Betonirakenteisten korkeiden rakennusten FEM-laskentamallit

Abstract

Opinnäytetyö käsittelee korkeiden rakennusten FEM-laskentamalleja. Työ tehtiin NQE Rakennetekniikka Oy:lle. Työn tavoitteena oli perehtyä monikerrosrakennuksen lujuuslaskennassa esiintyviin ilmiöihin ja vertailla eri lujuuslaskentaohjelmistoja.

Opinnäytetyössä käsitellään FEM-laskennan perusteita, jotka laskentaa suorittavan suunnittelijan tulisi hallita. Työssä tehtiin myös kirjallisuusselvitystä hyväksi havaittuihin käytäntöihin ja ohjeistuksiin. Lisäksi tarkasteltiin asioita, joita Helsingin korkean rakentamisen rakennustapaohjeessa on esitetty.

Korkeiden rakennusten suunnittelussa tulee huomioida tuulikuorman aiheuttamat värähtelyt ja kiihtyvyydet. Ominaistaajuudet monikerrosrakentamisessa laskentaan FEM-laskennalla. Työssä tarkasteltiin ohjelmien suoriutumista elementtimenetelmän mukaisessa ominaistaajuuden laskennassa. Lisäksi tyypillisiä korkean rakentamisen tutkinnan aiheita ovat vaiheittaisen rakentamisen vaikutukset. Omat painot kertyvät ja kuormittavat alempia yksi kerros kerrallaan, jonka huomiointiin ohjelmistoista löytyy työkaluja. Lisäksi betonirakenteen halkeilu vaikuttaa korkean rakennuksen rasituksiin. Tietokonelaskennasta saatuja laskentatuloksia vertailtiin käsin laskennasta saatuihin arvoihin.

Tutkimuksessa selvitettiin FEM-ohjelmistojen soveltuvuutta jatkuvan sortuman analysointiin. Jatkuvan sortuman tarkastelussa rakenteelta vaaditaan suurta muodonmuutoskykyä, jotta materiaalimenekki saadaan optimoitua. Selvitysten mukaan laskentaohjelmistojen epälineaarisissa materiaalimalleissa on vielä kehitettävää, jotta laskenta saataisiin helposti tehtyä. Opinnäytetyössä esitetään laskentatapa, jossa rakenteen geometriaa FEM-mallissa muuttamalla voidaan rasituksia tutkia köysiteorian periaatteilla lineaarisen kimmoteorian mukaisella analyysimallilla.

Tutkimuksessa vertailtiin kolmen eri kaupallisen FEM-laskentaohjelmiston toiminnallisuuksia korkeiden rakennusten lujuuslaskennan suorittamiseksi. Ohjelmiksi valittiin suunnittelutoimistoissa yleisesti käytössä olevat Robot Autodesk Structural Analysis, Dlubal RFEM sekä CSI American ETABS. Suoritettujen tutkimusten mukaan ETABS-ohjelmisto soveltuu parhaiten korkean rakennuksen analysointiin.

The purpose of this thesis was to study structural behavior of multi-storey concrete building and compare three commercial FEM-programs. Thesis was made for NQE Rakennetekniikka Ltd.

Structural designer should know the basics of statics and strength calculations. Finite element method fundamentals were opened in the beginning of the thesis. In addition, books and journal papers around the world were studied. Helsinki city has also guidelines for tall buildings which were reviewed.

When designing tall building, wind load effects should be considered. When the building rises higher, the dynamic vibration effects need more attention. Human comfort issues are depended on accelerations. Modal analysis of natural frequency is calculated using FEM-program. Also staged construction should be taken into account. Dead loads of structure will come floor by floor having influence on load distribution. Concrete cracking has also effects on how loads are distributed. Results from FEM-models were compared to manual calculations.

FEM-program suitability to perform progressive collapse analysis was studied. According to studies, non-linear material models on FEM-programs do not very well support very large deformation calculations or material models are laborious to use. One way to model catenary action is to change the geometry in linear elastic analysis model which is presented in the thesis.

In this research three common structural engineering programs were tested to see, how them perform analysing tall buildings. Programs were Robot Autodesk Structural Analysis, Dlubal RFEM and CSI American ETABS. According to studies ETABS managed best to analyse tall building statics.