Teräsristikon puristetun alapaarteen nurjahduspituuden määrittäminen

Abstract

Teräsristikoiden suunnittelussa mitoittavina tekijöinä ovat yleisesti rakenteen stabiiliuteen liittyvät ilmiöt kuten uuma- ja paarresauvojen nurjahdukset. Stabiiliusilmiöiden merkitys korostuu etenkin suurilla teräksen lujuuksilla, jotka mahdollistavat aiempaa hoikemmat rakenteet. Suunnittelunormit eivät kuitenkaan anna selkeitä ohjeita siitä, miten erilaisia epästabiiliusilmöitä tulisi käsitellä ristikon mitoituksessa.

Tässä diplomityössä tarkastellaan putkipalkkiristikon puristetun alapaarteen nurjahdusta. Työn tavoitteena on esittää laskentatapa sivutukemattoman alapaarteen nurjahduspituudelle sekä määrittää nurjahduspituuden kertoimen arvoja kolmella erilaisella ristikkogeometrialla ja kuormitustapauksella. Ristikon nurjahdusanalyysit suoritetaan elementtimenetelmään perustuvalla ohjelmistolla. FEM-laskennan tulokset validoidaan kuhunkin ristikkotapaukseen soveltuvalla yksinkertaistetulla käsinlaskentamallilla.

Tämän tutkimuksen lähtökohtana oli hollantilaisen Harm Boelin (2010) diplomityössään esittämä laskentatapa, jossa putkipalkkiristikon hitsattuja K-liitoksia käsitellään ristikon rakennemallissa nivelten sijaan osittain jäykkinä. Boelin työssä esitettyjä sekä muusta lähdekirjallisuudesta saatuja K-liitoksen kiertojäykkyyden arvoja eri uumasauvojen ja paarteiden yhdistelmillä käytettiin tässä diplomityössä ristikon laskentamallin palkkielementtien välisissä liitoksissa.

Työn tulosten perusteella alapaarteen mitoituksessa tulisi käyttää selvästi suurempia nurjahduspituuden arvoja kuin esimerkiksi yläpaarteelle, jos alapaarretta ei ole tuettu ristikon tasoa vastaan kohtisuorassa suunnassa. Alapaarteen nurjahdus voi muodostua teräsristikon kokonaisstabiliteetin kannalta määrääväksi etenkin ristikoissa, joissa alapaarre kiinnittyy pilareihin siten, että paarteen päiden siirtymät on estetty. Tällöin osa paarteesta voi tulla puristetuksi myös alaspäin suuntautuvalla kuormaresultantilla.

In the design of steel trusses, structural load bearing capasity is commonly determined by instability phenomena such as buckling of brace or chord members. Especially with high-strength steel grades which allow truss members to be more slender the significance of instability phenomena is emphasized. Design standards, however, do not give clear instructions how such issues should be addressed in the design of steel trusses.

This master’s thesis investigates the buckling of bottom chord under compression in tubular trusses. The main objective of this thesis is to develop a calculation method for the buckling length of laterally unbraced bottom chord. Moreover, buckling length factors are determined for three trusses with different loading scenarios and bottom chord boundary conditions. Linear buckling analyses are carried out with finite element method based calculation software. Each truss case is also analyzed by hand calculation using applicable simplified calculation models.

Beam element models in this thesis are based on the calculation method of Harm Boel (2010) in which welded K-joints of tubular trusses are modeled as semi-rigid instead of hinged. Rotational stiffnesses of K-joints between beam elements used in this thesis are obtained from the thesis of Boel and from other literature.

Judging by the results of this thesis significantly higher values for the buckling length factor of laterally unbraced bottom chord should be used, compared to upper chord for example. Bottom chord buckling may determine the global stability of a steel truss especially in trusses with hinged or rigid bottom chord to column connection. In such case parts of the bottom chord may be under compression even with downward loading.