Jäykistämättömien palkki-pilari päätylevyliitosten mitoitus ja kustannusoptimointi
Hietaharju, Lauri (2018)
Hietaharju, Lauri
2018
Konetekniikka
Teknisten tieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2018-09-05
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201808292222
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201808292222
Tiivistelmä
Työssä keskityttiin H- ja I-profiilisten tasokehien jäykistämättömien palkki-pilari -päätylevyliitosten mitoitukseen sekä kustannusoptimointiin. Kustannusten minimointitehtävä kirjoitettiin matemaattiseksi optimointiongelmaksi, jossa rajoitusehtoina olivat liitoksen kestävyydelle ja alkujäykkyydelle annetut raja-arvot sekä liitoksen geometriaa säätelevät ehdot. Suunnittelumuuttujina tehtävässä olivat päätylevyn dimensiot ja ruuvien sijainti. Ruuvien koko ja ruuvirivinen lukumäärä pidettiin kiinteinä parametreina. Liitosmitoitus tehtiin käyttäen standardissa SFS EN 1993-1-8 esitettyä komponenttimenetelmää. Liitosten kustannuksissa otettiin huomioon materiaalikustannusten lisäksi valmistuskustannukset, joihin sisältyivät mm. reikien tekeminen, hitsaaminen ja levyn leikkaaminen. Tehdyillä mitoitus- ja optimointityökaluilla vertailtiin tuloksia aiempiin kustannusoptimointia käsitteleviin tutkimuksiin sekä tutkittiin liitosten kustannusten muodostumista erilaisissa tilanteissa.
Päätylevyliitosten ominaisuuksien tarkastelussa kiertymäjäykkyyden määrityksessä havaittiin, että jäykistämätöntä päätylevyliitosta saattaa olla hankala saada täysin jäykäksi sekä sivusiirtymättömillä, että sivusiirtyvillä kehillä. Lisäksi kiertymisjäykkyyden määrityksessä havaittiin epäintuitiivinen piirre, että liitosjäykkyyttä ei välttämättä pystytä kasvattamaan vain ruuvirivien määrää lisäämällä. Tietyissä tapauksissa liitoksen momenttivarren suhteellisesti merkittävämpi pienentyminen ruuvirivien tuomaan jäykkyyteen nähden voi aiheuttaa liitosjäykkyyden pienenemisen.
Vertailututkimuksen avulla saatiin hyvä kuva komponenttimenetelmän käytettävyydestä liitosmitoitukseen ja optimointiin. Aiempiin tutkimuksiin verrattuna komponenttimenetelmällä liitosmitoitus pystyttiin suorittamaan huomattavasti monipuolisemmin ja monipuolisuuden kautta myös liitoskustannuksia saatiin selvästi pienennettyä. Myös laskenta-ajan suhteen komponenttimenetelmä todettiin hyväksi.
Tarkastelujen mukaan suurin osa merkittävistä päätylevyliitosten kustannuksista muodostuu päätylevyn leikkaus- ja hitsauskustannuksista sekä levyn ja ruuvien materiaalikustannuksista. Kyseisten havaintojen pohjalta liitosmitoituksessa pystytään keskittymään paremmin kustannuksia aiheuttaviin liitoksen ominaisuuksiin. Tarkastelujen mukaan liitoksen kustannukset pysyvät lähes vakiona, kunnes kiertymäjäykkyys kasvaa niin suureksi, että ruuvikokoa joudutaan kasvattamaan tai ruuvirivien määrää joudutaan lisäämään. Momenttikapasiteetin suhteen liitoksen kustannukset kasvavat alussa tasaisemmin, mutta kasvavat suurilla momenttikapasiteeteilla samaan tyyliin.
Päätylevyliitosten ominaisuuksien tarkastelussa kiertymäjäykkyyden määrityksessä havaittiin, että jäykistämätöntä päätylevyliitosta saattaa olla hankala saada täysin jäykäksi sekä sivusiirtymättömillä, että sivusiirtyvillä kehillä. Lisäksi kiertymisjäykkyyden määrityksessä havaittiin epäintuitiivinen piirre, että liitosjäykkyyttä ei välttämättä pystytä kasvattamaan vain ruuvirivien määrää lisäämällä. Tietyissä tapauksissa liitoksen momenttivarren suhteellisesti merkittävämpi pienentyminen ruuvirivien tuomaan jäykkyyteen nähden voi aiheuttaa liitosjäykkyyden pienenemisen.
Vertailututkimuksen avulla saatiin hyvä kuva komponenttimenetelmän käytettävyydestä liitosmitoitukseen ja optimointiin. Aiempiin tutkimuksiin verrattuna komponenttimenetelmällä liitosmitoitus pystyttiin suorittamaan huomattavasti monipuolisemmin ja monipuolisuuden kautta myös liitoskustannuksia saatiin selvästi pienennettyä. Myös laskenta-ajan suhteen komponenttimenetelmä todettiin hyväksi.
Tarkastelujen mukaan suurin osa merkittävistä päätylevyliitosten kustannuksista muodostuu päätylevyn leikkaus- ja hitsauskustannuksista sekä levyn ja ruuvien materiaalikustannuksista. Kyseisten havaintojen pohjalta liitosmitoituksessa pystytään keskittymään paremmin kustannuksia aiheuttaviin liitoksen ominaisuuksiin. Tarkastelujen mukaan liitoksen kustannukset pysyvät lähes vakiona, kunnes kiertymäjäykkyys kasvaa niin suureksi, että ruuvikokoa joudutaan kasvattamaan tai ruuvirivien määrää joudutaan lisäämään. Momenttikapasiteetin suhteen liitoksen kustannukset kasvavat alussa tasaisemmin, mutta kasvavat suurilla momenttikapasiteeteilla samaan tyyliin.