Höghållfast stål - Optimerat materialutnyttjande i byggnadsstommar High strength structural steel - Optimal use of material Författare: Uppdragsgivare: Handledare: Camilla Lagerstedt, Malin Fors Zavalis Sweco Structures AB Alexander Dobo Sweco Structures AB Per Hedmark Sweco Structures AB Kai Ödeen KTH ABE Examinator: Examensarbete: Sven-Henrik Vidhall 15 högskolepoäng inom byggteknik och design Godkännandedatum: 2013-07-12 Serienummer 2013;60
Sammanfattning I detta examensarbete utförs en jämförelse av HSQ-balkar och VKR- pelare i hållfasthetsklass S355 respektive S460. I arbetet dimensioneras profiler anpassade efter studerade fiktiva konstruktioner och ställs emot varandra. Syftet är att optimera profilerna och effektivisera stålanvändningen. Förhoppningen är att en applicering av höghållfast stål i vanliga konstruktioner medför en reducerad stålmängd. Är minskningen tillräckligt stor bidrar denna i sin tur till en mindre miljöpåverkan samt kostnadseffektiva dimensioneringslösningar. Två olika byggnadsstommar utförda i stål med sträckgränsen 355 respektive 460 MPa undersöks. Huvudkonstruktionen studeras i delalternativ beroende på en variation av upplagsfall och stålklass vilket påverkar dimensioneringen av profilerna. Resultaten används för att göra en miljö- och kostnadsanalys. Rapporten visar blandade resultat. Det finns besparingar att göra men inte i alla avseenden. Miljöanalysen visar att koldioxidutsläppet minskar i de alternativ där stålmängden reducerats. En prisuppskattning av de framtagna profilerna visar att inga kostnadsbesparingar kan göras då alla balkar och pelare i den studerade konstruktionen byts ut till stål med en högre hållfasthetsklass. I de enskilda fall där materialbesparingen är över 10 % kan kostnadsbesparingar göras. Nyckelord: HSQ-balk, VKR-pelare, höghållfast stål, miljöpåverkan, kostnadsanalys
Abstract The thesis is a comparison of HSQ-beams and VKR-columns of strength grade S355 and S460. In this study, profiles designed for two different fictional construction frames are compared to each other. The aim is to optimize the profiles and streamline the steel use. Hopefully the usage of high-strength steel in ordinary structures results in a reduced amount of steel. If the decrease is sufficiently large it contributes to a reduced environmental impact and cost effective solutions. Two separate building frames made in both steel with yield strength of 355 and 460 MPa are examined. The main structure is studied in sub-options depending on a variety of support case and steel grade which affects the design of the profiles. The results are used to analyze their impact on costs and environment. The report shows mixed results. There are savings to be made but not in all respects. Environmental analysis shows that carbon dioxide emissions decrease in the options where the steel amount is reduced. A price estimation of the profiles show that no savings can be made when the entire studied structure is upgraded to a high strength steel. However, cost savings can be made in individual cases where the material savings is 10 % higher. Keywords: HSQ-beam, VKR-column, high strength steel, environmental impact, cost analysis
Förord Detta examensarbete är skrivet under våren 2013 i samarbete med företaget Sweco Structures. Examensarbetet är det sista momentet under vår utbildning Byggteknik och Design 180 högskolepoäng på KTH. Arbetet är en fördjupning inom vår inriktning Husbyggnad, projektering och konstruktion. Det som tilltalade oss med denna undersökning var att arbetet krävde mycket konstruktionsberäkningar. Uppgiften kändes som en utmaning för oss, aktuell och betydelsefull för Sweco Structures. Arbetet har utvecklat vår kunskap och ökat vårt intresse för höghållfast stål. Vi vill tacka Per Hedmark och Alexander Dobo, våra handledare på Sweco Structures, som tagit fram problemformuleringen för förtroendet. Tack Kai Ödeen, vår handledare från KTH, för ditt brinnande engagemang och dina värdefulla, konstruktiva synpunkter. Tack Jan Sperle, Sperle Consulting, för handledningen med miljöanalysen och för att vi fått använda Ecosteel.Tack också till Jan Österholm från Ruukki, Petri Kalliokoski från Normek och Mikael Gustafsson från Skanska stomsystem för att ni bidrog till faktainsamlingen. Vidare vill vi tacka vår examinator Sven- Henrik Vidhall som följt oss genom vår utbildning. Tack för att du har gett oss kunskapen, det eviga tålamodet och för att du delat med dig av din expertis. Med din hjälp har vi nu tagit vår examen. Stockholm, Maj 2013 Malin Fors Zavalis Camilla Lagerstedt
Beteckningar A = Tvärsnittsarea A v c/c = Skjuvarea för tvärsnittet = Centrumavstånd l = Spännvidd, beroende av upplagsförhållanden mm 2 mm 2 mm mm LB = Lastbredd h = Tvärsnittets totala höjd mm mm h w = Livets höjd mellan flänsarna t w = Livets tjocklek mm mm b f 1 = Övre flänsens bredd b f 2 = Undre flänsens bredd t f 1 = Övre flänsens tjocklek mm mm mm t f 2 = Undre flänsens tjocklek mm E f y I y,z z uk,el z ök,el = Elasticitetsmodul = Sträckgräns = Tröghetsmoment kring respektive axel = Tyngdpunktsläge från underkant elastisk analys = Tyngdpunksläge från överkant elastisk analys mm 4 mm mm z uk,pl = Tyngdpunktsläge från underkant plastisk analys z ök,pl = Tyngdpunksläge från överkant plastisk analys S ö S u L cr = Statiska momentet för tvärsnittsdelen över tyngdpunksaxeln = Statiska momentet för tvärsnittsdelen under tyngdpunksaxeln = Knäcklängd (Kritisk längd) M Ed,y = Moment av last kring y-axeln mm mm mm 3 mm 3 mm M Rd,y = Momentkapacitet kring y-axeln M pl,rd,y = Momentkapacitet plastisk analys kring y-axeln
M el,rd,y = Momentkapacitet elastisk analys kring y-axeln M 1 = 1:a ordningens moment av last M 2 = 2:a ordningens moment av last M sx = Moment av last vid stöd x M fx N c,ed N pl,rd = Största fältmoment av last vid avståndet x från stöd = Tryckkraft av last = Tryckkraftkapacitet plastisk analys N cr = Elastisk knäcklast V Ed = Tvärkraft av last V pl,rd = Tvärkraftkapacitet plastisk analys V x = Tvärkraft av last på avståndet x från stöd R x W pl,y,z W el,y,z w mitt = Upplagskraft vid stöd x = Plastiskt böjmotstånd kring respektive axel = Elastiskt böjmotstånd kring respektive axel = Mittnedböjning av last mm 3 mm 3 mm cd = Tryckspänning av last M 0 = Partialkoefficient d = Partialkoefficient för säkerhetsklass = Tunghet för material kn / m 3 TK = Tvärsnitsklass = Töjning, faktor för stålkvalitet =Faktor för area, svetsade balkar cd = Värde för inspänningsfaktor bow = Värde för knäckkurva (profiltyp) e od = Imperfektionsmått 0,1 = Faktor för nyttig last
C t = Termisk koefficient C e = Exponeringsfaktor = Formfaktor som beror av takets form s k = Karakteristiskt värde för snölast på mark q k = Utbredd last Q k = Utbredd last kn / m 2 kn / m 2 kn/m
Innehåll 1 Inledning... 1 1.1 Bakgrund... 1 1.2 Syfte... 1 1.3 Uppgift... 1 1.4 Avgränsningar... 2 1.5 Metod... 2 2 Stål... 3 2.1 Framställning konstruktionsstål... 3 2.1.1 Bearbetning... 3 2.2 Egenskaper... 4 2.3 Hållfasthetsklassificering... 5 3 Referensobjekt... 7 3.1 Friends Arena... 7 4 Konstruktion... 9 4.1 Uppbyggnad huvudkonstruktion... 9 4.2 HSQ-balk... 10 4.2.1 Uppbyggnad... 11 4.2.2 Användningsområde... 11 4.3 Pelare... 12 4.3.1 Uppbyggnad... 13 4.4 Tillverkningsmetoder... 13 5 Laster och förutsättningar... 15 5.1 Egentyngder... 15 5.2 Nyttiga laster... 15 5.3 Lastnedräkning... 15 6 Dimensionering... 17 6.1 HSQ-balk... 17 6.1.1 Tvärsnittsklass... 17 6.1.2 Böjmomentkapacitet... 17 6.1.3 Tvärkraftskapacitet... 17 6.1.4 Nedböjning... 18 6.2 Pelare... 19 6.2.1 Tryckkraftskapacitet... 19 7 Stålstudien... 21 7.1 Resultat stålmängd... 21
8 Miljöanalys... 23 8.1 Miljöpåverkan... 23 8.1.1 Koldioxid... 23 8.2 Transport... 24 8.3 Eco- Steel... 24 8.4 Resultat... 25 9 Kostnadsanalys... 29 9.1 Prissättning... 29 9.2 Resultat... 29 10 Diskussion... 33 10.1 Stålmängd... 33 10.2 Kostnad... 33 10.3 Miljö... 34 11 Slutsats... 35 12 Källhänvisning... 37 12.1 Litteraturkällor... 37 12.2 Webbaserade källor... 37 12.3 Muntliga källor... 38 13 Bilagor... 39
1 Inledning 1.1 Bakgrund Stål är ett material som är väldigt anpassningsbart. Under tillverkning kan man genom anpassad metod radikalt påverka hållfasthets- och deformationsegenskaper. Konstruktionsstål tillverkas i olika sträckgränser, d.v.s. storleken på den högsta spänning som stålet kan uppnå innan det deformeras plastiskt. Sweco Structures har en bred erfarenhet av projektering av stålstommar. I arkivet finns mängder av mindre projekt men även större flaggskepp som till exempel Friends Arena. Arenan är ett typexempel på ett projekt där konstruktionen utsätts för stora påfrestningar och användning av höghållfast stål lämpar sig. Standardstålsort har sedan 1990-talet varit S355 [1]. Högre hållfasthetsklasser används oftast vid komplexa och sällan i enklare stålkonstruktioner som används mer frekvent som till exempel rörbryggor, takfackverk och prefabricerade stommar. På Sweco Structures har man börjat ana att vanans makt är stor och vill se vilka möjliga positiva effekter tillämpning av en högre hållfasthetsklass vid en enklare konstruktion kan medföra. Då dimensionerna på tvärsnitten minskar så reduceras den erforderliga stålmängden. I detta examensarbete studeras därför två olika stommar som utförs både i stål med sträckgränsen 355 respektive 460 MPa. Frågeställningen lyder: - Är det möjligt att genom applicering av höghållfaststål i en konstruktion uppnå positiva effekter sett ur kostnads- respektive miljöperspektiv? 1.2 Syfte Att effektivisera stålanvändningen och optimera profilerna för en framtida mer frekvent förekomst av höghållfast stål i vanliga konstruktioner. Finna dimensioneringslösningar som ger mindre miljöpåverkan samt är kostnadseffektiva. 1.3 Uppgift Huvuduppgiften är att i samarbete med Sweco utföra en jämförelse av HSQ-balkar och VKRpelare i S355 och S460. Utföranden i respektive hållfasthetsklass dimensioneras och ställs emot varandra. Genom beräkningar undersöks hur konstruktioner kan göras mer effektiva med avseende på nedböjning, böjmoment-, tvär- och tryckkraftskapacitet. Stål med högre hållfasthet är dyrare att framställa men kan medföra materialbesparing. I studien undersöks hur höghållfast stål påverkar kostnaden samt vilka miljövinster som materialbesparingen medför. En del av arbetet är att se över om det är möjligt att både vid tillverkning och vid montage av undersökta pelare och balkar använda sig av S460. I intervjuer med tillverkare och sakkunniga ifrågasätts svetsbarheten av en högre stålkvalité. Även eventuell sammanfogningsproblematik undersöks. 1
1.4 Avgränsningar Arbetet begränsas till en vanligt förekommande HSQ-balk och en VKR-pelare. Dessa dimensioneras med både S355 och S460. Spännvidd för balken begränsas till 6 respektive 8 meter. Båda spännvidderna räknas både som fritt och kontinuerligt upplagda. För studerad uppbyggnad och struktur se avsnitt 4, konstruktion. För ytterligare avgränsning vid dimensionering har horisontella laster bortsetts från. Detta medför att VKR-profilerna enbart dimensioneras efter tryckkraftskapacitet. Höjden för HSQ-balkarna anpassas efter ett prefabricerat håldäcksbjälklag med tjockleken 265 mm. Se kapitel 4, konstruktion. Kontroll av svetsar genomförs inte. Vid miljöanalys i programmet Eco-steel undersöks endast ståltillverkningens och ståltransportens koldioxidutsläpp och påverkan på den globala uppvärmningen. Prisjämförelse utförs med hjälp av pris per kg för stål med hållfasthetsklass S355 och S420. Övriga kostnader bortses. 1.5 Metod Materialet stål undersöks i en mindre litteraturstudie. Detta för att vidga de egna kunskaperna inom ämnet och möjliggöra ett tydligt, lättläst examensarbete. Optimala tvärsnitt för HSQ-balkar och VKR-pelare i stål med hållfasthetsklass S355 respektive S460 dimensioneras. Profilerna analyseras med hänsyn till dess miljöpåverkan samt till eventuella prisskillnader. Beräkningar genomförs både för hand och med hjälp av beräkningsprogrammen Colbeam och Beam 2.5.1. Analys av miljöpåverkan görs med hjälp av programmet Eco-Steel. 2
2 Stål 2.1 Framställning konstruktionsstål Konstruktionsstål är en legering av järn, kol, mangan och kisel. Kolhalten i allt stål som används till konstruktion understiger 0,8 %. Ökad mängd kol höjer hållfastheten men för att uppnå god svetsbarhet bör inte kolhalten överstiga 0,18 % [2]. Konstruktionsstål finns standardiserat i SS-EN 10 025-serien som består av sex delar. Det är framförallt den kemiska sammansättningen tillsammans med värmebehandlingen vid framställning som avgör stålets hållfasthetsegenskaper. Stål med hålfasthetsklass S355N är värmebehandlat med normalisering och S460M är termomekaniskt valsat. 2.1.1 Bearbetning Ämnena i stålet värms upp för att påverka materialets egenskaper. Vid värmning sker en omstrukturering av atomerna genom att värmen ökar atomernas rörelse. Materialet blir då lättare att deformera utan sprickbildning och gjutstrukturen bryts ner. Nitrider och karbider löses upp av värmen och materialets egenskaper påverkas. Efter det att materialet värmts upp sker en uppvärmning under tryck av valsar, en så kallad varmvalsning. Vid valsningen sker en plastisk deformation som gör att fel i kristallstrukturen uppstår, så kallad dislokation. Om en stor mängd av dislokationer bildas vid hög temperatur kan nya korn bildas. Rekristallisation sker vilket innebär att korn med en stor mängd dislokationer ersätts med nya korn med mindre dislokationer. Därefter låter man materialet svalna så att rekristallisationen upphör. Det som skiljer bearbetningen av stål med hålfasthetsklass S355 och S460 åt är att utöver de två första stegen, en så kallad normalisering, så behandlas S460 i ytterligare två steg. Stål med hållfasthetsklass S460 bearbetas i en termomekanisk valsning som delas in i fyra steg. Där de första stegen är värmning och varmvalsning enligt ovan. En så kallad kontrollerad valsning sker i tredje steget utan rekristallisation. Det sker då en fasomvandling vid svalning och en finkorning struktur erhålles. Efter den kontrollerade valsningen direktkyls stålet. Strukturen blir då ännu mer finkorning vilket ger en högre sträckgräns. [3] 3
2.2 Egenskaper Figur 2-1 Arbetskurva för varmvalsat stål [4] f y = Sträckgräns f u = Brottgräns σ = Spänning ε y = Töjning Viktiga egenskaper för stål är hållfasthet, töjbarhet och svetsbarhet. Ett mått på hållfasthet är stålets sträckgräns som innebär den hållfasthet materialet kan uppnå innan plastisk deformation sker. Vid plastisk deformation går formförändringen inte tillbaka till ursprungsläget när kraften avlägsnas som den gör vid elastisk deformation. Arbetskurvan i figur 2-1 visar tydligt förhållandet mellan spänning och töjning. Efter stålet utsatts för plastisk deformation kan det belastas ytterligare innan brott sker [4]. Töjbarheten hos stål är ett mått på hur sprött materialet är. Om ett stål är sprött eller segt beror av temperaturen och materialets kemiska sammansättning. Sprödbrott innebär att brott sker utan plastisk deformation. Omslagstemperatur är ett mått på när brottet går från segt till sprött. Stålets seghet väljs utifrån omslagstemperaturen för att undvika sprödbrott [2]. Definitionen av svetsbarhet är att stålet kan svetsas utan att det medför risker för konstruktionens funktion. Svetsbarheten styrs av kolhalten i stålet. Ökad kolhalt ger högre hållfasthet men försämrar svetsbarheten. Vid hög kolhalt kan martensit bildas vid avkylning, dvs. stålet härdas och det finns risk för sprickbildning. Genom att bearbeta stålet istället för att öka kolhalten kan god svetsbarhet bibehållas [2]. 4
2.3 Hållfasthetsklassificering I SS-EN 10 025-serien klassificeras standardiserade konstruktionsstål och dess beteckningar. Stålbeteckningen innehåller information om stålets hållfastsegenskaper: S355-J2-N S460-J2-M S = Standardiserat konstruktionsstål J2 = Stålets slagseghet 355, 460 = Stålets sträckgräns i MPa N, M = Bearbetning: Normaliserat och Termomekaniskt valsat Stålets slagseghet är ett mått på materialets förmåga att uppta stötbelastning utan att brytas av [5]. 5
6
3 Referensobjekt 3.1 Friends Arena Då Sveriges tidigare nationalarena, Råsunda stadion, inte längre uppfyllde kraven på varken kapacitet eller säkerhet bestämdes att den skulle ersättas [6]. Med anledning av detta byggdes Friends Arena som nu är Sveriges nationalarena och har kapacitet för 50 000 sittande gäster vid idrottsarrangemang. Vid konserter kan delar av den nedre ytan utnyttjas och då ryms 65 000 gäster på arenan. Fotboll, vintersporter, konserter, spedway etc är exempel på tillställningar som utspelas på nationalarenan. För anpassning av underlaget till typ av evenemang finns en variation av parkett, grus, is och gräs som alternativ. Friends arena har ett öppningsbart tak som möjliggör anpassning till rådande väderlek [7]. Sweco Structures var ansvariga för Friends arenas takkonstruktion. Utformningen av taket styrdes av geometrin på läktarna och det rörliga takets behov av att kunna öppnas och stängas. Även de ekonomiska aspekterna spelade roll [7]. Genom utnyttjande av höghållfast stål minskades stålmängden med 584 ton i jämförelse med en takkonstruktion endast bestående av konventionellt stål. Överram, underram och vissa diagonaler där konstruktionen utsätts för störst påfrestningar består av höghållfast stål. Stål med sträckgräns från 355 upp till 900 MPa användes i takkonstruktionen. Den minskade stålmängden har lett till både ekonomiska och miljömässiga vinster [8]. Figur 3-1Takkonstruktion Friends Arena. Överram, underram och diagonaler i höghållfast stål [7]. 7
8
4 Konstruktion 4.1 Uppbyggnad huvudkonstruktion Alternativ A Huvudkonstruktionen i alternativ A består av sju kvadratiska bjälklagsvåningar med 36 meter långa sidor, se figur 4-1 nedan. Våningshöjden som bildar höjden på pelarna är 3,6 meter. Spännvidd för bjälklagselementen är 9 meter i både alternativ A och B. Balkarnas spännvidd är i alternativ A 6 meter. Alternativet delas ytterligare upp i två fall där balken är både fritt och kontinuerligt upplagd på pelarna. De båda alternativen beräknas för stål med hålfasthetsklass S355 och S460. Figur 4-1 Uppbyggnad huvudkonstruktion alternativ A Alternativ A1 = facklängd 6 meter fritt upplagd balk för stål S355 Alternativ A2 = facklängd 6 meter fritt upplagd balk för stål S460 Alternativ A3 = facklängd 6 meter kontinuerligt upplagd balk för stål S355 Alternativ A4 = facklängd 6 meter kontinuerligt upplagd balk för stål S460 9
Alternativ B Huvudkonstruktionen i alternativ B består av sju rektangulära bjälklagsvåningar med 36x40 meter långa sidor, se figur 2 nedan. Våningshöjden som bildar höjden på pelarna är 3,6 meter. Spännvidder för alternativ B är för bjälklagselementen 9 meter och för balkarna 8 meter. Alternativet delas ytterligare upp i två fall där balken är antingen fritt eller kontinuerligt upplagd på pelarna. De båda alternativen beräknas för stål med hålfasthetsklass S355 och S460. Figur 4-2 Uppbyggnad huvudkonstruktion alternativ B Alternativ B1 = facklängd 8 meter fritt upplagd balk för stål S355 Alternativ B2 = facklängd 8 meter fritt upplagd balk för stål S460 Alternativ B3 = facklängd 8 meter kontinuerligt upplagd för stål S355 Alternativ B4 = facklängd 8 meter kontinuerligt upplagd för stål S460 4.2 HSQ-balk HSQ-balken, Hedlunds svetsade Q-balk [9], består av en hopsvetsad lådprofil med en längre underfläns som bildar en hattliknande balk. Den så kallade hattbalken används som ett mittupplag i byggnader för prefabbjälklag som t.ex. håldäcksbjälklag. Den utstickande underflänsen utgör ett upplag för håldäcksbjälklaget att vila på. Lådformen gör balken vridstyv och möjliggör enkel montering av bjälklagen. Då balkarna byggs in i bjälklaget ger detta en låg bjälklagshöjd [10]. 10
Figur 4-3 Uppbyggnad HSQ-balk 4.2.1 Uppbyggnad h Höjd från överkant underfläns till överkant överfläns a t w b t f1 t f2 Upplag för håldäcksbjälklaget Livtjocklek Bredd underfläns Tjocklek överfläns Tjocklek underfläns Höjden, h, anpassas efter håldäcksbjälklagets tjocklek. I studien är denna 265 mm tjock. För att skapa ett tillräckligt stort upplag för håldäcksbjälklaget att vila på krävs ett a-mått på minst 80 mm. För ett stabilt tvärsnitt sätts tjockleken på livet, t w, till minst 6 mm. Över- och underflänsens areor anpassas tills de blir ungefär lika. 4.2.2 Användningsområde Håldäcksbjälklaget, HD/F 27, som vilar på HSQ-balken är 265 mm högt och 1196 mm brett. Bjälklaget är av betong och för att ge plats åt installationer samt minska bjälklagets egentyngd skapas hålrum i form av cylindrar i betongen. För att klara stora spännvidder är bjälklagen spännarmerade i underkant och kan beställas upp till 12 meter långa. Undersidan är gjuten i stålform för att skapa en slät undersida. Ovansidan är grövre i ytskiktet för att anpassas till pågjutning eller spackling [11]. 11
Figur 4-4 Håldäcksbjälklag Nedan visas en detalj över sammansättningen av håldäcksbjälklaget och HSQ-balken. Hålrum mellan balken och bjälklaget gjuts igen dels för att klara ljudkraven och för att skapa en sammanhängande konstruktion. Figur 4-5 Håldäcksbjälklag upplagd på HSQ-balk 4.3 Pelare Figur 4-6 VKR-profil [13] Fyrkantsrör, VKR-rör eller VKR-pelare som de även kallas är varmformade konstruktionsrör. Profilerna formas vid 830-950 och temperaturen gör stålet mjukt och formbart. Kanterna får då snäva hörn utan att materialstrukturen påverkas. Inga restspänningar finns då i stålet och egenskaperna blir likformiga i hela tvärsnittet.. VKR är den vanligaste rörprofilen och används ofta som pelare i den bärande delen av konstruktionen [12]. 12
4.3.1 Uppbyggnad Figur 4-7 VKR-profil måttsättning [13] VKR-profilerna benämns hxbxt där h, b är längden på sidorna och t är tjockleken på plåten ex. 200x200x8. Profilerna beställs ur ett standardsortiment med bestämda storlekar. 4.4 Tillverkningsmetoder Liv och flänsar sammanfogas genom svetsning. Samma svetsmetod kan användas för stål S355 och S460 med en reglering i tillsatsmaterialen. Även sammanfogning av de olika stålkvaliteterna kan göras utan komplikationer. Metoderna som används är pulverbågsvetning och gasmetallbågsvetsning, MAG [14]. Vid svetsning skapas en strukturomvandling i materialet genom att stålet smälts av en ljusbåge som bildas mellan grundmaterialet och en elektrod för att sedan avkylas av det omgivande materialet. Pulverbågsvetsning är en svetsmetod där ett svetspulver brinner under en ljusbåge som alstras via en strömkälla. Svetspulvret smälter närmast ljusbågen och bildar slagg på svetsen. Slaggens uppgift är att tillföra legeringsämnen till svetsgodset för att uppnå god hållfasthet och att skydda smältan från syre och kväve i luften. Eventuellt svetspulver som blir kvar kan återanvändas. Vid gasmetallbågsvetsning används ett tillsatsmedel i trådform i elektroden som smälter samman med stålsmältan under ljusbågen. Tillsatsmedlet skapar en skyddande slagg med samma egenskaper som för pulverbågsvetsning [15]. 13
14
5 Laster och förutsättningar 5.1 Egentyngder De egentyngder som beaktas vid dimensionering är följande: 3,6 kn/m 2 för håldäcksbjälklaget. 1,25 kn/m 2 för pågjutningen av betong på bjälklaget. 0,5 kn/m 2 för installationer. Vid dimensionering av VKR-pelare appliceras även lasten för respektive ovanliggande HSQbalk. Den totala egentyngden exklusive last för HSQ-balkar blir då 48,15 kn/m. 5.2 Nyttiga laster Som största och enda rådande nyttiga last vid dimensionering av HSQ-balkar används enligt kategori B i Eurocode 1 (laster) en last för kontorsbyggnader på 2,5 kn/m 2. För centrumavståndet på 9 meter i både alternativ A och B ger detta en karakteristisk last på 22,5 kn/m. Vid dimensionering av VKR-pelare beaktas även snölast. De faktorer som påverkar snölastens storlek är formen på taket, hur utsatt konstruktionen är placerad samt de termiska egenskaper taket besitter. Då dessa faktorer är kända kan snölasten bestämmas enligt: Karakteristiskt värde för snölast på mark Formfaktor som beror av takytans form och risk för snöanhopning Exponeringsfaktor Termisk koefficient Konstruktionen antas belägen i Stockholm vilket ger ett karakteristiskt värde för snölast på mark som är 2,0 kn/m 2. Taket är låglutande med en takvinkel under 30. Detta ger en formfaktor på 0,8. Topografin är normal och det ger ett värde på exponeringsfaktorn, = 1,0. 5.3 Lastnedräkning Vid dimensionering i brottsgränstillstånd, dvs. den största möjliga last som förväntas uppstå i en varaktig eller tillfällig situation, beaktas egentyngden och den nyttiga lasten. Konstruktionen har dimentionerats enligt säkerhetsklass 3 där det finns stor risk för personskador. Partialkoefficienten d blir då 1,0 och ingen reducering av lasten utförs. De - faktorer som används för reducering av den nyttiga lasten för både snölast och lokalkategori-last har värdet 0,7. Då dessa faktorer är kända kan lastnedräkning ske enligt nedanstående tabell. (1) 15
Dimensionerande last brottgränstillstånd Last Ekv 6.10.a Ekv 6.10.b (2) Dimensionering enligt 6.10.a ger en last på HSQ-balkarna på 89 kn/m. Dimensionerande för HSQ-balkarna blir 6.10.b med lasten 92 kn/m. VKR-profilerna i alternativ A får en dimensionerande last på 3582 kn och alternativ B 4776 kn. Lastreduktion, utförs för våningsplan. Denna bestäms enligt formeln: N 2 (n 2) 0 n (3) För utförliga beräkningar av värden på lastdimensionering se tabell lastnedräkning i bilagor kapitel 14.5. 16
6 Dimensionering 6.1 HSQ-balk 6.1.1 Tvärsnittsklass Beroende av tvärsnittsdelarnas slankhet kan tvärsnittet delas in i fyra olika tvärsnittsklasser. Dessa är TK1,2,3 och 4. Gränsvärdena i tabell 5.2 i SS-EN 1993-1-1 är avgörande för indelningen. Tvärsnittsklasserna innebär följande: TK1: Tvärsnitt där full plasticering kan uppnås och flytled kan utbildas utan att någon del bucklar. TK2: Tvärsnitt där utsatta delar kan uppnå full plasticering och bilda flytled utan att buckla. TK3: Tvärsnitt kan utnyttja sitt fulla elastiska moment. Flytspänning kan uppnås i de mest belastade fibrerna i tvärsnittet. TK4: Tvärsnitt där buckling uppstår innan flytgränsen uppnås i en eller flera delar av tvärsnittet [16]. 6.1.2 Böjmomentkapacitet För HSQ-balkar föreligger ingen vippningsrisk. Detta ger ett värde på reduktionsfaktorn med hänsyn till vippning, XLT på 1,0. Det plastiska (W pl,y ) eller det elastiska böjmotståndet (W el,y ) beräknas beroende av vilken tvärsnittsklass balken befinner sig i. Sträckgränsen varierar med profilens tjockaste tvärsnittsdel enligt tabell 3.1 i SS-EN 1993-1- 1. Tjockleken på tvärsnittsdelarna bestämmer därmed hur stor procent av stålets maximala sträckgräns som kan utnyttjas. Particialkoefficienten, kring den styva axeln p.g.a last beräknas för de olika alternativens förutsättningar. Maximala värden på M Ed,y finns i bilagor. Då dessa är kända dimensioneras balken så den klarar kravet enligt: Villkor: M 0, har värdet 1,0 för bärförmåga oavsett tvärsnittsklass. Momentet M Rd,y M Ed,y (4) TK1,2 M pl,rd,y W pl,y f y M 0 TK3 M el,rd,y W el,min,y f y M 0 (5) (6) I TK 4 tas ett effektivt tvärsnitt fram för att beräkna momentkapaciteten. 6.1.3 Tvärkraftskapacitet Tvärsnittets skjuvarea, A v beror av livens area samt en dimensionslös faktor, som varierar med stålets hållfasthetsklass. För hållfasthetsklasserna S355 och S460 är lika och har värdet 1,2 för svetsade profiler. Sträckgränsen, fy och partialkoefficienten M 0 hanteras enligt avsnitt 1.1.2. Maximala tvärkraften av last, V Ed, beräknas för de olika konstruktionsalternativen. Värden för dessa finns i bilagor kap 13.2. Med hänsyn till tvärkrafter dimensioneras balkarna för att klara kraven enligt: 17
Villkor: V Rd V Ed A ( h t ) w v w (7) V pl,rd A v ( f y 3 ) M 0 (8) 6.1.4 Nedböjning 6.1.4.1 Fritt upplagd balk Den fritt upplagda, statiskt bestämda HSQ-balkens nedböjning beräknas enligt balktabellens elementarfall. Maximal nedböjning uppstår i mitten av balken och nedböjningen blir följande: Nyttig last Villkor: w mitt l 400 (9) w mitt 5 qk, 1 l 384EI 4 Egentyngd Villkor: w mitt l 300 Överhöjning vid tillverkning (10) w mitt 5 gk, 1 l 384EI 4 Uppdelningen av påverkan av nyttig last och egentyngd beror på överhöjning. Egentyngden är möjlig att kompensera genom att överhöja balken då det är en permanent last. Möjlig överhöjning är minst 6 mm och som mest för spännvidden delat på 300 enligt SSEN 1090-2 bilaga D. Detta sker vid tillverkning av balken. Den nyttiga lasten varierar och därför måste balken dimensioneras för att klara dess maximala nedböjning. 6.1.4.2 Kontinuerligt upplagd balk För den kontinuerliga HSQ-balken är det fack med störst nedböjning det första och det sista. Där finns bara ett närliggande fack med motverkande stödmoment. Nedböjningen beräknas enligt balktabellens elementarfall och uppstår längs balken där det största böjande momentet verkar. Detta enligt: Nyttig last Villkor: w mitt l 400 (11) w mitt 4 2 5 qk, 1 l M A, qk l M B, qk l 384EI 16EI 16EI 2 Egentyngd 18
Villkor: w mitt l 300 Överstigande nedböjning justeras vid pågjutning (12) w mitt 4 2 5 gk, 1 l M A, gk l M B, gk l 384EI 16EI 16EI 2 Momentet vid stöd A är noll och därav försvinner denna term vid beräkning. För att göra dimensionering mer jämförbar bestämdes att viss del av egentyngdens påverkan på nedböjningen justeras vid pågjutning av betong. 6.2 Pelare 6.2.1 Tryckkraftskapacitet Den första kontrollen av tryckkraftskapaciteten görs utan hänsyn till instabilitetsaspekten böjknäckning. Tryckkraften av ovanliggande last, N c,ed får då inte överstiga den tryckkraftskapacitet som beräknas enligt: Villkor: A. Ingen risk för böjknäckning (13) N c,ed N c,rd N pl,rd A f y M 0 Då N c,ed överstiger gränsvärdet måste maximal kantspänning, överskrider stålets sträckgräns, f y. Beroende av pelarens upplagsfall kan knäcklängden, L cr bestämmas. I denna konstruktion är pelaren ledad i båda ändar vilket ger inspänningsfaktorn, cd = 1,0. Knäcklängden påverkar tillsammans med stålets E-modul och profilens tröghetsmoment den kritiska lasten, N cr. cd kontrolleras så att den inte Pelarens imperfektionsmått, e 0,d beror av dess form, tillverkning och stålets sträckgräns. En knäckkurva tas fram ur tabell 6.2 i SS-EN 1993-1-1. Dessa kurvor ger ett värde på bowsom används vid beräkning av imperfektionsmåttet. För varmvalsade VKR-profiler utav stål i hållfasthetsklass 355 MPa får bow 350. bowvärdet 300, för de utav stål i hållfasthetsklass 460 MPa är En återstående faktor för beräkning av cd är andra ordningens moment, M 2. Detta är en varians av första ordningens moment som visar dess utspridning. Slutliga faktorer för beräkning av värde som krävs för att beräkna cd är tvärsnittets area, A och dess elastiska böjmotstånd, W el,y. Detta ger de cd enligt: B. Enbart normalkraft (böjknäckning kring styva axeln, stagad i vek led) Villkor: cd f y med cd enligt elastisk analys med 2:a ordningens teori Knäcklängd L cr L (14) cd Imperfektionsmått L eo, d (15) bow Kritisk last N cr 2 E I y L cr 2 (16) 19
2:a ordningens moment M 2 N c,ed e o,d N cr N cr N c,ed (17) Max kantspänning blir cd N c,ed A M 2 W el,y De VKR-pelare som tillämpats i vår undersökning uppfyller dessa krav och behöver inte genomgå vidare kontroller. (18 20
7 Stålstudien Nedan visas resultat av beräkningar för de olika alternativen enligt kapitel 4 Konstruktion. Resultaten är redovisade i tabeller och diagram. Tabellerna visar balkarnas och pelarnas egenskaper samt vilken stålbesparing de olika alternativen ger. Diagrammen visar skillnaden i kg stålmängd för de olika alternativen uppdelat för balkar och pelare. För detaljerade beräkningar se kapitel 13 Bilagor. 7.1 Resultat stålmängd Tabell 7-1 Stålmängd Alternativ Tvärsnittsarea (m 2 ) Längd (m) Tunghet (kg/m 3 ) Tyngd (kg) Besparing (kg) Balk A1 0,01388 1260 7841 137132 Balk A2 0,01388 1260 7841 137132 0 Pelare A1 0,00608 882 7841 42049 Pelare A2 0,00608 882 7841 42049 0 Balk A3 0,01064 1260 7841 105121 Balk A4 0,0095 1260 7841 93858 11263 Pelare A3 0,00608 882 7841 42049 Pelare A4 0,00608 882 7841 42049 0 Balk B1 0,03142 1400 7841 344916 Balk B2 0,03142 1400 7841 344916 0 Pelare B1 0,00921 756 7841 54596 Pelare B2 0,00749 756 7841 44400 10196 Balk B3 0,01662 1400 7841 182448 Balk B4 0,01572 1400 7841 172568 9880 Pelare B3 0,00921 756 7841 54596 Pelare B4 0,00749 756 7841 44400 10196 Figur 7-1 Diagram stålmängd balkar Enligt diagrammet finns vinsterna vid de kontinuerligt upplagda balkarna. Den största skillnaden är 11263 kg. Detta mellan balk A3 och A4. Det är en besparing på 11 %. 21
Figur 7-2 Diagram stålmängd pelare Besparing finns endast i alternativ B. Största skillnaden är 10196 kg. Detta mellan pelare B1 och B2. Det är en besparing på 19 %. Figur 7-3 Diagram total stålmängd Totalt sett finns den största skillnaden alternativ B3 och B4. Den totala besparingen blir 20076 kg vilket ger en reducering av stålmängden på 8 %. 22
8 Miljöanalys 8.1 Miljöpåverkan Ståltillverkning innebär en belastning på miljön även om stål är ett material med lång livslängd och fullständig återvinningsbarhet. Vid tillverkning är koldioxidutsläpp den största miljöbelastningen. Andra utsläpp vid tillverkning som påverkar miljön är kväveoxid och svavel. 8.1.1 Koldioxid Koldioxid (CO 2 ) kommer främst från järnmalmsreduktionen i masugnen där kol används som reduktionsmedel. Utöver reduktionen så ger användningen av fossila bränslen till ugnar och värmebehandling stora utsläpp av koldioxid [17]. Då en högre hållfasthetsklass, S460, innehåller lite mer legering i form av ökad kolhalt och genomgår fler bearbetningssteg så ökar koldioxidutsläppen vid tillverkning gentemot stål S355. En högre hållfasthetsklass leder oftast till en minskad totalvikt vilket i sin tur ger ett minskat koldioxidutsläpp, se figur 8-1 [18]. Koldioxid förstärker den naturliga växthuseffekten. De naturliga växthusgaserna skapar en atmosfär där värmestrålningen från solen som värmt upp jordytan reflekteras och skapar en balans tillsammans med inkommande solstrålning. Detta är en förutsättning för allt liv och växtlighet på jorden. Med fler utsläpp av koldioxid reflekteras fler värmestrålar och jordytan blir varmare vilket ger en hög värmestrålning som reflekteras. Detta skapar ett negativt kretslopp som påverkar klimatet på jorden och ökar temperaturen, så kallad global uppvärmning [19]. Figur 8-1 Diagram koldioxidutsläpp vid olika sträckgränser 23
8.2 Transport Figur 8-2 Karta över transport med blå markering Google Maps [20]. Röd markering handritad Transport antas ske med lastbil från järnmalmen i Kiruna till Luleå där framställning och bearbetning av stålplåten sker. Transporten av stålplåten antas gå vidare till Vantaa i Finland där HSQ-balkarna och VKR-profilerna tillverkas på Normek för att sedan transporteras till hamnen i Helsingfors. Från Helsingfors till Stockholm sker transporten via båt. Den blåa markeringen i bilden visar lastbilstransporten som är ca 1200 km och den röda visar båttransporten som är ca 300 km. Miljöpåverkan vid transport uppstår då förbränning av drivmedel ger koldioxidutsläpp. Vid en lättare last reduceras förbrukningen av drivmedel och ger på så sätt mindre koldioxidutsläpp.med hjälp av de framtagna avstånden för transport beräknas totalt koldioxidutsläpp i Eco-Steel. Miljöpåverkan av transport förminskas då lasten minskas och kräver mindre utrymme. Detta leder till att fler balkar och pelare kan transporteras i samma lastutrymme. 8.3 Eco- Steel Eco-Steel är ett programverktyg för att bedöma miljömässiga besparingar med att använda stål i en högre hållfasthetsklass. [21] Programverktyget har tagits fram av IVL Svenska miljöinstitutet och Sperle Consulting inom projektet "Det miljömässiga värdet av höghållfast stål (88044). Projektet var en del av forskningsprogrammet "Stålkretsloppet" som grundades av stiftelsen för miljöstrategisk forskning, MISTRA, och ståltillverkningsindustrin och förvaltas av Jernkontoret. Programverktyget är en excelfil som innehåller en mängd datablad med miljöpåverkansfaktorer. Vid tillverkning används koldioxidutsläpp per ton som ett mått på global uppvärmning. Genom att ange vikten i kg för konstruktionen innan den uppdateras till en högre stålkvalitet och efter uppdateringen beräknas koldioxidutsläpp för de olika 24
alternativen vid tillverkning. För att beräkna koldioxidutsläpp vid transport anges längden i kilometer för både lastbil- och båttransport. 8.4 Resultat Tabell 8-1 Koldioxidutsläpp vid transport och tillverkning av balkar Global uppvärmning [kg CO 2, eq ] Balkar Tillverkning Transport Totalt Besparing A1 333301 8309 341610 A2 339395 8309 347704-6094 A3 255498 6370 261868 A4 232294 5687 237981 23887 B1 838322 20900 859222 B2 853651 20900 874551-15329 B3 443442 11055 454497 B4 427098 10457 437555 16942 Figur 8-3 Diagram över koldioxidutsläpp vid transport och tillverkning av balkar 25
Tabell 8-2 Koldioxidutsläpp vid transport och tillverkning av pelare Global uppvärmning [kg CO 2, eq ] Pelare Tillverkning Transport Totalt Besparing A1 102201 2548 104749 A2 104069 2548 106617-1868 A3 102201 2548 104749 A4 104069 2548 106617-1868 B1 132696 3308 136004 B2 109888 2690 112578 23426 B3 132696 3308 136004 B4 109888 2690 112578 23426 Figur 8-4 Diagram över koldioxidutsläpp vid transport och tillverkning av pelare 26
Tabell 8-3 Totalt koldioxidutsläpp vid transport och tillverkning Global uppvärmning [kg CO 2, eq ] Alternativ Balk Pelare Totalt Besparing A1 341610 104749 446359 A2 347704 106617 454321-7962 A3 261868 104749 366617 A4 237981 106617 344598 22019 B1 859222 136004 995226 B2 874551 112578 987129 8097 B3 454497 136004 590501 B4 437555 112578 550133 40368 Figur 8-5 Diagram över totalt koldioxidutsläpp vid transport och tillverkning Diagrammen visar att vid de alternativ då profilerna blir lika, dvs. har samma stålvikt, så blir koldioxidutsläppet större för stålkvalitet S460 än S355. Vid uppgradering av alternativ B3 till B4 görs den största besparingen i koldioxidutsläpp på 40368 kg CO 2. Fritt upplagda balkar med samma profil ger en negativ effekt på miljön då de släpper ut mer koldioxid för både alternativ A och B. Det samma gäller för pelare i alternativ A då profilerna är lika. Besparingar görs även för kontinuerligt upplagda balkar med störst besparing 23887 kg CO 2 mellan alternativ A3 och A4. 27
28
9 Kostnadsanalys 9.1 Prissättning Kostnadsanalys var tänkt att utföras i samarbete med Skanska stomsystem. De framtagna profilerna skulle prissättas enligt framtaget förfrågningsunderlag, se bilaga kapitel 13.7. P.g.a att stål i hållfasthetsklass S460 inte är vanligt förekommande på marknaden idag hade Skanska svårt att ta fram priser på profilerna i tid. Detta har lett till att ett pris på profilerna inte har kunnat sättas. En enklare kostnadsanalys är därför utförd med alternativa prisuppskattningsmetoder. Med hjälp av priset per kilogram för stål med hållfasthetsklass S420 har en enklare prisuppskattning gjorts[22]. Denna presenteras i kapitel 9.2. Det som påverkar vid prissättning är bl.a svetsning, överhöjning och tillverkningsmetod av profiler. Det som gör stål i hållfasthetsklass S460 dyrare än S355 vid tillverkning är bearbetningen vid framställningen och den ökade legeringen. Kostnaden vid HSQ-balkarna beror av svetsarbetet vid sammanfogningen av plåtarna. Dessutom tillkommer en extra kostnad vid överhöjning. För VKR-pelarna är det moment som påverkar priset mest formningen av profilerna. 9.2 Resultat Tabell 9-1 Prisuppskattning balkar Figur 9-1 Diagram prisuppskattning balkar Tabell 9-2 29
Prisuppskattning pelare Prisuppskattning pelare Alternativ Tyngd (kg) Kostnad (kr/kg) Pris (kr) Besparing (kr) A1 42049 11,6 487768 A2 42049 12,8 538227-50459 A3 42049 11,6 487768 A4 42049 12,8 538227-50459 B1 54596 11,6 633314 B2 44400 12,8 568320 64994 B3 54596 11,6 633314 B4 44400 12,8 568320 64994 Figur 9-2 Diagram prisuppskattning pelare Tabell 9-3 Prisuppskattning Prisuppskattning Alternativ Balkar Pelare Pris (kr) Besparing (kr) A1 1590731 487768 2078500 A2 1755290 538227 2293517-215017 A3 1219404 487768 1707172 A4 1201382 538227 1739610-32438 B1 4001026 633314 4634339 B2 4414925 568320 4983245-348906 B3 2116397 633314 2749710 B4 2208870 568320 2777190-27480 30
Figur 9-3 Prisuppskattning Enligt prisuppskattning är kostnaderna för höghållfast stål högre i samtliga alternativ. 31
32
10 Diskussion 10.1 Stålmängd Vid dimensionering av balkar klarar stål med hållfasthetsklass S460 kraven för böjmoment och tvärkraft med betydligt mindre tvärsnitt än de utförda i stål med hållfasthetsklass S355. Det som begränsar vid optimering av tvärsnitten vid fritt upplagda balkar är nedböjningskravet. Profiler med alltför lågt tröghetsmoment klarar inte nedböjningen av den last som konstruktionen medför. Med ökad spännvidd blir kravet för nedböjning svårare att klara. Utnyttjandegraden för böjmoment och tvärkraft blir låg då stålets sträckgräns inte kan utnyttjas fullt ut. Även om ett stål med högre hållfasthetsklass än S460 tillämpas skulle nedböjningen fortfarande vara avgörande. För balkar i alternativ A1- A2 och B1-B2 kan därför inga besparingar göras. Vid kortare spännvidder än de som studerats skulle nedböjningen inte bli lika betydande och då kanske besparingar kunnat göras. Frågan är då om lasten blir tillräckligt stor för att det skulle behövas ett höghållfast stål. Vid kontinuerligt upplagda balkar kan böjmomentskapacitet utnyttjas nästintill maximalt. Här har nedböjningen inte samma påverkan vid dimensionering. Detta gör att det blir större skillnader i stålmängd mellan profiler utförda i S355 respektive S460. Vid 8 meters spännvidd blir dock nedböjningen i ytterfack en påverkande faktor men besparingar kan fortfarande göras. Detta trots en lägre utnyttjandegrad. Balk B4 har en mindre stålmängd än B3 men dess böjmomentskapacitet utnyttjas bara till 77 %. Vid dimensionering av pelare blir lasten, p.g.a. korta spännvidder, för liten för att ge någon skillnad i materialåtgång. Då tröghetsmomentet för tvärsnittet är avgörande för tryckkraftkapaciteten blir skillnaden mellan två olika pelardimensioner i tillverkningssortimentet för stor för att kunna använda en mindre profil i S460. Oavsett om balken är fritt eller kontinuerligt upplagd så är spännvidden avgörande för besparingen då pelarens last ökar vid större lastyta. Vid 8 meters spännvidd görs en besparing på 10196 ton för hela konstruktionen då skillnaden i tryckkraftskapacitet mellan S355 och S460 blir tillräckligt stor för att gå ner i pelardimension. Då studien avgränsas till en balkhöjd på 265 mm kan tvärsnitten inte optimeras fullt ut. Om höjden varieras ökar tröghetsmomentet och antagligen kan tvärsnittsarean minskas. Detta gäller framförallt för de fritt upplagda balkarna eftersom större tröghetsmoment leder till en mindre nedböjning. Ett större tröghetsmoment ger även en större böjmomentkapacitet vilket hade kunnat leda till reducerade tvärsnittsareor då balken kan klara en större last. Om horisontalkrafter för pelaren inte hade avgränsats i beräkningen så hade utböjningen påverkat dimensioneringen likt nedböjningen för de fritt upplagda balkarna. Tvärsnittsarean skulle troligtvis ökas för att klara utböjningskraven. 10.2 Kostnad Kostnadsanalysen bygger på en uppskattning och därmed medkommer vissa osäkerheter. T.ex. är inte svetsningskostnader vid sammanfogning av HSQ-balkar eller formning av VKRpelare medräknade. Trots att dessa kostnader utesluts från beräkningen ger priset på stål S420 en bild av skillnaderna mellan de olika hållfasthetsklasserna. Det högre priset för stål S420 gör att en materialbesparing på över 10 % krävs för att det ska vara en ekonomiskt lönsam konstruktion. I studien är materialbesparingen mellan balkarna i alternativ B1 och B2 11 % vilket ger en mindre kostnadsbesparing på 18021 kr. För pelarna ger kostnadsanalysen en besparing för alternativ B1 och B2 samt B3 och B4. Trots att vissa besparingar görs för balkarna eller pelarna blir det för den sammansatta konstruktionen ingen besparing för samtliga alternativ. 33
Transport bortses från i kostnadskalkylen men en minskad stålvikt skulle minska transportkostnaden. Lägre vikt vid transport ger minskad bränslekostnad och minskad volym ger möjlighet till färre transporter som ger en lägre totalkostnad. Då klenare profiler avses bättre brandskydd medför detta en ökad kostnad. Kostnaden för brandmålning tas inte med i studien men skulle troligtvis bli en betydande post i en kostnadskalkyl. 10.3 Miljö Stål påverkar miljön mest vid tillverkning där de största utsläppen av koldioxid uppstår. Ett höghållfast stål påfrestar mer vid tillverkningen och i de fall där vikten inte kan reduceras ger detta en negativ effekt för miljön. Detta sker i den totala konstruktionen för alternativ A2. Studerar man effekten av balkar och pelare separat ger samtliga fritt upplagda balkar negativ påverkan på den globala uppvärmningen. Trots att transport inte ger ett lika stort koldioxidutsläpp ger det i alternativ B4 en besparing på 19 %. Även lastutrymme kan sparas då profilerna blir mindre och färre lastbilar krävs. Återvinning är en viktig del i stålets miljöpåverkan. Denna har avgränsats i arbetet men det bör påpekas att stål är ett unikt material då det kan återvinnas nästintill ett oändligt antal gånger. 34
11 Slutsats Tillämpning av höghållfast stål i enklare konstruktioner är inte alltid att rekommendera. Studien visar att vid för liten belastning och för små spännvidder kan nästintill inga materialbesparingar göras. Slutsatser är följande: Vid fritt upplagda balkar då nedböjningen blir avgörande är det inte lämpligt att använda höghållfast stål. Vid kontinuerliga balkar då spännvidd och belastning är tillräckligt stor finns materialbesparingar att göra. Blir spännvidden för stor påverkar nedböjningen vid dimensionering och vinsterna minskas. För pelare under tillräckligt stor belastning uppnås materialbesparingar med att byta stålsort från S355 till S460. Det går att göra miljömässiga vinster. Då stålmängden för två alternativ blir lika ger detta en negativ effekt på miljön genom ökade koldioxidutsläpp. Det går att göra kostnadsbesparingar vid tillräckligt stor materialbesparing. I den studerade konstruktionen kan inga kostnadsbesparingar göras där alla balkar och pelare uppgraderas från S355 till S460.. 35
36
12 Källhänvisning 12.1 Litteraturkällor [2]. Burström, Per Gunnar. Byggnadsmaterial. Lund, Sverige: Studentlitteratur, 2001; upplaga 2006. s.302-327. ISBN 91-44-01176-8 [5]. SIS Förlag AB. Eurokod 3: Dimensionering av stålkonstruktioner del 1-1: Allmänna regler och regler för byggnader. Sverige: SIS Förlag AB 2005 publicerad 2008-08-14. [7] Cederfeldt, Lars, Hansson, Lars, 2010. Swedbank Arena- Takkonstruktion, Stålbyggnad, nr.3, s.20-26. [8] Mäkelä, Johan 2012. Miljö- och kostnadseffekter av att använda höghållfast stål i taket på Swedbank Arena. [16]. Holmgren, Lars. Vidhall, Sven- Henrik. Formler och tabeller [sammanställning av eurokoder]. [KTH; 2012]. [21] Hallberg, Lisa, Sperle, Jan-Olof, 2013-02-05. User Manual Eco-Steel. IVL Swedish Environmental Research Institute, Sperle Consulting. 12.2 Webbaserade källor [3] Jernkontoret. Järn och stålframställning [forskningspublikation] Tillgänglig på: http://www.jernkontoret.se/ladda_hem_och_bestall/publikationer/stal_och_stalindustri/jks_ut bildningspaket/jkutbpak_del9.pdf [4] Stålbyggnadsinstitutet. Stålets egenskaper [webbsida på internet]. c2013 [hämtad april 2013] Tillgänglig på: http://www.sbi.se/omraden/o_dokument.asp?mid=9&kid=44&subkid=0&mgrp=0&did=118 [5] BE Group. Beteckningar för konstruktionsstål [webbsida på internet]. c2013 [hämtad maj 2013]. Tillgänglig på: http://www.begroup.com/sv/be-groupsverige/produkter/stal_ror/produktinformation/stalsorter/beteckningar-for-konstruktionsstal/ [6] Friendsarena. Arenans historia [webbsida på internet]. c2013 [hämtad maj 2013] Tillgänglig på: http://friendsarena.se/arenan/arenans-historia/ [9]. Kynninsrud. HSQ-balkar [webbsida på internet]. c2013 [uppdaterad 2013; hämtad april 2013]. Tillgänglig på: http://www.kynningsrud.se/affarsomraden/prefab/varaprodukter/smide/hsq/ [10] Stålbyggnadsinstitutet. Svetsade balkar [webbsida på internet]. c2013 [hämtad april 2013]. Tillgänglig på: http://www.sbi.se/omraden/o_dokument.asp?mid=3&kid=82&subkid=86&mgrp=0&did=14 dokument HSQ-balken.pdf: http://www.sbi.se/uploaded/dokument/files/hsq-balken.pdf [11] Svensk betong. Håldäck (HD/F) [webbsida på internet]. c2013 [ hämtad april 2013]. Tillgänglig på: http://www.svenskbetong.se/statik/haldaeck-hdf.html [12] BE Group. Information hålprofiler [webbsida på internet]. c2013 [hämtad april 2013]. Tillgänglig på: http://www.begroup.com/sv/be-groupsverige/produkter/stal_ror/produktinformation/produktinformation-halprofiler-vkrkkr/ [13] BE Group. Produktinformation stål och rör [webbsida på internet]. c2013 [Hämtad maj 2013]. Tillgänglig på: http://www.begroup.com/sv/be-groupsverige/produkter/stal_ror/produktinformation/toleranser/vkrkkr-halprofiler/ 37
[15] Svetskommissionen. Metoder [webbsida på internet]. c2013 [hämtad maj 2013]. Tillgänglig på: http://www.svets.se/tekniskinfo/svetsning/metoder.4.5746aac213b817dd41969e8.html [17] Jernkontoret. Processernas miljöpåverkan [webbsida på internet]. c2013 [hämtad maj 2013]. Tillgänglig på: http://www.jernkontoret.se/stalindustrin/staltillverkning/processernas_miljopaverkan/index.p hp [19] SMHI. Växthuseffekten [webbsida på internet].c2013 [Hämtad maj 2013]. Tillgänglig på: http://www.smhi.se/kunskapsbanken/vaxthuseffekten-1.3844 [20] Google Maps. Vägbeskrivningar [webbsida till internet]. c2013 [Hämtad maj 2013]. Tillgänglig på: http://maps.google.se/ [22]Begroup. Prislistor [webbsida på internet]. C2013 [Hämtad maj 2013]. Tillgänglig på: http://www.begroup.com/sv/be-group-sverige/nyheter/prislistor/ 12.3 Muntliga källor [1] Österholm, Jan. Produktchef, Ruukki Sverige AB [Intervju maj 2013] [14] Kolliokoski, Petri. Normek Oy [Intervju april 2013] [18] Sperle, Jan-Olof. Adj. Prof, Sperle consulting [Intervju mars 2013] 38
13 Bilagor INNEHÅLL 13.1 Dimensionerande last 13.2 Moment och tvärkraftsberäkning-balkar 13.3 Balkdimensionering 13.4 Pelardimensionering 13.5 Lastnedräkning 13.6 Balkdimensionering i Colbeam och Beam 2.5.1 13.7 Materialbeställningslista 39