Vahvempi rakenne ei aina ole kestävämpi
Yleensä vahvempi rakenne, jossa siis on "enemmän rautaa", on kestävämpi kuin kevyemmin toteutettu rakenne, ja vahvistuksia lisätäänkin hajonneiden tai epäilyttävien rakenneosien ympärille asiaa enempää miettimättä, usein hyvin tuloksin.
Toisinaan vahvisteiden tai "raudan" lisääminen kuitenkin huonontaa tilannetta. Yksi esimerkki on rakenne, joka on lähellä herätteen resonanssitaajuutta. Resonanssialueelta poistumiseksi tilanne paranee usein tehokkaammin lisäämällä rakenteen joustavuutta ohentamalla rakenteita sopivista kohdista. Sen sijaan rakenteen jäykistäminen lisäämällä "rautaa" - ja samalla massaa - ei usein ole kovin tehokas menettely tässä tapauksessa. Tilanne voi jopa huonontua varsinkin, jos ilman asian tarkempaa tutkimista vahvisteet lisätäänkin vääriin kohtiin.
Vaikka rakenne oli alun alkaenkin varsin tukeva ristikkokehärakenne, siihen oli nopeasti ilmestynyt väsymismurtumia, eivätkä lisätyt korjaukset ja vahvistukset olleet parantaneet tilannetta uusien murtumien ilmestyessä uudelleen jonkin ajan kuluttua, usein aivan toiselle puolelle rakennetta, mutta myös vasta vahvistettuun kohtaankin..
Tilanne laskettiin läpi ja todettiin että vaikka alkuperäiseen nostimeen olisi tullut jatkuvasti suurimpia mahdollisia tukkeja nostettaviksi, ei sen olisi pitänyt näistä kuormista vielä väsyä. Tilanne oli kummallinen ja alettiin etsiä muita mahdollisia kuormia, asennusvirheitä, puutteellisia hitsejä jne., mutta mikään ei tuntunut selittävän rakenteen väsymistä.
Lopulta käytiin paikan päällä tarkastelemassa tilannetta porrasnostimen toimiessa, ja mysteeri alkoi selvitä; Porrasnostinta nosti kaksi erillistä, reilusti todellisia kuormia suuremmalle voimalle mitoitettua, kaksisuuntaista hydraulisylinteriä, ja tarkkaan katsoen saattoi huomata, että sylinterit toimivat hieman eri tahdissa keskenään; Toisen sylinterin aloittaessa noston, alkoi toisen sylinterin nosto vasta hieman myöhemmin- ja alas laskeuduttaessa sama ilmiö toistui. Syynä tähän oli hydrauliventtiilien ohjausjärjestely, jota ei voitu muuttaa, ja seurauksena tästä oli se, että koko porrasnostin vääntyi vastakkaisiin suuntiin nostokorvakkeista jokaisella nostosyklillä koko hydrauliikan voiman pakottaessa rakenteen vääntymään vaihe-eron verran.
Koska rakenteesta oli tehty vääntöjäykkä ristikko, tästä seurasi erittäin suuret vaihtuvat voimat ja -jännitykset erityisesti korvakehitsien läheisyydessä ja muuallakin rakenteessa. Kun tämä, todellisuudessa hallitseva väsyttävä kuormasykli huomioitiin, laskennallinenkin rakenteen väsymisikä saatiin vastaamaan varsin hyvin havaintoja.
Korjaukseksi esitettiin vahvistusten sijaan rakenneristikon muuttamista joustavammaksi väännön suhteen siten, että eri vaiheessa olevien hydraulisylinterien pakkosiirtymistä aiheutuvat jännitykset pysyisivät matalina. Käytännössä tämä toteutettiin poistamalla rakenteen diagonaalisauvat yhdeltä sivulta; Rakenteen jäännöslujuus oli tällöinkin vielä täysin riittävä kantamaan tukkien painon aiheuttamat kuormat myös väsyttävinä.
Ilmeisesti korjaus toimi, ainakaan asiaan ei tarvinnut tämän jälkeen enää koskaan palata, mikä on lujuuslaskennassa usein sama asia kuin positiivinen palaute 😏.
PS. Vaikka tämä blogiteksti onkin julkaistu aprillipäivänä, niin tämä tarina on tosi.
Toisinaan vahvisteiden tai "raudan" lisääminen kuitenkin huonontaa tilannetta. Yksi esimerkki on rakenne, joka on lähellä herätteen resonanssitaajuutta. Resonanssialueelta poistumiseksi tilanne paranee usein tehokkaammin lisäämällä rakenteen joustavuutta ohentamalla rakenteita sopivista kohdista. Sen sijaan rakenteen jäykistäminen lisäämällä "rautaa" - ja samalla massaa - ei usein ole kovin tehokas menettely tässä tapauksessa. Tilanne voi jopa huonontua varsinkin, jos ilman asian tarkempaa tutkimista vahvisteet lisätäänkin vääriin kohtiin.
Myös staattisissa tilanteissa on rakenteen jäykkyyden lisäämisestä pelkkää haittaa, jos kuormat ovat voimien sijaan todellisuudessa lähinnä pakkosiirtymiä. Seuraavassa on tästä esimerkki, elävästä elämästä. Koneen rakenne ja mitat ovat alla näkyvässä laskentamallissa vain suuntaa-antavia, jotta ongelma ja sen ratkaisu selviävät.
Parikymmentä vuotta sitten tarkasteltavaksi tuli käytössä jo jonkin aikaa ollut puunjalostuslaitoksen saksimallinen porrasnostin, jolla tulevat tukit nostetaan yksitellen kuljetinlinjalta jatkokäsittelylinjalle.
 |
| Porrasnostinta vastaava elementtimalli |
Vaikka rakenne oli alun alkaenkin varsin tukeva ristikkokehärakenne, siihen oli nopeasti ilmestynyt väsymismurtumia, eivätkä lisätyt korjaukset ja vahvistukset olleet parantaneet tilannetta uusien murtumien ilmestyessä uudelleen jonkin ajan kuluttua, usein aivan toiselle puolelle rakennetta, mutta myös vasta vahvistettuun kohtaankin..
Tilanne laskettiin läpi ja todettiin että vaikka alkuperäiseen nostimeen olisi tullut jatkuvasti suurimpia mahdollisia tukkeja nostettaviksi, ei sen olisi pitänyt näistä kuormista vielä väsyä. Tilanne oli kummallinen ja alettiin etsiä muita mahdollisia kuormia, asennusvirheitä, puutteellisia hitsejä jne., mutta mikään ei tuntunut selittävän rakenteen väsymistä.
Lopulta käytiin paikan päällä tarkastelemassa tilannetta porrasnostimen toimiessa, ja mysteeri alkoi selvitä; Porrasnostinta nosti kaksi erillistä, reilusti todellisia kuormia suuremmalle voimalle mitoitettua, kaksisuuntaista hydraulisylinteriä, ja tarkkaan katsoen saattoi huomata, että sylinterit toimivat hieman eri tahdissa keskenään; Toisen sylinterin aloittaessa noston, alkoi toisen sylinterin nosto vasta hieman myöhemmin- ja alas laskeuduttaessa sama ilmiö toistui. Syynä tähän oli hydrauliventtiilien ohjausjärjestely, jota ei voitu muuttaa, ja seurauksena tästä oli se, että koko porrasnostin vääntyi vastakkaisiin suuntiin nostokorvakkeista jokaisella nostosyklillä koko hydrauliikan voiman pakottaessa rakenteen vääntymään vaihe-eron verran.
Koska rakenteesta oli tehty vääntöjäykkä ristikko, tästä seurasi erittäin suuret vaihtuvat voimat ja -jännitykset erityisesti korvakehitsien läheisyydessä ja muuallakin rakenteessa. Kun tämä, todellisuudessa hallitseva väsyttävä kuormasykli huomioitiin, laskennallinenkin rakenteen väsymisikä saatiin vastaamaan varsin hyvin havaintoja.
 |
| Palkkien nimellisjännitykset, kun hs-korvakkeissa (tapit alanurkassa) siirtymäero 10mm. Maksimi 210 MPa. |
Korjaukseksi esitettiin vahvistusten sijaan rakenneristikon muuttamista joustavammaksi väännön suhteen siten, että eri vaiheessa olevien hydraulisylinterien pakkosiirtymistä aiheutuvat jännitykset pysyisivät matalina. Käytännössä tämä toteutettiin poistamalla rakenteen diagonaalisauvat yhdeltä sivulta; Rakenteen jäännöslujuus oli tällöinkin vielä täysin riittävä kantamaan tukkien painon aiheuttamat kuormat myös väsyttävinä.
 |
| Palkkien suurimmat nimellisjännitykset nostolevyjen puoleisten diagonaalien poiston jälkeen enää 50 MPa |
Ilmeisesti korjaus toimi, ainakaan asiaan ei tarvinnut tämän jälkeen enää koskaan palata, mikä on lujuuslaskennassa usein sama asia kuin positiivinen palaute 😏.
PS. Vaikka tämä blogiteksti onkin julkaistu aprillipäivänä, niin tämä tarina on tosi.
Olen opiskellut lujaria suurinpiirtein samaan aikaan kuin Matti, mutta en näitä oppeja ole työelämässä tarvinnut. Hienoa että asiasta pakinoinaan.
VastaaPoistaMuistan innostuneeni murtumismekaniikasta, sääli ettei sitä ole saatu arkikäyttöön. Tietsikkamallinnuksissa on haasteita, jotka eivät tee alasta triviaalia. Todellisuus lyö monesti korville yllättävillä tavoilla ja oikea asiantuntijuus syntyy vasta kokemuksesta.
Voisitko kirjoittaa oman mielipiteesi siitä, oliko saamasi opetus juurikaan hyödyllistä? Itse korvasin Pennalan kirjan teknillisen koulun suunnitteluoppaalla ja harrastehommiin löytyy ilmaisia fem-ohjelmapaketteja 3D-mallintajan kylkeen.
Hei, kiitos kommentista!
VastaaPoistaTyönkuvastani johtuen saamani lujuusopin koulutus oli erittäin hyödyllistä, harva se päivä joudun ottamaan esille Pennalan jo varsin kuluneen perusteoksen, yleensä palkkiteorian taulukoita varten. Sen sijaan varsinainen koulutukseni koskien lentokoneiden aerodynamiikkaa ja rakennesuunnittelua on ollut käytännössä turha minun tapauksessani.
Se mitä varsinkin työurani alkuvaiheessa jäin kaipaamaan oli käytännönläheisempi lähestymistapa insinöörityöhön. Ainakin TKK oli "tiedekorkeakoulu", jossa karkeasti sanottuna koulutettiin tulevia tutkijoita enemmänkin kuin käytännön ongelmia ratkaisevia insinöörejä, vaikka lopulta suuri osa valmistuneista on päätynyt aivan muihin tehtäviin kuin koulutuksen perusteella voisi kuvitella. Monet opiskelukaverit ovat erilaisissa tekniikan alan johtotehtävissä joissa ei usein tarvittaisi välttämättä lainkaan teknistä osaamista, mutta enemmänkin johtaja- ja ihmissuhdetaitoja, joiden suhteen opinnoista ei ole juurikaan hyötyä. Näissä hommissa jopa esimerkiksi killassa tai ylioppilaskunnassa luottamustoimissa oleminen on muutamien seuraamieni kaverien tapauksissa selvästi ollut hyödyllisempää.
Kaikista ei kuitenkaan ole johtajiksi, vaan esimerkiksi teknillisten ongelmien ratkaiseminen on mielenkiintoisempaa, allekirjoittanut tästä esimerkkinä. Teknillisellä puolella saamani "tutkijakoulutus" on hyödyllinen siinä vaiheessa, kun tavanomaiset rutiiniratkaisut eivät enää riitä ja tarvitaan syvällistä käsitystä ongelmien syistä uusien ratkaisujen tekemiseksi. Ennen kuin tälle tasolle päästään, pitäisi kuitenkin osata myös arkipäiväiset rutiiniratkaisut ja menetelmät sekä erilaiset käytännön ratkaisuissa eteentulevat rajoitteet joihin kuitenkin jatkuvasti törmää ja jotka uusissakin ratkaisuissa on koko ajan huomioitava.
Maailma ei ole lainkaan niin steriili, virheetön ja erilaisista käytännön rajoitteista vapaa kuin pelkästään korkeakouluympäristössä teoriaa opiskellessa alkaa helposti kuvitella. Jos aiempaa käytännön työkokemusta alalta tai vielä mieluummin myös alemman asteen käytännönläheisempää koulutusta ei ole kertynyt, voi uudella lujuuslaskijalla ja suunnittelijallakin olla edessä rankka työ opetellessa suurelta osin uusi ajattelutapa tehtäessä käytännön insinöörityötä. Toivottavasti nämäkin blogikirjoitukset vähän auttavat tässä prosessissa!