1. No category

TERÄSRAKENTEET 1 T512703
1. YLEISTÄ
1.1 TERÄSRAKENTAMISEN HISTORIAA
Metalli alkoi korvata perinteisiä materiaaleja (puu, tiili, kivi) 1700luvulla. 1800-luvulla tapahtuneeseen kehitykseen johtivat seuraavanlaiset
syyt:
1. Raudan jalostamiseen liittyvät keksinnöt tekivät mahdolliseksi
riittävän laajan ja edullisen teräksen tuotannon.
2. Metallirakenteiden rationaalinen suunnittelu tuli mahdolliseksi
rakenteiden mekaniikan kehittymisen myötä.
3. Aloitettiin järjestelmällinen insinöörikoulutus.
4. Rautatielaitosten perustaminen aiheutti laajan sillanrakennus
tarpeen.
1700-luvun alkupuolelle asti käytettiin valurautaa, jota pidettiin hauraana
ja epäluotettavana. 1700-luvun lopulla alkoi takoraudan eli ”keittoraudan”
valmistus. Kun samalla kehittyi takomisen korvaava valssaustekniikka,
voitiin valmistaa rakenteissa tarvittavia tankoja ja levyjä. Takorauta oli
sitkeää ja sopi sellaisen myös vetojännityksen alaisiin rakenteisiin.
Bessemer korvasi lieskauunimellotuksen konvertterilla 1855. Siinä mellotus tapahtui puhaltamalla ilmaa sulan raudan läpi. Tämä tapahtuma oli
alkuna edullisen teräksen laajamittaiselle tuotannolle ja käytölle
rakenteiden materiaalina.
Liittämistekniikan kehitys:
- valssaustuotteista koottiin niittaamalla palkkiprofiileja
- suuremmat palkkiprofiilit niitattiin levyistä ja leveälaattatangoista
kulmateräksiä käyttäen
- suuret puristussauvat koottiin kahdesta U-tangosta kytkemällä ne
yhteen niitatuin sidelevyin tai muodostamalla niistä kotelo kahden
leveälaattatangon avulla
- niittiliitokset on myöhemmin korvattu ruuvi- ja kitkaliitoksin
- kaarihitsaus kehittyi 1920- ja 1930 luvuilla
- hitsaus käytettiin pitkään vain niittien korvikkeena
- hitsattujen liitosten ongelmana sitkeyden puute
- hitsattuun liitokseen liittyvät geometriset viat, metallurgiset muutokset ja jäännösjännitykset
- vaatii suurta ammattitaitoa ja laadunvarmistusta
- muita haittoja vähäinen dynaaminen vaimennus ja integroitu rakenne, jossa liikkeelle lähtenyt murtuminen ei helposti pysähdy
Rakenteiden mekaniikan kehitys:
- 1700-luvulle asti pohjautui ’perittyyn’ ammattitaitoon
- Simon Stevin (holl.) keksi voimakolmion 1600-luvun alussa
- Galileo Galilei tutki 1500- ja 1600-lukujen vaihteessa vedetyn
sauvan, ulokepalkin ja kaksitukisen palkin kantokykyä
- Robert Hooke havaitsi 1600-luvun loppupuolella rakenteen
siirtymän ja sen kuormituksen välillä vallinneen lineaarisen
riippuvuuden
- Bernoulli esitti 1660 teknillisen taivutusteorian perusteena olevan
lauseen: poikkileikkaustasot säilyvät taivutuksessa tasoina
- Augustin Cauchy esitti 1822 murtolujuuden käsitteen
- Cauchy sovelsi oivallustaan materiaalialkion jännitystilan kuvaamiseen
- Louis Navierilta 1800-luvun alussa ratkaisu palkin
taivutusmomentin ja käyristyssäteen väliselle riippuvuudelle
- Saint-Venant otti 1800-luvulla ensimmäisenä huomioon palkin leikkausjännitykset, sekä esitti idean palkin taivutusjännitysten epälineaarisesta jakaantumisesta myötörajan yli kuormitetussa tilassa
- Culmann ja Mohr esittivät 1800-luvulla graafisen statiikan menetelmiä ristikkosiltojen suunnitteluun
1.2 TERÄSRAKENTEIDEN KÄYTTÖ
Yleisesti käytetty:
Talonrakennusalalla:
- (yksikerroksiset) teollisuusrakennukset,
varastot ja vastaavat, joissa pitkät
jännemitat ovat oleellisia
- korkeat pilvenpiirtäjät, joissa
runkorakenteen painon merkitys
kuormituksista on merkittävä
- nykyisin myös merkittävässä määrin liike- ja toimistorakennuksissa, jopa asuinrakennuksissa (palomääräykset ja palomitoitus
kehittyneet)
Sillanrakennuksessa:
- vesistösiltoina tieliikenteessä
- vesistösiltoina
rautatieliikenteessä
- risteyssillat eritasoristeyksissä
- kevyen liikenteen sillat
- tyyppeinä palkkisillat (alle
150m), vinoköysisillat (alle
300m), riippusillat (alle
1500m), kaarisillat ja
ristikkosillat
- lisäksi liittopalkkisillat
Vesirakennusala:
- kanavien sulkuportit
- patojen tulva- ja säännöstelyluukut
- uittokourujen rakenteet
- vesiturpiinien tulo- js imuputket sulkuluukkuineen
Kuljetus-, siirto ja varastointitekniikan teräsrakenteita
- nosturit rakennustyömailla, konepajoissa, voimalaitoksissa,
prosessiteollisuudessa, telakoilla, satamissa ja lastauslaitureilla
- jatkuvatoimisia laitteita massatavaran käsittelyyn
- kuljetinsillat, putkisillat prosessiteollisuudessa, voimalaitoksilla ja
satamissa
- korkeavarastoissa hyllyt, siilot
Pohjarakennuksessa:
- teräspaalut
- ponttiseinät
Lisäksi:
- säiliöt ja siilot
- mastot , pylväät ja liikenneopasteet
- majakat ja merimerkit
- energiatuotannossa prosessi- ja kemian teollissuudessa on runsaasti
erilaisia laitteita ja niiden kannatusrakenteita, joiden rakennusaineena käytetään terästä
- mainittakoon vielä meritekniikan teräsrakenteet
2. RAKENNETERÄKSET
2.1 YLEISTÄ
Teräs rakenneaineista noudattaa ehkäpä lähimmin lujuusopista ja rakenteiden mekaniikasta tunnettuja lainalaisuuksia. Erityispiirteenä teräsrakenteiden suunnittelussa on suuri lujuus, joka mahdollistaa ohuet, hoikat
rakenteet. Tällöin mitoituksessa on kiinnitettävä erityistä huomiota stabiiliuteen, palkkien ns. kiepahdukseen sekä puristettujen sauvojen, pilarien,
nurjahduksiin. Myös paikallinen epästabiiliusilmiö, lommahdus, muodostuu esimerkiksi palkeissa tärkeäksi huomioonotettavaksi seikaksi.
Teräksen muuten isotrooppisista ominaisuuksista huolimatta sitä rasittaa
valssausta vastaan kohtisuorassa suunnassa sitkeyden puute. Tämä aiheutuu teräsaihion sisältämien sulfidisulkeumien litistymisestä pinnan suuntaisiksi lamelleiksi, joista aiheutuu ns. lamellirepeämisen vaara vedettäessä
terästä valssausta vastaan kohtisuorassa suunnassa.
Valmistuksen, lujuus- ja muodonmuutos-, sekä muiden mm. hitsattavuus-,
lämpökäsittely- ja iskusitkeysominaisuuksien osalta nojataan opintojakson
Materiaalitekniikka sisältöön.
2.2 RAKENNETERÄSTUOTTEET
2.2.1 Teräslajit
Standardi EN 1993-1-1 koskee teräsrakenteiden suunnittelua, kun
rakenteet valmistetaan taulukon 3.1 mukaisista teräslajeista.
Taulukossa olevat Euronormia vastaavat SFS-standardit:
- EN 10025-1 vastaa SFS-EN 10025-1: Kuumavalssatut rakenneteräkset. Osa 1:Yleiset tekniset toimitusehdot.
- EN 10025-2 vastaa SFS-EN 10025-2: Kuumavalssatut rakenneteräkset. Osa 2: Seostamattomat rakenneteräkset. Tekniset toimitusehdot.
- EN 10025-3 vastaa SFS-EN 10025-3: Kuumavalssatut rakenneteräkset. Osa 3: Normalisoidut ja normalisointivalssatut hitsattavat
hienoraeteräkset. Tekniset toimitusehdot.
- EN 10025-4 vastaa SFS-EN 10025-4: Kuumavalssatut rakenneteräkset. Osa 4: Termomekaanisesti valssatut hitsattavat hienoraeteräkset. Tekniset toimitusehdot.
- EN 10025-5 vastaa SFS-EN 10025-5: Kuumavalssatut rakenneteräkset. Osa 5: Ilmastokorroosiota kestävät rakenneteräkset. Tekniset toimitusehdot.
- EN 10025-6 vastaa SFS-EN 10025-6 Kuumavalssatut rakenneteräkset. Osa 6: Nuorrutetut lujat levytuotteet. Tekniset toimitusehdot.
(Laatuluokille N ja M iskusitkeyden testauslämpötila -20 ºC ja luokille NL
ja ML se on -50 ºC.)
- EN 10210-1 vastaa SFS-EN 10210-1: Kuumamuovatut seostamattomat rakenne- ja hienoraerakenneteräsputkipalkit. Osa 1:
Tekniset toimitusehdot
- EN 10219-1 vastaa SFS-EN 10219-1: Kylmämuovatut hitsatut
seostamattomat rakenne- ja hienoraerakenneteräsputkipalkit. Osa 1:
Tekniset toimitusehdot
Kansallisen liitteen mukaan voidaan käyttää lisäksi teräslajeja:
- SFS-EN 10149-2 mukaiset teräslajit S315MC, S355MC, S420MC
ja S460MC
- SFS-EN 10149-3 mukaiset teräslajit S260NC, S315NC, S355NC ja
S420NC
- niitä teräslajeja, joille on voimassa oleva tuotehyväksyntä, jossa
viitataan standardin SFS-EN 1993-1-1 kansallisen liitteen kohtaan
3.1(2) ja todetaan ko. teräslajin soveltuvan SFS-EN 1993-1-1
mukaan käytettäväksi
2.2.2 Kuumavalssatut levyt
- teräksen perustuote
- kokonaisena suurissa kohteissa laivan- ja sillanrakennuksessa tai
vastaavanlaisissa suurissa rakenteissa
- paksuus n. 3-5 mm:n paksuudesta jopa 100 mm:n paksuuteen
- nykyaikaisilla valssauslaitteistoilla yli 3000 mm:n leveyteen
- ohuemmat levyt voidaan toimittaa myös rullina
- saatavissa myös pintakäsiteltyinä esimerkiksi hiekkapuhallettuna ja
suojamaalattuna
- standardeissa on tarkat tiedot levyihin liittyvistä mittatoleransseista
yms. määräyksistä
2.2.3 Kuumavalssatut muototangot
- levyjen ohella yleisimmin tunnettu teräksen käyttömuoto
- kantavissa rakenteissa ja monissa muissa teräksen käyttökohteissa
- poikkileikkausmuodon mukaan jaotellaan tankomaisiin tuotteisiin,
palkkimaisiin tuotteisiin ja rajatapauksina putkista (tavallisesti
erotetaan omaksi ryhmäksi putkipalkeiksi)
- tankoina pyöreät, neliö- ja suorakaidetangot, tasa- ja erikylkiset
kulmaterästangot, sekä T- ja Z-tangot
- palkkeina erilaisten I-palkkien lisäksi U (tai E:n) muotoiset tangot
- INP- ja UNP- palkkien laipat eivät ole tasapaksuja
- INP korvattu kapealaippaisella IPE-profiililla
- tavallisimmat ja helpoiten saatavilla olevat ovat Euronormien
mukaiset HE –profiilit, HE-A kevein, HE-M raskain
- lisäksi erikoisprofiileja esimerkiksi teräsponttilankut ja ratakiskot
2.2.4 Putket ja putkipalkit
-
käyttö yleistynyt hitsausliitosten myötä
suljettu, putkimainen profiili lujuusopillisesti erinomainen
ristikkorakenteisiin ja pilareihin, joissa nurjahdusvaaraa
korroosiosuojauksen suhteen edullisia
saumattomia ja hitsattuja
raaka-aineena normaaleja rakenneteräslajeja sekä myös säänkestäviäteräslajeja
- kokoja eri valmistajilla kokoluokkaan 400x400 mm² saakka
2.2.5 Hitsatut teräspalkit
- hitsaustekniikan kehittyminen nykytasolle mahdollistanut kilpailukykyisen hitsattujen profiilien valmistamisen kuumavalssattujen
rinnalle
- etuna poikkileikkauksen vapaa muotoilu, sekä palkin korkeuden
muuttaminen pituussuunnassa (harjapalkit)
- välipohjapalkkeina hitsatut kotelopalkit valssattuja palkkeja kilpailukykyisempiä, varsinkin ontelolaattojen kanssa käytettävinä
- esimerkkeinä hitsatuista kotelopalkeista mainittakoon HQ-palkki ja
Delta-palkki
Hitsattuja profiileja
2.2.6 Kylmämuovatut profiilit
- keveitä profiileja esimerkiksi katto- ja seinäorsiksi sekä erilaisiksi
johteiksi
- erilaiset rei’itykset ja loveamiset sekä katkaisu määrämittaiseksi
voidaan tehdä valmistuksen yhteydessä
- profiilit mahdollista saada myös sinkitittynä ja/tai muovipinnoitettuna
- huono puoli ohuesta materiaalista tehdyn avoimen profiilin pieni
vääntöjäykkyys (suunnittelu ja mitoituskin suuritöisempää)
- jaetaan kahteen pääryhmään; vakio- eli varastoprofiileihin ja
asiakasprofiileihin
- valmistus särmäyskoneella tai puristimella, jolloin profiilin pituus
rajoitettu, tai rullamuovaamalla, jolloin pituutta rajoittaa käsittely ja
kuljetus
2.2.7 Ohutlevyt
- kuumavalssatusta levystä kylmävalssaamalla valmistettu
- kylmämuokkauksessa teräs lujittuu, joten muokattavuus syistä
tarvittaessa hehkutuskäsittely
- jälkikäsittelynä voidaan tehdä pinnoitus sinkitsemällä ja/tai muovipinnoittamalla
- vaarnoitettuja poimulevyjä käytetään liittorakenteina betonivälipohjissa