Laatu ja tarkoituksenmukaiset mitoitusmenetelmät ovat hitsattujen ultralujien teräsrakenteiden menestystekijöitä

Energiatehokkaat ja vähähiiliset ratkaisut ovat keskeisessä osassa kestävää tulevaisuutta rakennettaessa. Koneenrakennuksessa kevyet mutta kestävät rakenneratkaisut ovat merkittävä osatekijä suunniteltaessa energiatehokkaita ja ympäristöystävällisiä ratkaisuja. LUT-yliopistossa tarkastettavassa väitöstutkimuksessa kehitettiin edistyksellinen väsymislaskentamenetelmä ultralujien teräsrakenteiden elinkaaren arviointiin.

Teräs on ominaisuuksiltaan, kustannuksiltaan ja kierrätettävyydeltään erinomainen rakennemateriaali ja siksi laajalti käytetty. Lujat ja ultralujat rakenneteräkset tarjoavat suuremman kapasiteetin verrattuna perinteisiin teräksiin. Tämä mahdollistaa rakenteiden keventämisen ja hyötykuormien kasvattamisen, ja pienentää tarvetta terästuotannolle.

"Tyypillisiä käyttökohteita lujille teräksille ovat liikkuvat työkoneet, nosturit ja nostolaitteet sekä kuljetuskalusto. Näissä kaikissa rakenteen oma paino tulisi minimoida ja hyötykuorma maksimoida", kertoo LUT-yliopiston tutkija Antti Ahola.

Ahola kertoo, että lujien ja ultralujien rakenneterästen haasteet liittyvät jäykkyyteen, muodonmuutoskapasiteettiin, lujuuden säilyttämiseen liitoskomponenteissa sekä väsymislujuuteen hitsatuissa liitoksissa. "Materiaalin lujuus ei lisää sen jäykkyyttä, eikä suurempi lujuus myöskään oletusarvoisesti paranna hitsattujen komponenttien väsymislujuutta. Oikeanlaisilla rakenneratkaisuilla ja suunnittelulla jäykkyyteen ja materiaaliominaisuuksiin liittyvät haasteet voidaan kuitenkin voittaa."

Hitsattujen rakenteiden laadukas valmistaminen ja tehokkaat jälkikäsittelymenetelmät ovat keskeisiä keinoja väsymislujuuden ja sitä kautta rakenteiden elinkaaren hallitsemiseksi. Ahola näkee, että suomalaisilla konepajoilla on tähän hyvät edellytykset, sillä yleinen tuotannon laatu on kansainvälisesti korkealla tasolla.

Aholan väitöstutkimus tarkasteli lopputuotteiden laadun kannalta keskeisiä väsymismitoitusmenetelmiä. Tutkimuksessa kehitettiin edistyksellisiä väsymislaskentamenetelmiä, joiden avulla pienahitsattujen ja ultralujasta teräksestä valmistettujen liitosten väsymislujuutta ja sitä kautta elinkaarta voidaan arvioida aiempaa monipuolisemmin ja tarkemmin.

Väitöstutkimuksessa on jatkokehitetty 4R-menetelmäksi nimettyä väsymismitoitusmenetelmää, jonka avulla hitsatun rakenteen laatua kuvaavat parametrit ja väsyttävän kuormituksen jännityskomponentit voidaan aiempaa paremmin ottaa huomioon kvantitatiivisesti hitsattuja liitoksia mitoitettaessa.

"Perinteisesti väsymismitoituksessa on noudatettu laadullisia kriteerejä, esimerkiksi asteikolla normaali-hyvä-paras laatu, ja niiden mukaisia korjauskertoimia mitoitusyhtälöissä. Kun suunnittelu- ja mitoitusparametrit pystytään nykyaikaisten mittausteknologioiden ja laadunvarmistuksen avulla varmentamaan, saadaan väsymiskestoikälaskentaan lisää tarkkuutta ja ennustettavuutta, rakenteen luotettavuutta unohtamatta."

Osana tutkimusta on myös laadittu insinööritason mitoitusohjeita esimerkiksi pienahitsien juuresta alkavaan väsymiseen taivutuskuormituksessa. Mitoitukset pyritään viemään myös osaksi yleiseurooppalaista teräsrakenteiden suunnittelua ohjaavaa Eurokoodi 3 -standardia.

Antti Aholan väitöskirja tarkastetaan LUT-yliopistossa 4.12.2020.

Väitöskirja on sähköisesti luettavissa LUT-yliopiston LUTPub-tietokannassa osoitteessa http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-335-595-8 

Lisätietoja:

Antti Ahola, nuorempi tutkija, 050 475 2825, Antti.Ahola@lut.fi