JultikaUniversity of Oulu repository

Tiivistelmä

Teräsbetonirakenteiden lujuuslaskennassa joudutaan aina tekemään merkittävä määrä yksinkertaistuksia. Työn teoriaosuudessa luotiin katsaus teräsbetonirakenteen materiaaliominaisuuksien erityispiirteisiin, jotta voitiin arvioida, vastaako tutkittu laskentamenetelmä niitä riittävässä määrin.

Seinämäinen palkki on talonrakentamisessa paljon käytetty rakenneosa, joka sisältää tyypillisesti suuria epäjatkuvuusalueita. Työssä perehdyttiin seinämäisen palkin rakenteelliseen toimintaan, jotta tunnistettiin sen suunnittelussa huomioitavat keskeisimmät seikat. Kun epäjatkuvuuksia sisältävään teräsbetonirakenteeseen kohdistuu halkeilua aiheuttavia rasituksia, on suunnittelijan vastuulla varmistaa valitun analyysimenetelmän soveltuvuuden rajat. Analyysimenetelmästä riippumatta suunnitelmien tulee täyttää lain ja vallitsevien suunnittelustandardien vaateet. Työn teoriaosuudessa on perehdytty seinämäisen teräsbetonipalkin suunnitteluun Suomen lainsäädännön puitteissa.

Diplomityön tavoitteeksi asetettiin tutkia seinämäisen palkin mitoitusta käyttäen Idea Statica Concrete -ohjelmaa. Ohjelma perustuu Compatible Stress Field Method -menetelmään (CSFM-menetelmä) ja se suorittaa rakenteelle eurokoodin mukaisen mitoituksen murto- ja käyttörajatilassa. Kyseessä on FEM-laskentaan perustuva menetelmä, jolla lasketaan epälineaarisesti rakenteen jännitysanalyysi. Työhön valittiin kirjallisuudesta yksiaukkoinen sekä jatkuva seinämäinen palkki, joista molemmista tuotettiin useita laskentamalleja. Ohjelman tuottamia laskentatuloksia analysoitiin kirjallisuudessa tunnistettuihin seinämäisten palkkien murtumismekanismeihin keskittyen. Laskentatulosten verifiointi suoritettiin kirjallisuuden laskentatuloksiin vertaamalla. Työssä testattiin myös ohjelman raudoituksen aputyökalujen, lineaarisen jännitysanalyysin sekä topologiaoptimoinnin, toimivuutta.

Työn tulosten perusteella ohjelma tuo kaivatun lisätyökalun seinämäisten palkkien suunnitteluun. Ohjelman avulla rakenteen raudoitus voidaan määritellä taloudelliseksi laskentatuloksen varmuuden ohella. Ohjelman käytöllä on kuitenkin rajoitteensa, jonka vuoksi suunnittelijan tulee olla perehtynyt teräsbetonirakenteen todelliseen käyttäytymiseen sekä suunnittelustandardeihin. Jotta ohjelmalla saavutetaan riittävä kokonaisvarmuus seinämäisen palkkirakenteen lujuusmitoituksessa, on suunnittelijan suoritettava mitoitus useampaa laskentamallia hyödyntäen. Vaikka ohjelmassa ei työtä tehdessä ollut saatavissa Suomen kansallisen liitteen mukaisia automaattiasetuksia, löydettiin siitä mahdollisuudet säätää laskentaparametrejä niitä vastaaviksi.

Compatible stress field design of discontinuity regions in reinforced concrete structures

Abstract

The computational design of concrete structures is always made with great number of simplifications. When dimensioning the concrete structure including discontinuity regions the effects of cracking should be considered. The chosen calculation method must cover all design code prescriptions.

The thesis is focusing in assessing according to Eurocode 2 implemented with Finnish National Annex. The main theories of the behavior of reinforced concrete structures and designing of deep beams are presented. In thesis there is a general look to the theoretical background of the Compatible Stress Field Method (CSFM). CSFM is a continuous FE-based stress field analysis method using a standard full Newton-Raphson algorithm to find the solution to a non-linear FEM problem.

The main aim of the thesis was to check and verify the designing of the deep beam using a commercial software IDEA StatiCa Concrete. This software is using CSFM solver. CSFM covers analysis of ultimate limit states and serviceability limit states according to Eurocode. Software’s tools to help the designer to determine the location of reinforcing bars were investigated on linear calculation and topology optimization. The numerical calculations of deep beams were checked focusing on the failure modes found in experiments according to literature. To verify the results of the CSFM they were compared to examples found in literature.

After checking and verifying deep beam specimens CSFM seems to be a good supplement to structural engineering practice. Software presents its credit with time-saving and agile performance. Because of assumptions and limitations of CSFM it is still essential for designer to handle the practical knowledge of the behavior of reinforced concrete structures. For reliable results one must analyze deep beam structure with considered variations of boundary conditions. The software allowed manual modification of all necessary Nationally Determined Parameters from Finnish annex.