TERÄSRAKENTEET 1 T512703 1. YLEISTÄ 1.1 TERÄSRAKENTAMISEN HISTORIAA Metalli alkoi korvata perinteisiä materiaaleja (puu, tiili, kivi) 1700- luvulla. 1800-luvulla tapahtuneeseen kehitykseen johtivat seuraavanlaiset syyt: 1. Raudan jalostamiseen liittyvät keksinnöt tekivät mahdolliseksi riittävän laajan ja edullisen teräksen tuotannon. 2. Metallirakenteiden rationaalinen suunnittelu tuli mahdolliseksi rakenteiden mekaniikan kehittymisen myötä. 3. Aloitettiin järjestelmällinen insinöörikoulutus. 4. Rautatielaitosten perustaminen aiheutti laajan sillanrakennus tarpeen. 1700-luvun alkupuolelle asti käytettiin valurautaa, jota pidettiin hauraana ja epäluotettavana. 1700-luvun lopulla alkoi takoraudan eli keittoraudan valmistus. Kun samalla kehittyi takomisen korvaava valssaustekniikka, voitiin valmistaa rakenteissa tarvittavia tankoja ja levyjä. Takorauta oli sitkeää ja sopi sellaisen myös vetojännityksen alaisiin rakenteisiin. Bessemer korvasi lieskauunimellotuksen konvertterilla 1855. Siinä mellotus tapahtui puhaltamalla ilmaa sulan raudan läpi. Tämä tapahtuma oli alkuna edullisen teräksen laajamittaiselle tuotannolle ja käytölle rakenteiden materiaalina. Liittämistekniikan kehitys: - valssaustuotteista koottiin niittaamalla palkkiprofiileja
- suuremmat palkkiprofiilit niitattiin levyistä ja leveälaattatangoista kulmateräksiä käyttäen - suuret puristussauvat koottiin kahdesta U-tangosta kytkemällä ne yhteen niitatuin sidelevyin tai muodostamalla niistä kotelo kahden leveälaattatangon avulla - niittiliitokset on myöhemmin korvattu ruuvi- ja kitkaliitoksin - kaarihitsaus kehittyi 1920- ja 1930 luvuilla - hitsaus käytettiin pitkään vain niittien korvikkeena - hitsattujen liitosten ongelmana sitkeyden puute - hitsattuun liitokseen liittyvät geometriset viat, metallurgiset muutokset ja jäännösjännitykset - vaatii suurta ammattitaitoa ja laadunvarmistusta - muita haittoja vähäinen dynaaminen vaimennus ja integroitu rakenne, jossa liikkeelle lähtenyt murtuminen ei helposti pysähdy Rakenteiden mekaniikan kehitys: - 1700-luvulle asti pohjautui perittyyn ammattitaitoon - Simon Stevin (holl.) keksi voimakolmion 1600-luvun alussa - Galileo Galilei tutki 1500- ja 1600-lukujen vaihteessa vedetyn sauvan, ulokepalkin ja kaksitukisen palkin kantokykyä - Robert Hooke havaitsi 1600-luvun loppupuolella rakenteen siirtymän ja sen kuormituksen välillä vallinneen lineaarisen riippuvuuden - Bernoulli esitti 1660 teknillisen taivutusteorian perusteena olevan lauseen: poikkileikkaustasot säilyvät taivutuksessa tasoina - Augustin Cauchy esitti 1822 murtolujuuden käsitteen - Cauchy sovelsi oivallustaan materiaalialkion jännitystilan kuvaamiseen - Louis Navierilta 1800-luvun alussa ratkaisu palkin taivutusmomentin ja käyristyssäteen väliselle riippuvuudelle - Saint-Venant otti 1800-luvulla ensimmäisenä huomioon palkin leikkausjännitykset, sekä esitti idean palkin taivutusjännitysten epälineaarisesta jakaantumisesta myötörajan yli kuormitetussa tilassa - Culmann ja Mohr esittivät 1800-luvulla graafisen statiikan menetelmiä ristikkosiltojen suunnitteluun
1.2 TERÄSRAKENTEIDEN KÄYTTÖ Yleisesti käytetty: Talonrakennusalalla: - (yksikerroksiset) teollisuusrakennukset, varastot ja vastaavat, joissa pitkät jännemitat ovat oleellisia - korkeat pilvenpiirtäjät, joissa runkorakenteen painon merkitys kuormituksista on merkittävä - nykyisin myös merkittävässä määrin liike- ja toimistorakennuksissa, jopa asuinrakennuksissa (palomääräykset ja palomitoitus kehittyneet)
Sillanrakennuksessa: - vesistösiltoina tieliikenteessä - vesistösiltoina rautatieliikenteessä - risteyssillat eritasoristeyksissä - kevyen liikenteen sillat - tyyppeinä palkkisillat (alle 150m), vinoköysisillat (alle 300m), riippusillat (alle 1500m), kaarisillat ja ristikkosillat - lisäksi liittopalkkisillat
Vesirakennusala: - kanavien sulkuportit - patojen tulva- ja säännöstelyluukut - uittokourujen rakenteet - vesiturpiinien tulo- js imuputket sulkuluukkuineen Kuljetus-, siirto ja varastointitekniikan teräsrakenteita - nosturit rakennustyömailla, konepajoissa, voimalaitoksissa, prosessiteollisuudessa, telakoilla, satamissa ja lastauslaitureilla - jatkuvatoimisia laitteita massatavaran käsittelyyn - kuljetinsillat, putkisillat prosessiteollisuudessa, voimalaitoksilla ja satamissa - korkeavarastoissa hyllyt, siilot
Pohjarakennuksessa: - teräspaalut - ponttiseinät Lisäksi: - säiliöt ja siilot - mastot, pylväät ja liikenneopasteet - majakat ja merimerkit - energiatuotannossa prosessi- ja kemian teollissuudessa on runsaasti erilaisia laitteita ja niiden kannatusrakenteita, joiden rakennusaineena käytetään terästä - mainittakoon vielä meritekniikan teräsrakenteet
2. RAKENNETERÄKSET 2.1 YLEISTÄ Teräs rakenneaineista noudattaa ehkäpä lähimmin lujuusopista ja rakenteiden mekaniikasta tunnettuja lainalaisuuksia. Erityispiirteenä teräsrakenteiden suunnittelussa on suuri lujuus, joka mahdollistaa ohuet, hoikat rakenteet. Tällöin mitoituksessa on kiinnitettävä erityistä huomiota stabiiliuteen, palkkien ns. kiepahdukseen sekä puristettujen sauvojen, pilarien, nurjahduksiin. Myös paikallinen epästabiiliusilmiö, lommahdus, muodostuu esimerkiksi palkeissa tärkeäksi huomioonotettavaksi seikaksi. Teräksen muuten isotrooppisista ominaisuuksista huolimatta sitä rasittaa valssausta vastaan kohtisuorassa suunnassa sitkeyden puute. Tämä aiheutuu teräsaihion sisältämien sulfidisulkeumien litistymisestä pinnan suuntaisiksi lamelleiksi, joista aiheutuu ns. lamellirepeämisen vaara vedettäessä terästä valssausta vastaan kohtisuorassa suunnassa. Valmistuksen, lujuus- ja muodonmuutos-, sekä muiden mm. hitsattavuus-, lämpökäsittely- ja iskusitkeysominaisuuksien osalta nojataan opintojakson Materiaalitekniikka sisältöön.
2.2 RAKENNETERÄSTUOTTEET 2.2.1 Teräslajit Standardi EN 1993-1-1 koskee teräsrakenteiden suunnittelua, kun rakenteet valmistetaan taulukon 3.1 mukaisista teräslajeista. Taulukossa olevat Euronormia vastaavat SFS-standardit: - EN 10025-1 vastaa SFS-EN 10025-1: Kuumavalssatut rakenneteräkset. Osa 1:Yleiset tekniset toimitusehdot. - EN 10025-2 vastaa SFS-EN 10025-2: Kuumavalssatut rakenneteräkset. Osa 2: Seostamattomat rakenneteräkset. Tekniset toimitusehdot. - EN 10025-3 vastaa SFS-EN 10025-3: Kuumavalssatut rakenneteräkset. Osa 3: Normalisoidut ja normalisointivalssatut hitsattavat hienoraeteräkset. Tekniset toimitusehdot. - EN 10025-4 vastaa SFS-EN 10025-4: Kuumavalssatut rakenneteräkset. Osa 4: Termomekaanisesti valssatut hitsattavat hienoraeteräkset. Tekniset toimitusehdot. - EN 10025-5 vastaa SFS-EN 10025-5: Kuumavalssatut rakenneteräkset. Osa 5: Ilmastokorroosiota kestävät rakenneteräkset. Tekniset toimitusehdot. - EN 10025-6 vastaa SFS-EN 10025-6 Kuumavalssatut rakenneteräkset. Osa 6: Nuorrutetut lujat levytuotteet. Tekniset toimitusehdot. (Laatuluokille N ja M iskusitkeyden testauslämpötila -20 ºC ja luokille NL ja ML se on -50 ºC.) - EN 10210-1 vastaa SFS-EN 10210-1: Kuumamuovatut seostamattomat rakenne- ja hienoraerakenneteräsputkipalkit. Osa 1: Tekniset toimitusehdot - EN 10219-1 vastaa SFS-EN 10219-1: Kylmämuovatut hitsatut seostamattomat rakenne- ja hienoraerakenneteräsputkipalkit. Osa 1: Tekniset toimitusehdot
Kansallisen liitteen mukaan voidaan käyttää lisäksi teräslajeja: - SFS-EN 10149-2 mukaiset teräslajit S315MC, S355MC, S420MC ja S460MC - SFS-EN 10149-3 mukaiset teräslajit S260NC, S315NC, S355NC ja S420NC - niitä teräslajeja, joille on voimassa oleva tuotehyväksyntä, jossa viitataan standardin SFS-EN 1993-1-1 kansallisen liitteen kohtaan 3.1(2) ja todetaan ko. teräslajin soveltuvan SFS-EN 1993-1-1 mukaan käytettäväksi 2.2.2 Kuumavalssatut levyt - teräksen perustuote - kokonaisena suurissa kohteissa laivan- ja sillanrakennuksessa tai vastaavanlaisissa suurissa rakenteissa - paksuus n. 3-5 mm:n paksuudesta jopa 100 mm:n paksuuteen - nykyaikaisilla valssauslaitteistoilla yli 3000 mm:n leveyteen - ohuemmat levyt voidaan toimittaa myös rullina - saatavissa myös pintakäsiteltyinä esimerkiksi hiekkapuhallettuna ja suojamaalattuna - standardeissa on tarkat tiedot levyihin liittyvistä mittatoleransseista yms. määräyksistä
2.2.3 Kuumavalssatut muototangot - levyjen ohella yleisimmin tunnettu teräksen käyttömuoto - kantavissa rakenteissa ja monissa muissa teräksen käyttökohteissa - poikkileikkausmuodon mukaan jaotellaan tankomaisiin tuotteisiin, palkkimaisiin tuotteisiin ja rajatapauksina putkista (tavallisesti erotetaan omaksi ryhmäksi putkipalkeiksi) - tankoina pyöreät, neliö- ja suorakaidetangot, tasa- ja erikylkiset kulmaterästangot, sekä T- ja Z-tangot - palkkeina erilaisten I-palkkien lisäksi U (tai E:n) muotoiset tangot - INP- ja UNP- palkkien laipat eivät ole tasapaksuja - INP korvattu kapealaippaisella IPE-profiililla - tavallisimmat ja helpoiten saatavilla olevat ovat Euronormien mukaiset HE profiilit, HE-A kevein, HE-M raskain - lisäksi erikoisprofiileja esimerkiksi teräsponttilankut ja ratakiskot
2.2.4 Putket ja putkipalkit - käyttö yleistynyt hitsausliitosten myötä - suljettu, putkimainen profiili lujuusopillisesti erinomainen - ristikkorakenteisiin ja pilareihin, joissa nurjahdusvaaraa - korroosiosuojauksen suhteen edullisia - saumattomia ja hitsattuja - raaka-aineena normaaleja rakenneteräslajeja sekä myös säänkestäviäteräslajeja - kokoja eri valmistajilla kokoluokkaan 400x400 mm² saakka 2.2.5 Hitsatut teräspalkit - hitsaustekniikan kehittyminen nykytasolle mahdollistanut kilpailukykyisen hitsattujen profiilien valmistamisen kuumavalssattujen rinnalle - etuna poikkileikkauksen vapaa muotoilu, sekä palkin korkeuden muuttaminen pituussuunnassa (harjapalkit) - välipohjapalkkeina hitsatut kotelopalkit valssattuja palkkeja kilpailukykyisempiä, varsinkin ontelolaattojen kanssa käytettävinä - esimerkkeinä hitsatuista kotelopalkeista mainittakoon HQ-palkki ja Delta-palkki
Hitsattuja profiileja 2.2.6 Kylmämuovatut profiilit - keveitä profiileja esimerkiksi katto- ja seinäorsiksi sekä erilaisiksi johteiksi - erilaiset rei itykset ja loveamiset sekä katkaisu määrämittaiseksi voidaan tehdä valmistuksen yhteydessä - profiilit mahdollista saada myös sinkitittynä ja/tai muovipinnoitettuna - huono puoli ohuesta materiaalista tehdyn avoimen profiilin pieni vääntöjäykkyys (suunnittelu ja mitoituskin suuritöisempää) - jaetaan kahteen pääryhmään; vakio- eli varastoprofiileihin ja asiakasprofiileihin
- valmistus särmäyskoneella tai puristimella, jolloin profiilin pituus rajoitettu, tai rullamuovaamalla, jolloin pituutta rajoittaa käsittely ja kuljetus 2.2.7 Ohutlevyt - kuumavalssatusta levystä kylmävalssaamalla valmistettu - kylmämuokkauksessa teräs lujittuu, joten muokattavuus syistä tarvittaessa hehkutuskäsittely - jälkikäsittelynä voidaan tehdä pinnoitus sinkitsemällä ja/tai muovipinnoittamalla - vaarnoitettuja poimulevyjä käytetään liittorakenteina betonivälipohjissa