Analysis and guidelines for implementation of EN 1090-2 Standard to assist execution class assignment of steel structures

Finnish design and consulting companies are delivering robust and cost-efficient steel structures solutions to a large number of manufacturing companies worldwide. Recently introduced EN 1090-2 standard obliges these companies to specify the execution class of steel structures for their customers. This however, requires clarifying, understanding and interpreting the sophisticated procedure of execution class assignment. The objective of this research is to provide a clear explanation and guidance through the process of execution class assignment for a given steel structure and to support the implementation of EN 1090-2 standard in Rejlers Oy, one of Finnish design and consulting companies. This objective is accomplished by creating a guideline for designers that elaborates on the four-step process of the execution class assignment for a steel structure or its part. Steps one to three define the consequence class (projected consequences of structure failure), the service category (hazards associated with the service use exploitation of steel structure) and the production category (manufacturing process peculiarities), based on the ductility class (capacity of structure to withstand deformations) and the behaviour factor (corresponds to structure seismic behaviour). The final step is the execution class assignment taking into account results of previous steps. Main research method is indepth literature review of European standards family for steel structures. Other research approach is a series of interviews of Rejlers Oy representatives and its clients, results of which have been used to evaluate the level of EN 1090-2 awareness. Rejlers Oy will use the developed novel coherent standard implementation guideline to improve its services and to obtain greater customer satisfaction.

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.

Convenience of scallops in plate structures

In this thesis was performed comprehensive study about the convenience of scallops in plate structures. A literature review was performed and lack of knowledge was fulfilled with fatigue tests performed in the laboratory of Steel Structures at the Lappeenranta University of Technology and with finite element method. The aim of this thesis was to produce design guidance for the use of scallops for different structural details and different loading conditions. An additional aim was to include more precise instructions for scallop design to produce good fatigue resistance and appropriate manufacturing quality. The literature review was performed searching bridge engineering and maritime standards and design guides and studies from scientific databases and reference lists from the literature of this field. Fatigue tests were used to research the effect of using scallops or not using scallops to fatigue strength of bracket specimen. Tests were performed on three specimens with different scallop radii and to five specimens without scallops with different weld penetration depths. Finite element method using solid elements, symmetry and submodels was used to determine stress concentration factors for I-beams with scallops. Stresses were defined with hot spot stress method. Choosing to use a scallop or not in the structure is affected by many factors, such as structural and loading conditions and manufacturability. As a rule of thumb, scallops should be avoided because those cause stress concentration points to the structure and take a lot of time to manufacture. When scallops are not used, good quality welding should be provided and full weld penetration is recommended to be used in load carrying corner weld areas. In some cases, it is advisable to use scallops. In that case, circular scallops are recommended to be used and radius should be chosen from fatigue strength or manufacturing point of view.

Terässiilojen mitoitusohjelman kehittäminen

Siiloja käytetään jauhemaisten ja rakeisten aineiden varastointiin ja annosteluun maataloudessa sekä mm. lasi-, laasti- ja tasoiteteollisuudessa. Tällaiset laitokset toimitetaan usein kokonaistoimituksina, joissa tavanomaisten teräsrakenteiden kustannusvaikutus voi olla jopa 30 % koko toimituksen arvosta. Niinpä osaltaan siilojen tehokkaalla mitoituksella ja erilaisiarakenneratkaisuja vertailemalla voidaan alentaa toimitusten kokonaiskustannuksia. Tässä diplomityössä perehdyttiin siilojen rakenteisiin ja niiden lujuustekniseen mitoitukseen etenkin tuentaratkaisujen osalta. Mitoituksen osalta työssä perehdyttiin pääasiassa uusiin Eurooppalaisiin standardeihin SFS-EN 1991-4 ja SFS-EN 1993-4-1. Niiden mukaan määritetään mitoituskuormat sekä tehdään lujuustekninen mitoitus. Työn tuloksena laadittiin Microsoft Excel -pohjainen mitoitusohjelma, jolla voidaan nopeasti mitoittaa siilojen olennaisimmat teräsrakenteet. Ohjelmalla voidaan määrittää mitoitus koskien siilon lieriön ja kartion seinämiä sekä tuentaratkaisuja. Ohjelma nopeuttaa erityisesti tarjousvaiheen suunnittelua ja antaa pohjan varsinaiselle siilojen yksityiskohtaiselle mitoittamiselle ja suunnittelulle.

Welding time models for cost calculations in the early stages of the design process

It is generally accepted that between 70 and 80% of manufacturing costs can be attributed to design. Nevertheless, it is difficult for the designer to estimate manufacturing costs accurately, especially when alternative constructions are compared at the conceptual design phase, because of the lack of cost information and appropriate tools. In general, previous reports concerning optimisation of a welded structure have used the mass of the product as the basis for the cost comparison. However, it can easily be shown using a simple example that the use of product mass as the sole manufacturing cost estimator is unsatisfactory. This study describes a method of formulating welding time models for cost calculation, and presents the results of the models for particular sections, based on typical costs in Finland. This was achieved by collecting information concerning welded products from different companies. The data included 71 different welded assemblies taken from the mechanical engineering and construction industries. The welded assemblies contained in total 1 589 welded parts, 4 257 separate welds, and a total welded length of 3 188 metres. The data were modelled for statistical calculations, and models of welding time were derived by using linear regression analysis. Themodels were tested by using appropriate statistical methods, and were found to be accurate. General welding time models have been developed, valid for welding in Finland, as well as specific, more accurate models for particular companies. The models are presented in such a form that they can be used easily by a designer, enabling the cost calculation to be automated.

Sähköisen komponenttikirjaston kehittäminen suurnostureiden mekaanista suunnittelua varten

Suurten satama- ja telakkanostureiden suunnittelussa käytetään suuret määrät valmiita komponentteja. Komponentteja ovat sähköiset ja mekaaniset komponentit. Näiden lisäksi komponenteiksi voidaan käsittää myös teräsrakenteet. Tässä diplomityössä on tehty ostettavista mekaanisista ostokomponenteista sähköinen komponenttikirjasto. Mekaanisia komponentteja ovat esimerkiksi mekaaniset liitososat ja mekaaniset voiman siirtoelimet. Kirjaston tehtävänä on helpottaa ja nopeuttaa suunnittelutyötä. Helpottaen tiedon hakua ja vähentää siihen kuluvaa aikaa. Oleellinen osa tietokantaa ovat käyttöliittymät, joilla tietokannan useiden taulukoiden tiedot esitetään. Näyttöjen suunnitteluun ja ulkoasun muotoiluun on panostettu käytettävyyden ja yksinkertaisuuden parantamiseksi. Tietokanta sisältää myös valmiita raporttipohjia komponenttitietojen tulostamista varten.

Kahden portaalirobotin liikkeen synkronisointijärjestelmän toteuttaminen, käyttöönotto ja testaus, järjestelmän toteuttaminen, käyttöönotto ja testaus.

Tuotekehitysprojektin tarkoitus oli kehittää "älykäs" automaatiojärjestelmä kahdesta portaalirobotista muodostuvaan kuljetinlinjaan, jossa molemmat robotit synkronoidaan kulkemaan yhtäaikaisesti sähköisen akselin avulla. Tämän teknisen ratkaisun avulla kiinteitä kustannuksia, kuten valmistus- ja asennuskustannukset, saadaan laskemaan. Kuljetinlinjaa ohjataan hajautetun automaatiojärjestelmän avulla, jossa vastaanotettu ja lähetetty tieto kulkee MPI- ja Profibus-väylien kautta. Ohjelmoitava logiikkaohjain hoitaa tiedonsiirron ylätason PC:n ja hajautettujen solmujen välillä sekä jakaa tehtäviä alatason periferialaitteille. Robottien välinen sähköinen akseli mahdollistaa terästukirakenteiden ja kehikkojen jäämisen pois, jotka vain vievät tilaa tuotantotiloilta, laitteistoilta ja koneilta. Tukirakenteiden asennustyöt ovat myös aikaa vieviä ja kalliita. Huolimatta lisääntyneestä elektronisten komponenttien lukumäärästä tulee uusi tekninen ratkaisu kustannuksiltaan halvemmaksi kuin aikaisemmin käytetty mekaanisesti yhdistetty kuljetin.

Hitsauksen laadunvarmistus teräsrakentamisessa

Suomessa on tapahtunut 2000-luvulla neljä kappaletta ns. suuronnettomuuden vaaratilanteiksi luokiteltavaa teräsrakenteiden vaurioitumisesta aiheutunutta onnettomuutta, joista yksi johti ihmishengen menetykseen. Onnettomuuden syynä oli huonolaatuisten pienahitsien pettäminen kuormituksen alaisena, joka puolestaan oli seurausta puutteellisesta hitsauksen laadunvarmistuksesta. Teräsrakenteiden valmistus ja hitsaus eivät ole yhtä tarkan viranomaisvalvonnan alaista kuten esimerkiksi painelaitteiden valmistus, vaikka teräsrakenteiden vaurioitumisesta aiheutuvat riskit ovat erittäin merkittäviä. Työn tavoitteena oli tutustua onnettomuustapauksiin, teräsrakenteista annettuihin viranomaismääräyksiin sekä ohjeisiin ja esittää laadunvarmistustoimenpiteitä, joiden avulla voidaan varmistua hitsaustyön riittävästä laadusta teräsrakentamisessa. Näitä laadunvarmistustoimenpiteitä ovat mm. hitsaushenkilöstön pätevöinti, hitsausohjeiden käyttäminen, ainetta rikkomattomat tarkastukset ja rakennesuunnitelmien tarkastukset. Toisena tavoitteena oli kartoittaa rakenteiden valmistajien ja pääurakoitsijoiden nykyistä tilannetta laadunvarmistuksen osalta sekä selvittää kiinnostusta kolmannen osapuolen tarjoamiin laadunvarmistuspalveluihin. Kyselyiden perusteella laadunvarmistuspalveluille on olemassa kysyntää tietyin kustannuksiin liittyvin varauksin. Palveluista eniten kiinnostusta herättivät ainetta rikkomattomat tarkastukset ja rakennesuunnitelmien tarkastukset.

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.

Toimitusketjun materiaalihankinnan kehittäminen ja johtaminen

Tämän työn päätavoite on luoda toimintamalli alihankintaostoille siten, että alihankkijat voisivat käyttää materiaaliostoissaan päätoimittajan materiaalisopimuksia. Päätavoite voidaan jakaa osatavoitteisiin, joita ovat ennustemallin luominen materiaalitoimittajalle, käsittäen pituusleikkureiden raskaat rakenteet, tilaus-toimitusprosessi välille päätoimittaja-alihankkija materiaalitoimittaja ja kustannussäästöjen saavuttaminen toimitusketjussa. Työssä keskityttiin pituusleikkureiden raskaiden rakenteiden toimitusketjuun yhden alihankkijan ja materiaalitoimittajan kanssa. Raskaat rakenteet määriteltiin käsittämän teräslevyjä, jotka ovat yli 16 mm paksuudeltaan. Uutta toimintamallia lähdettiin kehittämään päätoimittajan tarpeiden pohjalta. Mukaan otettiin, myös alihankkijan ja materiaalitoimittajan tarpeita. Uusi toimintamalli sisältää ennustemallin ja uuden tilaus-toimitusprosessin. Uuden toimintamallin käyttöönotto kuitenkin keskeytyi matalasta kuormitustilanteesta johtuen. Saatuja tuloksia verrattiin osin teoriassa esitettyihin asioihin.

Modern recovery boiler design criteria

Engineering and pricing of large recovery boiler were studied in this work. Engineering was carried out with Anita 4.2 which is an engineering program of Andritz. Key initial values were chosen with previous studies. Primary target of this work was to find out the consequences that furnace dimensions and furnace screen vertical part has to boiler pricing. Boilers that were engineered had different rate of furnace width and depth and different heat transfer plate count. Boiler balances were invariable. Boilers with different vertical screen construction were also calculated. First variation was boiler with vertical screen up to furnace roof. Other variation was to connect vertical screen to Pre-boiler generating bank inlet tubes. Total prices were calculated to engineered boilers. Pricing was sort out to heat transfers, high pressure pipes, steel structures, auxiliary equipments and civil/structural costs. This study did not notice parts of the boiler which costs do not vary with the construction of the boiler. Heat transfers had the largest share of costs. Boiler building had the most significant differences between the boilers. Furnace screen had also significant role especially to costs of the boiler building.

Kevyiden rakennemateriaalien soveltamismahdollisuudet metsäkoneissa

Asiakkaiden ympäristötietoisuus, metsäkoneille asetettavat korkeat vaatimukset ja kiristyvä kilpailu pakottavat metsäkoneiden valmistajat etsimään vaihtoehtoisia valmistusmateriaaleja, joita käyttämällä metsäkoneet kevenevät ja sitä kautta niiden ympäristökuormitukset ja käyttökustannukset alenevat ja kapasiteetti kasvaa. Metsäkoneiden rakenteiden keventämisessä alumiini on yksi varteenotettava vaihtoehto teräksen korvaajaksi, sillä alumiinin ominaisuus/paino -suhde on terästä parempi. Alumiinin käyttöä hitsatuissa rakenteissa ovat rajoittaneet sen korkea hinta ja melko huono väsymiskestävyys. Diplomityön tavoitteena on ollut selvittää mahdollisuuksia korvata metsäkoneiden rakenteista löytyviä teräksestä valmistettuja osia alumiinista valmistetuilla osilla. Diplomityön teoriaosassa on käsitelty rakenteiden keventämistä, metsäkoneille asetettavia vaatimuksia, alumiinien materiaaliominaisuuksia, alumiinirakenteiden valmistuksessa käytettäviä menetelmiä sekä alumiinirakenteiden suunnittelua. Lisäksi teoriaosassa on käsitelty komposiittien materiaaliominaisuuksia ja komposiittirakenteiden suunnittelua. Diplomityön kokeellisessa osassa on vertailtu nykyisiä rakennemateriaaleja ja alumiineja metsäkoneen eri osien rakennemateriaaleina osien vaatimusprofiileihin ja materiaalien ominaisuusprofiileihin perustuen. Vaatimusprofiilien perusteella on laadittu ominaisuusprofiilit alumiineille ja teräksille. Sovittamalla vaatimus- ja ominaisuusprofiilit yhteen arvoanalyysin avulla, metsäkoneista on etsitty mahdollisia kohteita, joissa nykyinen rakennemateriaali voitaisiin korvata alumiinilla. Tältä pohjalta metsäkoneista löytyi rakenteita, joissa alumiinin käyttö rakennemateriaalina teräksen sijaan olisi mahdollista. Diplomityö toimii hyvänä pohjana tutkittaessa mahdollisuuksia metsäkoneiden rakenteiden keventämiseksi.

Design and manufacture of a microdistillation column

Aim of this thesis was to design and manufacture a microdistillation column. The literature review part of this thesis covers stainless steels, material processing and basics about engineering design and distillation. The main focus, however, is on the experimental part. Experimental part is divided into five distinct sections: First part is where the device is introduced and separated into three parts. Secondly the device is designed part by part. It consists mostly of detail problem solving, since the first drawings had already been drawn and the critical dimensions decided. Third part is the manufacture, which was not fully completed since the final assembly was left out of this thesis. Fourth part is the test welding for the device, and its analysis. Finally some ideas for further studies are presented. The main goal of this thesis was accomplished. The device only lacks some final assembly but otherwise it is complete. One thing that became clear during the process was how difficult it is to produce small and precise steel parts with conventional manufacturing methods. Internal stresses within steel plates and thermal distortions can easily ruin small steel structures. Designing appropriate welding jigs is an important task for even simple devices. Laser material processing is a promising tool for this kind of steel processing because of the flexibility, good cutting quality and also precise and low heat input when welding. Next step in this project is the final assembly and the actual distillation tests. The tests will be carried out at Helsinki University of Technology.

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.

Suurlujuusterästen suuren lujuuden ja pienen murtovenymän tuomat erityispiirteet teräsrakenteen suunnittelijalle

Suurlujuusteräskonstruktioiden suunnittelu eroaa perinteisten rakenneterästen vastaavasta lukuisten lisähuomiota vaativien ilmiöiden ja seikkojen osalta, jotka kytkeytyvät toisiinsa rakenteen valmistettavuuden ja toiminnallisuuden kautta. Lujuuden sallima vapaampi suunnittelu esimerkiksi ohuempine materiaalivahvuuksineen ja näennäisesti vapaampine elementtigeometrioineen kumuloituu suurlujuusteräsmateriaalin kautta vaativampana työstettävyytenä. Tämä heijastuu suunnittelijalle materiaalin pienen murtovenymän ja käytettävissä olevat laitteistoresurssien kautta. Suurlujuusterästen muovaaminen vaatii perinteisiin rakenneteräksiin nähden suurempaa voimankäyttöä, mutta pieni murtovenymä rajoittaa saavutettavissa olevia muotoja. Materiaalivahvuuksien muuttuessa vaatii hitsausliitosten suunnittelu esimerkiksi railomuotojen uudelleensuunnittelua, sekä lämmöntuonnin aiheuttamien muutosten tarkempaa huomioimista. Näiden yhteensovittaminen ohjaa suunnittelijan poikkeuksetta hakemaan ratkaisuja erilaisista hitsausaineista ja -prosesseista. Suuren lujuuden ja pienen murtovenymän suurlujuusteräselementtien mekaanisten ominaisuuksien ja erilaisen elementtigeometrian yhdistelmänä kumuloituva rakennetekninen käyttäytyminen eroaa selvästi perinteisistä teräslaaduista. Yksittäisten elementtien suhteen korostuvat esimerkiksi stabiliteettiomiinaisuudet, sekä kokonaisten rakenteiden suhteen liitosratkaisujen vaikutus koko konstruktion toimintaan. Onnistuneella suurlujuusteräsuunnittelulla saavutettuja etuja ovat käyttökohteesta riippuen esimerkiksi kymmenien prosenttien massa- ja kustannussäästöjen kautta kumuloituvat konstruktion toiminnalliset edut. Suuren lujuuden terästen materiaaliteknisten erityispiirteiden suhteen ei kuitenkaan ole tarjolla perinteisiä rakenneteräksiä vastaavaa määrää yhteisesti sovittuja standardoituja suunnitteluohjeita. Tämän johdosta korostuu suunnittelijan kyky hahmottaa teräsmateriaalin lujuusluokan taakse piiloutuvat ilmiöt, sekä materiaalitekniset erityispiirteet ja niiden kytkeytyminen toisiinsa valmistettavuuden ja toiminnallisuuden kautta.