Betonirakenteisten välipohjien värähtely teollisuusrakennuksissa

Abstract

Värähtely voi aiheuttaa rakenteille merkittävän mitoitustilanteen etenkin teollisuusrakennuksissa, joissa tuotannon koneet ja laitteet aikaansaavat huomattavia dynaamisia kuormituksia. Yleisesti ne pyritään sijoittamaan omille koneperustuksilleen, josta dynaamiset kuormat johdetaan suoraan maapohjalle tai paaluperustukselle. Kuitenkin teollisuusrakennuksissa on joissain tapauksissa välttämätöntä tai haluttua sijoittaa koneita ja asennuksia suoraan liittyvien välipohjarakenteiden varaan johtuen esimerkiksi valmistettavan tuotteen tuotantoprosessista tai rakennuksen tilanahtaudesta. Tällaisessa tapauksessa on suoritettava välipohjan dynaaminen tarkastelu. Betonirakenteiden yleiseurooppalainen suunnitteluohje EN 1992-1-1 ei käsittele betonirakenteiden värähtelyn käyttörajatilamitoitusta, joten tässä työssä tarjotaan lukijalle siitä yleiskatsaus teollisuuden välipohjarakenteiden osalta. Työssä esitetään perusperiaatteet yksinkertaisten teollisuuskoneiden aiheuttamien dynaamisten kuormien määrittämiseen, värähtelytarkastelun suorittamiseen sekä värähtelyn raja-arvojen asettamiseen. Rakenteiden värähtelyherkkyyttä arvioitaessa tärkein suure on ominaistaajuus, joka kertoo, millä taajuudella rakenne helpoiten värähtelee. Tässä diplomityössä esiteltiin ominaistaajuuksien laskentaa kirjallisuudessa esitettyjen likimenetelmien sekä Autodesk Robot Structural Analysis- tietokoneohjelman avulla. Tulosten välillä suoritettiin vertailu ja arvioitiin menetelmien yhteensopivuutta. Vertailun perusteella todettiin, että molemmat menetelmät antoivat toisiaan vastaavia tuloksia erityisesti rakenteiden alimmille ominaistaajuuksille värähtelyherkempien tutkittujen rakenteiden tapauksessa. Niille tapauksille, missä alin ominaistaajuus oli korkea, tuloksissa havaittiin poikkeamia. Lisäksi korkeammilla ominaismuodoilla alkoi esiintyä eroa, kun niitä vastaavat taajuudet olivat korkeita. Tavoitteena oli myös tutkia kahden yleisimmän paikallavaletun välipohjarakenteen soveltuvuutta teollisuusrakennusten välipohjaksi asettamalla niille pyörivän koneen aiheuttama heräte ja laskemalla tietokoneavusteisesti rakenteiden vaste mainitulla ohjelmalla. Soveltuvuutta havainnollistettiin muuttamalla rakenteiden ominaisuuksia ja selvittämällä vaste jokaiselle tutkitulle tapaukselle. Tuloksena havaittiin, että monet pääasiassa staattiselle kuormitustilanteelle suunnittelut tavalliset välipohjat (rakennepaksuus 200-250 mm) saattavat olla käyttökelvottomia, kun käyttökelpoisuutta arvioidaan värähtelyn sallittujen amplitudien kautta. Lopputulosten perusteella työ antaa yleiskuvan siitä, miten muokata rakennetta, mikäli värähtely aiheuttaa ongelmia.

Vibration can cause a significant structural design situation in service limit state especially in industrial buildings, where machines and equipment of production line generate remarkable dynamic forces. In general, the machines and equipment are supported by separate machine foundations that transmit the dynamic forces directly to compact soil or pile foundation. However, in industrial buildings it is sometimes desirable or necessary to mount machines directly on adjoining floors, for example due to production process of manufactured product or lack of space. In these cases, the structural dynamic analysis of floor structure becomes necessary. European standard for design of concrete structures EN 1992-1-1 does not consider the service limit state set by vibration. Therefore, this thesis offers a general overview about vibration design in respect of floor structures of industrial buildings. It presents basic principles for defining dynamic forces caused by simple industrial machines of different kind, describes how to execute vibration design, and presents criteria to evaluate vibration severity. When evaluating the sensitivity of the structure to vibrate, it is crucial to know its natural frequency or frequencies, which tell in which frequencies the structure is most likely to vibrate. In this thesis, the calculation of natural frequencies for floors was considered through two methods: approximate formulas presented in literature and Autodesk Robot Structural Analysis 2016- computer program. The compatibility of these methods was evaluated. The outcome was that the results with both methods were analogous especially for calculating the lowest natural frequencies for the structures which were most sensitive for vibration. For those of the structures which had very high natural frequencies, there were significant deviations in results. In addition to this, there were remarkable deviations with higher mode shapes when corresponding frequencies were high. Another objective of this thesis was also to examine suitability of two most common cast-in-place concrete floor structures in industrial buildings. A constant dynamic loading from rotating machine was implemented to the studied structures and the dynamic response was computed by means of the computer program mentioned above. The properties of structures were altered, and the response was computed in every case. It was discovered that typical intermediate floor slabs (200-250 mm of structural thickness) designed mainly against static loads could be unsuitable when considering permissible amplitudes of vibration. The results also gave a general overview to the reader how to modify structures in case of excessive vibration.