Teräsbetonilaatan laskentamenetelmät : case: paksu teräsbetonilaatta

Abstract

Paksuja teräsbetonilaattoja käytetään kuormansiirtorakenteina eri runkojärjestelmien välillä. Runkojärjestelmien yhdistäminen on tyypillistä hybridirakentamisessa. Esimerkkinä voi mainita metroasemat, joiden päälle on useissa pääkaupunkiseudun hankkeissa rakennettu pilarit-palkit-laatat-runkojärjestelmän mukainen liikerakennus ja liikerakennuksen päälle yksi tai useampi asuinkerrostalo kantavat seinät-laatat-runkojärjestelmällä. Paksujen teräsbetonilaattojen rakenneanalyysin tukena yleinen ja tehokas työkalu on elementtimenetelmä eli FEM (Finite Element Method). Paksujen teräsbetonilaattojen tapauksessa FEM-rakenneanalyysi saa kuitenkin erityispiirteitä, joita ovat laskentamallin ulottuvuus, käytettävä laattateoria ja tulosten muodostuminen sekä oikea tulkinta.

Tässä opinnäytetyössä perehdyttiin elementtimenetelmän perusteisiin ja toimintaan käytännössä, laattateorioihin sekä betonin materiaaliominaisuuksien erityispiirteisiin. Tästä muodostunutta teoriaosuutta sovellettiin käytännönosuudessa, jossa käytettiin Dlubal RFEM -ohjelmistoa. Käytännönosuudessa laattojen FEM-rakenneanalyysia, tulosten muodostumista ja tulkintaa tutkittiin aluksi yksinkertaisin sovelluksin. Tämän jälkeen menetelmiä sovellettiin CASE-laskennassa kuvitteelliseen paksuun pilarilaattaan, jonka päälle rakentui 11-kerroksinen asuinkerrostalo.

Työn perusteella voidaan todeta, että laskentamenetelmissä ulottuvuudella ja valitulla laattateorialla on merkitystä. Kaksiulotteisella laskentamallilla tulosten tulkitseminen on yksinkertaisempaa ja mitoitusvoimasuureiden muodostamiseen on kehitetty menetelmiä, joista tämän työn perusteella voidaan suositella vääntömomentin huomioivaa Wood and Armer -menetelmää. Laattateorioiden olennaisin ero on leikkausmuodonmuutos, jonka Reissner-Mindlin laattateoria huomioi. Kaksiulotteisessa laskentamallissa on käytettävä Kirchhoff laattateoriaa jännevälin ja paksuuden suhteen ollessa yli 5 ja Reissner-Mindlin laattateoriaa suhteen ollessa alle 5. Kolmiulotteinen laskentamalli soveltuu muodonmuutosten lisävarmistukseksi tai kun jännevälin ja paksuuden suhde on alle 3, jolloin kaksiulotteisella laskentamallilla saadaan virheellisiä tuloksia laattateoriasta huolimatta. Paksujen teräsbetonilaattojen jatkotutkimusaiheiksi esitetään mitoitusmenetelmien, rakenneosien toiminnan ja niiden sovellettavuusrajojen tarkempaa tutkimista sekä työmaatoteutuksen ja sen haasteiden käsittelyä.

Thick reinforced concrete slabs are used as load transfer structures, for example between different frame systems. The interconnection of frame systems is common in hybrid buildings, where buildings with several different uses are interconnected. For example, a commercial building with a columns-beams-slabs frame system with spacious commercial premises and a walls-slabs frame system residential building built on top of the commercial building. In the structural analysis of slabs, a common and effective tool is finite element method i.e. FEM. In FEM structural analysis, in the case of thick reinforced slabs, special features are the choice of dimension of the calculation model between two-dimensional and three-dimensional, the slab theory to be used and the formation and correct interpretation of the results.

In this thesis, the basics and operation of the finite element method in practice, slab theories and the special features of concrete material properties were introduced. The resulting theoretical part was applied in the practical part using Dlubal RFEM software. In the practical part, the FEM structural analysis of slabs and the formation and interpretation of the results were initially studied with simple applications. The methods were then applied in a CASE calculation to a demonstrable load transfer slab on which an 11-storey apartment building was built.

Based on this thesis, it can be stated that chosen dimension of the calculation model and slab theories are important in FEM structural analysis. With two-dimensional calculation model, the interpretation of the results is simpler. There are also few methods to generate design internal forces which takes torsional moment into account. Wood and Armer method is recommended. The most essential difference between slab theories is the consideration of shear deformation. On two-dimensional calculation model Kirchhoff slab theory should be used when span-to-thickness ratio is more than 5 and Reissner-Mindlin slab theory should be used when ratio is less than 5. The three-dimensional calculation model is suitable for verification of the deformations or as a calculation method when span-to-thickness ratio is less than 3. After that two-dimensional calculation model gives false results. A more detailed study of the structural component differences, and special features of working site implementation, is proposed as topics of further research.