Castellated-palkki : teräspalkin korottamisen vaikutus rajatilamitoitukseen ja kustannuksiin

Abstract

Tämän opinnäytetyön tavoitteena on esitellä rakennesuunnittelijoille castellated-palkki rakenneratkaisuna. Tarkoituksena on antaa teoreettisen osuuden avulla lähtötietoa castellated-palkin käyttökohteista ja saavutettavista hyödyistä rakenteiden painoon, kestävyyteen ja kustannuksiin liittyen. Opinnäytetyössä keskitytään castellated-palkkien mitoitukseen sekä kustannus- ja hiilijalanjälkilaskelmiin. Opinnäytetyössä pyritään myös tuottamaan castellated-palkeista suomenkielistä lähtötietoa, jota opinnäytetyön kirjoitushetkellä on olemassa hyvin vähän.

Opinnäytetyössä vertaillaan laskennallisesti castellated-palkin ja vakioprofiilisen teräspalkin suorituskykyä esimerkkilaskelmien mitoitustilanteissa. Työssä esitellään myös castellated-palkkien osalta uuden teräseurokoodin, SFS-EN 1993-1-13: Beams with large web openings, käyttöä castellated-palkkien mitoituksessa. Suorituskyvyn lisäksi tutkitaan castellated-palkin valmistuskustannuksia, joissa otetaan huomioon niin materiaali- kuin työkustannukset. Materiaalikulutuksen lisäksi tutkitaan myös castellated-palkin hiilijalanjälkeä.

Suorituskyvyn, kustannusten ja hiilijalanjäljen osalta opinnäytetyössä tuotettiin lukuarvoja, joiden avulla rakennesuunnittelijoille muodostuu kuva castellated-palkin suurimmista hyödyistä, suunnittelusta ja soveltuvuudesta rakenneratkaisuna käytettäväksi. Castellated-palkeilla voidaan parantaa teräspalkin suorituskykyä, sekä vähentää rakennushankkeen materiaalikustannuksia sekä hiilijalanjälkeä. Castellated-palkin kustannushyödyt tulevat paremmin esille pitkillä jänneväleillä, kun taas lyhyemmillä jänneväleillä käyttö voi tulla vakioprofiilisen teräspalkin käyttöä kalliimmaksi.

Opinnäytetyössä kustannuslaskennassa ei kuitenkaan otettu huomioon lisääntyneen suunnittelutyön ja rahtikuljetusten vaikutusta, koska niille on hyvin vaikea määrittää tutkimukseen sopivaa yksikköhintaa. Jatkotutkimuksena kustannuksia tulisikin tarkastella yksityiskohtaisemmin ja laajemmin, kuin tässä opinnäytetyössä. Tutkimus voitaisiin tehdä tiiviimmässä yhteistyössä rakennesuunnittelijoiden ja konepajayritysten kanssa, jotta voidaan havainnoida castellated-palkkien todellinen vaikutus rakennushankkeen kokonaiskustannuksiin.

The purpose of this thesis was to explore castellated beams as a structural solution and study the possibility of increased performance, lighter weight and reduced costs compared to standard unperforated steel beams. This thesis also is meant to provide information on the topic in Finnish, which is currently rare.

The theoretical section explores the applications, advantages, efficiencies, limitations, and design of castellated beams. It also studies the history and manufacturing of said beams, the latter being important considering the final cost of a castellated beam. The computational analysis was done to showcase the increase in load bearing capacity of castellated beams compared to their root beams. The calculations are based on the new design standard of steel structures SFS-EN 1993-1-13: Beams with large web openings, for which this thesis also provides a limited instruction on. The final cost of manufacturing a castellated beam, as well as its carbon footprint, were also calculated and compared with standard steel beams.

As a result of this thesis, it was presented that castellated beams had an improved load bearing capacity under uniform load compared to the standard steel beam. It was also found that castellated beams have potential for significant savings in terms of cost and carbon emissions when used in long spans.

However, the increased complexity of structural analysis increases the design hours. This was not considered while calculating the cost of castellated beams, nor were the costs and emissions of possible road transport. A further study implemented into an actual building project done in collaboration with structural engineers and manufacturers could provide a more accurate picture of actual costs and savings that can be achieved with castellated beams.