Betonilaatan ja hitsiliitettyjen teräskannattajien muodostaman liittorakenteen väsytystarkastelu elementtimenetelmällä

Työn tavoitteena oli tutkia eri väsytyslaskentamenetelmien soveltuvuutta käytännön väsymismitoitukseen. Tarkastellussa sovelluksessa kaksi betonista ja hitsiliitetyistä teräksistä muodostuvaa liittorakennetta risteää ja risteämisalueen jännitykset lasketaan elementtimenetelmällä (FEM). Väsytyskuormitus oletetaan tapauskohtaisesti tunnetuksi. Jännitysvaihtelujen kertymän tai ekvivalentin jännitysvaihteluvälin vastaavuuteen todellisten jännitysten kanssa ei otettu kantaa. Aluksi tarkastellaan väsytyslaskentamenetelmiä, niiden rajoituksia ja käsittelyä elementtimenetelmällä sekä liittorakenteen elementtimenetelmämallin muodostamista. Sitten käsitellään betonikannen, teräspalkkien ja vaarnaliitoksen FEM-mallinnusta sekä näiden kaikkien muodostamaa kokonaisuutta. Tämän jälkeen esitetään esimerkkitapauksena Kärkistensalmen sillan poikkikannattajien ja pääkannattajien välisen liitosalueen väsytysmitoitus, jossa pää- ja poikkikannattajat muodostavat hitsiliitettyihin teräsrakenteisiin vaarnoilla kiinnitetyn betonikannen kanssa edellä mainitun kaltaisen risteävän liittorakenteen. Tässä tapauksessa eri väsymislaskentamenetelmistä nimellisten jännitysten menetelmä todettiin tarkkuustasoltaan riittämättömäksi, kun jännitystila on lähellä rakenteen kapasiteettia, mutta soveltuvaksi karkeampaan tarkasteluun, jolla saadaan selville riittääkö rakenteen kapasiteetti selvästi vai ylittääkö hyväksikäyttöaste selvästi rakenteen kapasiteetin. Geometristen jännitysten 1. hot-spot -menetelmä osoittautui tarkempaan mitoitukseen lupaavammaksi, mutta ei kylläkään ongelmattomaksi. SAE-menetelmä edellyttää raskasta FEM-mallinnusta. Koska se on alunperin tarkoitettu sileille teräksille, ei sitä todettu erityisen soveltuvaksi tapauksiin, joissa jonkinlainen alkusärö kuitenkin esiintyy. Murtumismekaniikka osoittautui sekä lukuisten epävarmuustekijöiden että raskaan rakennemallinnuksen takia edelleenkin lähinnä tutkimustyökaluksi ja -kohteeksi. Kärkistensalmen sillan tapauksessa riitti nimellisten jännitysten menetelmä, koska rakenteiden hyväksikäyttöaste ei ollut lähelläkään rakenteen kapasiteettia. Tarkastelu näyttää tukevan mm. SFS-ENV 1993-1-1:n ajatusta, että käytännön mitoituksessa geometristen jännitysten menetelmää käytetään, kun nimellisten jännitysten menetelmää varten ei standardista löydetä riittävällä tarkkuudella todellista rakennetta vastaavaa vertailutapausta