Korkeudeltaan muuttuvan I-profiilin kestävyystarkastelu
Suvitie, Tuomas (2024)
2024
Rakennustekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Civil Engineering
Rakennetun ympäristön tiedekunta - Faculty of Built Environment
This publication is copyrighted. Only for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2024-01-08
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202311129579
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202311129579
Tiivistelmä
Tutkimuksen aiheena on korkeudeltaan muuttuvan I-profiilin kestävyystarkastelu. Tavoitteena on selvittää kyseisille profiileille soveltuvia eri mitoitusmenetelmiä ja ongelmakohtia kestävyyden määrityksessä. Erityisesti tarkastellaan kyseisten profiilien soveltumista jäykkänurkkaisen kaksinivelkehän rakenteeksi Suomen olosuhteissa. Työn pääasiallisena tarkoituksena on selvittää viistettyjen profiilien hyödyntämismahdollisuudet talonrakenteissa ja mahdolliset jatkotutkimusaiheet aiheelle.
Työssä on tutustuttu Eurokoodin mukaisiin teräsrakenteiden rakenneanalyysimenetelmiin, sekä korkeudeltaan muuttuvien I-profiilien kestävyyden määritykseen käytössä oleviin laskentamenetelmiin. Lisäksi on käsitelty lyhyesti portaalikehien ja hitsaamalla valmistettujen profiilien mitoitukseen vaikuttavia perustekijöitä. Tutustuminen tehtiin kirjallisuuskatsauksena teräseurokoodeihin sekä niihin liittyvään tausta-aineistoon. Lisäksi lähteenä on käytetty muita tieteellisiä julkaisuita. Eri laskentamenetelmien käytettävyyttä ja soveltuvuutta käytännön suunnitteluun on tarkasteltu vertailulaskelmien avulla.
Vertailulaskelmissa on tarkasteltu jäykkänurkkaisen kaksinivelkehän pilaria Suomessa vaikuttavan tyypillisen lumikuorman alaisena. Tarkasteltavat laskentatapaukset voidaan jakaa rakenneanalyysiin käytettävän menetelmän mukaan kahteen eri tapaukseen. Laskentatapauksissa käsitellään kyseisen rakenneanalyysitavan mukainen määräävin tapaus neljästä eri alkuhäiriötapauksesta. Rakenneanalyysi on tehty käyttäen apuna FEM-laskentaa ja 7-vapausasteen sauvaelementtejä.
Tutkimuksen vertailulaskelmista saatiin kaikilla eri laskentamenetelmillä samankaltaisia tuloksia. Vertailulaskelmat käsittelivät kuitenkin vain yhtä kuormitustapausta, joten niiden perusteella ei voitu tehdä johtopäätöksiä eri menetelmillä saatavien tulosten hajonnasta tai tarkkuudesta. Eri menetelmillä tehdyissä kestävyystarkasteluissa laskentamenetelmien käyttämiseen havaittiin liittyvän approksimaatioita ja epävarmuuksia. Menetelmien soveltuvuuden käytännön suunnittelutyöhön todettiin vaihtelevan suunniteltavan rakenteen ja käytössä olevien ohjelmistojen mukaan.
Tutkimuksen loppupäätelmänä todettiin, että viistettyjen I-profiilien hyödyntämiseen esimerkkirakenteena olleessa portaalikehässä liittyy pääasiassa kaksi ongelmaa; Stabiiliuden menettämisestä aiheutuva kokonaiskestävyyden pieneneminen ja kestävyyden luotettavaan tarkasteluun liittyvät approksimaatiot ja epävarmuudet. Muuttuvasta korkeudesta saatava hyöty kokonaiskestävyyden kannalta vaatii I-profiileilla puristetun laipan sitomista tai riittävän lyhyttä jänneväliä, jotta viisteellisyydestä aiheutuva monimutkaisuus valmistuksessa ja suunnittelussa voidaan hyödyntää täysimääräisesti. Työssä tehdyn tutkimuksen perusteella arvioitiin, että käyttämällä koteloprofiilia rakenteen stabiilius on paremmin hallittavissa dimensioita muuttamalla. Koteloprofiili soveltuu paremmin optimointitehtävään, joka edesauttaa rakenteen käytettävyyttä ja laajentaa käyttömahdollisuuksia.
Työssä on tutustuttu Eurokoodin mukaisiin teräsrakenteiden rakenneanalyysimenetelmiin, sekä korkeudeltaan muuttuvien I-profiilien kestävyyden määritykseen käytössä oleviin laskentamenetelmiin. Lisäksi on käsitelty lyhyesti portaalikehien ja hitsaamalla valmistettujen profiilien mitoitukseen vaikuttavia perustekijöitä. Tutustuminen tehtiin kirjallisuuskatsauksena teräseurokoodeihin sekä niihin liittyvään tausta-aineistoon. Lisäksi lähteenä on käytetty muita tieteellisiä julkaisuita. Eri laskentamenetelmien käytettävyyttä ja soveltuvuutta käytännön suunnitteluun on tarkasteltu vertailulaskelmien avulla.
Vertailulaskelmissa on tarkasteltu jäykkänurkkaisen kaksinivelkehän pilaria Suomessa vaikuttavan tyypillisen lumikuorman alaisena. Tarkasteltavat laskentatapaukset voidaan jakaa rakenneanalyysiin käytettävän menetelmän mukaan kahteen eri tapaukseen. Laskentatapauksissa käsitellään kyseisen rakenneanalyysitavan mukainen määräävin tapaus neljästä eri alkuhäiriötapauksesta. Rakenneanalyysi on tehty käyttäen apuna FEM-laskentaa ja 7-vapausasteen sauvaelementtejä.
Tutkimuksen vertailulaskelmista saatiin kaikilla eri laskentamenetelmillä samankaltaisia tuloksia. Vertailulaskelmat käsittelivät kuitenkin vain yhtä kuormitustapausta, joten niiden perusteella ei voitu tehdä johtopäätöksiä eri menetelmillä saatavien tulosten hajonnasta tai tarkkuudesta. Eri menetelmillä tehdyissä kestävyystarkasteluissa laskentamenetelmien käyttämiseen havaittiin liittyvän approksimaatioita ja epävarmuuksia. Menetelmien soveltuvuuden käytännön suunnittelutyöhön todettiin vaihtelevan suunniteltavan rakenteen ja käytössä olevien ohjelmistojen mukaan.
Tutkimuksen loppupäätelmänä todettiin, että viistettyjen I-profiilien hyödyntämiseen esimerkkirakenteena olleessa portaalikehässä liittyy pääasiassa kaksi ongelmaa; Stabiiliuden menettämisestä aiheutuva kokonaiskestävyyden pieneneminen ja kestävyyden luotettavaan tarkasteluun liittyvät approksimaatiot ja epävarmuudet. Muuttuvasta korkeudesta saatava hyöty kokonaiskestävyyden kannalta vaatii I-profiileilla puristetun laipan sitomista tai riittävän lyhyttä jänneväliä, jotta viisteellisyydestä aiheutuva monimutkaisuus valmistuksessa ja suunnittelussa voidaan hyödyntää täysimääräisesti. Työssä tehdyn tutkimuksen perusteella arvioitiin, että käyttämällä koteloprofiilia rakenteen stabiilius on paremmin hallittavissa dimensioita muuttamalla. Koteloprofiili soveltuu paremmin optimointitehtävään, joka edesauttaa rakenteen käytettävyyttä ja laajentaa käyttömahdollisuuksia.