Rakenteiden väsyminen, vaikeaa vai ratkaistavissa?

“Rakenteiden väsymistä on hirvittävän vaikea selittää”, kertoo insinööriprikaatikenraali Kari Renko. HS 4.9.2015. Kommentti liittyy merivoimien aluksissa esiintyneisiin väsymismurtumiin.

Yritän tässä nyt kuitenkin selittää väsymistä. Väsyminen ei itse asiassa ole hirvittävän vaikea asia, vaikkei se kaikista helpoimmasta päästä olekaan. Kaikissa rakenteissa, joissa kuormitus tai olosuhteet (esim. lämpötilan vaihtelut, korroosio) ovat vaihtelevia , esiintyy väsymistä. Erityisesti tämä koskee metalleista valmistettuja kappaleita ja varsinkin hitsattuja rakenteita. Väsymisilmiö on tunnettu jo pitkään ja nykyään voidaan jo hyvinkin luotettavasti mitoittaa rakenteet väsymistä vastaan.

Hankalinta väsymismitoituksessa on kuormituksen “ennustaminen”. Siis kuormituksen määritteleminen niin, että voidaan luotettavasti sanoa sen toteutuvan rakenteen käyttöiän aikana. Parhaiten kuormituksen saa selville, jos on jo olemassa vastaava tai vastaavanlainen rakenne ja sitä voidaan mitata jonkin aikaa kuormitushistorian selvittämiseksi. Mutta jos kyseessä on yksittäiskappale tai aivan uusi konsepti, on kuormituksen määrittely vaikeampaa. Nykyään, onneksi, on olemassa mahdollisuus simuloida rakenteisiin tulevia kuormituksia. Kuormitushistoria voidaan simuloida virtuaalisesti monikappaledynamiikan (MBS) avulla ja käyttää saatua tietoa väsymismitoituksessa. Näin ei tarvitse tyytyä “hihasta vedetettyihin” arvauksiin kuormituksista.

Mitä merkitystä kuormituksen suuruudella sitten on? Ajatellaan, että mitoittavien kuormituksien suuruudessa on 10% ero. Kestoiässä tämä tarkoittaa 33% eroa. Jos jonkin yksityiskohdan ajateltu kestoikä pitäisi olla 10 vuotta, niin suuremmalla kuormituksella se onkin 7,5 vuotta.

Hitsattujen rakenteiden kyseessä ollen luotettavan väsymismitoituksen lisäksi vaaditaan valmistukselta hyvää laatua. Yksittäisen hitsin kestoikä on kärjistäen sanottuna hitsarin kädestä riippuvainen. Vaaditaan siis riittävä laadunvarmistus, jotta rakenne varmasti täyttää kestoikävaatimuksen. Ei siis riitä, että rakenne suunnitellaan ja lasketaan hyvin, vaan myös valmistuksen laadulla ja laadunvarmistuksella on iso merkitys väsymiskriittisissä rakenteissa. Valitettavasti yksittäinen huono hitsi voi pilata muuten hyvän rakenteen ja johtaa vakaviinkiin onnettomuuksiin. Toisaalta väärään paikkaan tehty varusteluhitsi voi olla katastrofaalinen väsymiskestävyyden kannalta.

Rakenteissa, joissa kuormitus on vaihtelevaa tai esiintyy värähtelyjä, väsyminen on useimmiten mitoittava tekijä. Rakenteet pitää suunnitella ja analysoida hyvin, jotta voidaan varmistaa riittävä kestoikä. Samalla kun rakenteet analysoidaan ja suunnitellaan tarkasti, vältytään mahdolliselta ylimitoitukselta ja saadaan sitä kautta säästöjä materiaalikustannuksista ja valmistuskustannuksista.Varsinkin isoissa hitsatuissa rakenteissa hitsien sijoittelulla ja valituilla hitsiliitostyypeillä voidaan merkittävästi vaikuttaa kestoikään ja kustannuksiin. Lisäksi vältytään siltä, että jonkin rakenne, kone tai kulkuneuvo pitää asettaa käyttökieltoon korjausten ajaksi, jos korjaaminen ylipäätään on mahdollista.

Mitä merkitystä hitsiliitostyypeillä sitten on? Tähän sopii havainnollistava esimerkki. Ajatellaan hitsiliitosta, joka voidaan hitsata joko pienahitsillä tai läpihitsatulla v-railo hitsillä. Näiden hitsien väsymisluokilla on noin kaksinkertainen ero. Mutta kestoiän suhteen näillä hitseillä on noin kolminkertainen ero. Voidaan siis ajatella, että rakenteessa pienahitsi kestäisi esimerkiksi kaksi vuotta, mutta v-hitsi noin kuusi vuotta. Kaivinkoneen omistajalle ei varmastikaan ole sama, joutuuko jotain komponenttia korjaamaan tai vaihtamaan kahden vuoden välein vai voiko koneella tehdä töitä kuusi vuotta ilman isompia korjauksia.

Rakenteiden väsyminen ei ole hirvittävän vaikea asia. Me ratkomme sitä päivittäin.