Diplomityö Ultralujien terästen käyttö dynaamisesti kuormitetuissa koneen rakenteissa
Johdanto Työn tarkoituksena perehtyä ultralujien S550-S700 -terästen mahdollisuuksiin ja selvittää keinot niiden hyväksikäyttämiseksi Keskittyminen etupäässä liitosten väsymiskestävyyteen Lujemmilla teräksillä väsymiskestävyys nousee määräävämmäksi tekijäksi Tarkastellaan hitsiliitoksia sekä ruuviliitoksia Kuitenkin myös muut ultralujien terästen käytön kannalta tärkeät seikat pyritään huomiomaan mm. nurjahduskestävyys Työ tehty ajatellen etupäässä dynaamisesti kuormitettuja kuljettimien teräsrakenteita, mutta ohjeet soveltuvat myös muihin tapauksiin
UHSS-DFMA Työn lähtökohtana termi UHSS-DFMA (Ultra-High Strength Steel Design For Manufacture and Assembly). Kokonaisvaltainen lähestymistapa ultralujien terästen ominaisuuksien tehokkaaseen hyödyntämiseen. Prosessi kokoaa tiedon ultralujia teräksiä hyödyntävien rakenteiden suunnitteluun ja valmistukseen.
Ultralujat S550-S700 rakenneteräkset Valmistetaan termomekaanisesti valssattuna (M) ja nuorrutettuna (Q) Termomekaanisesti valssattuna S700lujuuteen asti Nuorrutettuna lujempia Ominaisuudet Kimmokerroin sama kuin heikommilla teräksillä Seinämänpaksuuksien ohentuessa jäykkyyden menetys ja lommahdusalttius Huonontuneen sitkeysominaisuudet Terästen muovaus hankalampaa Väsymislujuus kasvaa perusmateriaalin lujuuden kasvaessa Hitsatuissa rakenteissa vastaavaa kasvua ei ole, syynä hitsissä esiintyvät virheet Saatavuus ja hinta Ei välttämättä saatavilla varastotoimituksina => minimitoimituserät Terästen hinta kasvaa jonkin verran lujempaan materiaaliin mentäessä
Lait, asetukset ja määräykset Koneturvallisuus Konedirektiivi ja CE-merkintä Massatavarakuljettimia ja -laitteistoja käsittelevä yhdenmukaistettu standardi EN 618 Kuljettimen teräsrakenteet voidaan ajatella kuuluvan osaksi konetta, joten voidaan edetä koneille annettujen ohjeiden mukaan Tässä tapauksessa teräsrakenteiden suunnittelulle ei ole annettu tarkempia ohjeita kuin, että rakenteen kestävyys on taattu koko koneen eliniän ajan Voidaan olettaa että myös rakennustuotedirektiiviin suoraan kytköksissä olevia Eurokoodi-standardeja voidaan käyttää mitoituksessa sekä muita ohjeita ja standardeja (Rakennustuotedirektiivi)
Liitosten suunnittelu ja toteutus väsymiskuormitetuissa rakenteissa Ultralujista teräksistä suurin hyöty, kun: Maksimijännityksen ja jännitysheilahduksen suhde on suuri Kuormituskertymä on edullisen muotoinen Jännitysvaihteluita on vähän Väsymisluokkaa voidaan nostaa hitsin jälkikäsittelyllä Kriittisessä kohdassa voidaan käyttää erillistä liitoskomponenttia Hitsausliitokset Hitsausliitokset pudottavat väsymislujuuden tavallisten terästen tasolle Väsymislujuutta voidaan nostaa jälkikäsittelyillä, joilla on usein suurempi vaikutus lujemmilla teräksillä Ruuviliitokset Esijännitetyt ruuviliitokset Edullisia dynaamisessa kuormituksessa Ruuviin aiheutuu ainoastaan pieni jännitysvaihtelu Esijännitysten toteutus eri kiristysmenetelmiä käyttäen => eri kiristystarkkuudet Pintojen käsittely kitkaliitosta varten eri menetelmillä => eri kitkakertoimet
Suunnitteluohjeet ja -standardit Työssä läpi käydyt ohjeet ja standardit SSAB/Sperlen ohjeet FEM 2.131/2.132: Rules for the design of mobile equipment for continuous handling of bulk materials Eurokoodit 0 ja 3 CIDECT:in ohjeet (kansainvälinen putkipalkkivalmistajien yhdistys) IIW:n ohjeet (International Institute of Welding) VDI 2230: yksiruuvisten liitosten mitoitus
SSAB:n ohjeet PERUSMATERIAALIN VÄSYMISLUJUUDEN HUOMIOINTI 1.kylmävalssattu pinta, hyvälaatuinen kuumavalssattu pinta tai hyvälaatuinen koneistettu pinta 2.kohtuulaatuinen kuumavalssattu pinta tai kohtuulaatuinen koneistettu pinta 3.kuumasinkitty 4.hyvälaatuiset leikatut reunat ja lävistetyt reiät ilman halkeamia
Eurokoodi 3 Kattaa teräkset S700-lujuuteen asti Wöhler-käyrät samat riippumatta teräksen lujuusluokasta
Eurokoodi Suurlujien terästen hyötyä puristuksessa epäillään, kuitenkin niistä on mahdollista hyötyä Rakenneosan hoikkuuden ollessa riittävän pieni Massiivisissa rakenteissa hyöty on suurempaa 700 7000 Mitoituskuorma puristuksessa [kn] 600 Mitoitusjännitys [MPa] 500 400 300 200 6000 5000 4000 S355 (PL3) S700 (PL3) 3000 2000 1000 0 100 0 2000 4000 6000 8000 Poikkileikkauksen pinta-ala [mm²] 0 0 20 40 60 80 100 Hoikkuusluku λ = L / i S355 S500 S700 120 140 160 10000
IIW:n ohjeet Wöhler-käyrät vastaavat suurimmaksi osaksi Eurokoodin 3 käyriä, ainoa poikkeus on perusmateriaalille annettava loivempi käyrä mikä rajoittaa myös alempia väsymisluokkia Mitoituksessa voidaan huomioida seuraavat jälkikäsittelymenetelmät Koneviilaus TIG-käsittely Vasarointi Neulavasarointi Jälkikäsittelymenetelmille käytetään väsymislujuuden parannuskertoimina 1,3 ja 1,5, mitkä vastaavat 2,2 ja 3,4 kertaista väsymisikää Wöhler-käyrän kaltevuudella m=3
CIDECT:in ohjeet Ohjeet putkipalkkiliitosten väsymismitoitukseen Ohuemmilla seinämänpaksuuksilla saadaan parempi väsymiskestävyys
VDI 2230 Saksalainen standardi yksiruuvisten liitosten mitoitukseen Soveltuu rajoitetusti myös moniruuvisille liitoksille Läpi käydyistä standardeista ainoa, jossa ruuvien esikiristysmenetelmän tarkkuus huomioidaan jo mitoituksessa
Suunnittelutapaus Stakkerin teräsrakenteet Paakkola Conveyors Oy:n Talvivaaran kaivososakeyhtiölle toimittama stakkerirakenne Siltamainen teräsrakenne yli 400 m pitkä Ongelmallista siltarakenteen päällä kulkevan jakokuljettimen aiheuttamat dynaamiset kuormitukset Siirtyminen S355-teräksestä S700-teräkseen
Suunnittelutapaus Stakkerin teräsrakenteet Siltarakenteesta valittiin yksi rakenneyksityiskohta lähempään tarkasteluun Yksityiskohdalle toteutettiin nurjahdustarkastelu FE-analyysillä ristokon uumasauvojen nurjahduspituuden määrittämiseksi staattinen mitoitus Eurokoodilla 3 hot spot -jännitysten määrittäminen FE-analyysillä
Nurjahdustarkastelu FE-analyysillä Tarkoituksena tutkia liitoksen jäykkyyden vaikutusta uumasauvojen nurjahduspituuksiin Rakenneyksityiskohdan tarkastelu alkuperäisellä vapaavälisellä liitoksella sekä 50% limiliitoksena FE-analyysistä ei saatu ulos riittävän yhteneväisiä tuloksia Limiliitoksella ei myöskään todettu saavan hyötyä tässä tapauksessa Diagonaalien nurjahduksen huomattiin tapahtuvan aikaisemmin tasosta ulospäin kuin tason suunnassa => voisi olla mahdollista siirtyä neliöprofiilista suorakulmaiseen
Staattinen mitoitus Eurokoodilla 3 Rakenneyksityiskohdan sauvat ja liitoksen kestävyydet mitoitettiin Eurokoodilla Sauvojen nurjahdustarkastelussa käytettiin nurjahduspituuden kertoimen arvoa 1, koska edellisestä FE-analyysistä ei saatu yhteneväisiä tuloksia Tarkastelun perusteella todettiin diagonaalien keventämisen olevan mahdollista n. 27 % Koko rakenneyksityiskohdassa tämä vastaa n. 5 % kevennystä
Hot spot -jännitysten määritys FEanalyysillä Viimeiseksi toteutettiin FE-mallit rakenneyksityiskohdan KT-liitoksesta alkuperäisillä diagonaalien profiileilla sekä uusilla kevennetyillä profiileilla Elementteinä käytettiin kuorielementtejä Hot spot -jännitykset määritettiin ekstrapoloimalla jännitykset 0,4t ja 1,0t etäisyyksiltä liitoksen rajaviivalta Hot spot -jännitys ei diagonaalin keventämisen seurauksena tippunut oleellisesti Tällöin ei diagonaalin seinämän ohenemisesta johtuvaa jännitystason nousua välttämättä saada kompensoitua korkeammalla väsymiskestävyydellä Viitteitä paremmasta väsymiskestävyydestä ohuemmilla seinämänpaksuuksilla kuitenkin on Voisi olla kannattavaa toteuttaa tilavuusmalli, jolla voisi olla mahdollista saada parempia tuloksia
Yhteenveto Ultralujille teräksille edullinen tapaus on silloin, kun omapaino on suuri ja dynaamiset kuormitukset pieniä Käytettäessä ultralujia teräksiä dynaamisesti kuormitetuissa rakenteissa liitosvaihtoehdot kannattaa huomioida jo suunnittelun alkuvaiheessa Tulevaisuuden kehityssuuntana voisi olla kattavan suunnitteluohjeistuksen luominen, missä keskitytään ultralujille teräksille oleellisiin yksityiskohtiin ja tuodaan esille ratkaisuja mitkä ovat edullisia niiden hyödyntämiseksi