Maanvaraisten koneperustusten suunnittelu ja dynaaminen analyysi

Abstract

Teollisuudessa käytetään paljon erilaisia koneita, joille rakennesuunnittelijan tehtävänä on muiden erikoissuunnittelijoiden avulla suunnitella koneperustus. Koneperustukseen vaikuttaa staattisten kuormitusten lisäksi koneen aiheuttamat dynaamiset kuormitukset. Dynaaminen analyysi on osa koneperustuksen suunnittelua. Dynaamisessa analyysissa lasketaan koneen, perustuksen ja maaperän muodostaman perustussysteemin ominaistaajuudet ja värähtelyamplitudit.

Koneperustuksen suunnittelua varten tarvitaan lähtötietoja koneesta, perustuksesta ja maaperästä. Usein koneperustukselle asetetut sallitut värähtelyamplitudien raja-arvot aiheuttavat sen, että staattisten kuormitusten sijaan dynaamiset kuormitukset ovat perustuksen mitoittava tekijä. Lähtötiedoista maaparametrit sisältävät suurimman epävarmuuden ja niiden tarkkuus vaikuttaa huomattavasti dynaamisen analyysin tuloksiin. Maaparametrien epävarmuus voidaan ottaa huomioon herkkyysanalyysilla.

Tämän diplomityön teoriaosuudessa tarkastellaan koneperustuksen suunnitteluun liittyviä yleisiä suunnitteluperiaatteita, koneen aiheuttaman värähtelyn dynamiikkaa sekä maaperän käyttäytymistä dynaamisen kuormituksen alaisena. Teoriaosuus on toteutettu kirjallisuustutkimuksena. Laskennallisesti tässä diplomityössä käsitellään esiteltyyn teoriaan perustuen kuvitteelliselle koneperustukselle suoritettava dynaaminen analyysi. Dynaamisessa analyysissa käytettävät laskentamenetelmät perustuvat impedanssifunktioiden eli taajuusriippuvaisten jäykkyys ja vaimennusominaisuuksien selvittämiseen sekä maaperän alustakertoimiin. Näiden laskentamenetelmien lisäksi maaperän jäykkyyttä arvioidaan elastisen puoliavaruuden menetelmään perustuvilla kaavoilla.

Tämän diplomityön dynaamisessa analyysissa ratkaistiin koneperustuksen ominaistaajuudet sekä pintaperustukselle että upotetulle perustukselle. Tämän lisäksi värähtelyamplitudit ratkaistiin vaimentamattomina pintaperustukselle ja vaimennettuina sekä pintaperustukselle että upotetulle perustukselle. Yksittäisten värähtelymuotojen lisäksi ominaistaajuudet ja värähtelyamplitudit ratkaistiin myös kytketylle värähtelylle.

Maaparametrien epätarkkuus otettiin huomioon herkkyysanalyysilla vaihtelemalla maaperän leikkausmoduulin arvoa. Tuloksista havaittiin, että maaperän jäykkyyden arviointi riippuu perustussysteemille halutusta virityksestä. Korkeaviritteiselle koneperustukselle maaperä tulee arvioida löysemmälle puolelle. Matalaviritteiselle koneperukselle maaperä tulee arvioida jäykemmälle puolelle. Perustuksen upottaminen kasvattaa jäykkyyttä ja perustussysteemissä esiintyvää vaimennusta, mikä pienentää värähtelyamplitudeja ja kasvattaa ominaistaajuuksia. Perustuksen upottaminen kasvattaa säteilyvaimennusta etenkin vaaka-akselin kiertymän värähtelymuodossa. Tuloksista voidaan päätellä, että mikäli koneperustukselle asetettuja sallittuja värähtelyamplitudien raja-arvoja ei täytetä, voidaan värähtelyamplitudeja pienentää lisäämällä jäykkyyttä tai upottamalla perustusta. Perustussysteemin ominaistaajuuden muuttaminen ja värähtelyamplitudien pienentäminen on mahdollista muuttamalla koneperustuksen kosketuspinta-alaa maaperän kanssa tai muuttamalla koneperustuksen massaa.