Search

Cilj ovoga rada bio je proračunati i dimenzionirati nosivi sustav višeetažne čelične zgrade zadane projektnim zadatkom. Proračun je primarno vršen korištenjem europske norme EN-1993: Projektiranje čeličnih konstrukcija. Vanjska djelovanja na konstrukciju determinirana su njezinim geografskim položajem. Karakteristično opterećenje snijegom detaljnije je opisano u proračunu, dok je za opterećenje vjetrom korištena simulacija djelovanja vjetra na konstrukciju pomoću računalnog programa Autodesk ROBOT Structural Analysis 2015. Kao rezultat simulacije dobivene su vrijednosti tlaka vjetra po plohama konstrukcije koje su korištene u definiranju kombinacija djelovanja. Imperfekcije sustava uzete su u obzir na način pojašnjen u dijelu proračuna. Usvojeni nosivi sustav su ravninski okviri koji su međusobno povezani sekundarnim nosačima. Zgrada je po visini podijeljena na tri segmenta, gdje svaki pojedini segment čine tri etaže. Dimenzioniranje stupova okvira vršeno je za najopterećenije stupove pojedinog segmenta, uključujući i centralni stup prve etaže. Usvojeni presjeci stupova su šuplji cijevni čelični profili CHS. Proračunom je definirana otpornost stupova na razini presjeka i elementa uzimajući u obzir dvoosno savijanje i uzdužnu tlačnu silu koja je dominantna. Duljina izvijanja stupova proračunata s obzirom na omjer krutosti stupa i greda spojenih sa stupom u jednoj ravnini, što predstavlja konzervativno rješenje jer su svi stupovi nosivog sustava spojeni s gredama u barem dvije ravnine. Međukatna konstrukcija je pretpostavljena kao apsolutno kruta dijafragma u svojoj ravnini. Temelj takvoj pretpostavci je zgusnut raster stupova i geometrijske i materijalne karakteristike same međukatne konstrukcije. Zgusnut raspored stupova rezultirao je prilično malim momentima savijanja i poprečnim silama što je rezultiralo manjim zahtjevima pri proračun priključka stupa s temeljnom stopom. Dimenzioniranje greda vršeno je za najopterećenije pozicije karakteristične etaže te je definirana otpornost na razini presjeka i elementa. Razmak bočnih pridržanja sekundarnih greda definiran je njihovim rasponom, dok je razmak bočnih pridržanja glavnih greda određen međusobnim razmakom sekundarnih greda. Proračunom greda usvojeni su HEA čelični profili. Granično stanje uporabljivosti proračunato je pomoću prethodno definiranih kombinacija djelovanja uzimajući u obzir parcijalne i kombinacijske faktore za granično stanje uporabljivosti. Očekivani progibi greda zadovoljavaju kriterij l/200.

Tema diplomskog rada je proračun spregnutog cestovnog mosta za granično stanje nosivosti u fazi izgradnje i u fazi uporabe. Glavni nosači su čelični „I“ profili, a nakon izvođenja armirano betonske ploče nosači postaju spregnuti. Prvo poglavlje sastoji se od teorijskog dijela rada u kojemu je ukratko pojašnjen postupak dimenzioniranja glavnih nosača u spregnutoj i nespregnutoj fazi. U drugome poglavlju se nalazi tehnički opis. U trećem dijelu se nalazi proračun glavnih nosača, nespregnutih i spregnutih, uzimajući u obzir kronologiju događaja. Proračun započinje odabirom preliminarnih dimenzija mosta, slijedi analiza opterećenja prema svim fazama izvođenja i uporabe mosta. Izvođenje započinje naguravanjem te nakon toga slijedi izvođenje armirano betonske ploče izlivene na licu mjesta. Nakon postavljene opreme, most se pušta u promet te započinje faza uporabe. U četvrtom poglavlju je izvršena provjera ukrućenja, peto poglavlje sadrži proračun moždanika, a u šestom poglavlju je odrađena potrebna armatura u betonskoj ploči. Svi proračuni odrađeni su u skladu s navedenom literaturom, te prema Europskim normama: EN1990, EN1991, EN1992, EN1993, EN1994.

Cilj diplomskog rada bio je proračunati i dimenzionirati nosivi sustav višeetažne čelične zgrade poslovne namjene zadane projektnim zadatkom prema HRN EN 1993-1-1. Zgrada je jednostavnog tlocrtnog rasporeda te je stoga usvojen nosivi sustav ravninskih okvira povezanih sekundarnim nosačima. Nosivi sustav zgrade podijeljen je na 2 dijela: čelični nosivi sustav koji preuzima vertikalna opterećenja i armiranobetonski nosivi sustav koji preuzima horizontalna opterećenja. Za proračun i dimenzioniranje odabrana su dva 2D modela ravninskog okvira s različitim načinom spajanja greda i stupova, prema projektnom zadatku. Opterećenja vjetrom, snijegom i potresom definirana su geografskim položajem zgrade i detaljno su prikazana u proračunu. Dimenzionirane su krovne i međukatne grede te najopterećeniji središnji i krajnji stupovi, a korišteni su HEA i IPE profili. Međukatna konstrukcija izvedena je kao armiranobetonska ploča i apsolutno je kruta u svojoj ravnini. Armiranobetonska stubišna jezgra dimenzionirana je na dominantno horizontalno opterećenje (potres). Svi proračuni izvršeni su u programskom paketu 'Autodesk ROBOT Structural Analysis 2011'.

U elementima realne konstrukcije je istovremena pojava momenta savijanja i uzdužne sile gotovo uvijek prisutna. Ukoliko je uzdužna tlačna sila dosta izraženija, a moment savijanja niske vrijednosti, element se promatra kao stup, u suprotnom slučaju element se promatra kao greda. Predmet ovoga rada najvećim je dijelom slučaj kada su obje veličine značajno izražene i tada koristimo termin stup - greda. Takvi elementi podvrgnuti su kombinaciji tlačnih, vlačnih i naprezanja od momenta savijanja, te moraju osigurati prostornu (globalnu) sigurnost uz lokalnu stabilnost uslijed izbočavanja pločastih elemenata. Ipak, da bi mogli shvatiti ovu kompleksnu pojavu, bitno je shvatiti ponašanje elementa kada je opterećen samo uzdužnom tlačnom silom, odnosno momentom savijanja. U radu je opisan problem otpornosti elemenata izloženih savijanju i tlačnoj sili prema Metodi 1 te je primijenjen na primjeru proračuna čelične konstrukcije. Proračunom je proveden dokaz nosivosti svih elemenata uz maksimalnu iskoristivost istih. Za usporedbu izraza Metode 1 navedeni su izrazi za proračun prema Metodi 2.

Na temelju projektnog zadatka u svrhu izrade završnog rada napravljena je usporedba materijala čelika i aluminija. Razlog odabira tih materijala je što su to dva najzastupljenija metala u građevini. Rad je napravljen u tri dijela u kojima se kroz proračun i materijalne karakteristike uspoređuju materijali. Za proračun korišteni su europski propisi, odnosno eurokod (EC3 za čelik i EC9 za aluminij). U prvom dijelu materijali su uspoređeni u sklopu procesa proizvodnje, kroz razlike u materijalnim karakteristikama te kroz moguće poprečne presjeke koji se mogu izvesti od tih materijala. Za potrebe proračuna elemente smo opteretili uzdužnom tlačnom silom (MODEL 2) te savijanjem (MODEL 3). Odabrani poprečni presjeci za MODEL 2 su kvadratni cijevni širine B=260mm. Za tu širinu poprečnog presjeka sam dobio optimalnu iskorištenost aluminija, no za čelik iskorištenost je bila niža od optimalne. Zbog toga sam poprečni presjek čelika smanjio na širinu B=250mm. U konačnici iskorištenost profila s tom širinom je bila veća od iskorištenosti aluminijskog profila s manjim presjekom. Za MODEL 3 odabrao sam za čelik poprečni presjek HEA 240. Za aluminij sam uzeo poprečni presjek s jednakim geometrijskim karakteristikama kao kod čelika i nazvao sam ga TIP1. Kako za taj tip presjeka nisam kod aluminija dobio zadovoljavajuću iskorištenost, uzeo sam veći presjek (TIP 2), odnosno presjek s geometrijskim karakteristikama jednakima kao HEA 320 kod čelika. Kao i kod MODELA 2, čelik je imao veću iskorištenost s manjim presjekom nego aluminij. Kroz treći dio ovog rada materijali su uspoređivani na temelju njihovih masa te kroz mase na temelju konačne cijene koštanja. Mase su izračunate na temelju elemenata koji su proračunati ranije i za koje je dobivena optimalna iskorištenost. Masa čelika za manje presjeke bila je veća od mase aluminija. Što se cijena tiče, one su date kao prosječne cijene tih materijala bez uračunavanja cijene ugradnje. Cijena aluminija je otprilike 2.5 puta veća od cijene čelika pa je zbog toga i konačna cijena elemenata izrađenih od aluminija bila puno veća. U konačnici, dobiveni rezultati iz dijagrama su prezentirani tablično te kroz dijagrame. Na temelju toga prikazano je točno koji materijal je bolji za dani slučaj, odnosno od kojeg je materijala isplativije napraviti zadane elemente.

Radom je potrebno obrazložiti proračun elementa prema EN 1993 za poprečne presjeke klase 4. U uvodu je opisano granično stanje prema kojem se vrše proračuni čeličnih konstrukcija. Tijek proračuna se svodi na klasifikaciju poprečnog presjeka te potrebne dokaze nosivosti na razini poprečnog presjekai na razini elementa. Klasifikacijom svrstavamo poprečni presjek u određenu klasu, ovaj slučaj se odnosi na klasu 4. Klasa 4 je specifična po tome što zbog svoje vitkosti postoji problem prijevremenog lokalnog izbočavanja, pa poprečni presjek moramo reducirati tako što smanjiujemo površinu presjeka izbacujući iz nosivosti one dijelove presjeka koji su kritičnii kod kojih može doći do izbočavanja. Reduciranjem dobijemo djelotvornu površinu presjeka kojom proračunavamo otpornost na razini poprečnog presjeka i na razini elementa. Kod proračuna poprečnog presjeka potrebno je odrediti nosivost na utjecaje savijanja, tlačne sile i poprečne sile, te također na istovremeno djelovanje savijanja i uzdužne sile. Daljnji proračun se odnosi na otpornost elementa. Tu je potrebno provjeriti otpornost elementa na izvijanje i bočno torzijsko izvijanje, te na istovremeni utjecaj tlačne sile i savijanja. Također napravljen je dijagram toka proračuna prema kojem je urađen zadatak u Microsoft Office Excelu za proračun elementa poprečnog presjeka klase 4 opterećenog savijanjem i uzdužnom tlačnom silom. Rad sadrži i primjer zadatka sa potrebnim proračunom elementa poprečnog presjeka klase 4 izloženog savijanju i uzdužnoj tlačnoj sili. Zadatkom je dokazano da element ima potrebnu nosivost. Naglasak rada je na tome što su poprečni presjeci klase 4 najmanje obrađeni literaturom te se nadam da će u daljnjoj razradi Eurokoda više razmotriti i opisati problematika vezana za te presjeke.

Na temelju priloženog zadatka, bilo je potrebno dimenzionirati nosive glavne i sekundarne elemente čelične hale u Osijeku. Izvedba glavne nosive konstrukcije okvira je od toplovaljanih europskih nosača, a izvedba sekundarne konstrukcije od hladnooblikovanih elemenata. Analiza opterećenja i dimenzioniranje elemenata provedeno je po pravilima Eurocode-a. Elementi konstrukcije dimenzionirani su na najveće rezne sile u mjerodavnim kombinacijama. Za proračun kombinacija i dobivanje reznih sila koristio se računalni program Autodesk Robot Structural Analysis Professional 2011. Za glavne elemente okvira odabrani su nosači IPE 300 za element stupa, te toplovaljani kvadratni cijevni profili za elemente horizontalne prečke rešetke. Za sekundarni element podrožnice i grednog nosača zidnih panela odabrana je hladnooblikovana Z greda. Elementi glavne nosive konstrukcije okvira izrađeni su od čelika S275, dok su hladnooblikovani sekundarni elementi konstrukcije izrađeni od pocinčanog čelika S350GD+Z275. Statički sustav sekundarnog elementa podrožnice jest kontinuirani nosač, dok statički sustav grednog nosača zidnih panela jest slobodnooslonjena prosta greda. Kontinuiranost podrožnice izvedena je preklopima podrožnica nad unutarnjim ležajevima. Proračun elemenata je izvršen da se zadovolje uvjeti nosivosti na razini poprečnog presjeka i uvjeti stabilnosti na razini elementa konstrukcije. Pantaler

Izrada projektne dokumentacije na razini izvedbenog projekta za požarno stubište koje servisira poslovnu zgradu. Stubište je smješteno unutar površine tlocrtnih dimenzija 1, 5 m x 9, 0 m, a visina stubišta odgovara visini dvije etaže po 3 m, odnosno 6, 0 m. Statički sustav i koncept stubišta samostalno je osmišljen tako da se poštuju zadani gabariti i opća oblikovna pravila vezana uz visinu i širinu ploha stuba, širinu krakova i podesta, visinu prolaza iznad krakova te stubišne ograde. Korišteni su U profili, u kombinaciji s kvadratnim šupljim, izrađeni od čelika kvalitete S355. Dimenzioniranje je provedeno u skladu s trenutno važećim normama.

Rad obrađuje problematiku konstruiranja i dimenzioniranja čeličnih okvira sa zidanim ispunom. Ovakve su konstrukcije relativno česte, a značajnija istraživanja njihovoga ponašanja provode se od druge polovice prošloga stoljeća. Unatoč brojnim istraživanjima, još uvijek, postoji problematika procjene ponašanja konstrukcija ove vrste, osobito pri značajnijim horizontalnim djelovanjima jer zbog složenosti konstrukcijskog sustava ne postoji dovoljno pouzdana metoda procjene njezinoga ponašanja koja bi bila ugrađena u konstrukcijske norme, kao što je slučaj kod drugih uobičajenijih i jednostavnijih konstrukcija. U radu su prezentirani rezultati vlastitih provedenih istraživanja ponašanja čeličnih okvira sa zidanim ispunom. Disertacijom su obuhvaćena eksperimentalna istraživanja mehaničkih karakteristika zidnih elemenata, zidanog ispuna i čeličnog materijala, a dobiveni podatci korišteni su pri numeričkim simulacijama ponašanja jednokatnih čeličnih okvira sa zidanim ispunom izloženih horizontalnim djelovanjima. Pri istraživanju čeličnih okvira sa zidanim ispunom provedeno je ispitivanje triju serija sa po tri uzorka, uz dodatno ispitivanje i čeličnoga okvira bez ispuna, s ciljem utvrđivanja doprinosa pojedine vrste zidanoga ispuna na nosivost i krutost sustava. U prvoj seriji ispitano je ponašanje čeličnih okvira sa zidanim ispunom od šupljih glinenih blokova, u drugoj seriji ispun je bio od porobetonskih blokova, a potom je slijedilo originalno rješenje u kojem je ispun kombiniran od glinenih i porobetonskih blokova. Osnovna ideja ovoga pristupa je kako „mekši“ elementi konstrukcije (porobetonski blokovi), koji povezuju okvir i zidani glineni ispun, u sredini otkazuju ranije, te na taj način seizmički izoliraju zidani ispun od okvira radi što dužega očuvanja duktilnog ponašanja samoga čeličnoga okvira. Taj je način ponašanja povoljniji prilikom preuzimanja velikih opterećenja pri potresu, budući da prvobitni pozitivni doprinos zidanog ispuna većoj krutosti i otpornosti konstrukcije, poslije njegova otkazivanja, uzrokuje značajnije smanjenje preostale duktilnosti čeličnoga okvira. Prezentirani sustav kombiniranih zidnih elemenata različitih čvrstoća ne uzrokuje značajnije promjene u tehnologiji izvedbe, ne zahtjeva posebne alate i sredstva za ugradnju, a može značajno unaprijediti ponašanje ove vrste konstrukcija pri potresnome opterećenju. Smatra se kako takvo rješenje može biti racionalno s obzirom na relativno čestu primjenu zidanog ispuna u okvirnim konstrukcijama. Na osnovu eksperimentalnih rezultata istražena je primjenjivost različitih numeričkih modela pri opisivanju ponašanja ovakvih tipova konstrukcija. Izvršena je kalibracija numeričkih modela prema dobivenim eksperimentalnim rezultatima. Također je provedena i opsežna parametarska analiza s ciljem istraživanja važnosti i utjecaja pojedinih parametara u konstruiranju ovakvih konstrukcija. Urađen je i numerički primjer u kojem je analizirana višeetažna okvirna čelična konstrukcija, sa i bez zidanog ispuna, kako bi se odredio utjecaj različitih vrsta zidanih ispuna pri ponašanju ovakvih konstrukcija izloženih horizontalnim opterećenjima. Znanstveni doprinos ovoga rada je daljnje razjašnjenje fenomena ponašanja ovakvih konstrukcija, te prijedlog konstrukcijski jednostavnije metode za preveniranje nepovoljne interakcije zidanog ispuna s čeličnim okvirom pri velikim horizontalnim opterećenjima, a kroz kontrolu oštećenja pojedinih elemenata konstrukcije. Takva bi metodologija mogla biti primjenjiva u inženjerskoj praksi pri postupku proračuna i analize seizmičkog odgovora za optimalno projektiranje i procjenu ponašanja čeličnih okvira sa zidanim ispunima u seizmičkim i neseizmičkim područjima. Znanstveni doprinos rada očituje se i u formiranju baze eksperimentalnih rezultata kao važnoga izvora informacija na temelju kojega se dalje mogu istraživati pojedini fenomeni ponašanja čeličnih okvira sa zidanim ispunom. Važan dio rada predstavlja kritička ocjena primjenjivosti različitih vrsta modela za numeričku analizu sustava okvira sa zidanim ispunom, kao i sistematizacija utjecajnih parametara na ponašanje ovakvih konstrukcija kroz provedenu parametarsku analizu. Na temelju rezultata ovoga rada predložena je odgovarajuća metoda za praktično projektiranje čeličnih okvirnih konstrukcija s kombiniranim sustavom zidanoga ispuna., This thesis presents difficulties related to the design and execution of steel frames with masonry infill. These types of structures are relatively often and significant research on their behavior was conducted from the second half of the past century. Despite numerous investigations related to the evaluation of behavior that these structures exhibit under significant horizontal loads, because of their complexity there is still no applicable method for their reliable assessment, as it is the case with simpler constructions. Results of original experimental investigation of steel frames with masonry infill are presented and discussed. This investigation included determination of mechanical characteristics of materials used in such a composite system (masonry and steel), and obtained results were used for calibration of infilled steel frame subjected to horizontal loads numerical models. Experimental research of steel frames with masonry infill was carried out through three series that each had three samples which differed by different types of masonry infill, and on a frame without infill in order to determine the contribution that infill has to strength and stiffness of the composite system. First series samples enabled the investigation of steel frames with hollow clay bricks as infill, second sample had lightweight autoclaved aerated concrete (AAC) blocks as infill, and third had infill comprised of both hollow clay and AAC masonry elements. The principle behind the idea of combining infill elements is that „softer“ components (AAC blocks), which link the steel frame columns with hollow clay bricks, fail first during seismic loading, thus enabling independent movement of the steel frame in order to utilize its ductility. This behavior is favorable during seismic loading due to the fact that masonry infill provides initial positive contributions to the strength and stiffness of the whole system, but after its failure significantly reduces residual ductility of the steel frame. Presented system with combined masonry elements, of different mechanical properties, can significantly improve the behavior of infilled frames under earthquake loading, and at the same time does not significantly change the building technology, requires no special installation tools and no additional resources. As such, its use can be a rational solution when it comes to seismic isolation of masonry infill from steel frames. On the basis of experimental results it was possible to investigate the applicability of various numerical models when it comes to prediction of such systems behavior. Test results were also used for the calibration of numerical models that enabled implementation of an extensive parametric analysis with the objective of determining the influence and importance that certain parameters have in such composite systems. Contribution of various masonry elements to the strength and stiffness of infilled steel frames loaded horizontally was analyzed through a numerical example of a multistory, multi-bay construction. Scientific contribution of this thesis is further clarification of behavior that steel frames with masonry infill exhibit under horizontal loads, and a proposal of a simple construction method which enables the prevention of adverse interaction between masonry infill and steel frame through damage control of specific areas of the infill. Such a methodology could be applied in engineering practice for optimal design and evaluation of behavior of steel frames with masonry infill in seismic and non-seismic areas. Further scientific contribution is reflected through forming of an experimental database, which can be a valuable source of information for additional research in this field. An important part of this thesis is a critical review on the possibilities of different models for numerical analysis of steel frames with masonry infill, as well as systematization of influence parameters conducted through extensive parametric study. Based on results acquired through this paper a new method of practical design of steel frames with masonry infill that is consisted of different elements is presented.