Työpistenosturin puomin analysointi

Samankaltaiset tiedostot
1.5 KIEPAHDUS Yleistä. Kuva. Palkin kiepahdus.

POIKKILEIKKAUSTEN MITOITUS

KANSALLINEN LIITE STANDARDIIN. SFS-EN EUROKOODI 3: TERÄSRAKENTEIDEN SUUNNITTELU. Osa 1-1: Yleiset säännöt ja rakennuksia koskevat säännöt

3. SUUNNITTELUPERUSTEET

ELEMENTTIMENETELMÄN PERUSTEET SESSIO 14: Yleisen lujuusopin elementtimenetelmän perusteita.

MITOITUSTEHTÄVÄ: I Rakennemallin muodostaminen 1/16

LAATTATEORIAA. Yleistä. Kuva 1.

3. SUUNNITTELUPERUSTEET

POIKKIPINNAN GEOMETRISET SUUREET

POIKKILEIKKAUSTEN MITOITUS

normaali- ja leikkaus jännitysten laskemiseen pisteessä Määritetään ne tasot, joista suurimmat normaali- ja leikkausjännitykset löytyvät

Tehtävä 1. Lähtötiedot. Kylmämuovattu CHS 159 4, Kylmävalssattu nauha, Ruostumaton teräsnauha Tehtävän kuvaus

4 YLEINEN ELEMENTTIMENETELMÄ

Muodonmuutostila hum

Oheismateriaalin käyttö EI sallittua, mutta laskimen käyttö on sallittua Vastaukset tehtäväpaperiin, joka PALAUTETTAVA (vaikka vastaamattomana)!

Stabiliteetti ja jäykistäminen

KJR-C2002 Kontinuumimekaniikan perusteet, tentti

KJR-C2002 Kontinuumimekaniikan perusteet, viikko 47/2017

ESIMERKKI 3: Nurkkapilari

Mitoitetaan MäkeläAlu Oy:n materiaalivaraston kaksiaukkoinen hyllypalkki.

[ k ] ja ekvivalenttisen solmukuormitusvektorin { r } määritystä kaavoista (4.20) ja

KANSALLINEN LIITE STANDARDIIN

S960 QC TERÄKSISEN I-PALKIN ÄÄRIKESTÄVYYDEN MÄÄRITTÄMINEN DETERMINATION OF THE ULTIMATE STRENGTH OF AN S960 QC STEEL I-BEAM

LAPPEENRANNAN TEKNILLINEN YLIOPISTO Teknillinen tiedekunta Konetekniikan koulutusohjelma BK10A0401 Kandidaatintyö ja seminaari

BETONITUTKIMUSSEMINAARI 2018

Ovi. Ovi TP101. Perustietoja: - Hallin 1 päätyseinän tuulipilarit TP101 ovat liimapuurakenteisia. Halli 1

Oheismateriaalin käyttö EI sallittua, mutta laskimen käyttö on sallittua Vastaukset tehtäväpaperiin, joka PALAUTETTAVA (vaikka vastaamattomana)!

KJR-C2002 Kontinuumimekaniikan perusteet

ESIMERKKI 5: Päätyseinän palkki

MEI Kontinuumimekaniikka

ESIMERKKI 2: Kehän mastopilari

Analysoidaan lämpöjännitysten, jännityskeskittymien, plastisten muodonmuutosten ja jäännösjännityksien vaikutus

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

3 Raja-arvo ja jatkuvuus

Laskuharjoitus 7 Ratkaisut

Taivutuksesta ja väännöstä, osa I: Teoria

MUODONMUUTOKSET. Lähtöotaksumat:

7. Suora leikkaus TAVOITTEET 7. Suora leikkaus SISÄLTÖ

TERÄSRISTIKON SUUNNITTELU

Harjoitus 6. KJR-C2001 Kiinteän aineen mekaniikan perusteet, IV/2016

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

Luku 5. Rakenneanalyysi.

PUHDAS, SUORA TAIVUTUS

Tasokehät. Kuva. Sauvojen alapuolet merkittyinä.

ELEMENTTIMENETELMÄN PERUSTEET SESSIO 01: Johdanto. Elementtiverkko. Solmusuureet.

JAAKKO HUUSKO HITSATUN I-PALKIN MASSAN MINIMOINTI POIKKILEIKKAUS- LUOKASSA 4

EN : Teräsrakenteiden suunnittelu, Levyrakenteet

RAKENNEOSIEN MITOITUS

Esimerkkilaskelma. Liimapuupalkin hiiltymämitoitus

KJR-C2001 KIINTEÄN AINEEN MEKANIIKAN PERUSTEET, KEVÄT 2018

Toisen asteen käyrät 1/7 Sisältö ESITIEDOT: käyrä, kartio ja lieriö

Katso lasiseinän rungon päämitat kuvista 01 ja Jäykistys ja staattinen tasapaino

10 knm mm 1000 (a) Kuva 1. Tasokehä ja sen elementtiverkko.

OSIITAIN JA YKKIEN LIITOSTEN V AIKUTUS PORTAALIKEHAN VOI MASUUREISIIN. Rakenteiden Mekaniikka, Vol.27 No.3, 1994, s

2. harjoitus - malliratkaisut Tehtävä 3. Tasojännitystilassa olevan kappaleen kaksiakselista rasitustilaa käytetään usein materiaalimalleissa esiintyv

Ensimmäisen asteen polynomifunktio

Suhteellinen puristuskapasiteetti arvioida likimääräisesti kaavalla 1 + Kyseisissä lausekkeissa esiintyvillä suureilla on seuraavat merkitykset:

Määritetään vääntökuormitetun sauvan kiertymä kimmoisella kuormitusalueella Tutkitaan staattisesti määräämättömiä vääntösauvoja

Tukilaitteet

KJR-C1001: Statiikka L5 Luento : Palkin normaali- ja leikkausvoima sekä taivutusmomentti

SIPOREX-HARKKOSEINÄÄN TUKEUTUVIEN TERÄSPALKKIEN SUUNNITTELUOHJE

Laskuharjoitus 1 Ratkaisut

2 LUJUUSOPIN PERUSKÄSITTEET Suoran sauvan veto tai puristus Jännityksen ja venymän välinen yhteys 34

KANSALLINEN LIITE STANDARDIIN

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 5. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 5 () Numeeriset menetelmät / 28

Palkki ja laatta toimivat yhdessä siten, että laatta toimii kenttämomentille palkin puristuspintana ja vetoteräkset sijaitsevat palkin alaosassa.

Stalatube Oy. P u t k i k a n n a k k e e n m a s s o j e n v e r t a i l u. Laskentaraportti

MAOL-pisteytysohje. Matematiikka lyhyt oppimäärä Kevät 2014

lim Jännitystila Jännitysvektorin määrittely (1)

YEISTÄ KOKONAISUUS. 1 Rakennemalli. 1.1 Rungon päämitat

RAK-C3004 Rakentamisen tekniikat

Hitsaustekniikkaa suunnittelijoille koulutuspäivä Hitsattujen rakenteiden lujuustarkastelu Tatu Westerholm

102 Käyrä. Piste ( 3,0 ) on käyrällä, jos ja vain jos sen koordinaatit. Siis piste ( 1, 2) Siis piste ( 3,0 ) ei ole käyrällä.

Betonipaalun käyttäytyminen

TEKNILLINEN TIEDEKUNTA. Teräsrakenteiden stabiliteettitarkastelujen verifiointi. Andrei Salonen

RAKENNUSTEKNIIKKA Olli Ilveskoski PORTAL FRAME WITH COLUMNS RIGIDLY FIXED IN THE FOUNDATIONS

Harjoitus 1. KJR-C2001 Kiinteän aineen mekaniikan perusteet, IV/2016. Tehtävä 1 Selitä käsitteet kohdissa [a), b)] ja laske c) kohdan tehtävä.

4.6 Matriisin kääntäminen rivioperaatioilla

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

(a) Järjestellään yhtälöitä siten, että vasemmalle puolelle jää vain y i ja oikealle puolelle muut

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Hitsattavien teräsrakenteiden muotoilu

Mat. tukikurssi 27.3.

KANSALLINEN LIITE (LVM) SFS-EN BETONIRAKENTEIDEN SUUNNITTELU Sillat LIIKENNE- JA VIESTINTÄMINISTERIÖ

ELEMENTTIMENETELMÄN PERUSTEET SESSIO 07: Aksiaalinen sauvaelementti, osa 2.

Koordinaatistot 1/6 Sisältö ESITIEDOT: reaaliluvut

Lineaarinen yhtälöryhmä

Harjoitus 7. KJR-C2001 Kiinteän aineen mekaniikan perusteet, IV/2016

y 2 h 2), (a) Näytä, että virtauksessa olevan fluidialkion tilavuus ei muutu.

Suoran yhtälöt. Suoran ratkaistu ja yleinen muoto: Suoran yhtälö ratkaistussa, eli eksplisiittisessä muodossa, on

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Insinöörimatematiikka D, laskuharjoituksien esimerkkiratkaisut

Luvun 10 laskuesimerkit

Esimerkkilaskelma. Mastopilarin perustusliitos liimaruuveilla

2 SUORA SAUVA ja PALKKI Suoran sauvan puhdas veto tai puristus Suoran palkin taivutus Harjoitustehtäviä 71

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 12. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 12 () Numeeriset menetelmät / 33

y 1 x l 1 1 Kuva 1: Momentti

Johdatus materiaalimalleihin

Oletetaan, että virhetermit eivät korreloi toistensa eikä faktorin f kanssa. Toisin sanoen

Transkriptio:

Teknillinen tiedekunta LUT Metalli BK10A0400 Kandidaatintö Töpistenosturin puomin analsointi Timo Kautonen 0280557

SISÄLLYSLUETTELO 1 JOHDANTO...6 2 KIEPAHDUS...7 3 KIEPAHDUKSEN LASKENNALLINEN TARKASTELU...8 3.1 Kimmoteorian mukainen kriittinen momentti kiepahduksessa...8 3.2 Standardi SFS-EN 1993-1-1...10 3.2.1 Kiepahduskestävs...10 3.2.2 Kiepahduskärät Yleinen tapaus...11 3.3 Avoimen profiilin vääntökeskiön määrittäminen...12 3.4 Poikkileikkausluokitus...14 3.4.1 Perusteet...14 3.4.2 Luokitus...14 3.4.3. Puristettujen taso-osien suurimmat leves-paksuussuhteet...15 3.4.3.1 Taivutetut taso-osat...15 3.4.3.2 Puristetut taso-osat...16 4 KIEPAHDUSKESTÄVYYDEN MÄÄRITTÄMINEN ELEMENTTIMENETELMÄLLÄ...17 4.1 Yleistä...17 4.2 Elementtimenetelmän perusta...18 4.3 Reunaehdot...19 4.4 Eri elementtitppejä...19 4.5 Epälineaarinen FEM-laskenta...22 5 KOKEET JA TUTKIMUKSET...24 5.1 Uka20-palkin staattinen kestävskoe...24 5.2 Uka40-palkin staattinen kestävskoe...26 6 JOHTOPÄÄTÖKSET...28 7 YHTEENVETO...28 LÄHDELUETTELO...29 2

KÄYTETYT MERKINNÄT JA LYHENTEET A Pinta-ala Akok Poikkileikkauksen koko pinta-ala An Poikkileikkauksen osan pinta-ala (n=1 9) α LT Epätarkkuustekijä α Vääntökeskiön määrittämisessä kätettävä kerroin α z Vääntökeskiön määrittämisessä kätettävä kerroin b Profiilin poikkipinnan leves Bz Taivutusjäkks z-akselin suhteen β C Kiepahduksen laskennassa kätettävä parametri Vääntöjäkks Cw Käristmisjäkks χ LT Kiepahduskestävden pienennstekijä E Kimmomoduli e Vääntökeskiön asema -suunnassa ez Vääntökeskiön asema z-suunnassa e ε F Korkeus painopisteakselilta f :sta riippuva tekijä Voima Fn Normaalivoima f Mötöraja 3

φlt Kiepahduksen laskennassa kätettävä parametri G h γ Liukumoduli Profiilin poikkipinnan korkeus Vääntökeskiön määrittämisessä kätettävä kerroin I Jähsmomentti -akselin suhteen I z Keskipakomomentti I z Jähsmomentti z-akselin suhteen Iυ Vääntöneliömomentti Iω Käristmisjähs I ~ ω Sektoriaalinen keskipakomomentti -akselin suhteen I ~ ω z Sektoriaalinen keskipakomomentti z-akselin suhteen K κ L Jousivakio Kiepahduksen laskennassa kätettävä reunaehdoista riippuva parametri Palkin pituus λ LT Vakiopoikkileikkauksisten taivutettujen sauvojen muunnettu hoikkuus M b, Rd Kiepahduskestävden mitoitusarvo M cr Kimmoteorian mukainen kriittinen momentti kiepahduksessa M Ed Taivutusmomentin mitoitusarvo m O ~ 0 Kerroin, joka riippuu palkin muotoilusta, kuormituksesta ja reunaehdoista Origo Pooli 4

~ 0 1 S-koordinaatin aloituspiste Pcr Kriittinen kiepahdusvoima qcr Kriittinen jatkuva kuorma kiepahduksessa t z Poikkileikkausvakio u Siirtmä W Taivutusvastus w Vääntmä z s Vääntökeskiön z-koordinaatti σ m Mitoitusjännits σ sall Sallittu jännits ω ω ~ Vääntökeskiön suhteen laskettu sektoriaalinen koordinaatti Sektoriaalinen koordinaatti ~ω 0 Integroimisvakio ~ω 0vk Integroimisvakio vääntökeskiön suhteen 5

1 JOHDANTO Kandidaatintössä tutkimuskohteena on kääntöpuominosturi. Seinään tai plvääseen kiinnitettävää kääntöpuominosturia kätetään esimerkiksi töpisteissä ja tuotantolinjoilla tarvittavien raskaiden tavaroiden ja esineiden siirteln, kääntvän puomin ja puomia pitkin liikkuvan nostolaitteen avulla. Nosturin todennäköisimmät vauriomuodot ovat puomin kiepahdus ja väsmismurtumat. Tö rajattiin koskemaan puomin kiepahdusta, joka tulee kseeseen likuorma tilanteissa. Tö keskitt kätännön osuuteen, jossa laskennallisella tarkastelulla ja elementtimenetelmällä saatuja tuloksia verrataan laboratoriossa tehtjen staattisten kestävskokeiden tuloksiin. Jatkotutkimuskohteena olisi nosturin väsmiskestävden määrittäminen. Kuva 1. Kääntöpuominosturi. http://www.konecranes.fi/attachments/kci_cat_fi.pdf 6

2 KIEPAHDUS Kiepahdus on palkin stabiiliuden menets, jossa koko palkki kiert ja taipuu sivusuunnassa (kuva 2). Kiepahdusta esiint pääakselin suhteen jäkempään suuntaan kuormitetuilla palkeilla, joiden puristuslaippaa ei ole tuettu sivusuunnassa. Kiepahdus tapahtuu, kun kuorma on niin suuri, että sen tekemä tö F * w on htä suuri kuin palkin sivuttaistaipumaan ja vääntmään kuluva muodonmuutosenergia (kuva 2). Mitä kauempana kuorma sijaitsee palkin vääntökeskiöstä, sen suurempi on pienemmällä kuormalla se kiepahtaa. (Niemi 2003, 122.) w ja sitä Kuva 2. Avoimen poikkileikkauksen kiepahdusilmiö. (Niemi 2003, 122). Jäkempään suuntaan kuormitettu palkki voi menettää stabiiliutensa kiepahtamalla, pienemmällä kuormalla, kuin taivutusmurtumaan tarvittavalla kuormalla. Kiepahdusilmiöllä on htäläisksiä nurjahdusilmiön kanssa ja on usein riippuvainen palkin tehollisesta hoikkuusluvusta. Heikompaan suuntaan kuormitettuna kiepahdusta harvoin tapahtuu, koska siihen suuntaan kiepahduskestävs on paljon suurempi kuin taivutuskestävs. (Statens stålbggnadskommitté 1973, 76.) 7

3 KIEPAHDUKSEN LASKENNALLINEN TARKASTELU 3.1 Kimmoteorian mukainen kriittinen momentti kiepahduksessa Seuraavassa on ratkaisuja kaksi tukisille palkeille, joiden poikkileikkaus on kaksoissmmetrinen ja käristmätön sekä palkeille, joiden poikkileikkaus on käristvä ja hden akselin suhteen smmetrinen. Ratkaisut ovat pääosin johdettu energiamenetelmällä ja kirjoitetaan seuraavasti: M cr Pcr L = m qcr L B C z L 2 ) 2 2 ( C + κ C ) 2 2 κ π m 1+ = B 2 z π ( kl L w (1) missä 2 κ = reunaehdoista riippuva parametri, m = kerroin, joka riippuu palkin muotoilusta, kuormituksesta ja reunaehdoista. Palkin muotoilun vaikutus kertoimeen m kuvataan parametreilla: C kl = L ja C w t 2 B C z z β =. w Ensiksi mainittu kuvaa palkin kkä vastustaa poikkileikkauksen kiertmistä. Parametriin β vaikuttaa hden akselin suhteen smmetristen poikkileikkausten epäsmmetriss. (Statens stålbggnadskommitté 1973, 114.) 8

Kseisessä kiepahdustapauksessa, kun tuentatapaus on otettu huomioon, voidaan kriittisen momentin lauseke kirjoittaa muotoon: M cr = κπ B C z L κπβ + kl ( kl) 2 ( 1+ ) 2 2 κ π 1+ β 2 (2) missä: κ = 2 reunaehdot; B z = EI z E on kimmomoduli ja I z on jähsmomentti z-akselin suhteen; C = GI υ G on liukumoduli ja I υ on vääntöneliömomentti; C kl = L L on palkin pituus; C w t 2 B C z z β = ; w C w = EI ω I ω on käristmisjähs; 1 3 2 t z = z s ( z z)da I + A 2 s z on vääntökeskiön z-koordinaatti. (Statens stålbggnadskommitté 1973, 330 331.) 9

3.2 Standardi SFS-EN 1993-1-1 3.2.1 Kiepahduskestävs Vahvemman pääjähsakselin suhteen taivutettu sivusuunnassa tukematon sauva mitoitetaan siten, että kiepahduksen suhteen seuraava ehto on voimassa: M M Ed b, Rd 1,0 (3) missä M Ed on taivutusmomentin mitoitusarvo; M, on kiepahduskestävden mitoitusarvo. b Rd Sivusuunnassa tukemattoman sauvan kiepahduskestävden mitoitusarvo lasketaan kaavasta: M f b, Rd = χ LTW (4) γ Ml missä W on kseeseen tuleva taivutusvastus seuraavasti: - W W pl, = poikkileikkausluokissa 1 ja 2; - W W el, = poikkileikkausluokassa 3; - W W eff, = poikkileikkausluokassa 4. χ LT on kiepahduskestävden pienennstekijä. γ Ml on sauvojen kestävden osavarmuusluku, kun laskelmat tehdään sauvan stabiiliuden tarkastuksena. f on mötöraja (SFS-EN 1993-1-1 2005, 65.) 10

3.2.2 Kiepahduskärät Yleinen tapaus Vakiopoikkileikkauksisten taivutettujen sauvojen muunnettua hoikkuutta pienennstekijä χ LT lasketaan kaavasta: λ LT vastaava χ LT 1 = mutta χ LT 1, 0 (5) 2 φ + φ λ LT LT 2 LT missä φ = 0,5[1 + α ( λ LT 0,2) + λ LT ] LT LT α LT on epätarkkuustekijä; 2 λ LT = W M f cr M cr on kimmoteorian mukainen kriittinen momentti kiepahduksessa. M cr lasketaan bruttopoikkileikkauksen ominaisuuksien perusteella ottaen huomioon kuormitustilanne, todellinen momenttipinnan muoto ja reunaehdot. (SFS-EN 1993-1-1 2005, 66.) Taulukko 1. Kiepahduskärien suositeltavat epätarkkuustekijät. (SFS-EN 1993-1-1 2005, 66). Kiepahduskärä a b c d Epätarkkuustekijä α 0,21 0,34 0,49 0,76 LT 11

Taulukko 2. Suositus kiepahduskärän valitsemiseksi poikkileikkauksen mukaan kätettäessä htälöä (5). (SFS-EN 1993-1-1 2005, 66). Poikkileikkaus Rajat Kiepahduskärä Valssatut I-profiilit h/b 2 h/b > 2 Hitsatut I-profiilit h/b 2 h/b > 2 a b c d Muut profiilit - d 3.3 Avoimen profiilin vääntökeskiön määrittäminen 1) Määritetään painopistekoordinaatisto, sekä: A ; (6) I I kok = An z z = A = A = A 2 da ; (7) 2 z da; (8) I zda; (9) I z α = ; (10) I I z α z = ; (11) I z 1 γ = α α. (12) 1 z (Pennala 2002, 323.) 12

2) Valitaan pooli ~ 0 mielivaltaisesta kohdasta poikkileikkauksesta sekä profiilin ~ keskiviivaa pitkin kulkevan s-koordinaatin aloituspiste 01. Piirretään r ~ ds ~ jakautuma ja määritetään integroimisvakio ~ω 0 aloituspisteestä 0 1. 3) Piirretään ~ ω jakautuma ( ~ 0, s) ~ω. 4) Piirretään - ja z-jakautumat. 5) Lasketaan saatujen koordinaattipintojen ω ~, ja z avulla sektoriaaliset keskipakomomentit. = ~ ~ ωztds (13) Iω = ~ ~ ωtds (14) Iω z 6) Lasketaan vääntökeskiön asema ~ ~ z koordinaatistossa e ~ I ~ ω α z I ~ ωz = γ (15) I e ~ z I ~ ωz α I ~ ω = γ (16) I z s 7) Piirretään uusi (Pennala 2002, 323.) 0 r ~ ~ vk ds jakautuma vääntökeskiö poolina ja 0, 1 s:n nollakohtana. 13

8) Määritetään integroimisvakio ja vääntökeskiön suhteen laskettu (Pennala 2002, 323.) s rvk ds ~ tds 0 ~ω 0vk = (17) A kok s ω = ω = ~ vk ω0vk r ~ vkds (18) 0 3.4 Poikkileikkausluokitus 3.4.1 Perusteet Poikkileikkausluokituksen on tarkoitus tunnistaa missä laajuudessa poikkileikkausten paikallinen lommahdus rajoittaa poikkileikkausten kestävttä ja kiertmiskkä. (SFS-EN 1993-1-1 2005, 42). 3.4.2 Luokitus Määritellään neljä poikkileikkausluokkaa seuraavasti: - Poikkileikkausluokat 1 ovat niitä, joissa poikkileikkaukseen voi sntä plastinen nivel, jolla on plastisuusteorian edellttämä riittävä muodonmuutoskk. - Poikkileikkausluokat 2 ovat niitä, joissa poikkileikkaukseen voi sntä plastinen nivel, jolla ei ole plastisuusteorian edellttämää riittävää muodonmuutoskkä. - Poikkileikkausluokat 3 ovat niitä, joissa jossakin poikkileikkauksen taso-osassa puristusjännits voi saavuttaa mötörajan, mutta paikallinen lommahdus estää plastisuusteorian mukaisen momenttikestävden kehittmisen. 14

- Poikkileikkausluokat 4 ovat niitä, poikkileikkaus lommahtaa ennen kuin mötöraja saavutetaan poikkileikkauksen jossakin pisteessä. (SFS-EN 1993-1-1 2005, 42.) Poikkileikkausluokitus määrät puristettujen taso-osien leves-paksuussuhteista ja materiaalista. Poikkileikkauksen puristettuun osaan kuuluu jokainen osa, johon kuormituksen vaikutuksesta snt täsi tai osittainen puristus. Poikkileikkauksen eri osat voivat kuulua eri poikkileikkausluokkiin, jolloin poikkileikkaus luokitellaan korkeimpaan luokkaan sen puristettujen osien perusteella. Osa, joka ei tätä poikkileikkausluokan 3 raja-arvoja, kuuluu poikkileikkausluokkaan 4. (SFS-EN 1993-1-1 2005, 42 43.) 3.4.3. Puristettujen taso-osien suurimmat leves-paksuussuhteet 3.4.3.1 Taivutetut taso-osat Poikkileikkausluokka 1: Poikkileikkausluokka 2: Poikkileikkausluokka 3: (SFS-EN 1993-1-1 2005, 44.) c t c t c t 72ε 83ε 124ε (19) (20) (21) 15

3.4.3.2 Puristetut taso-osat Poikkileikkausluokka 1: Poikkileikkausluokka 2: Poikkileikkausluokka 3: missä: c t c t c t 33ε 38ε 42ε (22) (23) (24) c on leves, joka määrät profiilintpin ja kuormitustavan mukaan; t on taso-osan seinämänpaksuus; 235 ε = (25) f jossa f on materiaalin mötöraja. (SFS-EN 1993-1-1 2005, 44.) 16

4 KIEPAHDUSKESTÄVYYDEN MÄÄRITTÄMINEN ELEMENTTIMENETELMÄLLÄ 4.1 Yleistä Elementtimenetelmä (FEM, Finite Element Method) on rakenteiden analsoimiseksi kehitett numeerinen laskentamenetelmä. Analsiä varten tutkittava rakenne jaetaan rakenneosiin eli elementteihin, jotka liittvät toisiinsa solmupisteiden välitksellä. Rakenteen kättätmisestä kuormitettuna luodaan siis ksinkertaistettu matemaattinen kuvaus. Menetelmässä keskeisintä on ketä määrittämään eri rakenneosien jäkksominaisuudet, joissa tulee huomioida kaikki ksittäisen rakenneosan jäkkteen vaikuttavat tekijät. (Tanskanen 2007, 1.) Yleisesti FEM-laskentaa voidaan pitää sstemaattisena tapana mallintaa ja analsoida monimutkaisiakin rakenteita ekvivalenttien jousissteemien avulla. Elementtimenetelmä on luonteeltaan approksimoiva. Elementit kättätvät usein liian jäkästi, mutta menetelmän keskeisin ominaisuus on se, että kasvatettaessa elementtien lukumäärää laskennan tarkkuus paranee eli tulos konvergoi kohti oikeaa arvoa. Staattisesti kuormitettuja ja lineaarisesti kättätviä rakenteita analsoitaessa laskennasta saatavat ensisijaiset suureet ovat siirtmiä. Näiden lisäksi laskennasta saadaan muun muassa rakenteen sisäisiä jännitksiä ja venmiä. (Tanskanen 2007, 1-2.) 17

4.2 Elementtimenetelmän perusta Elementtimenetelmä perustuu jousen tasapainohtälön kätölle: K u = F (26) Jos jousivakio K ja voima F tunnetaan, voidaan siirtmä u ratkaista. Analsoitavana on leensä usean tuntemattoman siirtmän eli vapausasteen ssteemi, jolloin määritetään koko rakenteen jousivakio. Tätä ei voida kuvata hdellä skalaarilla, joten se esitetään matriisimuodossa. Koko rakenteen jousivakiota kutsutaan rakenteen globaaliksi jäkksmatriisiksi [K]. Usean vapausasteen jousissteemin tasapainohtälöt voidaan esittää matriisimuodossa: [ ]{ u} { F} K = (27) Jousissteemin tasapainohtälöt muodostavat lineaarisen htälörhmän, jossa on htä monta vaaka- ja pstriviä kuin ssteemissä on mahdollisia siirtmiä eli vapausasteita. Rakenteen tuntemattomat siirtmät { u } voidaan ratkaista, jos globaali jäkksmatriisi [ K] ja solmuvoimavektori { F } tunnetaan: 1 { u} [ K ] { F} = (28) Jotta htälörhmä olisi ratkaistavissa, pitää jäkksmatriisille pstä siis määrittämään käänteismatriisi. (Tanskanen 2007, 3-4.) 18

4.3 Reunaehdot Laskennassa usein osa siirtmistä on tunnettuja ja vastaavasti osa voimista tuntemattomia. Tunnettuja siirtmiä kutsutaan reunaehdoiksi ja ne ovat useimmiten suuruudeltaan nollia, esimerkiksi palkin kiinnitett pää. Tällöin voidaan reunaehtojen huomioimisessa kättää ksinkertaistettua menetelmää, jossa alkuperäisestä htälörhmästä kaikki 0-siirtmiä vastaavat vaaka- ja pstrivit poistetaan. Näin saatu redusoitu tehtävä voidaan ratkaista tuntemattomien siirtmien suhteen esim. redusoidun jäkksmatriisin käänteismatriisin avulla. Tuntemattomat voimat voidaan tarvittaessa ratkaista alkuperäisestä htälörhmästä sijoittamalla lasketut siirtmäarvot poistetuille vaakariveille. (Tanskanen 2007, 5.) 4.4 Eri elementtitppejä FEM-laskennassa kätettäviä elementtitppejä on kmmeniä erilaisia, joilla jokaisella on oma jäkksmatriisinsa. Yleisimpiä elementtitppejä ovat: sauva-, palkki-, kuori- ja tilavuuselementit. Jokaiseen elementtitppiin liitt ns. aktiivisia vapausasteita, näillä tarkoitetaan niitä suuntia, joissa oletetaan elementillä olevan jäkkttä. Tässä tössä on mallinnukseen kätett sekä palkki- että kuorielementtejä. Kuvissa 3 ja 5 on kuvaus näistä elementtitpeistä sekä niiden aktiivisista vapausasteista. (Tanskanen 2007, 6-8.) 19

Kuva 3. Palkkielementti. (Tanskanen 2007, 6). Kuva 4. Palkkielementeillä mallinnettu rakenne. 20

Kuva 5. Kuorielementti. (Tanskanen 2007, 7). Kuva 6. Kuorielementeillä mallinnettu Uka40-palkki. 21

4.5 Epälineaarinen FEM-laskenta Rakenteiden analsoinnissa leensä oletetaan niiden kättätvän lineaarisesti eli ulkoisen kuormituksen muuttaminen muuttaa mös rakenteen siirtmiä ja jännitksiä samassa suhteessa. Todellisuudessa rakenteiden kättätminen on kuitenkin enemmän tai vähemmän epälineaarista ja ilmiön voimakkuudesta riippuu tätkö se ottaa huomioon laskennassa. Rakenteen epälineaarista kättätmistä voidaan havainnollistaa voimasiirtmä-kärän avulla (kuva 7). (Tanskanen, 1.) Kuva 7. Epälineaarinen voima-siirtmä-kärä. (Tanskanen,1). Kuten kuvasta 7 nähdään pienillä kuormilla rakenteen voiman ja siirtmän välinen riippuvuus on lineaarinen mutta suurilla kuormilla/siirtmillä vaste voi olla hvinkin epälineaarinen. Epälineaarisuus johtuu pääosin neljästä eri sstä: 1) Geometrinen epälineaarisuus 2) Materiaalin epälineaarisuus 3) Muuttuvat reunaehdot (= kontaktien sntminen) 4) Muuttuva kuormitus (= kuormituksen suunta muuttuu deformaation mötä) 22

Geometrinen epälineaarisuus johtuu siitä, että rakenteen muodonmuutokset ovat suhteellisen suuret verrattuna dimensioihin. Tällöin mös deformoituneen ja deformoitumattoman rakenteen voimajakautumat eroavat merkittävästi toisistaan. Geometrisen epälineaarisuuden alaluokkia ovat suuret siirtmät, suuret kiertmät ja suuret venmät. Materiaalin epälineaarisuus johtuu siitä, että jännitsten ja venmien välinen htes on epälineaarinen. Nämä kaikki neljä ilmiötä voivat esiintä mös htä aikaa, mikä voi tehdä rakenteen analsoinnin erittäin hankalaksi. (Tanskanen, 1.) 23

5 KOKEET JA TUTKIMUKSET Lappeenrannan teknillisen liopiston teräsrakenteiden laboratoriossa tehtiin Uka20- ja Uka40-palkeille staattiset kestävskokeet. Kokeessa slinteri kiinnitetään kuvien 8 ja 10 mukaisesti palkin päähän. Slinterin kuormitusta kasvatetaan, kunnes palkki kiepahtaa tai rakenne pettää jonkin muun sn takia. 5.1 Uka20-palkin staattinen kestävskoe Kuva 8. Uka20-palkin staattisen kestävskokeen koejärjestelt. 24

Kuva 9. Staattisessa kestävskokeessa kiepahtanut Uka20-palkki. 25

5.2 Uka40-palkin staattinen kestävskoe Kuva 10. Uka40-palkin staattisen kestävskokeen koejärjestelt. 26

Kuva 11. Staattisessa kestävskokeessa kiepahtanut Uka40-palkki. 27

6 JOHTOPÄÄTÖKSET Kiepahdusvoimien määrittämisessä vertailupohjana kätettiin staattisista kestävskokeista saatuja tuloksia. Elementtimenetelmällä määritett kiepahdusvoimat olivat pääsääntöisesti hvin lähellä todellisia kiepahdusvoimia. FEM-laskennassa palkki ei kiepahtanut pelkällä pstsuuntaisella voimalla, johtuen siitä, että mallinnettu palkki on täsin suora ja jännitksetön, kun taas todellisessa rakenteessa on profiilin muokkauksen, hitsauksen ja kätön jäljiltä pieniä muodonmuutoksia sekä jäännösjännitksiä. Kiepahdus saatiin aikaan kättämällä pientä sivusuuntaista voimaa. Kuorielementeillä tehtjen analsien tulokset osoittautuivat luotettavammiksi kuin palkkielementeillä tehtjen analsien tulokset. Kiepahduksen laskennallisella tarkastelulla saadut kiepahdusvoimat olivat pienempiä kuin todelliset kiepahdusvoimat. Laskennasta haastavan tekee profiilien poikkileikkauksen monimutkainen geometria, mistä johtuen poikkipintasuureisiin snt helposti virheitä, jotka vääristävät tuloksia. 7 YHTEENVETO Tässä tössä tutkimuskohteena oli kääntöpuominosturin puomi. Puomin kiepahdusta tutkittiin laboratoriossa tehdillä staattisilla kestävskokeilla, FEM-laskennalla ja laskennallisella tarkastelulla. Vertailupohjana kätettiin laboratoriokokeiden tuloksia. Tutkittavana oli kolmesta eri profiilista valmistettuja palkkeja, Uka20-, Uka30- ja Uka40- profiilit. Uka20- ja Uka40-palkeille tehtiin laboratoriossa staattiset kestävskokeet. Uka30- palkkia tutkittiin vain FEM-laskennalla ja laskennallisella tarkastelulla. FEM-laskennalla määritett kiepahdusvoimat vastasivat hvin laboratoriokokeista saatuja voimia, mutta laskennallisella tarkastelulla saadut kiepahdusvoimat olivat selkeästi pienempiä kuin laboratoriokokeissa. 28

LÄHDELUETTELO Niemi, E. 2003. Levrakenteiden suunnittelu. Helsinki. Teknologiateollisuus r. 136. Pennala, E. 2002. Lujuusopin perusteet. Helsinki. Otatieto. 400. Valtanen, E. 2007. Tekniikan taulukkokirja. Jväsklä. Genesis-Kirjat O. 1037. Statens stålbggnadskommitté. 1973. Knäckning, vippning och buckling. Stockholm. Statens stålbggnadskommitté. 343. www.konecranes.fi Tanskanen, P. FE-analsin jatkokurssi. Luentomateriaali. Epälineaarinen FE-analsi. 14. Tanskanen, P. 2007. Moniste luentojen tueksi. FE-analsin peruskurssi. 45. Suomen standardisoimisliitto SFS r. 2005. Standardi SFS-EN 1993-1-1. Eurocode 3. Teräsrakenteiden suunnittelu. Osa 1-1. Yleiset säännöt ja rakennuksia koskevat säännöt. 99. 29