Korkealujuusteräkset putkiristikoissa

Rakennustekniikan laitos Metallirakentamisen tutkimuskeskus Korkealujuusteräkset putkiristikoissa Kristo Mela, TkT Timo Jokinen, Teemu Tiainen, Markku Heinisuo kristo.mela@tut.fi Teräsrakennepäivä 2015

kysymys: kuinka paljon säästöjä voidaan saavuttaa käyttämällä korkealujuusterästä putkiristikoissa?

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

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

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

topologian optimointi q

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

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

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

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

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

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

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]

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]

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 [ ]

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 [ ]

kustannuskertoimet Teräs S355 S500 S700 S960 Materiaali 1.0 1.15 1.3 1.6 Sahaus 1.0 1.15 1.3 1.5 Hitsaus 1.0 1.25 1.5 2.0 putkiprofiilien hinta (S355): 0.8 /kg

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.

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.

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

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

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

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

Steel leets htgnruoste erts hgi H Rules no seon lur High etsstrength our 5 5 3 S / 0 0 5 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/S355 553S/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%

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

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

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