Muotolevyn levyvaikutus teräsrungon rakenneanalyysissä
Hietikko-Kaukola, Henna (2022)
Hietikko-Kaukola, Henna
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
2022-11-07
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202210247749
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202210247749
Tiivistelmä
Teräsrungon jäykistämisellä tarkoitetaan runkoon kohdistuvien vaakavoimien siirtämistä perustuksille. Tässä diplomityössä tutkitaan teräsrungon jäykistysmenetelmää, jossa kattorakenteen muotolevyt suunnitellaan toimimaan yhdessä osana koko rakennejärjestelmää. Tämä tarkoittaa, että levyjäykistyksessä muotolevyt kiinnikkeineen vaikuttavat teräsrungon rakenneanalyysiin ja rakenneosien mitoitukseen. Koska teräsrunkojen rakenneanalyysit tehdään nykyään enimmäkseen 3D-FEM-laskentaohjelmistojen avulla, on levyjäykistettyjen kattotasojen jäykkyys vaakakuormituksia vastaan huomioitava FEM-malleissa. Projektisuunnittelussa levyjäykistettyjen levykenttien yksityiskohtainen mallinnus on koettu ongelmalliseksi ja kiinnikkeiden mallinnusta halutaan välttää.
Muotolevyjen geometriasta johtuen niillä on erilainen jäykkyys levyjen pituus- sekä poikittaissuuntaan. FEM-malleihin muotolevyt mallinnetaan ortotrooppisina laattoina, sillä numeerisessa laskennassa muotolevyjen geometria on yksinkertaisin huomioida ortotrooppisten laattojen materiaaliominaisuuksien kautta. Tällöin levyjäykistettyjen levykenttien eli muotolevyjen ja kiinnikkeiden analyyttinen joustavuus voidaan määritellä numeerisissa FEM-malleissa ortotrooppisten laattojen leikkausjäykkyydeksi. Tässä diplomityössä tarkastellaan 18 erikokoista levyjäykistettyä kattotasoa ja tutkitaan, ovatko kattotasojen FEM-mallien avulla lasketut tulokset validoitavissa suunnitteluohjeiden mukaisiin analyyttisiin laskentatuloksiin ilman levykenttien yksityiskohtaista mallinnusta sauvaelementeillä ja ortotrooppisilla laatoilla.
Levyjäykistysteoriaa sovelletaan tässä tutkimuksessa suunnittelemalla kahteen erikokoiseen hallirakennukseen kattotason levyjäykistys. Hallirakennuksista laaditaan 3D-FEM-laskentamallit, joiden kattotasot jäykistetään diagonaali- ja levyjäykistyksellä. Tässä tutkimuksessa selvitetään, ovatko hallirakennusten kokonaisstabiliteetit varmistettavissa identtisillä teräsrungoilla, mutta erilaisilla kattotason jäykistysmenetelmillä. Lisäksi vertaillaan, miten kattotason jäykistysmenetelmä vaikuttaa teräsrungon rakenneanalyysiin ja rakenneosien mitoitukseen perinteisempään kattotason jäykistysmenetelmään verrattuna.
Tässä diplomityössä tarkasteltujen levyjäykistettyjen kattotasojen numeeriset tutkimustulokset osoittautuvat valideiksi. Tämä tarkoittaa, että kattotasojen levyjäykistystä voidaan tarkastella 3D-FEM-malleissa ortotrooppisilla laatoilla ilman kiinnikkeiden mallinnusta, mutta levyjäykistetyn levykentän jäykkyys huomioiden. Tutkimustulosten perusteella kattotason jäykistysmenetelmä vaikuttaa eniten teräsrunkojen päätyjen rakenneosien mitoitukseen sekä kehien vaakasuuntaisiin siirtymiin. Vaikutukset teräsrunkojen suunnitteluun ovat maltilliset, sillä molemmissa hallirakennuksissa sekä kummallakin kattotason jäykistysmenetelmällä teräsrungot toteuttavat mitoituksen reunaehdot. Tutkimustulosten perusteella voidaan todeta, että kyseisten hallirakennusten stabiliteetit ovat varmistettavissa levyjäykistyksellä, eikä kattotasojen diagonaalisauvoja tarvita. Tämä puolestaan tarkoittaa kustannussäästöjä. Stiffening a steel frame means transferring the horizontal forces applied to the frame to the foundations. In this thesis, the bracing method of the steel frame is investigated, in which the profiled sheets of the roof structure are designed to act together as parts of a combined structural system. This means that in a diaphragm action, the profiled sheets with fasteners affect the structural analysis of the steel frame and the design of the structural elements. Since the structural analysis of steel frames are nowadays mostly carried out by 3D-FEM calculation software, the stiffness of roof structure diaphragm action against horizontal loads must be taken into an account in the FEM models. In the project planning, detailed modeling of the profiled steel sheet diaphragm has been perceived as problematic, and the modeling of the fasteners is wanted to be avoided.
Due to the geometry of the trapezoidal profiled sheets, they have different stiffness in the longitudinal and transverse direction. In the FEM models, the profiled sheets are modeled as orthotropic slabs, because in the numerical calculation the geometry of the profiled sheets is the simplest to consider through the material properties of the orthotropic slabs. In this case, the analytical flexibility of the profiled steel sheet diaphragm and fasteners can be defined in numerical FEM models as the shear stiffness of the orthotropic slabs. In this thesis 18 roofs of diaphragm action of different sizes are examined and it is investigated whether the results calculated using FEM models of the roofs can be validated to the analytical calculation results according to the design instructions without detailed modeling of the diaphragms with bar elements and orthotropic slabs.
In this study the diaphragm action theory is applied by designing the diaphragm action of the roofs of two warehouse buildings of different sizes. From these buildings a 3D-FEM models are created in which the roofs are stiffened with diagonal and diaphragm action. This study investigates whether the overall stability of these buildings can be ensured with identical steel frames, but with different bracing systems in the roof. In addition, we will compare how the roof bracing method affects the structural analysis of steel frame and the dimensioning of structural components compared to the more traditional roof bracing method.
The numerical research results of the roofs diaphragm action examined in this thesis proved to be valid. This means that the diaphragm action of the roofs can be examined in 3D-FEM models as orthotropic slabs without modeling the fasteners but considering the stiffness of the diaphragm. Based on this research results, the stiffening method of the roof has the greatest influence on the dimensioning of the structural components at the ends of the steel frames and the horizontal displacements of the frames. The effects on the design of the steel frames are moderate, because in both buildings and with both methods of stiffening the roofs the steel frames implement the dimensioning boundary conditions. Based on this research results, it can be stated that the stability of the buildings in question can be ensured by diaphragm action and diagonal bars for the roofs are not needed. This in turn means cost savings.
Muotolevyjen geometriasta johtuen niillä on erilainen jäykkyys levyjen pituus- sekä poikittaissuuntaan. FEM-malleihin muotolevyt mallinnetaan ortotrooppisina laattoina, sillä numeerisessa laskennassa muotolevyjen geometria on yksinkertaisin huomioida ortotrooppisten laattojen materiaaliominaisuuksien kautta. Tällöin levyjäykistettyjen levykenttien eli muotolevyjen ja kiinnikkeiden analyyttinen joustavuus voidaan määritellä numeerisissa FEM-malleissa ortotrooppisten laattojen leikkausjäykkyydeksi. Tässä diplomityössä tarkastellaan 18 erikokoista levyjäykistettyä kattotasoa ja tutkitaan, ovatko kattotasojen FEM-mallien avulla lasketut tulokset validoitavissa suunnitteluohjeiden mukaisiin analyyttisiin laskentatuloksiin ilman levykenttien yksityiskohtaista mallinnusta sauvaelementeillä ja ortotrooppisilla laatoilla.
Levyjäykistysteoriaa sovelletaan tässä tutkimuksessa suunnittelemalla kahteen erikokoiseen hallirakennukseen kattotason levyjäykistys. Hallirakennuksista laaditaan 3D-FEM-laskentamallit, joiden kattotasot jäykistetään diagonaali- ja levyjäykistyksellä. Tässä tutkimuksessa selvitetään, ovatko hallirakennusten kokonaisstabiliteetit varmistettavissa identtisillä teräsrungoilla, mutta erilaisilla kattotason jäykistysmenetelmillä. Lisäksi vertaillaan, miten kattotason jäykistysmenetelmä vaikuttaa teräsrungon rakenneanalyysiin ja rakenneosien mitoitukseen perinteisempään kattotason jäykistysmenetelmään verrattuna.
Tässä diplomityössä tarkasteltujen levyjäykistettyjen kattotasojen numeeriset tutkimustulokset osoittautuvat valideiksi. Tämä tarkoittaa, että kattotasojen levyjäykistystä voidaan tarkastella 3D-FEM-malleissa ortotrooppisilla laatoilla ilman kiinnikkeiden mallinnusta, mutta levyjäykistetyn levykentän jäykkyys huomioiden. Tutkimustulosten perusteella kattotason jäykistysmenetelmä vaikuttaa eniten teräsrunkojen päätyjen rakenneosien mitoitukseen sekä kehien vaakasuuntaisiin siirtymiin. Vaikutukset teräsrunkojen suunnitteluun ovat maltilliset, sillä molemmissa hallirakennuksissa sekä kummallakin kattotason jäykistysmenetelmällä teräsrungot toteuttavat mitoituksen reunaehdot. Tutkimustulosten perusteella voidaan todeta, että kyseisten hallirakennusten stabiliteetit ovat varmistettavissa levyjäykistyksellä, eikä kattotasojen diagonaalisauvoja tarvita. Tämä puolestaan tarkoittaa kustannussäästöjä.
Due to the geometry of the trapezoidal profiled sheets, they have different stiffness in the longitudinal and transverse direction. In the FEM models, the profiled sheets are modeled as orthotropic slabs, because in the numerical calculation the geometry of the profiled sheets is the simplest to consider through the material properties of the orthotropic slabs. In this case, the analytical flexibility of the profiled steel sheet diaphragm and fasteners can be defined in numerical FEM models as the shear stiffness of the orthotropic slabs. In this thesis 18 roofs of diaphragm action of different sizes are examined and it is investigated whether the results calculated using FEM models of the roofs can be validated to the analytical calculation results according to the design instructions without detailed modeling of the diaphragms with bar elements and orthotropic slabs.
In this study the diaphragm action theory is applied by designing the diaphragm action of the roofs of two warehouse buildings of different sizes. From these buildings a 3D-FEM models are created in which the roofs are stiffened with diagonal and diaphragm action. This study investigates whether the overall stability of these buildings can be ensured with identical steel frames, but with different bracing systems in the roof. In addition, we will compare how the roof bracing method affects the structural analysis of steel frame and the dimensioning of structural components compared to the more traditional roof bracing method.
The numerical research results of the roofs diaphragm action examined in this thesis proved to be valid. This means that the diaphragm action of the roofs can be examined in 3D-FEM models as orthotropic slabs without modeling the fasteners but considering the stiffness of the diaphragm. Based on this research results, the stiffening method of the roof has the greatest influence on the dimensioning of the structural components at the ends of the steel frames and the horizontal displacements of the frames. The effects on the design of the steel frames are moderate, because in both buildings and with both methods of stiffening the roofs the steel frames implement the dimensioning boundary conditions. Based on this research results, it can be stated that the stability of the buildings in question can be ensured by diaphragm action and diagonal bars for the roofs are not needed. This in turn means cost savings.