Raudoitetun betonilaatan taivutuksen mallintaminen Ansys-ohjelmalla
Pietilä, Jari (2015)
2015
Rakennustekniikan koulutusohjelma
Talouden ja rakentamisen tiedekunta - Faculty of Business and Built Environment
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2015-01-14
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201501291013
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201501291013
Tiivistelmä
Diplomityön tavoitteena oli mallintaa raudoitetun teräsbetonilaatan taivutusta Ansyslaskentaohjelmalla. Laskennassa käytettiin ohjelman versiota 14.0. Laskennan lähtökohtana oli VTT:llä suoritettu koe, jossa raudoitettua betonilaattaa kuormitettiin murtoon asti. Lähtötietoina itse mallintamiseen toimi kyseisen kokeen tutkimusraportti, jonka päätulokset esitellään myös tässä diplomityössä.
Työn teoriaosuudessa käsitellään laskentaohjelman käyttämän materiaalimallin toimintaa. Laskentaparametreihin perehtymällä saatiin käsitys siitä, miten niiden sekä elementtiverkon muuttaminen vaikuttavat laskentaan. Mallintamisen ja laskennallisen tarkastelun avuksi käsiteltiin joitain samalla periaatteella laskettuja tutkimuksia.
Laskentaohjelman käyttämien parametrien muuttamisen vaikutuksia arvioitiin kokeilemalla ja vertailemalla eri variaatioiden antamia tuloksia. Näin toimien saatiin selville elementtiverkon ja murtumisenergian vaikutukset mallin toimintaan. Murtumisenergian käsite vaikuttaa malliin muutoinkin kuin vain lukuarvona, koska siihen vaikuttavat esimerkiksi betonin kimmokerroin ja vetolujuus. Näillä on myös suoraan vaikutusta esimerkiksi rakenteen siirtymiin halkeilun takia redusoituvan taivutusvastuksen kautta.
Laskentaohjelmalla saatuja tuloksia verrattiin VTT:n tuloksiin. Tulosten todettiin olevan hyvin samankaltaisia. Lisäksi laskettiin analyyttisesti laatan siirtymiä ja materiaalien muodonmuutoksia eri kuormitusten arvoilla. Analyyttiseen laskentaan saatiin melko onnistuneesti mukaan myös halkeilun vaikutus. Kuormituksen kasvaessa siirtymät kasvavat taivutusvastuksen redusoitumisen johdosta huomattavasti enemmän kuin vain yksinkertaista tasaisen taivutusvastuksen omaavaa palkkirakennetta tarkasteltaessa.
Laskentaohjelma kuvaa halkeilleen betonin alueen elementit vaurioituneina. Tihentämällä verkkoa halkeilun etenemisen suunnassa, voitiin halkeilun kuvaamisen realistisuutta arvioida vertailemalla niitä VTT:n laattoihin, joista oli mitattu sekä halkeamien sijainteja että syvyyksiä.
Suurimpana haasteena jatkotutkimusten kannalta voidaan pitää eroa todellisen ja laskentaohjelman mallintaman betonin välillä. Todellisuudessa betoni on epähomogeeninen seos vettä, sementtiä ja kiviainesta, minkä vuoksi sen materiaaliominaisuudet vaihtelevat suuresti saman valuerän sisällä. Laskentaohjelma kuvaa koko rakenteen vakioparametrein. Todellisuudessa esimerkiksi rakenteen halkeilu ei välttämättä alakaan suurimman vetorasituksen alueella, vaan pienemmänkin vetorasituksen alueella vetolujuudeltaan heikompi kohta voi haljeta. Tämä selittää osaltaan eroja laskenta- ja koetulosten välillä.
Työn teoriaosuudessa käsitellään laskentaohjelman käyttämän materiaalimallin toimintaa. Laskentaparametreihin perehtymällä saatiin käsitys siitä, miten niiden sekä elementtiverkon muuttaminen vaikuttavat laskentaan. Mallintamisen ja laskennallisen tarkastelun avuksi käsiteltiin joitain samalla periaatteella laskettuja tutkimuksia.
Laskentaohjelman käyttämien parametrien muuttamisen vaikutuksia arvioitiin kokeilemalla ja vertailemalla eri variaatioiden antamia tuloksia. Näin toimien saatiin selville elementtiverkon ja murtumisenergian vaikutukset mallin toimintaan. Murtumisenergian käsite vaikuttaa malliin muutoinkin kuin vain lukuarvona, koska siihen vaikuttavat esimerkiksi betonin kimmokerroin ja vetolujuus. Näillä on myös suoraan vaikutusta esimerkiksi rakenteen siirtymiin halkeilun takia redusoituvan taivutusvastuksen kautta.
Laskentaohjelmalla saatuja tuloksia verrattiin VTT:n tuloksiin. Tulosten todettiin olevan hyvin samankaltaisia. Lisäksi laskettiin analyyttisesti laatan siirtymiä ja materiaalien muodonmuutoksia eri kuormitusten arvoilla. Analyyttiseen laskentaan saatiin melko onnistuneesti mukaan myös halkeilun vaikutus. Kuormituksen kasvaessa siirtymät kasvavat taivutusvastuksen redusoitumisen johdosta huomattavasti enemmän kuin vain yksinkertaista tasaisen taivutusvastuksen omaavaa palkkirakennetta tarkasteltaessa.
Laskentaohjelma kuvaa halkeilleen betonin alueen elementit vaurioituneina. Tihentämällä verkkoa halkeilun etenemisen suunnassa, voitiin halkeilun kuvaamisen realistisuutta arvioida vertailemalla niitä VTT:n laattoihin, joista oli mitattu sekä halkeamien sijainteja että syvyyksiä.
Suurimpana haasteena jatkotutkimusten kannalta voidaan pitää eroa todellisen ja laskentaohjelman mallintaman betonin välillä. Todellisuudessa betoni on epähomogeeninen seos vettä, sementtiä ja kiviainesta, minkä vuoksi sen materiaaliominaisuudet vaihtelevat suuresti saman valuerän sisällä. Laskentaohjelma kuvaa koko rakenteen vakioparametrein. Todellisuudessa esimerkiksi rakenteen halkeilu ei välttämättä alakaan suurimman vetorasituksen alueella, vaan pienemmänkin vetorasituksen alueella vetolujuudeltaan heikompi kohta voi haljeta. Tämä selittää osaltaan eroja laskenta- ja koetulosten välillä.