Optimalisering av fagverksbjelke i stål

Abstract

Ved prosjektering av konstruksjoner blir man ofte stilt overfor restriksjoner til utforming. I oppgaven ble det tatt utgangspunkt i en eksisterende fagverksbjelke av stål i Tromsøbadet. Her ble det under prosjekteringen satt en begrensing til maksimal høyde for fagverket på 3m. Dette medførte et behov for relativt store tverrsnitt, da interne krefter fordelte seg ugunstig. Det var ønskelig å se på hva slags økonomiske og miljømessige konsekvenser denne restriksjonen hadde, i forhold til økt materialbruk. Opprinnelig bjelke var utgangspunkt for en optimalisert bjelke uten gitt restriksjon. De to bjelkene dannet sammenligningsgrunnlaget for oppgaven.

Fagverket bærer lasten til to betongdekker, teknikk, taktekking, isolering, snølast og vindlast. Totalt spenn er 38.8m. Dette utgjorde grunnlaget for optimaliseringen og endelig utforming.

Prosjekteringen ble gjort i henhold til Eurokode 0: Grunnlag for prosjektering av konstruksjoner, Eurokode 1: Laster på konstruksjoner, og Eurocode 3: Prosjektering av stålkonstruksjoner. Det ble gjennomført en optimalisering i FEM-Design, som sørget for minst mulig materialforbruk ved maksimal utnyttelse. Alle kraftberegningene er i tillegg utført for hånd, samt beregning av knutepunkter og kontroller. Dette ble utført i MathCad Prime i egenkomponerte regneark.

Da den eksisterende fagverksbjelken er plassert i et svært korrosivt miljø, var det hensiktsmessig å ha fokus rettet mot overflatebehandling. Overflatebehandling kan være svært kritisk for konstruksjonens bæreevne og levetid, der feilbehandling kan medføre store utilsiktede kostnader. En fordypning i overflatebehandling ble derfor gjort, og det er utarbeidet et alternativ til løsning for fagverket.

Optimalisert fagverk fikk en reduksjon fra 20 til 14 staver og en høyde på 6,25m. Valg av overflatebehandling ble et malingssystem med tykkelse på 320m, tilpasset korrosjonsklasse C5.

Resultat av prosjekteringen viser en vektnedgang fra 43 tonn til 24 tonn, og en reduksjon i ståloverflate fra 247m² til 227 m². Det ble oppgitt priser for stål og overflatebehandling av ekstern veileder, samt innhentet miljøbelastning fra godkjente EPD-er. Dette ga en prisreduksjon på 37% og en miljøbesparelse på 50 000 kg CO2-ekvivalenter.

Det konkluderes derfor med at restriksjon til høyde er ugunstig for økonomi og miljø. Resultatet tok utgangspunkt i sammenligningen av to konkrete fagverk, men kan også være relevant for tilsvarende prosjekter. Basert på dette kan man hevde at restriksjoner til utforming generelt kan få negative konsekvenser for byggeprosjekter.

Restrictions in design are a well known element during the engineering phase. The main objective of this thesis is based on an existing steel truss beam located in Tromsøbadet, a public swimming pool. During the planning process, a limiting height of 3m was imposed as a restriction for the truss. Due to an unfavorable distribution of internal forces, this resulted in large cross section areas. Seeing the consequences of this restriction, it was of interest to focus on material consumption in terms of costs and environment. The existing beam acted as a starting point for the optimization of a truss beam without the height restriction. The two beams formed the basis of comparison for the thesis.

Present loads in the calculation include two concrete slabs, technical equipment, roofing, insulation, snow load and wind load. The total span of the beam was set to 38.8m. This formed a basis for optimization and final design.

The engineering was done in accordance with the design codes; Eurocode 0: Basis of structural design, Eurocode 1: Actions on structures, and Eurocode 3: Design of steel structures. Optimization of the beam was carried out using the modelling software FEM-Design, making sure material usage was at its lowest while utilizing most of the cross section. Calculations of the internal forces, as well as joints and control of capacity, was executed by hand using MathCad Prime.

The existing truss beam is in a highly corrosive environment, which made it appropriate to focus on surface treatment. Surface treatment can be very critical for the load bearing capacity and the total lifetime of the structure. Improper treatment can result in large unintended costs. In-depth studies of surface treatment was therefore done, and an optional solution for the truss beam is presented.

Optimization of the truss beam led to a reduction from 20 to 14 members, and a height of 6.25m. The chosen surface treatment is chosen to be a paint system of 320m, based on corrosion class C5.

This resulted in a weight reduction from 43 to 24 tons, and a reduced surface area from 247m² to 227m². Prices on steel- and surface treatment were provided by an external supervisor, and environmental impact was determined in accordance with approved EPDs. This resulted in a price reduction of 37%, and a decrease of 50 000 kg CO2-equivalents.

This paper concludes that without the restrictions put on the height of the beam it would have been possible to achieve considerable improvements for the economical and environmental aspects of the project.