Rakenneputkiristikosta ja I-poikkileikkauksisista pilareista koostuvan teräskehän optimointi
Keskinen, Victoria (2020)
2020
Rakennustekniikan DI-tutkinto-ohjelma - Degree Programme in Civil Engineering, MSc (Tech)
Rakennetun ympäristön tiedekunta - Faculty of Built Environment
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2020-05-13
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202004213477
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202004213477
Tiivistelmä
Tutkimuksen aihe on teräksisen kaksoissymmetrisestä hitsatusta I-poikkileikkauksisesta pilarista ja rakenneputkiristikosta koostuvan kehän optimointi. Työn avulla SSAB:n on tarkoitus lisätä kaksoissymmetrinen hitsattu I-poikkileikkauksinen pilari FrameCalc-laskentaohjelmaansa. Myös alustavaa tutkimusta viistetyn pilarin optimoinnista ja lisäämisestä ohjelman pilarivaihtoehdoksi on tehty. Tavoitteena on ollut selvittää, miten pilarin ja kehän optimointitehtävät on asettava ja kuinka ne kannattaisi ratkaista, jotta saavutettaisiin mahdollisimman kevyt rakenne, joka täyttää eurokoodien vaatimukset lujuudelle ja stabiilisuudelle. Optimointi ja elementtimallin luominen on tehty Python-ohjelman avulla.
Työssä on tutustuttu erilaisiin algoritmeihin ja niiden toimintaan sekä käsitelty optimoinnin peruskäsitteitä. Suunnittelumuuttujina on käytetty pääasiassa I- ja neliöputkiprofiilin poikkileikkausmittoja. Ratkaisumenetelmänä on käytetty pilarilla branch-and-bound -algoritmia, jossa muuttujat ovat diskreettejä. Tässä menetelmässä on alitehtävä, joka ratkaistaan trust region -algoritmilla. Kehän ratkaisumenetelmänä on käytetty kaksivaiheista menettelyä, jossa ensimmäisessä vaiheessa käytetään binäärimuuttujia sekä seka- ja kokonaislukuista peräkkäisten lineaaristen approksimaatioiden menetelmää. Toisessa vaiheessa käytetään indeksimuuttujia ja moniympäristöhakua, jonka alitehtävä ratkaistaan geneettisellä algoritmilla.
Yksittäistä pilaria on tutkittu 144 erilaisella laskentatapauksella kolmella eri teräslajilla. Diskreeteillä muuttujilla optimoitua hitsattua I-profiilista poikkileikkausluokassa 2 tai 3 olevaa pilaria on vertailtu vastaavaan käypään SHS- ja HEA-profiiliseen pilariin. Tutkimuksen laskentatulosten perusteella voidaan sanoa, että painon kannalta on järkevää käyttää hitsattuja I-profiileita pilareina. Hitsattujen I-profiilisten pilareiden painoero HEA- ja SHS-profiileihin verrattuna korostuu pisimmillä tutkituilla pilareilla. Mitä pidempi pilari on, sitä enemmän optimoinnilla saavutetaan hyötyä painon suhteen. Laskentatapausten perusteella voidaan todeta, että pilarin ratkaisemiseen käytetty menetelmä näyttää sopivan hyvin kaksoissymmetrisen hitsatun I-profiilisen pilarin ratkaisemiseen.
Kehällä on tutkittu neljää erilaista laskentatapausta kahdella eri teräksellä. Kehän optimointituloksista ei voida tehdä yhtä suoria päätelmiä kuin yksittäisen pilarin optimoinnista. Kehällä ei myöskään ole tutkittu niin paljon eri tapauksia, että voitaisiin tehdä kattavia johtopäätöksiä. Laskentatapausten perusteella on todettu, että käytetyt algoritmit eivät tässä työssä olleet kehän optimointitehtävän ratkaisemiseen sopivimpia.
Työssä on tutustuttu erilaisiin algoritmeihin ja niiden toimintaan sekä käsitelty optimoinnin peruskäsitteitä. Suunnittelumuuttujina on käytetty pääasiassa I- ja neliöputkiprofiilin poikkileikkausmittoja. Ratkaisumenetelmänä on käytetty pilarilla branch-and-bound -algoritmia, jossa muuttujat ovat diskreettejä. Tässä menetelmässä on alitehtävä, joka ratkaistaan trust region -algoritmilla. Kehän ratkaisumenetelmänä on käytetty kaksivaiheista menettelyä, jossa ensimmäisessä vaiheessa käytetään binäärimuuttujia sekä seka- ja kokonaislukuista peräkkäisten lineaaristen approksimaatioiden menetelmää. Toisessa vaiheessa käytetään indeksimuuttujia ja moniympäristöhakua, jonka alitehtävä ratkaistaan geneettisellä algoritmilla.
Yksittäistä pilaria on tutkittu 144 erilaisella laskentatapauksella kolmella eri teräslajilla. Diskreeteillä muuttujilla optimoitua hitsattua I-profiilista poikkileikkausluokassa 2 tai 3 olevaa pilaria on vertailtu vastaavaan käypään SHS- ja HEA-profiiliseen pilariin. Tutkimuksen laskentatulosten perusteella voidaan sanoa, että painon kannalta on järkevää käyttää hitsattuja I-profiileita pilareina. Hitsattujen I-profiilisten pilareiden painoero HEA- ja SHS-profiileihin verrattuna korostuu pisimmillä tutkituilla pilareilla. Mitä pidempi pilari on, sitä enemmän optimoinnilla saavutetaan hyötyä painon suhteen. Laskentatapausten perusteella voidaan todeta, että pilarin ratkaisemiseen käytetty menetelmä näyttää sopivan hyvin kaksoissymmetrisen hitsatun I-profiilisen pilarin ratkaisemiseen.
Kehällä on tutkittu neljää erilaista laskentatapausta kahdella eri teräksellä. Kehän optimointituloksista ei voida tehdä yhtä suoria päätelmiä kuin yksittäisen pilarin optimoinnista. Kehällä ei myöskään ole tutkittu niin paljon eri tapauksia, että voitaisiin tehdä kattavia johtopäätöksiä. Laskentatapausten perusteella on todettu, että käytetyt algoritmit eivät tässä työssä olleet kehän optimointitehtävän ratkaisemiseen sopivimpia.