Automated formulation of optimisation models for steel beam structures

Over 70% of the total costs of an end product are consequences of decisions that are made during the design process. A search for optimal cross-sections will often have only a marginal effect on the amount of material used if the geometry of a structure is fixed and if the cross-sectional characteristics of its elements are property designed by conventional methods. In recent years, optimalgeometry has become a central area of research in the automated design of structures. It is generally accepted that no single optimisation algorithm is suitable for all engineering design problems. An appropriate algorithm, therefore, mustbe selected individually for each optimisation situation. Modelling is the mosttime consuming phase in the optimisation of steel and metal structures. In thisresearch, the goal was to develop a method and computer program, which reduces the modelling and optimisation time for structural design. The program needed anoptimisation algorithm that is suitable for various engineering design problems. Because Finite Element modelling is commonly used in the design of steel and metal structures, the interaction between a finite element tool and optimisation tool needed a practical solution. The developed method and computer programs were tested with standard optimisation tests and practical design optimisation cases. Three generations of computer programs are developed. The programs combine anoptimisation problem modelling tool and FE-modelling program using three alternate methdos. The modelling and optimisation was demonstrated in the design of a new boom construction and steel structures of flat and ridge roofs. This thesis demonstrates that the most time consuming modelling time is significantly reduced. Modelling errors are reduced and the results are more reliable. A new selection rule for the evolution algorithm, which eliminates the need for constraint weight factors is tested with optimisation cases of the steel structures that include hundreds of constraints. It is seen that the tested algorithm can be used nearly as a black box without parameter settings and penalty factors of the constraints.

Double grade – rakenneputkien puristuskestävyys

Double grade S420MH/S355J2H – rakenneputki on Ruukin kylmämuovattujen rakenneputkien vakioteräslaji. Se voidaan mitoittaa joko lujuusluokan S355 tai S420 mukaisesti. Teräslajin S355 mukaisesti mitoitettaessa on suunnittelu yksinkertaista. Painonsäästöä ja pidennettyjä jännevälejä haluttaessa käytetään lujuusluokan S420 mukaista mitoitusta. Työn tavoitteena oli selvittää kylmämuovattujen teräsrakenneputkien todellinen puristuskestävyys. Eurocode 3:n mukaan kylmämuovatut teräsrakenneputket kuuluvat nurjahduskäyrälle c. Tutkimukseen valittiin viisi eri profiilia olevaa rakenneputkea, joiden poikkileikkausluokat olivat 1, 2, 3 ja 4. Käytettäessä rakenneputkia puristussauvoina, on teräksen käyttö tehokkainta poikkileikkausluokassa 3, lähellä poikkileikkausluokkaa 4. Rakenneputkista laskettiin muunnetun hoikkuuden arvoilla 0.1, 0.5, 1.0 ja 1.5 koesauvojen pituudet kaikille profiileille. Valmistettiin kolme samanlaista koesauvaa jokaisesta koosta ja puristuskokeita suoritettiin yhteensä 57 kappaletta. Koesauvojen todelliset pituudet, alkukäyryydet ja poikkileikkaukset mitattiin. Ainestodistuksista saatiin materiaalin todelliset lujuudet. Laskettiin Eurocode 3:n mukaisesti kestävyydet nurjahduskäyrille a, b ja c. Laskennallisia kestävyyksiä verrattiin puristuskokeiden tuloksiin. Puristuskokeiden tulosten perusteella voidaan b-käyrää pitää oikeana profiileille 100x100x3, 150,150x5 ja 200x200x6. Profiili 150x150x5 kuuluu poikkileikkausluokkaan 2. Profiilit 100x100x3 ja 200x200x6 kuuluvat poikkileikkausluokkaan 4. Profiili 50x50x2 kuuluu nurjahduskäyrälle c. Profiilin poikkileikkausluokka on 1 ja aiemmat tutkimukset tukevat nurjahduskäyrän c käyttöä. Profiilista 300x300x8.8 ei saatu testattua täyttä sarjaa sen suuren kapasiteetin rikottua testilaitteiston, mutta puristuskokeiden perusteella se kuuluu nurjahduskäyrälle b. Profiili kuuluu poikkileikkausluokkaan 4.

Trolley R&D project for a small portal log yard crane

This master’s thesis was done for Andritz Inc. Atlanta Georgia. The purpose of the thesis was to develop a new trolley for a small portal log yard crane. In the beginning of the thesis the basic principles of the systematic design processes have been described, along which the design work of the trolley has proceeded. The second literature part consists of the design and dimensioning of the welded steel structures under fatigue loading. The design work of the trolley consists of the engineering and the selection of the mechanical components and the design of the load carrying structure for the trolley. The realization of the steel structure of the trolley is based on the fatigue and static dimensioning. The fatigue dimensioning is grounded in the life expectations estimated for the trolley and the static dimensioning is based on the CMAA guidelines. The computer aided element method was utilized in the design of the steel structure. The effective notch method and the hot spot method were used in the fatigue calculations. The trolley structure was carried out by using the sheet metal parts in order to manufacture the structure as effective and low cost way as possible. The corner stone of the dimensioning of the trolley structure was the utilization of the open profiles made of welded or cold formed sheet metals, which provide better weldability, weld inspection, access for repairs and corrosion protection. As a last part of the thesis a new trolley traveling system was developed. The distribution of the wheel loads of the trolley bogies on the main girder was also studied, which led to an innovative suspension arrangement between the trolley leg and the bogie. The new bogie solution increases the service life of the main girder of the crane and improves the stability of the bogies. The outcome of the thesis is an excellent trolley structure from the weight and the service life point of view.

S500 Suurlujuusteräksestä valmistettujen rakenneputkiliitosten lujuusominaisuudet

Nykyinen Eurocode 3 suunnitteluohjeen rakenneputkiliitoksia käsittelevä osio vaatii S500 suurlujuusteräksestä valmistettujen liitosten mitoituksen yhteydessä käytettäväksi reduk-tiokerrointa 0.8. Tämä on varsin konservatiivinen mitoituspa, joka vähentää merkittävästi lujemman teräslaadun käyttämisestä saavutettavaa hyötyä. Tämän työn pääasiallinen ta-voite on laboratoriotestein selvittää S500 lujuusluokan rakenneputkiliitosten todellinen äärikapasiteetti ja verrata sitä nykyisen mitoitusohjeen mukaiseen kapasiteettiin. Tässä työssä tutkitut liitokset ovat valmistettu poikkileikkaukseltaan nelikulmaisista kyl-mämuovatuista rakenneputkista. Koesarja koostui kahdeksasta X-liitoksesta, sekä kymme-nestä K-liitoksesta. Kaikki testit suoritettiin huoneenlämmössä, LUT Koneen teräsrakenne-laboratoriossa. Laboratoriotestien lisäksi rakenteen käyttäytymistä tutkittiin epälineaarisen elementtimenetelmän avulla ja näitä tuloksia verrattiin kokeellisiin tuloksiin. Sekä testien että FE–analyysin perusteella voidaan todeta, että S500 lujuusluokan terästä käytettäessä ei Eurocode 3:n mukaisen reduktiokertoimen käytölle ole perusteita.

Product costing model for laser welded hollow core steel panels

The aim of the study was to create an easily upgradable product costing model for laser welded hollow core steel panels to help in pricing decisions. The theory section includes a literature review to identify traditional and modern cost accounting methodologies, which are used by manufacturing companies. The theory section also presents the basics of steel panel structures and their manufacturing methods and manufacturing costs based on previous research. Activity-Based costing turned out to be the most appropriate methodology for the costing model because of wide product variations. Activity analysis and the determination of cost drivers based on observations and interviews were the key steps in the creation of the model. The created model was used to test how panel parameters affect the costs caused by the main manufacturing stages and materials. By comparing cost structures, it was possible to find the panel types that are the most economic and uneconomic to manufacture. A sensitivity analysis proved that the model gives sufficiently reliable cost information to support pricing decisions. More reliable cost information could be achieved by determining the cost drivers more accurately. Alternative methods for manufacturing the cores were compared with the model. The comparison proved that roll forming can be more advantageous and flexible than press brake bending. However, more extensive research showed that roll forming is possible only when the cores are designed to be manufactured by roll forming. Due to that fact, when new panels are designed consideration should be given to the possibility of using roll forming.

Bus bar aeolian vibration field tests

Large amplitude bus bar aeolian vibration may lead to post insulator damage. Different damping applications are used to decrease the risk of large amplitude aeolian vibration. In this paper the post insulator load caused by the bus bar aeolian vibration and the effect of damping methods are evaluated. The effects of three types of bus bar connectors and three types of primary structures are studied. Two actual damping devices, damping cable and their combinations are studied. The post insulator loads are studied with strain gage based custom made force sensors installed on the both ends of the post insulator and with the displacement sensor installed on the midpoint of the bus bar. The post insulator loads are calculated from the strain values and the damping properties are determined from the displacement history. The bus bar is deflected with a hanging weight. The weight is released and the bus bar is left to free damped vibration. Both actual bus bar vibration dampers RIBE and SBI were very effective against the aeolian vibration. Combining vibration damper with damping cable will increase the damping ratio but it may be unnecessary considering the extra effort. Bus bar connector type or primary structure have no effect on the vertical load. The bending moment at the post insulator with double sided bus bar connector is significantly higher than at the post insulator with single sided bus bar connector. No reliable conclusions about bus bar connector type effect can be done, but the roller bearing type or central bearing type connector may reduce the bending moment. The RHS steel frame as primary structure may increase the bending moment peak values since it is the least rigid primary structure type and it may start to vibrate as a response to the awakening force of the vibrating bus bar.

Kylmälaitekoneikon runkorakenteen kehittäminen

Kylmälaitekoneikot ovat kylmäkomponentteja sisältäviä rakenteita, joiden avulla toteutetaan suurten tilojen, kuten elintarvikemyymälöiden sisäilman jäähdytys. Lisäksi koneikkojen avulla jäähdytetään matalampiin lämpötiloihin pienempiä kylmähuoneita. Osa koneikoista ottaa talteen kylmäprosessissa syntyvän lämmön, jota hyödynnetään tilojen lämmityksessä. Tämän diplomityön tavoitteena oli suunnitella ja mitoittaa kahdeksalle eri kylmälaitekoneikolle entistä kustannustehokkaammat runkorakenteet, jotka ovat niin kestäviä, että koneikkoja on mahdollista pinota tilan säästämiseksi kolme päällekkäin. Lisäksi runkorakenteilta vaadittiin helppoa kuljetettavuutta, hyviä kiinnitysominaisuuksia ja korroosionkestävyyttä. Aluksi työssä selvitettiin runkorakenteisiin kohdistuvat vaatimukset, jonka jälkeen materiaalin valinta tehtiin materiaaliin kohdistuvien vaatimusten perusteella. Rakenteiden palkit mitoitettiin tarvittavan taivutusvastuksen ja kiepahduksen mukaan. Pilarit puolestaan mitoitettiin nurjahduksen ja kaksiaksiaalisen taivutustilan perusteella. Tämän jälkeen mitoitettiin eri sauvojen väliset hitsi- ja ruuviliitokset siten, että rakenne hajoaa ylikuormitustilanteessa mahdollisimman turvallisesti. Työssä tehdyt laskelmat varmennettiin elementtimenetelmän avulla ja lopullisille rakenteille tehtiin elementtimenetelmällä vielä ominaistaajuusanalyysejä. Lopuksi työssä suunniteltiin runkorakenteille sopiva korroosionsuojaus.

Ohutlevyn diodilaserhitsaus

Diplomityössä tutkitaan, miten diodilaserhitsauksen ominaisuuksia ja mahdollisuuksia voidaan hyödyntää teollisuuden käytännön sovellutuksissa. Työn alkuosassa esitelläändiodilaserin toimintaperiaatetta ja säteen muodostumista. Lisäksi työssä on esitetty laserin käyttöön liittyviä turvallisuusseikkoja. Hitsaukseen liittyviä teknisiä seikkoja on myös käyty läpi. Työn kokeellisessa osassa tutkitaan kylmävalssatun ja ruostumattoman teräksen hitsattavuutta eri liitosmuodoissa kuten päittäis-, laippa- ja päällekkäisliitoksissa. Hitsauskokeet suoritettiin eri paksuisille levyille. Tavoitteena oli löytää eri levymateriaaleille ja liitosmuodoille oikeat nopeus- ja tehoparametrit. Diodilaserkokeet suoritettiin käyttäen Hämeen ammattikorkeakoulun Riihimäen yksikön 2 kW:n tehoista diodilaserlaitteistoa. Koekappaleet olivat 100 x 200 mm kokoisia. Osalle hitsatuista kappaleista tehtiin vetokokeita ja mikrokovuuskokeita. Hitseille tehtiin silmämääräinen tarkastus ja lisäksi tutkittiin hitsejä mikroskooppikuvauksella. Koekappaleita hitsaamalla selvitettiin teho- ja nopeusparametrit. Hitsattaessa kylmävalssattuja levyjä muodostui hitsausvirheitä T- ja päittäisliitoksissa. Hitsausvirheet huomattiin, kun suoritettiin vetokokeita ja tehtiin hietä. Mutta yleensä kylmävalssattujen levyjen hitsaus onnistui moitteettomasti. Kun hitsaukset suoritettiin käyttämällä ruostumatonta terästä, hitsausvirheitä ei muodostunut, kuten kylmävalssattuihin levyihin. Ruostumattomien terästen hitsaus onnistui moitteettomasti. Tunkeuma molemmissa levytyypeissä oli hyvä. Todettiin, että levyt hitsautuivat yhteen hitsauksen alussa moitteettomasti, mutta loppuosa ei hitsautunut kunnolla, koska lämpötilanmuutos muokkasi levyjen muotoja.

Diodilaserin käytön edellytykset ohutlevyjen hitsauksessa

Diplomityössä tutkitaan diodilaserhitsausta mahdollisena teollisuuden menetelmänä ja menetelmän vaatimuksia hitsattaessa ohutlevyjä. Työssä tutkittavat materiaalit ovat kylmävalssattu teräs ja ruostumaton teräs sekä liitosmuotoina päittäis-, laippa- ja päällekkäisliitos. Materiaalivahvuudet ovat 0,50 mm:stä 1,50 mm:iin. Työn tavoitteena on määrittää näille kyseisille materiaaleille ja liitosmuodoille hitsausnopeus levynvahvuuden funktiona. Lisäksi käsitellään diodilaserin rakennetta, säteen muodostusta, säteen muokkaamista, säteen analysointia ja säteen turvallisuuteen liittyviä asioita. Suoritetaan vertailua käytössä oleviin muihin lasertyöstömenetelmiin konepajoissa ja tehdään arvio mahdollisen diodilaserinvestoinnin kannattavuudesta. Diodilaserhitsauskokeissa käytettiin Hämeen ammattikorkeakoulun Riihimäen yksikön 1 kW:n tehoista diodilaseria. Koekappaleet leikattiin suuntaisleikkurilla. Osalle hitsatuista kappaleista tehtiin poikittaiset vetokokeet ja mitattiin mikrokovuudet. Virheitä tutkittiin silmämääräisesti sekä radiografisella kuvauksella. Kaikille tutkituille liitoksille, materiaaleille ja vahvuuksille saatiin määriteltyä hitsausnopeudet. Tehtyjen testien perusteella suuntaisleikkurin käyttö on mahdollista. Lisäksi havaittiin suojakaasun käytön myötä, että kirkkaan sulan aiheuttama heijastavuuden kasvu edellyttää hitsausnopeuden pienentämistä.

Kylmämuovatun putkipalkin väsyminen metsätyökoneen puomirakenteessa

Työssä on tutkittu kylmämuovatun suorakaideputkipalkin väsymistä metsätyökoneen puomirakenteen osana. Kylmämuovatun putkipalkin sisäpintaan syntyy käytössä puristavan ulkoisen kuormituksen vaikutuksesta putkipalkin pituussuunnassa sekä seinämän läpi kasvavia säröjä. Työn tarkoituksena on ollut selvittää rakenteen väsymiskestoikä sekä säröytymisen aiheuttavat tekijät. Työssä on verrattu kestoikälaskentaan ja särönkasvuun sovellettujen murtumismekaniikan ja elementtimenetelmän tuloksia laboratoriokokeista saatuihin tuloksiin. Toisiaan tukevien tulosten perusteella kylmämuovausprosessissa syntyneiden jäännösjännitysten osuus särön ydintymisessä, kasvussa ja sen käyttäytymisessä on ulkoisen kuorman paikallisen vaikutuksen lisänä erittäin merkittävä. Putkipalkin väsyminen onkin jäännösjännityksistä riippuva särönkasvuilmiö.

Materiaalimallin määrityksestä kylmämuovattujen putkipalkkien K-liitosten FE-analyysissä

Työssä on tutkittu kylmämuovattujen nelikulmaisten putkipalkkien K-liitosten mallinnusta epälineaarisella elementtimenetelmällä. Työn tärkeimpänä tavoitteena on ollut kehittää putkipalkin osien materiaalimalleja siten, että liitosten kestävyyttä voidaan tutkia laboratoriokokeiden ohella luotettavasti myös elementtimenetelmällä. Toisena tavoitteena on ollut tutkia, voidaanko putkipalkkien liitosten mitoitusohjeita turvallisesti soveltaa kylmämuovatuille putkipalkeille, joissa valmistusprosessi aiheuttaa muutoksia materiaaliominaisuuksiin, erityisesti muodonmuutoskykyyn. Työssä tehtyjen laboratoriokokeiden ja elementtianalyysien perusteella elementti-menetelmä on käyttökelpoinen työkalu putkipalkkiliitosten staattista kestävyyttä määritettäessä, kun materiaalimallit on määritetty oikein. Erityisesti liitoksen käyttö-rajatilan mukaisen kestävyyden laskennassa elementtimenetelmällä saadaan hyvin laboratoriokokeita vastaavia tuloksia. Tehdyt laboratoriokokeet osoittavat myös, että Eurocode 3:n mukaisia putkipalkkien liitosten mitoitusohjeita voi turvallisesti käyttää kylmämuovatuille putkipalkeille.

Teräspalkkirakenteiden palomitoitus hiilivetypalossa

Työn tavoitteena oli kehittää teräspalkkirakenteiden palosuunnittelua ja palosuojauksen toteutusta öljynjalostamolla käytettävien kantavien teräspalkkirakenteiden osalta. Lisäksi tavoitteena oli luoda suunnitteluohjeen runko palomitoituksen toteuttamiseksi Neste Engineering Oy:ssä. Ongelmakohtia työssä olivat rakenteiden kapasiteettien tarkka määritys, toimivien toteutusratkaisujen etsiminen, sekä öljynjalostamolla mitoituspalona käytettävän hiilivetypalon SFS-ENV-1992-1-2 käyttö yleisemmin mitoituspalona käytettävän standardipalo ISO-834 sijaan. Työssä perehdyttiin kirjallisuuden perusteella eri palosuojausmenetelmiin. Tarkemman jatkotutkimuksen kohteeksi otettiin jo käytössä hyväksi havaittu teräsputkipalkkien sisäpuoleinen betonitäyttö. Menetelmässä teräsputkipalkin oletetaan kantavan kuormat normaalitilassa ja sisällä olevan raudoitetun betonin palossa. Palkkirakenteiden kapasiteettimitoitus määritettiin laskennallisesti poikkileikkauksille. Mitoitus perustuu palkissa tapahtuvien sisäisten venymien ja puristumien tarkasteluun, sekä poikkileikkauksen tarkan lämpötilajakauman huomioimiseen. Raudoitustankojen ankkurointia palkki-pilari-liitoksessa kehitettiin valmistuksen kannalta yksioikoisemmaksi ja helpommin toteutettavaksi. Palkkien raudoituksiin suunniteltiin kierremuhvijatkoksella toteutettava ankkurointimenetelmä, jolla palkkien raudoitustangot saadaan ankkuroitua täydestä kapasiteetistaan tapauskohtaisesti pilarin vastakkaisella puolella olevaan palkkiin tai ankkurointikappaleella pilariin. Teräsputkipilarin betonivalun vaihtoehtoisiin menetelmiin tutustuttiin. Pilarin alapäähän asennettavan venttiilin läpi tapahtuva täyttö helpottaa betonointityövaihetta. Tutkimuksen tuloksena luotiin suunnitteluohjeen runko, jonka pohjalta voidaan tehdä lopullinen ohje. Myös työn tuloksena saatu laskentaohjelma palkkien momentti-kapasiteetin ja pilarin nurjahduskuorman laskemiseksi helpottaa suunnittelua. Raudoituksen ankkurointiin ja betonointiin esitettyjen menetelmien toimivuus on syytä kokeilla käytännössä ja tehdä jatkokehitys näistä saatavien kokemusten pohjalta.

Kylmämuovattujen putkipalkkien X-liitosten äärikestävyyden ja jäykkyyden määrittäminen sekä materiaalimallin kehittäminen

Työssä on tutkittu elementtimenetelmän avulla kylmämuovattujen nelikulmaisten putkipalkkien materiaalimallin kehittämistä ja putkipalkkien X-liitosten jäykkyyden ja äärikestävyyden määrittämistä. Työn tavoitteena on tutkia kylmämuovauksen vaikutuksia putkipalkkiprofiilin materiaaliominaisuuksiin materiaalikokeiden ja elementtianalyysien avulla sekä kehittää putkipalkille anisotrooppista materiaalimallia. Työssä määritettyjä materiaalimalleja on sovellettu X-liitosten elementtimalleihin, joiden käyttäytymistä on verrattu äärikestävyyskokeiden tuloksiin. Tutkimuksen perusteella Eurocode 3:n mitoitusohjeita voidaan turvallisesti soveltaa kylmämuovattujen putkipalkkien X-liitosten laskennassa. Työssä tehtyjen materiaalikokeiden ja elementtianalyysien perusteella materiaalin anisotrooppisuuden vaikutus liitoksen kestävyyteen on vähäistä, ja putkipalkin pituussuuntaista materiaalimallia voidaan soveltaa myös kehäsuuntaisille materiaaliominaisuuksille. Materiaalikokeiden simulointi osoittaa, että elementtimenetelmää voidaan käyttää materiaalimallin määrittämisen apuvälineenä.

Suurnopeuskompressorin modulaarisen runkosarjan suunnittelu

Tässä diplomityössä suunniteltiin parametrisesti modulaarinen koneen runko. Pyrkimyksenä oli suunnitella kokonaiskustannuksiltaan alhaisempi runkosarja jo olemassa oleviin suurnopeuskompressoreihin. Raportissa kerrotaan ensin modulaaristen tuoterakenteiden suunnittelusta ja käytettävästä suunnitteluohjelmistosta (SolidWorks). Sen jälkeen keskitytään suurnopeuskompressorin runkosarjan suunnitteluun esimerkkitapauksena. Aluksi keskitytään selvittämään rungolle asetettuja vaatimuksia ja ideoimaan erilaisia runkokonsepteja. Työ etenee ideoiden vertailun kautta modulaaristen konseptien luomiseen ja kahden moduulin moduulikohtaiseen suunnitteluun. Suunnitteluprosessissa käytetään rakenteen käyttäytymisen arviointiin äärellisten elementtien menetelmää (FEM). Työssä kehitettiin alkuperäisiin runkorakenteisiin verrattuna 10 % kustannuksiltaan edullisempi runkorakenneratkaisu, jonka purettavuus lisäksi alentaa rakenteen kuljetus- ja varastointikustannuksia.

Teollisuussuodattimen kehikon hitsauskiinnittimen suunnittelu robottihitsausasemaan Larox Oy:lle

The purpose of this work is to support the company in the designing of a welding clamp and to switch partly from manual welding to automatic welding. The product is a stainless steel frame of an industrial filter. This work includes the theory and the case sections. The theory covers the half of the work and studies significant aspects of designing of a welding clamp. The case reveals few models for a welding clamp for the company's needs. The study of the initial conditions and possible changes to existing product line are also included.