Ontelolaattalattian värähtelysuunnittelu ja värähtelyn laskennallinen analysointi
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2017-09-25
Department
Major/Subject
Rakennetekniikka
Mcode
R3001
Degree programme
Rakenne- ja rakennustuotantotekniikan koulutusohjelma
Language
fi
Pages
101+35
Series
Abstract
Ontelolaatoista (OL) koostuva betonilattia voi altistua häiritseville värähtelyille, jotka ovat ihmisten aiheuttamia. Ontelolaattalattioiden värähtelysuunnittelua ei kuitenkaan ole standardisoitu Suomessa eikä värähtelylle esitetä selviä raja-arvoja. Vaikka OL-lattioiden käyttäminen on rakenneteknisesti tehokasta, jännitetyn esivalmistetun elementin geometria aiheuttaa haasteita värähtelyn mallintamisessa. Tässä työssä tutkittiin elementtimenetelmään (FEM) perustuvan laskennallisen rakenneanalyysin soveltuvuutta OL-lattioiden värähtelysuunnitteluun. Työn tavoitteena oli selvittää, miten OL-lattioiden värähtelysuunnittelu tehdään FE-analyysin avulla, ja edelleen määrittää analyysiprosessiin vaikuttavat tekijät ja epävarmuudet. Yksi lähemmin tarkasteltavista tekijöistä oli 2D-mallin tarkkuustaso verrattuna 3D-malliin. Kirjallisuustutkimuksessa muodostettiin soveltavan osion teoriapohja selvittämällä viimeisimmän tiedon mukaiset käytettävät lähtökohdat ja epävarmuustekijät FE-analyysille. Näin kirjallisuustutkimuksessa muodostettiin käsitys alalla vallitsevista suunnittelutavoista, värähtelyn hyväksyttävyydestä ja kriteereistä. Soveltava tapaustutkimus tehtiin kirjallisuustutkimuksen pohjalta. Tapaustutkimuksessa tutkittiin ostos- tai liikekeskuksessa sijaitsevaa esimerkkilaatastoa. Tapaustutkimuksessa painotettiin rakenteen ominaisuuksien analysointia, ja ominaisarvoanalyysi tehtiinkin useille eri näkökulmista luoduille rakennemalleille. Tuloksena saatavia ominaistaajuuksia verrattiin FE-analyysimallien kesken sekä analyyttisiin suunnitteluohjeiden mukaisiin tuloksiin. Näin saatiin tutkittua ominaistaajuuksiin vaikuttavia tekijöitä sekä arvioitua suunnittelukäyttöön tarkoitetun 2D-mallin tulosten tarkkuutta. Ominaisarvoanalyysin pohjalta suoritettiin vasteanalyysit eri kuormitustapauksilla niin numeerisesti kuin analyyttisesti suunnitteluohjeiden mukaisesti. Vasteanalyysien tuloksia tarkasteltiin suunnitteluohjeiden kriteereitä vasten. Vasteanalyysin avulla saatiin muodostettua parempi kokonaiskäsitys prosessista ja siihen vaikuttavista tekijöistä. Tulosten perusteella huomattiin, että ontelolaattojen värähtelysuunnittelu onnistuu konservatiivisesti kaksidimensioisella FE-mallilla ainakin valitun esimerkkiruudun kaltaisissa tapauksissa. Tutkimustuloksista voitiin myös päätellä, että ontelolaattojen värähtelysuunnitteluun liittyy useita epävarmuustekijöitä niin FE-analyysissa kuin värähtelysuunnittelussa yleisesti. Epävarmuustekijöiden lisätutkimuksilla ja tarkentamisella voitaisiin välttää ylimitoitusta. Lisäksi suunnitteluohjeiden analyyttisillä lähestymistavoilla saatiin pääosin samankaltaisia tuloksia.Building floors made of precast hollow-core concrete slabs (HCS) can be subject to annoying human induced vibration. However, there are no standardized methods for vibration design, nor existing acceptability levels for vibration of HCS floors in Finland. Even though HCS-floors have proven to be structurally efficient in use, precasting and geometry raise challenges for vibration simulation. In this thesis, the applicability of computational structural analysis based on the finite element method (FEM) for the design of HCS floor vibration was studied. The objective of this study was to find out how the HCS floor vibration design is done and, moreover, to determine parameters and identify uncertainties affecting this kind of FE-analysis. One of the main parameter studied was the degree of precision of a 2D-model compared to a 3D-model. First, a literary review was done to establish a basis for the applied part of the work. The literary review presents the premises used and uncertainties affecting both the vibration and the FE-analysis according to the latest academic research. Furthermore, industry standard design methods, acceptability levels and criteria for human induced vibration were considered. A case study was then performed based on the findings of the literary review. The case study includes a study of an example HCS floor, typically used in shopping/business centres. The study emphasizes the analysis of the structural properties of the HCS floor, and therefore an eigenvalue analysis was carried out for structural models made with multiple different viewpoints. Natural frequencies obtained from the FE-analyses were compared and benchmarked to the results derived from analytical results created per the state-of-art design guidance. Thus, the parameters affecting the natural frequencies were studied and the accuracy of the results reached with 2D-model for design purposes was evaluated. Based on the eigenvalue analysis, the final response analysis was carried out with both numerical and guidance-based analytical methods, and the results were compared to state-of-art criteria. Floor response was analysed in that regard to establish general impression of analysis and the parameters affecting it. As a result, the study finds out that the vibration design of hollow core slabs can be done conservatively with a two-dimensional FE-model, at least in situations similar to the case study. Based on the results, it can be concluded that there are several uncertainties present in the vibration design of HCS-floors, both in FE-analysis and in general. However, with further studies and more accurate descriptions of the uncertainties, it could be possible to avoid over-conservative design. In addition, mainly similar results were drawn from the simplified analytical methods per the design guidance.Description
Supervisor
Niiranen, JarkkoThesis advisor
Louhivirta, JariSalmela, Pasi
Keywords
ihmisten aiheuttama värähtely, dynaamiset ominaisuudet, ontelolaattalattia, ortotrooppinen laatta, numeerinen laskenta, FE-analyysi