Structural analysis of composite sway frame using different design methods

摘要

Suomessa betonitäytteisten putkipilareiden käyttö kantavana rungon osana on hyvin yleinen ratkaisu. Teräsbetonin käyttö perustuu betonin hyviin palonkesto-ominaisuuksiin eikä teräsbetonin ja teräsputken muodostama liittopilari vaadi erillistä palosuojausta kuten palosuojamaalausta. Tämä on suuri etu, koska palosuojattavien kokoonpanojen määrä vähenee ja näin ollen aikaa säästyy. Paloteknisten ominaisuuksien lisäksi betoniydin toimii normaalilämpötilassa yhdessä teräsputken kanssa lisäten huomattavasti pilarin kokonaiskestävyyttä, minkä seurauksena pilareista saadaan hoikempia verrattuna puhtaisiin teräsbetoni- tai teräspilareihin. Sivusiirtyvää liittopilaria on käsitelty liittorakenteiden eurokoodissa hyvin niukasti, joskin ohjeet sen suunnitteluun ovat kuitenkin olemassa. Belgialaisessa Liègen yliopistossa tehdyssä tutkimuksessa asiaan on haettu korjausta ja tutkimuksessa esitellään uudenlainen menetelmä sivusiirtyvän liittopilarikehän laskentaan, joka perustuu yleisesti hyvin tunnettuun Merchant-Rankine -teoriaan. Uuden menetelmän lisäksi belgialaisten tutkimuksessa esitellään myös useita muita menetelmiä, joista tähän diplomityöhön valittiin kolme, joiden avulla oli tarkoitus tutkia yksinkertaisen liittopilarikehän kestävyyksiä ja vertailla menetelmien antamia tuloksia. Tutkittavat menetelmät olivat korotettujen momenttien menetelmä, Merchant-Rankine –teoriaan perustuva menetelmä ja tutkimuksessa kehitelty uusi menetelmä. Jotta menetelmien antamista tuloksista saatiin parempi käsitys, otettiin mukaan myös eurokoodin mukaiset mitoitukset sekä normaalilämpötilassa että palotilanteessa.Vertailtavana suureena käytettiin jokaisesta menetelmästä saatavaa äärimmäistä ominaisarvoa, joka kuvaa kerrointa, jolla kehää rasittavat kuormat täytyisi kertoa kehän sortumisen aikaansaamiseksi. Tämän lisäksi menetelmästä riippuen laskettavia ominaisarvoja olivat nurjahduksen ominaisarvo ja plastinen ominaisarvo, jotka kertoivat tarkemmin kehän alttiudesta sortua eri tavoilla. Laskenta suoritettiin pääosin Excel-laskentana, mutta nurjahduksen ominaisarvon laskentaan käytettiin tulosten luotettavuuden vuoksi Autodeskin Robot Structural Analysis –ohjelmaa. Menetelmien antamat tulokset olivat pitkälti belgialaisen tutkimuksen mukaiset eikä merkittäviä yllätyksiä esiintynyt ominaisarvojen suuruuksissa. Tutkimuksen perusteella korotettujen momenttien menetelmää ja uutta menetelmää voidaan suositella jäykkänurkkaisen, sivusiirtyvän liittopilarikehän laskentaan, mutta eurokoodin mukaiset lisäykset mm. epätarkkuuksista täytyy ottaa mitoituksessa huomioon. Palomitoituksesta huomattiin, että kehät eivät täyttäneet sellaisenaan eurokoodin mitoitusehtoja. Tämän myötä vaihtoehtoisten laskentamenetelmien tuoma hyöty jäi varsin rajalliseksi käytännön mitoitusta ajatellen.