Valmiin rakenteen muutosten simulointi

Toisinaan jo olemassa olevaan rakenteeseen joudutaan tekemään muutoksia tai korjauksia, joissa kantaviin rakenteisiin on tehtävä esimerkiksi aukotuksia putkistojen läpivientiä varten tai kantavien väliseinien tai laipioiden siirroksia tilajaon muuttuessa. Heikentyneen rakenteen vahvistamiseksi rakenteeseen lisätään samalla erilaisia vahvistuksia, jotta rakenteen kokonaislujuus ei heikkenisi. Jos tilapäisiä tukirakenteita ei voida käyttää, niin tyypillisesti vahvistusrakenne lisätään ensin alkuperäiseen rakenteeseen, jonka jälkeen poistettava rakenne leikataan alkuperäisestä rakenteesta pois. Tällaisia tilanteita tulee esiin laivojen retrofiteissä (uudelleenvarustelussa) tai tehtäessä tuotantolaitoksiin muutoksia uusien koneiden ja laitteiden muuttaessa tilavaatimuksia.

Jos rakenne ei ole muutostyön aikana kuormitettu, on uuden rakenteen lujuuslaskenta suoraviivaista- laskenta voidaan tehdä suoraan muutetun rakenteen geometrialla ja kuormilla samaan tapaan kuin alkuperäiselläkin rakenteella.

Tilanne on kuitenkin toinen tyypillisessä muutostöiden tilanteessa, jossa muutostöiden aikanakin rakennetta kuormittavat merkittävät kuormat, tyypillisesti tarkasteltavan rakenteen kantamat ylempien kerrosten tai kansien massakuormat laitoksessa tai laivassa. Jos muutostyö joudutaan tekemään käytön aikana, myös muut asennuksen aikana kyseeseen tulevat kuormat on huomioitava.

Lisättäessä kuormitettuun rakenteeseen uusi, asennustilanteessa kuormittamaton tukirakenne, ei tukirakenteen kautta kulje kuormia asennettunakaan ennen kuin alkuperäistä rakennetta aletaan heikentää leikkaamalla siihen aukkoja tms. Tällöin rakenne asettuu toiseen tasapainotilaan, kuin se asettuisi jos koko muutettu rakenne olisi rakennettu alusta asti kuormittamattomana.

Esimerkki: Aukon lisäys kansipalkkiin

Tässä kuvitteellisessa ja yksinkertaistetussa esimerkissä joudutaan tekemään 500x500mm aukotus pitkittäiselle putkitukselle heti kannen alle 400mm korkean kansipalkin poikki. Aukkovahvistus toteutetaan hitsaamalla palkin alapuolelle "silta" ja poistamalla tämän jälkeen palkin uuma ja laippa aukotuksen kohdalta. Päistään niveltuettu palkki kannattelee kantta, jolla on pysyvä painekuorma. Seuraavissa kuvissa on esitetty alkuperäinen rakenne, tilanne, kun palkkiin on hitsattu silta ennen aukon leikkausta ja lopullinen rakenne aukon poiston jälkeen.

Kuormitettujen rakennemuutosten simuloinnin vaatima elementtiryhmien lisäys ja poistaminen analyysiaskelien välillä onnistuu esimerkiksi Abaqus- ohjelmistolla *MODEL CHANGE -komennolla, jota tässä esimerkissä on käytetty. Laskentamallissa on mukana koko malli, jossa silta ja poistettava alue ovat omissa elementtiryhmissään. Ensimmäisessä staattisessa laskenta-askeleessa silta on poistettu laskennasta ja toisessa askelessa silta on aktivoitu samalla kun poistettava alue on poistettu laskennasta. 

Alkuperäinen rakenne

Siltarakenne lisätty alkuperäiseen rakenteeseen

Sillattu rakenne aukon poiston jälkeen

Tuloksia

Siirtymät

Aukon poiston seurauksena palkin kuorma siirtyy kuormaamattomaan siltarakenteeseen, ja kansi putoaa alaspäin kunnes uusi tasapainotila saavutetaan. Verrattuna tilanteeseen alkuperäisellä rakenteella kannen taipuma lopputilanteessa on noin kaksinkertainen.




Pystysiirtymätasot muutostyön jälkeen (vasemmalla) ja alkuperäisellä rakenteella ilman aukkokohtaa.

Jännitykset

Kuvaparissa alla on esitetty von Misesin jännitystasot rakenteessa alkuperäisellä ja muutetulla rakenteella, kun asennus tehdään kuormitettuun palkkiin.





Vasemmalla jännitystasot alkuperäisellä rakenteella ja oikealla muutetulla rakenteella.


Vertailun vuoksi alla on esitetty lopputulos simuloituna edellä esitetyllä tavalla kuormattuna rakennettuna verrattuna tilanteeseen, jossa rakenne rakennettaisiin ilman kuormia.




Vasemmalla jännitykset kuormattuna rakennetulla siltarakenteella, oikealla kuormaamattomana rakennettu siltarakenne.



Voi todeta, että jännitysjakauma on selvästi erilainen kuin kuormattomana rakennetulla muutoksella. Jos rakenteeseen ei järjestetä asiaankuuluvia lisätukia (mm. jäykistelaipat palkin uuman katkospäihin), voivat leikkausjännitykset kuormattuna rakennetun sillan ja palkin uumalevyissä nyt aiheuttaa uumalevyjen lommahduksen, jota kuormattomana lisätyn siltarakenteen analyysissä ei pystytä ennustamaan.

Päätelmiä

Muutostöiden analyysissä on huomioitava myös tarkastelukohteeseen asennusaikana vallitsevat kuormat, mikäli nämä vaikuttavat lopputulokseen. Tarvittava analyysi vaatii kuitenkin ominaisuuksia, joita läheskään kaikissa laskentaohjelmistoissa ei ole käytettävissä.


Usein on kuitenkin mahdollista järjestää asennusaikana lähes kuormattomat olosuhteet asennuskohteeseen. Ylläolevan esimerkin tapauksessa laivojen retrofit -projekteissa kansipalkki yleensä tunkataankin alemmalta kannelta siten, että silta hitsataan kiinni jo katkaistuun ja liitosalueelta asennuksen aikana mahdollisimman kuormattomaan kansipalkkiin. Tällöin normaalin analyysin oletukset ovat voimassa ja tavallinen FE-analyysi voidaan tehdä suoraan muutetulle rakenteelle jännitysten ja siirtymien arvioimiseksi.