Dimensjonering & detaljering av bæresystemet i armert betong og stål til en 4-etasjes boligblokk i Trondheim

Abstract

Hovedoppgaven for denne bacheloroppgaven er å utføre riktige beregninger for utformingen av et bæresystem i betong og stål.

For å begynne med måtte vi velge et passende struktursystem for prosjektet vårt. Vi valgte en enkel plasstøpt plate som fundament på grunn av gode grunnforhold på prosjektstedet, Lade Alle 84 i Trondheim. Vi har ikke utformet fundamentet i detalj, men ved å vurdere belastningene fra overbygningen kom vi frem til en foreløpig vurdering om at det vil være tilstrekkelig med en tykkelse på 400 mm.

For å oppnå tilstrekkelig bøyemoment- og aksialstyrke valgte vi å bruke rektangulære søyler med dimensjoner 300x400 mm og noen på 400x400 mm. Til slutt oppdaget vi at de valgte søyledimensjonene var for store og kunne reduseres til 300x300 mm. På grunn av flere endringer som måtte gjøres (blant annet kontroll av stansskjær), beholdt vi de valgte dimensjonene.

Konstruksjonen har videre flate dekker som legges direkte på søylene og bærer hele belastningen på båndet i spennretningen. Ekvivalent rammemetode ble brukt for å utforme de flate dekkene. En hovedfordel med å bruke flat dekke er at det er enkelt å utforme, spesielt i områder der søylene har en jevn fordeling. Det gir også bygningens eier og brukere frihet til å gjøre arkitektoniske endringer i konstruksjonen ved bare å fjerne og legge til innervegger, forutsatt at belastningene deres tas hensyn til gjennom designprosessen. En annen fordel er optimal bygningshøyde der mekaniske, elektriske og sanitærinstallasjoner kan spennes fritt under dekkene, uten behov for å lage åpninger i bjelker og bjelke-søylesystemer for å gi plass til slike installasjoner.

Selv om prosjektet ser ganske enkelt ut med bare fire etasjer og et areal på 1040 m2 per etasje, er det noen komplekse problemstillinger som gjør det utfordrende å designe dette bæresystemet manuelt. En av dem er taket, som har en bølget form med flere bunnpunkter og høypunkter. Det krever søyler med ulike lengder på øverste etasje og betyr at skiver må slutte på 3. etasje, siden det vil være lettere å tilpasse søylene til den skrånende takdesignen. Vindbelastningene fra fjerde etasje overføres til fundamentet ved rammeverksaksjon i søylene og det flate dekket på fjerde etasje. Forbindelsene mellom primære stålbeams og søylene på fjerde etasje er valgt som hengslede forbindelser som ikke overfører moment til søylene.

Den andre utfordringen er at bygningens arkitektoniske form gjør at søyleplasseringen i noen soner blir uregelmessig (ikke-rektangulært strukturelt rutenett). Disse sonene er plassert i begge ender av bygningen og i sentrum der heissjakten og trappesjaktene befinner seg. Det utfordrende med dette er å fordele belastningene nøyaktig mellom søylene. Først deles sonen opp i mindre trekantede områder basert på en tilnærmet tilnærming basert på FEM og yield line-teori, der det området med størst areal og lengste spenn mottar den største belastningsspennningen slik at det flate dekket kan utformes i henhold til disse dataene.

Vi som gruppe har delt arbeidsbelastningen likt. To av oss jobbet med betongkomponenter, mens den siste hadde ansvar for stål, nemlig dimensjonering av taket. Betongdelen var mest utfordrende og krever god koordinering mellom begge delene. Vi valgte å dele byggingen i to seksjoner. Hver seksjon har et stort, jevnt fordelt område der vi strategisk plasserte søylene og skivene. Etter at disse vertikale konstruksjonsdelene var plassert, kunne vi begynne med plasseringen av stålbjelker på søylene. Etter grundige beregninger ble dimensjonene til stålbjelkene konkludert med å være HEB-260 og HEB-280.

For å oppsummere arbeidet vårt er alt beregnet i henhold til kravene i EC 1,2 og 3. Følgende resultater oppnådd:

Platefundament, estimert tykkelse 400 mm.

Rektangulære søyler, 300x400 og 400x400, totalt 58 søyler.

Flat dekke: 250 mm.

Balkong: 200 mm.

Skiver: 300x2500 og 400x3000, totalt 10 skiver.

Tak, stålbjelker: sekundær type HEB-260 for sekundære bjelker, type HEB-280 for primære bjelker.

Beregningene presenteres detaljert i vedlegget for beregninger, i tillegg til å visualisere designet ved å produsere detaljerte tegninger av de beregnede strukturelle komponentene.

The main task for this bachelor's thesis is to carry out correct calculations for the design of a carrying system in concrete and steel.

To begin with, we needed to choose an appropriate structure system for our project. We selected a single slab foundation because of good ground conditions at the project location, Lade Alle 84 Trondheim. We haven’t designed the foundation in detail but by considering the loads from superstructure we came to an initial estimation that it will be enough with 400mm thickness.

Next to achieve enough bending and axial strength we chose to use rectangular columns with dimensions 300x400mm and some at 400x400mm. In the end we discovered that our chosen column dimensions are too large and could be reduced to 300x300mm. Because of several changes that needed to be made (one of them: punching shear control) we kept the chosen dimensions.

Further structure has flat slabs which are laid directly on columns and carry the entire load on the strip in its span direction. Equivalent frame method was used to design the flat slabs. One main advantage of using a flat slab is that it is easy to design, especially in areas where the columns have a nice square distribution. It also gives the building’s owner and users the freedom to make any architectural changes in the structure by simply removing and adding inner wall partitions if their loads are taken into account through the design process. Another advantage is optimal building height where mechanical, electrical, and plumbing installations can span freely under slabs, without needing to make openings in beams in the beam-column framed systems to open ways for such installations to pass.

Even though the project looks quite simple with only four floors and an area of 1040m2, there are some complex issues that make designing this structure system manually challenging. One of them is the roof which has a wavy shape with several bottom and high points. It requires columns of different lengths on the top floor and means that shear walls must end on the 3rd floor since it will be easier to adapt the columns to the sloping roof design. Wind loads from the fourth floor are carried down to the foundation by framing action in the columns and the flat slab of the fourth floor. The connections between the primary steel beams and the columns on the 4th floor are chosen to be hinged connections that do not transmit any moments to the columns.

The second challenge is that the architectural shape of the building makes the column layout at some zones to be irregular (nonrectangular structural grid). Those zones are located at both ends of the building and at the center where elevator shaft and stairwell are located. The tricky part about this is to precisely distribute loads between columns. First the zone is divided into smaller triangular areas based on an approximated FEM- and yield line theory approach, where the one with largest area and longest span receives the largest load stress so flat slab can be designed according to that data.

We as a group have shared workload equally. Two of us worked with concrete components and the last one had responsibility for steel which was dimensioning of the roof. The concrete part was most challenging and required good coordination between both working parts. We chose to divide construction into two sections. Each section has a largely equally distributed area where we strategically placed our columns and shear walls. After those vertical construction parts were placed, we could start with the placement of steel beams on our columns. After thorough calculations, the dimensions of the steel beams were concluded to be HEB-260 and HEB-280.

To summarize our work, everything is calculated according to the requirements in EC 1,2 and 3. The following results:

Raft foundation, estimated thickness 400mm.

Rectangular columns,300x400 and 400x400, total 58 columns

Flat slab: 250mm

Balcony: 200mm

Shear walls: 300x2500 and 400x3000, total 10 walls.

Roof steel beams: secondary type HEB-260 for secondary beams, type HEB-280 for primary beams

Calculations are detailed presented in the calculation's appendix, in addition to visualizing the design by producing detailed drawings of the calculated structural components.