Toisen kertaluvun vaikutusten ja perustamistavan huomiointi kehäjäykisteisen teräsbetonirakennuksen suunnitteluprosessissa

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2023-08-21
Department
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Building Technology (CIV)
Language
fi
Pages
115+8
Series
Abstract
Tässä työssä tutkittiin teräsbetonisten kehärakenteiden suunnitteluprosessia, jossa toisen kertaluvun vaikutukset ovat rakenteen toiminnan kannalta merkittäviä. Suunnitteluprosessin parametrina tarkasteltiin kriittistä kuormakerrointa ja sen yhteyttä toisen kertaluvun rasitusten suuruuteen. Työssä perehdyttiin myös paaluperustuksen toimintaan osana rakennusrunkoa. Työ koostui kirjallisuustutkimuksesta ja numeerisista analyyseistä, jotka sisälsivät myös tapaustutkimuksen. Kirjallisuustutkimuksena selvitettiin eurokoodin EN 1992-1-1 sekä brasilialaisen NBR-6118- ja yhdysvaltalaisen ACI-318 normien antamaa ohjeistusta toisen kertaluvun vaikutusten huomioimiseksi rakenneanalyysissä. Toisin kuin muissa tutkituissa normeissa, eurokoodissa ei ole annettu yksiselitteistä ohjeistusta epälineaarisen analyysin suorittamiseksi, minkä vuoksi analyysiä eurokoodin ohjeen mukaisesti haluttiin selventää. Laskelmien perusteella perustuksen joustavuudella todettiin olevan vaikutusta rakenteen sivusiirtymiin ja siten toisen kertaluvun rasitusten suuruuteen kehistä koostuvan rungon pilareissa. Perustuksen joustavuus laski kriittistä kuormakerrointa suurimmillaan 61 % verrattuna idealisoidun jäykän perustuksen tapaukseen ja vaikutti siten rakennuksen globaaliin stabiiliuteen merkittävästi. Paaluperustuksen yksinkertaistaminen anturakohtaisena jousena vastasi hyvin tarkemmin mallinnetun perustuksen toimintaa siirtymien ja voimasuureiden osalta, mutta sillä saadut kriittisen kuormakertoimen arvot yliarvioitiin enimmillään 41 % koko perustukseen nähden. Kriittisen kuormakertoimen arvoa kyettiin korottamaan esimerkkirakenteen osalta kasvattamalla pilareiden poikkileikkausta, mutta materiaalin epälineaarisuus huomioiden, analyysin suorittaminen geometrisesti lineaarisena vaati erillisiä jäykistysjärjestelmiä. Eurokoodin liitteen H likiarvojäykkyyden havaittiin soveltuvan materiaalin epälineaarisuuden alustavaan arviointiin hyvin antaen yleiseen menetelmään nähden konservatiivisia tuloksia. Laskennan tulosten todettiin varmentavan aiemmissa tutkimuksissa määritetyn nurjahduskuorman ja mitoituskuorman suhteen alarajan 5 soveltuvuutta rakennuksen toimivuuden alustavassa tarkastelussa.

In this thesis, the design process of the load-bearing frames for reinforced concrete buildings were studied assuming that the lateral displacements of a building can affect building behavior significantly. The global critical load factor was used as a selection parameter in the process, and its connection to the second order effects was investigated. The effect of pile foundations on the response of the building load-bearing system was also studied. The thesis consists of literature review and numerical analyses with a case study. In the literature review, the focus was on the instructions given in design standards for concrete structures of the second order effects in structural analysis. The standards studied were the Eurocode EN 1992-1-1, ACI-318 from the United States and Brazilian NBR-6118 design standards for concrete structures. Unlike the other standards studied, Eurocode does not give detailed guidance of the design process for non-linear structural analysis, for which reason a non-linear analysis based on the Eurocode instructions was studied. The results of calculations indicated that the flexibility of the foundation affects displacements of the columns and therefore also their second order bending moments. Compared to a rigid foundation, the foundation flexibility decreased the global critical load factor by 61 % at most and affected structural stability significantly. Modelling the pile foundation as equivalent springs defined for each pile foot was found to approximate displacements and stresses reasonably but to overestimate the critical load factor by 41 % at most compared to the model including the whole foundation. The value of the critical load factor for the structure investigated in the case study could be increased by enlarging the cross sections of columns, but considering material non-linearity the analysis could be performed assuming a geometrically linear behavior only by adding separate stiffeners to the structure. Appendix H of Eurocode SFS-EN 1992-1-1 was found to approximate reasonably the effects of material nonlinearity on structural response in a preliminary design analysis as it gave mostly safe results compared to the general method of the Eurocode. The results confirm that a value of 5 selected for the lower limit of the global critical load factor in the earlier studies is a suitable choice for a preliminary check of structural stability.
Description
Supervisor
Puttonen, Jari
Thesis advisor
Riipinen, Mikko
Jalkanen, Jussi
Keywords
epälineaarinen analyysi, sivusiirtyvä kehärakenne, kriittinen kuormakerroin, paaluperustus, jousimalli
Citation