TAVOITTEET Analysoidaan ohutseinäisten painesäiliöiden jännitystilaa Tehdään yhteenveto edellisissä luennoissa olleille rasitustyypeille eli aksiaalikuormalle, väännölle, taivutukselle ja leikkausvoimalle. Kuvan mainospilariin kohdistuu sekä aksiaalikuorma, leikkausvoima sekä taivutus- ja vääntömomentti. 1 SISÄLTÖ 1. Ohutseinäiset painelaitteet 2. Yhdistettyjen rasitusten jännitystila 2 1
8.1 OHUTSEINÄISET PAINELAITTEET Sylinterimäisiä ja pallomaisia säiliöitä käytetään usein teollisuudessa Paineenalaisina säiliöiden materiaalin kohdistuu kuormitus kaikista suunnista Analyysia voi kuitenkin yksinkertaistaa mikäli säiliön vaippa on ohutseinämäinen Ohutseinämäinen tarkoittaa säiliötä, jonka sisäsäteen ja seinämänpaksuuden suhde on 10 tai enemmän (r/t 10) Kun r/t = 10 ohutseinämäiseen säiliöön perustuva laskenta ennustaa jännityksen, joka on n. 4% vähemmän kuin todellinen maksimijännitys 3 8.1 OHUTSEINÄISET PAINELAITTEET Oletuksena on vaipan vakiopaksuus Säiliön sisäpaine on ilmanpaineeseen nähden verrannollinen suure 4 2
8.1 OHUTSEINÄISET PAINELAITTEET Sylinterimäiset säiliöt Sisäpaine p vaikuttaa säiliössä, jonka omapaino oletetaan merkityksettömäksi Kuormituksen luonteesta johtuen säiliön vaipassa olevaan elementtiin vaikuttaa normaalijännitys σ 1 tangentin suunnassa ja σ 2 pitkittäis- tai aksiaalisuunnassa 5 8.1 OHUTSEINÄISET PAINELAITTEET Sylinterimäiset säiliöt Leikkausmenetelmällä ja tasapainoyhtälöitä soveltamalla saadaan jännityskomponenttien suuruudet selvitettyä Tasapaino x suunnassa edellyttää pr σ 1 = Yhtälö 8-1 t 6 3
8.1 OHUTSEINÄISET PAINELAITTEET Sylinterimäiset säiliöt Kuvan mukaisesti σ 2 vaikuttaa tasaisesti vaipassa ja p vaikuttaa kaasu- tai nesteosaan eli säiön päätyosaan. Siten tasapaino y suunnassa edellyttää pr σ 2 = Yhtälö 8-2 2t 7 8.1 OHUTSEINÄISET PAINELAITTEET Sylinterimäiset säiliöt Yhtälöistä 8-1 ja 8-2 (ns. kattilakaavat) σ 1, σ 2 = tangentiaali- tai kehäjännitys ja pituussuuntainen jännitys. Molemmat ovat vakioita ja aiheuttavat vetorasituksen. p = kaasun tai nesteen aiheuttama sisäinen paine r = sylinterin sisäsäde t = vaipan paksuus (r/t 10) pr σ 1 = t pr σ 2 = 2t 8 4
8.1 OHUTSEINÄISET PAINELAITTEET Sylinterimäiset säiliöt Huomaa, että tangentiaalijännitys on kaksi kertaa suurempi kuin pituussuuntainen jännitys Sylinterimäisten paineastioiden on siis poikittaissuuntaisissa liitoksissa kestettävä kaksi kertaa suurempi rasitus kuin poikittaissuuntaisissa liitoksissa 9 8.1 OHUTSEINÄISET PAINELAITTEET Pallosäiliöt Vastaavalla tavalla voidaan analysoida pallosäiliöt Sylinterin tavoin tasapaino y- suunnassa edellyttää pr σ 2 = 2t Yhtälö 8-3 10 5
8.1 OHUTSEINÄISET PAINELAITTEET Pallosäiliöt Huomaa, että yhtälö 8-3 on sama kuin yhtälö 8-2. Siten jännitys on sama riippumatta vaipan pinnasta otetun elementin suunnasta Vaipasta otettu elementti on siis kaskiaksiaalisessa tasojännitystilassa: normaalijännitys vaikuttaa kahteen suuntaan 11 8.1 OHUTSEINÄISET PAINELAITTEET Pallosäiliöt Vaipan materiaaliin vaikuttaa myös radiaalijännitys σ 3. Sen suuruus on sama kuin vaipan sisäpaine p ja se pienenee nollaan vaipan ulkopinnassa. Radiaalijännitys kuitenkin yleensä jätetään huomiotta ohutseinäisillä säiliöillä, koska rajoitteella r/t = 10, jännityskomponentit σ 3 ja σ 2 ovat 5 ja 10 kertaa suurempia kuin suurin radiaalijännitys (σ 3 ) max = p 12 6
ESIMERKKI 8.1 Sylinterimäisen paineastian sisähalkaisija on 1.2 m ja sen paksuus on 12 mm. Määritä suurin sallittu sisäinen paine, kun vaipan normaalijännitys tangentiaali- tai aksiaalisuunnassa ei saa ylittää arvoa 140 MPa. Mikä on suurin sallittu paine pallosäiliölle vastaavalla halkaisijalla? 13 ESIMERKKI 8.1 (RATKAISU) Sylinterimäinen painesäiliö Maksimijännitys esiintyy tangentiaalisuunnassa: pr σ 1 = ; t p(600 mm) 140 N/mm 2 = 12 mm p = 2.8 N/mm 2 Huomaa, että pituussuuntainen jännitys on silloin σ 2 = 0.5(140 MPa) = 70 MPa. 14 7
ESIMERKKI 8.1 (RATKAISU) Sylinterimäinen painesäiliö Vaipan sisäpinnassa vaikuttaa lisäksi radiaalijännitys (σ 3 ) max = p = 2.8 MPa. Koska jännitys on vain 1/50 tangentiaalijännityksestä (140 MPa), sitä ei oteta huomioon. 15 ESIMERKKI 8.1 (RATKAISU) Pallomainen painesäiliö Pallopinnassa jännitykset ovat yhtäsuuret kahteen suuntaan. Siten pr σ 2 = ; 2t p(600 mm) 140 N/mm 2 = 2(12 mm) p = 5.6 N/mm 2 Vaikka pallopintainen vaippa on vaikeampi valmistaa, on sen sisäpaineen kantokyky siis kaksinkertainen sylinteripintaan verrattuna. 16 8
8.2 YHDISTETTYJEN RASITUSTEN JÄNNITYSTILA Aiemmin kehitettiin menetelmät, joilla voitiin määrittää jännitysjakauma aksiaalikuorman, leikkausvoimien, vääntö- ja taivutusrasituksen vaikuttaessa Usein kappaleen poikkileikkauksessa esiintyy useita rasitustyyppejä samanaikaisesti Superpositioperiaatetta käyttäen voidaan resultoiva jännitys laskea kuormitusten perusteella 17 8.2 YHDISTETTYJEN RASITUSTEN JÄNNITYSTILA Superpositioperiaatteen soveltaminen 1. Määritetään jännitystila jokaisella rasitustyypillä 2. Jännitystilat summataan superpositioperiaatteella Ehdot Kuormien ja jännitysten välillä vallitsee lineaarinen yhteys (Hooken laki on voimassa) Kappaleen geometriassa ei tapahdu merkittävää muutosta: tällä varmistetaan, etteivät rasituskomponentit kytkeydy toisiinsa 18 9
8.2 YHDISTETTYJEN RASITUSTEN JÄNNITYSTILA Analyysin vaiheet Sisäinen rasitus Valitaan tutkittava leikkaus kappaleessa Lasketaan sisäiset rasitukset : normaali- ja leikkausvoima sekä vääntö- ja taivutuskomponentit Voimakomponenttien tulee vaikuttaa poikkileikkauksen pintakeskiössä ja momenttikomponenttien tulee vaikuttaa pääjäyhyysakseleiden suhteen 19 8.2 YHDISTETTYJEN RASITUSTEN JÄNNITYSTILA Analyysin vaiheet Keskimääräinen normaalijännitys Lasketaan jännityskomponentit kullekin rasitustyypille. Määritetään kussakin tapauksessa joko jännitysjakauma poikkileikkauksessa tai tutkitaan määrätyn pisteen jännitystilaa 20 10
8.2 YHDISTETTYJEN RASITUSTEN JÄNNITYSTILA Analyysin vaiheet Normaalivoima Sisäinen normaalivoima (aksiaalikuorma) aiheuttaa leikkaukseen tasaisen normaalijännitysjakauman σ = P/A Leikkausvoima Sisäinen leikkausvoima taivutuksesta johtuen voidaan määrittää käyttäen leikkausyhtälöä τ = VQ/It, joka antaa myös leikkausvoimajakauman poikkipinnassa. 21 8.2 YHDISTETTYJEN RASITUSTEN JÄNNITYSTILA Analyysin vaiheet Taivutusmomentti Suorilla sauvoilla sisäinen taivutusmomentti aiheuttaa normaalijännitysjakauman, joka on neutraaliakselilla nolla ja suurimmillaan kauimpana neutraaliakselilta Jännitysjakauma saadaan taivutusyhtälöstä σ = My/I. 22 11
8.2 YHDISTETTYJEN RASITUSTEN JÄNNITYSTILA Analyysin vaiheet Vääntömomentti Pyöreälle poikkileikkaukselle vääntömomentti aiheuttaa leikkausjännitysjakauman, joka muuttuu lineaarisesti pintakeskiöstä lähtien ja on suurimmillaan ulkopinnalla. Leikkausjännitysjakauman saa leikkausyhtälöstä τ = Tρ/J. Mikäli vääntösauva on mielivaltaisen muotoinen sylinteriputki, käytetään yhtälöä τ = T/2A m t 23 8.2 YHDISTETTYJEN RASITUSTEN JÄNNITYSTILA Analyysin vaiheet Ohutseinäiset painesäiliöt Ohutseinämäiselle sylinterimäiselle painesäiliölle sisäinen paine p aiheuttaa kaksiaksiaalisen jännitysjakauman, jossa tangentiaalinen jännityskomponentti on σ 1 = pr/t ja pituussuuntainen jännityskomponenttiσ 2 = pr/2t. Pallosäiliölle kaksiaksiaalinen jännitystila on kahteen toisiaan vastaan kohtisuoraan suuntaan sama ja jännitys on σ 2 = pr/2t 24 12
8.2 YHDISTETTYJEN RASITUSTEN JÄNNITYSTILA Analyysin vaiheet Superpositioperiaate Summaus- eli superpositioperiaatetta käytetään resultoivan normaali- ja leikkausjännitysten yhdistämiseen kun kaikki jännityskomponentit on määritetty Tulos esitetään määrätyssä pisteessä poikkipinnassa tai jakaumana leikkauksessa 25 ESIMERKKI 8.2 Kappaletta kuormitetaan 15,000 N voimalla epäkeskeisesti kuvan mukaisesti. Kappaleen omaa painoa ei oteta huomioon. Määritä jännitystila pisteissä B ja C. 26 13
ESIMERKKI 8.2 (RATKAISU) Sisäiset rasitukset Kappale leikataan pisteiden B ja C kohdalta. Tasapaino edellyttää, että aksiaalikuorma 15,000 N vaikuttaa pintakeskiössä ja taivutusmomentti 750,000 N mm toisen pääjäyhyysakselin suhteen. 27 ESIMERKKI 8.2 (RATKAISU) Jännityskomponentit 1. Normaalivoima Aksiaalikuorma aiheuttaa tasaisen normaalijännitysjakauman (kuva) σ = P/A = = 3.75 MPa 2. Taivutusmomentti Vastaavasti taivutusmomentti saa aikaan lineaarisesti muuttuvan normaalijännitysjakauman, jonka maksimiarvo on σ max = Mc/I = = 11.25 MPa Normaalivoima Taivutusmomentti 28 14
ESIMERKKI 8.2 (RATKAISU) Superpositioperiaate Kun edellä saadut normaalijännitysjakaumat summataan, saadaan kuvan mukainen normaalijännitysjakauma. Vaikka tässä ei tarvita tietoa neutraaliakselin uudesta sijainnista, lasketaan se kuitenkin verrannolla 7.5 MPa = x 15 MPa (100 mm x) x = 33.3 mm Yhdistetty rasitus 29 ESIMERKKI 8.2 (RATKAISU) Superpositioperiaate Pisteissä olevissa elementeissä B ja C on ainoastaan yksiaksioaalinen jännitystila kuvan mukaisesti. σ B = 7.5 MPa σ C = 15 MPa 30 15
ESIMERKKI 8.3 Kuvan säiliön sisäsäde on 600 mm ja vaipan paksuus 12 mm. Vaippamateriaalin paino on γ st = 78 kn/m 3. Säiliö täytetään vedellä. Määritä jännitystila pisteessä A. Säiliö on avoin yläosastaan. 31 ESIMERKKI 8.3 (RATKAISU) Sisäiset rasitukset Leikkauksen A yläpuolinen vapaakappalekuva on esitetty kuvassa. Pystysuunnassa ainoastaan vaipan seinämä kantaa vaipan oman painon eli veden painoa ei tarvitse ottaa huomioon. W st = γ st V st = = 3.56 kn 32 16
ESIMERKKI 8.3 (RATKAISU) Sisäiset rasitukset Kehä- tai tangentiaalisuunnassa veden paine aiheuttaa vetojännityksen. Veden paine voidaan tunnetusti laskea yhteydestä p = γ w z. Siten veden aiheuttama hydrostaattinen paine tasolla A p = γ w z = (10 kn/m 3 )(1 m) = 10 kn/m 2 33 ESIMERKKI 8.3 (RATKAISU) Jännityskomponentit 1. Tangentiaalijännitys (kehäjännitys) Sovelletaan yhtälöä 8-1 käyttäen sisäsädettä r = 600 mm, jolloin saadaan σ 1 = pr/t = = 500 kpa 2. Pituussuuntainen jännitys Koska vaipan paino jakautuu tasaisesti seinämille saadaan σ 2 = W st /A st = = 77.9 kpa 34 17
ESIMERKKI 8.3 (RATKAISU) Jännityskomponentit Huomaa, että yhtälöä 8-2, σ 2 = pr/2t ei voi soveltaa tässä yhteydessä, koska tankki on avoin yläpäästään joten seinämiin ei tule rasitusta veden paineesta pituussuunnassa. Piste A on siten kaksiaksiaalisessa jännitystilassa kuvan mukaisesti. 35 ESIMERKKI 8.5 Kuvan tangon säde on 0.75 cm. Määritä kuvan kuormituksella jännitys pisteessä A. 36 18
ESIMERKKI 8.5 (RATKAISU) Sisäiset rasitukset Tutkitaan leikkausta A. Tasapainoehtojen perusteella saadaan kuusi tasapainoyhtälöä vapaakappaleelle AB, joista leikkauksen sisäiset rasitukset määritetään. 37 ESIMERKKI 8.5 (RATKAISU) Sisäiset rasitukset Normaalivoima (500 N) ja leikkausvoima (800 N) vaikuttavat poikkipinnan pintakeskiössä kuvan mukaisesti. Taivutusmomentit (8000 N cm) ja 7000 N cm) vaikuttavat pääjäyhyysakseleiden suhteen. 38 19
ESIMERKKI 8.5 (RATKAISU) Jännityskomponentit 1. Normaalivoima Normaalijännitys pisteessä A σ A = P/A = = 2.83 MPa 39 ESIMERKKI 8.5 (RATKAISU) Jännityskomponentit 2. Leikkausvoima Kuvassa on esitetty leikkausvoimajakauma. Pisteessä A staattinen momentti Q määritetään varjostetun alueen suhteen. Siten Q = y A = = 0.2813 cm 3 τ A = VQ/It = = 6.04 MPa 40 20
ESIMERKKI 8.5 (RATKAISU) Jännityskomponentit 3. Taivutusmomentti Taivutusmomentin 8000 N cm suhteen piste A sijaitsee neutraaliakselilla, joten normaalijännitys on σ A = 0 Taivutusmomentin 7000 N cm suhteen c = 0.75 cm, joten normaalijännitys pisteessä A on σ A = Mc/I = = 211.26 MPa 41 ESIMERKKI 8.5 (RATKAISU) Jännityskomponentit 4. Vääntömomentti Pisteessä A ρ A = c = 0.75 cm, joten τ A = Tc/J = = 169.01 MPa 42 21
ESIMERKKI 8.5 (RATKAISU) Superpositioperiaate Kun edellä olleet tulokset summataan superpositioperiaatteella havaitaan, että elementissä pisteessä A vaikuttaa sekä normaali- että leikkausjännityskomponentit 43 YHTEENVETO Painesäiliötä pidetään ohutseinäisenä, mikäli r/t 10. Silloin kehä- eli tangentiaalijännitys on σ 1 = pr/t. Tämä jännitys on kaksi kertaa suurempi kuin pituussuuntainen jännitys σ 2 = pr/2t. Ohutseinäisillä pallosäiliöillä on jännitys kahteen toistensa suhteen kohtisuoraan suuntaan yhtäsuuri eli σ 1 = σ 2 = pr/2t Superpositio- eli summausperiaatetta voidaan käyttää määrittämään normaali- ja leikkausjännitys määrätyssä pisteessä poikkileikkauksessa usean rasituskomponentin vaikuttaessa. 44 22
YHTEENVETO Ensin määritetään resultoiva aksiaali- ja leikkausvoima sekä resultoiva taivutus- ja vääntömomentti leikkauksessa, jossa tutkittava piste sijaitsee. Tämän jälkeen lasketaan jännityskomponentit näille kuormille, jonka jälkeen voidaan määrittää normaali- ja leikkausjännitysten resultantti algebrallisesti summaamalla. 45 23