Teräspilarin epäkeskisen päätylevyjatkoksen suunnittelu

Abstract

Teollisten prosessilaitosten pitkät teräspilarit pilkotaan valmistuksen ja kuljetuksen takia useampiin osiin ja kootaan yhdeksi kokonaiseksi kantavaksi rakenteeksi jatkosliitoksella, esim. päätylevyliitoksella. Liitokset saattavat olla epäkeskisiä ja luokittelultaan osittain jäykkiä, mikä vaikeuttaa suunnitteluprosessia. Liitosten suunnittelu koostuu 3D-mallintamisesta ja kestävyyden varmentamisesta laskennallisesti. Liitoksia ja kuormitusyhdistelmiä on useita erilaisia, joten mallinnus ja laskenta joudutaan toistamaan useasti. Parametrisen suunnittelun kehityksen myötä toistuvia suunnittelutehtäviä voidaan automatisoida.

Tämän opinnäytetyön päätarkoitus on luoda toimeksiantajayritykselle laskentapohja osaksi teräspilareiden epäkeskisten päätylevyjatkosten algoritmipohjaista suunnitteluprosessia. Tarkoitus on selvittää, miten epäsymmetriseen päätylevyjatkokseen voidaan soveltaa Eurokoodin EN 1993-1-8 mukaista komponenttimenetelmää. Työn toisena tarkoituksena on tutkia liitosta osana kokonaista pilarirakennetta. Työ rajataan vastaamaan pieniä kaksilohkoisia kohteita, jolloin pilarien profiilien poikkileikkausten variaatio rajataan vastaamaan tyypillisiä korkeintaan 400 mm korkeita valssattuja profiileita.

Työ aloitettiin kirjallisuuskatsauksella, missä selvitettiin, mitä pilarijatkoksista ja päätylevyliitoksista on tutkittu ja miten Eurokoodin komponenttimenetelmää voidaan soveltaa päätylevyjatkoksen analysointiin. Tämän pohjalta luotiin Excel-laskentapohja, jolla lasketaan päätylevyjatkosten kestävyyksiä ja jäykkyyksiä. Case-kohteena käytettiin pientä kaksilohkoista prosessilaitosta, jonka algoritmin avulla tehtyjen liitosten kestävyydet tarkastettiin tässä tutkimuksessa kehitetyllä laskentapohjalla. Tämän jälkeen liitosten toimintaa analysoitiin komponenttiperusteisen elementtimenetelmään perustuvan CBFEM-laskentaohjelman avulla. Elementtimenetelmän mukaisella FEM-laskentaohjelmaa hyödyntämällä vertailtiin lisäksi laskettujen tulosten vaikutuksia kokonaisen pilarirakenteen kestävyyteen ja stabiiliuteen.

Excel laskentapohjalla laskettiin jokaiselle jatkosdetaljille kestävyydet ja niiden mukaiset kuormia vastaavat käyttöasteet sekä vahvan suunnan taivutusjäykkyyden alkujäykkyys. Laskennan tuloksena havaittiin, että algoritmin avulla määritetyt liitokset olivat selkeästi varmalla puolella, koska laskentapohjan antama suurin käyttöaste oli vain 0,61. CBFEM-ohjelmalla määritetyt käyttöasteet olivat tätä vieläkin pienempiä. Eroja komponenttimenetelmällä ja FEM-ohjelmalla tehdyissä laskelmissa esiintyi etenkin tapauksissa, joissa liitoksissa oli kahdensuuntaista taivutusta. Liitosten jäykkyydellä ja epäkeskisyydellä todettiin olevan vain pieniä vaikutuksia kokonaisen pilarin mitoitukseen, mutta suurempia vaikutuksia rakenteen voimajakaumaan.

Pilareiden algoritmin avulla suunnitellut päätylevyjatkokset todettiin olevan turvallisella puolella. Kehitetty Excel-laskentapohja toimi kestävyyden varmistamisessa hyvin ja nopeutti suunnitteluprosessia huomattavasti. Algoritmin avulla luodut liitokset saatiin kerralla varmennettua tehokkaasti verrattuna FEM-laskentaohjelmien käyttöön. Tutkimuksessa käytetty CBFEM-laskentaohjelma IdeaStatica antoi tietyissä kuormitustapauksissa epäloogisia tuloksia, joten tarkasteluja on syytä tehdä myös jollain toisella FEM laskentaohjelmalla ja monipuolisemmin.