Kirjahyllyrungon vaurionsietokyky korotusrakentamisessa: Osa- ja täyselementtinen runko
Laahanen, Jari (2022)
Laahanen, Jari
2022
Rakennustekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Civil Engineering
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
2022-11-24
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202210217738
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202210217738
Tiivistelmä
Korotusrakentamisessa olemassa olevan rungon päälle tuodaan uusia kuormituksia. Tällöin olemassa olevan rungon varmuuden tulee täyttää nykyisten määräysten mukaisesti uusille rakennuksille määritetyt varmuuskriteerit. Eurokoodin varmuuden voidaan ajatella koskevan myös olemassa olevan rungon vaurionsietokykyä, vaikkei kyseistä asiaa ole mainittu suoraan Suomen nykyisissä määräyksissä. Vaurionsietokyky tarkoittaa rakennuksen rungon kykyä vastustaa suhteettoman suurta sortumaa, eli kansankielellä sanottuna jatkuvaa sortumaa.
Eurokoodissa on kaksi päämenetelmää vaurionsietokyvyn varmistamiseksi, sidevoimamenettely ja vaihtoehtoisten kuormansiirtoreittien menetelmä. Sidevoimamenettely on tarkoitettu pienten ja keskisuurten seuraamusten rakennuksien vaurionsietokykyä parantavaksi menetelmäksi ja vaihtoehtoisten kuormansiirtoreittien menetelmä on tarkoitettu suurten seuraamusten rakennusten deterministiseksi vaurionsietokyvyn mitoitusmenetelmäksi.
Vaihtoehtoisten kuormansiirtoreittien suomenkieliset suunnitteluohjeet ovat nykyisellään vajavaiset dynaamisten vaikutusten huomioimisen osalta. Yksi varteenotettava menetelmä dynaamisten vaikutusten huomioimiseen on Izzuddinin kehittämän pseudostaattisen vasteen laskenta. Pseudostaattinen vaste lasketaan staattisen pushover-analyysin avulla integroimalla siirtymä-voimakuvaajaa. Elementtirakenteiden osalta menetelmään on tehokasta yhdistää Engströmin kehittämä elementtirakenteiden liitosaukeamisen laskenta. Kyseiset laskentamenetelmät yhdistämällä dynaamisen korotuskertoimen arvona voidaan käyttää pienempää arvoa kuin konservatiivista arvausta 2,0. Pseudostaattisen vasteen laskennan avulla saatiin yksinkertaisen rakenteen osalta hyvä korrelaatio raskaaseen dynaamiseen laskentaan verrattuna. Numeeriset laskennat suoritettiin elementtimenetelmällä.
Suomessa pienten ja keskisuurten seuraamusten, eli maksimissaan 15-kerroksisten asuinkerrostalojen, pääasiallinen menetelmä vaurionsietokyvyn varmistamiseksi on sidevoimamenettely. Ennen eurokoodia suunniteltujen osa- ja täyselementtisten kirjahyllyrunkojen sidonnat ovat tämän diplomityön historiakatsauksen perusteella hyvin suurella todennäköisyydellä riittämättömät eurokoodin sidevoimavaatimuksiin kaikissa seuraamusluokissa.
Tässä diplomityössä ehdotetaan uutta menetelmää olemassa olevien kirjahyllyrunkojen vaurionsietokyvyn varmistamiseksi korotusrakentamisessa. Tässä menetelmässä määrittämättömästä syystä aiheutuva vaurio jaettiin kahteen osaan, olemassa olevassa rungossa tapahtuvaan vaurioon ja korotuskerroksessa tapahtuvaan vaurioon. Korotuskerroksessa tapahtuvan vaurion osalta suunnittelu toteutetaan noudattaen voimassa olevien standardien vaurionsietokyvyn varmistamisen menetelmiä. Olemassa olevassa rungossa sijaitsevan vaurion osalta menetelmä voisi mennä seuraavanlaisesti:
- Olemassa olevan kirjahyllyrungon sidonnat tulee olla toteutettu suunnitteluajankohdan vallitsevilla rakennusmääräyksillä.
- Korotuskerros suunnitellaan siirtämään uudet kuormat pois oletetulta vaurioalueelta. Tällä mahdollistetaan olemassa olevan rungon vaurionsietokyvyn varmuuden pysyminen ennallaan alkuperäiseen tilanteeseen nähden, sillä siteille ei tuoda onnettomuustilanteessa uusia kuormia.
- Olemassa olevan kirjahyllyrungon kestävyys ja stabiilius varmistetaan onnettomuusmitoitustilanteessa korotuskerrokselta siirtyneiden kuormitusten osalta.
Kyseinen menetelmä vaatii vielä jatkotutkimuksia ja tarkemmat suunnittelukriteerit ennen käyttöönottoa. Kyseinen menetelmä on johdettu ainoastaan kirjahyllyrunkoisen rakennuksen tuloksista, joten laajennus muihin runkotyyppeihin vaatii uusia tutkimuksia.
In additional floor construction new loads are transferred to the existing frame. Because of this the existing frame needs to fulfil current design code’s reliability. Even though current Finnish design codes do not explicitly mention existing frames, it can be assumed that the robustness criteria are the same as for new buildings. Robustness means structure’s ability to withstand disproportionate damage, or in layman’s terms, progressive collapse.
Eurocode has two main methods to ensure structure’s robustness, the tying force prescriptive rules, and the alternative load path method. The tying force prescriptive rules are intended to be used in low- and medium-risk buildings as prescriptive method and the alternative load path method is intended to be used in high-risk buildings as explicit robustness design method.
The current alternative load path method’s design guides in Finland do not mention structures dynamic response. One noteworthy method for dynamic response is Izzuddin’s pseudo-static response. In pseudo-static response the dynamic response is developed from static pushover analysis by integrating the force-displacement diagram. In precast concrete structures it’s effective to connect pseudo-static response to the connection displacement calculation developed by Engström. By combining both methods the dynamic amplification factor would be smaller than the conservative guess of 2,0. With simple structure the pseudo-static response correlated with the dynamic calculation’s response. The numeric calculations were made with finite element method.
In Finland the main method for low- and medium-risk buildings (maximum height of 15 stories) is the tying force prescriptive rules. Partly and fully precast concrete wall framed buildings that are designed before Eurocodes do not probably fulfill the tying force prescriptive rules in any consequence class.
In this thesis a new method is proposed for designing the robustness of existing concrete wall framed buildings in additional floor construction. In this method the unidentified accidental action is divided into two cases. In the first case the accidental damage is assumed to locate in the additional floor frame and in the second case the accidental damage is assumed to locate in the existing frame. In the first case the normal robustness design is performed. In the second case the robustness design could be as follows:
- The existing concrete wall framed building’s ties need to fulfil design codes requirements that were valid in building’s original design time.
- The additional floor’s frame is designed to transfer the new loads away from the damaged area. This way, the existing frame’s ties don’t receive any new loads. The reliability of the existing frame’s robustness stays on the same level as originally designed.
- The existing intact concrete wall framed building’s frame is designed to withstand new transferred loads from additional floor frame in accidental design situation.
The proposed method still needs more research and defined design criteria before commissioning. The proposed method is also derived from concrete wall framed building, so it needs to be expanded to other frame types with additional research.
Eurokoodissa on kaksi päämenetelmää vaurionsietokyvyn varmistamiseksi, sidevoimamenettely ja vaihtoehtoisten kuormansiirtoreittien menetelmä. Sidevoimamenettely on tarkoitettu pienten ja keskisuurten seuraamusten rakennuksien vaurionsietokykyä parantavaksi menetelmäksi ja vaihtoehtoisten kuormansiirtoreittien menetelmä on tarkoitettu suurten seuraamusten rakennusten deterministiseksi vaurionsietokyvyn mitoitusmenetelmäksi.
Vaihtoehtoisten kuormansiirtoreittien suomenkieliset suunnitteluohjeet ovat nykyisellään vajavaiset dynaamisten vaikutusten huomioimisen osalta. Yksi varteenotettava menetelmä dynaamisten vaikutusten huomioimiseen on Izzuddinin kehittämän pseudostaattisen vasteen laskenta. Pseudostaattinen vaste lasketaan staattisen pushover-analyysin avulla integroimalla siirtymä-voimakuvaajaa. Elementtirakenteiden osalta menetelmään on tehokasta yhdistää Engströmin kehittämä elementtirakenteiden liitosaukeamisen laskenta. Kyseiset laskentamenetelmät yhdistämällä dynaamisen korotuskertoimen arvona voidaan käyttää pienempää arvoa kuin konservatiivista arvausta 2,0. Pseudostaattisen vasteen laskennan avulla saatiin yksinkertaisen rakenteen osalta hyvä korrelaatio raskaaseen dynaamiseen laskentaan verrattuna. Numeeriset laskennat suoritettiin elementtimenetelmällä.
Suomessa pienten ja keskisuurten seuraamusten, eli maksimissaan 15-kerroksisten asuinkerrostalojen, pääasiallinen menetelmä vaurionsietokyvyn varmistamiseksi on sidevoimamenettely. Ennen eurokoodia suunniteltujen osa- ja täyselementtisten kirjahyllyrunkojen sidonnat ovat tämän diplomityön historiakatsauksen perusteella hyvin suurella todennäköisyydellä riittämättömät eurokoodin sidevoimavaatimuksiin kaikissa seuraamusluokissa.
Tässä diplomityössä ehdotetaan uutta menetelmää olemassa olevien kirjahyllyrunkojen vaurionsietokyvyn varmistamiseksi korotusrakentamisessa. Tässä menetelmässä määrittämättömästä syystä aiheutuva vaurio jaettiin kahteen osaan, olemassa olevassa rungossa tapahtuvaan vaurioon ja korotuskerroksessa tapahtuvaan vaurioon. Korotuskerroksessa tapahtuvan vaurion osalta suunnittelu toteutetaan noudattaen voimassa olevien standardien vaurionsietokyvyn varmistamisen menetelmiä. Olemassa olevassa rungossa sijaitsevan vaurion osalta menetelmä voisi mennä seuraavanlaisesti:
- Olemassa olevan kirjahyllyrungon sidonnat tulee olla toteutettu suunnitteluajankohdan vallitsevilla rakennusmääräyksillä.
- Korotuskerros suunnitellaan siirtämään uudet kuormat pois oletetulta vaurioalueelta. Tällä mahdollistetaan olemassa olevan rungon vaurionsietokyvyn varmuuden pysyminen ennallaan alkuperäiseen tilanteeseen nähden, sillä siteille ei tuoda onnettomuustilanteessa uusia kuormia.
- Olemassa olevan kirjahyllyrungon kestävyys ja stabiilius varmistetaan onnettomuusmitoitustilanteessa korotuskerrokselta siirtyneiden kuormitusten osalta.
Kyseinen menetelmä vaatii vielä jatkotutkimuksia ja tarkemmat suunnittelukriteerit ennen käyttöönottoa. Kyseinen menetelmä on johdettu ainoastaan kirjahyllyrunkoisen rakennuksen tuloksista, joten laajennus muihin runkotyyppeihin vaatii uusia tutkimuksia.
In additional floor construction new loads are transferred to the existing frame. Because of this the existing frame needs to fulfil current design code’s reliability. Even though current Finnish design codes do not explicitly mention existing frames, it can be assumed that the robustness criteria are the same as for new buildings. Robustness means structure’s ability to withstand disproportionate damage, or in layman’s terms, progressive collapse.
Eurocode has two main methods to ensure structure’s robustness, the tying force prescriptive rules, and the alternative load path method. The tying force prescriptive rules are intended to be used in low- and medium-risk buildings as prescriptive method and the alternative load path method is intended to be used in high-risk buildings as explicit robustness design method.
The current alternative load path method’s design guides in Finland do not mention structures dynamic response. One noteworthy method for dynamic response is Izzuddin’s pseudo-static response. In pseudo-static response the dynamic response is developed from static pushover analysis by integrating the force-displacement diagram. In precast concrete structures it’s effective to connect pseudo-static response to the connection displacement calculation developed by Engström. By combining both methods the dynamic amplification factor would be smaller than the conservative guess of 2,0. With simple structure the pseudo-static response correlated with the dynamic calculation’s response. The numeric calculations were made with finite element method.
In Finland the main method for low- and medium-risk buildings (maximum height of 15 stories) is the tying force prescriptive rules. Partly and fully precast concrete wall framed buildings that are designed before Eurocodes do not probably fulfill the tying force prescriptive rules in any consequence class.
In this thesis a new method is proposed for designing the robustness of existing concrete wall framed buildings in additional floor construction. In this method the unidentified accidental action is divided into two cases. In the first case the accidental damage is assumed to locate in the additional floor frame and in the second case the accidental damage is assumed to locate in the existing frame. In the first case the normal robustness design is performed. In the second case the robustness design could be as follows:
- The existing concrete wall framed building’s ties need to fulfil design codes requirements that were valid in building’s original design time.
- The additional floor’s frame is designed to transfer the new loads away from the damaged area. This way, the existing frame’s ties don’t receive any new loads. The reliability of the existing frame’s robustness stays on the same level as originally designed.
- The existing intact concrete wall framed building’s frame is designed to withstand new transferred loads from additional floor frame in accidental design situation.
The proposed method still needs more research and defined design criteria before commissioning. The proposed method is also derived from concrete wall framed building, so it needs to be expanded to other frame types with additional research.