Teräskennolevy

Teräskennolevy on teollisten tuotteiden valmistamisessa käytettävä, teräksestä valmistettu ja kennorakennetta hyödyntävä jäykkä, mutta kevyt rakenneosa.

Yleistä

Rakennetta, joka koostuu kahdesta pintalevystä ja niiden välissä olevasta ydinmateriaalista, nimitetään rakennustekniikassa kerroslevyrakenteeksi. Kerroslevyjä, joiden pintalevyt ja ydin on valmistettu teräksestä, kutsutaan teräskennolevyksi tai teräskerroslevyrakenteeksi. Teräskennolevyjen ja kerroslevyrakenteiden yleensä etuna perinteisiin umpimateriaaleihin nähden on suuri rakenteellinen jäykkyys yhdistettynä alhaiseen ominaispainoon. Kerroslevyrakenteiden käyttöä on tutkittu ja sovellettu erikoisprojekteissa, kuten nopeissa junissa sekä lentokoneenrakennuksessa ja laivanrakennustekniikassa, mutta viime aikoina myös esimerkiksi teollisessa talonrakentamisessa.

Historia

Laserhitsauksen yleistymisen myötä myös kiinnostus teräksisiin kerroslevyrakenteisiin kasvoi 1980-luvulla. Yhdysvaltojen sotalaivasto käynnisti 1980-luvun puolivälissä tutkimukset mahdollisuuksista soveltaa ruostumattomasta teräksestä tehtyjä rakenteita sotalaivoissa, ja Englannissa tutkittiin samaan aikaan laser- ja pistehitsattujen rakenteiden käyttömahdollisuuksia ja suunnittelumenetelmiä erityisesti sotalaivasovelluksiin. Japanissa on ollut kiinnostuksen kohteena erityisesti ruostumattomien teräskerroslevyjen käyttö nopeissa junissa. Saksassa teräskerroslevyrakenteiden laivasovellusten tutkimuksen käynnisti 1994 Meyer Werftin telakka. Tämän jälkeen Meyer Werft on tehnyt lukuisia I-tyypin kennorakenteita käytännön sovelluksiin, laivasovellusten lisäksi muun muassa parkkitaloja, lämmönvaihtimia ja siltoja.
Suomessa laserhitsattujen teräskerroslevyrakenteiden tutkimus käynnistyi 1980-luvun lopulla, jolloin tutkimuskohteena oli erityisesti kerroslevyrakenteiden soveltaminen jäänmurtajan laitarakenteisiin. Tämän jälkeen Telakka 2000 -hankkeen yhteydessä käynnistyi systemaattisempi selvitys teräskerroslevyrakenteiden sovellusmahdollisuuksista ja suunnittelu- sekä valmistusmenetelmistä erityisesti risteilylaivasovelluksiin. Tutkimus jatkui Hitsi 2000 -hankkeen yhteydessä ja laajeni edelleen, kun Kenno-ohjelma käynnistettiin 1998. Samanaikaisesti kotimaisen Kenno-ohjelman kanssa käynnistyi myös laaja EU:n rahoittama Sandwich-tutkimushanke teräskerroslevyrakenteiden edelleen kehittämiseksi.

Valmistus ja rakenne

Teräskennolevyä valmistetaan liittämällä ydin pintalevyihin esimerkiksi laser- tai vastushitsaamalla, liimaamalla tai mekaanisesti. Teräskennolevyt voidaan jakaa ytimen rakenteen perusteella jatkuvaan korrugoituytimiseen kennoon, yksittäisillä profiileilla (kuten C-, I-, O-, U-, V-, X- ja Z-tyypin kennot) tai putkipalkeilla jäykistettyyn kennoon ja niin sanottuun kalottikennoon, joissa ydin muodostuu pintalevyyn muovatuista ulokkeista. Rakenteen valinta riippuu käyttötarkoituksesta; esimerkiksi I-tyypin kenno on lujuus-painosuhteeltaan V-tyypin kennoa edullisempi, mutta ohutseinämäisen I-kennon valmistus teollisuusmittakaavassa on korkean tarkkuusvaatimuksen vuoksi erittäin vaativa prosessi.

Hyödyt

Rakenteiden keveys on yhä tärkeämpi tuoteominaisuus monissa kuljetusväline-, prosessi- ja rakennusteollisuuden sovelluskohteissa. Painoa alentamalla voidaan lisätä esimerkiksi kuljetusvälineiden ja siirrettävien koneiden ja laitteiden ympäristöystävällisyyttä ja parantaa niiden kuljetuskapasiteettia edellyttäen, että uusien keveämpien rakenneratkaisujen lujuus ja kestävyys voidaan varmistaa. Rakenteita voidaan periaatteessa keventää käyttämällä uusia kevyitä materiaaleja tai kehittämällä konstruktioita lujuusteknisesti niin, että hyödynnetään paremmin perinteisten materiaalien ominaisuudet.
Teräksiset kerroslevyrakenteet ovat tehokkaimpia tapoja keventää rakenteita ja taata huolellisen suunnittelun, materiaalinvalinnan ja valmistuksen kautta myös riittävät tuoteominaisuudet. Lujuusteknisesti on osoitettavissa, että suunniteltaessa kennorakenne taivutusjäykkyydeltään perinteisen levyrakenteen veroiseksi on teoreettisesti saavutettavissa jopa 80 prosentin painonsäästö. Otettaessa huomioon muut kuormitukset, kuten normaali- ja leikkausvoimat ja tarvittavat liitokset jää kennorakenteiden antama painonsäästö kuitenkin tätä jonkin verran pienemmäksi. Esimerkiksi laivateollisuuden sovellutuksissa kuten kansi- ja laipiorakenteissa, majoitustiloissa ja ovissa on kennoja käyttämällä voitu rakenteiden painoa alentaa 30–50 prosenttia perinteisiin teräspalkkirakenteisiin verrattuna.
Uudet valmistusmenetelmät mahdollistavat entistä ohuempien ainevahvuuksien käytön ja tehokkaan liittämisen, mikä on avannut myös uusia mahdollisuuksia kehittää teräksisiä kevyitä kerroslevyrakenteita eri sovelluksiin. Siirtymällä perinteisistä ratkaisuista kennorakenteisiin voidaan useissa tapauksissa saavuttaa merkittäviä teknisiä kilpailuetuja tai kustannussäästöjä paitsi valmistuksessa myös käytössä erityisesti, kun huomioidaan tuotteen koko elinkaari.
Keveyden lisäksi kennorakenteilla on saavutettavissa monia muitakin etuja kuten mahdollisuus hyödyntää kennon välitilaa lämpö-, ääni- ja värähtelyvaimennuksessa sekä johdotusten ja putkistojen läpivienneissä. Kennorakenne sopii erinomaisesti myös lämmönvaihtimeksi tai joissakin tapauksissa myös neste- tai kaasusäiliöksi. Käyttökohteita kennoille löytyy suunnittelijan innovatiivisuuden mukaan runsaasti.

Vaatimukset

Niin kennolevyjen suunnittelussa kuin valmistuksessakin joudutaan uusien haasteiden eteen, kun vertailukohteena ovat perinteiset teräsrakenteet. Suunnittelussa on entistä tarkemmin huomioitava paitsi taivuttava kuorma - johon kennolevy parhaiten soveltuu - myös leikkausrasitukset ja pistekuormat, jotka alentavat ohuista levyistä hitsaamalla tai muilla menetelmillä koottujen kennorakenteiden paikalliskestävyyttä. Lisäksi kennorakenteiden liittäminen toisiinsa ja muihin rakenteisiin on lujuusteknisesti vaativa haaste. Kennojen ytimen valmistus riittävällä mittatarkkuudella niin, että tasomaisuus säilyy, on kokoonpanohitsauksen onnistumisen ja kennon käytettävyyden yksi perusedellytys. Kennojen kokoonpanohitsauksessa ei ole useinkaan muodonmuutosten vuoksi mahdollista käyttää perinteisiä kaarihitsausmenetelmiä, vaan on mietittävä muita laadukkaampia ja tarkempia vaihtoehtoja, kuten laser- ja vastushitsausta, liimausta tai mekaanista liittämistä.