rakenteen geometriasta sekä siihen kohdistuvan kuormituksen suunnasta ja tyypistä. Yleisimmille teräksisille rakenneyksityiskohdille väsymisluokat on määritetty standardissa SFS-EN s Siltojen teräsrakenteiden osalta väsymisluokkien valinnasta on esitetty tarkennuksia standardissa SFS-EN s. 48 ja Eurokoodin soveltamisohjeessa NCCI 4 s Taulukkoon 5 on koottu Eurokoodin mukaisia muutamia yleisimpiä siltojen pääpalkeissa esiintyvien detaljien väsymisluokkia. Taulukossa esitellään rakenneyksityiskohdat kuvallisesti ja sanallisesti. Rakenneyksityiskohdan kuvaan on piirretty geometrian lisäksi jännitysvaihtelun suunta nuolella ja sen aiheuttama oletettu väsytysmurtuman alkusärö. Sanallisessa kuvauksessa tarkennetaan, minkälaisia rakenteita tai tuotteita kyseessä oleva väsymisluokka koskee. Lisäksi taulukossa on vielä esitetty väsymisluokkaa koskevat vaatimukset. Väsymisluokkaa määritettäessä on hyvä huomata, että vaatimuksissa esitetty toteutustapa voi vaikuttaa merkittävästi detaljin väsymisluokan arvoon. Esimerkiksi detaljin 2 (Taulukko 5) väsymisluokka on 112 sijaan 71, jos päittäishitsi hitsataan vain yhdeltä puolelta. Levyn paksuus vaikuttaa väsymiskestävyyteen heikentävästi yli 25 mm paksuissa teräslevyissä (Niemi 2003, s. 98). Heikennys aiheutuu geometrisesta, tilastollisesta ja teknologisesta vaikutuksesta. Geometrian vaikutuksesta paksummassa aineessa pinnalla olevien säröjen vaikutus ulottuu syvemmälle verrattuna ohuisiin rakenteisiin. Tämän vuoksi särö kasvaa pitempään korkean jännityksen alueella ja kestoikä jää paksulla levyllä siten lyhemmäksi. Tilastollisesti suuremmissa rakenteissa on enemmän hitsiä ja siten myös suurempi mahdollisuus normaalia suurempaan alkuvikaan. Teknologinen vaikutus syntyy puolestaan suuremmista hitsausprosessin arvoista, jotka voivat aiheuttaa suurempia jäännösjännityksiä ja alkuvikoja. Eurokoodissa paksuuden vaikutus otetaan huomioon joko suoraan väsymisluokan määrityksessä (Taulukko 5, detalji 1), tai pienennyskertoimella ௦ (Taulukko 5, detalji 2). Detaljille käytetään silloin alennettua väsymisluokkaa (SFS-EN , s.18) ߪο, = ௦ ߪο. (12)

25 Taulukko 5. Väsymisluokkia siltojen pääpalkkien yleisimmille rakenneyksityiskohdille (SFS-EN ; NCCI , s. 107 mukaillen). 22 Väsymisluokka Rakenneyksityiskohta Kuvaus Vaatimukset ݐ Levyrakenteeseen hitsatut pystyjäykisteet. > 50 ݐ ݐ Hitsien päät hiotaan huolellisesti mahdollisen reunahaavan poistamiseksi. 112 Koon vaikutus, kun 25 : < ݐ ௦ ൬ 25 ൰ ǡଶ ݐ Levyjen ja laattojen poikittaisjatkokset sekä ennen kokoonpanoa tehtävät uuma- ja laippajatkokset. Levyn koon muuttuessa leveys- tai paksuussuunnassa viisteen kaltevuus 1Τ 4. Kaikki hitsit hiotaan levyn pinnan tasoon nuolen suunnassa. Käytetään aloitusja lopetuspaloja, jotka poistetaan myöhemmin, levyn reunat tulee olla tasaisia jännitysten suunnassa. Hitsaus molemmilta puolilta. NDT-tarkastus. 80 Hitsatun leikkausliittimen vaikutus perusaineeseen. 71 Laipan lisälevyn pää vahvistetulla poikittaisella otsahitsillä. ݐͷ on vahvistushitsin minimipituus. Otsahitsi hiotaan jouhevaksi. NDT-tarkastukset: 1) Lisälevyn hitsauksen ja hionnan jälkeen UT- ja MTtarkastus ja 2) uuman hitsauksen jälkeen liitokselle MT-tarkastus.

26 3.2 Muotovirheet 23 Hitsausliitoksissa on monesti muotovirheitä, jotka syntyvät valmistuksessa tapahtuneesta huonosta sovituksesta tai hitsauksen aiheuttamista muodonmuutoksista (Kuva 7). Rakenteen epäkeskisyys voi olla myös suunniteltua esimerkiksi levyn paksuuden muuttuessa. Muotovirheiden aiheuttama epäkeskisyys kasvattaa levyn pinnan jännityksiä, mikä heikentää väsymiskestävyyttä. (Niemi 2003, s. 94.) Kuva 7. Hitsausliitosten tyypillisiä muotovirheitä: a) sovitusvirhe, b) suunniteltu epäkeskisyys ja c) kulmavetäytymä (Niemi 2003, s.95 mukaillen). Sovitusvirheen (Kuva 7 a) vaikutus lasketaan kaavalla (Niemi 2003, s. 94) =1+ ଷ ௧, (13) missä on muotovirheen suurennuskerroin, on epäkeskisyys ja ݐ on levyn paksuus. Keskenään eripaksuille levyille (Kuva 7 b) muotovirheen suurennuskerroin lasketaan kaavalla (Hobbacher 2009, s. 130) =1+ ݐ ଵǡହ ௧ ଵ ݐ ൫ ଵǡହ ଵ ݐ ଵǡହ ଶ ൯, (14) భ missä ݐ ଵ on ohuemman ja ݐ ଶ paksumman levyn paksuus. Kulmanmuutoksen aiheuttama vaikutus riippuu levyn reunojen tuennasta. Reunastaan kiinteästi tuetuille levyille suurennuskerroin lasketaan kaavalla (Hobbacher 2009, s. 131) =1+ ଷ௬ ୲ୟ୬୦ሺఉΤ ଶ) ௧ ఉΤଶ (15) ja nivelellisesti tuetuille levyille kaavalla =1+ ௬ ୲ୟ୬୦ሺఉ), (16) ௧ ఉΤଶ missä ߚ = ଶ ߪ ඥ ௧ (17),ܧΤ

27 24 mitat ܮ,ݕ ja ݐ ovat Kuvan 7 kohdan c mukaiset, ߪ on levyn kalvojännitys ja ܧ on teräksen kimmokerroin. Kaavojen lopussa oleva sta :ߚ riippuva korjauskerroin pienentää kerrointa johtuen vetojännityksen liitosta suoristavasta vaikutuksesta. Sen arvo on aina 1, joten sen voi jättää myös huomioimatta. Jos liitoksessa on sekä kulmanmuutos että epäkeskisyys, suurennuskerroin lasketaan kaavasta (Hobbacher 2009, s. 94) =, +, 1, (18) missä, on epäkeskisyydestä aiheutuva suurennuskerroin ja, on kulmamuutoksesta aiheutuva suurennuskerroin. Rakenneyksityiskohdissa, joissa hitsiliitos on tuettu taivutusta vastaan esimerkiksi jatkuvalla jäykisteellä tai uumalla (detalji 2, Taulukko 5) ja ݐ ଶ ݐΤ ଵ 2, voidaan epäkeskisyyden vaikutus jättää kuitenkin huomioimatta (Nussbaumer et al. 2011, s. 111). Tuetuissa levyjen liitoksissa epäkeskisyyden aiheuttamat jännitykset ovat merkittävästi pienempiä. Edellä esitettyjä muotovirheen suurennuskertoimia sovelletaan vain liitoksen kalvojännitykseen, sillä muotovirheillä ei ole vaikutusta kuoren taivutusjännitykseen. Muotovirhe kasvattaa siten jännitystä seuraavasti (Nussbaumer et al. 2011, s. 120): (19),, ߪ +, ߪ = ߪ missä ߪ on muunnettu nimellinen jännitys, ߪ, on aksiaalisen jännityksen tai kalvojännityksen osuus nimellisestä jännityksestä ja ߪ, on taivutusjännityksen osuus nimellisestä jännityksestä. Toinen tapa ottaa muotovirheen vaikutus huomioon on pienentää väsymiskestävyyttä Kaavan 12 mukaan, jolloin ௦ =1Τ. (Niemi 2003, s. 94; Hobbacher 2009, s. 94; Nussbaumer et al. 2011, s. 151.) Eurokoodin mukaiset väsymisluokat (Taulukko 5) sisältävät valmiiksi jonkin verran muotovirheen vaikutusta, minkä suuruutta ei ole kuitenkaan tarkemmin eritelty. IIW:n (International Institute of Welding) taulukoista (Hobbacher 2009, s ) löytyy kuitenkin Eurokoodia vastaavia väsymisluokkia, joissa muotovirheen suuruuksia on annettu. Päittäishitsien parempilaatuisissa liitoksissa sallitaan epäkeskisyys 5 % (Taulukko 5, detalji 2) ja muissa päittäishitseissä epäkeskisyys 10 %, mitkä vastaavat :n arvoja 1,15 ja 1,3. Poikittaiselle kuormaa kantamattomalle kiinnitykselle (Taulukko 5, detalji 1) väsymisluokkaan sisällytetty muotovirhe on 1,2. Hitsiluokkiin verrattuna hitsiluokassa B sallittu epäkeskisyys on 10 % (enintään

28 25 3 mm) ja hitsiluokassa B+ sallittu epäkeskisyys on 5 % (enintään 2 mm) (SFS-EN ISO 5817; SFS-EN ). Jos tutkittavassa detaljissa esiintyy väsymisluokkiin sisällytettyjä -arvoja suurempia muotovirheiden vaikutuksia, ne on otettava huomioon laskennassa. Muotovirheen suurennuskertoimelle voi käyttää tällöin arvoa (Hobbacher 2009, s. 94) ǡ ǡ௦ Τ, (20) ǡ௦௦ missä ǡ on muotovirheen suurennuskertoimen tehokas arvo, ǡ௦ on detaljille laskettu muotovirheen suurennuskerroin ja muotovirheen suuruus. ǡ௦௦ on väsymisluokan sisältämä 3.3 Nimellinen ja muunnettu nimellinen jännitys Eurokoodissa (SFS-EN s ) ja taulukossa 5 esitetyt väsymisluokat perustuvat nimellisen jännityksen käyttämiseen mitoituksessa. Nimellinen jännitys on perusaineessa tai hitsissä mahdollisen alkusärön vieressä oleva jännitys, joka lasketaan yleensä käyttäen kimmoteorian mukaisia tavanomaisia lujuusopin kaavoja. Rakenteen geometriasta aiheutuvia jännityskeskittymiä ei oteta huomioon, sillä niiden vaikutus on jo huomioitu väsymisluokan arvossa. Jos kuitenkin tutkittavassa detaljissa on jokin geometrinen epäjatkuvuus (Kuva 8), jota ei ole huomioitu standardin mukaisessa detaljin luokituksessa, jännitysheilahduksen määrittämisessä on käytettävä muunnettua nimellistä jännitystä. (SFS-EN ; Niemi 2003, s. 98.) Kuva 8. Rakenteellisia geometrioita, joiden aiheuttamat jännityskeskittymät otetaan huomioon muunnettua nimellistä jännitystä laskettaessa (Niemi 2003, s. 94 mukaillen). Muunnettu nimellinen jännitys lasketaan kaavalla (Nussbaumer et al. 2011, s. 107) (21), ߪ ߪ

29 26 missä ߪ on muunnettu nimellinen jännitys, on jännityskonsentraatiokerroin ja ߪ on nimellinen jännitys. Jännityskonsentraatiokertoimella voi ottaa huomioon esimerkiksi rakenteessa olevan reiän vaikutukset jännityksen arvoon (Kuva 9). Muunnetun nimellisen jännityksen laskennassa huomioidaan lisäksi detaljissa olevat muotovirheet kappaleessa 3.2 esitetyllä tavalla. Kuva 9. Jännityskonsentraatiokertoimen arvoja levyssä olevalle reiälle perustuen nettopoikkileikkauksen X-X jännitykseen (BS 7608, Nussbaumer et al s.108 mukaan mukaillen). 3.4 Väsymisluokat hot spot -jännitykselle Kun rakenne on monimutkainen ja nimellisen jännityksen laskeminen on vaikeaa tai kun rakenneyksityiskohdalle ei löydy valmiiksi määritettyä väsymisluokkaa, hitsiliitoksen väsymismitoituksessa voi käyttää geometriseen jännitykseen eli hot spot -jännitykseen perustuvaa menetelmää. Hot spot -jännitys on hitsin rajaviivan vieressä oleva perusaineen suurin pääjännitys, jossa on huomioitu rakenneyksityiskohdan kokonaisgeometriasta aiheutuvat jännityskeskittymät. Hot spot -menetelmää voi käyttää tapauksille, joissa särön kasvaminen alkaa hitsin rajaviivalta. Hitsin juuresta ydintyvää ja hitsin läpi etenevää väsymistä menetelmällä ei voi tutkia, koska hot spot -jännitys määritetään levyn pinnalta. Väsymismitoitusta varten standardin SFS-EN liitteessä B on annettu hot spot -jännitykseen perustuvan menetelmän yhteydessä käytettävät väsymisluokat, jotka on esitetty Taulukossa 6. (SFS-EN ; Niemi 1996, s. 20; Niemi 2003, s. 101.)

30 Taulukko 6. Hot spot -jännityksiin perustuvat väsymisluokat (SFS-EN s. 40 mukaillen). 27 Väsymisluokka Rakenneyksityiskohta Kuvaus Vaatimukset Läpihitsattu päittäisliitos. Läpihitsattu päittäisliitos. Ristinmuotoinen liitos, jossa on täysin läpihitsatut K-päittäishitsit. Kaikki hitsit hiotaan levyn pinnan tasoon nuolen suunnassa. Käytetään aloitus- ja lopetuspaloja, jotka poistetaan myöhemmin, levyn reunat tulee olla tasaisia jännitysten suunnassa. Hitsaus molemmilta puolilta. NDT-tarkastus. Hitsit eivät levyn pinnan tasossa. Käytetään aloitus- ja lopetuspaloja, jotka poistetaan myöhemmin, levyn reunat tulee olla tasaisia jännitysten suunnassa. Hitsataan molemmilta puolilta. Levyn ja hitsin välinen kulma hitsin rajaviivan kohdalla Kuormaa kantamattomat pienahitsit. Levyn ja hitsin välinen kulma hitsin rajaviivan kohdalla Konsolien päät, pituusjäykisteiden päät. Levyn ja hitsin välinen kulma hitsin rajaviivan kohdalla Peitelevyn päät ja vastaavat liitokset. Levyn ja hitsin välinen kulma hitsin rajaviivan kohdalla Ristiliitokset, joissa on kuormaa kantavat hitsit. Levyn ja hitsin välinen kulma hitsin rajaviivan kohdalla 60.

31 28 Hot spot -menetelmän mukaisissa väsymisluokissa (Taulukko 6) on otettava huomioon huonon sovituksen vaikutukset (SFS-EN s. 40). Muotovirheiden vaikutukset lasketaan kappaleen 3.2 mukaisesti tai otetaan huomioon laskennassa käytettävässä rakennemallissa. Lähteiden (Hobbacher 2009, s. 94; Nussbaumer et al. 2011, s. 187) mukaan Taulukon 6 väsymisluokkiin on sisällytettynä muotovirhe = 1,05. Detaljeille 2, 3, 4 ja 7 (Taulukko 6) suositellaan lisäksi lähteessä (Nussbaumer et al. 2011, s ) koon vaikutuksen huomioimista Kaavan 12 mukaisesti. 3.5 Hot spot -jännitys Määritelmän mukaan hot spot -jännitys on levyn pinnalla kriittisessä kohdassa hitsin rajaviivalla oleva rakenteellinen jännitys ߪ ௦, joka muodostuu kalvojännityksestä ߪ ja taivutusjännityksestä ߪ (Kuva 10). Hitsin reunassa olevan loven vaikutus ߪ ei sisälly hot spot -jännitykseen, sillä loven vaikutus sisältyy kokeellisesti määritettyihin S-Nkäyriin. Hot spot -jännityksessä otetaan huomioon kokonaisgeometriasta aiheutuvien jännityskeskittymien lisäksi muotovirheiden ja epäjatkuvuuksien vaikutukset. Yleensä hot spot -jännityksenä käytetään suurempaa pääjännitystä, sillä se on usein hitsin rajaviivaa vastaan kohtisuorassa suunnassa. Kaksiakselisessa jännitystilassa hot spot -jännityksenä käytetään suurempaa pääjännitystä, jos sen suunta on välillä ± 60 rajaviivan normaalista. Muissa tapauksissa käytetään hitsin rajaviivaa vastaan kohtisuorassa olevaa normaalijännitystä, jolloin on tarkistetta lisäksi hitsin pituussuuntainen väsymiskestävyys. (Niemi 2003, s. 99.) Kuva 10. Hitsin reunan lovijännitys ߪ voidaan jakaa kalvojännitykseen ߪ, taivutusjännitykseen ߪ ja loven aiheuttamaan epälineaariseen huippujännitykseen ߪ (Niemi 2003, s. 12 mukaillen). Hot spot jännitykset jaetaan kahteen eri tyyppiin. Tyypin a hot spot sijaitsee hitsin rajaviivassa levyn pinnalla, kun taas b tyypin hot spot sijaitsee levyn reunassa olevan hitsin rajaviivassa (Kuva 11). Tyypin b hot spot -jännitys on hankalampi määrittää,

32 sillä reunan lyhyen hitsin lovivaikutus jakaantuu epälineaarisena levyn tasossa. Tällöin puhdas rakenteellinen jännitys on vaikea erottaa jännityshuipusta. (Niemi 2003, s. 99.) 29 Kuva 11. Detalji, johon on merkitty a ja b tyypin hot spot -kohtia (Nussbaumer et al. 2011, s. 119 mukaillen). Rakenteen hot spot -jännitys voidaan määrittää joko venymäliuskamittauksella prototyypistä, elementtimenetelmällä laskemalla tai käyttämällä soveltuvia jännityskonsentraatiokertoimia. FEM-analyysien perusteella lovivaikutus vaikuttaa jännityksiin etäisyydellä 0,4 kertaa levyn paksuus mitattuna hitsin rajaviivasta. Hot spot -jännitys saadaan siten määritettyä mittaamalla jännitys tämän alueen ulkopuolelta ja ekstrapoloimalla tuloksista hitsin rajaviivalla vaikuttava hot spot -jännitys. (Niemi 2003, s. 100.) Kuva 12. Tyypin a hot spot -jännitysten lineaarinen ekstrapolointi hitsin rajaviivalle (Niemi 2003, s. 100 mukaillen). Kuvan 12 mukaisille mittauskohdille hot spot -jännitys ekstrapoloidaan kaavalla (Niemi 2003, s. 100) (22), ଶ ߪ 0,67 ଵ ߪ 1,67 = ௦ ߪ

33 30 missä ߪ ௦ on ekstrapoloitu hot spot -jännitys ja ߪ ଵ, ߪ ଶ ovat suuremmat pääjännitykset Kuvan 12 mukaisilla etäisyyksillä hitsin rajaviivasta. Tyypin b hot spot -jännitys määritetään sopimuksen mukaisella mittaustavalla, jossa jännitys mitataan 4 mm jaolla etäisyyksillä 4, 8, ja 12 mm hitsin rajaviivasta. Hot spot -jännityksen ekstrapolointi tehdään epälineaarisella kaavalla (Niemi 2003, s. 101) (23), ଵଶ ߪ ߪ ସ ߪ 3 = ௦ ߪ missä ߪ ସ, ߪ ja ߪ ଵଶ ovat jännitykset etäisyyksillä 4, 8, ja 12 mm hitsin rajaviivasta. Elementtimenetelmällä (FEM) laskettaessa voidaan rakenne mallintaa joko kuori- tai solidielementeillä. Solidielementtejä käytettäessä mallinnetaan liitoksiin myös hitsit. Levyn paksuutta riittää kuvaamaan yleensä yksi kerros solidielementtejä. Suositeltavaa on käyttää redusoitua integrointia, jolloin jännitysjakauma on lineaarinen elementin yli. Kuorielementit mallinnetaan levyn keskilinjalle. Hitsit voi tarvittaessa mallintaa mukaan kuorielementtimalliin vähentämään mahdollisia singulariteettiongelmia (Kuva 13). Tavallisesti hot spot -jännitys lasketaan FEM-malleista epälineaarisen huippujännitysalueen ulkopuolelta tehtävällä lineaarisella ekstrapoloinnilla Kaavan 22 mukaan. Elementtien koko pitää täsmätä laskentamallissa niin, että jännitykset voi poimia solmupisteistä oikealta etäisyydeltä hitsin rajaviivasta (Kuva 12). Solidimallista, jossa jännitysjakauma on lineaarinen levyn paksuuden yli, hot spot -jännitys on mahdollista poimia suoraan hitsin rajaviivalta. Tällöin käytettävä solmupisteen jännitys ei kuitenkaan saa olla keskiarvo viereisistä elementeistä, mikä johtaisi väärään tulokseen. Elementtimalleissa ei yleensä ole mukana muotovirheitä, joten niiden vaikutus jännityksiin voidaan huomioida korjaamalla laskettua jännitystä kertoimilla kappaleen 3.2 mukaisesti. (Niemi 1996, s. 25; Niemi 2003, s. 101.) Kuva 13. Hitsin mallintaminen kuorielementeillä (Niemi 2003, s. 102 mukaillen).

34 31 Tyypin b hot spot -jännitys voidaan määrittää FEM-mallista ekstrapoloimalla jännitykset Kaavalla 23. Vaihtoehtoinen tapa harvempaa elementtiverkkoa varten on käyttää 8-solmuista kuorielementtiä tai 20 solmuista solidielementtiä. Jännitykset luetaan hitsin vierestä ensimmäisen ja toisen elementin keskisolmusta (Kuva 14). Tällöin hot spot -jännitys lasketaan lineaarisella ekstrapoloinnilla kaavasta (Niemi 2003, s. 102) (24), ଶ ߪ 0,5 ଵ ߪ 1,5 = ௦ ߪ missä ߪ ଵ ja ߪ ଶ ovat Kuvan 14 mukaisista solmupisteistä poimitut jännitykset. Kuva 14. Elementtiverkko ja ekstrapolointipisteet tyypin b hot spot -jännitykselle (Niemi 2003, s.102 mukaillen). Hot spot -jännitys on mahdollista laskea myös käyttäen rakennekohtaista jännityskonsentraatiokerrointa ǡ௦, jolloin hot spot -jännitys lasketaan kaavalla (Nussbaumer et al. 2011, s. 120) (25). ߪ ௦ ǡ௦ ߪ Kirjallisuudessa kertoimelle ǡ௦ käytetään myös symbolia SCF (stress concentration factor). Menetelmää käytetään esimerkiksi rakenneputkien hitsiliitosten väsymismitoituksessa (Ongelin & Valkonen 2016, luku 4).

35 3.6 Hitsiliitoksen väsymisluokan parantaminen jälkikäsittelyllä 32 Teräsrakenteessa olevat hitsit ovat yleensä väsymisen kannalta rakenteen kriittisin kohta, sillä hitsin rajaviivaan muodostuu helposti hitsauksessa paikallinen lovi ja mahdollinen alkusärö väsymismurtumalle. Hitsatun liitoksen väsymisluokka onkin usein pieni verrattuna muuhun rakenteeseen, mikä voi rajoittaa jännitystasoa väsyttävästi kuormitetuissa rakenteissa. Tämän vuoksi nykyisiä korkealujuusteräksiä ei välttämättä voida hyödyntää väsymismitoituksen ollessa määräävä, sillä lujuuden kasvattaminen ei kasvata väsymiskestävyyttä. Hitsien väsymislujuuden parantamista varten on kuitenkin kehitetty useita jälkikäsittelymenetelmiä. Nämä menetelmät jakautuvat toimintaperiaatteiden perusteella kahteen kategoriaan: 1. hitsigeometrian parantaminen ja 2. jäännösjännitysmenetelmät. Hitsigeometriaa parantavissa menetelmissä pyritään poistamaan levyn pinnalla hitsin rajaviivassa olevat alkusäröinä toimivat lovet ja hitsausvirheet. Lisäksi muotoilemalla rajaviivaa jouhevammaksi hitsin aiheuttamaa lovijännitystä on mahdollista pienentää. Jäännösjännitysmenetelmissä puolestaan pyritään estämään särön avautuminen ja kasvu saamalla aikaan puristusjäännösjännitystila hitsin rajaviivalle. Myös lämpökäsittelyt, joilla pienennetään hitsauksen aiheuttamia vetojäännösjännityksiä, kuuluvat 2. kategoriaan. (Niemi & Tarjavuori 1995; Niemi 2003.) Terärakenteiden väsymistä koskevassa Eurokoodi-standardissa (SFS-EN ) hitsin väsymiskestävyyttä parantavia jälkikäsittelymenetelmiä ei käsitellä lukuun ottamatta jäännösjännitysten poistoa. Terässiltoja käsittelevä Eurokoodi-standardi mahdollistaa kuitenkin hitsien jälkikäsittelymenetelmien hyödyntämisen siltojen teräsrakenteissa: Hitsin jälkikäsittely, kuten hitsin sularajan hionta tai TIG-käsittely, vasarointi, raepuhallus hitsin alueen sularajan kohdalta, voidaan tarvittaessa käyttää kiinnityksen väsymiskestävyyden parantamiseksi. (SFS-EN , s. 48.) Standardissa ei ole annettu ohjeita, kuinka paljon väsymiskestävyyttä voi parantaa ja minkälaisiin liitoksiin menetelmiä voi soveltaa. Kirjallisuudesta löytyy kuitenkin aihetta käsitteleviä tutkimuksia ja suosituksia jälkikäsittelymenetelmien käyttöön. Seuraavissa

36 33 kappaleissa käsitellään yleisimpiä hitsien jälkikäsittelymenetelmiä ja esitetään IIW:n suosituksia eri menetelmillä saavutettavasta väsymislujuuden paranemisesta. IIW:n suositukset on esitetty julkaisussa IIW Recommendations on Post Weld Improvement of Steel and Aluminium Structures (Haagensen & Maddox 2009), jossa annetaan lisäksi ohjeita hitsin jälkikäsittelyn suorittamiseen ja laadun varmistukseen. IIW:n ultraäänivasarointia koskevat ohjeet ja suositukset löytyvät julkaisusta IIW Recommendations for the HFMI Treatment - For Improving the Fatigue Strength of Welded Joint (Marquis & Barsoum 2016) Myöstö Myöstö eli jännitysten poistohehkutus on lämpökäsittelymenetelmä, jolla on tarkoitus pienentää hitsauksen aiheuttamia sisäisiä vetojäännösjännityksiä (Niemi & Tarjavuori 1995, s. 15). Menetelmässä hitsattu teräsrakenne kuumennetaan hitaasti C lämpötilaan, jolloin teräksen myötöraja pienenee ja sisäiset jännitykset pääsevät laukeamaan. Rakenteen jäähdytys suoritetaan myös hitaasti, jotta uusia jännityksiä ei pääse syntymään rakenteeseen. Menetelmän ongelmana on suurten kappaleiden hankala käsittely. Eurokoodin mukaan hitsatulle rakenteelle voidaan myöstettynä käyttää mitoituksessa tehollista jännitysvaihteluväliä, jossa jännitysheilahduksesta lasketaan mukaan vedetty alue kokonaan ja puristuspuolella olevasta alueesta 60 % (SFS-EN , s. 17). Tehollista jännitysvaihteluväliä voi käyttää myös hitsaamattomille rakenneyksityiskohdille, jolloin myöstöä ei tarvita Hionta Hiomalla poistetaan mekaanisesti pintaan ulottuvat ja alkusäröinä toimivat hitsausvirheet hitsin rajaviivalta. Lisäksi hiomalla muokataan hitsin rajaviivan geometriaa paremmaksi niin, että lovijännityskonsentraatio pienenee. Päittäisliitoksista voidaan hioa hitsikupu tasaiseksi. Pienahitseistä poistetaan hiomalla noin 0,8 2,0 mm paksusti materiaalia hitsin rajaviivalta siten, että hitsivirheet saadaan poistettua ja käsitelty pinta on sileä. Hiontamenetelmiä ovat koneviilaus ja laikkahionta. Koneviilauksessa käytetään yleensä pneumaattisesti tai hydraulisesti toimivaa nopeasti pyörivää pyöreäkärkistä viilaa. Laikkahionta on nopeampi menetelmä, jossa hionta suoritetaan kulmahiomakoneella. Koneviilaukseen verrattuna laikkahionnalla saavutettava väsymiskestävyyden kasvu on pienahitseissä pienempi, koska

37 laikkahionnan hiomanaarmut ovat hitsin rajaviivan suuntaiset. (Niemi & Tarjavuori 1995, s. 4-6.) 34 Eurokoodissa päittäishitsille on mahdollista valita korkeampi väsymisluokka (detalji 1, Taulukko 5), jos hitsi on hiottu levyn pinnan tasoon. Hiotun päittäishitsin väsymisluokka on 112, kun taas hiomattomalla päittäishitsillä se on 80 tai 90 riippuen hitsin kuvun korkeudesta. Lisäksi osassa Eurokoodin mukaisten väsymisluokkien rakenneyksityiskohdissa esitetään vaatimuksia hitsin reunahaavan poistamisesta ja geometrian muotoilusta jouhevaksi hiomalla. (SFS-EN , s ) IIW:n suositusten mukaan hiomalla parannetun hitsiliitoksen väsymisluokka saadaan suurentamalla alkuperäistä väsymisluokkaa kertoimella 1,3 ja pyöristämällä näin saatu luku alaspäin seuraavaan väsymisluokkaan. Esimerkiksi hitsatulle liitokselle, jonka väsymisluokka on 80, lasketaan hiomalla parannettu väsymisluokka seuraavasti: 1,3 80 = 104, mistä saadaan uudeksi väsymisluokaksi 100. Suurin väsymisluokka, jossa suurennuskerrointa voi käyttää, on 90. Sitä suuremmissa väsymisluokissa vaurioitumismuoto ei ole hitsin reunaviivan murtuminen tai detaljin hitsien väsymiskestävyyttä on jo parannettu hiomalla. Eurokoodin ja IIW:n väsymisluokat ovat pääpiirteissään samat, mutta IIW:n mukaiset S-N-käyrät ovat hieman Eurokoodin S-Nkäyriä konservatiivisemmat. Siksi väsymismitoituksessa on syytä käyttää IIW:n mukaisia S-N-käyriä (Kuva 15) jälkikäsittelyllä parannetuille hitsiliitosten väsymisluokille. Eurokoodiin verrattuna IIW:n S-N -käyrissä kaltevuudet ovat samat, mutta taitekohta on viiden miljoonan syklin sijaan 10 miljoonan syklin kohdalla. Lisäksi erona on suuria jännitysheilahduksia rajoittava hitsaamattoman teräsmateriaalin S-Nkäyrä ߪο ) = 160, =5). IIW:n S-N-käyriin ei myöskään ole merkitty alempaa väsymisrajaa, jolloin käyrän oletetaan jatkuvan taitekohdan jälkeen kaltevuudessa =5 vaaka-akselille saakka ja pienetkin jännitysheilahdukset lasketaan mitoituksessa mukaan vauriokertymään. (Haagensen & Maddox 2009, s. 10.) Hot spot -jännityksille voi myös käyttää parannettua väsymisluokkaa, jos hitsin reunahaava hiotaan pois. Parannettu väsymisluokka on 125 kuormaa kantamattomille pienahitseille ja 112 kuormaa kantaville pienahitseille. Kuormaa kantavilla hitseillä on lisäksi otettava huomioon mahdollinen hitsin juuresta alkava murtuminen. (Haagensen & Maddox 2009, s. 33.)

38 Normaalijännityksen vaihteluväli ȟɐ (teräs) E+04 1E+05 1E+06 1E+07 1E+08 Jännityssyklien lukumäärä Kuva 15. S-N-käyrät jälkikäsittelyllä parannetuille väsymisluokille (Haagensen & Maddox 2009, s. 10 mukaillen) TIG- ja plasma-käsittely TIG- ja plasma-käsittely ovat uudelleensulatusmenetelmiä. Menetelmissä sulatetaan hitsin rajaviivalta alkusäröt pois ja muotoillaan samalla hitsin liittyminen perusaineeseen jouhevaksi. Lisäksi käsittelyn vaikutuksesta osa metallista hieman kovenee, jolloin särön ydintyminen vaikeutuu. TIG-käsittelyssä hitsin rajaviiva sulatetaan tavallisella TIG-polttimella, eikä lisäainetta yleensä käytetä. TIG-poltinta kuljetetaan 90 kulmassa peruslevyn päällä 0,5-1,5 mm etäisyydellä rajaviivasta. Valokaaren kohdistaminen rajaviivan tai hitsin päälle aiheuttaa sulan valumista ja synnyttää uuden jyrkän rajaviivan hitsille. Plasmapolttimella tehtävä käsittely suoritetaan samoin kuin TIG-käsittely. Plasma-käsittelyn energiantuonti on kuitenkin suurempi, mikä mahdollistaa nopeamman käsittelyn. Korkeamman lämmöntuonnin aiheuttama suurempi sulavyöhyke tekee myös hitsin rajaviivasta jouhevamman, eikä

39 plasmapolttimen kohdistaminen ole yhtä kriittistä kuin TIG-polttimen. (Niemi & Tarjavuori 1995, s. 6-9.) 36 TIG-käsittelyllä aikaan saatava väsymisluokan parannus on IIW:n suosituksissa hionnan kanssa samaa luokkaa. Eli väsymisluokka kerrotaan 1,3:lla ja pyöristetään alaspäin seuraavaan mahdolliseen väsymisluokkaan. TIG-käsittelyllä parannettu väsymisluokka hot spot -jännityksille on 125 kuormaa kantamattomille pienahitseille ja 112 kuormaa kantaville pienahitseille. Mahdollinen hitsin juuresta alkava väsymismurtuma on otettava huomioon kuormaa kantavilla pienahitseillä. Suunnittelussa käytettävät S-Nkäyrät ovat Kuvan 15 mukaiset. (Haagensen & Maddox 2009, s. 18, 33.) Kuulapuhallus Kuulapuhalluksella pyritään vaikuttamaan metallin pinnan jäännösjännityksiin pommittamalla pintaa kuulilla, joiden nopeus on m/s. Kuulapuhalluksessa käytettävät kuulat valmistetaan valuteräksestä, keraameista tai katkotusta teräslangasta ja niiden halkaisija on noin 0,2 1,0 mm. Kuulien iskut aiheuttavat metallin pinnassa plastisen muodonmuutoksen, jolloin levyn pintaan saadaan aikaiseksi puristusjäännösjännitys. Kuulapuhalluksella käsittelemällä hitsin rajaviivan vetojäännösjännitykset saadaan muutettua puristusjäännösjännityksiksi. Kuulapuhallus on suoritettava riittävän huolellisesti, jotta saavutetaan riittävän suuri plastinen muokkaus ja puristusjäännösjännitysalue ulottuu hitsausvirheiden alapuolelle. Suuremmilla kuulilla saadaan tarvittaessa aikaiseksi suurempi plastinen muokkaus. Kuulapuhalluksella saavutettava väsymisluokan paraneminen on vähintään 25 %, mikä tarkoittaa väsymiskestävyyden parantumista kahdella luokalla. (Niemi & Tarjavuori 1995, s. 12, 41.) Vasarointi Vasarointi on hitsin rajaviivan muokkaamista voimakkailla mekaanisilla iskuilla, mikä parantaa rajaviivan geometriaa ja muuttaa vetojäännösjännityksen väsymisen kannalta paremmaksi puristusjäännösjännitykseksi. Työkaluna vasaroinnissa käytetään sähköisesti tai pneumaattisesti toimivaa talttausvasaraa, jonka iskunopeus on iskua/s. Vasarointi suoritetaan taltalla, jonka terän kaikki kulmat on joko pyöristetty tai terän pää on kokonaan puolipallon muotoinen (hammer peening). Toinen tapa on käyttää teränä pyöreäkärkisistä terästangoista koostuvaa neulakimppua (needle

40 37 peening). Kimpun tulisi olla suorakaiteen muotoinen ja suhteellisen kapea, jotta hitsin rajaviivan vasaroiminen onnistuisi paremmin. Vasaroinnissa talttainta kuljetetaan pitkin hitsin rajaviivaa 45 kulmassa peruslevyyn nähden ja kohtisuorassa kuljetussuuntaa vastaan. Aikaan saadun uran tulisi olla sileä, eikä siinä saisi näkyä yksittäisten iskujen aiheuttamaa hammastusta. Vasarointi toistetaan tarvittaessa, jotta käsittely on kattava ja pinta sileä. Uran syvyys rakenneteräksillä pitäisi olla vähintään 0,15 mm. (Niemi & Tarjavuori 1995, s. 13; Haagensen & Maddox 2009, s ) Vasaroinnilla saavutettava väsymisluokan paraneminen riippuu IIW:n mukaan käytettävän teräksen lujuudesta. Myötörajaltaan alle 355 MPa teräksille käytetään väsymisluokan suurennuskerrointa 1,3 ja kun myötöraja on 355 MPa tai yli, kerroin on 1,5. Jälkikäsittelyllä parannetulle hitsiliitokselle käytetään laskennassa Kuvan 15 mukaisia S-N-käyriä ja väsymisluokkaa, joka saadaan pyöristämällä kertoimella suurennettu arvo alaspäin seuraavaan mahdolliseen väsymisluokkaan. Koska vasaroitu hitsi on altis keskijännityksen vaikutuksille, korotettua väsymisluokkaa voi käyttää seuraavissa olosuhteissa: ω Maksimi nimellinen puristusjännitys jännityshistoriassa on alle 0,25 ௬; ω Kun jännityssuhde = ఙ ఙ 0, jännitysheilahdus on ߪ = ߪο ௫ ߪ ; ω Kun jännityssuhde on välillä 0 0,4, tehokas jännitysheilahdus on ߪ ௫. Hot spot -jännityksillä tehtävälle väsymismitoitukselle hitsiliitoksen väsymiskestävyys paranee vasaroimalla 2-3 luokkaa riippuen teräksen myötörajasta (Taulukko 7). Kuormaa kantaville pienahitseille on lisäksi tarkistettava kestävyys hitsin juuresta alkavalle väsymismurtumalle. (Haagensen & Maddox 2009, s ) Taulukko 7. Hot spot -jännitysten väsymisluokat vasaroimalla parannetuille pienahitseille, paksuus 4 20 mm (Haagensen & Maddox 2009, s. 33 mukaillen). Teräksen myötöraja ௬ Kuormaa kantavat pienahitsit Kuormaa kantamattomat pienahitsit ௬ < 355 MPa ௬ 355 MPa

41 3.6.6 Ultraäänivasarointi 38 Ultraäänivasarointi eli UIT (ultrasonic impact treatment) tai HFMI (high frequency mechanical impact) on vasarointimenetelmä, jossa hitsin rajaviivaan kohdistuvat iskut suoritetaan erittäin suurella taajuudella (>90 Hz) ja pienellä amplitudilla. Käytettävän työkalun iskevä terä koostuu yhdestä tai useammasta ohuesta pyöreäpäisestä terästangosta. Menetelmää varten useampi valmistaja on kehitellyt erityyppisiä työkaluja ja laitteita, joilla päästään kuitenkin oikein käytettynä suunnilleen samaan lopputulokseen. Laitteiden käytössä on syytä noudattaa valmistajan ohjeita ja käyttäjille on järjestettävä koulutus, jotta käsittely tulee suoritettua oikein. Menetelmän etuna tavalliseen vasarointiin verrattuna on käyttäjäystävällisyys, suhteellisen suuri käsittelynopeus ja hyvät tulokset väsymislujuuden parantamisessa. Samoin kuin vasaroinnissa, menetelmän väsymislujuutta parantava vaikutus muodostuu hitsin rajaviivan geometrian muokkaamisesta ja plastisen muodonmuutoksen aiheuttamasta puristusjäännösjännityksestä. (Y ld Τ m 2013; Marquis & Barsoum 2016.) IIW:n suositusten mukaan väsymiskestävyyden suurin saavutettava paraneminen ultraäänivasaroinnilla on oikein suoritettuna 4 8 väsymisluokkaa riippuen teräksen lujuudesta (Kuva 16). Suurin parannettava väsymisluokka on 90, kuten muissakin menetelmissä. Suurin mahdollinen saavutettava väsymisluokka on 180, kun ௬ 550 MPa. Suuret jännityssuhteen arvot pienentävät ultraäänivasaroinnilla parannettua väsymisluokkaa (Taulukko 8). Lisäksi, jotta parannettua väsymisluokkaa voi käyttää, maksimijännitykselle on rajoitus ߪ ௫ 0,8 ௬. Rajoitus voidaan myös esittää maksimijännitysvaihteluvälille ߪο ௫ jännityssuhteen funktiona (Kuva 17). Kuvassa ߪο ௫ = 0,9 ௬ viivan vaakasuoralla osuudella, eli kun 0,125. (Marquis & Barsoum 2016, s )

42 39 Maksimi väsymisluokan kasvu Fy < ч Fy < ч Fy < ч Fy < 950 Fy ш 950 Teräksen myötöraja Fy [MPa] Kuva 16. Ultraäänivasaroinnilla saavutettava väsymisluokan kasvu myötörajan ௬ funktiona, kun 0,15 (Marquis & Barsoum 2016, s. 20 mukaillen) Maksimi jännitysheilahdus Ʃı ,5 0 0,5 Jännityssuhde R f y : Kuva 17. Maksimijännitysheilahduksen rajoitukset jännityssuhteen funktiona eri myötörajann arvoille (Marquis & Barsoum 2016, s. 24 mukaillen). Taulukko 8. Väsymisluokkien vähentäminen ultraäänivasaroinnilla parannetuille väsymisluokille jännityssuhteen perusteella (Marquis & Barsoum 2016 mukaillen). Jännityssuhde Minimivähennys väsymisluokkaan 0,15 Ei vähennystä 0,15 < 0,28 Yksi väsymisluokka 0,28 < 0,4 Kaksi väsymisluokkaa 0,4 < 0,52 Kolme väsymisluokkaa 0,52 < Ei tietoa saatavissa, vaatii selvittämisen väsytyskokeilla

43 40 Ultraäänivasaroinnille parannetuille hitsiliitoksille käytettävät S-N-käyrät poikkeavat suuresti Eurokoodin mukaisista S-N-käyristä. IIW suosittelee käytettäväksi kaksikaltevuuksista käyrää, jossa kaltevuus =5, kun < 10 ja =9, kun 10 (Kuva 18). Pienillä syklimäärillä voi väsymiskestävyys jäädä kaltevuudesta =5 johtuen parannetulla hitsiliitoksella pienemmäksi kuin alkuperäisellä väsymisluokalla ja käyrän kaltevuudella =3. Teräksellä, jonka ௬ = 355 MPa, tämä raja on sykliä. Ultraäänivasarointi ei siis paranna väsymiskestävyyttä suurilla jännitysheilahdusten arvoilla. (Marquis & Barsoum 2016.) 1000 Normaalijännityksen vaihteluväli ȟɐ E+04 1E+05 1E+06 1E+07 1E+08 Jännityssyklien lukumäärä Kuva 18. S-N-käyrät Ultraäänivasaroinnilla parannetulle hitsiliitokselle (Marquis & Barsoum 2016, s. 20 mukaillen). Ultraäänivasaroinnilla saavutettava parannetut väsymisluokat hot spot -jännityksille on esitetty Taulukossa 9. Jotta nimellisen jännityksen väsymisluokka ei olisi yli 180, taulukossa on annettu minimiarvoja hot spot -jännityksen konsentraatiokertoimelle,௦

44 41 (kaava 25). Lisäksi mitoituksessa pitää ottaa huomioon edellä mainitut rajoitukset koskien jännityssuhdetta (Taulukko 8) ja maksimijännitystä (Kuva 17). S-N-käyrät ovat Kuvan 18 mukaiset, eli =5, kun < 10 ja =9, kun 10. (Marquis & Barsoum 2016, s ) Taulukko 9. Ultraäänivasaroinnilla parannetun pienahitsin väsymisluokat ja rajoitukset hot spot -jännityksille (Marquis & Barsoum 2016, s. 26 mukaillen). Kuormaa kantavat pienahitsit Kuormaa kantamattomat pienahitsit ௬(MPa) ߪο,௦, ߪο,௦, < , , ,25 > , , Menetelmien vertailu Hitsin jälkikäsittelymenetelmiä on vertailtu Taulukossa 10. Vertailua varten tietoja menetelmien käytettävyydestä ja soveltuvuudesta tuotantoon kysyttiin Ruukki Construction Oy:n Ylivieskan konepajalta (Koskimaa 2017). Arviot käsittelynopeuksista sekä menetelmillä saavutettavista väsymiskestävyyden paranemisista perustuvat lähdekirjallisuudessa esitettyihin tietoihin. Myöstöstä ei ole hyötyä väsymiskestävyyden kannalta, jos jännitysheilahdukset ovat kokonaan vetopuolella. Tämän perusteella muut menetelmät ovat myöstöä parempia. Taulukossa muille menetelmille esitetyt väsymiskestävyyden paranemisen arvot ovat maksimiarvoja, joihin voi tulla vielä vähennyksiä edellä esitetyn mukaisesti. Käytettävyyden kannalta siltarakenteille sopivimpia menetelmiä ovat hionta, TIG- ja plasma-käsittely, vasarointi ja ultraäänivasarointi. Ylivieskan konepajalla parhaaksi menetelmäksi konepajaolosuhteissa arvioitiin TIG-käsittely (Koskimaa 2017). TIGkäsittely voi kuitenkin lisätä tarvittavien hitsauksen menetelmäkokeiden määrää, jolloin kustannukset voivat kasvaa merkittävästi. Ultraäänivasarointi arvioitiin harkittavaksi menetelmäksi, jos käsittelyä tarvitsevia hitsejä on paljon ja riittävä koulutus on mahdollista saada.

45 Taulukko 10. Hitsin jälkikäsittelymenetelmien vertailu (Koskimaa 2017; Marquis & Barsoum 2016; Niemi & Tarjavuori 1995; Haagensen & Maddox 2009). 42 Jälkikäsittelymenetelmä Käytettävyys Käsittelynopeus Väsymiskestävyyden paraneminen Myöstö Uunin koko on rajoittava tekijä, mutta paikallinen käsittely myös mahdollista. Lämmitys ja jäähtyminen vievät paljon aikaa Pienentää jännitysheilahdusta puristuspuolella 40 %. Hionta Vaatii huolellisuutta, ettei hiota liikaa. Soveltuu parhaiten lyhyille hitseille, sillä käsittely on pitkään tehtynä käyttäjälle raskasta. Koneviilaus 3-6 m/h Laikkahionta 6-12 m/h Väsymiskestävyys kasvaa kaksi väsymisluokkaa. TIG- ja plasmakäsittely Helppo suorittaa ja soveltuu hyvin konepajalla käytettäväksi menetelmäksi. Vaatii hitsauksen menetelmäkokeen suorittamisen. TIG 4-12 m/h Plasma 6-18 m/h Väsymiskestävyys kasvaa kaksi väsymisluokkaa. Kuulapuhallus Soveltuu laajoille alueille. Vaatii erillisen tilan käsittelylle. - Väsymiskestävyys kasvaa kaksi väsymisluokkaa. Vasarointi Äänekäs menetelmä, joka aiheuttaa käsille paljon tärinää. Vasarointi 3-6 m/h Neulavasar. ~12 m/h Väsymisluokka kasvaa kaksi luokkaa, kun ௬ < 355 MPa ja kolme luokkaa, kun ௬ 355MPa. Ultraäänivasarointi Uusi menetelmä, joka ei ole vielä laajassa käytössä. Välineet ovat kevyitä ja menetelmä on käyttäjäystävällinen m/h Väsymiskestävyys kasvaa 4-8 väsymisluokkaa teräksen lujuudesta riippuen.

46 4 TODELLISET VÄSYTTÄVÄT LIIKENNEKUORMAT 43 Todelliset väsyttävät liikennekuormat (FLM 5) perustuvat liikennetietoihin, jotka saadaan mittaamalla todellista liikennettä. Mitattua liikennetietoa voidaan täydentää tarvittaessa tilastollisilla ja arvioiduilla ekstrapolaatioilla (SFS-EN ). Suomessa pääteiden liikennemäärää mitataan jatkuvasti LAM-järjestelmällä. Raskaiden ajoneuvojen massoja on mitattu akselimassatutkimuksissa, joista viimeisin on tehty vuosina Lisäksi viime vuosina Suomessa on tehty WIM-mittauksia, joista saadaan tarkkaa tietoa raskaan liikenteen koostumuksesta. 4.1 Liikenteen automaattinen mittaus Suomessa liikenteen automaattisia mittausasemia eli LAM-pisteitä on noin 470 kpl (vuonna 2016). LAM-pisteiden määrä on kasvanut vuosittain. LAM-järjestelmä on otettu käyttöön 1980-luvulla, jolloin mittausasemien paikat valittiin tilastollisesti edustamaan parhaiten päätieverkon liikennemääriä, ajoneuvokoostumusta ja liikenteen kehitystä. Viimeisenä vuosikymmenenä LAM-pisteitä on rakennettu paikkoihin, jotka ovat tärkeitä liikenteen seurannan ja hallinnan kannalta. LAM-pisteiden tuottamaa liikennetietoa voidaan seurata lähes reaaliajassa. Niiden välittämää tietoa voidaan käyttää liikenteen sujuvuuden arviointiin ja ajonopeustietojen seurantaan. Tietoja voidaan hyödyntää esimerkiksi liikennetiedottamisessa ja liikenteen ohjauksessa. (Kiiskilä et al ) LAM-pisteessä tien jokaiselle kaistalle on upotettu päällysteeseen kaksi induktiosilmukkaa. Toiminta perustuu ylittävän ajoneuvon metallisen massan aiheuttamaan muutoksen silmukan magneettikentässä. Mittalaite rekisteröi jokaisesta ylityksestä seuraavat tiedot: kellonaika, ajosuunta, ajokaista, ajonopeus, ajoneuvon pituus, peräkkäisten ajoneuvojen aikaero ja ajoneuvoluokka. Ajoneuvoluokkia on yhteensä seitsemän: 1. henkilöautot ja pakettiautot, 2. kuorma-autot ilman perävaunua (KAIP), 3. linja-autot (LA), 4. kuorma-autot puoliperävaunulla (KAPP), 5. kuorma-autot varsinaisella perävaunulla (KAVP),

47 44 6. henkilö- ja pakettiautot peräkärryllä sekä 7. henkilö- ja pakettiautot asuntovaunulla tai pitkällä peräkärryllä. (Kiiskilä et al ) LAM-pisteiden mittaamat liikennetiedot kerätään LAM-tilastojärjestelmään kerran vuorokaudessa (Kiiskilä et al. 2016). Tätä LAM-pisteiden keräämää liikennedataa on mahdollista hyödyntää siltojen väsymismitoituksessa. LAM-pisteet eivät mittaa ylittävien ajoneuvojen massoja, mutta väsymismitoitusta varten raskaiden ajoneuvojen massat voidaan määrittää tilastollisesti akselimassatutkimuksen tuloksista. 4.2 Akselimassatutkimukset Uusin Suomessa tehty akselimassatutkimus on vuosilta Tutkimuksessa on selvitetty raskaan ajoneuvoliikenteen keskimääräisiä akseli-, teli- ja kokonaispainoja sekä painojen jakaumia. Myös akselivälit mitattiin ja ajoneuvoista selvitettiin rengastyypit, jousitus, kuormausaste ja tavaralaji. Tutkimusaineistossa on tiedot yhteensä 2372 ajoneuvosta 16 eri mittauspisteestä. Punnittujen kuorma-autojen kokonaismassan keskiarvo oli 32,79 tonnia ja keskihajonta 18,42. (Toikka & Virtala 2015.) Vuosien akselimassatutkimuksessa kuorma-autojen kokonaismassa on kasvanut hieman edellisestä akselimassatutkimuksesta, joka tehtiin vuosina Silloin punnittujen kuorma-autojen (3302 kpl) kokonaismassan keskiarvo oli 32,06 tonnia ja keskihajonta 18,80 (Tielaitos 2000). 4.3 WIM WIM eli weigh in motion -mittauksilla saadaan määritettyä akselimassat liikkuvista ajoneuvoista. Mittauslaitteisto voidaan sijoittaa joko tien sisään tai vaihtoehtoisesti käyttää siltaan asennettavaa mittauslaitteistoa. Suomessa tehdyt mittaukset ovat olleet silta-wim -mittauksia, joissa on käytetty Trafikian mittausjärjestelmää. Mittauslaitteisto asennetaan esimerkiksi alikulkukäytävään, jossa se mittaa ylittävien ajonevojen aiheuttamia venymiä sillassa. Laitteisto mittaa kahta kaistaa kerralla ja siinä on yhteensä 16 anturia. Mittauslaitteiston ohjelmisto laskee ajoneuvon akselimassat mitattujen venymien perusteella. Mittausjärjestelmä kalibroidaan asennuksen jälkeen punnituilla

48 45 ajoneuvoilla. Ohjelmisto laskee mitatulle ajoneuvolle myös akselivälit ja nopeuden sekä määrittää ajoneuvotyypin. Järjestelmä rekisteröi vain yli 10 tonnin painoiset ajoneuvot. Suomessa tehdyt silta-wim -mittaukset ovat olleet viikon mittaisia, eikä pysyviä WIMmittauspisteitä ole ainakaan toistaiseksi. (Tirkkonen 2014.)

49 5 JÄNNEVIRRAN SILLAN VÄSYMISANALYYSI 46 Tässä diplomityössä tehdään väsymisanalyysi Jännevirran sillalle. Työssä tutkitaan Eurokoodin mukaisia väsytyskuormakaavioihin FLM 3 FLM 5 perustuvia väsymismitoitusmenetelmiä ja verrataan niitä keskenään. Sillalle on jo tehty FLM 3:n mukainen väsymismitoitus sillan rakennelaskelmissa (Karhumaa 2016). Tässä työssä väsymismitoitus lasketaan väsytyskuormakaavioille FLM 4 ja FLM 5 sekä tarkennetaan FLM 3 mitoitus kaikille liikenneluokille ja -tyypeille. FLM 5 mitoituksessa todellisena liikennekuormana käytetään sekä silta-wim -mittauksista että LAM-pisteistä saatua liikennetietoa. 5.1 Jännevirran silta Jännevirran silta rakennetaan Kuopion seudulle Siilinjärven kunnan ja Kuopion kaupungin rajalle. Siltapaikalla Vt9 ylittää Jännevirran salmen. Silta on tyypiltään teräksinen jatkuva betonikantinen liittopalkkisilta, jonka jännemitat ovat m ja hyödyllinen leveys on 15,25 m. Sillan kokonaispituus on 560 m. Sillalla on kaksi autokaistaa ja yksi kevyenliikenteen kaista. Maatuet perustetaan maanvaraisesti louhepenkalle. Välituet T2, T6 ja T7 perustetaan kallionvaraisilla anturoilla ja välituet T3, T4 ja T5 kallioon ulottuvilla porapaaluilla (Kuva 19). Pääkannattajina on kaksi teräspalkkia, joiden välissä on pystyristikot ja alapaarteiden tasolla vaakaristikot (Kuva 20). Pääpalkit ja poikkiristikot tehdään lujuusluokan S420 teräksestä. Varusteet (pystyjäykisteet, liitoslevyt) ovat lujuusluokkaa S355. Kuva 19. Jännevirran sillan sivukuva.

50 47 Kuva 20. Jännevirran sillan poikkileikkaus. 5.2 Väsymismitoituksessa tarkasteltavat detaljit Tutkittaviksi detaljeiksi on valittu sillan pääpalkista yhteensä 9 rakenneyksityiskohtaa (Kuva 21). Rakenneyksityiskohtia on neljää eri tyyppiä: laipan jatkaminen, lisälevyn päättäminen, vaarnan hitsi ylälaippaan ja pystyjäykisteen hitsi alalaippaan. Detaljien väsymisluokat löytyvät Taulukosta 5. Tutkittaviksi detaljeiksi valittiin sillan rakennelaskelmien FLM 3 mitoituksen perusteella kriittisimmät kohdat pääpalkissa. Jännevirran silta on pituussuunnassa keskikohdan suhteen rakenteeltaan symmetrinen, mutta poikkisuunnassa autokaistat sijaitsevat sillan oikeassa reunassa. Tämän vuoksi kaikki tutkittavat detaljit sijaitsevat sillan alkupuoliskolla oikeanpuoleisessa pääpalkissa, jonka rasitus on vasenta pääpalkkia suurempi. Kohdassa ݔ = 182 m pystyjäykiste sijaitsee todellisuudessa puoli metriä pidemmällä. Ero on kuitenkin niin pieni, että laskennan yksinkertaistamiseksi molemmille detaljeille on käytetty samaa kohdassa ݔ = 182 m laskettua vaikutusviivaa. Kuva 21. Jännevirran sillasta väsymismitoituksessa tutkittavat detaljit.

51 5.3 Väsyttävät liikennekuormat 48 Väsymismitoitus väsytyskuormakaaviolle FLM 5 lasketaan kuudella eri mitatulla liikennekuormalla. Kaksi näistä on LAM-pisteistä saatua liikennedataa, jota täydennetään akselimassatutkimuksen tuloksilla. Valitut LAM-pisteet ovat 827 Jännevirta (Vt9) ja 1202 Ii (Vt4). Piste 827 Jännevirta sijaitsee sillan ylittävällä tiellä siltapaikan läheisyydessä, joten se vastaa sillalla kulkevaa todellista liikennettä. LAMpisteen 1202 Ii liikenne on puolestaan hyvin kuormittavaa, sillä raskaiden ajoneuvojen määrä on suuri. Käytettävä LAM-data on vuodelta Väsymismitoitus tehdään käyttäen koko vuoden LAM-dataa. Neljän muun liikennekuorman liikennedata on peräisin eripuolella Suomea tehdyistä viikon pituisista WIM-mittauksista. Käytettäväksi valitut WIM-datat ovat seuraavista kohteista: Vt4 Ii, Vt4 Äänekoski, Kehä III ja Vt8 Vaasa (Pirttikylän kohdalla Vaasan eteläpuolella). Yleistiedot mittauksista on esitetty Taulukossa 11. Taulukossa RKVL tarkoittaa raskaiden ajoneuvojen keskimääräistä liikennemäärää vuorokaudessa ja keskipaino on mitattujen raskaiden ajoneuvojen (paino yli 10 t) keskipaino. Taulukko 11. Yleistiedot käytettävistä WIM-mittauksista. Mittauspiste Mittausajankohta RKVL Keskipaino [t] kausivaihtelukerroin Koko vuoden RKVL ,61 1, Vt4 Ii ,55 1, ,60 1, ,27 1, Vt4 Äänekoski ,19 1, Kehä III itään ,56 1, Kehä III länteen ,29 1, Vt8 Vaasa ,78 1, Vt4 Iin liikennemäärä vuonna 2016 on ollut WIM-mittauksessa selvästi edellisiä vuosia pienempi. WIM-mittauksen tulokseen on voinut vaikuttaa alueella vuonna 2016 ollut tietyömaa, joka on saanut raskaan liikenteen käyttämään vaihtoehtoisia reittejä. Kehä III:n liikenne kulkee neljällä kaistalla, joten laskenta on suoritettu kummallekin suunnalle erikseen. Koska WIM-mittaukset ovat vain viikon mittaisia, WIM-datalla laskettua väsymisvaurion suuruutta korjataan kausivaihtelukertoimella. Kerroin on kyseisen viikon keskimääräisen vuorokausiliikenteen suhde koko vuoden keskimääräiseen vuorokausiliikenteeseen ja se saadaan WIM-mittauksen lähellä olevan LAM-pisteen liikennetiedoista. Kertoimella otetaan siis huomioon liikennemäärän vaihtelu vuoden aikana laskettaessa koko vuoden väsymisvauriota yhden viikon

52 49 väsymisvauriosta. Ajoneuvojen painojakauma WIM-mittauksissa on esitetty Kuvassa 22. Vt8 Vaasa mittauksessa on mukana erikoiskuljetuksia, joiden kokonaispaino on ollut tonnia. Painojakauman perusteella Kehä III:n liikennetyyppi on keskipitkä liikenne ja muiden mittauspisteiden liikennetyyppi on kaukoliikenne Vt4 Ii Vt4 Ii Vt4 Ii Vt4 Ii Vt4 Äänekoski 100 Vaasa > Kehä III Länteen 1000 Kehä III Itään Kuva 22. WIM-mittausten ajoneuvojen painojakauma. Vaaka-akselilla on ajoneuvon paino tonneina ja pystyakselilla ajoneuvojen lukumäärä.

53 50 Väsymismitoitusta varten LAM-dataa täydennetään tiedoilla raskaiden ajoneuvojen kokonaismassoista (Taulukko 12). Linja-autojen kokonaismassat ja painojakaumat ovat Leskisen (2016) diplomityössä käytetyn mukaiset. Kuorma-autojen kokonaismassat on määritetty akselimassatutkimuksen tuloksista (Toikka & Virtala 2015). Laskennassa käytetyt kuorma-autojen alatyypit sekä niiden akselivälit ja akselimassajakaumat ovat tutkimuksen luvun 3 (Simulointitarkastelujen lähtötietoja) mukaiset. Tyhjille ajoneuvoille akselimassajakaumia ei ole tutkimuksessa erikseen ilmoitettu, joten ne on arvioitu ottaen huomioon ylösnostettavat akselit. Ajoneuvojen alatyyppien kokonaismassan keskiarvo on luvun 3 mukainen. Täysien, puolityhjien ja tyhjien kokonaismassan keskiarvo laskettiin alatyypeille koko ajoneuvoluokan painojakauman suhteessa. Ylös nostetut akselit eivät ole mukana luvussa 3 ilmoitetuissa keskimääräisissä akselimassoissa, joten ajoneuvoluokkakohtaiset keskimääräiset kokonaismassat muodostuivat hieman suuremmiksi kuin akselimassatutkimuksen kohdassa ilmoitetut. Virhettä ei kuitenkaan lähdetty korjaamaan johtuen tyhjien ajoneuvojen puutteellisista akselimassatiedoista ja virheen ollessa varmalla puolella. Akselimassatutkimuksen tuloksissa on myös puutteita siinä, ettei puolityhjien ajoneuvojen keskimääräisiä kokonaismassoja ja keskihajontaa ole ilmoitettu ollenkaan. Taulukko 12. Raskaiden ajoneuvojen massat. Ajoneuvoluokka Keskipaino [t] Kuormausasteet Täydet Puolityhjät Tyhjät KAIP 16,4 36 % 27 % 37 % LA 17,4 75 % 0 % 25 % KAPP 29,6 52 % 16 % 32 % KAVP 47,0 59 % 12 % 29 % Alatyypit Osuus Täysien keskiarvo [t] Puolityhjien keskiarvo [t] Tyhjien keskiarvo [t] KAIP1 44 % 11,9 10,6 9,2 KAIP2 44 % 22,3 19,8 17,2 KAIP3 4 % 30,0 26,6 23,1 KAIP4 7 % 27,4 24,3 21,2 KAIP5 1 % 37,2 33,0 28,7 LA1 68 % 16,0-13,6 LA2 30 % 22,0-20,0 LA3 2 % 24,0-21,0 KAPP1 1 % 27,9 21,9 15,5 KAPP2 46 % 31,7 24,8 17,6 KAPP3 7 % 34,1 26,8 18,9 KAPP4 46 % 40,6 31,8 22,5 KAVP1 45 % 58,0 42,4 25,9 KAVP2 3 % 44,9 32,8 20,0 KAVP3 5 % 68,8 50,3 30,7 KAVP4 6 % 59,8 43,7 26,7 KAVP5 41 % 57,8 42,3 25,8

54 51 Yleistiedot käytettävien LAM-pisteiden liikennedatasta on esitetty Taulukossa 13. Keskipaino on laskettu Taulukon 12 arvoista. LAM-pisteen 827 Jännevirta liikennemäärä ja keskipaino ovat selvästi pienemmät kuin pisteen 1202 Ii. Taulukko 13. LAM-pisteiden yleistiedot. LAM-piste vuosi RKVL KAIP LA KAPP KAVP Keskipaino [t] 827 Jännevirta (vt9) % 12 % 8 % 48 % 32, Ii (Vt4) % 8 % 15 % 56 % 35,60 Liikennekuormia on verrattu toisiinsa Kuvissa Kehä III:n liikenne poikkeaa tyypiltään selvästi muista kohteista. Raskaan liikenteen määrä on erittäin suuri, mutta keskipaino jää selvästi pienemmäksi muihin verrattuna. Toinen huomioitava ero on raskaiden ajoneuvojen määrässä LAM-pisteen 1202 Ii ja WIM-pisteen Vt4 Ii välillä. Mittaukset ovat samasta kohteesta ja samalta vuodelta, joten raskaiden ajoneuvojen määrän pitäisi olla sama. Ero johtuu mahdollisesti siitä, että WIM-mittauksessa on mukana vain yli 10 tonnia painavat ajoneuvot. LAM-mittauksessa puolestaan RKVL määräytyy pelkästään ajoneuvoluokituksien mukaan ilman painorajaa. LAM-mittaus on myös epävarmempi ja saattaa yliarvioida raskaan liikenteen määrää. RKVL Kuva 23. Raskaiden ajoneuvojen keskimääräinen vuorokausiliikenne.

55 52 Keskipaino [t] Kuva 24. Raskaiden ajoneuvojen keskimääräinen kokonaismassa. Suorite [t] Kuva 25. Raskaan liikenteen yhteenlaskettu kokonaismassa vuorokautta kohden. 5.4 Kuormakaistat Kuorman poikittaisella sijainnilla sillalla on suuri merkitys väsymisvauriota laskettaessa. Keskellä siltaa ajavan ajoneuvon rasitus jakautuu paremmin molemmille palkeille, kun taas sillan reunassa kulkeva ajoneuvo kuormittaa enemmän toista palkkia aiheuttaen suuremmat jännitysvaihtelut. Eurokoodin mukaiset väsyttävät kuormat FLM 1 4 sijoitetaan sillalla mahdollisimman reunassa oleville kaistoille, missä ne tuottavat suurimman rasituksen (SFS-EN ). Mitatulla liikenteellä tehtävälle väsymismitoitukselle (FLM 5) kuormakaistat valitaan todellisten kaistojen mukaan. Tässä työssä tutkittavat detaljit sijaitsevat pääkannattimissa, joten väsytyskuormakaaviot sijoitetaan keskeisesti kuormakaistoille. Jännevirran sillassa todelliset kaistat ovat leveämmät ja sijaitsevat keskempänä siltaa kuin reunakaistat (Kuva 26).

56 53 Kuva 26. Jännevirran sillan kuormakaistojen sijainnit. Väsymismitoituksessa mitattujen liikennekuormien kaistat on valittu Jännevirran sillalle sen mukaan kumpi vaihtoehto tuottaa suuremman vaurion. Toisin sanoen kaistaksi 1T on valittu mitatusta liikennekuormasta kuormittavampi kaista. LAM-pisteen 827 Jännevirta mukainen liikenne on väsymismitoituksessa mitatuilla kaistoillaan. 5.5 Laskentamenetelmät Väsymismitoitusta varten Jännevirran sillasta laskettiin vaikutusviivat kaikille tutkittaville detaljeille. Väsytyskuormakaavioiden FLM 3 ja FLM 4 aiheuttamat jännitysheilahdukset laskettiin Mathcad-ohjelmalla reunakaistojen 1R ja 2R vaikutusviivoista. Mitatuille liikennekuormille jännitysheilahdusten laskenta suoritettiin todellisten kaistojen 1T ja 2T vaikutusviivoista väsytysanalyysiohjelmalla. Jännitysheilahdusten aiheuttamat väsymisvauriot laskettiin käyttäen Exceltaulukkolaskentaohjelmaa. FLM 3 mitoituksen vauriokertoimet on otettu Jännevirran sillan rakennelaskelmista (Taulukko 14). Taulukossa LL tarkoittaa liikenneluokkaa. Taulukko 14. FLM 3:n ekvivalentit vauriokertoimet keskipitkälle liikenteelle (Karhumaa 2016). x [m] ekvivalentti vauriokerroin ʄ LL1 LL2 LL3 LL4 ʄ max 0 47,5 2,40 1,82 1,37 1,16 2,00 47,5 60,5 2,24 1,70 1,28 1,08 2,34 60,5 109,5 2,17 1,65 1,24 1,05 2,00 109, ,52 1,91 1,44 1,21 2, ,07 1,57 1,18 1,00 2, ,79 2,12 1,60 1,35 2, ,07 1,57 1,18 1,00 2,00

57 5.5.1 Vaikutusviivat 54 Tutkittavien detaljien vaikutusviivat on laskettu Lusas 15 elementtilaskentaohjelmistolla. Laskentamallina (Kuva 27) käytetty malli on sama kuin sillan mitoituksessa (Karhumaa 2016). Mallissa päällysrakenne on tehty arinamallina, jossa laatta on mallinnettu poikkisauvoina noin kahden metrin välein. Vaakaristikoiden jäykistävä vaikutus on huomioitu pääpalkkien poikkileikkausarvoissa. (a) Jännevirran sillan laskentamalli (b) Jännevirran sillan laskentamallin geometria Kuva 27. Jännevirran sillan laskentamalli Lusas-ohjelmistossa. Vaikutusviivat laskettiin yksikkövoimamenetelmällä kaistojen keskilinjalta (Kuva 26). Lusas-ohjelman laskennasta saatiin kaistaa pitkin kulkevan yksikkövoiman aiheuttamat momentit pääpalkissa tutkittavan detaljin kohdalla. Detaljissa vaikuttava nimellinen jännitys laskettiin momentista kimmoteorian mukaan pääpalkin poikkileikkausarvoilla. Esimerkki lasketuista vaikutusviivoista on esitetty Kuvassa 28. Kuvaajassa ߟ on yksikkövoiman aiheuttama jännitys ja ݔ on yksikkövoiman pituussuuntainen koordinaatti sillalla. Kaistojen sijainnit ja nimeäminen on esitetty Kuvassa 26. Vaikutusviivat kaikille rakenneyksityiskohdille löytyvät Liitteestä ɻ[Pa/N] x[m] T2 R2 T1 R1 Kuva 28. Alalaipan yläpinnan jännityksen vaikutusviivat, ݔ = 182 m.

58 5.5.2 Väsymisanalyysiohjelma 55 Väsymisvaurion laskennassa mitatulle liikenteelle käytettiin Ramboll Finland Oy:n kehittämää väsymisanalyysiohjelmaa. Lähtötietona ohjelmalle annetaan tutkittavan detaljin vaikutusviivan tiedot sekä WIM- tai LAM-mittauksen liikennedata. WIM-data sisältää ohjelman tarvitsemat tiedot akseliväleistä ja akselipainoista. LAM-datalla laskiessa ohjelmalle on lisäksi määritettävä lähtötiedot laskennassa käytettäville ajoneuvoille. Ajoneuvojen lähtötiedot on määritetty akselimassatutkimusten perusteella. Laskennassa sillan ylittävien ajoneuvojen ajoneuvoluokka määräytyy LAM-datan mukaan. Ajoneuvojen alatyyppi arvotaan ohjelmassa ajoneuvoluokittain ajoneuvojen esiintymistodennäköisyyden perusteella. Ajoneuvon akselivälit ja keskimääräiset akselipainot määräytyvät ajoneuvon alatyypin mukaan. Ajoneuvojen kokonaispainoille on annettu keskihajonta, jonka avulla ohjelma arpoo akselipainot ajoneuvokohtaisesti käyttäen lognormaali-jakaumaa. Laskentaa varten ohjelmalle määritetään lisäksi tutkittavan detaljin väsymisluokka ja sysäyskerroin. Tässä työssä sysäyskertoimelle käytettiin arvoa ௧ = 1,2. Ohjelma suorittaa annetuilla lähtötiedoilla liikennesimulaation. Simulaatiossa ohjelma laskee aika-askeleittain sillalla olevien akseleiden aiheuttaman jännityksen detaljissa. Jännityksistä poimitaan paikalliset maksimi- ja minimiarvot, joiden avulla muodostetaan jännityshistoria detaljille. Näin lasketusta jännityshistoriasta ohjelma määrittää Rainflow-algoritmilla jännitysvaihtelut ja järjestää ne suurimmasta pienimpään. Lisäksi ohjelma laskee jännitysvaihteluista Eurokoodin mukaisen Minerin vauriosumman annetulla väsymisluokan arvolla.

59 6 TULOKSET Detaljikohtaiset tulokset Väsymismitoitusta varten kehitettiin Excel-laskentapohja, joka laskee väsymisvaurioiden suuruudet annetuista jännitysheilahduksista. Laskennan tulokset on esitetty Liitteessä 1, jossa on jokaisesta detaljista kaksi tulossivua. Liitteessä on käytetty desimaalierottimena pilkun sijaan pistettä. Ensimmäisellä sivulla on lasketut väsymisvauriot kaikille liikennekuormille (Kuva 29). Toisella sivulla näitä eri väsytyskuormien aiheuttamia väsymisvaurioita verrataan toisiinsa (Kuva 30). FLM 3 ja FLM 4 väsymismitoitus on laskettu kaikille liikenneluokille ja liikennetyypeille. Jännevirran silta kuuluu liikenneluokkaan 2 ja liikennetyyppi on keskipitkä liikenne, joten niiden mukainen väsymisvaurion arvo on lihavoitu. Ekvivalentin jännitysheilahduksen laskennassa (Kaava 5) käytetyt vauriokertoimet keskipitkälle liikenteelle on esitetty Taulukossa 14. Vaurioasteet on laskettu Minerin säännöllä (Kaava 9). FLM 4 laskennassa väsymisvaurio on laskettu lisäksi kaikille kestävyyden osavarmuusluvuille. FLM 3 laskennassa osavarmuusluku ei vaikuta jännitysheilahduksen suuruuteen. Väsymisvauriot on laskettu LAM- ja WIM-datalla kaikille kestävyyden osavarmuusluvuille. Liikennemäärän kasvun vaikutus on laskettu siten, että ilmoitettu kasvuprosentti on liikennemäärän kasvu sadan vuoden aikana ja liikenteen vuosittainen kasvuprosentti on ollut sama. Mahdollista ajoneuvojen painon kasvamista ei ole huomioitu. Tulosten vertailua varten toisella tulossivulla taulukossa (Kuva 30) on esitetty eri väsytyskuormien ekvivalentti jännitysheilahdus ja sen käyttöaste, sadan vuoden vaurioaste sekä laskennallinen kestoikä. Ekvivalentti jännitysheilahdus on laskettu väsymisvaurioista Kaavalla 11. Vertailussa olevat tulokset ovat kestävyyden osavarmuusluvulle 1,35. Vertailussa olevat FLM 3 ja FLM 4 tulokset ovat keskipitkälle liikenteelle. Taulukon alla tuloksia on vertailtu vielä pylväskaavion muodossa. Sivulta löytyvät lisäksi vertailut liikenteen kasvun ja osavarmuusluvun vaikutuksesta sekä LAM-datan kuukausikohtaiset vauriot kaaviomuodossa.

60 Kuva 29. Detaljin väsymismitoituksen tulokset, sivu 1. 57

61 Kuva 30. Detaljin väsymismitoituksen tulokset, sivu 2. 58