JultikaUniversity of Oulu repository

Tiivistelmä

Lumikuorma on aiheuttanut viime vuosina laajarunkoisten rakennusten kattorakenteiden vaurioitumisia eri puolilla Suomea. Rakenteiden kuitenkin tulisi olla luotettavia ja kestää jokatalvinen lumikuorma ilman lisätoimenpiteitä, kuten lumen poistamista. Työn tavoitteena on analysoida lumikuorman vaikutusta rakenteiden luotettavuuteen. Tutkimuksessa tarkastellaan Eurokoodissa ohjeistettua luotettavuustasoa ja Suomen kansallisessa liitteessä valitun kuormitusyhdistelyn tuottamaa luotettavuustasoa. Lisäksi tutkitaan, ovatko nykyisin eurokoodin mukaisessa mitoituksessa käytettävät lumen kuormitustapaukset riittäviä, vai pitäisikö eurokoodiin lisätä kuormitustapauksia.

Suomessa mitoitukseen käytettävä kuormitusyhdistelmä on Eurokoodin lausekkeista (6.10a) ja (6.10b) epäedullisempi siten, että yhtälöön (6.10a) sisällytetään vain pysyvät kuormat. Tutkimuksessa havaittiin, että Suomen valitsemalla kuormitusyhdistelmällä ei välttämättä saavuteta Eurokoodin asettamaa tavoiteluotettavuutta sellaisissa tilanteissa, joissa lumikuorman osuus kokonaiskuormasta on hyvin suuri. Luotettavuustasoa on mahdollista parantaa siirtymällä Eurokoodin yhtälön (6.10) käyttöön.

Eri kuormitustapausten analysointia varten mitoitettiin esimerkkiristikko, jonka diagonaalisauvojen sisäisiä voimasuureita vertailtiin eri kuormitustapauksissa. Havaittiin, että mitoittavaksi tapaukseksi voi osoittautua tilanne, jossa toisella lappeella on täysi lumikuorma ja toinen lape on tyhjä. Tällöin diagonaalisauvojen kuormitus voi muuttua siten, että osa sauvoista nurjahtaa. Tämän perusteella voidaan suositella kyseisen kuormitustapauksen lisäämistä nykyisten kuormitustapausten rinnalle. Nykyisiin kuormitustapauksiin sisältyy tilanne, jossa toisella lappeella on täysi lumikuorma ja toisella lappeella on puolikas lumikuorma. Tämä kuormitustapaus voitaisiin korvata tutkimuksessa lasketulla kuormitustapauksella.

Tutkimuksessa käsitellään vain teräsrakenteita Suomessa. Rajatilamitoitus tehdään vain murtorajatilanteesta. Rakenteen väsymistä tai käyttäytymistä palotilanteessa ei huomioida.

A case study of reliability of snow-loaded steel structures

Abstract

Snow loads have caused damage to roof structures of wide-bodied buildings all over Finland during the last years. Structures should be reliable and stand on their own without additional measures like removing snow from the roof. The objective of this study is to increase knowledge about effects of snow load to the reliability of structures. The target reliability level set by the Eurocode standard and the reliability level induced by the load combination chosen in Finland are investigated. In addition to that, the currently employed snow load cases are sufficiently versatile, or whether more load cases should be added to the Eurocode.

The load combination employed in Finland uses the more unfavourable of equations (6.10a) and (6.10b) from Eurocode so that equation (6.10a) includes only permanent loads. It was found out, that the target reliability level of Eurocode may not be reached by the load combination Finland has chosen in situations where the snow load is very dominant load component. The reliability level could be increased for instance by adopting the load combination of equation (6.10) in the Eurocode.

For analyzing load cases, a model truss was designed and the internal forces were compared for different load cases. A situation where one roof slope has a full snow load and the another one is empty was found to be one of the most onerous situations. Then the stress in the diagonal profiles can change so that some of the profiles may buckle. Based on this, a particular load case is recommended to be added alongside the current ones. Nowadays there is a load case where one slope is fully loaded and the another side has a half snow load. This load case could be replaced by the load case that was found in this study.

The study concerns only steel structures in Finland and only the ultimate limit state. Fatigue of steel or behaviour in fire is not observed.