Hitsattujen teräsrakenteiden väsymiskestävyyden arvioiminen

Abstract

Väsyminen on merkittävin syy koneiden ja laitteiden vaurioitumiseen, erityisesti hitsaamalla valmistetuissa rakenteissa, ja siten sen huomioiminen koneiden ja laitteiden suunnittelussa on erityisen tärkeää. Siksi väsymistarkasteluun onkin kehitetty useita eri menetelmiä, joiden kaikkien tavoitteena on arvioida tarkasteltavan yksityiskohdan elinikää sille määritetyillä kuormitustapauksilla mahdollisimman tarkasti. Tässä työssä tutkitaan kolmen perinteisen väsymislaskennan (engl. High Cycle Fatigue, HCF) menetelmän, nimelliseen, geometriseen ja teholliseen lovijännitykseen perustuvien menetelmien, soveltuvuutta hitsattujen rakenteiden eliniän määrittämiseen. Eurokoodi 3 osa 9 käsittelee teräsrakenteiden väsymistä, mutta sisältää vain nimelliseen ja geometriseen jännitykseen perustuvat menetelmät.

Työn teoriaosuus jakautuu kahteen lukuun, luvussa kaksi käsitellään väsymistä ilmiönä ja luvussa kolme väsymislaskentamenetelmiä. Luku neljä on vertailuosuus,jossa arvioidaan useista tutkimuksista koottujen havaintojen perusteella näiden menetelmien soveltuvuutta koneensuunnitteluun liittyvien todellisten rakenteiden eliniän arvioimiseen. Tätä arvioidessa on otettu huomioon menetelmien tarkkuus, niiden rajoitukset ja monikäyttöisyys. Tutkielma on toteutettu kirjallisuuskatsauksena.

Tutkielman perusteella tehollisen lovijännityksen menetelmä antaa tarkimpia arvioita tarkasteltavan hitsisauman eliniälle. Kuitenkin tehokkaimpaan ja laajimpaan väsymistarkasteluun soveltuu parhaiten useiden menetelmien yhdistäminen. Tällöin itse rakenteen kestäminen tarkastetaan nimellisjännityksen tai geometrisen jännityksen avulla, ja samalla etsitään mahdolliset kriittisen kohdat liitoksista joiden elinikä arvioidaan teholliseen lovijännitykseen perustuvalla menetelmällä. Tutkielmassa tuli ilmi ristiriitoja eri tutkimuksissa käytettyjen parametrien välillä, mikä korostaa tulevan Eurokoodin päivityksen tarpeellisuutta. Lisäksi nykyisessä Eurokoodissa ei ole ohjeistusta tehollisen lovijännityksen eikä elementtimenetelmän (engl. Finite Element Method, FEM) käyttöön suunnitteluprosessissa, vaikka useiden tutkimusten perusteella niillä saadaan tarkimpia laskentatuloksia.