Lari Nosiainen Maanjäristyksen kestävien kytkentäkotelotelineiden snnittel Metropolia Ammattikorkeakol Insinööri (AMK) Kone- ja totantotekniikka Insinöörityö 3.4.14
Tiivistelmä Tekijä Otsikko Sivmäärä Aika Lari Nosiainen Maanjäristyksen kestävien kytkentäkotelotelineiden snnittel 41 siva + 4 liitettä 3.4.14 Ttkinto Insinööri (AMK) Koltsohjelma Kone- ja totantotekniikka Sntatmisvaihtoehto Totesnnittel Ohjaajat Snnittelpäällikkö Tom Gstafsson Yliopettaja Jyrki Kllaa Tämän opinnäytetyön tarkoitksena oli snnitella ja mitoittaa telineet Fortm Oyj:n Loviisan ydinvoimalaitoksen reaktorin aprakennkseen asennettaville sille kytkentäkoteloille. Säteilytrvakeskksen (STUK) vaatimsten mkaan oli telineet mitoitettava maanjäristyksen kestäviksi, sillä ne kannattelevat trvallisslokitelta laitteistoa. Työssä snniteltiin neljä erilaista telinettä: seinälle ankkroitava yhden kotelon teline sekä lattiaan ja seinään ankkroitavat yhden, kahden ja kolmen kotelon telineet. Snnittela varten kerättiin tietoa maanjäristyksistä ja niiden vaiktksista rakenteisiin. Lisäksi ttstttiin työhön liittyviin standardeihin ja ohjeistksiin sekä voimalaitoksen omiin ohjeisiin ja vaatimksiin. Työ alkoi telineiden hahmottellla sekä osien profiilien ja päämittojen valinnalla. Seraavaksi tehtiin ljstarkastel käyttäen staattista korvasvoimamenetelmää. Laskentatyö soritettiin Mathcad 15 -ohjelmiston avlla. Koteloita asennetaan myös joihinkin vanhoihin telineisiin, joten tarkasteltiin niiden ljtta. Osista tehtiin kolmilotteiset mallit ja niistä edelleen kokoonpanomallit. Sitten malleista tehtiin osa- ja kokoonpanopiirstkset Creo Elements/Pro -ohjelmistolla sekä lopksi asennspiirstkset Microstation V8i - ohjelmistolla. Tehdyt laskelmat, piirstkset ja mt työhön liittyvät asiakirjat koottiin lopksi rakennesnnitelmaksi. Avainsanat telineet, maanjäristykset, mitoits, snnittel
Abstract Athor Title Nmber of Pages Date Lari Nosiainen Designing of Earthqake-Resistant Jnction Box Racks 41 pages + 4 appendices 3 April 14 Degree Bachelor of Engineering Degree Programme Mechanical Engineering Specialisation option Prodct Design Instrctors Tom Gstafsson, Manager Jyrki Kllaa, Principal Lectrer The prpose of this Bachelor's Thesis was to design and dimension racks for new jnction boxes which will be installed in the reactors axiliary bilding of the Loviisa nclear power plant owned by Fortm Corporation. Radiation and Nclear Safety Athority STUK demands the racks to be designed for earthqake resistance becase they are to spport classified eqipment. For types of racks were designed in this project: a wall-monted rack for a single jnction box, and three different racks to be anchored both on to wall and the floor. The latter were designed for one, two and three boxes. To start with, information on earthqakes and their effects on strctres was gathered for the design process. Also the standards and gidelines of STUK, as well as the plant's own gidelines and reqirements were stdied. The project work started with the sketching of some configrations and then choosing the main dimensions and profiles for the parts. Next, the strength analysis was carried ot sing a static force compensation method. Calclations were carried ot with the Mathcad 15 software program. Frthermore, some boxes were to be installed on racks already bilt. The strength analysis was carried ot for them as well. Three-dimensional models of the parts and frther assembly models were made with Creo Elements/Pro software. Then part and assembly drawings were made with the same software. Finally, installation drawings were made sing Microstation V8i software. Finally, the calclations, drawings and other project related docments were gathered together and a constrction plan was compiled of them. Keywords racks, earthqakes, dimensioning, designing
Sisällys 1 Johdanto 1 1.1 Työn tasta 1 1. Työn vaiheet Maanjäristykset 5.1 Maanjäristysten synty ja aaltoliikkeet 5. Maanjäristysten intensiteetti ja magnitdi 9.3 Maanjäristysten thovaiktksia 11.4 Riskilokits ja maanjäristykset Somessa 11.5 Maanjäristysten homioon ottaminen snnittelssa 13 3 Snnittelprosessi 17 3.1 Snnittelpersteet 17 3. Ideointi 3.3 Ljslaskenta 5 3.4 Piirstksien laatiminen 31 3.5 Rakennesnnitelman kokoaminen 38 4 Yhteenveto 39 Lähteet 41 Liitteet Liite 1. Seinäkiinnitteisen telineen ljslaskenta Liite. Lattiakiinnitteisen telineen ljslaskenta Liite 3. Mt laskt Liite 4. Piirstkset
1 1 Johdanto 1.1 Työn tasta Niin kaan kin ydinvoimaloita on ollt olemassa, on niiden trvalliss holestttant ihmisiä ympäri maailman. Viime vosina varsinkin Japanin Fkshima Dai-ichi -voimalassa sattnt onnettoms on mttant ydinvoimaloiden trvallisteen shtatmista kriittisemmäksi, ja esimerkiksi Saksa on päättänyt lopa ydinvoimasta kokonaan [1]. Sendaissa sattnt maanjäristys aihetti valtavan hyökyaallon, tsnamin, joka iski mn massa Fkshiman voimalaitosaleelle vahingoittaen laitosta vakavasti. Onnettomden seraksena voimalaitokselta vapati ilmaan ja mereen radioaktiivisia aineita. [.] Ydinvoima-alalla on onnettomden jälkeen herätty kehittämään sia trvallistta parantavia järjestelmiä ja kiinnittämään homiota yhä seampiin mahdollisiin onnettomksiin. Varsinkin maanjäristyksiltä ja tsnameilta sojatminen on tärkeää, sillä voimalaitokset on sein sijoitett jäähdytysveden takia rannikolle, ja monissa maissa ydinvoimalaitoksia on myös seismisesti aktiivisilla aleilla. Vaikka Somi on seismisesti hyvin vakaa ale, ja srten maanjäristysten todennäköisyys on hyvin pieni, esiintyy pieniä järistyksiä jatkvasti. Riskiä ei todellakaan ole syytä väheksyä. Ydinvoimalaitosonnettomksien serakset voivat olla todella mittavia ja vakavia, joten on tärkeää varata myös epätodennäköisiin tilanteisiin. Siksi rakennkset, tärkeät järjestelmälaitteet sekä jälkimmäisten tkirakenteet on mitoitettava kestämään niin maanjäristyksiä kin mitakin hkia. Snniteltaessa maanjäristyksen kestäviä rakenteita on tärkeää ymmärtää, miten maanjäristykset syntyvät ja millä tavalla ne vaikttavat rakenteisiin. Usien rakenteiden ja laitteiden snnitteln ohella myös olemassa olevien järjestelmien sekä rakenteiden kehitys ja knnossapito on tärkeä tekijä trvallisden kannalta. Energiayhtiö Fortm Oyj:llä on käynnissä Loviisan voimalaitoksen atomaatiodistsprojekti, joka parantaa voimalaitoksen trvallistta korvaamalla vanhan analogisen atomaatiojärjestelmän digitaalisella. Projektiin liittyy sien kytkentäkoteloiden asentaminen eri polille laitosta, ja tämän opinnäytetyön tarkoitksena on snnitella reaktorin aprakennkseen asennettaville sille kytkentäkoteloille telineet seinä- ja lattia-
kiinnityksillä. Kytkentäkotelo on sellainen kotelo, johon voidaan toda kaapeleita ja kytkeä ne helposti ja sojatsti toisiinsa. Vastaavien telineiden tarkkaa maanjäristysmitoitsta ei ole aiemmin tehty Loviisan voimalaitoksen aprakennkseen, joten työ on projektille hyvin tarpeellinen Säteilytrvakeskksen hyväksynnän saamiseksi. Työssä nodatetaan ohjetta YVL.6 ja sen snnittelperstetta S. Ohjeen mkaan ydinvoimalaitos täytyy snnitella siten, ettei snnittelmaanjäristyksestä aihed vaaraa laitoksen sammtkselle, jälkilämmönpoistolle, sojarakennksen toiminnalle eikä radioaktiivisten aineiden leviämisen estämiselle. Ydinvoimalaitosten rakenteet ja laitteet lokitellaan kahteen lokkaan niille asetettjen kestävyysvaatimsten persteella. Lokkaan S1 klvat ydintrvallisden kannalta tärkeät rakenteet ja laitteet, jotka eivät saa vahingoitta maanjäristyksen seraksena. Lokkaan S klvat kaikki mt rakenteet ja laitteet, joille ei aseteta omaan toimintakykyyn ja eheyteen liittyviä vaatimksia, mtta ne eivät saa varioitmisellaan vaarantaa lokkaan S1 klvia rakenteita ja laitteita. [3, s. 4.] 1. Työn vaiheet Snniteltavat kytkentäkotelotelineet ovat osa atomaatiojärjestelmää. Mahdollisessa onnettomstilanteessa atomaatiojärjestelmä ottaa laitoksen hallintaansa ja voi sitten ajaa sen atomaattisesti trvalliseen tilaan, mikä pienentää oleellisesti sronnettomden mahdollistta. Tästä syystä snniteltavat telineet mitoitetaan ja varmistetaan laskilla S-lokan periaatteiden mkaisesti maanjäristyksen kestäviksi. Asennettavien koteloiden mitoitksen on tehnyt niiden toimittaja, joten niiden maanjäristyskestävyyttä ei käsitellä tässä työssä. Alksi ttstttiin asennsympäristöön ja selvitettiin, onko eri asennspaikoilla erilaisia vaatimksia telineiden shteen. Selvitettiin, mitä materiaaleja on mahdollista käyttää ja onko tarvetta pintakäsittelylle. Nämä asiat selviävät Loviisan voimalaitoksen omasta ohjeistksesta. Lisäksi ttstttiin aiemmin snniteltihin telineratkaisihin. Snnittel aloitettiin hahmottelemalla paperille erilaisia vaihtoehtoja telineen rakenteelle. Snnitteln lähtötietona on käytetty kotelon ja sen kiinnitysten mittoja. Kotelo on lkomitoiltaan 488 mm leveä, 45 mm korkea ja 168 mm syvä. Kotelon massa on,9 kg. Kiinnityspisteiden väli pystysnnassa on 345 mm ja vaakasnnassa 48 mm. Kotelo on esitetty kvassa 1.
3 Kva 1. Kytkentäkotelo Kaikki asennettavat kotelot ovat samanlaisia. Seraavaksi ttkittiin millainen hahmotellista telineistä khnkin asennspaikkaan sopii. Telineitä asennetaan kymmeneen eri tilaan, joista osa on atomaatiotiloja ja osa käytäviä tai prosessitiloja. Tiloissa on asennettna mita rakenteita, jotka tli ottaa homioon snnittelssa. Sen lisäksi, että vanhojen rakenteiden seasta täytyi löytää paikka sille telineille, on myös homioitava, etteivät ne pääse vahingoittamaan sia koteloita ja niiden tkirakenteita. Telineet snnitellaan niin, että seinä- ja lattiakiinnitteisissä malleissa käytettiin mahdollisimman paljon samanlaisia materiaaleja ja profiileja. Näin tarveainehankinnat tlevat helpommiksi ja halvemmiksi. Kn konseptisnnittel oli tehty, valittiin tarvittaviin osiin sopivat profiilit ja kiinnitysmenetelmät. Mietittiin myös osien mitat ljslaskentaa varten. Seraavana työvaiheena oli ljslaskenta, joka alkoi kytkentäkoteloon ja telineeseen vaikttavien maanjäristyskormien selvittämisellä. Kn kormat olivat tiedossa, voitiin
4 laskea rakenteessa syntyvät staattiset reaktiovoimat ja niiden persteella eri osissa vaikttavat jännitystilat. Verrattiin jännityksiä materiaalien myötörajoihin ja selvitettiin, onko knkin osan mitoits sopiva vai onko sitä syytä mttaa. Lisäksi ljstarkastellla ttkittiin, onko joissakin asennstiloissa olevia vanhoja kotelotelineitä mahdollista käyttää sien koteloiden asennksiin. Kn osien mitoits oli selvillä, tehtiin niistä kolmilotteiset mallit, joista rakennettiin kokoonpanomallit. Tehdyistä malleista lotiin osa- ja kokoonpanopiirstkset. Ttkittiin myös jokaisen telineen asennspaikat ja laadittiin asennspiirstkset. Lopksi laadittiin tai mtoin hankittiin mt rakennesnnitelmaan vaaditt dokmentit, ja koottiin valmis rakennesnnitelma.
5 Maanjäristykset Maanjäristyksistä seraa rakennksille ja mille rakenteille kormitksia, jotka saattavat aihettaa niille ja niiden ympäristölle srta thoa. Onkin siis tärkeää snnitella rakenteet siten, että ne kestävät kyseisiä kormitksia mahdollisimman hyvin. Maanjäristysmitoitksen merkitys korost varsinkin rakennettaessa hyvin korkeita tai yhteisknnalliselta merkitykseltään tärkeitä rakennksia ja rakenteita. Tässä insinöörityössä snniteltavien telineiden on tärkeää kestää maanjäristyksiä, sillä niihin liittyvät atomaatiojärjestelmät mahdollistavat mn massa voimalaitoksen hallintaan oton ja trvallisen alasajon onnettomstilanteessa..1 Maanjäristysten synty ja aaltoliikkeet Maapallon kivikehä, eli litosfääri, jakat pariksikymmeneksi tektoniseksi laataksi, jotka voivat modosta mantereellisesta koresta, merellisestä koresta tai molemmista. Myös laatan alapolella sijaitseva maapallon vaipan jäykkä yläosa kl tektoniseen laattaan. Nämä laatat kellvat osittain slan astenosfäärin päällä. Astenosfäärissä aine liikk siten, että kmentnt, kevyempi kiviaines liikk ytimestä poispäin kohti korta, ja jäähtynyt, painavampi aines pain vastaavasti kohti ydintä. Ilmiötä ktstaan konvektioksi. Konvektion aihettamat pyörrevirtakset aikaansaavat tektonisten laattojen liikettä. [4, s. 6; 4, s. 3.] Laatat liikkvat vodessa noin 3 1 cm. Aineen liikkessa ja ajan klessa kallioperä voi poimtta ja halkeilla, ja kivilajit sekä mineraalit saattavat mtta [5, s. 31]. Kvassa on havainnollistett tektonisten laattojen erilaisia liikkeitä shteessa toisiinsa. Kvassa näkyvät pnaiset pisteet ovat siirroksissa syntyviä maanjäristyspesäkkeitä.
6 Kva. Laattaliikkeet ja maanjäristykset [5, s. 36] Laatat voivat liikkessaan törmätä toisiinsa, erkaanta tai lika toistensa editse. Laattojen rajavyöhykkeet voivat olla valtamerten levenemisselänteitä, joissa tta laattaainesta työntyy laattojen renoille, merellisiä alityöntövyöhykkeitä, joissa laatan rena pain toisen laatan alle, mantereellisia törmäysvyöhykkeitä, joissa laattojen renoista modost poimvoristoja ja toinen laatta pain toisen alle, tai transformi- eli sivt-
7 taissiirrosten vyöhykkeitä, joissa laatat liikkvat toistensa renojen sntaisesti. [4, s. 7 9; 5, s. 34.] Kn laatat liikkvat toisiinsa nähden eri sntiin tai eri nopeksilla, niiden yhtymäkohtiin syntyy kitkavoiman aihettamia jännityksiä. Kn jossakin pisteessä jännitys kasvaa sremmaksi kin maaperän kiviaines kestää, nytkähtävät laattojen renat paikallisesti vastakkaisiin sntiin, ja syntyy maanjäristys. Tämä saattaa mttaa läheisissä pisteissä olevia jännityksiä, jolloin voi syntyä lisää järistyksiä. Srin osa maanjäristyksistä (yli 9 %) satt tektonisten laattojen renoilla. [4, s. 39.] Kvasta 3 voidaan nähdä, että tärkeimmät maanjäristysvyöhykkeet ovat Tyynen valtameren renoilla ja Etelä- Eroopasta Himalajan voristoon lottvalla aleella [6]. Myös laattojen sisään voi syntyä jännityksiä, kn laatan eri aleet liikkvat eri nopeksilla. Tällainen ale on esimerkiksi Kiinassa, jossa läntiset maaknnat liikkvat kohti koillista itäisiä maakntia nopeammin. Aleelle syntyy leikkasjännitystä, joka aihettaa voimakkaita maanjäristyksiä. [4, s. 39, 157.] Kvassa näkyvät maapallolla tapahtneiden maanjäristysten episentrmien, eli maanpäällisten keskipisteiden, sijainnit. Kva 3. Maapallon seisminen kartta [6] Maanjäristyspesäkkeestä, hyposentrmista, leviää kimmoista aaltoliikettä kaikkiin sntiin. Tätä aaltoliikettä voidaan ttkia seismografilla, jolla saadaan rekisteröityä järistyksiä, vaikka niiden pesäkkeet olisivat kakana itse mittaspisteestä. Kvassa 4 on havainnollistett maanjäristysaaltojen perstyyppejä.
8 Kva 4. Maanjäristysaaltojen perstyypit havainnollistettna [4, s. 39] Ensimmäisenä seismografi havaitsee nopeat pitkittäiset kompressioaallot eli P-aallot, jotka klkevat maapallon läpi ja voroin pristavat ja venyttävät kallioperää. Seraavaksi voidaan havaita S-aallot, jotka ovat poikittais- eli transversaaliaaltoja. Nämä aallot taivttavat kallioperää sivsnnassa. Sitten saapvat maanpintaa pitkin klkevat pinta-aallot (Rayleigh- ja Love-aallot) ja lopksi ns. vapaat värähtelyt, joita syntyy srissa
9 maanjäristyksissä. Pinta-aallot ovat pahimpia thon aihettajia maanjäristyksissä. [4, s. 136 14; 5, s. 38 39.] Tektonisten laattojen pyrkiessä liikkmaan siirroslinjaa pitkin toistensa ohitse kitkavoima lkitsee liikkeen. Jännityksen kasvaessa kitkan aihettama lkits loplta pettää jossakin pisteessä. Kyseiseen pisteeseen syntyy repeämä, joka kasvaa nopeasti siirrostasoa pitkin jopa satojen kilometrien päähän. Siirrostason vastakkaiset polet siirtyvät siten, että deformaatio ja jännitystila häviävät tai ainakin pienenevät. Siirtymä tapaht kapealla aleella, joka yltää mtamien kilometrien päähän siirtolinjan molemmin polin. Kn maaperä liikahtaa nopeasti, syntyy häiriöitä, jotka leviävät seismisinä aaltoina. [4, s. 144 145.] Tällainen tapahtma on lonteeltaan toistva, koska laattojen liike jatk järistyksen jälkeenkin ja jännitys kasvaa delleen, knnes ylittää taas jossakin siirroskohdan pisteessä maankoren ljden. Sret maanjäristykset synnyttävät jälkijäristyksiä, kn viereisten maanjäristyspesäkkeiden jännityksiä lakeaa. [4, s. 145.] Maanjäristyksien tapahtma-aikaa tai -paikkaa ei voida vielä nykytiedolla ennstaa. Menetelmiä niiden ennakointiin yritetään kitenkin kehittää.. Maanjäristysten intensiteetti ja magnitdi Kn phtaan järistyksen voimakkdesta, voidaan pha intensiteetistä tai magnitdista. Intensiteetti kvaa järistyksestä tehtäviä aistihavaintoja ja magnitdi on verrannollinen järistyksessä syntyvien aaltojen maksimiamplitdiin. Intensiteetin arvo pienenee, kn etäisyys maanpäälliseen maanjäristyskeskipisteeseen, episentrmiin, kasvaa. Sen sijaan magnitdin arvo pysyy samana mittaspisteestä riippmatta. [4, s. 14.] Intensiteetistä phttaessa, käytetään nykyisin seimmiten niin sanotta mnnetta Mercallin asteikkoa, joka on kaksitoistaportainen. Kn järistyksen intensiteetti kyseisellä asteikolla on I, se voidaan havaita vain herkillä mittalaitteilla. Intensiteetin ollessa II, järistys voidaan todeta jo ihmisaistein. Kn nostaan lokkaan VI, syntyy pientä aineellista vahinkoa ja intensiteetin ollessa srimmillaan, lokassa XII, on hävitys täydellinen. [4, s. 14.] Magnitdi eli srslokka on maanjäristyksen varsinainen voimakkden mitta, ja se on verrannollinen seismogrammista mitattn srimpaan poikkeamaan eli amplitdiin.
1 Magnitdiasteikon loi vonna 1935 Charles Richter. Asteikko on kymmenkantainen logaritmiasteikko, mikä tarkoittaa, että magnitdin kasvaessa yhden yksikön verran kasvaa amplitdi kymmenkertaiseksi. Magnitdin arvo lasketaan kaavalla m = log a + B, jossa m on magnitdi, a seismogrammista lett srimman heilahdksen T amplitdi jaettna seismografin srennksella (mikrometreinä), T heilahdsaika ja B vaimenns, jonka arvo on riippvainen pesäkkeen episentrmietäisyydestä sekä syvyydestä. [4, s. 143.] Tämän lisäksi seismogrammin amplitdin neliö on verrannollinen maanjäristyksessä vapatvaan energiaan [5, s. 41]. Seismologisissa tietokannoissa on aina ilmoitettava, millä persteella magnitdi on määritelty. Tavallisimmin käytetään pinta-aaltomagnitdia M s, persaaltomagnitdia m b tai momenttimagnitdia M. [4, s. 143.] Energia ja magnitdi ovat logaritmisesti riippvaisia toisistaan. Tämä riippvs, jota ktstaan Gtenberg-Richterin laiksi, on tarkka mten paitsi magnitdiasteikon ääripäissä. Vaikka magnitdiasteikko on periaatteessa avoin, määrittyy alaraja mittalaitteiston herkkyydestä ja yläraja, joka on noin yhdeksän, kallioperän ljimman kivilajin mrtmiskestävyydestä. Talkossa 1 on esitetty eri magnitdisten maanjäristyksien esiintymistiheyksiä ja niissä vapatvia energiamääriä. [5, s. 4.] Talkko 1. Eri magnitdisten maanjäristysten lkmääriä vosittain sekä niissä vapatvia energioita [5, s. 4] Magnitdiraja Lkmäärä vodessa keskimäärin Vapatva energia alarajalla (1 1 J) 8, 1 63 7, 19 6, 14 63 5, 94 4, 7 14,63 3, 56., 4, 63 Ahveniston ym. [5, s. 4] mkaan srimman havaitn maanjäristyksen magnitdi oli noin yhdeksän ja siinä on arvioit vapatneen energiaa 6 * 1 17 jolea. Noin polet maapallon seismisestä energiasta vapat srimmissa maanjäristyksissä, joiden magnitdi on yli kahdeksan. Järistyksissä, joiden magnitdi on yli seitsemän, prkat
11 75 % seismisestä energiasta. Vaikka magnitdin seitsemän ylittäviä järistyksiä tapaht voden aikana seita, tlevat yleiseen tietoon vain järistykset joilla on sri intensiteetti. [5, s. 4 43.].3 Maanjäristysten thovaiktksia Kakkrin ja Hjeltin [4, s. 157] mkaan maanjäristyksien arvellaan olevan thoisimpia lonnononnettomksia. Järistykset thoavat ympäristöään tärisyttämällä maaperää, jolloin rakenteet saattavat niihin kohdistvien jännitysten takia mrta. Maanjäristykset myös rikkovat kallioperää ja lakaisevat maanvyöryjä sekä tsnameja. Näistä maaperän tärähtely on srin thojen aihettaja, koska se aihettaa rakenteiden thotmista. Ihmishengille thoisia ovat erityisesti vyöryvät lössimassat, jotka lähtevät liikkeelle järistysten voimasta ja joita ei voida millään ihmisen rakentamalla esteellä pysäyttää. [4, s.159.].4 Riskilokits ja maanjäristykset Somessa Kn määritellään jonkin aleen riskilokitsta, on tärkeää tietää kyseisen aleen thovaiktksiltaan srimman maanjäristyksen intensiteetti, joka pitkäaikaisten tilastojen persteella voi satta kyseisessä paikassa kerran tietynpitisen ajanjakson aikana. Kansainvälisesti käytetään sein 475 voden ajanjaksoa. Intensiteettiarvon saavttavan maanjäristyksen sattmisen todennäköisyys ensimmäisen 5 voden aikana on 1 %, sadan voden aikana 19 %, 5 voden aikana 41 %, ja 5 voden ajanjaksolla 65 %. Someen tällä tavoin arvioit srin intensiteetti lienee lokkaa V. [4, s. 159.] Maapallon eri aleet voidaan jakaa seismisen riskialttitensa mkaan viiteen lokkaan talkon esittämällä tavalla.
1 Talkko. Seismisten aleiden riskilokat [4, s. 16] Lokka Maksimi-intensiteetti 5 votta kestävän ajanjakson aikana (1 %:n todennäköisyydellä) V tai sitä pienempi 1 VI VII 3 VIII 4 IX tai sitä srempi Somi kl siis lltavimmin lokkaan, joka on seismisesti kaikkein rahallisin [4, s.16], sillä Somen kallioperä on vanhaa ja pääpiirteiltään vakiintntta. Fennoskandian ja Eraasian liike, Pohjois-Atlantin keskiselänteen leviäminen ja jääkaden jälkeinen maannos Pohjanlahden aleella aihettavat Somen kallioperään kitenkin jännityksiä, jotka prkatvat magnitdiltaan pienissä (yleensä alle neljä) maanjäristyksissä. Somen srimmat järistykset keskittyvät Kainsta Perämerelle yltävälle aleelle, kten voidaan havaita kvasta 5. [5, s. 46; 7.]
13 Kva 5. Vosina 1965 Fennoskandian aleella paikannett järistykset [5, s. 46] Maanjäristyksiä ttkitaan maailmanlaajisesti seismografiasemien verkoilla. Somessa srin osa asemista kl Helsingin yliopiston Seismologian laitokselle ja mtama Oln yliopiston Sodankylän geofysiikan observatoriolle. Herkkien rakennelmien läheisyydessä serataan tärinää erillisten lisäasemien avlla. Esimerkiksi Loviisan ydinvoimalan ympäristössä on tällaisia lisäasemia. [5, s. 46.].5 Maanjäristysten homioon ottaminen snnittelssa Rakenteet snnitellaan yleensä niin, että ne kestävät hyvin pystysntaisia kormia, jotka aihetvat maan vetovoimasta. Srimmat kormitkset maanjäristyksessä ai-
14 hetvat kitenkin vaakasntaisista järistysaalloista. Rakenteet, joissa näitä kormitksia ei ole otett homioon, saattavat mrta ja aihettaa vakavia vaaratilanteita tai jopa kolemantapaksia. Snnittelssa voidaan vähentää riskejä sijoittamalla rakenteet ja laitteet mahdollisimman lähelle maanpintaa sekä snnittelemalla ne mahdollisimman symmetrisiksi ja yksinkertaisiksi. Tällöin kiihtyvyydet ovat pienempiä ja kormits jakat tasaisesti rakenteen eri elimille ja srien jännityskeskittymien synty on epätodennäköisempää. Rakenteet voidaan snnitella siten, että ne kormitksen alaisena myötäävät mtta eivät mrr. Myös erilaisia vaimentimia voidaan hyödyntää vähentämään kormitksia ja siirtämään rakenteen ominaistaajtta sotisammalle aleelle. Ominaistaajs on taajs, jonka lähellä olevalla taajdella värähtelevä jaksollinen heräte saa rakenteessa aikaan resonanssitilan. Resonanssitilassa modonmtokset voivat kasvaa todella sriksi. Rakenteella on ääretön määrä ominaistaajksia, mtta pienimmät niistä ovat tärkeimpiä snnitteln kannalta. [8, s. 1 14.] Liitokset tlee snnitella riittävän ljiksi, jotta ne kestäisivät maanjäristyksen vaiktksia. Hitsasliitoksissa käytetään ljdelle varmskerrointa 1,, jolloin liitoksista tlee yliljia. Plttien leikkasliitoksissa tlisi levyn reiän mrta ennen kin pltti leikkat. Plttien tlee olla oikein kiristetyt, etteivät liitokset löysty maanjäristyksen aihettaman dynaamisen kormitksen takia. [8, s. 4.] Maanjäristyksen aihettamia kormitksia voidaan arvioida seilla eri menetelmillä. Tässä työssä on käytetty staattisen korvasvoiman menetelmää, jota käytetään pääasiassa yksinkertaisten rakenteiden snnittelssa ja vaativampien rakenteiden esisnnittelssa. Menetelmässä korvataan dynamiikan tehtävä sellaisella staattisella kormitsjakamalla, joka antaa saman siirtymämodon, kin mitä olisi alkperäisessä dynaamisessa tehtävässä maksimissaan ollt. Menetelmän voidaan ajatella antavan kohtllisen hyviä tloksia vain, jos rakenteen alin ominaismoto kvaa hyvin vastetta maanjäristystapaksessa. Jos korkeammat ominaismodot osallistvat vasteeseen oleellisesti, ei menetelmä anna kovinkaan hyviä tloksia. Normeissa menetelmän käyttö rajataan seimmiten matalille ja kaikkien akselien shteen symmetrisille rakennksille. Käytännössä menetelmä on kätevä, koska khnkin tarkasteltavaan sntaan täytyy arvioida vain alin ominaisvärähdysaika, ja laskea sitä vastaavat korvasvoimat.
15 Näitä voimia voidaan sitten yhdistellä miden kormitstapasten kanssa haltlla tavalla. [9, s. 9.] Kiihtyvyysvastespektri tarkoittaa yhden vapasasteen värähtelijän maksimikiihtyvyyttä ominaisvärähdysajan fnktiona jollakin kiihtyvyyshistorialla. Rakenteeseen vaikttava srin voima saadaan ominaisvärähdysajan T ja seismisen massan m persteella kiihtyvyysspektristä. Seismisten kormien laskennassa käytetään eri kiihtyvyyshistorioiden tasoitetta käyrää. [9, s. 7 8.] Spektrejä laskettaessa on otettava homioon seita maaperän ja rakennksen ominaisksia. Spektreihin vaikttavat rakennksen kokonaispaino, rakenteen srin ominaisvärähtelyaika sekä rakennksen sitkeys- ja vaimennsominaisdet. Lisäksi laskennassa voidaan käyttää korjaskertoimia, jotka riippvat esimerkiksi maantieteellisestä sijainnista, rakennksen yhteisknnallisesta tärkeydestä ja maaperän koostmksesta. Kn rakenteeseen vaikttava kokonaisvoima on saat selville, lasketaan sen jakatminen eri kerroksille. [8, s. 16 18.] Vastespektrikvaajan vaaka-akselilla on taajs hertseinä ja pystyakselilla spektriamplitdi Maan vetovoiman aihettaman kiihtyvyyden kertoimena. Tässä työssä lattiavastespektreistä otetaan kiihtyvyyden srin arvo ja kerrotaan se rakenteen massalla, jolloin saadaan rakenteeseen vaikttava staattinen voima khnkin tarkasteltavaan sntaan. Telinerakenteen asennsasento rakennkseen nähden on otett homioon laskennassa, ja käännetty vaaka-akseleita niin, että kiihtyvyydet kohdistvat khnkin sntaan oikean srisina. Tässä työssä on käytetty aiemmin laskettja lattiavastespektrejä, joten niitä ei tarvinnt erikseen laskea. Laskentaan on käytetty rakennksesta korielementein tehtyä mallia, jonka laskentaverkossa on noin 4 solma. Betonin materiaaliominaisksina on käytetty seraavia arvoja: Kimmomodli 3 kn/m, Poissonin lk,, tiheys,4 t/m 3. Mallinnksessa on otett homioon srimmat säiliöt pistemäisinä massaelementteinä. Nämä pistemassat ovat mitättömiä shteessa rakennksen massaan 44 t. Vasteiden laskennassa käytetty ohjelma on Abaqs Standard 6.1-1. Rakennksen vaste on laskett rakennksen ominaismotojen persteella aikahistoriana. Ominaismodoista on otett homioon ensimmäiset 5. Rakennksen perstksille annett kiihtyvyys-aikahistoriat on mallinnett YVL B.7:n liitteen mkaisesta spektristä modostettna 15 seknnin kiihtyvyys-aikahistoriana. Vaimennksen arvona on käytetty ohjeen NUREG/CR-6919 mkaisesti 4 %, koska merkittävää rakenteellista varioitmista ei odoteta. Kiihtyvyys-aikahistorioista on laskett lattiavasteet 4 solmlle tar-
16 vittaville tasoille. Solmjen vasteista on modostett verhokäyrät x-, y- ja z-snnissa. Verhokäyrissä esitetään kiihtyvyyksien taajskohtaiset maksimit. Vasteet on laskett %:n, 5 %:n ja 1 %:n shteellisilla vaimennksilla. [1, s. 1 4.] Tässä työssä on käytetty %:n shteellisella vaimennksella modostettja käyriä, koska ne antavat srimmat kiihtyvyyden maksimiarvot.
17 3 Snnittelprosessi 3.1 Snnittelpersteet Telineitä snniteltiin tämän työn pitteissa kymmenen kappaletta. Seitsemään telineistä asennetaan yksi kotelo, kahteen kaksi ja yhteen kolme koteloa. Kahden kotelon tapaksissa oli kmmassakin asennspaikassa mahdollista käyttää jo olemassa olevia telineitä, samoin kin toiseen korkeimmalla tasolla sijaitsevista asennstiloista. Korkeimman asennstason vanha teline on esitetty kvassa 6. Kva 6. Uden kotelon asennkseen käytettävä, olemassa oleva teline
18 Snniteltiin kitenkin myös teline kahdelle kotelolle, koska sitä voidaan käyttää atomaatiodistsprojektin jatkessa missa kohteissa. YVL.6:ssa lkee: Rakenne ja laitekohtaiset seismiset snnitelmat sekä kohdan 4. mkaisten maanjäristyskormitsten homioon ottamiseksi edellytettävät mitoitslaskelmat on esitettävä rakenteiden ja laitteiden snnittela koskevissa asiakirjoissa. Maanjäristyslokkaan S1 klvat rakennstekniset rakenteet on mitoitettava kestämään snnittelmaanjäristyksen aihettamat kormitkset. Riittävästä maanjäristyskestävyydestä on varmistttava myös lokassa S esimerkiksi rakennkselle tehdyn dynaamisen analyysin persteella. Maanjäristyslokkaan S1 klvien painelaitteiden, miden mekaanisten rakenteiden ja laitteiden sekä erityisesti niiden tentojen ja kiinnitysten mitoitslaskelmissa tlee tarkastella snnittelmaanjäristyksen aihettamat kormitkset, ellei niitä voida perstellsta syystä pitää vähäisinä mihin snnittelkormitksiin verrattna. Mitoitslaskelmat tlee esittää myös maanjäristystilanteessa olennaisesti kormittvista lokan S1 sähkö- ja atomaatiolaitteiden tennoista ja kiinnityksistä. [3, s. 5 6.] Telineisiin kiinnitetään kmpaankin edellä mainittn lokkaan klvia koteloita, eikä rakenteisiin vaikta mita merkittäviä snnittelkormia, joten mitoitksessa tli ottaa maanjäristyskormat homioon. Lokan S atomaatiolaitteiden tennat tlee mitoittaa maanjäristykset homioiden, sillä ne eivät saa varioita siten, että vahingoittavat esimerkiksi kaatessaan lokan S1 laitteita ja kiinnityksiä [3, s. 4]. Kmmankin lokan telineet täytyi tässä työssä mitoittaa maanjäristyksen kestäviksi. Kormat saatiin kerrosvastespektreistä, jotka oli modostett aprakennksen jokaiselle kerrokselle erikseen maavastespektrin ja rakennksen laskentamallin avlla. Kerroskohtaiset spektrit tli laskea erikseen, koska korkeissa rakennksissa ylimpien kerrosten kiihtyvyydet saattavat olla erittäin paljon srempia maavastespektristä saataviin kiihtyvyyksiin verrattna. Kiihtyvyydet oli otettava homioon kahdessa toisiaan vastaan kohtisorassa horisontaalisnnassa sekä vertikaalisesti. Kormien varmskertoimina käytettiin arvoa 1,5 [11, s. 75] ja laskentaljksina ominaisljksia [3, s. 5]. Kvassa 7 ovat rakennksen perstksille annett kiihtyvyys-aikahistoriat.
19 Kva 7. Aprakennksen perstksille vastespektrien laskennassa annett kiihtyvyys- aikahistoriat Materiaaliksi valittiin teräs sen hyvien ljsominaisksien voksi. Teräsrakenteet käyttäytyvät maanjäristystilanteessa edllisesti, sillä ne sitovat hyvin modonm-
tosenergiaa mrtmatta. Loviisan voimalaitosten ohjeistksen mkaan teräsrakenteiden tlee olla korroosiosojattja. Telineissä käytetään asteniittista EN 1.444 -terästä. Sinkkigalvanoitja osia ei voida käyttää, koska ne eivät Loviisan voimalaitoksen ohjeistksen mkaan sovell atomaatiotiloihin. 3. Ideointi Alksi tnnettja mittoja olivat vain kotelon päämitat ja sen kiinnityskohtien sijainnit sekä massa. Kiinnitettävän kotelon esitteestä nähtiin, että sen sisään kiinnitettävästä materiaalista sri osa sijoitt kotelon takaosan polelle. Paremman tiedon pttessa sijoitettiin kotelon massa jokaisen akselin snnassa keskelle, jolloin laskennan tloksissa oltiin varmalla polella. Maanjäristyksen kestävät rakenteet tlee snnitella mahdollisimman yksinkertaisiksi ja symmetrisiksi [3, s. 4]. Rakenteiden tlee myös yleisesti olla mahdollisimman yksinkertaisia valmistaa ja rakentaa, jotta päästään talodelliseen lopptlokseen. Päätettiin käyttää telineissä Hilti Oy:n valmistamia hammastettja MQ-sarjan asennskiskoja (kva 8), jotka mahdollistavat helpon ja nopean kokoonpanon jostavien kiinnitysmahdollisksiensa ansiosta, eivätkä vaadi hitsastyötä asennspaikalla. Lisäksi asennskiskoja on saatavilla rostmattomasta teräksestä valmistettina, joten niitä ei tarvitse erikseen maalata. Kva 8. Asennskiskoprofiili MQ-41-R, Hilti Oy Kytkentäkotelon piirstksista havaittiin, että koteloa ei voit soraan kiinnittää asennskiskoihin vaan väliin tarvittiin erilliset kiinnityspalat, joihin ensin kiinnitettäisiin kotelo, ja jotka sitten voitaisiin kiinnittää kiskoihin. Kiinnityspalat päätettiin tehdä rostmattomasta, poikkileikkasmitoiltaan 5 mm x 5 mm kokoisesta lattateräksestä. Lisäksi kiinnityskohdat ovat hieman potettina kotelon takapinnan sisään, minkä takia väliin päätettiin laittaa alslevyt soran kiinnityskontaktin lomiseksi. Välikiinnike on esitetty kvassa 9.
1 Kva 9. Välikiinnike Kvassa 1 on lonnostelvaiheessa tehty lyijykynäpiirros seinälle kiinnitettävästä telineestä. Kva 1. Seinäkiinnitteisen telineen hahmotelma Seinäkiinnitteisen telineen rnko voitiin tehdä pelkästään asennskiskoista, sillä ne voidaan kiinnittää toisiinsa ja ankkroida seinään vaivattomasti. Lonnoksen ratkaissta mtettiin vain asennskiskojen välistä kiinnitystä. Niiden liittämiseen käytettiin kiskon ympäri lottvan kiinnikkeen sijasta Hilti Oy:n valmistamia siipimttereita. Tämä ratkais säästää kokoonpanotyötä ja -aikaa, kiinnitysplttien määrän pienentyessä. Mietityt kiinnikeratkaist näkyvät kvassa 11.
Kva 11. Kiskojen toisiinsa liittämiseen snniteltja osia, Hilti Oy Lattiakiinnitteisen telineen rnkoon päädyttiin käyttämään poikittaisten asennskiskojen lisäksi jaloiksi sopivia rakenneptkia, joiden alapäihin hitsataan lapt ankkrointia varten. Lattiakiinnitteisen telineen hahmotelmia on esitetty kvassa 1. Kva 1. Lattiaan ankkroitavan telineen hahmotelmia Kvan 1 hahmotelmista on loplliseen ratkaisn käytetty kahta oikeanpolimmaista mallia ja sivtett vasemmanpoleisin, koska sen valmists ja kokoonpano olisi työlästä. Lisäksi teline pitäisi kljettaa kokonaisena asennspaikalle, mikä saattaisi joissain tiloissa tottaa ongelmia.
3 Alstavasti valittiin seinäkiinnitteisen telineen vaakakiskoihin MQ-1R-profiili, pystykiskoihin ja lattia-asenteisen telineen vaakakiskoihin MQ-41R-profiili ja lattia-asenteisen telineen pystyptkiksi halkaisijaltaan 48,3 mm rostmattomasta teräksestä valmistett pyöreä rakenneptki. Alksi snniteltiin käytettäväksi pyöreää rakenneptkea, kten kvassa 1, jolloin kiskojen kiinnittäminen olisi tapahtnt U-pltteja hyödyntäen, mtta kollegalta saatjen kommenttien persteella päädyttiin vaihtamaan kiinnitystapaa ja ptkiprofiilia. Pyöreän ptken ja U-pltin liitos löystyy dynaamisissa kormitksissa, joita maanjäristykset aihettavat. Ptken profiiliksi valittiin 5 mm x 5 mm x 5 mm neliöptki, ja U-plttien sijasta kiskojen kiinnittämiseksi ptkiin hitsataan lisäksi lapt, joihin porataan reiät. Jalan ja kiskon välinen kiinnitys totetetaan plteilla ja mttereilla. Kvassa 13 on jalasta hahmotelt piirros. Kva 13. Jalan den version hahmotelma ja vieressä jännityslaskennan avksi piirretty kva
4 Liitosta varten ptkiin hitsataan lapt, joihin porataan reiät kiskojen kiinnittämistä varten. Kiinnityslappjen materiaaliksi valittiin 5 mm x 5 mm lattateräs, jota snniteltiin käytettäväksi myös koteloiden välikiinnikkeissä. Ptkien alapäihin hitsataan 8 mm x 8 mm x 14 mm teräslapt, joihin on poratt reiät kahta kiila-ankkria varten. Lopksi kvassa 14 on vielä esitetty seampien koteloiden kiinnittämiseen lonnostelt teline. Kva 14. Hahmotelma seamman kotelon telineestä Kahden kotelon telineessä on ensimmäisen kotelon alle lisätty asennskiskot toista koteloa varten ja kolmen kotelon mallissa on kiskojen pittta jatkett, jotta koteloja saadaan mahtmaan telineeseen vierekkäin. Kaikkiin lattiaan kiinnitettäviin telineisiin tlee myös kvan 1 keskimmäisen hahmotelman mkaiset konsolikannakkeet, jotka
5 ankkroidaan seinään. Nämä kannakkeet klvat samaan totesarjaan asennskiskojen kanssa ja ovat ljsominaisksiltaan sekä materiaaliltaan niiden kanssa yhteneviä. Lopksi päätettiin käytettäville profiileille alstavat pitsmitat. Kiskojen missa on 63 mm pitkiä kiinnitysakkoja 1 mm:n välein, joten liitoskohdat tli sijoittaa niiden mkaisesti siten, että telineiden kokoonpano olisi mahdollista. Osassa asennspaikoista oli jo aiemmin asennettja telineitä, joihin voitaisiin asentaa myös det kotelot. Päädyttiin käyttämään niitä, koska sille telineille ei ole tilaa eikä telineissä olevaa vapaata tilaa ole syytä jättää käyttämättä. Koteloiden kiinnittämiseen vanhoihin telineisiin tarvitaan samanlaiset välikiinnikkeet kin mihinkin. Lisäksi telineisiin asennetaan sia c-profiilisia kiskoja, koska kiskojen välin täytyy olla kotelon kiinnityskohtien välin mkainen. Koteloiden asenns tehdään plttikiinnityksin, telineeseen tehtyjä aiempia asennksia mkaillen. 3.3 Ljslaskenta Ljslaskenta aloitettiin selvittämällä, millaisia kiihtyvyyksiä maanjäristys aihettaa rakenteisiin. Työn tilaajan ohjeistksen mkaisesti mitoits tehtiin staattisen korvasvoiman menetelmää käyttäen. Laskentatyökalksi annettiin Mathcad 15 -ohjelmisto. Laskennassa käytettävät kiihtyvyydet saatiin ottamalla kerrosvastespektreistä kiihtyvyyden srimmat arvot, ja kertomalla ne varmskertoimella 1,5 [11, s. 75]. Arvot on otett spektreistä jotka on modostett %:n shteellisella vaimennksella. Käytetyt arvot ovat esitettynä talkossa 3. Talkko 3. Laskennassa käytetyt shteelliset kiihtyvyydet komponenteittain vaimennskertoimen ollessa % Elevation X (g) Y (g) Z (g) +3.,7,9,16 +7.8,58,55,4 +1.6,78 1,3,51 +17.4 1,34 1,8,55 Talkossa 3 esitetyt arvot ovat kertoimia Maan vetovoiman aihettamalle kiihtyvyydelle g = 9,81 m/s. Vasemmassa renassa esitetyt arvot ovat kerroskorkeksia metreinä meren pinnasta mitattna. Z-komponentti on pystysntainen ja sen kertoimiin on las-
6 kennassa lisätty rakenteisiin normaalistikin vaikttava Maan vetovoiman aihettama kiihtyvyys g. Vaakasntiin X ja Y, jotka ovat toisiaan vastaan kohtisorassa, käytetään talkossa näkyviä kertoimia. Laskennassa on käytetty knkin erilaisen telineen kohdalla korkeimmalla sijaitsevan asennspaikan mkaisia kertoimia. Vaakakomponenttien snnat on telineiden ljslaskihin valitt sen mkaan, mihin asentoon teline rakennksen koordinaatistoon verraten asennetaan. Yhden kotelon lattiaan asennettavan telineen kohdalla on kitenkin käytetty ylempänä sijaitsevan kerroksen kertoimia, koska laskennan jälkeen tehtiin päätös käyttää snnitelln telineen sijaan vanhaa telinettä. Käytetyt kertoimet olivat srempia kin missa kerroksissa, joten tarvetta delle tarkastellle ei ollt. Koska kiihtyvyys voi kllakin akselilla vaikttaa kmpaan tahansa sntaan, ttkittiin myös erilaisista kormitssntien yhdistelmistä syntyviä jännityksiä. Havaittiin, ettei kiihtyvyyskomponenttien snnilla ole merkittävää vaiktsta maksimijännitysten srksiin. Maksimijännitysten sijainnit rakenteessa lonnollisesti mttivat. Ljslaskja on lisätty tämän työn liitteiksi. Liitteessä 1 on esitettynä seinälle ankkroitavan telineen ljstarkastel ja liitteessä lattiaan ja seinään ankkroitavan, yhden kotelon telineen ljstarkastel. Molemmissa on käytetty tason +17.4 kiihtyvyyksiä. Miden telineiden ljstarkastel on tehty samoin periaattein kin liitteissä esitettyjen. Lisäksi liitteessä 3 on esitetty hitseille, konsolikannakkeille ja plteille sekä jalkaptken nrjahdkselle tehdyt ljstarkastelt. Spektreistä otettjen kiihtyvyyksien persteella laskettiin staattiset voimat, jotka vaikttavat jokaisen kappaleen massakeskipisteessä sekä pystysntaan että kahteen toistensa shteen kohtisoraan vaakasntaan. Voiman kohdistaminen kappaleen keskelle tottaa jonkin verran tarkempaa laskentaa srempia jännityksiä, jolloin tloksissa ollaan varmalla polella. Hilti Oy:n verkkosivjen teknisestä kirjastosta saatiin asennskiskoprofiilien tekniset tiedot, joista löytyy mm. tarvittavat taivtsvastkset, poikkileikkaspinta-alat, massat pitsyksikköä kohti ja sallitt jännitykset. Samoilta verkkosivilta saatiin myös kiila-ankkrien ja siipimtterien sallittjen kormitsten arvot. Asennskiskojen sallitt jännitykset ovat MQ-41/3-R-profiilille ja MQ-1-R-profiilille 188,3 MPa. Miden valmistettavien kappaleiden sallittna jännityksenä on käytetty materiaalin EN 1.444 vetomyötöljtta R p, = MPa standardin EN 188 mkaisesti.
7 Varsinainen ljstarkastel aloitettiin laskemalla ensin kytkentäkotelon massasta sen kiinnityspisteisiin aihetvien reaktiovoimien komponentit kolmessa pääsnnassa kaavalla 1. F x = m a x (1) F x on massakeskipisteessä vaikttava voima tarkasteltavaan sntaan x m on kappaleen massa a x on shteellinen kiihtyvyys tarkasteltavaan sntaan x Nämä voimat siirrettiin välikiinnikkeiden laskihin kormitksiksi ja laskettiin myös kiinnikkeiden massoista syntyvät kormat. Kormista ratkaistiin palkkikiinnitykselle kohdistvat voimat. Näin jatkettiin edelleen seraaviin, kssakin rakenteessa esiintyviin osiin, knnes päädyttiin kiila-ankkreihin vaikttaviin voimiin. Laskennassa rakenteiden liitokset on oletett nivelellisiksi. Kn kappaleiden voimatasapainot olivat selvillä, pystyttiin tekemään jännitystarkastel. Tätä varten laskettiin tai haettiin talkoista knkin kappaleen poikkileikkaspinta-ala A. Sitten ratkaistiin normaalijännitys σ kaavalla. σ = N A () σ on normaalijännitys N on poikkileikkaspintaa vastaan kohtisora voima leikkaspisteessä A on poikkileikkaspinta-ala on leikkaspinnan sijainti kappaleen pitdella. Seraavaksi laskettiin leikkasjännitykset τ jokaisessa pisteessä kappaleen pitssnnassa kaavalla 3. Tlos tällä kaavalla on likimääräinen mtta homattavasti nopeampi laskea. Lisäksi sorien leikkasjännitysten ollessa hyvin pieniä, ei ole tarvetta tarkemmalle tarkastellle.
8 τ = Q A (3) τ on leikkasjännitys Q on poikkileikkaspinnan sntainen leikkasvoima leikkaspisteessä A on poikkileikkaspinta-ala on leikkaspinnan sijainti kappaleen pitdella. Leikkasjännitykset laskettiin kahteen, toisiaan vastaan kohtisoraan sntaan, ja laskettiin niiden resltantti, jolloin tlokseksi saatiin srin poikkileikkaksessa vaikttava sora leikkasjännitys. Lisäksi laskettiin voimien persteella kappaleiden kssakin pisteessä vaikttava taivtsmomentti kmpaankin taivtssntaan. Momenttien persteella laskettiin kmmankin taivtsakselin ympäri niistä aihetvat normaalijännitykset kaavalla 4 tai kaavalla 5 riippen käytössä olleista lähtöarvoista. Vastaavia kaavoja on käytetty myös mille kin x-akselille. σ x, = M z, I z r (4) σ x, on normaalijännitys x-akselin sntaan M z, on taivtsmomentti z-akselin shteen I z on poikkileikkaksen neliömomentti taivtsakselin z shteen r on tarkastelpisteen etäisyys taivtsakselista on leikkaspinnan sijainti kappaleessa. σ max, = M z, W z σ max, on normaalijännitys x-akselin sntaan M z, on taivtsmomentti z-akselin shteen W z on poikkileikkaksen taivtsvasts z-akselin shteen on leikkaspinnan sijainti kappaleessa. (5) Seraavaksi laskettiin kaikkien normaalijännityskomponenttien itseisarvot yhteen, jolloin saatiin smmaksi srin normaalijännitys jokaisessa leikkaspisteessä. Jännitys on laskett siten, että se voi esiintyä missä tahansa poikkileikkasprofiilin klmassa. Lisäksi laskettiin väännöstä aihetvat jännitykset kaavalla 6.
9 τ max, = T W v (6) τ max, on normaalijännitys x-akselin sntaan T on vääntömomentti poikkileikkaksessa W v on poikkileikkaksen vääntövasts on leikkaspinnan sijainti kappaleessa. Laskjen persteella mtettiin välikiinnikkeiden ja jalkaptkien mittoja. Välikiinnikkeiden poikkileikkasprofiiliksi vaihdettiin 5 mm x 5 mm -profiilin sijaan 4 mm x 1 mm -profiili, koska laskennassa kokeilemalla havaittiin, että vähemmän pitkänomainen poikkileikkaspinnan moto on jännityksien keston kannalta edllisempi. Jalkaptkia mokattiin jälleen, koska havaittiin niiden olevan ylimitoitettja. Seinämäpakstta vähennettiin 5 mm:stä 3 mm:iin, ja laskjen persteella todettiin mitoitksen olevan edelleen riittävä. Lisäksi ptkien massan vähentäminen pienensi konsoleille, jalkalapille ja ankkreille kohdistvia kormitksia. Sekä lattiaan että seinään kiinnitettävien telineiden seinäkiinnitykseen käytettävien konsoleiden ljstarkastel tehtiin valmistajan talkoita hyödyntäen. Niiden mkaan 3 mm pitkän MQK-41R konsolin päähän voidaan kohdistaa enimmillään 1 48 N:n srinen taivtsta aihettava voima. Voima on snnitellssa rakenteessa seinäpinnan kanssa yhdensntainen vaakavoima. Laskelmien mkaan srin voima, joka konsoleille kohdist, on noin 75 N. Konsolin taivtsljs on riittävä. Srin mahdollinen vetojännitys laskettiin kaavojen ja 5 mkaisesti konsolin poikkileikkaksen kanssa vastaavan asennskiskoprofiilin poikkileikkaksen talkkoarvoja käyttäen. Konsolissa syntyvät jännitykset σ = 3 MPa ovat hyvin pieniä sallittn jännitykseen σ sall = 175 MPa verrattna. Tlos on saat kaavalla 7. σ = σ + σ x, (7) σ on normaalijännitys yhteensä σ on vedosta tai pristksesta johtva normaalijännitys σ x, on taivtksesta johtva normaalijännitys Lisäksi tli vielä tehdä plttiliitosten ja hitsien ljstarkastel. Ensin etsittiin kaikista aiemmista laskelmista srimmat knkin tyyppiselle kiinnitykselle vaikttavat kormat. Laskettiin M1-pltille kohdistvat srimmat veto- ja leikkasjännitykset. Kaavalla laskett normaalijännitys on alle 5 MPa. Srin plttiin vaikttava leikkasvoima lasket-
3 tiin leikkasvoimakomponenteista Pythagoraan lasetta käyttäen. Kaavalla 3 laskettiin srimmaksi leikkasjännitykseksi alle 4 MPa. Laskelmien persteella ljslokan A4-7 pltit ovat riittävän ljat kestämään annett kormat. M8-kokoisia pltteja ei esiinny malla kin kotelon kiinnityksissä, ja ne ovat ljslokaltaan 8.8. Niiden kestävyys tarkastettiin samojen kormien alaisena kin M1-pltitkin, joten ne ovat riittävän ljia. M1-siipimtterien srin sallitt vetokormits ja leikkaskormits ovat kmpikin 5 kn. Missään ei laskelmien persteella esiinny sallitta arvoa ylittävää kormaa, joten siipimtterien ljs on riittävä. Hitsejä rakenteessa esiintyy vain jaloissa, lappjen ja ptkien välisissä kiinnityksissä. Liitokset tehdään pienahitseillä. Etsittiin srimmat mahdolliset kormat, jotka aiempien laskelmien persteella aihettavat jännityksiä kmmankin tyyppisen lapn hitseihin. Laskennassa käytettiin EN 1993-1-8:n mkaista yksinkertaista mitoitstapaa ja apna VTT:n esimerkkejä sen käytöstä [1, s. 47,7,74]. Laskennan 3 mm:n a-mitta on riittävä kaikille hitseille. Ttkittiin myös jalkaptkien nrjahdsmahdollistta. Kormitstapaksena käytettiin Elerin tapasta 4 välitelliselle savalle. Nrjahdsvoima laskettiin kaavalla 8. F n = mei l (8) F n on nrjahdsvoima m on Elerin tapaksesta riippva kerroin, tässä käytetty arvoa 17,4 E on materiaalin kimmokerroin I on savan poikkileikkaksen neliömomentti l on savan pits Nrjahdsvoimaksi saatiin F n = 385 kn, joka on erittäin sri telineissä syntyviin kormitksiin verrattna. Ankkrikiinnitysten ljstarkastel tehtiin Hilti Oy:n Profis Anchor -ohjelmistolla, johon voidaan valita sopiva ankkrityyppi, betonin ominaisdet ja kiinnityslapn geometria sekä syöttää vaikttavat kormitkset komponenteittain. Ohjelma laskee riittävätkö ankkrin, betonin ja pohjalapn ljdet annetille kormille. Syötettiin ohjelmaan snnitelt pohjalapn geometria sekä srimmat laskett kormitkset ja valittiin
31 HSL/GR M8 -ankkrit. Lisäksi valittiin pohjamateriaaliksi heikko ja halkeillt betoni, jolloin tloksissa ollaan varmalla polella. Vanhojen telineiden kestävyyden arviointiin tehtiin yksinkertaistett ljstarkastel. Koska vanhoista rakenteista ja koteloista aihetvia todellisia kormia on vaikea arvioida tarkasti, pyrittiin tekemään arvas hieman ylimitoitetsti. Arvioitiin sien ja vanhojen koteloiden kokonaismassa kllakin kiskoparilla, ja asetettiin siitä aihetva korma kiskojen keskelle. Kiskoilta jaloille kohdistvien kormitksien siis ajateltiin jakatvan tasan kmmallekin jalkaptkelle kiskojen ja jalkojen välisissä kiinnityksissä. Srimmat jännitykset kiskoissa saatiin normaalijännityksinä, jotka aihetivat taivtksesta, ja ne tlivat kiskojen pitssnnassa keskelle. Jalkaptkille tlevat jännitykset laskettiin asettamalla kaikki koteloista aihetva korma ptken poliväliin, jolloin vaakakormat jakatisivat tasan ylä- ja alapään kiinnityksille. Kten kokonaan itse snnitellssa telineessä, vain ptken alapään ajateltiin kantavan pystysntaista kormaa ja konsolien vain vaakasntaisia kormia. Srimmat jännitykset olivat myös ptkissa normaalijännityksiä. Seinään ankkroitavien konsolikannakkeiden jännitykset laskettiin kten vaakakiskojenkin. Pystyptkien yläpäihin kohdistvat voimat tlevat vastakkaissntaisina konsolikannakkeille. Lisäksi kormitkseksi syntyy y-akselin sntaisesta voimasta aihetva taivtsmomentti. Srin osa konsolien jännityksistä on normaalijännitystä. Viimeiseksi tehtiin kormitstarkastel kiila-ankkreille. Pystyptkien alapäihin sekä konsolikannakkeille tlevat voimat sijoitettiin Hilti Oy:n Profis Anchor -ohjelmistoon, ja todettiin ankkrointien olevan riittävän vahvat. Syntyvien jännitysten todettiin olevan sallittja jännityksiä pienempiä kaikissa käytettävissä telineissä. Vanhoja telineitä voitiin siis käyttää koteloiden asennkseen. 3.4 Piirstksien laatiminen Piirstksien laatiminen aloitettiin lyijykynäpiirroksilla ja osien mittojen tarkistksella. Kn tarvittavien osien geometriat olivat selvillä, tehtiin niistä kolmilotteiset mallit. Mallintamiseen käytettiin PTC:n Creo Elements/Pro 5. -ohjelmistoa. Samalla ohjelmistolla laadittiin myös kokoonpanomallit sekä osa- ja kokoonpanopiirstkset.
3 Mallinnstyötä helpotti homattavasti Hilti Oy:n kotisivillaan tarjoama mallikirjasto, josta kiskojen, konsolikannakkeiden, siipimtterien ja kiila-ankkreiden mallit sai tota soraan mallinnsohjelmaan. Totihin malleihin lisättiin aptasoja, jolloin osien välille oli helpompi loda kiinnityksiä. Lopt osat mallinnettiin itse. Jalkaptkesta tehtiin osakokoonpanomalli, jotta sitä olisi tarvittaessa helppo mttaa. Lisäksi osakokoonpanopiirstksen tekeminen oli helppoa, kn kaikki jalan osat oli mallinnett erikseen. Tämä helpotti varsinkin osalettelon laadintaa, sillä käytetty ohjelmisto osaa hakea itse eri osien tiedot kokoonpanoon totjen mallien tiedoista. Kn tarvittavat osat saatiin mallinnetta tai haetta valmistajan osakirjastosta, aloitettiin kokoonpanomallien tekeminen. Vaati melko paljon pohtimista ja yrityksiä, että löytyi hyvä järjestys ja sopivat keinot osien liittämiseksi toisiinsa. Mallinnksessa käytettiin paljon pattern-työkala, jolla voidaan kopioida kappaletta annettjen parametrien mkaisesti. Varsinkin plttien ja miden pienten, sein toistvien osien kanssa työkal oli todella hyödyllinen. Pltit ja mt tarvittavat standardien mkaiset osat saatiin haetta ohjelmiston omista kirjastoista. Kokoonpanomallit tehtiin yhden kotelon seinäkiinnitteiselle telineelle sekä lattiakiinnitteisille yhden, kahden ja kolmen kotelon telineille. Kvassa 15 on esitettynä malli seinäkiinnitteisestä telineestä.
33 Kva 15. Seinälle ankkroitavan telineen malli Lattiaan ja seinään ankkroitava kahden kotelon teline on esitetty kvassa 16. Kolmen kotelon teline on mten samanlainen kin kahden kotelon malli, mtta vaakakiskoja on pidennetty niin, että niille voidaan kiinnittää kaksi koteloa samalle korkedelle. Näin telineeseen jää vielä yksi vapaa paikka mahdollista myöhempää tarvetta varten. Myös yhden kotelon teline on rakenteeltaan vastaava, mtta alemmat kotelokiinnikkeet ja palkit on siitä jätetty pois.