Page 9 - SHY2012

Basic HTML Version

1/2008
[ www.shy-hitsaus.net ]
7
Hiljattain päättyneessä yhteiseu-
rooppalaisessa tutkimusprojektissa
tuotettiin ja testattiin laaja koesarja
kolmea eri kennotyyppiä, jotka val-
mistettiin laserhitsaamalla austeniit-
tisesta ruostumattomasta teräksestä.
Kennoille tehtiin kattava mekaanisen
testauksen koeohjelma, joka sisälsi
tai-vutuskokeita sekä tasaisella kuor-
mituksella että nelipistetaivutuskuor-
mituksessa täysikokoisille 2,5m
2
ken-
noille, ja väsytys- ja törmäyskokeita
pienemmille kennonäytteille. Lisäksi
valmistettiin yksi liimattu kenno ja
täytettiin yksi laserhitsattu kenno
polyuretaanivaahdolla ominaisuuksi-
en vertailua varten.
Kaikki kennotyypit täyttivät niille asetetut
vaatimukset staattisen ja väsyttävän kuor-
mituksen osalta – törmäyskestävyydelle ei
asetettu ennakkokriteereitä. Kun kennon
kokonaispaksuus ja pintalevyjen aineenpak-
suudet on määritelty keskenään samanlai-
seksi, eri kennotyyppien, niissä käytettävien
materiaalien lujuuksien tai valmistusmene-
telmien välillä ei ole merkittäviä eroja. Tä-
mä johtuu siitä, että tässä tapauksessa
kennot mitoitettiin jäykkyyden, ts. sallitun
maksimitai-puman, eikä äärikuorman mu-
kaan. Eri rakenneratkaisujen tai materiaalien
lujuuksien väliset erot näkyvät selvästi vasta
sellaisilla kuormituksilla, jotka ovat monin-
ker taisia mitoituslähtökohtiin verrattuna –
törmäyksenkestoa mahdollisesti lukuunot-
tamatta. Tämän vuoksi kennotyypin valin-ta
perustuukin tällaisessa tapauksessa muihin
seikkoihin kuin äärilujuuteen, esimerkiksi
paino-optimointiin, valmistusystävällisyyteen
ja -kustannuksiin, tai ulkonäköön.
Tässä artikkelissa kuvattu työ tehtiin vuosina
2002 – 2005 Euroopan hiili- ja teräsyhtei-
sön tutki-musrahoituksella projektissa “De-
Lujat ruostumattomat
kennorakenteet kuljetus-
väline-sovelluksissa
Mika Siren ja Jukka Säynäjäkangas
velopment of lightweight train and metro
cars by using ultra high strength stainless
steels (DOLTRAC)”, ECSC projektisopimus
no. 7210-PR-363. Koko projektin tulokset
on rapor toitu lähteessä /1/.
Taustaa
Metallikennorakenteiden suurin etu perintei-
sempiin levyrakenteisiin nähden on niiden
hyvä lujuus/paino- tai jäykkyys/paino -suhde.
Tämä saavutetaan kasvattamalla rakenteen
näennäistä paksuutta, ts. suurentamalla
rakenteen kuormaa kantavien ulkopintojen
välistä etäisyyttä, mikä lisää huomattavasti
kennon taivutusjäykkyyttä ja kuormankan-
tokykyä. Optimaalisessa kennorakenteessa
sen ydin siir tää mahdollisimman tehokkaasti
kuormia pintojen välillä, mutta lisää samalla
mahdollisimman vähän kennon painoa. Näin
oikein suunnitellun kennorakenteen paino voi
jäädä mur to-osaan umpilevyrakenteesta.
Metallikennoilla on myös omat haittapuo-
lensa, tai pikemminkin rajoitteensa. En-
sinnäkin, laajojen hitsattujen rakenteiden,
joiden poikkileikkaus on suljettu, valmista-
minen edellyttää avaimenreikätekniikkaa eli
käytännössä laserhitsauksen käyttämistä,
mikä puolestaan on hyvin pääomavaltaista.
Laitteistojen alkuinvestointi on niin suuri,
että se puoltaa kennojen vakiointia riittä-
vien valmistusvolyymien saavuttamiseksi,
tai suosii erikoistuneiden alihankkijoiden
käyttöä. Onneksi etenkin Suomessa alan
alihankintakapasiteettia on saatavilla. Toinen
teräskennorakenteiden käytössä huomioon
otettava seikka on jatkuvilla putkipalkki- tai
levyprofiiliytimillä toteutettujen kennojen
erilaiset lujuus- ja jäykkyysominaisuudet
ytimien suuntaan ja niitä vastaan kohtisuo-
raan. Kolmantena seikkana soveltamiseen
vaikuttavat usein tar vittavat aukotukset,
läpiviennit yms., jotka katkaisevat helposti
muuten jatkuvan ytimen ja vaikuttavat siten
kennon raken-teellisiin ominaisuuksiin. Ihan-
teellisimman käyttötarkoituksen metalliken-
norakenteille tarjoavatkin sovellukset, joissa
tarvitaan suuria kokonaispinta-aloja suoria
kennoja, joissa on vain vähän tai ei lainkaan
aukotuksia tai läpivientejä. Näin voidaan val-
mistaa optimaalisen keveitä rakenteita mah-
dollisimman edullisin yksikkökustannuksin.
Kuljetusvälineteollisuudessa tällaisia sovel-
luskohteita voivat olla mm. kiskokaluston
vaunujen lattiarakenteet.
Materiaalit
Projektin lähtökohtana metallikennoraken-
teiden suunnittelulle ja mitoitukselle olivat
osallistujien markkinoille tuomat uudehkot
austeniittisten ruostumattomien terästen ke-
hitysversiot EN 1.4318 (AISI 301 LN) sekä
”304 SP”, joka on EN 1.4301:stä (AISI 304)
edelleen kehitetty versio. EN 1.4318:lle on
tyypillistä suuri muokkauslujittumistaipumus,
ts. sillä voidaan saavuttaa korkeita lujuus-
tasoja verrattain pienellä kylmämuokkaus-
asteella, projektissa materiaalia käytettiin
C850- ja C1000-mur tolujuusluokissa. 304
SP:llä puolestaan on vakiolaatua huomat-
tavasti parempi pistekorroosionkestävyys,
mikä on saatu aikaan alentamalla Mn- ja
S-pitoisuuksia ja korottamalla Mo- ja N-pi-
toisuuksia.
Kennojen suunnittelu
Projektin teollinen tukir yhmä määritteli mi-
toituksen lähtökohdaksi tasaisen staattisen
kuorman 480 kg/m
2
, minkä lisäksi kennoon
kohdistuu 1,5 kN:n paikallinen pistekuorma.
Kuormitus vas-taa metrovaunun lattian staat-
tista mitoituskuormaa. Tällä kuormituksella
kenno sai taipua korkeintaan L/300, mis-
sä L on kennon tukiväli. Myös väsymiselle
määritettiin oma kuormitustilanteensa ja sitä
vastaava kestoikäkriteeri, mutta törmäyskes-
tävyydelle ei asetettu ennakkotavoittei-ta.
Suunnittelun tavoitteena oli maksimoida
1,25 m leveän kennon kuormankantokyky ja
samalla minimoida kennon paino optimoimal-
la neljälle eri kennotyypille käytettävien mate-