Untitled - Høgskolen i Østfold
Forord Det er en gruppe på fire personer som studerer på Høgskolen i Østfold og har valgt en hovedoppgave innen faget Konstruksjonsteknikk. Oppgaven går ut på å finne innovative, samt lønnsomme løsninger for bærende konstruksjoner i et lager bygg innenfor de gitte rammene. Målet er at gruppen skal vise kompetanse innen det teoretiske de har lært i konstruksjonsteknikk fagene ved å undersøke- og vurdere de aktuelle løsninger for tiltaket. Arbeidet med oppgaven startet i januar 2015 og ble levert inn før fristen på 10.juni 2015. Gruppen består av følgende medlemmer: Madis Pedai, Aleksander Babola, Kristoffer Ulvedalen og Khaled Al Bastami. Gruppen skal veiledes av Geir Flote fra høgskolens side, Jan Ivar Pedersen og Anders Kokkim fra Høyer Finseth AS som også er oppdragsgiver. I tillegg til interne veiledere har gruppen også fått innsats av flere eksterne aktører. Blant annet grunnleggende opplæring fra firmaet EDR Medeso AS i tegneverktøyet Tekla Structures, opplæring i Autodesk Robot av Mohamed A-Akabi. Støttelitteratur fra Kjetil Gulbrandsen (Lektor ved Høgskole i Østfold) og firmaet Peetri Puit OU fra Estland. Innhold Forord ...................................................................................................................................................... 2 Sammendrag ........................................................................................................................................... 5 Orientering .............................................................................................................................................. 5 Konstruksjonsforutsetninger ................................................................................................................... 6 Designfilosofi ....................................................................................................................................... 6 Kontroll og kvalitet .............................................................................................................................. 6 Konsekvensklasse ............................................................................................................................ 6 Pålitlighetsklasse ............................................................................................................................. 6 Kvalitetssikring................................................................................................................................. 6 Materialkvalitet ............................................................................................................................... 7 Laster ................................................................................................................................................... 7 Egenlaster ........................................................................................................................................ 7 Nyttelaster ....................................................................................................................................... 7 Snølast ............................................................................................................................................. 7 Horisontale laster ............................................................................................................................ 8 Bygningsdeler ...................................................................................................................................... 8 Tak ................................................................................................................................................... 8 Fundament ...................................................................................................................................... 8 Avstivning ........................................................................................................................................ 9 Bærende søyler ............................................................................................................................... 9 Randdrager ...................................................................................................................................... 9 Metode .................................................................................................................................................... 9 Fremgangsmåte ................................................................................................................................... 9 Bruk av verktøy.................................................................................................................................... 9 Mathcad .......................................................................................................................................... 9 Tekla Structures ............................................................................................................................. 10 Autodesk Robot ............................................................................................................................. 10 Løsninger av Knutepunkter ................................................................................................................... 10 Fundament .................................................................................................................................... 10 Fotplate ......................................................................................................................................... 13 2. 1.2 Løsningsvalg- Oppsveist hulprofil ...................................................................................... 17 1.3 Løsningsvalg 2 kryssplate. ................................................................................................. 21 Knutepunkt Søyle- Randdrag (Toppen av søylen) ..................................................................... 24 2.1 Løsningsvalg 1 – Step Joint ................................................................................................ 24 2.2 Løsningsvalg 2-T-Forbindelse ............................................................................................ 25 2.3 Løsningsvalg 3 - Skråstaver med innslisset trykk stålplate ................................................ 28 Globalstabilitet ...................................................................................................................................... 31 Vurdering av ramme system 2 .......................................................................................................... 31 Vurdering av ramme system 3 .......................................................................................................... 34 Vurdering av ramme system 4. ......................................................................................................... 36 Vurdering av forskjellige aspekter og valg av den beste løsningen ...................................................... 31 Utførelse/ Byggeteknikk .................................................................................................................... 38 Økonomi ............................................................................................................................................ 40 Kilder...................................................................................................................................................... 40 Sammendrag Gruppen har i samarbeid med Høyer Finseth AS sett på forksjellige løsninger for knutepunkter i et bæresystem i en lagerhall. Det var ønske fra utbygger og arkitekt å benytte treverk i størst mulig grad og samtidig ha størst mulig takhøyde. Dette har resultert i en problemstilling for utforming av momentstive forbindelser mellom tresøyle og fundament, tresøyle og takoppbygning slik at man i størst mulig grad kan unngå plasskrevende avstivningssystemer mellom aksene. Den mest interessante søylen er i akse 3 siden takhøyden der er lavest. Det finnes mange muligheter for utforming av slike knutepunkt og mange mulige geometrier, men gruppen har begrenset omfanget til noen få interessante løsninger. Beregninger har blitt utført i alle tilfeller inkludert lastvirkning på søylen og har blitt kontrollert i Autodesk Robot. Beregninger av kapasiteter i de forskjellige knutepunktstilfellene har blitt gjort i PTC Mathcad iht. respektive Eurokoder og litteratur. Gruppen valgte å vurdere tre forskjellige knutepunkter som mulige løsninger mellom søyle og takoppbygning og to løsninger mellom søyle og fundamentet. Fundamentet og fotplatens kapasitet er også vurdert, da dette gir et klart bilde på hvorvidt løsningen er gjennomførbar. Det er vurdert forskjellige aspekter rundt knutepunktene som konstruksjonssikkerhet, utførelse og økonomi. Det er også vurdert et alternativt materiale, hvor søylen og gitterdrager er utformet av stål istedenfor treverk. Gjennomførte beregninger viser at det er mulig å lage momentstive forbindelser ved bruk av limtre. I noen tilfeller måtte tverrsnittet økes som følge av større knekklengde på søylen. Orientering Prosjektering av lagerbygg på Øra i Fredrikstad kommune. Tiltakshaver: Borg Havn Ansvarlig prosjekterende: Gruppe B15B03 konstruksjonsteknikk ved Høgskolen i Østfold Teamleder: Madis Pedai Øvrige gruppemedlemmer: Aleksander Babola, Khaled al Bastami og Kristoffer Ulvedalen. Konstruksjonsforutsetninger Byggets geometri sammen med noen forutsetninger om materialer er definert i forkant av Høyer Finseth AS og arkitekt/ byggherre. Det har blitt bestemt følgende: · · · · · · · Bygget er plassert i industriområdet på Øra, i Fredrikstad kommune. Byggets geometri er: BxLxH=90mx114mx13.2 m. Høyde (H) måles fra overkant gulv på grunn til overkant takbjelker. Bredde (B) og Lengde (L) er mellom senter stålbæring i veggene. Bygget er fordelt til 3 deler- kaldt,- varmtlager og kontor. Kontordelen er på 2 etasjer og lagerdelene er på en etasje. Hovedbæresystem i taket ønskes utført med fagverksbjelker av tre. Fri høyde i de fleste steder i lager bygningen er på 6m. Yttervegg utføres med isolerte sandwichelementer som spenner fra søyle til søyle.Med spennvidde som varierer fra 10.5m- 21.8m. Fasaden virker ikke avstivende for bygget. Tak utføres med takplater som gir skivevirkning i takplanet. Bygget fundamenteres direkte på grunn. Designfilosofi Vi har bestemt oss for å komme med en løsning som skal være materialeffektiv og det skal være lettest mulig å montere bæresystemet på byggeplass. Det betyr at vi designet knutepunkter som i hovedsak tilfredsstiller krav til stabilitet og utførelse. Vi har tatt utgangspunkt i «vanlige» løsninger og tilpasset der vi syntes det var nødvendig. Vi har valgt å ha så få forskjellige løsninger som mulig for å sikre så enkel montering som mulig. For å gjøre det lettest mulig for oss å designe bæresystemet har vi valgt å modellere i programmet Tekla structures da vi synes dette var det mest logiske programmet å bruke. I tillegg til dette har vi brukt autodesk Robot for kontrollberegninger. Kontroll og kvalitet Plan- og bygningsloven krever at all prosjektering skal kvalitetssikres. I tillegg til kvalitetssikring skal det gjennomføres sidemannskontroll. Alle beregninger har blitt sidemanns kontrollert underveis i prosjektet. Konsekvensklasse NS-EN 1990:2002 + NA:2008 tabell B1 definerer konsekvensklasse for byggverk. Bygg med betydelig konsekvens ved brudd fører til CC2. Pålitlighetsklasse NS-EN 1990:2002 + NA:2008 tabell NA. A1 (901) definerer pålitlighetsklasser for byggverk. Større lagerbygg er i pålitlighetsklasse CC2/ RC2. Kvalitetssikring NS-EN 1990:2002 + NA:2008 tabell NA. A1 (902) definerer graden av prosjekteringskontroll. Pålitlighetsklasse CC2/ RC2 fører til normal kontroll som innebærer følgende: · Global likevekt · · · · · · · Kritiske komponenter (konstruksjonsdeler, knutepunkte, opplegg og tverrsnitt) Beregninger og tegninger Samsvar mellom beregninger og tegninger At funksjonskravene er oppfyllt Lastantakelser og beregningsmodeller for laster Modeller for konstruksjonsanalyse og beregning av lastvirkninger At det foreligger tilstrekkelig kjennskap til grunnforhold for å bestemme karakteristiske parametere Det er også krav om sidemannskontroll. Hvem som har ansvaret for kontroll av de ulike beregninger og tegninger som er gjort kan verifiseres i dokumentet “Ansvarsfordeling”. Materialkvalitet Vi har valgt å benytte stålkvalitet GL30C på alle konstruksjonsdeler. Bolter av klasse 8.8 og 10.9 skal benyttes. Laster Laster som er definert under dette kapitlet er kun de lastene som opptrer på søylen. Lastene er definert hver for seg som følgene. Egenlaster Egenlaster er de permanente lastene som dannes av egenvekt fra konstruksjonsdeler. Egenlast varierer avhengig av materialet. Konstruksjon Egenlast Lastenhet TAKKONSTRUKSJON OPPBYGGING 0,5 KN/M2 GITTERDRAGER 1,28 KN/M SØYLER 0,7 KN/M Nyttelaster Nyttelaster kan defineres som alle belastninger på konstruksjonen som beskyldes bruken av konstruksjonen. Nyttelaster varierer fra en konstruksjon til en annen, avhengig av byggets bruksområde. Nyttelaster er hentet fra EK1-1-1, punkt 6.3.1.2, tabell 6.1 som definerer laster etter brukskategorier. · · Nyttelast fra kontor: kategori B Nyttelast fra lagerbygg: kategori E1 3,0kN/m2 7,5kN/m2 Snølast Snølast er klassifisert under naturlige laster, som varierer avhengig av årstid, klima og byggets beliggenhet i Norge. Snølastfaktorer og regler er hentet fra Eurokode 1991-1-3. først må det beregnes snølast på mark, så snølast på tak. Sammenhengen mellom snølast på mark og på tak befinner seg ved faktorer som bestemmes ut ifra bygget geometri. Snølast på tak er delt i to etter belastningssituasjonen, normal snølast og tilleggs last pga. høydeforskjellene på taket. Snølast på mark har blitt beregnet til 2.5 kN/m2. Takvinkel varierer, men er under 30 grader og dermed har vi normal formfaktor 0.8. Formfaktor for taket er beregnet til 1.07 som følge av snølommen. Total snølast blir da 2.67 kN/m2 Snølast har blitt beregnet i Mathcad etter EK 1-1-3. Snølommen oppstår som vist på figur under: Horisontale laster Vindlast og skjevstillings laster er ikke blitt beregnet av gruppen siden problemstillingen innebærer dimensjonering av innvendig søyler. Horisontale krefter tas opp av avstivningssystem i yttervegger. Bygningsdeler Tak Det er vurdert fagverksbjelker i takkonstruksjonen. Beregninger er utført av Høyer Finseth AS. Vurderte fagverksbjelke i tre og stål. Konstruksjonen skal ta opp følgende laster: · · · Egenvekt fagverksbjelke Oppbygning av tak Snølaster Fundament Reaksjonslasten i fundamentet skal bæres av grunnen der geoteknikker har oppgitt grunnens bæreevne. Bæreevnen kan ikke overbelastes, da vil det oppstå grunnbrudd og det vil oppstå setninger. Konstruksjonen vil da kunne få forskyvninger. Denne forskyvning vil i verste fall lede til at deler eller i verste fall hele konstruksjonen vil kollapse. Fundamentet er dimensjonert og beregnet etter Eurokode 2-1-1 og Betongelementboken bind B og C. Fundamentet er bevist å ha tilstrekkelig kapasitet mot de lastene som overføres til fundamentet fra andre konstruksjonsdeler. Fundamentets kapasitet påvirker ikke løsningene som er valgt. Avstivning Det skal være vindavstivning i yttervegger og i akse 4 vil det være vindkryss og i akse 5 vil det være skille mellom kaldt og varmt lager som danner en stiv skive. Taket vil virke som en stiv skive. Avstivningen kommer til å ta opp horisontale krefter. Bærende søyler Det er tatt utgangspunkt i søylene i akse 3. For øvrige søyler har det blitt benyttet dimensjonene oppgitt av Høyer Finseth AS. Løsningene som er opparbeidet vil være aktuelle for søylene i de andre aksene. Randdrager Det skal være randdrager i akse 1, 3, 4, og 6. Dimensjonene på Randdrager vil være 400x400mm. Randdrager skal plaseres i samme høyde som overgurt for å gi størst mulig takhøyde. Dette medfører utfrodringer i prosjektering av momentstiv forbindelse som denne rapporten vil gå ut på. Metode Fremgangsmåte · · · · · · · · · · Definere en riktig og konkret problemstilling slik at det skulle være lettere å jobbe mot ønsket resultat. Beregne lastvirkning. Drøfte forskjellige løsninger og muligheter. Velge de mest interessante- og realistiske løsningene. Utføre numeriske beregninger og kontroll av kapasiteter. Kombinere ulike løsninger for å oppnå størst fordelaktig resultat. Vurdere oppnådde resultater mot forventninger. Forkaste urealistiske resultater. Vurdere alternativt materialvalg. Konkludere med beste kombinasjon av løsninger. Bruk av verktøy Mathcad Mathcad er et regneark på lik linje med Excel, som er noe mer vanlig. Forskjellen er at Mathcad lar deg regne på samme måte som man ville når man regner på papir. Dette betyr at når man definerer en lengde eller høyde kan man referere til denne lengden/ høyden senere i regnearket. Dette lar deg holde et ryddig og oversiktlig regneark hvor det kommer mye tydeligere frem hvordan/ hva du regner ut og lar deg kontrollere det mye lettere enn når du kun referer til celler i et regneark som Excel. 1 Det at man får bedre oversikt over hva som er gjort er en stor fordel i reelle tilfeller hvor det skal utføres uavhengig kontroll på beregninger. Det å kunne ha et regneark med alle funskjoner det har, men oversikten man får fra penn og papir gjør det veldig godt egnet for konstruktive beregninger. Tekla Structures Tekla Structures er et 3D modelleringsprogram brukt primært i forbindelse med stål, prefab og plasstøpt betong. Programmet lar deg jobbe i 3D til enhver tid og er et kraftig verktøy for modellering. Det er et veldig allsidig program og lar deg definere egne materialer og egenskaper slik at det er mulig å modellere med akkurat det materialet som er ønskelig. På bakgrunn av dette falt valget på Tekla siden det skulle modelleres noe krevende detaljer og det er var veldig viktig å kunne gi gode illustrasjoner på dette, noe som er umulig i 2D. Det å hele tiden kunne tegne i 3D og ha muligheten til å definere ulike farger på ulike deler i knutepunktet gjør hele prosessen lettere, og det gir mulighet til å oppdage evt. designfeil/ problemer meget enkelt. Autodesk Robot Autodesk Robot er et FEM- program, eller “Finite Element Method” som betyr at en konstruksjon eller del blir delt opp i uendelig mange biter og analysert. Robot lar deg modellere opp deler av- eller hele konstruksjonen du jobber med og legge inn forskjellige betingelser for så å kunne kjøre analyser. Programmet er brukt mye til dynamiske analyser som f. eks jordskjelvanalyser for å kunne ta ut mer eksakte lastverdier og finne dimensjonerende tilfeller. I dette prosjektet er Robot brukt for å gi oversikt over hvordan konstruksjonen påvirkes av forskjellige oppleggsbetingelser. Dette er noe som kan gjøres raskere i Robot enn for hånd, samt man kan få ut annen interessante opplysninger som er ønskelig og illustrasjoner på belastninger og sterkt utsatte soner ved hjelp av kartleggingsfunksjonen. Hvis man ønsker kan også Robot analysere konstruksjonen og dimensjonere den. Denne funskjonen har ikke blitt brukt i dette prosjektet. Revit 2015 Revit er et utbredt program og en del enklere og raskere enn Tekla til å tegne enkle detaljer i 2D for å få rask oversikt over hvordan dimensjonene man har tenkt stemmer overens. Programmet er brukt til nettopp dette, til å produsere enkle plan oversikter over løsninger. Løsninger av Knutepunkter Fundament Design Fundament dimensjoneres med utgangspunkt i vertikallast fra søyle med lastvirkning 1330kN og fra moment 164kNm. Denne lasten skal bæres av grunnen der geoteknikker har oppgitt grunnens bæreevne. Bæreevnen kan ikke overbelastes, da vil det oppstå grunnbrudd og det vil oppstå setninger. Konstruksjonen vil da kunne få forskyvninger. Denne forskyvning vil i verste fall lede til at deler eller i verste fall hele konstruksjonen vil kollapse. Valg av fundament type er kvadratiske søylefundament av B45 med dimensjonene 5000*5000*1000mm. For å unngå påvirkning av telehiv plasseres fundamentene på frostfri dybde gitt av datablad 451.021, tabell 3 i Sintef Byggforskserien. For Fredrikstad kommune er frostfri dybde 1,5m. Dette vil da innebære at vi må bruke en kort betongsøyle for å unngå å føre den oppsveiste RHS-søylen ned i jord. Det vil dermed være behov for å dimensjonere betongsøylen også. Armering består av B500C armeringsjern som er bøyde i endene for å få mest mulig heft. Denne bøyningen er i seg ikke nødvendig da forankringslengden av rette stenger er god nok. Men av god vane blir disse bøyd. Søylene vil være kvadratiske med dimensjon 800*800mm. Bredden er i utgangspunktet valgt for at det skal kunne plasseres 462*442mm sammensveiset RHS søyler på dem. Søylene vil bestå av 8Ø16 som lengdearmering med bøyler 5Ø8 c/c 200mm. Beregninger Alle beregninger er utført i form av egenproduserte Mathcad regneark som anses til å være den beste metode for å fange opp feil og ta endringer underveis i arbeidet. I utgangspunktet har det blitt antatt at grunnens bæreevne er tilstrekkelig for konstruksjonen. Grunnens bæreevne ble satt til 200kN/m2 som anses til å være noe i nærheten av det som det faktisk kan være. Det ble opplyst i starten av arbeidet at det blir fundamentert rett på bakken ved bruk av søylefundamenter. Laster som blir ført til fundamentet er 1330 kN aksiallast og 165kNm moment per fundament. Betongkvaliteten til fundamentet ble valgt til B45 med Eksponeringsklasse XC3 og bestandighetsklasse M60 som er grunnleggende for selveste beregningen av fundamentet. Armeringen for fundamentet er B500C som er også vanlig kvalitet for armering. Først ble det valgt fundamentbredde på 5m som ble kontrollert med formelverket fra NS-EN 1992-11:2004+NA:2008. Overdekningen ble satt til 35mm etter EK 2 4.4.1.1. Deretter ble det beregnet ut egenlaster for de forskjellige deler av konstruksjonen både over og under bakken for å finne ut lastene som egentlig virker på fundamentet. Fundamentbredden ble deretter kontrollert ved forholdet mellom opptredende spenningen og kapasitet i bakken. Etter nødvendig armeringsareal ble regnet ut til 1689.45mm2 kunne det beregnes fordeling av armeringen som er grunnlaget til valg av plassering ihht. NS 3473 18.6.2. Kontroll av skjærarmering ble gjennomført etter EK 2- 6.2.2. Det som kom fram var at det var ikke behov for skjærarmering i fundamentet men det settes inn minimums skjærarmering etter EK 29.4.3. Skjærkraftskapasitet ble kontrollert mot EK 2-6.4.5 og det viser at forholdet mellom kapasitet og dimensjonerende kraft er tilfredsstillende. Forankring av stenger ble vurdert etter EK 2-9.8.2.2 som kan sees i vedlagt beregningsark «Dimensjonering av søylefundament». Armeringen i den korte betongsøylen over fundamentet ble bestemt etter EK 2-9.5.2 utrykk 9.12N. Beregnet minimumsarmering viser at det må velges 8 stk armeringsstenger med Ø16mm. Deretter måtte det velges bøyler til den korte søylen. Minimums kravet etter EK29.5.3 er Ø6 men vi har valgt å bruke Ø8 for å være konservative. Se figur nr B1 Konklusjon mtp. den korte søylen er at etter beregningene må de armeres langsgående med 8 stk Ø16mm og som bøyler kan det brukes Ø8 med 200mm senter avstand. Fotplate For fotplaten har det blitt valgt en løsning med innstøpt plate 682x702x30mm forankret i fundamentet med 12 stk gjengestag med diameter 20mm, kantavstand 60mm og senteravstand mellom stagene 187mm. Stagene er plukket ut fra tabell B19.7.2 fra Bind B (Betong Elementboka). Beregning av knutepunktet er angitt i vedlegg “Dim av fotplate”. 2.1.1 Design Fotplaten mellom fundamentet og HUP profilen er beregnet til å være 682x702x30mm. Det oppsveiste hulprofilet overfører momentet fra søylen til fotplaten, dermed må den ha tilstrekkelig kapasitet mot bøyning og skjær. I bakgrunn av dette får vi de dimensjonene som kommer fram i detaljerte beregninger. Det er beregnet fastsveisede støtteskiver mellom fotplate og hulprofilet for nødvendig sveislengden som tar opp krefter i form av moment, skjær og ulykkes laster (se vedlagte detaljtegninger). Boltene har blitt valgt etter Tabell B19.7.2 Bind B. Tabellen gir også forslag til nødvendig forankringslengde som er 540mm for M20 bolter. Vindkreftene som virker på byggets langside er ikke tilstrekkelig store i forhold til egenlast for å gi oppløft av den innstøpte platen. Dette betyr at det ikke er behov for å regne dimensjonerende forankringslengde mtp. oppløft av vind krefter. Fotplaten blir forankret mot momentet som overføres fra toppen av konstruksjonen til fotplaten. Siden det var ønske om å få til et momentstivt knutepunkt mellom søylen og fundamentet måtte fotplaten forankres godt inn i fundamentet. Det brukes 540mm som forankringslengde foreslått av Betongelementboken Bind B, tabell B19.7.2. Nødvendig platetykkelse er beregnet til 17.54mm etter Betongelementboken Bind B og det har blitt tatt et konservativt valg på 30 mm. Standard NS-EN 1991-1-7:2006+NA:2008 (ulykkes laster) Beskriver dette detaljert i kapittel…….., formel C3, side 47. 1.1.1 Beregninger Grunnlaget til beregninger er Betongelementboken Bind B, Bind C, NS-EN 1993-1-8:2005+NA:2009, NS-EN 1992-1-1:2004+NA2008 og egne notater fra forelesninger. Alle beregninger har blitt utført i form av Mathcad regneark. Utgangspunktet for beregninger var tidligere utregnet vertikale laster og moment som blir videreført fra toppen av konstruksjonen til fotplaten som er støpt inn i fundamentet. Momentet som virker på fotplaten er 165kN og den vertikale kraften ligger på 1330kN. De to kreftene gjør at vi får en fordeling av kreftene mellom stagene vi har under platen. I starten ble det valgt M20 gjenge stag fra tabell 19.7.2 Bind B basert på dimensjonerende kraft til stag. Deretter ble stålets avskjæringskapasitet beregent og kontrollert mot den dimensjonerende horisontale kraften som i dette tilfellet er ulykkeslast i form av påkjøring med truck. Beregningen er utført etter EK 3- Tabell 3.4 Stålets strekk kapasitet ble beregnet til 180.9kN som er dimensjonerende kapasitet mtp. trykk og strekk og dermed i videre beregninger er det bare brukt strekkkapasitet sammen med momentkapasitet for å være konservativ. Moment kapasitet for stålet: Det ble forutsatt at støp fastholder stag mot knekking. Skjærkraftkapasitet i betongen for gjengestag ble regnet ut etter Betongelementboken B 19.4.3.2. Beregningen er for å finne ut om det må armeres mot brudd i kantene ved bruk av den geometrien som er valgt, både for søylen og stagene. Beregningen tar hensyn til flere forskjellige korreksjoner for å få mest nøyaktige verdier. Faktorene er valgt på bakgrunn av mest konservative resultat. Tillat skjærkraft uten korreksjoner: Skjærkraft med korreksjon: Beregningen viser at sølekantene ikke må armeres. Hvis utnyttelsen hadde vært over 1 da måtte det armeres som vist på figur B19.33 i Bind B for å unngå brudd i kantene pga. skjærkrefter. Dimensjonering av fotplaten går ut fra EK 3- tabell 3.4. Det vises seg at ved valg av 30 mm tykk plate er tilfredsstillende mtp. avskjæring og hullkant trykk og kan evt. gås ned i dimensjon. Hullkanttrykk: Avskjæring: Beregninger for fotplaten viser at valgte geometrien 682x702x30mm med 12 M20 gjengestag støpt inn i søylefundament er tilfredsstillende mtp krefter som virker på platen. En rekke med konservative antakelser ble gjort for begrensning av oppgaven siden det var ønske fra starten for å konsentrere mer på treforbindelser i andre deler av konstruksjonen. 1.2 Løsningsvalg- Oppsveist hulprofil For knutepunktet mellom søyle og fundament er det tenkt en innstøpt fotplate sammensveiset med en oppsveist hulprofil med lengde 1200mm og 420x442x10mm i høyde/ bredde/ tykkelse. Med dette tillates det full momentoverføring fra søylen til fundament. Fordeler med dette er at knekklengden forkortes betraktelig for limtresøylen ovenfor som gir mulighet for å velge rimeligere dimensjoner. Denne løsningen er også ganske fleksibel, og det kan være mulig å øke lengden på “sokken “ for å forkorte knekklengden. Denne kombinasjonen av stål og treverk har også mulighet til å være med på å gi bygget det arkitektoniske preget som ønskes med et bæresystem i tre, uten at man må ha uhensiktsmessige dimensjoner. Ulempen kan være utfordringer ved innsetting av limtresøylen mtp. utførelse på byggeplassen samt økonomiske aspekter som skal vurderes videre i rapporten. Denne “sokken” kan også føre til fuktproblematikk og at treverket går i forråtnetlse. På grunn av dette var det nødvendig å legge inn luftespalter slik at treverket har mulighet til å tørke i endeveden. 1.2.1 Design Det oppsveise hulprofilet, eller “stålsokken” er bygd opp av fire stålplater med tykkelse 10mm. For at profilet skal virke som en “sokk” er det nødt til å omfavne søylen. Dette er gjort ved å forlenge bredden på to av platene med én platetykkelse i hver ende. På denne måten går platene kant i kant. Dette fører til at platene på kortsiden av søylen blir 20mm lengre enn søylene på langsiden av søylen. Ved design av HUP profilet ble det tatt hensyn til to lasttilfeller. Tilfelle 1; bruddgrense. Søylen utsettes for en normalkraft på 1330kN og en skjærkraft i toppen av søylen på 20kN. Denne skjærkraften fører til et stort moment mot hulprofilet som det skal motstå. Tilfelle 2; ulykkeslast. Her utsettes søylen for en normalkraft på 500kN, en skjærkraft på 7,5kN og en ulykkeslast på 150kN. Skjærkraften og ulykkeslasten fører til et moment mot profilet. Til tross for den store ulykkeslasten er det bruddgrense, tilfelle 1. som er dimensjonerende på grunn av det store moment som opptrer med en større normalkraft. En viktig grunn til at det er foreslått en “sokk” og ikke en plate på hver side er at i en ulykkessituasjon vil det oppstå problem med videreføring av momentet til fundamentet fordi platene ikke har tilstrekkelig kapasitet mot disse kreftene. Den kvadratiske løsningen sikrer at momentet kan tas opp, motstås og videreføres i enhver lastsituasjon. Fordi det var nødvendig med lufting av treverket var det nødvendig å lage åpninger i hulprofilet for å sikre utluftning. Fuktutfordringen ble først anbefalt av Høyer Finseth ved Anders Kokkim da forslaget først ble presentert for oppdragsgiver. Dette ble også bekreftet i eksempler på lignende problematikk gruppen fant i en amerikansk presentasjon på knutepunkter i buede trekonstruksjoner. Her ble det anbefalt å holde deler av treverket fritt for fastholdning (f. eks stålplater) for å sikre lufting. Det ble da testet flere forskjellige dimensjoner, men som det sees nærmere på i underkapitlet “beregninger” var det utfordringer med sveiselengden og tverrsnittets treghetsmomet som ble utfordrende på grunn av nødvendig luftespalte. Det har ikke lykkes gruppen å finne eksakte beregninger/ krav til lufting i bunnen av søylen, men det er i samarbeid med Jan Ivar Pedersen i Høyer Finseth AS kommet frem til en fornuftig dimensjon. Luftespalten ble til slutt på 70mm på hver side av søylen. Det ble også avgjort at søylen med fordel kan freses ut i bunnen for å sørge for optimal lufting. Søylens tverrsnitt ved utfresning. Fordi arealet av hulprofilet må reduseres for å gi tilstrekkelig utluftning gir dette redusert sveiselengde som viste seg å være en utfordring. For å få mer sveiselengde blir det benyttet to avstivere på hver side, totalt åtte avstivere. Disse avstiverne vil gi den ekstra sveiselengden som behøves og de vil utformes som trekanter med grunnlinje 40mm og høyde 100mm. Avstivere mot hulprofilet 1.2.2 Beregning Ved beregning av nødvendig dimensjon på “stålsokken” startet vi med å finne riktig tverrsnittsklasse for det oppsveiesede profilet. Dette er gjort etter Eurokode 3-1-1 tabell 5.2. Tverrsnittet utsettes for bøyning fra skjærkraften og trykk fra normalkraften. Dette fører til en litt mer komplisert utregning enn hvis det kun opptrer bøyning eller trykk. Tverrsnittsklassen avgjøres ut ifra forholdet mellom indre høyde på tverrsnittet og tykkelse. Dette sammenlignes så med forholdet mellom trykk og strekk i tverrsnittet. Forholdet mellom trykk og strekk, α c . Utregning av spenningsforhold i tverrsnittet ved bruddgrense. a større enn 0,5 betyr at det er mer trykk enn strekk i tverrsnittet. Tverrsnittsklassen bestemmer om man får regne tverrsnittet elastisk eller plastisk, noe som får betydning for kapasiteten. Med tverrsnittsklasse 1 beregnes det elastisk. Dette betyr at man får bruke hele arealet til tverrsnittet og tar ikke hensyn til plateknekking og evt. Utbuling av tverrsnittet. Beregning av bøyningskapasitet er gjort ved å “Steiner satse” tverrsnittet. Et hvert tverrsnitt har en egen evne til å motsette seg bevegelse. Denne motstanden ligger kun i geometrien og kalles “motstandsmoment/ treghetsmoment” forkortet til W. Det finnes ferdig formelverk for utregning av fast geometri, f. eks firkanter og sirkler. For standard profiler finner man ferdig utregnede tverrsnittsegenskaper, men når man sveiser opp profiler må dette regnes ut med et såkalt “Steinertillegg” Dette er gjort ved å ta utgangspunkt i en nøytralakse midt i tverrsnittet og regne ut tverrsnittets stivhet om denne aksen. Tverrsnittets totale treghetsmoment uten fratrekk for hull. Hullene som ligger på nøytralaksen kan trekkes ifra det totale treghetsmomentet direkte. Åpningene som ikke ligger på nøytralaksen må Steiner satses. Etter at treghetsmomentet for hele tverrsnittet er utregnet kan åpningene for luftehullene trekkes ifra og det totale treghetsmomentet for profilet regnes ut. Totalt treghetsmoment etter fratrekk. Med treghetsmomentet på plass er det mulig å regne tverrsnittets kapasitet mot bøyning. Bøyningskapasitet og utnyttelse. Sveiselengden er bestemt ut ifra profilets hjørner hvor selve profilet henger sammen mot fotplaten. Denne hjørnelengden på 361mm var ikke tilstrekkelig sveiselengde og det må derfor monteres avstivere mot profilet for å gi større sveiselengde. Disse avstiverne gir oss 48mm lengre sveiselengde pr. side. 1.3 Løsningsvalg 2 kryssplate. Plan over valgt løsning. Boltene i x - retning krysser i en annen retning enn de i y - retning. For å oppnå momentstiv forbindelse mellom søyle og fundament er det vurdert en løsning med stålplater sveiset på en innstøpt fotplate. Det er tenkt to stålplater i kryss sveiset på høykant av fotplaten. Det må slisses spor for stålplatene inn i selve søylen som kan ferdigstilles på fabrikk. Det skal deretter monteres to boltegrupper i hver av platene. For å ha tilstrekkelig kapasitet mot hullkanttrykk i tverrsnittet er det nødvendig å ha et ganske bredt søyletverrsnitt. Det opprinnelige søyletverrsnittet er ikke tilstrekkelig. Løsningen er å benytte en konsoll på begge sider av søylen. Videre dikterer avstand mellom belastet kant og boltegruppen bredden på konsollen ytterligere. Fordelen med løsningen er at det er relativt enkel å montere da man kun skal feste bolter til tverrsnittet. Arkitekt og byggherre ønsket et bæresystem i tre og denne løsningen skjuler selve knutepunktet siden alt er slisset inn i treverket og man ser kun de fire boltegruppene og tresøylen. Ulempen med løsningen er at den nederste meteren av søylen bli veldig massiv, nærmere ett kubikk med limtre. Dette vil være en veldig kostbar løsning og utførelse på fabrikk kan være veldig krevende på grunn av tverrsnittet. Fordi konsollen blir så massiv vil den også stjele gulvareal, man mister nesten en meter mellom hver søyleakse i forhold til det opprinnelige tverrsnittet på søylen. I tillegg til størrelsen vil søylen også være meget tung og kan gjøre transport fra fabrikk utfordrende med tanke på antall søyler man får med seg 1.3.1 Design For at løsningen skal være momentstiv måtte boltene i forbindelsen ha kapasitet til å ta opp momentet fra ulykkeslast. Det er valgt fire boltegrupper i sirkel med boltediameter 30mm. Sirklene er plassert 360mm fra hverandre med diameter 150mm. Stålplatene i knutepunktet vil være 20mm tykke og gå på tvers av hele søylen i begge retninger. Platene vil være 965mm høye for å gi plass til boltegruppene i begge retninger. Ved design av boltegruppen er Eurokode 5 benyttet for å beregne minimumsavstander i fiberretningen og på tverrs av fiberretningen. Eurokode 5 angir avstand i forhold til en vinkel mellom kraftretning og fiberretning. På grunn av forholdet mellom horisontalkraft og normalkraft er vinkelen tilnærmet 90 grader på fiberretningen. Dette fører til en avstand mellom senter av bolter på fire ganger boltediameter i fiberretning og vinkelrett på fiberretning. Det er benyttet en avstand på fem ganger boltediameter i løsningen. Vinkel mellom resultant og fiberretning. Eurokode 3 angir ingen spesielle krav til bolteavstander i stål når man benytter sirkelgruppe. Det er derfor valgt avstander innad i gruppen som overstiger kravene som vanligvis brukes til firkantede skruegrupper i stål. Dette fører også til at opptredende hullkanttrykk reduseres kraftig i forhold til hva det ville vært med mnimumskrav. Krav til kantavstand og faktisk valg . 1.3.2 Beregning Beregning av knutepunktet er gjort ved å se på to lasttilfeller; tilfelle 1 hvor søylen utsettes for bruddgrenselast i form av normalkraft og skjærkraft fra randdrager som fører med seg et moment i knutepunktet. Tilfelle 2 er ulykkeslast hvor søylen utsettes for en ulykkeslast 0,75m over gulvnivå, en normalkraft og en skjærkraft fra randdrager som fører til moment som i tilfelle 1. Det dimensjonerende tilfellet viste seg veldig raskt å være tilfelle 1. Dette lasttilfellet påfører søylen store normalkrefter og en mindre skjærkraft der søylen og randdrager møtes. Denne skjærkraften forårsaker et moment som inntreffer i senter av forbindelsen, 550mm over søylefoten. Total lastvirkning på forbindelsen er beregnet ved hjelp av utledning av formler fra forelesninger fra Mars 2010 av Nils Bovin ved NMBU og “Structural Timber Design to Eurocode 5” av Jack Porteous og Abdy Kermani 2007. Kraftvirkningen er et resultat av dekomponering av krefter. Kreftene dekomponeres fra skjær, moment og normalkraft til en ren skjærkraft pr. forbinder. Dekomponering av forskjellige krefter og resultant av alle kreftene. Forbindelsen er designet så den kan ta opp moment om begge akser. Dette er viktig fordi ulykkeslasten kan oppstå på alle sider av søylen og det er derfor umulig å bestemme hvilken vei lasten kommer fra. Forbindelsen er derfor designet slik at to boltegrupper kan ta opp all kraften alene. Dette er også grunne til at det er behov for en “kvadratisk” konsoll slik at det er nok treverk i alle retninger å fordele trykket på. Knutepunktets kapasitet er beregnet etter Eurokode 5 og Eurokode 3-1-8. Eurokode 5 tar for seg kapasiteten i treverket hulkanttrykk, størrelse på mellomlagsskiver og uttrekning av boltegruppen, mens etter Eurokode 3-1-8 er boltenes kapasitet mot avskjæring, platenes kapasitet mot hullkanttrykk. Utrivning av skruegruppe er ikke aktuelt i denne lastsituasjonen da det kun er trykk i forbindelsen og kantavstanden er valgt til å være stor. Ved beregning av knutepunkt mellom treverk og stål i henhold til Eurokode 5 skal kapasiteten utrykkes som skjærkapasitet pr. forbinder pr. skjærflate. Dette betyr at ved å designe en dobbeltsnittet forbindelse (to skjærflater) “dobler” man kapaisteten pr. forbinder. Dette betyr at man har muligheten til å styre kapasiteten til en forbindelse med å legge til eller trekke ifra skjærflater. Det er i denne forbindelsen én plate i tresøylen, altså to skjærflater. Aktuelle bruddformer for forbindelsen. De aktuelle bruddformene for forbindelsen er tilfeller f, g og h. Tilfelle f. beskriver et tilfelle hvor treverkets hullkanttrykkapasitet er for lav og når platen utsettes for en kraft forskyves forbinderen og “uthuler” treverket. Tilfelle g. beskriver et tilfelle hvor treverket er så bredt (stor t1) at når platen utsettes for en kraft vil forbinderen deformeres der den har kontakt med platen og treverket deformeres i ytterkant. Tilfelle h. beskriver et tilfelle hvor bredden på treverket (stor t1) er så stor at det kun opppstår deformasjon i forbinderen der den har kontakt med platen når det utsettes for en kraft. I det dimensjonerende tilfelelt er det bruddform g. som er aktuell. Illustrasjon av utregning av kapasitet. Kapasiteten er oppgitt pr. forbinder pr . skjærflate. 2. Knutepunkt Søyle- Randdrag (Toppen av søylen) 2.1 Løsningsvalg 1 – Step Joint Alternativ løsning for å få momentstiv forbindelse i toppen av søylen er skråstaver som festes til søylen og randrageren. Vinkelen som dannes mellom søyle og skråstav har blitt satt til 45 grader. Søylens kapasitet beregnes ut ifra skjærspennings- og bøyespenningskontroll da det er innsnitt og dens tverrsnitt som gir kapasitet. Løsningen har en ulempe da den reduserer fritt takhøyde med ca 1m ved siden av søylen. 2.1.1 Design Det er skjærspenning som ble dimensjonerende og man måtte finne riktig areal til innsnitt slik at kapasiteten ble stor nok. Det har blitt valgt innsnitt på 45mm og vinkel mellom søylen og skråstaven lik 45 grader. Tykkelsen på skråstaven ble satt til 100 mm. 2.1.2 Beregninger Gruppen fant det å bli utfordrende å finne nøyaktig verdi for aksial belastning av skråstaven. Det er programmet Robot fra Autodesk som kom med NED=30kN, i tillegg til denne last har det blitt lagt til ekstra belastning på verdien lik Nd=10kN som tilsvarer 1.5% av opptredende normalkraft i søylen. Opptredende kraft i forbindelsen blir da lik 48kN. Belastning inntreffer med vinkel 22.5 grader vinkel på fiberretning og kapasiteten må derfor beregnes etter formelverk fra kapitel 6.2.2 i Eurokode 5. Formelverk tar hensyn til korrelasjon mellom opptredende kraft og fiberretningen. Den totale spenningskapasiteten ble beregnet til: Den opptredende skjærspenning og bøyespenning ble beregnet henholdsvis: Det var også naturlig å sjekke skråstavens kapasitet mot knekking. Lengden av skråstaven har blitt satt til 2 meter og med slik geometri fikk man relativ slankhet om svak akse λz = 1.05. Da forbindelsen mellom søyle og skråstav anses som ledd får man ikke skjærkraft i staven. Dette fører til at bøyespenning om både sterk og svak akse er 0 N/mm2. Alt dette resultere i at knekkingskontroll kan forenkles til kontroll med ren aksial belastning. Som vist på figur er tverrsnittet utnyttet i 42% mtp knekking. Alle kontrollområder viser at forbindelsen har god kapasitet og derfor anses som god. Detaljerte beregninger har blitt utført i MathCAD og er vedlagt rapporten. 2.2 Løsningsvalg 2-T-Forbindelse Det har blitt valgt en løsning med innslissede stålplater. Platene skal være formet slik at de kan lett slisses inn i randragere og søyle uten at ståldeler unødvendig synliggjøres. Som festemiddel skal det brukes M30 bolter i sirkelgrupper. Til innslissede stålplater skal det sveises liggende stålplate med oppsveist stående plater som skal slisses inn i gitterdrager. Som festemiddel her har det blitt valgt M30 bolter i sirkelgruppe. 2.2.1 Design De største faktorene i designprosedyren var kapasiteter til de aktuelle materialene, det var GL30C limtre som ga størst utfordring. Det det ble kommet fram med 4 plater med tykkelsen 30mm. Det som var dimensjonerende i situasjoner var hullkantrykk og på grunn av dette måtte søylen omprosjekteres fra en rett søyle til søyle med konsoll. For å oppnå en momentstiv forbindelse mellom søylen og gitterdrager samt randdrager måtte det velges M30 Bolter. Boltesirkelen skal ha radius r=180mm, avstand mellom boltesirklene skal være rb=400mm. Kantavstand horisontalt er 210mm og vertikalt 120mm. 2.2.2 Beregninger Alle beregninger har blitt utført etter Eurokode 5 som gir grunnlag for prosjektering av trekonstruksjoner. Det er kapittel 8 som gir krav til prosjektering av forbindelser. Opptredende aksialbelasting har blitt satt til Ned=1330kN, horisontal belastning Hed=30kN, Moment i forbindelsen Med=6.67kNm og globale momentet MG.Ed=20kNm. Antall boltegrupper i T-forbindelsen er satt til 3 med 7 bolter i hver gruppe. Det som var viktigst var å finne opptredende lastvirkning per forbinder pr bolt. Her måtte man ta hensyn til aksial last, horisontal last og selve momentet som opptrer i forbindelsen. Den dimensjonerende kraft per forbinder har blitt beregnet etter bok ‘Structural Timber Design to Eurocode 5’ (forfatter Jack Porteous og Abdy Kermani). Anvisning til beregning av momentstiv forbindelse står beskrevet i kapitel 12.5.2 på side 489. Opptredende kraft per forbinder blir beregnet etter formel: Den aktuelle bruddformen som kan inntreffe i dette tilfelle er tilfelle f, g eller h gitt i Eurokode 5, pkt. 8.2.3 lign 8.11 og figur 8.3. Ved de aktuelle bruddform får man dimensjonerende kapasitet per skjærflate per forbinder lik Fv.Rk=40.2kN. I selve forbindelsen er antall plater satt til np=4 som gir antall skjærflater nv=8. Med slik valg oppnår man dimensjonerende kapasitet per forbinder lik Fv.Rk.dim=nv* Fv.Rk=322.11kN. Forbindelsen skal være utnyttet på 93%. Gitt stål tykkelse og dimensjonerende aksiallast forårsaket at søyletoppen måtte prosjekteres med konsoll. Utfordringen var tykkelsen på limtre mellom stålplater. Tykkelsen av overnevnt limtre mellom stålplater måtte settes til t1=110mm. Dette resulterte med at bredden på toppen av søylen måtte gjøres om fra 400mm til 670mm. Selve konsollen måtte kontrolleres for skjærspenning langs fiberrettingen for å dimensjonere dens minimal høyde som vist nedenfor (hvor Ft1.Ed er den delen av aksiallast som virker på den horisontale projeksjonen av utstikkende delen av konsollen og Fv.d er skjærspenningskapasitet til limtre GL30C). Etter å ha beregnet minimalhøyde kunne det endelig prosjektere selve konsollen. Geometrien ble satt som vist på figur under. Etter å ha kontrollert limtre måtte stålets kapasitetenkontrolleres. Dette har blitt utført etter EK3 1-8 tab. 3.4 s. 28. Det var nok en gang hullkanttrykk som ble dimensjonerende. Kapasiteten ble beregnet som vist på figur under, hvor k1 og αb er faktorer beregnet etter samme kapittel, fu er speningskapasitet per bolt, d - boltediameter og tpl er tykkelsen på plate. Den opptredende kraften per bolt er beregnet: Hvor FEd er opptredende kraft per forbinder og np er antall plater i forbindelsen. Utnyttelsen ligger på 17% og anses som tilstrekkelig. Boltediameter kunne da reduseres men det hadde gitt negativ utslag på kapasitet av tresøyle. Nøyaktig beregninger har blitt utført i MathCAD og er vedlagt denne rapporten. 2.3 Løsningsvalg 3 - Skråstaver med innslisset trykk stålplate Målet med løsningen er å oppnå en stiv og stabil søyle, som bidrar til globale stabiliteten i bygget. Løsningen går ut på å avstive toppen av søylen. Avstivningen er delt i flere deler; to skråstaver med innslisset stålplate i knutepunktet søyle-skråstaver, to lasker i knutepunktet randdrager-skråstav og innslisset T- plate i knutepunkt søyle-randdrager. Skråstavene er de som bidrar mest med å skape det momentstive forbindelsen, mens T-platen på toppen holder dragene fast til søylen. Løsningen gir en tilstrekkelig stiv forbindelse på toppen av søylen, som videre vil resultere en stiv søyle, og med det oppnås målet av løsningen. Negative effekten av løsningen gjør at takhøyden reduseres. 2.3.1 Design Forbindelsen består av fire knutepunkter. Knutepunktet søyle-skråstaver består av en 18mm tykk stålplate som er innslisset i både søylen og skråstavene og innfestet med 5 M18 bolter til hver skråstav. Skråstaven er lasket med to lasker til randdrageren, en lask på hver side. Laskene er boltet til både skråstaven og randdrageren med 5+5 bolter. Randdragerne er festet sammen og til søylen ved bruk av en 18mm innslisset T- formet stålplata, og 5+5+5 M18 bolter. (Se bilde ovenfor) 2.3.2 Beregninger Forbindelsen inneholder to innslissede stålplater og fire lasker. Kapasiteten til en stål-mot-tre forbindelse avhenger av tykkelsen på stålplaten. Platen betraktes som en tynn plate hvis tykkelsen på platen er mindre enn eller lik 0,5d (boltediameter), mens plater med en tykkelse større enn eller lik d, betraktes som tykke plater. Skråstavene vil overføre aksialkrefter til søylen gjennom knutepunktene, og det vi utsette boltene til aksialbelastning. Boltene er dimensjonert for å motstå den aksiale belastningen samt flytning i boltens materiale som årsakes av overført moment. Boltekapasiteten er beregnet etter Eurokode 5 punkt 8.5.2(2), hvor dimensjonerende tilfelle var boltens kapasitet mot strekk. Eurokode 5 punkt 8.2.3(3) sier at forbindelsens karakteristiske kapasitet settes lik minste verdien for hver forbinder per snitt (skjærplan). Minste avstander mellom bolter og fra bolter til kant og ende er definert i Eurokode 5, under punkt 5.1.1(3). Eurokode 5 Punkt 10.4.3(2) stiller krav til underlagsskive under boltens hode, den krever at det må brukes underlagsskive med en diameter på minst 3d og tykkelse 0,3d under boltens hode, ut fra det ble det valgt en underlagsskive med en diameter på 54mm og en tykkelse på 5mm. Globalstabilitet Globalstabiliteten ble vurdert i flere situasjoner, hver situasjon består av en kombinasjon av to ulike løsningene som er beskrevet tidligere i rapporten. Påvirkningen av hver kombinasjon vil knytte seg direkte til søylens knekklengde, derfor vil knekklengden være kritisk for dimensjonering av søylen. Søylen er en del av et bæresystem til et lager bygg, er det ønskelig med høyest mulig takhøyde, for å få mest mulig utnyttelse av det disponible arealet. Løsninger dreier seg derfor om å avstive søylen ved bruk av randdrager, men løsninger som vil begrense takhøyden betraktelig er uakseptable. Forskjellige kombinasjoner av foreslåtte løsninger kan best forklares ved bruk av rammer med forskjellige forbindelser. I dette kapitlet beskrives det 4 forskjellige ramme systemer med samme last situasjon. 1. 2. 3. 4. Rammesystem 1 har kun leddforbindelser som ikke tillater momentoverføring i hjørnene og ved føttene. Med dette rammesystemet er systemets global likevekt ikke oppfylt, og det vil medføre at konstruksjonen velter. Ramme 2,3, og 4 kan oppnå global likevekt avhengig av likevektsegenskaper til hver av dem, derfor er rammesystemene vurdert hver for seg. Vurdering og beskrivelse av rammesystemer 2,3 og 4 er gjort ved å kombinere overnevnte løsninger. Kombinering av løsninger varierer avhengig av valgt rammesystemet. Løsningskombinasjonene vil påvirke knekklengden til søylen betraktelig Vurdering av ramme system 2 Dette systemet innebærer at man har ledd i knutepunkt mot fundamentet og momentstiv forbindelse mot takkonstruksjonen. Rammesystemet oppfyller global likevekt, derfor kan systemet være aktuelt som en løsning for å oppnå totalstabilitet. Systemet tillater full momentoverføring mellom randdrager og søyle, men dette tillates ikke fra søyle til fundament. Følgende løsningskombinasjoner av knutepunkter oppnår det overnevnte statisksystemet: · · · «Ledd» ved fundament og «Step joint» i toppen av søylen «Ledd» ved fundament og «skråstaver» i toppen av søylen «Ledd» ved fundament og «T- forbindelse» i toppen av søylen Løsningskombinasjon med «Step joint» eller «skråstaver» har samme knekklengde som er 70% av søylens opprinnelig lengde, mens kombinasjonsløsning med T- forbindelse har knekklengde 93% av søylens lengde. Variasjonen i knekklengden skyldes variasjon i søylens lengde ved de forskjellige løsningene. I dette kapitlet har det blitt beskrevet den mest effektive løsningskombinasjon. Siden “T- forbindelse” gir verste tilfelle med 7,2m og forårsaker at tverrsnittet må økes fra 420x400mm til 450x450mm, er løsningen ikke beskrevet under dette kapitlet, men beregningsarket er vedlagt. «Se vedlagt beregningsark nr.» Løsningskombinasjon «Ledd» ved fundament og «Step joint» i toppen av søylen er en eksisterende løsning. Kombinasjonen utsetter søylen for en kombinasjon av aksialkrefter og bøyning. Søylen er ikke fastholdet i Z- retning, derfor vil knekking om den aksen være kritisk. Bestemmer knekklengde: Bestemmer tverrsnitts kapasitet til søylen. Eurokode 5 punkt 6.3.2 angir beregning for tverrsnitts kapasitet. Søylen er sentrisk- og horisontalt belastet, belastningene utsetter søylen for trykk og bøyning. Belastingssituasjonene påvirker søylens knekkform betraktelig. I dette kapitlet er knekking vurdert i to forskjellige tilstander, ulykkestilstand og bruddtilstand, som samsvarer de overnevnte beslutningssituasjonene. Skråstaver og “Step Joint” stiver av søylen slik at dens lengde er begrenset til 6m. dette resulterer i at tverrsnittet må være 420x430mm. Med det oppnås totalstabilitet, som videre vil påvirke byggets global stabilitet positivt. Vurdering av ramme system 3 Systemet innebærer at søylen er fast innspent mot fundament og leddet mot takkonstruksjonen. Rammesystemet oppfyller global likevekt, derfor kan systemet være aktuelt som en løsning for å oppnå totalstabilitet. Systemet tillater full moment overføring fra søyle til fundament, men tillates ikke mellom randrager og søylen. Følgende løsningskombinasjoner av knutepunkter oppnår det overnevnte statisksystemet: · · «Stålsokk» og «fritt opplagt» overgurt & randdrager. «Kryssplate» og «fritt opplagt» overgurt & randdrager. Disse kombinasjonene gir en knekklengde på 74% av søylens opprinnelig lengde. Søylens lengde varier fra 6m til 6,3m. Bestemmer knekklengde: Kombinasjonsløsningene som tilsvarer dette ramme systemet, har samme påvirkning på søylen, så under dette kapitlet har det blitt beskrevet begge kombinasjonene samtidig, de betraktes som en søyle hvor den er fast innspent i bunn og frittopplagt på topp. Søylen utsettes for en kombinasjon av aksialkrefter og bøyning, den er fastholdet i Y- akse, siden den betraktes som svakakse, og knekking om z-aksen vil være kritisk. Sjekker søylens kapasitet mot knekking: Søylen er både sentrisk- og horisontalt belastet, belastningene utsetter søylen for trykk og bøyning. Belastingssituasjonene påvirker søylens knekkform betraktelig. I dette kapitlet er knekking vurdert i to forskjellige tilstander, ulykkestilstand og bruddtilstand, som samsvarer de overnevnte beslutningssituasjonene. “Stålsokk” gir det beste tilfellet hvor søylens lengde som kan knekke reduseres med stålsokkens høyde som er 1,2m. Dette fører til et tverrsnitt på 420x430mm. Kryssplate vil også redusere lengden av søylen som kan knekke med sin platehøyde og pga. konsoll til 6,3m. Konstruksjonsmessig vil begge kombinasjonene gi samme resultater når det gjelder dimensjonering av søylen, dvs. begge løsningskombinasjonene er aktuelle, men med tanke på andre aspekter som for eksempel påvirkningen av støt/påkjørsel på søylen, vil stålsokken være bedre enn kryssplata siden den som utsettes for støt og ikke selve søylen. Vurdering av ramme system 4. Systemet innebærer at søylen er fast innspent mot både fundament og takkonstruksjonen. Rammesystemet oppfyller global likevekt, derfor kan systemet være aktuelt som en løsning for å oppnå totalstabilitet. Systemet tillater full momentoverføring fra søyle til fundament og mellom randrager og søyle. Følgende løsningskombinasjoner av knutepunkter oppnår det overnevnte statisksystemet: · · · · · · «Stålsokk» ved fundament og «Step joint» på toppen av søylen. «Stålsokk» ved fundament og «skråstaver» på toppen av søylen. «Stålsokk» ved fundament og «T- forbindelse» på toppen av søylen. «Kryssplate» ved fundament og «Step joint» på toppen av søylen. «Kryssplate» ved fundament og «skråstaver» på toppen av søylen. «Kryssplate» ved fundament og «T- forbindelse» på toppen av søylen. Alle løsningskombinasjonene har samme knekklengde som er 69% av søylens opprinnelig lengde. Bestemmer knekklengden: Alle løsningskombinasjonene har samme påvirkning på søylen, men har to forskjellige tverrsnittskapasiteter. Kombinasjonene er delt i to tilfeller og videre ble det vurdert den som er mest aktuelt. Tilfelle 1 er enten «stålsokk» eller «kryssplate» i bunn og enten «skråstaver» eller «step joint» i topp. Tilfelle 2 er enten «stålsokk» eller kryssplate i bunn og T-forbindelse i topp. Vurdering av tilfellet 1: Tilfelle 1 «stålsokk/kryssplate» ved fundament & «skråstaver/step joint» i topp. Søylen utsettes for en kombinasjon av aksialkrefter og bøyning, den er fastholdet i Z- akse, siden den betraktes som svakakse, og knekking om z-aksen vil være kritisk. Søylen er både sentrisk- og horisontalt belastet, belastningene utsetter søylen for trykk og bøyning. Belastingssituasjonene påvirker søylens knekkform betraktelig. I dette kapitlet er knekking vurdert i to forskjellige tilstander, ulykkestilstand og bruddtilstand, som samsvarer de overnevnte beslutningssituasjonene. Tilfellet 1 viser at 400x420mm søyle tilfredsstiller krav til tverrsnitts kapasitet, med utnyttelses grad 88%. Tilfellet 2 «stålsokk/kryssplate» ved fundament & «T-forbindelse» i topp viser at 400x420mm har nok tverrsnitts kapasitet med utnyttelses grad omtrent 99% og stålsokk må være 2,0m høy. Utregningen er ikke beskrevet under dette kapitlet for å unngå gjentagelser, men vedlagt som beregningsark. Begge tilfellene vil oppnå total stabilitet på søylen. Konstruksjonsmessig vil begge tilfellene gi samme resultater når det gjelder dimensjonering av søylen, dvs. begge tilfellene egner seg som en reell løsning, men med tanke på andre aspekter kan et tilfelle være bedre enn det andre. Vurdering av forskjellige aspekter og valg av den beste løsningen Utførelse/ Byggeteknikk Forskjellige løsninger ble drøftet i rapporten. Noen av løsningene er mer fornuftig mtp utførelse enn de andre og det som var interessant for prosjektet var at forholdet mellom kostnads- og utførelses vurderingen skal være den beste. Det var ønske fra utbygger sin side for å få mest mulig av trevirke som kan ha både fordeler og ulemper mtp utførelse. Midt i bygget finnes det 2 lange innerhjørner på taket som kommer til å samle opp snø og vann og det kan føre til komplikasjoner etter hvert i driftsfasen, men ikke minst er det en utfordring for å få til tilstrekkelig fall mot evt sluk på taket. Byggforsk blad 525.207 «Kompakte tak» beskriver et sånn type utførelse som sier at taket bør ha minst 1:6 fall i rennene som betyr at hele taket blir delt opp i flere deler og det må monteres innvendig nedløps systemer samt overvannsledninger enten under fundamentplaten eller rett under himlingen. Løsningen i seg selv er ikke en uheldig løsning, men det er noe som er tidkrevende og kan evt skape problemer i framtiden når bygget blir eldre. Nedløpssystemer trenger kontroll og service for at de ikke skal tettes. Ved tetting av nedløpssystemer kan det i verste fall samles store mengder av vann som kan være uheldig mtp konstruksjonens kapasiteter. Generelt sett har trevirke en stor ulempe mtp sammensetting av de forskjellige konstruksjonsdeler på en byggeplass. På en vanlig byggeplass er materialer utsatt for været som gjør at det må tas ekstra hensyn til det mtp trevirkes svekkede egenskaper og evt misfarging. Dvs at en stålkonstruksjon hadde vært mer behagelig mtp montering på byggeplass. Basert på erfaringen må det også regnes med ca 10% mer tid til montering av trevirke. Spesielt når konstruksjonen strekker seg til store dimensjoner. Med store dimensjoner menes det svære forbindelser sammenkoplet av flere deler. Det som gjelder fotplaten og det sammensveisede hulprofilet anses å være en ganske standard løsning mtp utførelse hvis vi ser bort i fra grove dimensjoner. Fotplaten som tar opp momentet i bunnen skal armeres godt inn i fundamentet og det er det som kommer til å skape en del arbeid på byggeplassen. Den såkalte “sokken” tar også opp skjærkrefter fra ulykkeslaster i form av truck påkjøring. For å tilfredsstille utbygger sitt ønske om å få mest mulig av trevirke og for å få høyst mulig fri høyde i bygningen må det gjøres noe som er ubehagelig og kostbart mtp utførelse. Kombinasjonen av forskjellige løsninger til bygningen som kan evt foreslås av de variantene som ble utarbeidet er stegforbindelse oppe og fotplate med HUP sokken nede (se figuren nede). Kombinasjonen anses til å være den beste for akse kryssene 3G- 3K hvor konstruksjonen må avstives oppe mot sideveis forskyvning samtidig når det er ønske om å opprettholde høyst mulig fri høyde. En stegforbindelse (step joint) er en relativt enkel og realistisk løsning mtp. utførelsen. Det som gjør stegforbindelsen så bra er at den er enkel å montere. Delene kan lages ferdig i fabrikken og monteres på plass og settes sammen med lange skrues som må ikke dimensjoneres ekstra pga. geometrien til forbindelse. Den symmetriske geometrien til forbindelsen gjør at begge sidene med like laster holder hverandre på plass med trykkrefter. Det ble også vurdert en momentstiv forbindelse av trevirke med skjærplater i toppen av konstruksjonen. Forbindelsen i seg selv er interessant mtp dimensjoneringsarbeidet, men utførelsesmessig kan det bli vanskelig med lange boltegrupper og store dimensjoner på trevirke. Det kan være vanskelig å montere dette på plass. Mtp. utførelsen er det nesten alltid mer lønnsomt å bygge opp kontraksjoner med så kalte leddforbindelser som knutepunkter, men i dette tilfellet må det tas opp momentet enten øverst i konstruksjonen eller nederst langs alle aksene. Og dermed må det regnes med forskjellige utfordringer i utførelses fasen. Det også anses at en stålkonstruksjonen for dette prosjektet hadde vært en enklere løsning mtp. utførelse når vi ser bort fra estetiske aspekter. Men estetikken har en stor del i prosjektet som må også pris settes. Økonomi Kilder NS-EN 338 Konstruksjonsfastheter NS-EN 1194 Limtre Fasthetsklasser NS-EN 1990 NS-EN 1991-1-1 NS-EN 1991-1-3 2003 + NA2008 Snø NS-EN 1991-1-4 Vindlast NS-EN 1993-1-1. Stål NS-EN 1993-1-5 Plater påkjent i plateplanet NS-EN 1993-1-8. Knutepunkter og forbindelser NS-EN 1995-1-1 Prosjektering av trekonstruksjoner NS-EN 1991-2:2003+NA:2010 Structural Timber Design to Eurocode 5, Jack Porteous og Abdy Kermani, 2007 TRE- konstruksjoner, Petter Aune, 1992 Betongelementboken Bind B, Betongelementforeningen, 2013. Betongelementboken Bind C, Betongelementforeningen, 2013.
© Copyright 2024