Vippekapasitet til stålbjelker: Elementsimulering for design ved grensetilstand.

Abstract

Denne oppgaven retter seg mot designmetoder knyttet til stålbjelker utsatt for lateralt vippemoment. For å kunne oppnå gode løsninger ved konstruering av bygg som inneholder stålbjelker, er designmetodene nødt til å være nyttige både når det kommer til sikkerhet og med hensyn til økonomiske og visuelle faktorer. I Eurokode 3 er det gitt ulike metoder for design av stålbjelker utsatt for vippemoment. Disse designmetodene er i flere av tilfellene beskrevet som konservative, og det er derfor interessant å undersøke hvor konservative de faktisk er. Eurokode 3 gir ingen metode for beregning av kritisk vippemoment, som er en viktig faktor for beregning av den faktiske vippekapasiteten til strukturelle stålbjelker. I denne oppgaven tar vi derfor i bruk ulike metoder fra andre kilder for å se hvorvidt disse metodene er gunstige som designmetode i samspill med Eurokode 3. For å undersøke designmetodene nærmere har vi gjort ulike forsøk på måter å finne stålbjelkers vippekapasitet. Oppgaven inneholder teori om stålbjelkers oppførsel og egenskaper, og metodene for design er beskrevet. Det er også utført beregninger på IPE-bjelker etter gitte metoder. Forsøkene er utført i simuleringsprogramvaren ANSYS Workbench, hvor egenverdi-analyse og ikke-lineær analyse er simulert. Hensikten med simuleringen i ANSYS er å sammenligne verdiene med verdiene oppnådd ved beregningene etter designmetodene i Eurokode 3. I tillegg til denne sammenligningen, er det også utledet verdier for modifikasjonsfaktoren α_m som brukes i Eurokodes designmetoder. Resultatene fra analysen antyder at Eurokodes metoder er nokså godt tilpasset et gjennomsnittlig tilfelle, men gir ikke nøyaktige nok resultater for det enkelte tilfellet. Andre del av denne oppgaven går ut på undersøkelser av stålbjelkers vippekapasitet under brann. Designmetodene i Eurokode 3 for strukturelle stålbjelker utsatt for lateralt vippemoment under brann er enda mer begrenset enn ved romtemperatur. Vi utfører derfor også lignende undersøkelser for IPE-bjelker utsatt for brann. I dette tilfellet er det spesielt designmetodene for bjelker i tverrsnittklasse 4 som er svært begrenset, og denne oppgaven tar derfor for seg denne problemstillingen. Resultatene fra analysen antyder at designmetodene i Eurokode 3 er for konservative, og at den anbefalte kritiske temperaturen på 350ºC bør vurderes justert.

This thesis focuses on design methods related to steel beams subjected to lateral torsional buckling. In order to achieve good solutions when constructing buildings that contain steel beams, the design methods must be useful both when it comes to safety and in terms of economic and visual factors. Eurocode 3 provides various methods for designing steel beams exposed to lateral torsional buckling. These design methods are described as conservative in several of the cases, and it is therefore interesting to examine how conservative they are. Eurocode 3 does not provide a method for calculating critical buckling moment, which is an important factor for calculating the buckling capacity of structural steel beams. In this thesis we therefore use different methods from other sources to see whether these methods are beneficial as a design method in interaction with Eurocode 3. To investigate the design methods further, we have made various attempts to find the buckling capacity of steel beams. The thesis contains facts about the behavior and properties of steel beams, and the methods for design are described. Calculations have been made on IPE beams according to given methods. The experiments were performed in the software ANSYS Workbench, where eigenvalue- and nonlinear-analysis are simulated. The purpose of the simulation in ANSYS is to compare it to the values obtained by the calculations according to Eurocode 3. In addition to this comparison, values are also derived for the modification factor α_m used in Eurocode's design methods. The results from the analysis suggest that Eurocode's methods are fairly well adapted to an average case, but do not give accurate results for the individual case. In the second part of this thesis the focus is to investigate the buckling capacity of steel beams during fire. The design methods in Eurocode 3 for structural steel beams exposed to lateral torsional buckling during fire are even more limited than at room temperature. Therefore, we also conduct similar investigations for IPE beams exposed to fire. In this case, it is especially the design methods for beams in crosssection class 4 that are very limited, and this thesis therefore addresses this issue. The results of the analysis suggest that the design methods in Eurocode 3 are too conservative and that the recommended critical temperature of 350ºC should be adjusted.