Search

Väsyminen on noussut maassamme terässiltojen liitoksia mitoittavaksi tekijäksi viime vuosikymmeninä kasvaneiden raskaan liikenteen painojen ja määrien takia. Vanhojen terässiltojen osalta on materiaalin väsyminen johtanut mm. hitsiliitosten säröilyyn ja rakenteiden vaurioitumisiin. Tässä tutkimuksessa on tarkasteltu terässiltojen väsymistä ja käyttöiän laskentamenetelmiä. Julkaisu jakautuu kahteen osaan. Osassa I "Väsymisen analysointi" on käsitelty lähinnä erilaisia väsymislaskentamenetelmiä ja laskettu eri menetelmillä mittaustuloksista käyttöiän arvoja. Osassa II "Kenttämittaukset" on esitelty tehtyjä siltojen mittauksia. Teoriatietoa terässiltojen väsymisestä, väsymislujuuteen vaikuttavista tekijöistä ja väsymisen analysointimenetelmistä on kerätty sekä kotimaisista että ulkomaisista kirjallisuuslähteistä ja laskentaohjeista. Laskentatietoa on sovellettu suomalaisiin olosuhteisiin kuuden tiesillan ja kolmen rautatiesillan kenttämittausten avulla. Erilaisten siltarakenteiden jännitysvaihteluiden kertymämittauksista on saatu melko kattava kuva suomalaisten terässiltojen väsyttävästä kuormituksesta. Mittaustuloksista on laskettu siltojen käyttöiän arvoja lähinnä suomalaisen standardin SFS2378 ja eurooppalaisen esistandardin SFS-ENV 1993-1-1:1992 mukaisin menetelmin. Laskelmilla on saatu kuva suomalaisten siltojen varmuudesta väsymiselle. Vanhoissa, 1950 ja -60 luvuilla suunnitelluissa terässilloissa on useita pääkannattimien detaljeja, joissa varmuus väsymismurtuman suhteen on selvästi alle ohjeissa annetun tason (gm = 1,6). Vilkasliikenteisimmillä teillä havaittiin varmuuden jäävän alle tämän tason myös joillain uudemmilla silloilla. Lopuksi on kehitetty eritasoisia käyttöiän laskentamenetelmiä, jotka perustuvat joko määriteltyyn väsytysajoneuvoon ja väsytysajoneuvojen määrään tai sillalle tehtäviin mittauksiin. Menetelmillä voidaan ottaa huomioon myös sillan väsyttävän kuormituksen muuttuminen sillan elinaikana. Menetelmät vaativat lisäkehitystä varsinkin siltojen mitoitukseen sovellettuna. Kehitystyötä tulisi tehdä väsytysajoneuvon määrittelemiseksi sekä tieosuuksien erilaisten liikennemäärien ottamiseksi huomioon erilaisina väsytysajoneuvojen määrinä. Tutkimuksen yhteydessä on kehitetty myös terässiltojen detaljien FEM-laskentaan perustuvaa väsymisanalyysiä. Vaurioituneiden siltojen osalta on tarkasteltu särön kasvun seurantaa ja tarkastusvälien määrittämistä. Uusien siltojen osalta on selvitetty mm. lujien terästen käytön vaikutusta sillan väsymiseen.

Väsyminen on noussut maassamme terässiltojen liitoksia mitoittavaksi tekijäksi viime vuosikymmeninä kasvaneiden raskaan liikenteen painojen ja määrien takia. Vanhojen terässiltojen osalta on materiaalin väsyminen johtanut mm. hitsiliitosten säröilyyn ja rakenteiden vaurioitumisiin. Tässä tutkimuksessa on tarkasteltu terässiltojen väsymistä ja käyttöiän laskentamenetelmiä. Julkaisu jakautuu kahteen osaan. Osassa I "Väsymisen analysointi" on käsitelty lähinnä erilaisia väsymislaskentamenetelmiä ja laskettu eri menetelmillä mittaustuloksista käyttöiän arvoja. Osassa II "Kenttämittaukset" on esitelty tehtyjä siltojen mittauksia. Teoriatietoa terässiltojen väsymisestä, väsymislujuuteen vaikuttavista tekijöistä ja väsymisen analysointimenetelmistä on kerätty sekä kotimaisista että ulkomaisista kirjallisuuslähteistä ja laskentaohjeista. Laskentatietoa on sovellettu suomalaisiin olosuhteisiin kuuden tiesillan ja kolmen rautatiesillan kenttämittausten avulla. Erilaisten siltarakenteiden jännitysvaihteluiden kertymämittauksista on saatu melko kattava kuva suomalaisten terässiltojen väsyttävästä kuormituksesta. Mittaustuloksista on laskettu siltojen käyttöiän arvoja lähinnä suomalaisen standardin SFS2378 ja eurooppalaisen esistandardin SFS-ENV 1993-1-1:1992 mukaisin menetelmin. Laskelmilla on saatu kuva suomalaisten siltojen varmuudesta väsymiselle. Vanhoissa, 1950 ja -60 luvuilla suunnitelluissa terässilloissa on useita pääkannattimien detaljeja, joissa varmuus väsymismurtuman suhteen on selvästi alle ohjeissa annetun tason (gm = 1,6). Vilkasliikenteisimmillä teillä havaittiin varmuuden jäävän alle tämän tason myös joillain uudemmilla silloilla. Lopuksi on kehitetty eritasoisia käyttöiän laskentamenetelmiä, jotka perustuvat joko määriteltyyn väsytysajoneuvoon ja väsytysajoneuvojen määrään tai sillalle tehtäviin mittauksiin. Menetelmillä voidaan ottaa huomioon myös sillan väsyttävän kuormituksen muuttuminen sillan elinaikana. Menetelmät vaativat lisäkehitystä varsinkin siltojen mitoitukseen sovellettuna. Kehitystyötä tulisi tehdä väsytysajoneuvon määrittelemiseksi sekä tieosuuksien erilaisten liikennemäärien ottamiseksi huomioon erilaisina väsytysajoneuvojen määrinä. Tutkimuksen yhteydessä on kehitetty myös terässiltojen detaljien FEM-laskentaan perustuvaa väsymisanalyysiä. Vaurioituneiden siltojen osalta on tarkasteltu särön kasvun seurantaa ja tarkastusvälien määrittämistä. Uusien siltojen osalta on selvitetty mm. lujien terästen käytön vaikutusta sillan väsymiseen.

Tutkimus on jatkoa aiemmalle korkealujuuksisia teräksiä (HSS-teräksiä) selvitelleelle tutkimukselle. Koko tutkimus on jakaantunut kolmeen osaan: kirjallisuusselvitykseen (tämä julkaisu), pulttiliitoskokeisiin ja avoprofiilien kuormituskokeisiin. Kaikista osa-alueista on laadittu erilliset julkaisut. Korkealujuuksiseksi teräkseksi (HSS-teräs) on katsottu teräs, jonka myötöraja on vähintään 400 MPa. Tutkimuksessa kerattiin koetuloksia kirjallisuudesta. Koetulokset analysoitiin pääasiassa Suomen rakentamismääräyskokoelman (RakMk) ohjeen B7 mukaan. Vertailulaskelmat esitetään liitteissä. Tutkimuksessa arvioitiin ohjeen B7 soveltuvuutta korkealujuuksisille teräksille. Eri maiden normien kannanotot HSS-terästen osalta poikkeavat toisistaan. Eurocode 3:ssa (esistandardi ENV 1993 osa 1.1, liite D) tullaan antamaan HSS-teräksille myötölujuuteen 460 asti erilliset ohjeet, jotka koskevat standardin SFS- EN 10 113 mukaisia teräksiä. Tärkeimmät alueet, joilla tarvitaan lisäselvityksiä ja koetuloksia, ovat avoprofiilitekniikalla valmistetut rakenteet ja niiden detaljit, palotekninen mitoitus, hitsattujen rakenteiden kestävyys ja pistekuormakestävyys. HSS-terästen ja korkelujuuksisten betonien muodostamat liittorakenteet ovat lähes täysin tutkimaton alue. Tarvitaan myös innovatiivista rakennesuunnittelua sellaisten uusien ratkaisujen löytämiseksi, joissa korkeiden lujuuksien tuomia etuja voidaan hyödyntää.

Lujien rakenneterästen käyttö hitsatuissa rakenteissa on selvästi kasvanut viime vuosikymmeninä läntisten teollisuusmaiden ohella myös Suomessa. Lujat rakenneteräkset tarjoavat usein kilpailukykyisen vaihtoehdon matalalujuuksiseen teräkseen verrattuna erityisesti vaativissa käyttösovelluksissa. Yleisin ongelma lujien rakenneterästen hitsauksessa on vedyn aiheuttama kylmähalkeilu, jonka eliminoimiseksi esikuumennuksen käyttö on tehokkaimpia keinoja. Esikuumennus on kuitenkin hitsaavassa valmistuksessa merkittävä kustannustekijä, mm. energia-, laite-, työ- ja läpimenoaikakustannuksina Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää mahdollisuudet vähentyä lujien terästen esikuumennustarvetta ja esikuumennuksen energiankulutusta käyttämällä konventionaalisten lujien rakenneterästen asemesta moderneja, aiempaa paremmin hitsattavia termomekaanisesti valssattuja TMEP-teräksiä. Hankkeessa tukeuduttiin sekä kirjallisuudessa esitettyihin tutkimustuloksiin että laboratoriakokeisiin. Koeohjelmaan sisältyi teräksen kylmähalkeiluherkkyyttä ja esikuumennuksen energiankulutusta mittaavia kokeita. Kytkemällä kylmähalkeilukokeiden ilmoittama esikuumennuslämpötilan aleneminen TMEP-teräksillä vastaavaan muutokseen esikuumennuksen energiankulutuksessa määritettiin säästö energiankulutuksessa ja -kustannuksissa yhtä hirsimetriä kohden sekä vastaava säästöpotentiaali valtakunnallisella tasolla. Todettiin, että esikuumennustarvetta lujien rakenneterästen hitsauksessa voidaan merkittävästi vähentää ottamalla käyttöön uudentyyppisiä tehostetusti vesijäähdytettyjä AeE HT-50- ja suorasammutettuja DQ-T HT-80-lujuusluokan TMEP-teräksiä konventionaalisten normalisoitujen ja nuorrutettujen terästen asemesta. Esikuumennuksen kaikkia kustannustekijöitä voidaan näin alentaa hitsattavan rakenteen valmistuksessa. Tehokkaimmin kokonaisenergiankulutusta vähensivät esikuumennuslämpötilan alentaminen, ainepaksuuden pienentärninen, lämpöhäviöiden eliminoiminen esikuumennuksen aikana sekä hitsausenergian kohottamisen tuoma lisälämpövaikutus. Markoissa mitaten suorat energiakustannukset ja -kustannussäästöt jäivät varsin vaatimattomiksi. Syynä tähän on ennen kaikkea energian halpa hinta Suomessa suhteessa korkeisiin työvoima- ja läpimenoaikakustannuksiin. Suorien energiakustannusten osuus onkin yleensä vain n. 5 % esikuumennuksen kokonaiskustannuksista valmistuksessa lopun 90...95 %:n muodostuessa työ-, laite-ja läpimenoaikakustannuksista. Mikäli säästövaikutuksia lasketaan esikuumennuksen kokonaiskustannuksista koko tuotantoprosessissa, ovatkin saavutettavat säästöt yleensä suoria energiasäästöjä kertaluokkaa suuremmat. Tuntuvia lisäsäästöjä kytkeytyy myös mahdollisuuteen hyödyntää teräksen lisääntynyt lujuus entistä ohuempina ainepaksuuksina. Hitsauksen esikuumennuksen energiansäästökysymykset korostuvat tulevaisuudessa, mikäli lujien terästen käyttövolyymi kasvaa edellisten vuosien tapaan n. 15 %:n vuosivauhtia ja mikäli energian reaalihinta kohoaa eräänä yleiseurooppalaisen ympäristöpolitiikan instrumenttina. Työn tavoitteena haettuja suoria energiansäästöjä lujien terästen hitsauksen esikuumennuksessa pystyttiin osoittamaan vain rajoitetusti. Sen sijaan pyrkimys energiansäästöön hitsauksen esikuumennuksessa johti tässä tutkimuksessa sellaisten huomattavien kustannussäästömahdollisuuksien (sekä välillisten että välittömien) löytymiseen, jotka edelleen voidaan hyödyntää mm. energian käytön tehokkuuden lisääntymisenä koko tuotantoprosessissa.

Lujien rakenneterästen käyttö hitsatuissa rakenteissa on selvästi kasvanut viime vuosikymmeninä läntisten teollisuusmaiden ohella myös Suomessa. Lujat rakenneteräkset tarjoavat usein kilpailukykyisen vaihtoehdon matalalujuuksiseen teräkseen verrattuna erityisesti vaativissa käyttösovelluksissa. Yleisin ongelma lujien rakenneterästen hitsauksessa on vedyn aiheuttama kylmähalkeilu, jonka eliminoimiseksi esikuumennuksen käyttö on tehokkaimpia keinoja. Esikuumennus on kuitenkin hitsaavassa valmistuksessa merkittävä kustannustekijä, mm. energia-, laite-, työ- ja läpimenoaikakustannuksina Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää mahdollisuudet vähentyä lujien terästen esikuumennustarvetta ja esikuumennuksen energiankulutusta käyttämällä konventionaalisten lujien rakenneterästen asemesta moderneja, aiempaa paremmin hitsattavia termomekaanisesti valssattuja TMEP-teräksiä. Hankkeessa tukeuduttiin sekä kirjallisuudessa esitettyihin tutkimustuloksiin että laboratoriakokeisiin. Koeohjelmaan sisältyi teräksen kylmähalkeiluherkkyyttä ja esikuumennuksen energiankulutusta mittaavia kokeita. Kytkemällä kylmähalkeilukokeiden ilmoittama esikuumennuslämpötilan aleneminen TMEP-teräksillä vastaavaan muutokseen esikuumennuksen energiankulutuksessa määritettiin säästö energiankulutuksessa ja -kustannuksissa yhtä hirsimetriä kohden sekä vastaava säästöpotentiaali valtakunnallisella tasolla. Todettiin, että esikuumennustarvetta lujien rakenneterästen hitsauksessa voidaan merkittävästi vähentää ottamalla käyttöön uudentyyppisiä tehostetusti vesijäähdytettyjä AeE HT-50- ja suorasammutettuja DQ-T HT-80-lujuusluokan TMEP-teräksiä konventionaalisten normalisoitujen ja nuorrutettujen terästen asemesta. Esikuumennuksen kaikkia kustannustekijöitä voidaan näin alentaa hitsattavan rakenteen valmistuksessa. Tehokkaimmin kokonaisenergiankulutusta vähensivät esikuumennuslämpötilan alentaminen, ainepaksuuden pienentärninen, lämpöhäviöiden eliminoiminen esikuumennuksen aikana sekä hitsausenergian kohottamisen tuoma lisälämpövaikutus. Markoissa mitaten suorat energiakustannukset ja -kustannussäästöt jäivät varsin vaatimattomiksi. Syynä tähän on ennen kaikkea energian halpa hinta Suomessa suhteessa korkeisiin työvoima- ja läpimenoaikakustannuksiin. Suorien energiakustannusten osuus onkin yleensä vain n. 5 % esikuumennuksen kokonaiskustannuksista valmistuksessa lopun 90...95 %:n muodostuessa työ-, laite-ja läpimenoaikakustannuksista. Mikäli säästövaikutuksia lasketaan esikuumennuksen kokonaiskustannuksista koko tuotantoprosessissa, ovatkin saavutettavat säästöt yleensä suoria energiasäästöjä kertaluokkaa suuremmat. Tuntuvia lisäsäästöjä kytkeytyy myös mahdollisuuteen hyödyntää teräksen lisääntynyt lujuus entistä ohuempina ainepaksuuksina. Hitsauksen esikuumennuksen energiansäästökysymykset korostuvat tulevaisuudessa, mikäli lujien terästen käyttövolyymi kasvaa edellisten vuosien tapaan n. 15 %:n vuosivauhtia ja mikäli energian reaalihinta kohoaa eräänä yleiseurooppalaisen ympäristöpolitiikan instrumenttina. Työn tavoitteena haettuja suoria energiansäästöjä lujien terästen hitsauksen esikuumennuksessa pystyttiin osoittamaan vain rajoitetusti. Sen sijaan pyrkimys energiansäästöön hitsauksen esikuumennuksessa johti tässä tutkimuksessa sellaisten huomattavien kustannussäästömahdollisuuksien (sekä välillisten että välittömien) löytymiseen, jotka edelleen voidaan hyödyntää mm. energian käytön tehokkuuden lisääntymisenä koko tuotantoprosessissa.

Katodisen suojauksen vaikutus teräksen väsymiseen on osoittautunut vaihtelevaksi. Suunnittelunormit ovat joissain tapauksissa liian optimistisia olettaessaan väsyttävästi kuormitetun, katodisesti suojatun teräksen olevan verrattavissa ilmassa väsyvään teräkseen. Rakenteen käyttöympäristö tulisi ottaa suunnittelussa tarkemmin huomioon. Nopeutetusti jäähdytetyn mikroseostetun offshore-teräksen väsymistä tutkittiin ilmassa ja merivedessä eri suojauspotentiaaleilla. Ilmassa suoritettujen väsytyskokeiden tulokset olivat lähes samanlaisia kuin kirjallisuudessa rakenneteräkselle esitetyt keskiarvotulokset. Merivesi kiihdytti huomattavasti särönkasvua. Myös katodisesti suojatuissa koesauvoissa särönkasvu oli nopeampaa kuin ilmassa. Katodisesti suojattujen koesauvojen potentiaalia mitattiin väsytyskokeiden aikana eri menetelmin. Potentiaali särön kärjessä oli väsytyskokeiden aikana koko ajan anodisempi kuin koesauvan ulkopinnan potentiaali (suojauspotentiaali). Katodisen suojauksen vaikutuksesta säröön muodostui kalkkisakkaumia, jotka hidastivat särönkasvua jännitysintensiteettitekijän vaihtelun (AK) ollessa pieni.

Tutkimuksessa on kerätty koetuloksia rakenteista, joissa on käytetty korkealujuuksisia teräksiä. Korkealujunksiseksi teräkseksi on katsottu teräs, jonka myötäraja on vähintään 400 MPa. Nämä koetulokset (lähes 300) on analysoitu Suomen uuden teräsrakenteita koskevan ohjeen B7 mukaisesti. Tutkimuksessa on arvioitu ohjeen B7 soveltuvuutta korkealujuuksisille teräksille. Niiltä alueilta, joilta koetuloksia on käytettävissä (esim. puristetut I-profiilit ja kotelot), näyttävät ohjeen B7 mukaiset laskentamenetelmät yleensä antavan varmalla puolen olevia tuloksia. Taivutettujen palkkien (myös hybridipalkit) osalta ohjetta B7 voitaneen soveltaa, kunhan mitoituksessa ei mennä plastiselle alueelle. Eri maiden normien kannanotot korkealujuuksisten terästen laskentamenetelmistä poikkeavat oleellisesti toisistaan. Tärkeimmät alueet, joilta tarvitaan lisäselvityksiä ja koetuloksia, ovat staattisesti kuormitettujen liitosten mitoitus, avoprofiilitekniikka, palotekninen mitoitus, pistekuormakestävyys, liittorakenteet ja plastisuusteorian käyttömahdollisuus.

Katodisen suojauksen vaikutus teräksen väsymiseen on osoittautunut vaihtelevaksi. Suunnittelunormit ovat joissain tapauksissa liian optimistisia olettaessaan väsyttävästi kuormitetun, katodisesti suojatun teräksen olevan verrattavissa ilmassa väsyvään teräkseen. Rakenteen käyttöympäristö tulisi ottaa suunnittelussa tarkemmin huomioon. Nopeutetusti jäähdytetyn mikroseostetun offshore-teräksen väsymistä tutkittiin ilmassa ja merivedessä eri suojauspotentiaaleilla. Ilmassa suoritettujen väsytyskokeiden tulokset olivat lähes samanlaisia kuin kirjallisuudessa rakenneteräkselle esitetyt keskiarvotulokset. Merivesi kiihdytti huomattavasti särönkasvua. Myös katodisesti suojatuissa koesauvoissa särönkasvu oli nopeampaa kuin ilmassa. Katodisesti suojattujen koesauvojen potentiaalia mitattiin väsytyskokeiden aikana eri menetelmin. Potentiaali särön kärjessä oli väsytyskokeiden aikana koko ajan anodisempi kuin koesauvan ulkopinnan potentiaali (suojauspotentiaali). Katodisen suojauksen vaikutuksesta säröön muodostui kalkkisakkaumia, jotka hidastivat särönkasvua jännitysintensiteettitekijän vaihtelun (AK) ollessa pieni.

Tutkimuksessa on kerätty koetuloksia rakenteista, joissa on käytetty korkealujuuksisia teräksiä. Korkealujunksiseksi teräkseksi on katsottu teräs, jonka myötäraja on vähintään 400 MPa. Nämä koetulokset (lähes 300) on analysoitu Suomen uuden teräsrakenteita koskevan ohjeen B7 mukaisesti. Tutkimuksessa on arvioitu ohjeen B7 soveltuvuutta korkealujuuksisille teräksille. Niiltä alueilta, joilta koetuloksia on käytettävissä (esim. puristetut I-profiilit ja kotelot), näyttävät ohjeen B7 mukaiset laskentamenetelmät yleensä antavan varmalla puolen olevia tuloksia. Taivutettujen palkkien (myös hybridipalkit) osalta ohjetta B7 voitaneen soveltaa, kunhan mitoituksessa ei mennä plastiselle alueelle. Eri maiden normien kannanotot korkealujuuksisten terästen laskentamenetelmistä poikkeavat oleellisesti toisistaan. Tärkeimmät alueet, joilta tarvitaan lisäselvityksiä ja koetuloksia, ovat staattisesti kuormitettujen liitosten mitoitus, avoprofiilitekniikka, palotekninen mitoitus, pistekuormakestävyys, liittorakenteet ja plastisuusteorian käyttömahdollisuus.