Nurjahtamattomat vinositeet maanjäristyssuunnittelussa: Soveltuvuus tyypillisten suurten kattilarakennusten teräsrunkoihin

Abstract

Maanjäristyksestä rakennukselle aiheutuvan dynaamisen kuormituksen suuruus riippuu järistyksen voimakkuuden lisäksi rakenteen massasta ja jäykkyydestä. Voimalaitoksen kattilarakennuksen prosessilaitteiston suuri massa johtaa suuriin seismisiin inertiakuormiin ja raskaaseen teräsrunkoon. Nurjahtamattomat vinositeet (Buckling-Restrained Braces, BRBs) ovat verrattain uusi ja ominaisuuksiltaan erityisen sitkeä tuoteinnovaatio. BRB-siteillä on tavanomaisissa rakennuksissa saavutettu kevyempiä rakenteita kuin tavanomaisilla keskeisillä vinositeillä. Tämän diplomityön tavoitteena oli selvittää nurjahtamattoman vinosidejärjestelmän (Buckling-Restrained Braced Frame, BRBF) soveltuvuutta tyypillisen suuren kattilarakennuksen jäykistysjärjestelmäksi alueella, jossa esiintyy keskisuuria tai voimakkaita maanjäristyksiä. Työ toteutettiin kirjallisuustutkimuksena. Maanjäristysmitoitusta käsiteltiin globaalisti yleisimmin käytettyjen yhdysvaltalaisten AISC- ja ASCE-standardien näkökulmasta. Tutkimusaineistona käytettiin standardien lisäksi aiheeseen liittyviä tutkimuksia ja tieteellisiä artikkeleita sekä tutkimuksen tilaajan aineistoa seismisille alueille toteutetuista kattilalaitosprojekteista. Lisäksi hyödynnetiin saatavilla olevia oppaita ja koulutusmateriaaleja. Aineiston pohjalta vertailtiin tavanomaisia keskeisiä vinosidejärjestelmiä ja nurjahtamatonta vinosidejärjestelmää keskenään sekä määriteltiin tyypillisen suuren kattilarakennuksen asettamat vaatimukset vinosidejärjestelmälle. Vaatimusten pohjalta selvitettiin mitä määräyksiä ja rajoituksia standardit asettavat kattilarakennuksen kaltaisille korkeille rakennuksille. Näiden perusteella muodostettiin yhteenveto sallituista keskeisistä vinosidejärjestelmistä. Keskeinen osa tutkimusta oli BRB-siteen toimintaperiaatteeseen perehtyminen ja rakennesuunnittelijan ja sidevalmistajan välisen suunnitteluprosessin kuvaaminen. Nurjahtamattoman vinositeen käyttäytyminen eroaa tavanomaisten siteiden käyttäytymisestä syklisessä kuormituksessa. Tavanomaiset siteet menettävät suurimman osan puristuslujuudestaan nurjahduksen seurauksena. BRB-siteen rakenne estää sidettä nurjahtamasta, mikä johtaa stabiiliin ja sitkeään käyttäytymiseen syklisessä kuormituksessa sekä vedolla että puristuksella. Tutkimuksen tuloksena havaittiin, että kaupallisesti saatavilla olevat, standardin vaatimukset täyttävät BRB-siteet eivät pituutensa ja kapasiteettinsa puolesta suoraan sovellu tutkimuskohteen vinosidejärjestelmäksi. Siteen kapasiteetin kasvattaminen olisi teknisesti mahdollista ytimen poikkileikkausta kasvattamalla. Lyhyemmällä testikappaleella saatujen tulosten ekstrapolointi suoraan merkittävästi pidemmille siteille voi johtaa siteen todellista lujuutta pienempään puristusylilujuuteen. Rakennejärjestelmän muiden osien mitoitus on tällöin epävarmalla puolella. Jatkotutkimusaiheiksi esitetään selvitystä BRBF-järjestelmän soveltuvuudesta pienempien kattilarakennusten jäykistysjärjestelmäksi seismisesti aktiivisella alueella. Pienemmissä kattilarakennuksissa voitaisiin mahdollisesti löytää valmiita testattuja sideratkaisuja. Lisäksi olisi mielenkiintoista verrata BRBF-järjestelmän kustannuksia vastaavan tavanomaisen keskeisen sidejärjestelmän kustannuksiin koko rakennuksen elinkaaren ajalta.