FEM-lähtötietoja käyttävä pilarianturan laskentapohja

Abstract

Maanvaraisten pilarianturoiden suunnittelu on toimenpide, joka tulee vastaan lähes jokaisessa isossa rakennusprojektissa. Esimerkiksi kattilalaitoksissa kuormitusyhdistelmiä yhtä pilarianturaa kohden voi olla useita kymmeniä ellei satoja, ja kaikista pilarianturoista sekä niiden yhdistelmistä pitäisi löytää mää-räävä tapaus. Tähän asti määräävän kuormitustapauksen etsiminen on ollut työlästä ja aina muutosten jälkeen tämä työ on jouduttu tekemään uudelleen. Tässä työssä käydään läpi pilarianturan mitoitus ja kehitetään apuväline pilarianturoiden kannalta määräävän kuormitusyhdistelmän löytämiseen sekä pilarianturan mitoitukseen. Pilarianturoita voidaan mitoittaa myös mallintamalla ne FEM- laskentaohjelmaan, mutta se vie paljon aikaa, koska laskentamallit voivat olla erittäin suuria ja mallin laskenta hidastuu sisällön kasvaessa entisestään. Lisäksi luotettavien tulosten saamiseksi FEM- laskentamallista, käyttäjältä vaaditaan perusteellista asiantuntemusta, tarkkuutta ja ohjelmiston käyttötaitoa.

Laskennan helpottamiseksi ja nopeuttamiseksi haluttiin kehittää laskentapohja, johon tuodaan kuormitusyhdistelmien tukireaktiot laskentaohjelmasta (esim. Robot Structural analysis/ Staad), jolloin laskentapohja etsii määräävimmän pilarianturan sekä kuormitustapauksen ja mitoittaa sen. Mitoituksesta saadaan taulukot, jonka avulla nähdään helposti, kestääkö valittu antura kaikki kuormitustapaukset ja mitkä kuormitustilanteet aiheuttavat anturalle suurimmat rasitukset. Työ rajautuu anturan osalta pilarianturan ja raudoituksen murtorajatilamitoitukseen, kaatumisvarmuus- ja liukumistarkasteluun sekä halkeilun tarkasteluun käyttörajatilassa. Anturan muodon osalta käsitellään neliö- ja suorakaideanturoita. Laskentapohjan toiminta varmennetaan vertailemalla tuloksia SKOL ry:n (Suunnittelu- ja konsultointiyritykset) julkaisemaan B19 maanvaraisen anturan laskentapohjan tuloksiin. Työn kirjallisessa osuudessa käydään pilarianturan rakennetekninen mitoitus perusteellisesti läpi ja geoteknisen mitoituksen perusasioita, jolloin se voi toimia myös oppaana laskentapohjan käyttäjälle, mikäli käyttäjä haluaa perehtyä asiaan syvällisemmin.

Structural design of column footings is a procedure that occurs with almost every large construction project. For example in boiler plant structures there can be dozens or hundreds of load combinations for one column footing and from all those column footings and load combinations the governing load combination must be found. So far searching the governing load combination has been troublesome and has to be done again after changes in structural system. This thesis presents structural and partially geotechnical design of column footings and developes a tool for finding the governing load combination and for calculation of column footings. Column footings can also be calculated with FEM calculation software but it can take a lot of time because of big size of calculation models and adding more information to the model can cause it to slow down even further. Also getting reliable results from FEM calculation model requires expertise, precision and fundamental knowledge about the calculation software.

To ease and fasten calculation of column footings, a need for developing a calculation template occurred. Template where support reactions can be brought from FEM calculation software (for example Robot Structural analysis or Staad) and calculation template finds governing load combination and makes structural design for it. As a result of design, tables are created, where user can easily see does the chosen column footing bear all load combinations and which load combination causes greatest loads to the structure. Study in this thesis is limited to ultimate limit state design of column footing and reinforcement, stability check, sliding check and cracking in serviceability limit state. Shape of column footing in this thesis is limited to square and rectangular. Functionality of calculation template is ensured by comparing results with B19 calculation template for column footing published by SKOL ry. Written part of this thesis goes through structural design of column footing thoroughly and basics of geotechnical design so it can work as a guide for the user of the calculation template if he/ she wishes to dig in to calculation more deeply.