Metallirakentamisen tutkimuskeskus

Käynnissä olevat tutkimukset

Komponenttimenetelmä 3D kuormituksessa

Koekappale laboratorion lattialla sen jälkeen, kun se on kantanut neljän 10 tonnin painoisen rekan verran kuormaa vinossa taivutuskokeessa.

Rakenteiden käyttökelpoisuuden osoittaminen laskelmin ei ole läheskään aina tehtävissä rakennesuunnittelua ohjaavan standardin mukaisesti. Tämä koskee erityisesti liitosten suunnittelua, jossa vain vähän tavallisesta poikkeavat ratkaisut saattavat olla normin sovellusalueen ulkopuolella. Normeissa annetut laskentamenetelmät tai mitoitusohjeet eivät ulotu usein myöskään tapauksiin, jossa rakenneosien liitosta ja siihen kohdistuvaa kuormitusta ei voida hyväksyttävällä tarkkuudella kuvata yksinkertaistetun tasomallin avulla. Tämä koskee myös teräs- ja alumiinirakenteiden liitosten mitoitusohjeita.

Tutkimuksessa tarkastellaan teräs- ja alumiinirakenteiden päätylevyllisiä pulttiliitoksia, joiden analysointia ja mitoitusta varten Euronormeissa EC3 (teräkselle) ja EC9 (alumiinille) esitetään ns. komponenttimenetelmä. Menetelmässä on ensin tunnistettava liitoksen sisäiset komponentit, joiden yhdistelynä varsinainen liitosmalli syntyy. Normin mallilla kuvataan päätylevyliitoksen toimintaa tasossa, kun siihen kohdistuu vahvan suunnan taivutus ja/tai aksiaalinen kuormitus. Menetelmän käyttöä taivutusmomentin ja aksiaalisen voiman yhdistelmille rajataan normissa tietyin ehdoin.

Tutkimuksen tavoitteena on kehittää komponenttimenetelmää siten, että komponentteihin jaetun liitoksen malli yleistetään jäykkien linkkien avulla kolmiulotteiseksi mekaaniseksi malliksi, jota nimitetään haravaksi. Se kykenee ottamaan vastaan kaksiakselista taivutusta (ja aksiaalista voimaa). Jos siis komponenttien käyttäytyminen vedettynä ja puristettuna tunnetaan, niin mallin avulla voidaan periaatteessa määrittää haravan kestävyys ja jäykkyys mielivaltaisessa suunnassa vaikuttavalle taivutukselle.

Vuosien 2010 ja 2011 aikana tehtiin ja tehdään koesarjat alumiinista (6 koetta) ja teräksestä (12 koetta) valmistetuille putkipalkkien päätylevyllisille jatkosliitoksille, joiden avulla komponenttimenetelmän soveltuvuutta kolmiulotteiseen liitosmallinnukseen tutkitaan. Kokeissa liitoksia kuormittaa vino tai heikon suunnan taivutus. Lisäksi kaksi teräsliitosta koestettiin vinon suunnan taivutukselle palo-olosuhteissa. Vinon- ja heikon suunnan taivutuskokeet huoneenlämpötilassa tehtiin Seinäjoen ammattikorkeakoulun Rakennustekniikan koehallissa Törnävällä ja palokokeet TTY:n Rakennustekniikan koehallissa Hervannassa. Vuonna 2008 toteutettiin edeltävä koesarja (9 koetta) vastaaville liitoksille vahvan suunnan taivutuksessa. Edellä mainittujen kokeiden yhteismäärä on 29 kappaletta. Luonteeltaan vinon suunnan taivutuskokeet ovat pilottikokeita, jollaisista ei alan kirjallisuudesta ole löytynyt.

Rakenteiden vasteen tarkkaan laskentaan soveltuvat numeeriset analysointimenetelmät tarjoavat yhdessä kokeiden kanssa liitosmallien tutkimuksessa tarvittavat keinot. Kokeiden ja kokeiden tukeman numeerisen analyysin tuloksia voidaan verrata komponenttimenetelmällä saatuihin tuloksiin, joiden kykyä ennustaa liitosten vastetta voidaan näin arvioida. Meneillään olevan tutkimuksen käytännöllinen tavoite onkin saada alustava kuva komponenttimenetelmään perustuvan haravamallin soveltuvuudesta kolmiulotteisten liitosmallien laskentaan. 3D liitosmallin (haravan) mahdolliseen verifiointiin normikelpoiseksi laskentamenetelmäksi on vielä pitkä matka ja se edellyttää paljon laajempaa kokeellista aineistoa tuekseen kuin nyt tehtävät kokeet voivat antaa.