Teräsristikkorakenteen vedetyn ja puristetun liitoslevyn mitoitus

Abstract

Tässä työssä tutkitaan teräsristikkorakenteen liitoksen suunnittelun eri vaiheita erityisesti eri FEM-ohjelmistojen (Finite Element Method) käytön näkökulmasta. Eri mallien välisiä eroja verrataan itse mallin laatimisen helppouden, laskenta-ajan ja tuloksien yhdenmukaisuuden perusteella. Lisäksi työssä vertaillaan erilaisten lähestymistapojen etuja ja heikkouksia, sekä rakenneteknisissä sovellutuksissa verrattain uusien tietokoneavusteisien menetelmien, kuten topologian optimoinnin, hyödyntämistä suunnittelussa.

Tuloksena tässä työssä saatiin teräsristikkorakenteen liitoksen tarkempaan analysointiin soveltuvia lähestymistapoja sekä vertailua eri menetelmien välillä. Eri menetelmien soveltuvuus riippuu osaltaan siitä, mitä malleja on laadittu valmiiksi ennen tarkemman FEM-laskennan aloittamista, sekä siitä, minkälaisia tuloksia laskennalta vaaditaan. Eri tietokoneohjelmistot on usein luotu erityisesti ennalta määritellyn tyyppisen ongelman ratkaisemiseen, jolloin isompaa kokonaisuutta on usein mahdotonta käsitellä ainoastaan yhden ohjelmiston turvin. Tästä johtuen luotettavan tuloksen saavuttamiseksi suunnittelijan tulisi hallita yksinkertaistettujen käsinlaskentamenetelmien lisäksi myös useamman ohjelmiston käyttö tuloksien vertailemiseksi ja ylimääräisen työn välttämiseksi.

Tarkasteltavan liitoksen mitoitus osoittautui kokonaisuuden kannalta tarpeettomaksi, sillä koko rakenteen mitoitti käyttörajatilan taipumat, eikä liitosalueen jännitykset murtorajalla muodostuneet rakenteiden osalta kriittisiksi. Kehitysehdotuksena tässä työssä esitetään topologian optimoinnin lisätutkimukset liitoksen geometrian luomiseksi, sekä niin kutsutun yhdistelmämallin hyödyntäminen muiden tarkempien analyysien, kuten nurjahdusanalyysien lähtötietona.

This thesis examines the different stages of the design of a steel truss joint, especially from the perspective of the use of different FEM programs. In addition, this thesis compares the advantages and disadvantages of different approaches and the use of relatively new computer-aided methods, such as topology optimization, in structural engineering applications.

As a result of this thesis, approaches suitable for a more detailed analysis of the connection of a steel truss structure as well as a comparison between different methods were obtained. The suitability of the different methods depends on which models have been prepared before starting a more detailed FEM calculations, as well on what kind of results are required for the calculation. Different computer software is often created specifically to solve predetermined type of a problem, so it is often impossible to handle a large entirety with one software. Therefore, in order to achieve a reliable result, the designer should manage not only simplified hand calculation methods but also the use of multiple software to compare the results and to avoid extra work.

Changing the geometry of the joint proved to be unnecessary, as the entire structure was dimensioned considering service limit state deflections as governing phenomenon, and the stresses in the joint area at ultimate limit state did not become critical for the structures. As a development proposal, further studies of topology optimization to create joint geometry are presented in this thesis, as well as utilization of the so-called aggregation model as initial data for other more detailed analyzes, such as buckling analyzes.