Suunnittelumetodit puristettujen rakenteiden sivuttaistuille teollisissa teräsrungoissa

Lateral bracings must have adequate strength and stiffness. However, the design of steel compression members is generally based on simplified boundary conditions. Lateral braces are often designed only for the strength criteria. The objectives of this thesis are to study different existing methods for designing lateral braces inside steel frames, to evaluate their effectiveness through comparison to finite element method (FEM) and stability theory, and to propose design procedure if the simplified methods are unconservative. The research is limited to bracings for compression members. The research comprises of a literature review, example case calculations and discussions. The literature review focuses firstly on the behavior of both ideal and real compression members with imperfections. Then stability bracing is considered as a means of affecting the buckling behavior along with the methods for designing lateral supports and defining their forces and required rigidities. Thereafter, the practical meaning of brace stiffness and example cases of insufficiency of buckling bracing are discussed. The simplified design methods considered include the 2%-method, Winter’s method, AISC 360 that is based on Winter’s method, and EN 1993-1-1. The FE software utilized for this research was Dlubal RFEM. The study revealed that the methods in EN 1993-1-1 may lead to unconservative results. A better suitable simplified method for the design of intermediate buckling braces for single columns is the one presented in AISC 360. However, also AISC 360 may provide unconservative results for whole frames and single members for the initial equivalent bow imperfection of l/500 if the required design ratio of the braced member is high. In addition, some parts of design methods need careful interpretations to avoid unsafe design. When bracings for whole steel frames are designed according to EN 1993-1-1 the buckling modes of the braced members are advised to be checked with FEM.Nurjahdustuelta vaaditaan riittävää lujuutta ja jäykkyyttä. Puristettujen teräsrakenteiden suunnittelu perustuu kuitenkin usein yksinkertaistettuihin reunaehtoihin. Sivuttaistuilta tarkastetaan usein vain lujuusvaatimus. Tämän tutkimuksen tavoite on kartoittaa erilaisia olemassa olevia yksinkertaistettuja nurjahdustukien suunnittelumetodeja, arvioida niiden tehokkuutta vertaamalla niitä FEM mallinnuksen avulla saatuihin tuloksiin ja stabiliteettiteoriaan, sekä viimeiseksi ehdottaa suunnitteluun ohjeita, jos yksinkertaistetut metodit ovat epävarmalla puolella. Tutkimus rajoittuu puristettujen rakenteiden nurjahdustuentaan. Tutkimus koostuu kirjallisuuskatsauksesta, esimerkkitapauksien laskuista ja tuloksien pohdinnasta. Kirjallisuuskatsauksessa keskitytään ensin ideaalien ja todellisten epätäydellisten pilareiden nurjahdusmalleihin. Tämän jälkeen käsitellään nurjahdustukia tapana vaikuttaa rakenteen nurjahduskäyttäytymiseen, nurjahdustukien suunnittelumenetelmiä ja nurjahdustuen voimien ja tarvitun jäykkyyden määrittämistä. Lisäksi tutkitaan jäykkyyden merkitystä käytännössä ja perehdytään esimerkkitapauksiin, joissa nurjahdustuennan riittämättömyys on johtanut onnettomuuteen. Tässä tutkimuksessa käsitellyt yksinkertaistetut menetelmät ovat 2%-metodi, Winterin metodi, Winterin metodiin pohjautuva AISC 360 ja EN 1993-1-1. Työssä käytetty FEM-ohjelmisto on Dlubal RFEM. Tutkimus osoitti, että EN 1993-1-1 standardissa esitetyt metodit voivat johtaa epävarmalla puolella oleviin tuloksiin. Paremmin yksittäisen pilarin nurjahdustuen suunnitteluun sopii esimerkiksi standardissa AISC 360 esitetty metodi. Myös tämä kuitenkin voi tuottaa epävarmalla puolella olevia tuloksia kokonaisille rungoille ja yksittäisille pilareille yleiselle alkukäyryydelle l/500 jos pilarilta vaadittu käyttöaste on korkea. EN 1993-1-1 mukaan suunniteltujen runkojen jäykisteiden aiheuttamat nurjahdusmuodot olisi syytä tarkastaa FEM mallinnuksella