Putkiristikon suunnittelu käyttäen teräslajeja S355 ja S420 Markku Heinisuo, Teemu Tiainen, Timo Jokinen Tampereen teknillinen yliopisto Lyhennelmä Putkiristikoita käytetään kattokannattajina niiden hyvän ulkonäön, kuormankantokyvyn ja taloudellisuuden vuoksi. Tässä artikkelissa esitetään putkiristikoiden yksityiskohtainen lujuuslaskenta Eurokoodien mukaan. Erityinen huomio kiinnitetään liitosten ja liitosten hitsien kestävyyden tarkasteluun, kun teräslajina on Ruukin kylmämuovattu kaksoislaatuinen rakenneputki Ruukki double grade, joka täyttää teräslajeille S355J2H ja S420MH asetetut vaatimukset. Käytännön esimerkeillä, joissa ristikon geometria on kiinnitetty, osoitetaan suunnittelun lopputulos, kun ristikon teräslajina on kaikissa putkissa S355 tai S420 sekä paarteissa S420 ja uumasauvoissa S355 (hybridiristikko). Tämäntyyppiset ristikot on mahdollista toteuttaa double grade -putkilla helposti, sillä suunnittelijalla on mahdollisuus valita, kumpaa teräslajia putkesta hän haluaa käyttää. Kaikkia kolmea tapaa voidaan käyttää ristikoiden kestävyyksien tarkasteluun. Ristikoiden sauvat on etsitty kokeilemalla siten, että ne täyttävät kaikki Eurokoodien vaatimukset koskien sekä sauvoja että liitoksia. Ristikoille lasketaan valmistuskustannukset kolmella kirjallisuudessa esitetyllä menetelmällä. Tarkasteltavat ristikot Ristikoiden, yleisemmin kaikkien teräskehien, suunnittelun lähtökohta on oltava aina geometrinen malli [1], [2]. Ilman geometrian tarkkaa tuntemusta lujuuslaskentamallin muodostaminen vastaamaan rakenteen käyttäytymistä on mahdotonta, mikäli rakenteen kaikki piirteet halutaan mukaan laskentaan. Ristikoilla tämä vaatimus tarkoittaa erityisesti liitosten epäkeskisyyksien huomioon ottamista. Tarkastellaan Warren-tyyppisiä yksiaukkoisia päistään tuettuja symmetrisiä kattoristikoita, jotka on esitetty kuvassa 1.
Kuva 1. Tarkasteltavat ristikot, mitat millimetreinä. Ristikot on valmistettu kylmämuovatuista neliöputkista käyttäen hitsattuja vapaan välin liitoksia. Ristikoiden jännevälit ovat 24 ja 36 m ja ne sijaitsevat 6 m välein katolla. Kattorakenteet oletetaan sellaisiksi, että kaikkiin ristikoihin kohdistuu sama kuorma katolta. Ristikoiden molemmissa puolikkaissa on 8 uumasauvaa ja liitokset ovat tasavälein paarteilla kuvan 1 mukaisesti. Liitoksen sijainti tarkoittaa mittaa vapaan välin keskelle paarteella. Ristikoiden korkeudet ovat 2,4 ja 3,5 m yläpaarteen ylimmästä kohdasta alapaarteen alimpaan kohtaan. Vapaa väli on kaikissa liitoksissa sama 50 mm. Kattokaltevuus on 1:20, joka on sopiva yksikerroskatteille. Karakteristinen katon kuormitus on lumikuorma 2 kn/m 2 ja omapaino 1 kn/m 2 sisältäen myös ristikon painon. Kuormitus on tasainen ja se kohdistuu yläpaarteeseen. Yläpaarre oletetaan tuetuksi ristikon tasoa vastaan kohtisuorassa suunnassa ja ristikko käsitellään tasotapauksena. Ristikon sauvojen kestävyys tarkastetaan standardin [3] mukaan ja liitosten kestävyys standardin [4] mukaan käyttäen Suomen kansallisia liitteitä. Murtorajatilan mukainen tasainen kuormitus q d on käyttäen Suomen kuormakertoimia: q d = 6x(1,15x1 + 1,5x2) = 24,9 kn/m ( 6x1,35x1 = 8,1 kn/m) (1) Ristikot suunnitellaan käyttäen kolmea materiaalivalintaa: Kaikki sauvat S355; Kaikki sauvat S420; Paarteet S420 ja uumasauvat S355. Tarkasteltavana on kuusi tapausta, jotka on esitelty taulukossa 1.
Taulukko 1. Tarkasteltavat kuusi tapausta. Jänneväli (m) 36 36 36 24 24 24 Paarteet S355 S420 S420 S355 S420 S420 Uumasauvat S355 S420 S355 S355 S420 S355 Rakennelaskentamalli Rakennelaskentamallin muodostaminen lähtee aina liitosten paikallisista malleista. Liitosten paikalliset mallit yhdistetään toisiinsa sauvojen laskentamalleilla. Tässä käytetään Bernoulli-Eulersauvaelementtejä sekä liitoksissa että sauvoissa ja näistä kootaan koko ristikon elementtimenetelmän (FEM) mukainen rakennelaskentamalli. Kullekin sauvalle riittää tässä tarkastelussa yksi elementti sauvaa kohti, ja tulos on tarkka, kun paarteet jaetaan sauvoihin liitoksesta liitokseen. Materiaali otaksutaan mallissa lineaarisesti kimmoiseksi. Paarteet mallinnetaan jatkuvina sauvoina ja uumasauvat nivelpäisinä sauvoina noudattaen standardin [4] ohjeita. Liitoksiin syntyy epäkeskisyyselementtejä kuvan 2 periaatteiden mukaan. Epäkeskisyyselementti yhdistetään kohtisuorasti paarteen keskiviivalle pisteestä, jossa uumasauvojen keskiviivojen jatkeet leikkaavat toisensa. Nämä epäkeskisyyselementit mallinnetaan laskentaan hyvin jäykkinä sauvoina, käytännössä yhtä jäykkinä kuin HEA600-profiili. Jos epäkeskisyyselementti on hyvin lyhyt (< 1 mm), se jätetään pois, jotta laskentatarkkuus säilyy FEM ratkaisussa. Tällöin uumasauvat liitetään suoraan paarre-elementteihin. Ristikon sauvojen jäykkyydet ja muut poikkileikkaussuureet lasketaan ottaen huomioon pyöristyssäteet nurkissa standardin [5] mukaan. Kuva 2. Liitosten paikalliset laskentamallit, g on vapaa väli, e on epäkeskisyys liitoksessa. Rakennelaskennan jälkeen saadaan tuloksena jännitysresultantit, normaali- ja leikkausvoimat sekä taivutusmomentit kaikissa sauvoissa. Näitä jännitysresultantteja käytetään sauvojen ja liitosten kestävyyksien tarkastukseen. Kun käytetään Eurokoodeja, kestävyystarkastuksien lisäksi ristikon käypyyden tarkastuksessa on tutkittava myös runsaasti muita ehtoja.
Rakennelaskennan tulokset ja sauvojen mitoitus Kun ristikon geometria ja sauvojen teräslaatu on valittu, suunnittelija valitsee keveimmät sauvat, jotka toteuttavat kaikki mitoitusstandardin ehdot. Näitä ehtoja on yleensä melko paljon, joten tietokoneohjelmien apu on tervetullutta. Tässä esityksessä sauvojen koon valinnan apuna on käytetty erityistä ristikkomoduulia [6], joka on kehitetty putkiristikoiden optimointiin. Putkivalikoimana käytetään Ruukin putkia siten, että yläpaarteeseen on valittu poikkileikkausluokan 1 sauvat ja muut ovat joko poikkileikkausluokkaa 1 tai 2, koska liitokset mitoitetaan Eurokoodin mukaan. Yläpaarresauvan poikkileikkausluokan vaatimus johtuu harjaliitoksen mitoitusehdon vaatimuksesta koskien paarreputkea. Kokeilujen jälkeen päädyttiin taulukon 2 neliöprofiileihin. Sauvojen numerointi alkaa jännevälin keskeltä ja massa on ristikon puolikkaan massa. Paarreputket ovat samat koko ristikon matkalla. Taulukko 2. Ristikoiden sauvat. Yläpaarre 200x10 180x10 180x10 140x8 140x8 140x8 Alapaarre 180x6 160x6 160x6 140x6 120x6 120x6 1. vinosauva 80x3 60x3 60x3 50x3 50x3 50x3 2. vinosauva 110x4 70x3 70x3 50x3 50x3 50x3 3. vinosauva 90x3 90x3 90x3 70x3 60x4 60x4 4. vinosauva 80x3 70x3 70x3 50x3 50x3 50x3 5. vinosauva 120x4 110x4 110x4 90x3 80x3 90x3 6. vinosauva 90x3 80x3 90x3 60x3 60x3 60x3 7. vinosauva 160x6 140x5 140x5 100x4 100x4 100x4 8. vinosauva 160x6 140x5 140x5 100x4 100x4 100x4 Massa (kg) 1896 1643 1646 758 718 720 Tuloksista nähdään, että S420-ristikko (tapaus 2) on noin 14 % kevyempi kuin S355-ristikko (tapaus 1) jännevälillä 36 m ja 5 % kevyempi (tapaukset 4 ja 5) jännevälillä 24 m. Hybridiratkaisut 3 ja 6 ovat hyvin lähellä S420 ristikkoja 2 ja 5. Kuvassa 3 on esitetty 36 m S355-ristikon rakennelaskentamallin puolikas ja yhden liitoksen paikallinen laskentamalli.
Kuva 3. Yhden ristikon laskentamalli ja yhden liitoksen paikallinen malli. Kun K-liitoksessa paarteeseen liitetään kaksi paksuhkoa sauvaa, kuten uumasauvat 7 ja 8, liitoksen epäkeskisyys kasvaa, mikä näkyy alapaarteen taivutusmomenttipinnassa suurena epäkeskisyysmomenttina alapaarteen päässä lähellä tukea. Kuvassa 4 on esitetty kuvan 3 mukaisen tapauksen momenttipintakuvaaja. Kuva 4. Momenttipinta. Taulukossa 3 on esitetty epäkeskisyydet kuudessa tapauksessa kaikissa K-liitoksissa lähtien harjan läheltä alapaarteelta: e 1 on alapaarreliitos, e 2 on yläpaarreliitos, jne.
Taulukko 3. Epäkeskisyydet K-liitoksissa, yksikkö mm. e 1 30,0 13,2 13,2 11,8 22,4 22,4 e 2 20,0 13,7 13,7 18,2 14,1 14,1 e 3 13,7 20,3 20,3 15,2 21,5 21,5 e 4 14,1 16,6 16,6 22,2 18,3 22,9 e 5 24,1 26,9 31,2 22,9 29,4 33,7 e 6 28,4 27,1 31,1 25,1 25,9 25,9 e 7 61,3 56,5 56,5 37,6 48,5 48,5 Liitosten epäkeskisyydet on otettava huomioon, kun liitokset mitoitetaan standardin [4] mukaan. Jos epäkeskisyys on tietyissä rajoissa, epäkeskisyyttä ei tarvitse ottaa huomioon alapaarteella, uumasauvoissa ja liitosten mitoituksessa. Jos raja ylittyy, epäkeskisyys on otettava huomioon kaikkien sauvojen (huomaa korjaus viralliseen standardin tekstiin, katso esim. [7]) ja liitosten mitoituksessa. Tässä epäkeskisyys on otettu aina huomioon, joten alapaarteen mitoitus on joissakin tapauksissa varmalla puolella. Uumasauvat on liitetty nivelellisesti epäkeskisyyselementtiin, joten uumasauvojen mitoitus on joissakin tapauksissa epävarmalla puolella. Standardin ehto e 0,25xh 0, missä h 0 on paarteen korkeus liitoksessa, ei toteudu ensimmäisessä alapaarteen K-liitoksessa tuen lähellä (katso e 7 taulukossa 3). Muissa liitoksissa ehto toteutuu. Uumasauvojen systeemipituus, jota käytetään mm. nurjahdustarkastelussa, on tässä laskennassa epäkeskisyyselementtien nivelten välimatka, joka yliarvoi hiukan uumasauvojen nurjahduspituutta verrattuna siihen, että käytettäisiin systeemipituutena sauvojen todellista pituutta paarteiden sisäpintojen välillä. Jos edellä mainittu standardin ehto ei toteudu, niin kyseisen liitoksen epäkeskisyydestä aiheutuva momentti on jaettava liitoksen sauvoille niiden jäykkyyksien EI/L suhteessa. Tarkastetaan mitä kyseinen ehto tarkoittaa paarresauvojen 7 ja 8 K-liitoksessa alapaarteen sauvaan 4. Laskentamallista saadaan vaikuttava epäkeskisyysmomentti M Ed,e. Tarkastellaan tapausta 1: S355, kuorma 24,9 kn/m, jänneväli 36 m. Epäkeskisyysmomentti on momentti epäkeskisyyselementin ja paarresauvan välisessä solmussa ja se on M Ed,e = 41,7 knm. Jaetaan tämä (I i /L i )/((I i /L i ) suhteessa sauvoille 7, 8 ja 4, kun I i on sauvan i hitausmomentti ja L i on sauvan systeemipituus ja tulos on M Ed,ei. Verrataan saatua momenttia sauvan plastiseen momenttikestävyyteen M Rd,i. Tulokset on esitetty taulukossa 4. Taulukko 4. Epäkeskisyysmomentin jakaminen K-liitoksessa. Sauva I i [mm 4 ] L i [m] (I i /L i )/((I i /L i ) M Ed,ei / M Rd,i 4 4,25E+07 4,50825 0,36 0,16 7 1,41E+07 3,51485 0,31 0,12 8 1,41E+07 3,34528 0,33 0,19 Taulukon käyttöasteet (viimeinen sarake) on lisättävä kyseisten sauvojen käyttöasteisiin. Paarteen 4 käyttöastetta voitaisiin pienentää, koska osa epäkeskisyymomentista siirtyy uumasauvoille 7 ja 8. Samoin tehdään muissa tapauksissa.
Sauvojen kestävyydet tarkastetaan käyttäen saatuja jännitysresultantteja. Tämä tarkoittaa kestävyyden tarkastusta normaali- ja leikkausvoimalle, taivutusmomentille ja näiden yhdistelmille ottaen huomioon puristettujen sauvojen nurjahdus. Poikkileikkausluokissa 1 ja 2 käytetään plastista taivutusvastusta ja kylmämuovatuilla putkilla nurjahduskäyrä on c. Normaalivoiman ja taivutusmomentin yhteisvaikutus tarkastetaan tässä standardin [3] menetelmällä 2. Taulukossa 5 on sauvojen käyttöasteet lasketuissa tapauksissa. Taulukossa on myös esitetty uumasauvojen 7 ja 8 käyttöasteet, kun on otettu huomioon epäkeskisyysmomentista tuleva lisä. Alapaarteen momentissa epäkeskisyyden aiheuttamaa vähennystä ei ole tehty. Taulukko 5. Sauvojen käyttöasteet. Yläpaarre 0,85 0,93 0,93 0,99 0,86 0,86 Alaparre 0,92 0,89 0,89 0,80 0,85 0,86 1. vinosauva 0,01 0,02 0,02 0,01 0,01 0,01 2. vinosauva 0,01 0,05 0,05 0,02 0,02 0,02 3. vinosauva 0,96 0,92 0,96 0,72 0,81 0,85 4. vinosauva 0,43 0,43 0,51 0,49 0,41 0,49 5. vinosauva 0,77 0,87 0,94 0,84 0,99 0,85 6. vinosauva 0,89 0,85 0,89 0,91 0,78 0,92 7. vinosauva 0,54 0,72 0,80 0,90 0,82 0,91 8. vinosauva 0,41 0,47 0,56 0,65 0,55 0,65 7. vinosauva kun epäkeskisyysmomentti 0,66 0,85 0,95 0,98 0,90 1,01 otettu huomioon 8. vinosauva kun epäkeskisyysmomentti otettu huomioon 0,60 0,65 0,77 0,75 0,66 0,78 Nurjahduspituutena on käytetty 0,9-kertaisia sauvojen systeemipituuksia. Uumasauvoille on mahdollista käyttää 0,75-kertaisia systeemipituuksia nurjahduspituuksina, joten puristetut uumasauvat ovat hiukan ylimitoitettuja. Paarteiden systeemipituudet ovat epäkeskisyyselementtien kiinnityskohtien välimatkat. Taulukosta 5 havaitaan, että kaikkien sauvojen kestävyydet ovat kunnossa, paitsi uumasauva 7 tapauksessa 6 epäkeskisyysmomentin vuoksi käyttöaste on 1,01 eli yli sallitun. Tämä saadaan kuntoon pienentämällä hiukan vapaata väliä ensimmäisessä liitoksessa. Taipumat kuudessa tapauksessa on esitetty taulukossa 6 käyttäen käyttörajatilan kuormaa 18 kn/m. Taulukko 6. Ristikoiden taipumat. Suurin taipuma w [mm] 94 106 105 62 67 67 L/w [-] 383 340 342 585 538 540 Putkiristikoiden taipumat eivät yleensä ole kriittiset. Jos ne tulevat suuriksi, niin valmistusvaiheessa ristikoille tehdään esikorotus siten, että haitallinen taipuma eliminoidaan lopullisessa rakenteessa.
Taulukon 6 mukaan näille ristikoille ei tarvita esikorotusta. Esikorotus voidaan kuitenkin tehdä esteettisistä syistä. Liitosten mitoitus Liitosten mitoituksessa on otettava huomioon kestävyyden lisäksi runsaasti ristikon geometriaan liittyviä ehtoja. Liitoksen jäykkyydelle ei esitetä mitään ehtoja. K-liitokselle geometriaan liittyvät ehdot ovat käyttäen standardin [4] merkintöjä (katso myös [7], jossa on otettu huomioon standardin korjaukset): Uumasauvan ja paarteen välinen kulma 30 o ; Paarteiden ja puristettujen uumasauvojen poikkileikkausluokka 1 tai 2, paitsi tässä yläpaarre poikkileikkausluokkaa 1; Muut geometriset ehdot: Jos g/b 0 1,5x(1-) ja g t 1 + t 2, niin K-liitos käsitellään kahtena T-liitoksena. Taulukon 2 ristikot täyttävät kaikki nämä ehdot. K-liitoksen kestävyys tarkastetaan tutkimalla, että mikään seuraavista murtotavoista ei toteudu: Paarteen pinnan myötääminen Paarteen leikkautuminen Paarteen pinnan lävistysleikkautuminen Uumasauvan myötääminen
Kun tutkitaan S355-ristikon liitoksia, kestävyyden kaavat ovat kuten edellä. Kun käsitellään S420- ristikkoa, niin kestävyydet N i,rd on kerrottava luvulla 0,9. Samoin tehdään hybridiristikoissa (paarteet S420, uumasauvat S355) paitsi uumasauvan myötäämistä tutkittaessa. Laskettaessa termiä k n momentiksi liitoksessa on valittu suurin paarremomentti. Normaalivoima N 0,Ed jota verrataan kestävyyteen N 0,gap,Rd on valittu vetodiagonaalin puolelta. Uumasauvojen normaalivoimia N i,ed verrataan kestävyyksiin N i,rd. Kuvan 2 mukaisissa liitosten paikallisissa malleissa ei ole laskentaelementtiä vapaan välin alueella, joten leikkausvoima V Ed lasketaan suurimpana uumasauvan normaalivoiman paarretta vastaan kohtisuorana komponenttina. Taulukossa 7 on esitetty liitosten suurimmat käyttöasteet kaikkien mahdollisten murtotapojen ja muiden rajoitusehtojen suhteen. Taulukko 7. Liitosten käyttöasteet, YP = yläpaarre, AP = alapaarre, # = uumasauva. YP - YP 0,71 0,78 0,78 0,84 0,78 0,78 YP - 1. 0,48 0,50 0,50 0,57 0,53 0,53 YP - 2. 0,48 0,51 0,51 0,57 0,53 0,53 YP - 3. 0,48 0,51 0,51 0,57 0,53 0,53 YP - 4. 0,59 0,59 0,59 0,77 0,71 0,63 YP - 5. 0,46 0,48 0,49 0,54 0,50 0,50 YP - 6. 0,71 0,73 0,68 1,00 0,85 0,84 YP - 7. 0,87 0,92 0,87 0,88 0,84 0,89 YP - 8. 0,59 0,61 0,61 0,86 0,81 0,81 AP - 1. 0,85 0,90 0,90 0,72 0,80 0,80 AP - 2. 0,85 0,90 0,90 0,72 0,80 0,80 AP - 3. 0,87 0,92 0,92 0,73 0,81 0,81 AP - 4. 0,87 0,92 0,92 0,73 0,81 0,81 AP - 5. 0,91 0,89 0,85 0,76 0,74 0,74 AP - 6. 0,96 0,99 0,90 0,92 0,84 0,89 AP - 7. 0,78 0,87 0,88 0,96 0,88 0,88 AP - 8. 0,64 0,65 0,65 0,93 0,83 0,83 Liitoksissa on tarkastettava myös hitsien kestävyydet. Käytännön suunnittelussa käytetään liitettävän sauvan kannalta täyden lujuuden hitsejä ja ne ovat [7]: Kaikki sauvat teräslajia S355: a w = 1.11t; Kaikki sauvat teräslajia S420: a w = 1.48t; Paarteet S420 ja uumasauvat S355: a w = 1.11t; ja a w on hitsin a-mitta ja t on uumasauvan seinämän paksuus. Standardi [4] antaa mahdollisuuden käyttää myös jännitystilan perusteella määriteltyä hitsin kokoa, mutta tämän säännön käyttäminen vaatii lisälaskelmia koskien liitoksen muodonmuutos- ja kiertymiskykyä (katso kohta 7.3.1(6) standardissa [4]). Näiden laskelmien teko käytännön suunnittelussa on mahdotonta käyttäen sauvamalleja.
Ristikoiden valmistuskustannukset Lasketaan ristikoiden valmistuskustannukset käyttäen kolmea kirjallisuudessa esitettyä menetelmää: Haapio [8], Pavlovcic Krajnc & Beg [9] ja Jármai & Farkas [10]. Näistä [8] ja [9] on kehitetty erityisesti sauvamaisille kokoonpanoille ja [10] myös ristikkomaisille kokoonpanoille. Valmistuskustannus koostuu seuraavista: Materiaali; Putkien katkaisu; Liitosten hitsaus; Hiekkapuhallus; Maalaus. Valmistuskustannukset ovat tässä laskennassa samat, koska kyseessä on kaksoisteräslaji S355/S420. Putkien materiaalikustannuksena on käytetty 0,8 /kg. Putkien katkaisu sisältää sahauksen ja päiden viimeistelyn. Tässä tarkastellaan vain manuaalihitsausta, koska robotteja ei juurikaan käytetä. Ristikoiden tapauksessa hitsaus pitää sisällään hitsaustyön valmistelun sekä lopullisen hitsauksen. Hitsaustyön valmistelu sisältää paikalleen mittauksen, kiinnityshitsauksen ja ristikon käännön. Valmistuskustannukset lasketaan aikaperustaisesti. Hitsauskustannuksia on tarkasteltu kirjallisuudessa laajasti. Kuvassa 5 on esitetty jalkopienan hitsausajat teräslajille S355 edellä mainitun kolmen lähteen mukaan. Kuva 5. Hitsausajat hitsin koon mukaan. Kuvasta nähdään, että lähteiden [9] ja [10] mukaan lasketut ajat ovat lähes samat ja lähteen [8] mukaan ajat ovat huomattavasti pienemmät. Putkiristikon liitoksen hitsaus ei ole vain jalkopienaa, vaan hitsausasento muuttuu liitosta kierrettäessä. Ristikon hitsaustyön valmisteluun ja osien asetteluun ( jigikustannus ) ei ole löydetty kirjallisuudesta kokeilla varmistettua kustannuslaskentamenetelmää. Lähteen [10] laskentamenetelmä on ehkä edistynein tässä mielessä.
Hiekkapuhallus on laskettu olettaen, että osat puhalletaan ennen hitsausta. Maalauskustannus on laskettu olettaen maalauskäsittely EP 160/3 FeSa2½ ja siihen liittyvät kuivumisajat. Lähteet [8], [9] ja [10] perustuvat paikoin kovin erilaisiin olettamuksiin. Kaikkien laskentamenetelmä on kuitenkin aikaperustainen. Esimerkiksi lähteen [9] menetelmässä otetaan huomioon konepajan tilakustannukset ja laitteet sekä niiden käyttökustannukset. Taulukossa 8 on esitetty kuuden ristikon valmistus- ja kokonaiskustannukset laskettuna lähteen [10] mukaan. Hitsaus [ ] 249 246 216 141 155 139 Hiekkapuhallus [ ] 234 207 208 110 103 104 Maalaus [ ] 272 240 241 127 120 120 Katkaisu [ ] 207 166 167 103 100 101 Valmistus [ ] 2479 2173 2148 1088 1053 1040 Taulukko 8. Kustannusjakautumat lähteen [10] mukaan. Taulukon 8 perusteella työstöjen (hitsaus, katkaisu, hiekkapuhallus, maalaus) osuus on 38-44 % kokonaiskustannuksista ja 55-62 % on materiaalikustannusta. Tuloksista nähdään, että pitkäjänteinen (36 m) S420-ristikko (tapaus 3) on noin 13 % edullisempi kuin S355-ristikko (tapaus 1). Hybridiristikon kustannus on likimain sama kuin S420-ristikon. Lyhyellä jänteellä S420 on noin 4% edullisempi kuin S355-ristikko. Kuvassa 6 on esitetty vertailu eri laskentamenetelmien kesken.
Kuva 6. Kustannusvertailu tapauksessa 1. Suurimmat erot ovat hitsauskustannusten kohdalla. Eroja on myös muissa kustannuksissa. Erot olivat vastaavat muissakin tapauksissa. Yksityiskohtaiset kustannuslaskelmat on raportoitu lähteessä [11]. Samassa lähteessä on esitetty ristikoiden palomitoitus. Yhteenveto Artikkelissa on esitetty kolme tapaa tarkastaa putkiristikon kestävyys, kun putket ovat Ruukin kaksoislaatua S355/S420. Liitosten tarkastelut on tehtävä loogisesti noudattaen kunkin teräslajin sääntöjä. Putkiristikoiden liitosten tarkasteluun liittyy Eurokoodimitoituksessa tiettyjen sakkokertoimien olemassaolo teräslajille S420 ja nämä on otettava huomioon. Tehtyjen laskelmien mukaan nämä kertoimet eivät sakottaneet liikaa S420-teräslajia ja S420-ristikko tuli edullisemmaksi kuin S355-ristikko. Näiden kertoimien tarpeellisuutta korkealujuusteräksille yleisesti tutkitaan juuri Hiili- ja teräsunionin projekteissa. Kun ristikko suunnitellaan käyttäen laskennassa teräslaatua S420, painossa ja kustannuksissa saadaan noin 5-15 % säästöt riippuen ristikon pituudesta verrattuna tapaukseen, jossa laskennassa käytetään teräslaatua S355. Laskemalla ristikko hybridinä kustannus hieman alenee vaadittavien hitsien pienentymisen vuoksi ristikon painon pysyessä jokseenkin samana. Teräslaadun S420 käyttö edellyttää muun muassa AA-luokan suunnittelijan pätevyyttä suunnittelijalta, mikä ei kuitenkaan ole enää suuri este käytännössä. Ristikoiden hitsauksen valmistelun ja osien asettelun kustannusten laskentaan ei löydetty testeillä varmennettua laskentamenetelmää. Muiden kustannusten laskentaan on tarjolla useita laskentamenetelmiä, jotka tosin johtavat hyvinkin erilaisiin tuloksiin esimerkiksi
hitsauskustannuksissa. Kirjallisuuden työstöajat perustuvat pääosin S235 ja S355 teräslajeilla määritettyihin arvoihin. Esimerkkilaskelmien toivotaan selventävän standardien yksityiskohtia. Kustannuslaskenta on tulevaisuudessa yksi tutkimusalue korkealujuusteräksistä valmistetuille rakenteille samoin kuin liitosten erilaisten murtumismekanismien tutkiminen normaalioloissa ja palotilanteessa. Rakenteiden optimointi, mukaan lukien ristikoiden optimointi, on myös tulevien tutkimusten keskiössä. Näitä tutkimalla uskotaan löydettävän uutta kilpailukykyä teräsrakenteille. Kirjallisuus [1] Heinisuo M., Möttönen A., Paloniemi T., Nevalainen P., Automatic design of steel frames in a CAD-system, Proceedings of the 4th Finnish Mechanics days, June 5-6, 1991, Lappenranta, Finland. [2] Heinisuo M., Laine V., Lehtimäki E., Enlargement of the component method into 3D. Proceedings of Nordic Steel Construction Conference, Luleå Unversity of Technology, SBI, Publication 181, Malmö, Sweden, September 2-4, 2009, pp. 430-437. [3] SFS-EN 1993-1-1. Eurokoodi 3. Teräsrakenteiden suunnittelu. Osa 1-1: Yleiset säännöt ja rakennuksia koskevat säännöt. Helsinki 2005, Suomen standardisoimisliitto. 99 s. [4] SFS-EN 1993-1-8. Eurokoodi 3. Teräsrakenteiden suunnittelu. Osa 1-8: Liitosten suunnittelu. Helsinki 2005, Suomen standardisoimisliitto. 149 s. [5] SFS-EN 10219-2. Kylmämuovatut hitsatut seostamattomista teräksistä ja hienoraeteräksistä valmistetut rakenneputket. Osa 2: Toleranssit, mitat ja poikki-leikkaussuureet. Helsinki 2006, Suomen Standardisoimisliitto. 51 s. [6] Mela K., Heinisuo M., Tiainen T., RFSR-CT-2012-00036, D4.5, 2013 (confidental). [7] Ongelin P., Valkonen I. Rakenneputket. 2012, Rautaruukki Oyj. 688 s. [8] Haapio J., Feature-based Costing Method for Skeletal Structures Based on the Process Approach. PhD thesis, Tampere University of Technology, 2012, Tampere, Finland. 140 p. [9] Pavlovcic L., Krajnc A., Beg D. Cost function analysis in the structural optimization of steel frames, Structural and Multidisciplinary Optimization 28, 2004. pp. 286-295. [10] Jármai K. Farkas, J. Cost calculation and optimisation of welded steel structures, Journal of Constructional Steel Research 50, 1999. pp 115-135. [11] Heinisuo M., Tiainen T., Jokinen T., Tubular truss design using steel grades S355 and S420, 2013. http://www.ruukki.fi/~/media/files/steel-products/hollow%20sections/tubular-truss-designusing-steel-grades-s355-and-s420.pdf