STEEL PORTAL FRAME ASSIGNMENT

Transkriptio

1 378 STEEL PORTAL FRAME ASSIGNMENT Design the steel portal frame with the help of tables. The span of the portal is 15 m, frame- spacing 6m and the height is 5 m. Make the structural choices and produce the documents: calculations, drawings, specifications

2 379 RAKENNUSTEKNIIKKA Annex Steel Portal Frame TERÄSHALLIT - osio Teräshalli-osiossa tarkastellaan vaihtoehtoisia runkojärjestelmiä, laaditaan kuormitus- ja rakennelaskelmia, tehdään tuotemalleja ja suunnitelmia sekä osallistutaan kohteiden valmistukseen ja asennukseen. RAKENNETEKNIIKKA HAMK/OI HARJOITUSTYÖ TERÄSHALLI Tehtävänä on suunnitella teräshallin runkorakenteet, kun hallin laivan jänneväli on 15m+AA/3, kehäväli 6.0 m ja kehän korkeus ulkoseinällä 5m+ BB/10 m. Lähtötiedot riippuvat alkuarvoista AA=syntymäkuukausi BB=syntymäpäivä. Mitoitus suoritetaan vaihtoehtoisesti RakMK B7 ja EC3 mukaan. Suunnitelma sisältää seuraavien rakenteiden mitoituksen: 1. Hitsattu ohutuumapalkki. Mastojäykistetyn kehän pääpilari P1 3. Päädyn tuulipilari 4. Hallin pituussuuntainen jäykistys 5. Vesikatto-ja seinäorsi ja kantava profiilipelti 6. Liitokset 7. Palomitoitus 8. Ristikon suunnittelu Hallista piirretään plaani, leikkaus ja rakenneleikkaus.

3 MITOITUS RakMK B7 mukaan HITSATUN OHUTUUMAPALKIN MITOITUS 1.1 Lähtöarvot Hallin staattisen systeemi on jäykkäkantainen kaksinivelkehä. Hallin pääkannattajana on hitsattu ohutuumapalkki ja vaihtoehtoisesti putkipalkkiristikko. 1. Kuormitussuureet Katon omapaino 0.4 kn/m Lumikuorma 1.8 kn/m 1.3 HITSATUN OHUTUUMAPALKIN TH 1 MITOITUS 1.31 ALUSTAVA TAULUKKOMITOITUS: gk := 0.4 qk := 1.8 Fk := 6 ( gk + qk) Fk = 13. Valitaan RAUTARUUKIN:n taulukosta hitsattu ohutuumapalkki TH 1: x70 Kuva harjapalkista

4 381 Kuva: Mallinnettu teräshalli Kuva: Mallinnettu teräshalli

5 Laskentakuormat: Fd := 6( 1. gk qk) Fd = Mitoitus taivutukselle: Kokeillaan hitsattua palkkia TH 1: x70 Taivutusmomentin maksimiarvo saadaan kohdassa: L h L h := 600 L := 4500 H := x:= x = H Md( x) L Fd x Fd := x Md( x) x = hx := h + hx = ( 70 6) b := t := 14 fy := 355 k := 0.46 E := Ohutuumapalkin poikkileikkausarvot kohdassa x = 538mm: hf := 14 d := 6 t := 14 b := 70 A := ( hx hf) d + t b A = Ix d ( hx t)3 b t3 ( hx t) := + + b t Ix = Tehollinen poikkileikkaus Puristetun laipan lommahduskerroin k=0.46 λp 1.05 b fy := λp = tfe := 14 t k E Taivutetun uuman lommahduskerroin on k=4.0 b := ( ) t := 6 ν := 0.3 k := 4 h := b σel := k π ( E) ( ) 1 1 ν b t σel = fy λp := λp = 0.98 σel h he := 1.0 he = λp 5 λp Tehoton alue hw := h hw he = ie := hw he

6 383 Tehollinen pinta-ala: Uusi painopisteakseli: Ae := A ie d Ae = b := 70 t := 14 hw := hx t he = d = 6 hx t b t + he + d + he d + b t ypp := ypp = hx he t + + t b t hw he + + d he hx t he + d hx 4 + Ae painopisteakseli laskee: hx = ypp = Ae = OK t b t t y1 := y := hx he + + t y3 := hx t he 4 y4 := hx t tehollinen neliömomentti: Ie1 := b 3 hw he t d + d 1 1 he 1 3 Ie ( ypp y1) b t ( ypp y) hw he := + + d + ( y3 ypp ) he d + ( y4 ypp ) b t Ie1 = Ie = Ie := Ie1 + Ie Ie = I3 := d ie3 1 + hx + he + ie ypp ie d I3 =.916 Ix = Ie := Ix I3 Ie =

7 Taivutuskestävyys yar := ypp yar = yyr := hx yar yyr = Ie Wec := Wec Ie = Wet := Wet = yyr yar fy = 355 Mrx:= Wec fy Mrx = > Md( x) = Kiepahduskestävyys Kiepahduksessa mukana toimivan uuman osuus: 151 mm 0.5 he = < hw 3 = hff := 151 Af := b t + d hff Af = If t b3 d hff 3 := + If = If 3000 if := if = 7.58 λl := λl = Af if λl 355 λl_ := λl_ = π fclk := fy ( ) 1 + λl_ fclk = Mrl := Wec fclk Mrl = Md( x) = OK Kiepahduskestävyys on riittävä, mutta taivutuksen kannalta mitoittava.

8 Leikkauskestävyys 385 a := L b := hx a α := b k := b a k = ν = 0.3 t := 6 b = fy = 355 τel := k π ν ( ) t b τel = λp := fy τel λp =.919 fvk := 1.04 ( fy) λp fvk = VR:= fvk b t VR = Vd := Fd L Vd = VR>Vd Taipuma Palkin taipuma ratkaistaan taulukoiden avulla, noin 115mm esikorotus. Pilarin ja palkin välinen liitos Palkkiin tehdään uumajäykisteet kpl 130x500x10 mm ja päätylevyt 70x600x10. Pilariin hitsataan pilarin pään kokoinen päätylevy. Liitos on nivelliitos, pultit kpl M4.

9 386. MASTOJÄYKISTETYN KEHÄN PÄÄPILARIN P1 MITOITUS Suunnitellaan hallin ulkoseinillä olevat kehän P1- pilarit runkoa jäykistäviksi kehän mastopilareiksi. Eri kuormitustapausten voimasuureet lasketaan yksilaivaisen hallin taulukkokaavojen mukaan. Kuormitustapaus 1: kesä ja tuuli Voimasuureet: Tuulen aiheuttama momentti yksilaivaisen kehän mastopilarille: L := 6000 q1 := q := 0. q1 Fh := [ 3 ( q1 + q) ] L 8 1 Mdtuuli 8 q1 L 1 := + Fh L Mdtuuli = L ( 5 q1 + 3 q) MdBtuuli := 16 MdBtuuli = L MdCtuuli := 5.6 q1 16 MdCtuuli = Räystään aiheuttama momentti: F1 := F := 0. F1 Lp1 := 6000 Mdraystas := ( F1 + F) Lp1 Mdraystas = Mdraystas = Epäkeskisyyslisä: vaakakuormalisä Hde ja tuennan epäkeskisyys e=0 mm Lh := gk = 0.4 Fd := 1. 6 gk Ndp1 0.9 Lh Fd Ndp1 := Ndp1 = kn Hde := ed := Mde := Hde Lp1 + Ndp1 ed Mde = Kuormitustapaus 1: P1- pilarin laskentakuormat Mdp1 ja Ndp1 Mdp1 := Mdtuuli + Mdraystas + Mde Mdp1 = Ndp1 := Ndp1 =

10 Pilarin P1 mitoitus normaalivoimalle ja taivutukselle Alkuarvot: Kokeillaan HE40B L = Mdp1 = Ndp1 = ix:= Alustava mitoitus: A := Wx := fd := 35 Ndp1 fd A Mdp1 + = <1 jatketaan HE00B-profiililla fd Wx Tarkempi mitoitus yhteisvaikutusyhtälöllä: Muunnettu hoikkuus: Ndp1 = Mdp1 = Lc := ix = Apusuure β: 1 + α ( λk 0.) + λk β := β = λk Reduktiokerroin: χ := β β 1 λk λk = α := 0.34 χ = Nrcx:= χ fd A Nrcx = Mrx:= fd Wx Mrx = NR := fd A NR = C := 1.0 λk := Lc ix π fy E NR Nelx:= Nelx = λk Ndp1 Nrcx C Mdp1 1 + Mrx Ndp1 Nrcx = Valittu poikkileikkaus OK. 1 NR Nelx

11 Kuormitustapaus : talvi ja paljon lunta 388 Voimasuureet: Epäkeskisyyslisä: vaakakuormalisä Hde ja tuennan epäkeskisyys e=0 mm Lh := gk = 0.4 Fd := 6 ( 1. gk qk) Ndp1 := 1. Lh Fd Mde := Hde Lp1 + Ndp1 ed kn Ndp1 Hde := 150 Mde = 1.19 ed := 0 Kuormitustapaus : P1- pilarin laskentakuormat Mdp1 ja Ndp1 Mdp1 := Mde Ndp1 = Mdp1 = 1.19 Ndp1 =

12 389 Pilarin P1 mitoitus normaalivoimalle ja taivutukselle Alkuarvot: Kokeillaan HE40B L = Alustava mitoitus: Mdp1 = 1.19 Ndp1 = ix:= A := Wx := fd := 35 Ndp1 fd A Mdp1 + = <1 jatketaan HE00A-profiililla fd Wx Tarkempi mitoitus yhteisvaikutusyhtälöllä: Muunnettu hoikkuus: Ndp1 = Mdp1 = 1.19 Lc := ix = Apusuure β: 1 + α ( λk 0.) + λk β := λk β = Reduktiokerroin: χ := β β 1 λk λk = α := 0.34 χ = Nrcx:= χ fd A Nrcx = Mrx:= fd Wx Mrx = NR := fd A NR = C := 1.0 λk := Lc ix π fy E NR Nelx:= λk Nelx = Ndp1 Nrcx C Mdp1 1 + Mrx Ndp1 Nrcx = Valittu poikkileikkaus OK. 1 NR Nelx

13 Kuormitustapaus 3: talvi ja paljon lunta ja tuuli 390 Voimasuureet: Tuulen aiheuttama momentti yksilaivaisen kehän mastopilarille: L := 6000 q1 := q := 0. q1 Fh := [ 3 ( q1 + q) ] L 8 1 Mdtuuli 8 q1 L 1 := + Fh L Mdtuuli = L ( 5 q1 + 3 q) MdBtuuli := 16 MdBtuuli = 3.04 L MdCtuuli := 5.6 q1 16 MdCtuuli = 3.04 Räystään aiheuttama momentti: F1 := F := 0. F1 Lp1 := 6000 Mdraystas := ( F1 + F) Lp1 Mdraystas = 1.78 Mdraystas = 1.78 Epäkeskisyyslisä: vaakakuormalisä Hde ja tuennan epäkeskisyys e=0 mm Lh := gk = 0.4 Fd := 6 ( 1. gk qk) Ndp1 := 1. Lh Fd Ndp1 Hde := ed := Mde := Hde Lp1 + Ndp1 ed Mde = 1.19 Kuormitustapaus 3: P1- pilarin laskentakuormat Mdp1 ja Ndp1 Mdp1 := Mdtuuli + Mdraystas + Mde Mdp1 = Ndp1 = Ndp1 =

14 Kuormitustapaus 3: talvi ja paljon lunta ja tuuli Pilarin P1 mitoitus normaalivoimalle ja taivutukselle 391 Alkuarvot: Kokeillaan HE40B Mdp1 = A := Ndp1 Mdp1 + = fd A fd Wx L = Ndp1 = ix:= Wx := fd := 35 <1 jatketaan HE40B-profiililla Tarkempi mitoitus yhteisvaikutusyhtälöllä: Muunnettu hoikkuus: Ndp1 = Mdp1 = Lc := ix:= Apusuure β: 1 + α ( λk 0.) + λk β := λk β = Reduktiokerroin: χ := β β 1 λk λk = α := 0.34 χ = Nrcx:= χ fd A Nrcx = Mrx:= fd Wx Mrx = NR := fd A NR = C := 1.0 λk := Lc ix π fy E NR Nelx:= λk Nelx = Ndp1 Nrcx C Mdp1 1 + Mrx Ndp1 Nrcx = Valittu poikkileikkaus OK 1 NR Nelx

15 Kuormitustapaus 4: talvi ja lunta ja kova tuuli 39 Voimasuureet: Tuulen aiheuttama momentti yksilaivaisen kehän mastopilarille: L := 6000 q1 := q := 0. q1 Fh := [ 3 ( q1 + q) ] L 8 1 Mdtuuli 8 q1 L 1 := + Fh L Mdtuuli = L ( 5 q1 + 3 q) MdBtuuli := MdBtuuli = L MdCtuuli := 5.6 q1 MdCtuuli = Räystään aiheuttama momentti: F1 := F := 0. F1 Lp1 := 6000 Mdraystas := ( F1 + F) Lp1 Mdraystas = Mdraystas = Epäkeskisyyslisä: vaakakuormalisä Hde ja tuennan epäkeskisyys e=0 mm Lh := gk = 0.4 Fd := 6 ( 1. gk qk) Ndp1 0.9 Lh Fd Ndp1 := Ndp1 = kn Hde := ed := Mde := Hde Lp1 + Ndp1 ed Mde = Kuormitustapaus 4: P1- pilarin laskentakuormat Mdp1 ja Ndp1 Mdp1 := Mdtuuli + Mdraystas + Mde Mdp1 = Ndp1 = Ndp1 = 18.68

16 Pilarin P1 mitoitus normaalivoimalle ja taivutukselle Alkuarvot: Kokeillaan HE40B L = Alustava mitoitus: Mdp1 = Ndp1 = ix:= A := Wx := fd := Ndp1 fd A Mdp1 + = <1 jatketaan HE00A-profiililla fd Wx Tarkempi mitoitus yhteisvaikutusyhtälöllä: Muunnettu hoikkuus: Ndp1 = Mdp1 = Lc := ix:= λk := Apusuure β: Lc ix π 1 + α ( λk 0.) + λk β := β = λk Reduktiokerroin: fy E χ := β β 1 λk λk = α := 0.34 χ = Nrcx:= χ fd A Nrcx = Mrx:= fd Wx Mrx = NR := fd A NR = C := 1.0 NR Nelx:= Nelx = λk Ndp1 Nrcx C Mdp1 1 + Mrx Ndp1 Nrcx = Valittu poikkileikkaus OK. 1 NR Nelx

17 394 Valitaan pääpilariksi HE40B. Tarkistetaan, että poikkileikkausluokka :n ehdot toteutuvat. Tarkistetaan pääpilarin heikomman suunnan nurjahdussiteiden maksimiväli. Poikkileikkausluokka: Taivutettu ja puristettu uuma: Np := NR b1 := N := Ndp1 t1 := 10 N Np = >0.15 b1 t1 = 16.4 < N Np E = fy Puristettu laippa: b := 0.5 ( ) t := 17 b t = 5.59 < E 0.36 = fy Poikkileikkausluokka :n vaatimukset toteutuvat, jolloin valittu profiili HE40B:n valinta eo kimmoteoriaan nojautuvalla tavalla on varmalla puolella. Heikomman suunnan nurjahdussiteiden maksimiväli: iy := 60.8 E = fy := 35 M := Mrx MR := Mrx L :=.7 E M fy MR iy L =

18 . TUULIPILARIN P MITOITUS Suunnitellaan hallin päätyseinien tuulipilarit k/k 4000mm kuormitustapaus 4 mukaan. 395 Kuormitustapaus 4: talvi ja lunta ja kova tuuli Voimasuureet: Tuulen aiheuttama momentti tuulipilarille: L := 7000 qd := M1 := qd L 8 9 Mf := 18 qd L M1 = 1.96 Mf = Normaalivoima: A := 4 3 gk = 0.4 qk = 1.8 Nd := A ( 1. gk qk) Nd = 40.3 Tuulipilarin P mitoitus normaalivoimalle ja taivutukselle Alkuarvot: Kokeillaan HE140A L = Mdp := M1 Mdp = 1.96 A := Ndp := Nd 10 3 Ndp = Wx := ix:= 57.3 iy := 35. fd := 35

19 Alustava mitoitus: 396 Ndp fd A Mdp + = <1 jatketaan HE140A-profiililla fd Wx Tarkempi mitoitus yhteisvaikutusyhtälöllä: Muunnettu hoikkuus: Ndp = Mdp = 1.96 Lc := ix = 57.3 Apusuure β: Nrcx:= χ fd A Nrcx = Mrx:= fd Wx Mrx = NR := fd A NR = M1 = 1.96 M := 0 Lc fy λk := λk = α := 0.34 ix π E M M = M M1 = Mf = α ( λk 0.) + λk β := λk β = Reduktiokerroin: χ := β β 1 λk χ = NR Nelx:= λk Nelx = Mo := qd L Mo = 1.96 CM := Mo N := Ndp 8 N CM 1 + Nrcx Mrx Ndp1 Nrcx = NR Nelx Valittu poikkileikkaus OK.

20 397 Heikomman suunnan nurjahdussiteiden maksimiväli: iy = 35. E = fy := 35 M := Mrx MR := Mrx E L := M iy L = fy MR 4. HALLIN PITUUSSUUNTAINEN JÄYKISTYS Hallin pituussuuntainen jäykistys hoidetaan ristikkorakenteilla kattotasolla vaakasuunnassa ja pilarilinjoissa pystysuunnassa. Kattotason kokonaisvaakakuormaksi oletetaan noin 60 kn, mikä aiheuttaa seinän diagonaalijäykisteeseen 30 kn vaakasuoran kuormituksen.

21 5. VESIKATTO-JA SEINÄORSI, KANTAVA PROFIILIPELTI Puristettu laippa kuuluu poikkileikkausluokkaan Suunnitellaan hallin vesikatto-orret vaihtoehtoisesti kaksiaukkoisista valssatuista profiileista ja ohutlevyorsista ORSI- ohjelmaa käyttäen. Poimulevyt valitaan POIMUohjelmalla. A) Sivuttaistuettu kaksiaukkoinen valssattu orsi k/k=400: Alkuarvot: Teräs S35 IPE L := 6000 gk :=.4 ( 0.3) qk := Laskentakuormat: gd := 1. gk qd := 1.6 qk fy := 35 γ := 1.0 fd Alustava arvio poikkileikkausluokan 3 perusteella: Md := ( gd + qd) L 8 fy := γ Md = Md Wtarp := Wtarp = IPE 180 Wx= mm3 fd Poikkileikkausluokan määritys kapealle IPE 180- profiilille Puristettu laippa: ( ) b b := t := 6.9 λ := t E E := λ = 4.44 < 0.3 = fd Uuma: b b := ( ) t := 6.9 λ := t E λ = 1.07 <.4 = fy Taivutettu uuma kuuluu poikkileikkausluokkaan 1 Kimmoteorian mukainen poikkileikkauksen mitoitus: Md = Vd:= [ 0.65 ( gd + qd) L] Vd = IPE 180 Wx := b := ( ) tw := 6.9 Aw := b tw Md σ := σ = < fd = 35 Wx Vd τ := τ = < fv := 0.6 fd fv = 141 Aw

22 Vertailujännitys: σ + 3 τ =.15 < 1.1 fy = 58.5 OK γ 399 Uuman tarkistus lommahdukselle Leikkausjännitykset: b := ( ) t := 6.9 a := 6000 k b := + k = 5.34 a λp 1.05 b fy := t k E λp = 0.3 <0.9 OK Taivutusjännitykset: k := 3.9 λp 1.05 b fy := t k E λp = <0.7 OK Uuma toimii täysin tehollisena IPE 180- profiilin kimmoteorian perusteella määritetyt kestävyydet ovat: fd = 35 b := ( ) tw = 6.9 Aw := b tw VR:= 0.6 fd tw b VR = > Vd = MR := fd Wx MR = > Md = Käyttörajatilamitoitus: Ix:= ( gk + qk) L 4 ymax:= ymax = E Ix L 00 = 30 OK Valitaan kapea IPE180- profiili, 1.9 kg/m

23 Sivuttaistuki mitoitetaan kohtisuorassa taivutustasoa vastaan puristetun laipan kohdalla vaikuttavalle voimalle F1=% tuettavan poikkileikkauksen toimivassa puristetussa osassa vaikuttavasta voimasta. Tukea antava voima voidaan mitoittaa voimalle F. n=tuettavien palkkien lkm A := F1 := 0.0A fy n := 3 F := 0. n n χ = Nrcx:= χ fd A Nrcx = Mrx:= fd Wx Mrx = NR := fd A NR = M1 := Md M := 0 M M = M M1 = 1.4 Mf = ( ) F1 F = F3 := Nd := F + F3 Md := Md Muunnettu hoikkuus: Lc := ix:= 7.0 Lc fy λk := ix π E λk = α := 0.34 Apusuure β: 1 + α ( λk 0.) + λk β := β = 1.83 Reduktiokerroin: λk χ := β β 1 λk NR Nelx:= λk Nelx = Mo := qd L Mo = 3.11 CM := Mo N := Nd 8 N CM 1 + Nrcx Mrx N Nrcx = NR Nelx Valittu poikkileikkaus OK.

24 B) Valitaan ohutlevyorsi kattoon ja seinään ORSI- ohjelmaa käyttäen. Ohjelma mahdollistaa myös plastisen mitoituksen. Orsi on -aukkoinen, aukon pituus on 6m, katossa k/k= 400mm, seinässä k/k C) Valitaan poimulevy POIMU- ohjelmaa käyttäen. Poimulevy on useampiaukkoinen, aukon pituus on.4m.

25 6. LIITOKSET Suunnitellaan hallin pääpilarin liitos perustuksiin. Etsitään ESDEP-aineistosta sopivia liitosdetaljeja ja sovelletaan niitä kohteeseen. A) Pääpilarin P1 liitos aluslevyyn, aluslevyn ja peruspulttien mitoitus. 40 Mitoitus tehdään kuormitustapaus 1 voimasuureiden mukaan: Mdp1 = Ndp1 := Vdp1 = L = Fh := [ 3 ( q1 + q) ] L Fh = Fh qd = 6.91 Vdp1:= qd L HE80B A := Wx := Ix:= Pilarin laippa: Md := Mdp1 Nd := Ndp1 Vd:= Vdp1 er := 99.5 Md σzl Ix er Nd := σzl = fd = 35 A σz := 0.7 fd τyz := 0 β := 0.7 s := 16 Kaksoispienahitsin mitoitus β s a := σz + 3 τyz a = fd Alustavalla kaavalla: Md Fd := l := 440 fwd := Fd a := a = l fwd

26 Pilarin uuma: Md := Mdp1 Nd := Ndp1 Vd := Vdp1 er := 94 Md σzl Ix er Nd := σzl = fd = 35 A σz := 0.7 fd τyz := 0 β := 0.7 s := Kaksoispienahitsin mitoitus Valitaan muodonmuutoskyvyn perusteella a/s=0.35 s := 9.5 a := 0.35 s a := 4 β s σvert := σz + 3 τyz σvert = < fd = 35 a Pohjalevyn mitoitus: Md = Nd = fcd := 11.7 L := 400 B := 400 d := 350 L as := d Msd := Md + Nd as µ := Msd µ = fcd B d β := 1 1 µ y := β d y = < c := 8 y md := fcd y c md = fd = 35 t := 6 md t = fd

27 Peruspulttien mitoitus: 404 β z := d 1 fy := 640 frtd := 0.8 fy Msd Nd nasp := nasp = n := z frtd frtd nasp Asp := Asp = M0 n MITOITA HALLI EC3 MUKAAN!

28 TERÄSHALLITEHTÄVÄN LIITTEITÄ: 405 Rungon voimasuureet käsinlaskulla ja ohjelmistoilla Hallin mallinnusta

29 406 Katto-orsien mallinnusta Poimulevyjen mitoitusta Poimu-ohjelmalla

30 407 Orsien mitoitusta ORSI-ohjelmalla Teräspalkin mitoitusta PUPAX-ohjelmalla Putkipalkkiristkon suunnittelua WINRAMILLA

31 408 Välipohjan suunnittelua WQ-Beam- välipohjapalkkiohjelmalla Liittopalkin sunnittelua Combeam-ohjelmalla Liittolaatan suunnittelua Comslab-ohjelmalla

32 409 Liitosten suunnittelua Joint-ohjelmalla Jäykistysten suunnittelua

33 410 Palomitoitusta ja siltanosturi

34 411 Tasopiirustukset Leikkaukset

35 41 Teräskokoonpanopiirustukset Teräsosapiirustukset