Detaljien suunnittelusta

Järkevästi suunnitellun rakenteen (staattinen) äärilujuus voidaan yleensä arvioida melko hyvällä menestyksellä perinteiseen tapaan laskemalla karkeat nimellisjännitykset vaikkapa idealisoidun rakenteen palkkimallin perusteella (Sallitun jännityksen menetelmään liittyen nimellisjännitysten laskentaa on käsitelty tässä blogissa toisaalla). Detaljien mahdollinen pieni muodonmuutos ja plastisoituminen eivät tällöin vaikuta merkittävästi koko rakenteen käyttäytymiseen.

Jos rakenteen kuormien siirtymisen kannalta oleelliset detaljit on suunniteltu väärin suhteessa siirrettäviin kuormiin, nimellisjännityksillä ei kuitenkaan pystytä enää arvioimaan rakenteen todellista lujuutta. Tässä tekstissä on esitetty muutamia esimerkkejä lujuusmielessä huonosti toimivista yksityiskohdista ja joitain yksinkertaisia tapoja näiden parantamiseksi.

Pääperiaatteita

Rakenteen suunnittelussa on lujuusmielessä oleellisinta miettiä, missä kuormat vaikuttavat ja miten ne siirtyvät rakenteen kautta ympäristöön.

Kuormat voivat siirtyä rakenteessa rakenneosien vedolla tai puristuksella, leikkauksella ja taivutuksella. Staattisilla kuormilla tehokkain tapa on yleensä voiman siirtyminen vedolla; Vedetty sauva tai levykenttä voidaan periaatteessa mitoittaa suoraan myötö- tai murtorajan perusteella ilman vaaraa erilaisista nurjahdus- ja lommahdusilmiöistä. 

Puristus on materiaalin lujuusmielessä yhtä hyvä kuormitus kuin vetokin, mutta varsinkin hoikissa rakenneosissa rakenteen stabiliteettiongelmat ovat usein mitoittavia rakenteen pettämismuotoja.

Leikkauskuormitusta materiaalit kestävät yleensä selvästi huonommin kuin suoraa, yksiakselista vetoa tai puristusta ja lisäksi myös leikkauskuormitetuilla levykentillä lommahdus on usein mitoittava pettämismuoto.

Huonoin kuormien siirtymistapa on taivutus, joka on todellisuudessa edellisten kuormien yhdistelmä. Huonoksi taivutuksen tekee erityisesti materiaalin huono käyttösuhde, esimerkiksi puhtaassa taivutuksessa palkin tai laatan jännitys sen keskitasossa on nolla ja yleisessäkin tilanteessa siellä esiintyy lähinnä vain leikkausjännitystä, jonka suuruus on yleensä suhteellisen pieni suhteessa veto- ja puristuskuormiin laatan pinnoilla. 

Rakenteissa tulee siis mahdollisuuksien mukaan välttää kuormien siirtymistä taipumilla ja leikkausjännityksellä ja mahdollisuuksien mukaan muuttaa nämä kuormat veto- ja puristusjännityksiksi. Esimerkiksi jos kotelosiltapalkki korvataan ristikkorakenteella (ristikon paarresauvat kantavat vedon ja puristuksen ja diagonaalisauvat leikkauskuorman) on mahdollista saavuttaa merkittävä painonsäästö samalla sillan kantavuudella.

Momentteja siirtäviä liitoksia

Momenttijäykillä liitoksilla toteutetut rakenteet eivät ole yhtä tehokkaita rakenteita kuin (nimellisesti) pelkästään aksiaalikuormia kantavista sauvoista muodostetut rakenteet, mutta käytännön syistä niitä käytetään varsin paljon. Tällaisen kehäristikon palkit ja niiden liitokset on suunniteltava kantamaan aksiaalikuormien lisäksi myös taivutuskuormia. Varsinkin kehäristikon liitoksissa on helppo tehdä virheitä, joiden vuoksi  koko rakenteen toiminta ei vastaa palkkiteorian suunnitteluoletusta riittävän hyvin myös momenttikuormia palkkien välillä siirtävistä liitoksista.

1. Putkipalkki toisen kyljessä

Tässä tarkastellaan T-liitosta jossa pienempi putkipalkki liitetään suoraan suuremman putkipalkin kylkeen ja pienemmän palkin vapaata päätä painetaan suuremman palkin suuntaan. Vastaavat rakenteet ovat tyypillisiä esimerkiksi putkistoissa, joissa taivutusmomentit eivät yleensä mitoita rakennetta. Näissäkin tapauksissa on kuitenkin syytä huomioida myös tämä ilmiö mikäli liitosta kuormitetaan mekaanisesti merkittävillä kuormilla. 

Palkkiteorian perusteella saatava (nimellinen) taivutusjännitys olisi suurimmillaan liittyvässä palkissa palkkien risteyksessä, mutta tarkemmalla kuorimallilla voi todeta että näin ei ole;

Tulos jännityksille palkkimallilla (vasemmalla) ja kuorimallilla. Muodonmuutosten skaalaus sama, jännitysskaalaus erilainen

Jännitys kuorimallilla on lähes kymmenkertainen verrattuna palkkimallin tulokseen ja myös sivupalkin taipuma on kuorimallilla huomattavasti palkkimallia suurempi. Tarkemmin tilannetta tarkasteltaessa voi huomata että maksimijännitys on suuremman pystyputken pintalevyssä suureksi osaksi pintalevyn taivutusjännitystä kun palkkiteorian antamien nimellisjännitysten perusteella maksimijännitys syntyisi sivuputkeen koko sivuputken taivutusjännityksestä.

Sivuputki on hitsattu pystyputken seinämään kiinni eikä rakenteessa ole huomioitu mitenkään nimellistaivutusmomentin siirtymistä pystyputkeen. Käytännössä koko taivutusmomentti siirtyy pystyputkeen pystyputken seinämän taipumien kautta, mikä on erittäin tehotonta.

Tilannetta voi parantaa kaulustamalla pystyputki poikkiputken ympäriltä, mutta perusongelmaa (kuormien siirtymistä osien välillä pintalevyjen taipumilla) se ei korjaa ja on siten suhteellisen tehoton ratkaisu.

Jos merkittäviä momenttikuormia on siirrettävänä, pystyputken pintalevyjen taivutusjännitys täytyisi pyrkiä muuttamaan kalvojännityksiksi (pystyputken veto, puristus- ja leikkausjännityksiksi). Tehokas tapa tähän on viedä poikkiputki kokonaan pystyputken läpi ja hitsata poikkiputki pystyputkeen molemmista läpivienneistä;

Vasemmalla tulos alkuperäiselle tapaukselle ja oikealla läpiviedyllä poikkiputkella, jännityksen ja muodonmuutoksen skaalaukset samoja (kuvat esitetty halkaistulle mallille)

Muutetussa rakenteessa maksimijännitykset ja taipumat ovat nyt likimain samoja kuin palkkiteorian mukaan saatiin. Ratkaisu siirtää tehokkaasti myös poikkipalkin momentit muidenkin akselien ympäri, mutta mikäli poikkipalkissa vallitsee aksiaalivoima, on syytä miettiä parannusvaihtoehtoja kuormien siirtyessä pystypalkkiin edelleenkin sen pintalevyjen taipuman kautta (jääköön kotitehtäväksi 😉)

Myös nelikulmaisilla RHS-putkipalkkikehillä voidaan käyttää samaa menettelyä.

2. Palkkikehän nurkkaliitos

Jollei asiaan varauduta asiaankuuluvasti, voi palkkikehän nurkkaliitoksissakin vallitseva jännitys uuman alueella olla huomattavasti palkkiteorian perusteella saatavaa arvoa suurempi. 

Vasemmalla taivutuskuormitettu  I-palkkien välinen kulmaliitos ilman välilevyä, oikealla välilevyn kanssa (jännitysten ja muodonmuutosten skaalaus sama)

Kuvaparin mukaisessa taivutuksessa, jossa vaakapalkin päässä on kuorma alaspäin, ulommissa (vedetyissä) laipoissa on vetojännitys ja sisemmissä puristusjännitys palkin suunnassa. Vastinlaipan liitoksen kohdalla tätä vetokuormaa ei kanna mikään muu kuin joustavan vastinlaipan taivutusmomentti laattana kohtisuorassa laipan tasoa vastaan joten käytännössä laippojen siirtämä kuorma on liitoksen kohdalla lähes nolla. Liitoksen kohdalla voikin melko hyvällä tarkkuudella ajatella koko taivutusmomentin siirtyvän uuman kannettavaksi, eli rakenne on erittäin tehoton. Samalla uumaa kuormittaa liitoslinjan suunnassa tässä tapauksessa puristusjännitys, joka saattaa aiheuttaa hoikan uuman lommahduksen.

Usein vastaavia kehän nurkkaliitoksia vahvistetaan lisäämällä vinotuki tai levykorvake palkkien välille, mikä onkin tehokas, joskin melko painava ratkaisu eikä aina edes mahdollinen.

Oikeanpuoleisessa kuvassa on kuitenkin esitetty yleensä parempi vaihtoehto nurkkaliitoksen vahvistamiseksi. Hitsaamalla palkkien väliin vino välilevy oikeanpuoleisen kuvan tapaan estetään laippojen ja uumankin poikkileikkauksen vääristyminen liitoksen kohdalla ja jännitykset vastaavat likimain palkkiteorian mukaisia arvoja myös liitoksen alueella. Levy kantaa myös osansa uuman puristuksesta ja estää sen lommahduksen. Lisäksi levyä voi käyttää juuritukena helpottaen samalla palkkien välistä hitsausta. Painolisä on varsin pieni.

Vastaava laippalevyjen vääristyminen esiintyy myös esimerkiksi RHS-putkipalkkiristikoissa ja myös niissä voi käyttää samanlaista välilevyä kehän nurkkaliitoksissa tehokkuuden ja myös valmistuksen parantamiseen.

3. Laipan kiinnittäminen putkipalkkiin pulttiliitoksella

Usein joudutaan kiinnityslaippa kiinnittämään suorakaideputkipalkin kylkeen, mahdollisesti molemminpuolisena. Monesti asia on toteutettu yksinkertaisesti tekemällä reiät putkipalkin molempien kylkilevyjen ja laippojen läpi ja vetämällä pitkä pultti näiden kautta. Tämä ratkaisu on periaatteessa OK jos pulteissa ei käytetä esikiristystä, eli pultti siirtää voimia puhtaasti leikkauksella, mutta käytännössä melkein aina halutaan myös sitoa laipat tiukasti kiinni putkipalkkiin esikiristyksellä.

Ongelma syntyy siitä, että putken kyljen alla ei ole mitään rakennetta, joka ottaisi vastaan pultin kiristämisestä aiheutuvat voimat pultin kannnan ja mutterin/aluslevyn alla. Tällöin voima pulttivoima otetaan vastaan kylkilevyn taipumisella, joka on siis tehoton tapa. Jo melko vaatimattomallakin esikiristyksellä kylkilevy myötää silminhavaittavastikin ja esikiristysvoima jää pieneksi.

Tehokas tapa tilanteen korjaamiseksi on käyttää pultin ympärillä olevaa holkkia putkipalkin sisäpintojen välillä. Tällöin holkki ottaa vastaan esikiristysvoiman, jota ei enää rajoita putkipalkin pinnan taivutuslujuus, vaan holkin puristuslujuus. Esikiristys voidaan kasvattaa riittäväksi sopivalla holkilla.  Holkki voi olla vapaasti uiva tai se voidaan hitsata putkipalkkiin tarpeen mukaan.

Leikkaus laippaliitoksesta holkilla; Sininen-putkipalkki, keltainen- laippa, vihreä- ruuvi, mutteri ja aluslaatat, punainen- holkki

4. Case: veneenkuljetusperävaunu

Hyvä esimerkki lujuuden kannalta huonosti suunnitelluista yksityiskohdista löytyi aikoinaan rakennussarjasta kokoamastani veneen kuljetusperävaunusta. Vaunun runko oli valmiiksi RHS-putkipalkeista hitsattu, ja ostajan työksi jäi lisätä tähän pulttiliitoksin varusteet ja sähköt. Rungossa oli korkeasta RHS-putkesta tehty aisa, jonka kylkiin oli hitsattu matalammat putkipalkit, joiden väliin hitsattuihin L-rautoihin kiinnitettiin pyörakselin kiinnityslaipat pulteilla. Ongelma tässä oli pohjimmiltaan sama, kuin edellä tapauksessa 1, kannatinputket oli hitsattu aisan pintaan kiinni. Vaikka putkipalkkien yläpinnat olivatkin samalla tasolla, taivuttivat poikkiputkien alapinnat aisaputken sivulevyjä jokaisessa kuopassa. Ensimmäisen kesän jälkeen hitsien reunoissa näkyikin jo selviä väsymisrepeämiä. Korjauksena tähän kävin pajalla hitsauttamassa poikkikannatinta vastaavasta putkesta leikatut kolmiomaiset "polvio"palat (kuvassa alla vaaleansinisiä), joilla muodostettiin yhteys poikkipalkin ja aisan alapintalevyjen väliin. Korjauksen jälkeen kärryllä ajettiin vielä useana kesänä tuhansia kilometrejä ilman että repeämät olisivat kasvaneet tai niitä olisi tullut lisää.

Alkuperäinen ja parannettu orsien liitos aisaan.