Teräsrakenteisen hallin kattotason jäykistys

Tässä diplomityössä esitellään teräsrakenteisen hallin kattotason jäykistyksen ja pääkannattajien stabiloinnin perusteet, sekä yleisimmät kattotason jäykistysratkaisut. Ulkoisten ja sisäisten voimien lisäksi kattotason jäykistysratkaisulle voi aiheutua huomattavia rasituksia pakkovoimina pääkannattajien pystykuormista. Tässä työssä pystykuormien jäykistysratkaisulle aiheuttamien rasitusten syy selvitetään. Katolle valittu rakennetyyppi vaikuttaa käytettävissä oleviin jäykistysratkaisuihin ja niille aiheutuviin rasituksiin, joten työssä kerätään yhteenveto jäykistysratkaisun valinnassa huomioitavista asioista katon rakennetyypin mukaan. Teräsrakenteisen hallin katolla käytetään usein kantavia poimulevyjä. Suomea lukuun ottamatta muissa Pohjoismaissa niiden käyttäminen myös kattotason jäykistykseen on yleistä. Työn teoriaosuudessa keskitytään syvemmin poimulevyjen käyttämiseen kattotason jäykistysratkaisuna, ja niiden joustavuuden ja kestävyyden mitoitukseen saatavilla olevien suunnitteluohjeiden mukaan. Suunnitteluohjeet ovat tällä hetkellä jakautuneet muutamaan erilliseen lähteeseen. Jäykistävälle kattopellille aiheutuu leikkausrasituksia useammasta samanaikaisesta kuormitustapauksesta, ja työssä selvitetään, mitä tarkasteltavia kuormitusten yhteisvaikutuksia jäykistävän kattopellin mitoituksessa pitäisi huomioida. Yhä useammin yksinkertaisetkin teräshallit mitoitetaan 3D-laskentaohjelmalla. Kun poimulevyjä käytetään katon jäykistysratkaisuna, halutaan laskentamallissa teräsrunkoa mitoitettaessa kattotason siirtymien vastaavan levyjäykistykselle mitoitettuja siirtymiä. Levyjäykistyksen mallintamiseen kehitetään tavallisemman sauvamallin sijaan vaihtoehto, jossa jäykistys mallinnetaan ekvivalenttisina ortotrooppisina levyinä. Laskentamalli käyttäytyy halutulla tavalla myös tuulikuorman kohdistuessa hallin päätyyn. Mallinnetun pellin ei haluttaisi haittaavan muun teräsrungon mitoitusta, mutta levy saattaa kuitenkin vaikuttaa pystykuormien jakautumiseen pelkän tason suuntaisen leikkausjäykkyytensä vaikutuksesta. Suomessa kantavaa poimulevyä käytetään usein vain pystykuormien siirtämiseen pääkannattajille. Eurooppalaiset suositukset jäykistävän kattopellin mitoituksesta kuitenkin mainitsevat kattopellin toimivan jäykistävänä rakenteena, vaikkei sitä kattotason jäykistysratkaisuksi mitoitettaisikaan. Esitettyä mallinnustapaa hyödyntämällä todetaan tapaustutkimuksena maininnan pitävän paikkansa, ja pellin vaikuttavan hallin ulkoisten kuormien jakautumiseen huomattavasti. Lisäksi todetaan kiinnikemäärän kohtuullisella lisäyksellä voitavan saavuttaa suuria säästöjä pilarien profiilien koossa, kehien siirtymien pienentämisessä ja momenteissa liitoksissa perustuksiin.In this thesis, the principles of the stability design of the roof of a single-story steel hall, and the most used stiffening systems are presented. In addition to horizontal loads and buckling of individual members, the vertical load on rafters can cause considerable forces on roof level bracing due to prevented deformations. The type of roof structure will usually determine possible stiffening systems that can be used and influences the stabilization of rafters. Summary of available stiffening systems and things to consider according to the selected roof structure type is presented. Trapezoidal sheeting is commonly used to transfer vertical loads to the main rafters. Using these trapezoidal sheets also for the stiffening of the roof, i.e. stressed skin design, is frequently used in other Nordic countries except for Finland. This thesis focuses on the calculation of strength and stiffness of such diaphragm according to available rules and recommendations, which are currently scattered across a few different sources. Multiple simultaneous loadings cause stresses in the plane of the diaphragm and need to be considered. Even the simple steel buildings are nowadays commonly dimensioned in 3D with structural analysis software, and the stiffening system of the roof is a crucial part of the calculation model. The simplest method of modeling the diaphragm action is to model the stiffness of the roof by spring elements connecting individual frames. A more advanced method of modeling based on a simplification of recent studies is presented, by modeling stressed skin as equivalent orthotropic plates. The presented model can also be used for wind acting on the end of the building. However, the modeled equivalent plate can affect the dimensioning of other steel structures by resisting deformations in the plane of the roof. European recommendations for the application of metal sheeting acting as a diaphragm state that the calculated behavior of a building can be unrealistic if the stiffening effect of trapezoidal sheeting is ignored and the building in stiffened by other means. Using the presented method of modeling the stressed skin effect, this statement is confirmed to be true with a case study. Also, the same case study is used to confirm significant material savings, reduction of frame displacements, and support moments with a reasonable increase in the number of fastenings