Teräsrakenteet – tyypit, vivahteet, edut

Teräsrakenteen määritelmä

Rakennustyyppien valinnassa on selvää, että tulevaisuutta parhaiten suojaavan tyypin valitseminen etukäteen on itsestään selvä valinta. Teräsrakenteet ovat siis etsimäsi rakennustyyppi, joka toimii paremmin kuin mikään muu mahdollinen rakennetyyppi – betoni, puu ja niin edelleen.

Teräs itsessään on kahden materiaalityypin – hiilen ja raudan – seos. Teräkselle voidaan myös antaa erityisominaisuuksia lisäämällä siihen pieninä prosenttimäärinä erilaisia lisämateriaaleja, kuten rikkiä, kromia, nikkeliä, fosforia, mangaania jne. Näin voidaan valmistaa useita erilaisia teräslajeja. Esim:

• Kuparin lisääminen parantaa teräksen korroosionkestävyysominaisuuksia;
• Suurempi myötölujuus ja vetolujuus voidaan saavuttaa lisäämällä mangaania ja hiiltä, mutta sillä on myös kaksi haittapuolta – lopputulos on vaikeampi hitsata ja sen sitkeys (metallin kyky laajentua vetämällä ilman murtumia) on pienempi;
• Korroosionkestävyyttä ja korkean lämpötilan kestävyyttä voidaan parantaa myös lisäämällä nikkeliä ja kromia;
• Väsymislujuutta ja hitsauskykyä voidaan parantaa lisäämällä seokseen rikkiä ja fosforia.

Teräsrakenne on luonteeltaan rakenne, joka koostuu useista toisiinsa liitetyistä osista, joista jokainen on valmistettu rakenneteräksestä. Rakenneteräs taas on teräspohjainen rakennusmateriaali, joka valmistetaan tiettyyn muotoon ja koostumukseen tarvittavien eritelmien mukaisesti.

Teräsrakenteiden osina käytettäviä teräsprofiileja on valtava valikoima, ja niitä on erilaisia muotoja, kokoja ja paljon muuta. Joitakin yleisempiä muotoja, joita käytetään teräsrakenteiden materiaaleina, ovat:

• Kulma – L-kirjaimen muotoinen poikkileikkaus
• Levy – ohut, litteä metallipala, joka on yleensä enintään 6 mm paksu
• Levy – levyn paksumpi muunnos, paksumpi kuin tuuman neljäsosa
• HSS/SHS – ontto rakenneprofiili tai rakenteellinen ontto profiili, johon kuuluvat pyöreä, suorakaiteen muotoinen, elliptinen ja neliön muotoinen profiili
• I-palkki – I-kirjaimen muotoinen poikkileikkaus; laaja termi, joka sisältää erilaisia palkkityyppejä maasta riippuen:
  • Euroopassa – monenlaisia profiileja, kuten HL, IPE, HD, HE ja niin edelleen
  • Yhdysvalloissa – H-profiilit, W-profiilit jne.
  • Britanniassa – pääasiassa UC- ja UB-profiilit (Universal Columns ja Universal Bears)

• Rakennekanava – C-poikkileikkaukset/C-palkit
• Tanko – pitkä ja suhteellisen ohut teräskappale
• Z-muoto – eri suuntiin puolikkaita laippoja, muistuttaa tiiviisti Z-kirjainta koostumukseltaan
• Tee – T-kirjaimen muotoinen poikkileikkaus
• Kiskoprofiili – luonteeltaan epäsymmetrinen I-palkin muunnos, sisältää ainakin neljä eri variaatiota:
  • Vignoles-kisko
  • Kourukisko
  • Rautatiekisko
  • Laipallinen T-kisko

Vaikka osa näistä muunnelmista valmistetaan hitsaamalla yhteen joko taivutettuja tai litteitä levyjä, suurin osa edellä mainituista esimerkeistä valmistetaan joko kuumavalssaamalla tai kylmävalssaamalla eli kuljettamalla metallia rullaparien läpi, jolloin niiden paksuus pienenee.

Oikein rakennettuna tämän rakenteen on tarkoitus tarjota täysin jäykkää ehkäisyä, joka pystyy kantamaan valtavia painoja. Joitakin rakennustyyppejä, joissa teräsrakenteita käytetään juuri nyt, ovat sillat, tornit, putkihyllyt, korkeat rakennukset, teollisuusrakennukset, infrastruktuurielementit ja monet muut.

Hyödyt ja haitat

Kuten muillakin rakennustyypeillä, myös teräsrakenteilla on omat ongelmansa ja etunsa. Teräsrakenteiden edut ovat varsin moninaiset, kun puhutaan myönteisistä puolista:

• Teräsrakenteissa on muutamaa poikkeusta lukuun ottamatta kaikki sekä massatuotannon että esivalmistuksen edut;
• Teräsrakenteiden vahvistaminen milloin tahansa tulevaisuudessa on mahdollista, mikä pidentää niiden elinkaarta;
• Taipuisuus – teräksen ominaisuus tehdä plastisia muodonmuutoksia ennen täydellistä pettämistä, mikä parantaa varalujuutta;
• Suuri väsymislujuus;
• Teräsrakenteita käytettäessä rakentamisen kokonaisnopeus on vaikuttavan korkea, mikä mahdollistaa pitkittyneiden rakennustöiden aiheuttamien kulujen vähentämisen;
• Teräksen lujuus-painosuhde on yleisesti ottaen vaikuttava, minkä vuoksi rakenteet ovat suhteellisen kevyitä verrattuna niiden kantavaan painoon;
• Monet teräksen ominaisuudet voidaan ennustaa suhteellisen tarkasti, mikä helpottaa huomattavasti mahdollisten jännitystasojen ja muiden tärkeiden kriteerien laskemista.

Markkinoilla ei tietenkään olisi useita vaihtoehtoja, jos yksi sopisi täydellisesti kaikkeen. Sinänsä teräsrakenteilla on myös omat mahdolliset haittapuolensa, kuten esim:

• Teräsrakenteiden palosuojaus on välttämätöntä, koska voimakas kuumuus voi heikentää teräksen kokonaislujuutta huomattavasti;
• Korroosio on myös massiivinen tekijä, kun on kyse teräksestä yleensä, eivätkä teräsrakenteet ole vapautettu tästä säännöstä – erityisesti silloin, kun tällaiset rakenteet altistuvat vedelle ja ilmalle (useimmiten sillat), joten säännöllinen kunnossapito ja korroosiokäsittely on tarpeen;
• Teräsrakenteet ovat usein kalliimpia kuin muut rakennetyypit, mikä tekee niistä paljon vähemmän houkuttelevan vaihtoehdon pieniin hankkeisiin, joiden budjetti on rajallinen.

Yksityiskohtainen teräsrakenteiden rakennusprosessi

Jokaisen teräsrakennuksen rakentamisprosessi alkaa kyseisen rakennuksen perustason määrittämisellä. Tätä perustasoa kutsutaan teräsrunkorakenteeksi, ja tässä prosessissa on neljä pääosaa: perustusten rakentaminen, pilarien rakentaminen, teräspalkkien pystytys ja lattiajärjestelmän luominen.

Säätiö

Perustuksen luominen on ensimmäinen osa projektin teräsrungon luomista, ja se on teräsrakenteiden rakentamisprosessin ensimmäinen vaihe. Teräsrakentamisessa voidaan käyttää useita erilaisia perustustyyppejä, ja suurin ratkaiseva tekijä tietyn perustustyypin valinnassa on maaperän kantavuus.

Sen selvittämiseksi, minkälaista perustusta tietyntyyppiselle rakenteelle on käytettävä, suoritetaan prosessi, jota kutsutaan maaperätutkimukseksi – siinä arvioidaan maaperän kunto samassa paikassa, johon teräsrakenne on tarkoitus rakentaa, tutkimalla sekä edellä mainitun maaperän pinta- että maanalaiset tasot.

Teräsrakenteen lopullinen kokonaiskuormitus vaikuttaa myös paljon perustustyypin valintaan. Jos esimerkiksi maaperätutkimusprosessi on osoittanut, että maaperän kokonaislujuus on melko heikko, ja suunnitellun teräsrakenteen kuormitus on arvioitu suureksi, on suositeltavaa käyttää paaluperustusta. Tämä on erityinen perustustyyppi, jonka avulla teräsrakenne voi siirtää kuormituksensa jäykän maaperän tasolle.

Vaihtoehtoisesti, jos teräsrakenteen odotettavissa oleva kuormitus vaihtelee alhaisesta kohtalaiseen, voidaan käyttää joko kaistalevyperustusta tai teräsbetonisia kantavia alustoja, koska molemmat perustustyypit siirtävät kuormituksen suoraan alapuolella olevaan maaperään, ja sen odotetaan kantavan perustukselta saamansa kuormituksen.

Sarakkeet

Pylväiden asennus on teräsrakennusprosessin toinen vaihe perustusten asennuksen jälkeen. Tämä vaihe voi myös vaihdella melko paljon riippuen tulevan teräsrakennuksen kokonaisrakennekuormituksesta. Erilainen rakennekuorma korreloi suoraan eri teräspilarikokojen kanssa – teräspilarit valmistetaan hyvissä ajoin ennen rakennusprosessin alkua.

Tässä segmentissä on kaksi tärkeää osaa – perustuksen ja pilarien välinen liitos sekä pilarien välinen liitos (liitokset). Perustuksen ja pylväiden liittämisessä käytetään hitsausta pylväiden päiden liittämiseksi peruslevyihin. Peruslevyt voivat olla erimuotoisia, mutta hyödyllisimmät ovat suorakulmaisia tai neliön muotoisia, koska niiden kanssa on yleensä helpointa työskennellä, koska pulttien väli on näissä peruslevymuodoissa suurin.

Liitoskappaleet taas ovat melko yksinkertaisia eri teräspilarien välisiä liitoksia, joita tehdään rakennuksen kahden tai kolmen kerroksen välein. Näin pilarit voivat olla melko pitkiä, mutta eivät niin pitkiä, että ne olisivat ongelmallisia tuotannon ja toimituksen kannalta. Liitokset tehdään yleensä noin 0,6 metriä nykyisen kerroksen yläpuolella, ja hitsaamalla liitetään kaksi teräspylvästä toisiinsa, kun pylväät ovat pyöreitä.

Palkit

Teräspalkkien pystytys on seuraava looginen vaihe teräsrakenteiden rakentamisprosessissa, ja sitä käytetään pääasiassa siirtämään kuormia eri kerroksista (sekä katolta) aiemmin mainittuihin pylväisiin. Palkki voi olla montaa eri muotoa ja kokoa, ja pisimmät palkit voivat olla jopa 18 metriä pitkiä, kun taas yleisimmin käytetyt palkit ovat yleensä 3-9 metriä pitkiä.

Teräspalkkien pystyttämisessä voidaan ottaa huomioon myös kaksi liitosryhmää. Ensimmäisessä liitosryhmässä selvitetään yksityiskohtaisesti, miten palkit liitetään olemassa oleviin pylväisiin – ja ne on jaettu kahteen muuhun ryhmään sen mukaan, minkälainen kuormitus kyseiseen liitokseen kohdistuu. Jos odotettavissa olevat kuormat ovat puhtaasti pystysuoria, paras vaihtoehto on käyttää yksinkertaisia liitoksia, kuten kaksoiskulma-, lamelli- tai joustava päätylevy. Jos odotettavissa oleva kuormitus on sekä pysty- että vääntöä, on suositeltavaa käyttää erityyppisiä liitoksia, kuten jatkettuja päätylevyjä tai täyssyviä päätylevyjä.

Itse palkkien välisessä liitoksessa käytetään ensisijaisesti päätylevyn palkkien välistä liitosta. Toissijaiset palkit on myös tasoitettava siten, että niiden korkeus vastaa ensisijaisten palkkien korkeutta (koska toissijaiset palkit tukevat oletusarvoisesti lattiajärjestelmää) – tämä voidaan toteuttaa joko lovimalla osa toissijaisesta palkista tai hitsaamalla ulkoneva kiinnike ensisijaiseen palkkiin, jolloin toissijaista palkkia ei tarvitse muuttaa palkkien välisen liitosprosessin aikana.

Lattiajärjestelmä

Lattiajärjestelmän asennus on viimeinen pala teräsrakentamisen palapelissä, ja teräsrakentamisessa voidaan käyttää useita erilaisia lattiajärjestelmiä. Lattiat asennetaan yleensä samaan aikaan tai sen jälkeen, kun palkit on pystytetty, ja lattiat toimivat yleensä sekä rakenteen eräänlaisena ”kalvona” että pystysuoraan kohdistuvien kuormien tukirakenteena. Lattiajärjestelmien eri variaatioita ovat mm:

• Ei-komposiittipalkit, joissa on betonielementtejä;
• Pitkän jännevälin komposiittipalkit ja -laatat, joihin on lisätty metallikansi;
• Solukomposiittipalkit ja -laatat, joihin on lisätty teräskansi;
• Lyhytjännitteiset komposiittipalkit ja -laatat, joihin on lisätty metallikansi;
• Yhdistelmäpalkit, joissa on betonielementtejä;
• Slimflor-palkit, joissa on betonielementtejä;
• Slimdek-lattiajärjestelmät.

Teräsraudoitusta ja -verhousta käsitellään usein myös tämän aiheen yhteydessä. Jäykistyksiä käytetään siirtämään sivuttaisvoima rakenteesta itse pylväisiin ja sitten perustuksiin. Verhousta puolestaan käytetään teräsrunkorakenteen sisäpuolisen alueen suojaamiseen, ja se voi olla joko levy- tai tiiliverhous.

Rakennusten teräsrakenteet tyypit

Edellä esitettyjä esimerkkejä teräsrakenteista on monia, ja ne voidaan jakaa neljään eri päätyyppiin. Kullakin näistä rakenteista on oma lähestymistapansa rakentamiseen, ja se toimii vain tietyntyyppisissä teräsrakenteissa. Sellaisenaan nämä neljä teräsrakenteiden rakennetyyppiä ovat:

• Portaalikehys. Portaalirunko on yleisin kevyen teräsrakenteen tyyppi, ja se on laajalti suosittu teräsrakennetyyppi, jossa koko rakenteen voiman kesto perustuu ainoastaan profiiliteräkseen, teräsputkiin ja C/Z-teräkseen. Sitä käytetään usein monissa eri rakennustyypeissä, olipa kyseessä sitten teollisuus-, maatalous-, laitos- tai liikerakennus – vaikka suosituin esimerkki lienee vain tavallinen varasto-halli, joka on yleinen ilmiö monissa eri maissa ympäri maailmaa.
• Teräsverkko. Yleisesti ottaen ristikko on tilarakenne, joka koostuu useista sauvoista, jotka on liitetty toisiinsa tietyssä muodossa. Ristikkotyyppejä on monia, ja niitä varten on myös monia erilaisia standardeja. Ne ovat erittäin jäykkiä ja tarjoavat laajan seismisyyden kestävyyden, minkä vuoksi ne soveltuvat erinomaisesti esimerkiksi halleihin, näyttelyhalleihin ja voimistelusaleihin.
• Rakennuksen teräsrunko. Toinen suosittu rakennetyyppi, jota käytetään useimmiten erilaisissa monikerroksisissa rakennuksissa, on teräsrakenteinen rakennusrunko, joka koostuu pylväistä ja palkeista, jotka muodostavat sekä pysty- että vaakasuuntaista painetta kestäviä rakenteita. Yleinen valinta esimerkiksi korkeisiin rakennuksiin, liiketiloihin, konferenssirakennuksiin ja niin edelleen.
• Teräsristikko. Runkorakenne koostuu useista sauvoista, jotka on saranoitu sauvan kummastakin päästä. Se vaatii vähemmän terästä kuin tavalliset teräsrakenteet, painaa vähemmän ja kestää enemmän voimaa – siksi sitä käytetään usein siltoihin, kattoihin, tornikäytäviin, televisiotorneihin, öljylavoille ja niin edelleen.

Teräsrakenteet suunnittelu

Kuten minkä tahansa kohtuullisen kokoisen, mistä tahansa materiaalista valmistetun rakenteen kohdalla, suunnitteluvaiheessa on tehtävä paljon laskelmia, jotta kyseinen rakennus ei romahda oman painonsa alla. Teräsrakenteet suunnittelussa on kaksi pääasiallista lähestymistapaa (joita kutsutaan joskus suunnittelufilosofiaksi):

• Kuormitus- ja vastuskerroinsuunnittelu (LRFD, kutsutaan myös nimellä Limit State Design – LSD);
• Sallitun lujuuden suunnittelu (ASD).

Suunnittelun kannalta teräsrakenteisiin voidaan teoreettisesti soveltaa tiettyjä ehtoja, joita kutsutaan raja-arvoiksi. Raja-arvotila edustaa pistettä, jonka jälkeen komponentti tai kokonainen teräsrakenne ei enää kykene täyttämään tarkoitustaan, jota varten se on luotu.

On olemassa monia erilaisia esimerkkejä raja-arvotiloista, jotka voivat vahingoittaa rakennetta jollakin tavalla ja tehdä siitä käyttökelvottoman – ja tämäkin on pidettävä mielessä jo suunnitteluvaiheessa rakenteen suunnittelun yleisen kosmeettisen lähestymistavan ohella.

Esimerkkejä raja-arvotiloista ovat halkeilu, vääntö, väsyminen, leikkaus, taivutus, nurjahdus ja niin edelleen. Kaikkien näiden mahdollisten ongelmien käsittelemiseksi kerralla teräsrakenteet suunnittelussa on otettu käyttöön erityinen lähestymistapa, jota kutsutaan LRFD:ksi – Load and Resistance Factor Design.

Se on rakennesuunnittelumenetelmä, jossa käytetään raja-arvoja mahdollisten ongelmien analysoimiseksi ja sellaisten rakenteiden luomiseksi, jotka kestävät näitä ongelmia paljon todennäköisemmin paljon pidempään kuin ennen. Menetelmässä otetaan huomioon sekä kestävyys että kuormituksen vaihtelu, ja sillä saavutetaan melko korkea turvallisuustaso suurimmassa osassa rajatiloja.

Jos LRFD-menetelmä tuntuu sinulle liian monimutkaiselta, on olemassa vaihtoehto nimeltä ASD (Allowable Stress Design). Se on suhteellisen yksinkertainen lähestymistapa rakennusten turvallisuuteen, ja sen laskelmat perustuvat enimmäkseen kyseisen materiaalin – meidän tapauksessamme teräksen – lineaariseen elastiseen käyttäytymiseen. Se perustuu enimmäkseen materiaalista saatuun kokemukseen, ja siihen liittyy vain kaksi suurta tekijää – rakenteen mahdollinen maksimikuorma ja lineaarinen varmuuskerroin.

Kun ASD:tä ja LRFD:tä verrataan suoraan teräsrakenteet suunnittelussa, ASD on yksinkertainen mutta epätarkempi, kun taas LRFD on monimutkaisempi mutta myös luotettavampi laskelmissaan. Lisäksi LRFD:ssä otetaan suunnittelua laskettaessa huomioon paljon enemmän tekijöitä, kuten erilaiset arvot eläville kuormille ja kuolleille kuormille, joita ei lasketa lainkaan eri tavalla ASD:ssä.

Teräsrakenteiden suunnittelumenetelmät

Teräsrakenteiden luomisessa on kolme pääasiallista suunnittelutapaa, joita kutsutaan yksinkertaiseksi, jatkuvaksi ja puolijatkuvaksi rakenteeksi. Nämä mallit osoittavat, miten erityyppisiä rakenteita luodaan käyttämällä useita erilaisia suunnittelutapoja eikä yhtä ainoaa yhtenäistä suunnittelumenetelmää.

Yksinkertainen teräsrakenne

Yksinkertainen lähestymistapa teräsrakenteiden suunnitteluun on todennäköisesti näistä kolmesta menetelmästä vähiten monimutkainen ja myös ylivoimaisesti suosituin. Siinä käytetään oletusta, että yksi liitetty jäsen ei siirrä momenttia toiseen jäseneen, ainoana poikkeuksena nimellismomentit (liitosten eksentrisyys).

Tukien avulla varmistetaan, että kyseinen rakenne kestää sekä heilahtelua että sivuttaiskuormia (joissakin tapauksissa käytetään myös betonisydämiä tähän tarkoitukseen). Koska yksinkertaisessa teräsrakenteiden suunnittelussa oletetaan, että kaikki liitokset ovat täydellisiä tappeja (laskennan helpottamiseksi kautta linjan), hankkeen suunnittelijan on varmistettava, että hankkeen liitokset on yksityiskohtaisesti määritelty siten, että mahdolliset negatiiviset momentit eivät pääse syntymään.

Tämä lähestymistapa suunnitteluun on osoittautunut tehokkaaksi monien vuosien ja tuhansien hankkeiden aikana, minkä vuoksi on erittäin suositeltavaa viitata teräsrakenteiden suunnittelussa standardiliitoksiin.

Jatkuva teräsrakenne

Toisin kuin edellisessä esimerkissä, jatkuvassa teräsrakenteiden suunnittelussa oletetaan, että liitokset ovat jäykkiä ja kykenevät siirtämään vauhtia alusta alkaen. Lisäksi palkkien ja pylväiden taipuminen (runkovaikutus) varmistaa koko rungon vakauden, kun heilahtelu vaikuttaa siihen.

Jatkuva suunnittelu on yksinkertaiseen suunnitteluun verrattuna paljon riippuvaisempi ohjelmistolaskelmista, erityisesti runkoanalyysin osalta. Tärkein syy tähän eroon on jatkuvien rakenteiden kokonaiskompleksisuus, joka on yleensä paljon suurempi kuin yksinkertaisen rakenteen suunnittelussa.

Lisäksi tämä koko lähestymistapa voidaan jakaa kahteen luokkaan sen mukaan, mitä suunnittelumenetelmää käytetään koko runkoon – plastista tai elastista. Nämä kaksi eroavat toisistaan melko paljon, ja erot itsessään voivat olla varsin jyrkkiä.

Muovisessa suunnittelussa esimerkiksi liitoksen lujuus on suurin tekijä, joka määrittää rakenteen kokonaiskuormituskyvyn – se vaikuttaa suuresti romahdusmekanismiin riippuen siitä, tapahtuuko muoviset nivelet jäsenissä vai liitoksissa. Jos kyseessä on jälkimmäinen, itse liitoksen tulisi sopeutua syntyviin kiertymiin etukäteen tarjoamalla materiaalille riittävä sitkeys. Samaan aikaan liitoksen jäykkyys on tärkeää muiden rakenneosien, kuten heilahdusvakavuuden sekä heilahdus- ja palkkien taipumien laskennassa.

Joustava suunnittelu taas edellyttää, että jokaisen nivelen on kyettävä kantamaan melko paljon yksinään – kuten voima, momentti ja leikkaukset, jotka voivat syntyä runkoanalyysiprosessin jälkeen. Liitoksilla on myös oltava riittävä kiertojäykkyys, jotta todellisen ja lasketun voimajakauman välinen ero ei ole liian suuri.

Puolijatkuva teräsrakenne

Puolijatkuva teräsrakenne on näistä kolmesta suunnittelumenetelmästä monimutkaisin ja samalla vähiten edustettuna todellisissa rakennushankkeissa, mikä johtuu sen monimutkaisuudesta ja siitä, että se on otettu käyttöön vasta hiljattain. Yksi suurimmista syistä puolijatkuvan suunnittelumenetelmän monimutkaisuuteen on se, että se edellyttää liitosvasteen laskemista paljon tarkemmin kuin mikään muu menetelmä.

Tämä menetelmä soveltuu näistä kolmesta vähiten myös yleisempiin ja rutiininomaisempiin suunnitteluvalintoihin, koska tällainen tarkkuus liitosten liitoskäyttäytymisen kanssa on erittäin vaikeaa ja resursseja vaativaa, vie paljon aikaa ja edellyttää hyvin erityisten tietokoneohjelmistojen käyttöä.

Tämä suunnittelumenetelmä voidaan myös jakaa kahteen erilliseen menettelyyn, joissa käytetään eri runkotyyppejä – jäykistettyjä tai jäykistämättömiä. Jäykistämättömät rungot ovat sellaisia, jotka tuottavat vastuksen taivutusmomenttien avulla joko palkeissa tai pilareissa. Jäykistetyissä rungoissa on puolestaan ydin tai jonkinlainen jäykistysjärjestelmä, joka luo vastuksen sivuttaiskuormille.

Tässä on liian yksinkertaistettu selitys siitä, miten sekä raudoittamattomat että raudoitetut kehykset toimivat ja mikä niissä on erilaista:

• Jäykistämättömissä rungoissa pilarien tai palkkien liitoksia pidetään kiinnitettyinä painovoimakuormia laskettaessa, mutta oletetaan myös, että ne ovat jäykkiä tuulikuormien vaikutuksesta, jolloin runko kantaa sivuttaiskuormat näissä tilanteissa.
• Jäykistetyt rungot käyttävät todellista liitoskäyttäytymistä taipumien vähentämiseksi ja myös taivutusmomenttien vähentämiseksi, jotka muuten kohdistuvat palkkeihin täydellä voimalla;

Miten teräsrakenteet suunnitellaan – suuntaviivat

Jokaisessa suunnitteluprosessissa on omat ainutlaatuiset osansa ja vivahteensa, mutta voimme varmasti sanoa, että teräsrakenteen suunnitteluprosessissa on ainakin kuusi yleistä vaihetta:

1. Selvitä, onko tämän rakenteen luominen teräksestä edes mahdollista. Teräs ei ole materiaalina niin yleispätevä kuin miltä se saattaa ensi näkemältä vaikuttaa, ja joidenkin rakenteiden luominen teräksestä ei välttämättä ole tehokkain tapa lähestyä rakentamista. Teräs on parhaimmillaan, kun sitä käytetään monimutkaisiin runkoihin, joiden jänneväli on suuri ja korkeus suuri – esimerkkeinä voidaan mainita varastot, lentokonehallit, tehtaat, sillat, stadionit ja niin edelleen.
2. Seuraavan askeleen pitäisi myös olla melko itsestään selvä – selvittää sekä ulkoasu että tuotettava rakennetyyppi. Tämä valinta tehdään yleensä yhteistyössä ammattitaitoisten insinöörien kanssa, koska tässä yhteydessä on otettava huomioon monia parametreja – kaikenlaisten mahdollisten ongelmien, kuten katolle kertyvän lumen tai sateen, huomioon ottamiseksi, oikean tukirungon valitsemiseksi, sen selvittämiseksi, olisiko teräksen ja betonin yhdistelmä tässä tapauksessa käyttökelpoisempi, ja niin edelleen.Tässä vaiheessa päätetään myös rakenteen yleisestä pohjapiirustuksesta, joka on tasainen jäykkyydeltään, kuorman jakautumisen oikeasta laskennasta, rakenteen tulevista parametreista kokonaisuutena ja niin edelleen. Liikkuvat ja raskaat kuormat on voitava siirtää helposti perustukseen, liukumisen estävä tuki on jaettava tasaisesti kaikkien pilarien kesken jne. Tämä vaihe kattaa myös tarvittaessa toissijaisten palkkien sisällyttämisen useisiin tarkoituksiin.
3. Rakenteellisen eheyden ja muiden samankaltaisten parametrien analysointi on tämän prosessin seuraava vaihe, ja erityisesti tätä prosessia käytetään usein perustana muille, yksityiskohtaisemmille analyysiprosesseille. Rakennetyypistä riippuen joitakin parametreja, kuten sisäisiä voimia tai muodonmuutoksia, voi olla mahdollista hankkia ilman analyysiohjelmiston apua – ne on otettu yksinomaan mekaanisista käsikirjoista tai muista hakuteoksista.
4. Insinöörin harkinnan pitäisi vaikuttaa paljon minkä tahansa teräsrakenteen kokonaissuunnitteluun, koska sen avulla voidaan vahvistaa tai hylätä tietyt suunnitteluvaihtoehdot fyysisesti toteuttamiskelpoisina tai käyttökelvottomina. Insinöörien päätökset on useimmissa tapauksissa otettava huomioon, jos laskelmiin käytetty ohjelmisto on asetettu oikein etukäteen. Kenen tahansa aloittelevan suunnittelijan pitäisi noudattaa näitä teknisiä päätöksiä useimmissa käyttötapauksissa, ja vain kokeneemmat suunnittelijat voivat harkita joidenkin teknisten päätösten käyttämättä jättämistä. samalla näitä teknisiä päätöksiä ei pitäisi tehdä valittujen konseptien, olosuhteiden tai rakennetyyppien kustannuksella – teknisellä (kvantitatiivisella) laskennalla ei ole niin suurta merkitystä kuin ajatuksella pysyä uskollisena rakennuksen alkuperäiselle konseptille. Insinööriohjelmistojen liiallista käyttöä ei näin ollen suositella, ja kannattavinta on kiinnittää erityistä huomiota sekä insinöörin harkintaan että koko konseptisuunnitteluun.
5. Materiaalin valinta on toinen merkittävä vaihe tässä prosessissa, sillä teräs itsessään on metalliseos, jota voidaan muokata monin eri tavoin, mikä luo valtavasti erilaisia teräsmuunnoksia, joista valita. Useimmissa hankkeissa käytetään samaa teräslaatua koko ensisijaisessa hankerakenteessa laskelmien yksinkertaistamiseksi ja mahdollisten ongelmien välttämiseksi.Eri terässeoksilla on erilaiset käyttötapaukset, vahvuudet ja heikkoudet – ja on jopa esimerkkejä ohjelmistoista, jotka voivat laskea useita hankkeen parametreja uudelleen valitun materiaalin mukaan. On jopa esimerkkejä ohjelmistoista, joiden avulla käyttäjät voivat siirtyä ”ylöspäin” valitusta materiaalityypistä, jos edellinen materiaali ei vastannut hankkeen eritelmiä. Näin on mahdollista valita useita samankaltaisia terässeoksia, ennen kuin löydetään se, joka sopii parhaiten hankkeeseen – tämäntyyppisillä ohjelmistoilla on myös taipumus vähentää huomattavasti arkkitehtien työmäärää tässä osassa hanketta.
6. Viimeinen, mutta ei vähäisin osa tätä prosessia on piirustusten valmistelu. Lopullinen suunnittelupiirustus koostuu kahdesta täysin erilaisesta osasta – suunnitteluluonnoksesta ja rakentamisen detaljipiirustuksesta. Ensin mainitun suunnittelupiirustusyritys toimittaa itse hankkeen lähtökohdaksi, kun taas jälkimmäistä käytetään varsinaisen rakennusprosessin lähtökohtana, ja siihen liitetään materiaaliluettelot. itse rakennuspiirustus ottaa yleensä lähtökohdaksi suunnittelupiirustuksen, ja se voi ottaa useita parametreja edellä mainitusta suunnittelupiirustuksesta, jotta rakennuspiirustuksen laatiminen olisi paljon helpompaa. Suunnitteluvaatimukset, tekniset tiedot, kuormitustiedot ja rakenteelliset järjestelyt ovat vain joitakin niistä tietoelementeistä, joita voidaan hyödyntää rakennuspiirustuksen luomisessa.Itse rakennuspiirustusta kutsutaan usein käsittelypiirustukseksi tai vaakapiirustukseksi, ja sen pitäisi olla riittävän tarkka ja yksityiskohtainen, jotta se voi toimia ohjeena seuraaville työpajojen/valmistusprosesseille, ja siinä pitäisi olla täydellinen luettelo materiaaleista ja muista komponenteista, joita tarvitaan rakennuksen loppuunsaattamiseksi.

Teräsrakenteiden suunnittelustandardit

Koska teräsrakenteiden suunnitteluprosessi kokonaisuudessaan käsittelee monia erilaisia malleja, standardeja ja menetelmiä, jotka tuottavat valtavan kokoisia todellisia rakenteita, on luonnollista, että sillä on todelliset hallituksen sääntelemät standardit siitä, miten suunnittelua tulisi lähestyä.

Hyvä esimerkki tästä on eurokoodi – 10 eurooppalaisen standardin sarja, jossa määritellään kaikenlaiset rakennesuunnittelua koskevat säännöt ja määräykset Euroopan unionin rajojen sisällä. Teräshankkeita koskeva koodi on EN 1993 Eurocode 3.

Tämä eurokoodi noudattaa Euroopan unionin suunnittelun perusperiaatteita, kun on kyse erilaisista rakennuksista ja muista hankkeista, jotka on suunniteltu terästä käyttäen. Se kattaa palonkestävyyden, käyttökelpoisuuden, kestävyyden sekä teräksen säännöllisen kestävyyden materiaalina suunnittelua varten.

EN Eurokoodi 3:n soveltamisala on laajempi kuin minkään muun eurokoodin, mikä johtuu pääasiassa siitä, kuinka monenlaisia rakenteita ja hankkeita voidaan luoda teräksestä – se kattaa esimerkiksi hitsausliitokset, ruuviliitokset ja rakenteen hoikkuuden. Muut EN 1993:ssa mainitut aiheet on jaettu osiin rakennetyypin mukaan, kuten siilot, tornit, rakennukset, sillat, savupiiput, säiliöt ja yleiset säännöt, muutamia mainitakseni.

Tämä eurokoodi on luotu käytettäväksi yhdessä muiden eurokoodien, kuten EN 1990, EN 1991, EN 1090 ja EN 1992-EN 1999, kanssa riippuen siitä, mitkä näiden eurokoodien osat käsittelevät teräsrakenteita.

Johtopäätös

IST Engineering pystyy tarjoamaan paljon erilaisia teräsrakenteet, kuten metallipalkkeja, nostureita, siltoja, laiturirakenteita, laivakuormaajia, ramppeja ja jopa kantavia rakenneosia. Yrityksen kokemus teräksen kanssa työskentelystä takaa laadun ja vaihtelevuuden.

IST Engineeringin palveluja käyttävät asiakkaat ympäri maailmaa – muun muassa Saksasta, Ruotsista ja Belgiasta Japaniin, Pohjois-Amerikkaan ja Alankomaihin. IST Engineering tarjoaa tukea koko projektin elinkaaren ajan ja personoi asiakaskokemuksen jokaiselle asiakkaalleen.