Conceptual design of a demonstration device for efficiency index of welded structures

Abstract

Controlling emissions has been in focus in various industrial sectors. Conventionally material production has had a large effect on life cycle emissions of passive steel structures, while in active structures most of the emissions can occur in the service stage. However, new fossil free steel production methods utilizing hydrogen are in development. This decreases material emissions and shifts focus from material to manufacturing and service in all steel structures.

There exist standardized tools for conducting life cycle assessment and life cycle costing analyses for products. The concept of eco efficiency combines economic and environmental burden and compares them to value of the product. In steel structures fatigue is often the limiting factor and is tightly connected to the value of the product. Fatigue performance will also become more important when fossil free steels become available and gain popularity, since this often means utilizing high strength grades which require more detailed design in terms of fatigue. So far there has not been a calculation method to consider the effect of fatigue in the context of eco efficiency.

This thesis presents some methods to create an efficiency index which combines life cycle costs, emissions, energy consumption, and fatigue performance, which are then compared to productivity. This is a tool which can be used either in design phase or during service to compare and monitor machine performance. In addition, a demonstration device is designed which can be used to show how different parameters affect the life cycle.

This subject is very case specific, so general results cannot be obtained. For the sake of example, in this case conventional steel was the cheapest option and had the most fatigue capacity left over. Changing to high strength steel decreased the energy consumption and emissions with a moderate cost increase. Fossil free steel decreased emissions significantly with larger cost increase.

Päästöjen hallinta on ollut huomion kohteena useilla teollisuuden aloilla. Materiaalien tuotannolla on ollut perinteisesti suuri vaikutus passiivisten teräsrakenteiden elinkaaripäästöihin, kun taas aktiivisissa rakenteissa suuri osa päästöistä syntyy käytön aikana. Uudet vetyä hyödyntävät fossiilivapaat teräksentuotantomenetelmät ovat kuitenkin kehityksen alla, jonka seurauksena materiaalien valmistuksesta syntyvät päästöt tulevat vähenemään. Tämän seurauksena teräsrakenteiden päästöjen painopiste tulee olemaan tuotteiden valmistuksessa ja käytössä kaikissa kohteissa.

Tuotteiden elinkaaren päästöjä ja kustannuksia varten on kehitetty standardeja. Ekotehokkuuden käsite yhdistää kustannukset ja ympäristökuorman ja vertaa niitä tuotteen hyötyarvoon. Teräsrakenteissa väsyminen on tyypillinen vauriomuoto, joten sillä on suuri vaikutus laitteen elinkaareen. Väsyminen on yhä tärkeämpää ottaa huomioon, kun fossiilivapaat teräkset tulevat käyttöön, sillä tämä tarkoittaa usein lujempien teräslaatujen käyttämistä, jotka itsessään vaativat tarkempaa väsymisanalyysia. Ekotehokkuudelle ei ole toistaiseksi olemassa määritelmää, joka huomioisi väsymisen.

Tässä työssä esitellään laskentatapoja tehokkuusindeksille, joka huomioi elinkaaren päästöt, kustannukset sekä tuotteen väsymisen vertaamalla niitä laitteen tuottavuuteen. Tätä työkalua voidaan käyttää esimerkiksi tuotekehityksen tukena tai laitteen käytön aikana eri tuoteversioiden vertailuun. Lisäksi työssä suunniteltiin demolaite, jolla voidaan demonstroida eri parametrien vaikutusta tehokkuusindeksiin laitteen elinkaaren aikana.

Yleisiä tuloksia ei voida kuitenkaan antaa. Esimerkiksi demolaite on halvinta valmistaa perinteisestä teräksestä, jolloin myös väsymiskestävyys on suurin. Ultralujaan teräkseen siirtyminen vähentää päästöjä suhteellisen pienellä kustannuksen nousulla. Fossiilivapaa teräs puolestaan vähentää päästöjä huomattavasti, mutta kustannukset nousevat enemmän.