University of Oulu

Jatkuvan sortuman analyysimenetelmät

Saved in:
Author: Kyngäs, Janne1
Organizations: 1University of Oulu, Faculty of Technology, Civil Engineering
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 1.9 MB)
Pages: 98
Persistent link: http://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-201911203112
Language: Finnish
Published: Oulu : J. Kyngäs, 2019
Publish Date: 2019-11-21
Thesis type: Master's thesis (tech)
Tutor: Kangaspuoskari, Matti
Reviewer: Kangaspuoskari, Matti
Niemi, Antti
Description:

Tiivistelmä

Jatkuvaksi sortumaksi kutsutaan sortuman leviämistä paikallisen vaurion johdosta, kun tapahtuman seuraukset ovat alkuperäiseen syyhyn nähden suhteettoman suuret. Jatkuvan sortuman estämisessä on kyse rakenteen vaurionsietokyvystä eli kyvystä luoda sortumaa vastustavia, stabiileja vaihtoehtoisia rakennejärjestelmiä. Näiden avulla rakenne voi kehittää vaihtoehtoisen kuormansiirtoreitin, jonka avulla kuormat voivat siirtyä perustuksille. Diplomityössä tutkitaan kuinka tätä tapahtumaa voidaan analysoida. Työn tavoitteena on saada selkeä kuva siitä, mitä eri menetelmiä analysointiin on käytettävissä ja miten ne voidaan suorittaa. Tarkoituksena on myös selvittää, miten menetelmät soveltuvat rakennesuunnittelijan jokapäiväiseen työhön ja käsiteltäväksi Robot Structural Analysis -ohjelmassa. Työ koostuu teoriaosuudessa kirjallisuuskatsauksesta ja soveltavassa osiossa epälineaarisesta FEM-laskennasta.

Kirjallisuuskatsauksessa käsitellään jatkuvan sortuman analysointiin käytettäviä menetelmiä, sekä mitä vaatimuksia ja ohjeita Eurokoodit antavat niiden suorittamiseen. Teoriaosio pohjautuu ristiriidattomasti myös muiden standardien käyttöön, koska itse analyysimenetelmien ohjeistus on Eurokoodeissa puutteellinen. Lisäksi työssä käydään läpi rakennuksen geometrian ja materiaalin epälineaarisia ominaisuuksia jatkuvassa sortumassa. Työssä perehdytään myös liitosten todellisen epälineaarisen käyttäytymisen laskentaan ja mallintamiseen.

Teoriaosuuden perusteella soveltavassa osiossa suoritetaan epälineaarinen staattinen FEM-laskenta tyypilliselle teräsrakenteiselle hallille. Laskenta suoritetaan Robot Structural Analysis -ohjelmalla. Soveltavassa osiossa tullaan samaan tulokseen kuin kirjallisuuskatsauksessa liitosten tärkeydestä jatkuvassa sortumassa. Mikäli liitokset eivät ole kyvykkäitä välittämään kuormia jäljelle jääville rakenneosille, ei sortumaa vastustavia vaihtoehtoisia rakennejärjestelmiä voi syntyä. Liitosten kapasiteetit määritetään tässä työssä Idea Statica -ohjelmalla. Valitulle liitostyypille suoritetaan vertailulaskelmat Eurokoodin komponenttimenetelmällä. Liitosten käyttäytyminen sortumatilanteessa on kuitenkin hyvin monimutkaista ja todellisten kapasiteettien määrittäminen numeerisesti erittäin vaativaa.

Jatkuva sortuma on kaoottinen tilanne ja varsinkin teräsrakenteilla yleensä voimakkaasti epälineaarinen ja dynaaminen ilmiö. Tapahtuma on myös hyvin tilanneriippuvainen, joten yksittäisistä analyyseistä ei voida vetää yleisiä johtopäätöksiä. Tapahtuman tutkiminen monimutkaisissa rakennuksissa vaatii huomattavaa asiantuntevuutta rakenteiden mekaniikasta sekä laskentaohjelmien käytöstä. Tutkijat ovat kuitenkin viime vuosikymmeninä heränneet jatkuvan sortuman tutkimiseen ja uutta dataa on vuosi vuodelta enemmän saatavissa. Tällä hetkellä universaalia ohjetta jatkuvan sortuman tutkimiseen ei ole olemassa, mutta tämän työn periaatteita soveltamalla voidaan saada hyvä arvio rakennuksen jatkuvan sortuman potentiaalista.

Analysis methods of progressive collapse

Abstract

Progressive collapse is the spread of local damage in building structures when the consequences of the initiating action are disproportionate to the original cause. In preventing progressive collapse, it is structural robustness that forms the ability to create stable alternative system configurations which lead to alternative load paths to structure foundations. This master’s thesis investigates how this event can be analyzed. The main goal is to form a general understanding of the methods that are available and how they can be performed. The purpose is also to clarify how the methods fit to structural designer’s day-to-day work and to Robot Structural Analysis software. The thesis consists of a literature review in the theory section and a nonlinear FEM-analysis in the applied section.

The literature review processes the methods of analysis in progressive collapse scenario and the kind of demands and guidelines which Eurocodes provide in terms of performing those methods. The theory section is consistently based on other standards because Eurocodes provide only a little information on how to perform the analyses. The thesis also undergoes a structure’s geometrical and material nonlinear properties in a progressive collapse scenario. Realistic nonlinear behavior of structural joints in calculation and modeling is also considered.

Based on the theory section, the applied section performs a nonlinear static FEM-analysis to a typical steel-constructed hall. Calculations are performed with Robot Structural Analysis software. Regarding the importance of steel joints in a progressive collapse scenario, the applied section reaches the same conclusion as the literature review. If steel joints are incapable of transferring loads to remaining structures, alternative system configurations cannot be generated. The capacities of steel joints are assessed with Idea Statica software. Eurocode’s component method is used to determine capacities of the selected steel joint type for comparative values. However, the behavior of steel joints in a progressive collapse scenario is very complicated, and the actual capacities are extremely demanding to determine.

Progressive collapse is a chaotic condition, and especially in steel structures, an intensely nonlinear and dynamic phenomenon. General conclusions cannot be based on individual analysis as the event is highly dependent on the existing situation. Studying of the event in complex structural configurations demands high expertise of mechanics of structures and the use of structural analysis software solutions. Researchers have awakened to the study of progressive collapse and more new data is available year by year. Universal guidelines remain to be non-existent these days. However, good valuation of the progressive collapse potential can be achieved from adaptation of the principles presented in this master’s thesis.

see all

Subjects:
Copyright information: © Janne Kyngäs, 2019. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.