Sähköasemien teräsrakenteiden puristusliitosten analysointi ja mitoitus

Abstract

Opinnäytetyön tavoitteena oli analysoida puristusliitosten kestävyyttä normaalivoimien ja momenttikuormituksen alaisena sähköasemien teräsrakenteissa. Työssä keskityttiin palkki-pilariliitoksiin, joissa käytetään pulttiliitoksia neliöputkirakenteilla. Tutkimuksessa tarkasteltiin ruuviliitoksen esijännityksen vaikutusta liitoksen kuormituskestoon ja laadittiin yrityksen käyttöön mitoitustaulukko ja laskentapohja, jotka tukevat käytännön suunnittelua.

Liitosten analysointi toteutettiin elementtimenetelmään (FE) perustuvalla laskennalla, jossa mallinnettiin erilaisia rasituksia, kuten vetoa, puristusta, vääntöä, kiertojäykkyyttä ja pitkäaikaista tuulirasitusta. Työssä huomioitiin liitosten kitkakestävyys, ruuvikokoonpanojen esijännitys ja hitsiliitosten suunnitteluperusteet. Liitokset luokiteltiin Eurokoodin mukaisesti jäykkyyden ja lujuuden perusteella sekä tarkasteltiin niiden kykyä siirtää sisäisiä voimia ja momentteja.

Tulokset osoittivat, että oikein esijännitetyt ruuvikokoonpanot ja standardien mukaiset liitosten yksityiskohdat parantavat liitoksen kestävyyttä ja vähentävät rakenteeseen kohdistuvia ylikuormituksia. FE-analyysi mahdollisti liitoksen käyttäytymisen tarkan arvioinnin, mukaan lukien uuman leikkausmuodonmuutokset ja kiinnitysten kiertymisvaikutukset. Työssä laadittu mitoitustaulukko tukee suunnittelua ja helpottaa liitosten optimoitua mitoitusta eri kuormitustilanteissa.

Johtopäätöksenä voidaan todeta, että puristusliitosten suunnittelussa esijännityksen ja kiinnityksen huolellinen toteutus on ratkaisevaa rakenteen kestävyyden ja pitkäikäisyyden kannalta. Työssä esitetty laskentapohja tarjoaa yritykselle työkalun liitosten käytännön mitoitukseen ja optimointiin. Liitteessä 1 oleva laskentataulukko on salattu, ja sen sisältö on luottamuksellista.

The purpose of this thesis was to investigate the behavior and design of compression joints in substation steel structures under normal forces and bending moments. Compression joints provide flexibility in assembling electrical substations, facilitating the attachment of conductors to insulators and reducing unintended stresses in the supporting structures. The main objectives were to analyze the joint performance using finite element methods (FE), develop a design table, and create a calculation template for practical engineering applications. The study focused on T-joints between steel columns and beams, primarily using bolted connections with hollow square or rectangular sections. Welding joints were discussed at a general level, while fatigue analysis was excluded.

The thesis presented relevant standards, including Eurocode 3 (SFS-EN 1993) and associated guidelines for steel structures, bolted connections, and welding. Various types of joints were classified according to stiffness and strength, including nominally pinned, partially rigid, and fully rigid connections. Bolt assemblies were categorized by type, pre-tensioning, and friction class, following SFS-EN 14399 and related standards. Simplified and component-based methods for designing welds were also described. FE-simulations modeled the internal forces and moments in joints, considering the deformation of connected members and the rotational flexibility of fasteners. Separate rotational springs were used for each bolt in double-sided beam-column connections, with conversion parameters applied to account for shearing effects.

The results indicated that properly pre-tensioned bolted joints significantly improve sliding resistance and load distribution, while FEM analysis accurately predicts stress and deformation patterns under combined normal and bending loads. The developed design table and calculation template provide practical guidance for structural engineers in planning and verifying compression joints.

Confidential or sensitive data, including the detailed calculation table, has been encrypted in Appendix 1 to protect proprietary information.