Korkealujuusteräkset putkiristikoissa

Transkriptio

1 Rakennustekniikan laitos Metallirakentamisen tutkimuskeskus Korkealujuusteräkset putkiristikoissa Kristo Mela, TkT Timo Jokinen, Teemu Tiainen, Markku Heinisuo Teräsrakennepäivä 2015

2 kysymys: kuinka paljon säästöjä voidaan saavuttaa käyttämällä korkealujuusterästä putkiristikoissa?

3 suunnittelunäkökulmia korkealujuusteräksen käyttöön profiilien valmistus kalliimpaa profiilivalikoima kaventuu lujuuden kasvaessa (luokkien 1 ja 2 poikkileikkaukset) täysin lujia hitsejä tehtäessä a-mitta kasvaa (S355: 1.11t, S500: 1.61t, S700, 1.65t) liitoksen kestävyyttä täytyy pienentää 20% kustannushyödyt eivät ole ilmeiset

4 rakenteiden optimointi etstään parasta ratkaisua systemaattisella tavalla vaatii suunnittelutehtävän matemaattisen esityksen etsintä suoritetaan soveltuvien algoritmien avulla Muutaman vaihtoehdon vertailu tai ratkaisun parantelu käsin EI ole optimointia min x f(x) such that g i (x) 0 h j (x) =0 x x x

5 ristikoiden optimointi F MITOITUS 1.1. BACKGROUND F F F F MUOTO/GEOMETRIA (a) Sizing optimization. F F F h h α α (b) Geometry optimization. (b) Geometry optimization. F F F

6 topologian optimointi q

7 vertailutapaus q = 47 kn/m h 1:k α L = 36 m minimioidaan paino ja kustannukset (erikseen) teräkset: S355, S500, S700, S960

8 muodon optimointi topologia kiinnittetty (KT- ja K-ristikko) ristikon korkeutta ja solmujen paikkoja voidaan muutella lisäksi on määritettävä optimaaliset profiilit Particle Swarm Optimization -algoritmi

9 kustannuslaskenta KUSTANNUSPAIKAT: Materiaali Puhallus Sahaus Hitsaus Fig. 8. W material flow and cost centres. Piirrepohjainen kustannuslaskenta (Haapio 2012) Maalaus

10 kustannuslaskenta kustannuspaikan yleinen kustannusfunktio C k = (T Nk + T Pk )(c Lk + c Eqk + c Mk + c Rek + c Sek ) u k + T Pk (c Ck + c Enk )+C Ck

11 kustannuslaskenta kustannuspaikan yleinen kustannusfunktio C k = (T Nk + T Pk )(c Lk + c Eqk + c Mk + c Rek + c Sek ) u k + T Pk (c Ck + c Enk )+C Ck TUOTTAMATON AIKA

12 kustannuslaskenta kustannuspaikan yleinen kustannusfunktio C k = (T Nk + T Pk )(c Lk + c Eqk + c Mk + c Rek + c Sek ) u k + T Pk (c Ck + c Enk )+C Ck TUOTTAMATON AIKA TUOTTAVA AIKA

13 kustannuslaskenta kustannuspaikan yleinen kustannusfunktio C k = (T Nk + T Pk )(c Lk + c Eqk + c Mk + c Rek + c Sek ) u k + T Pk (c Ck + c Enk )+C Ck TUOTTAMATON AIKA TUOTTAVA AIKA TYÖN, LAITTEIDEN, MATERIAALIEN JA KIINTEISTÖN YKSIKKÖKUSTANNUKSET [ /MIN]

14 kustannuslaskenta kustannuspaikan yleinen kustannusfunktio C k = (T Nk + T Pk )(c Lk + c Eqk + c Mk + c Rek + c Sek ) u k + T Pk (c Ck + c Enk )+C Ck TUOTTAMATON AIKA TUOTTAVA AIKA TYÖN, LAITTEIDEN, MATERIAALIEN JA KIINTEISTÖN YKSIKKÖKUSTANNUKSET [ /MIN] KULUTUSTARVIKKEIDEN JA ENERGIAN YKSIKKÖKUSTANNUKSET [ /MIN]

15 kustannuslaskenta kustannuspaikan yleinen kustannusfunktio C k = (T Nk + T Pk )(c Lk + c Eqk + c Mk + c Rek + c Sek ) u k + T Pk (c Ck + c Enk )+C Ck TUOTTAMATON AIKA TUOTTAVA AIKA TYÖN, LAITTEIDEN, MATERIAALIEN JA KIINTEISTÖN YKSIKKÖKUSTANNUKSET [ /MIN] KULUTUSTARVIKKEIDEN JA ENERGIAN YKSIKKÖKUSTANNUKSET [ /MIN] AJASTA RIIPPUMATTOMAT KULUTUSTARVIKKEET [ ]

16 kustannuslaskenta kustannuspaikan yleinen kustannusfunktio C k = (T Nk + T Pk )(c Lk + c Eqk + c Mk + c Rek + c Sek ) u k + T Pk (c Ck + c Enk )+C Ck TUOTTAMATON AIKA TUOTTAVA AIKA TYÖN, LAITTEIDEN, MATERIAALIEN JA KIINTEISTÖN YKSIKKÖKUSTANNUKSET [ /MIN] KÄYTTÖASTE KULUTUSTARVIKKEIDEN JA ENERGIAN YKSIKKÖKUSTANNUKSET [ /MIN] AJASTA RIIPPUMATTOMAT KULUTUSTARVIKKEET [ ]

17 kustannuskertoimet Teräs S355 S500 S700 S960 Materiaali Sahaus Hitsaus putkiprofiilien hinta (S355): 0.8 /kg

18 kustannuslaskenta Kustannuslaskennan dilemma: Yleinen menetelmä ei sovi kenellekään, yksityiskohtainen menetelmä tarvitsee paljon dataa Nyt: yksityiskohtainen menetelmä, missä data on kerätty mittauksin. Disclaimer: tulokset voivat muuttua, kun konepaja muuttuu.

19 tehtävänasettelu min f(x) =ρ s n m i=1 A i L i,g g joint,jn (x) 0, j=1,...,n j,n=1,...,n jn g Interaction,i (x) 0, i=1,...,n e g Shear,i (x) 0, i=1,...,n e g Geometry,jl (x) 0, i=1,...,n j,l=1,...,n c g Angles,m (x) 0, m=1,...16 g a8,ub(x) 0 g a8,lb(x) 0 minimoi ristikon paino (kustannukset) siten, että ratkaisu toteuttaa Eurokoodin vaatimukset.

20 optimoinnin tulokset kustannukset paino 100 % 80 % 100 % 100 % 92 % 74 % 86 % 92 % 60 % 60 % 50 % 40 % 20 % 0 % S355/S355 S500/S500 S700/S700 S960/S960

21 optimoinnin tulokset kustannukset 100 % 80 % 100 % 92 % 87 % 86 % 79 % 86 % 92 % 86 % 95 % 89 % 60 % 40 % 20 % 0 % S355/S355 S500/S500 S500/S355 S700/S700 S700/S355 S700/S500 S960/S960 S960/S355 S960/S500 S960/S700

22 optimoinnin tulokset kustannukset 100 % 80 % 100 % 92 % 87 % 86 % 79 % 86 % 92 % 86 % 95 % 89 % 60 % 40 % 20 % 0 % S355/S355 S500/S500 S500/S355 S700/S700 S700/S355 S700/S500 S960/S960 S960/S355 S960/S500 S960/S700

23 optimoinnin tulokset 100 % 100 % paino 75 % 50 % 74 % 76 % 60 % 62 % 64 % 50 % 58 % 58 % 52 % 25 % 0 % S355/S355 S500/S500 S500/S355 S700/S700 S700/S355 S700/S500 S960/S960 S960/S355 S960/S500 S960/S700

24 optimoinnin tulokset 100 % 100 % paino 75 % 50 % 74 % 76 % 60 % 62 % 64 % 50 % 58 % 58 % 52 % 25 % 0 % S355/S355 S500/S500 S500/S355 S700/S700 S700/S355 S700/S500 S960/S960 S960/S355 S960/S500 S960/S700

25 optimoinnin tulokset 1 S355/S355 0,9 paino 0,8 S500/S355 S500/S500 0,7 S700/S500 S700/S355 S700/S700 0,6 S960/S355 S960/S700 S960/S500 S960/S960 0,5 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1 kustannukset

26 optimoinnin tulokset 1 S355/S355 0,9 paino 0,8 S500/S355 S500/S500 0,7 S700/S500 S700/S355 S700/S700 0,6 S960/S355 S960/S700 S960/S500 S960/S960 0,5 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1 kustannukset

27 optimoinnin tulokset 1 S355/S355 0,9 paino 0,8 S500/S355 S500/S500 0,7 S700/S500 S700/S355 S700/S700 0,6 S960/S355 S960/S700 S960/S500 S960/S960 0,5 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1 kustannukset

28 optimoinnin tulokset 1 S355/S355 0,9 paino 0,8 S500/S355 S500/S500 0,7 S700/S500 S700/S355 S700/S700 0,6 S960/S355 S960/S700 S960/S500 S960/S960 0,5 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1 kustannukset

29 optimoinnin tulokset 1 S355/S355 0,9 paino 0,8 S500/S355 S500/S500 0,7 S700/S500 S700/S355 S700/S700 0,6 S960/S355 S960/S700 S960/S500 S960/S960 0,5 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1 kustannukset

30 Steel leets htgnruoste erts hgi H Rules no seon lur High etsstrength our S / S S500/S355 etistphotgtsnoruoste ec rts hgi HRules no seon lurhigh etsstrength ou R optimum Steel mluem Cost W optimaaliset ristikot W W S355/S355 S355 S500 S700 S960 S700/ S355 mumitpo tsoc mumitpos355/s355 tsoc S700/S700 S500/S500 S355/S355 S355/S355 S500/S500 S700/S355 S500/S355 S500/S500 S500/S500 S500/S355 S700/S500 S700/S700 S500/S355 S500/S355 S700/S700 S960/S960 S700/S355 S700/S700 S700/S700 S700/S355 S960/S355 S700/S500 S700/S355 S700/S S/553S Cost optimum 553S/Cost 553Soptimum 007S/007S 005S/005S 553S/553S 553S/553S 005S/005S 553S/007S 553S/005S 005S/005S 005S/005S 553S/005S 005S/007S 007S/007S 553S/005S 553S/005S 007S/007S 069S/069S 553S/007S 007S/007S 007S/007S 553S/007S 553S/069S 005S/007S 553S/007S 553S/007S -8% -14% -8% -21%

31 kustannusten optimoinnin edut minimipainoristikko (S960) on 16% kalliimpi kuin edullisin ristikko (S700/S355) edullisin ristikko on 25% painavampi kuin minimipainoristikko

32 optimoinnin yhteenveto K-ristikko useimmiten parempi kuin KT-ristikko huomattavia vähennyksiä painoon saavutettavissa (S960: jopa 50%) selviä kustannussäästöjä (jopa 21%) hybridiristikot ovat houkuttelevia (esim. yläpaarre S500, uumasauvat S355, alapaarre S700) edullisin ristikko EI ole sama kuin kevein ristikko

33 johtopäätökset korkealujuusterästen käytön avaimet ovat suunnittelijoilla soveltuvilla laskentatyökaluilla (ml. optimointi), HSS:n edut ovat osoitettavissa taloudellisimpien ratkaisujen löytämiseksi suunnittelijalla tulee olla kustannustietoa sekä konepajalta että materiaalivalmistajalta lisää hyötyjä voidaan löytää tavallisuudesta poikkeavilla rakenneratkaisuilla