Kattilalaitoksen ripustustason pääliitosten analysointi ja mitoitus

Abstract

Kattilalaitoksen ripustustason kannatinpalkkeihin ja niiden liitoksiin kohdistuu suuria voimia. Pääliitokset ovat usein ainutkertaisia toteutuksia, joissa harvoin pystytään hyödyntämään aikaisempien projektien ratkaisuja suoraan. Ne ovat yleensä geometrioiltaan ja liitososiltaan monimutkaisia, joten niiden mitoittamiseen ei löydy valmiita laskentapohjia. Yleinen tapa on mallintaa ja mitoittaa monimutkaiset liitokset FEM-laskentaohjelmalla. Liitoksen mallintaminen FEM-ohjelmalla vastaamaan liitoksen todellista käyttäytymistä on kuitenkin työlästä ja vie paljon aikaa.

Tässä työssä on tutkittu erään toteutuneen kattilalaitoksen pääliitosten mitoittamista eurokoodin SFS-EN 1993-1-8 mukaan. Ripustustason pääliitoksista tarkastellaan kahta liitoskokonaisuutta, joissa vaikuttavat suurimmat rasitukset. Näistä liitoksista on tutkimukseen valittu ne liitokset tai kiinnitykset, joiden avulla tarkasteltavat liitoskokonaisuudet voidaan mitoittaa. Standardissa esitettyä komponenttimenetelmää hyväksi käyttäen valituista pääliitoksista pyritään tunnistamaan kaikki liitoksen kestävyyteen ja jäykkyyteen vaikuttavat peruskomponentit. Niiden avulla lasketaan tutkitun liitoksen tai kiinnityksen kestävyys, jonka luotettavuutta arvioidaan vertaamalla tuloksia CBFEM-laskentaohjelman tuloksiin.

Tutkimus jakautuu teoriaosuuteen ja tutkimusosioon. Teoriaosuudessa keskitytään tutkittavien liitosten mitoituksessa tarvittavien analyyttisten menetelmien esittelyyn ja perehdytään kirjallisuustutkimuksella eurokoodin mitoitusperiaatteiden soveltamiseen ja täydentämiseen. Tutkimusosiossa ensin mitoitetaan liitokset analyyttisesti teoriaosuuden laskentakaavoilla, jonka jälkeen vertaillaan saatuja tuloksia numeerisen menetelmän tuloksiin.

Tutkittavista liitoksista voitiin erottaa neljä eri liitostyyppiä, joiden avulla pääliitosten kaikki liitokset pystytään mitoittamaan samoja menetelmiä hyväksi käyttäen. Valitut neljä liitostyyppiä olivat palkin jatkosliitos, sideliitos, hitsattu palkki-palkki liitos ja palkki-palkki päätylevyliitos. Liitoksissa rasitukset vaikuttavat kahdessa tasossa ja osassa liitettävistä sauvoista on käytetty U-profiilia. Lisäksi päätylevyliitoksissa on samalla ruuvirivillä 4 ruuvia. Näitä tilanteita ei eurokoodissa ole käsitelty, mutta kirjallisuustutkimuksella löydettiin ratkaisut näihin standardin puutteisiin paitsi U-profiiliin. Työssä muodostetun ekvivalentin L-osan tehollinen pituus antoi kuitenkin oikean suuntaisia tuloksia U-profiilin yhteydessä, kun laskettiin päätylevyn taivutus peruskomponentin kestävyyttä.

Tutkimuksen perusteella pääliitosten mitoitus onnistuu pääosin eurokoodin mukaisilla menetelmillä. Kuitenkin pelkästään standardin esittelemillä menetelmillä pystyttiin mitoittamaan vain kaksi liitosta, sideliitos ja hitsattu palkki-palkki liitos. Tutkimuksessa selvisi, että myös palkki-palkki päätylevyliitos ja palkin jatkosliitos saadaan mitoitettua analyyttisesti. Mitoituksessa niiden peruskomponenttien kestävyydet vastasivat CBFEM-laskentaohjelmalla saatuja tuloksia ja olivat kaikilla testatuilla liitosparametreilla konservatiivisempia. Lisäksi havaittiin hitsien kestävyyksien jäävän epävarmalle puolelle verrattuna numeeriseen menetelmään, jos hitsit mitoitetaan komponenttimenetelmällä osittain lujina kestävämmäksi kuin liitoksen heikoin peruskomponentti ja liitoksen muiden peruskomponenttien kestävyydet lasketaan hyödyntämällä plastisuusteoriaa. Myös heikomman suunnan taivutuksen huomioiminen osoittautui ongelmalliseksi, koska käytetty lineaarinen yhteisvaikutuskaava kasvatti liikaa käyttöastetta johtaen liitoksen ylimitoitukseen. Tutkimuksen perusteella pääliitosten mitoittamisella analyyttisesti eurokoodin mukaan saadaan oikean suuntaisia tuloksia. Monimutkaisten liitosten eri kiinnitysten yhteisvaikutusten huomioiminen mitoituksessa vaatii kuitenkin paljon suunnittelijalta, joten FEM-laskentaohjelmat ovat edelleen tarpeellisia näissä tapauksissa.