Betonirakenteen geometrinen epälineaarisuus : eri menetelmiä

Abstract

Tämä opinnäytetyö on tehty kehitystehtävänä AFRY Finland Oy:lle. Tässä opinnäytetyössä perehdytään betonirakenteiden suunnitteluun ja mitoitukseen liittyviin ilmiöihin. Tutkittavia ilmiö on geometrinen epälineaarisuus ja voimien aiheuttamat toisen kertaluvun vaikutuksen rakenteessa.

Rakenteiden suunnittelua Euroopassa ohjaa Eurokoodi ja lisäksi kansalliset liitteet. Opinnäytetyössä tutkitaan mitoitukseen ja suunnitteluun liittyvät keskeiset standardit ja määräykset. Eurokoodi on uudistumassa ja toisen sukupolven eurokoodit otetaan käyttöön 2027. Osa uusista Eurokoodeista on julkaistu, mutta vielä ilman kansallisia liitteitä ja niitä ei saa vielä käyttää. Tässä työssä tarkastellaan toisen kertaluvun vaikutusten osalta ensimmäisen ja toisen sukupolven eurokoodin keskeisimmät muutokset.

Työssä käsitellään rakenteen stabiiliutta vaakakuormien osalta. Työssä perehdytään betonirakenteisen pilarin ja betonirakenteisen rakennuksen vaaka- ja pystykuormien aiheuttamaan geometriseen epälineaarisuuteen eli toisen kertaluvun vaikutuksiin. Geometrinen epälineaarisuus syntyy, kun vaakakuormasta aiheutuva siirtymätila aiheuttaa vaikuttavista pystykuormista syntyvää lisärasitusta rakenteelle. Teoriatausta tutkimukselle on haettu eurokoodista ja muusta tekniikan kirjallisuudesta. Myös mitoitusohjelmien manuaalia on käytetty lähdemateriaalina.

Tutkimusosuudessa vertaillaan eri menetelmien vaikutusta rakenteessa ilmeneviin toisen kertaluvun aiheuttamiin rasituksiin. Vertailtavia menetelmiä ovat nimellisen jäykkyyden menetelmä, nimellisen kaarevuuden menetelmä, suunnitteluohjelmistojen käyttämä PΔ-menetelmä ja SFS-EN 1992-1-1 Liitteen H mukainen menetelmä. Nimellisen kaarevuuden menetelmä sopii erillispilareille, joten laskelmat suoritettiin sen osalta vain pilarille ja nimellisen jäykkyyden ja nimellisen kaarevuuden menetelmillä molemmille rakenteille. Liitteen H menetelmä sopii monimuotoisille rakenteille ja tässä työssä sitä käytettiin suorakaiteen muotoiseen betonielementti rakennukseen. Vaakasuuntaisia rasituksia rakenteelle aiheuttaa myös mittaepätarkkuudet, joita tässä työssä on käsitelty edellä mainittujen rakenteiden osalta.

Lopuksi pohdintaosuudessa käydään läpi tuloksia ja niihin vaikuttavia seikkoja. Pohdinnassa lisäksi esitetään mahdollisia jatkokehityskohteita ja pohditaan opinnäytteen hyötyjä jatkossa.

This thesis has been made as development work for AFRY Finland Oy. This thesis is about planning and dimensioning of concrete structures. The focus of this study is on geometrical nonlinearity and second order effects caused by external forces on structures.

Structural design in Europe is guided by the Eurocode and additional national annexes. This thesis examines the standards and regulations related to design and dimensioning. The Eurocode is being revised, and the second generation of Eurocodes will be introduced in 2027. The new Eurocodes have been published but without national annexes they should not be used yet. In this work the most important difference between first and second generation of Eurocodes has been compared with regard of second order effects and geometrical nonlinearity.

In this work stability of structures has been studied. The work examines the geometrical nonlinearity and second order effects caused by horizontal and vertical loads to reinforced concrete columns and walls. Geometrical nonlinearity and second order effects occur when horizontal load causes displacement and rear-ranged acting vertical load causes additional stress to the structure. Theoretical background for this study has been taken for Eurocode and other technical literature. Also manuals from structural designing programs has been used.

In research section the different methods of calculating second order effects have been compared to how they affect the stresses in structure. The different methods are nominal stiffness method, nominal curvature method, PΔ-method at the design software and the method according to an annex H of SFS-EN 1992-1-1. Nominal curvature methods suits for columns so calculations is only done for it. Nominal stiffness method suits for both structures so calculations are done for both structures. Method according to appendix H suits for complex structures and in this thesis its used for rectangular prefabricated reinforced concrete building. Also horizontal loads from structural inaccuracies are subject in this thesis.

In conclusion and discussion section the results are analyzed and what impact they have on results. Also further development ideas are considered and what is the impact of this thesis.