Teräsrakenteiden suunnittelu – tyypit, vivahteet, edut

Teräsrakenteen määritelmä

Rakennustyypeistä puhuttaessa on itsestään selvää, että etukäteen on valittava tulevaisuudenkestävin tyyppi. Sinänsä teräsrakenne on 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 useita lisämateriaaleja pieninä prosenttiosuuksina, olipa kyseessä sitten rikki, kromi, nikkeli, fosfori, mangaani jne. Näin voidaan valmistaa useita erilaisia teräslajeja. Esim:

• Kuparin lisääminen parantaa teräksen korroosionkestävyysominaisuuksia;
• Mangaania ja hiiltä lisäämällä voidaan saavuttaa korkeampi myötölujuus ja vetolujuus, vaikka siinä on myös kaksi haittapuolta – lopputulos on vaikeampi hitsata ja sillä on alhaisempi sitkeys (metallin kyky laajentua vetämällä ilman murtumia);
• Kaikkea 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, jotta se sopii tarvittaviin eritelmiin.

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

• 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 jotkin näistä muunnelmista valmistetaan hitsaamalla yhteen joko taivutettuja tai litteitä levyjä, suurin osa edellä mainituista esimerkeistä on luotu joko kuuma- tai kylmävalssaamalla eli kuljettamalla metallia rullaparien läpi, jolloin niiden paksuus vähenee.

Oikein rakennettuna tämän rakenteen on tarkoitus tarjota täysin jäykkä ehkäisyjärjestelmä, 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 kaikilla muillakin rakennustyypeillä, myös teräsrakenteisilla rakenteilla on omat ongelmansa ja etunsa. Aloitetaan positiivisista puolista, teräsrakenteiden edut ovat varsin lukuisat:

• Teräsrakenteilla on kaikki sekä massatuotannon että esivalmistuksen edut muutamaa poikkeusta lukuun ottamatta;
• Teräsrakenteiden vahvistaminen milloin tahansa tulevaisuudessa on mahdollista, mikä edistää elinkaaren pidentämistä;
• Duktiliteetti – teräksen ominaisuus tehdä plastisia muodonmuutoksia ennen täydellistä pettämistä, mikä parantaa varalujuutta;
• Suuri väsymislujuus;
• Rakentamisen kokonaisnopeus teräsrakenteita käytettäessä on vaikuttavan korkea, mikä mahdollistaa tavallisesti pitkittyneiden rakennustöiden aiheuttamien menojen vähentämisen;
• Teräksellä on yleisesti ottaen vaikuttava lujuus-painosuhde, minkä ansiosta rakenteet itsessään ovat suhteellisen kevyitä verrattuna siihen painomäärään, jonka ne pystyvät pitämään;
• Suuri osa teräksen ominaisuuksista voidaan ennustaa suhteellisen suurella tarkkuudella, 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:

• Tuleenkestävät teräsrakenteet ovat välttämättömiä, koska voimakas kuumuus pystyy vähentämään teräksen kokonaislujuutta rajusti;
• Korroosio on myös massiivinen tekijä, kun kyse on teräksestä yleensä, eivätkä teräsrakenteet ole vapautettu tästä säännöstä – erityisesti silloin, kun kyse on tällaisten rakenteiden altistamisesta vedelle ja ilmalle (sillat, enimmäkseen), joten säännöllinen kunnossapito ja korroosionkäsittely on tarpeen;
• Teräsrakenteet ovat usein kalliimpia kuin muut rakennetyypit, mikä tekee niistä paljon vähemmän houkuttelevan vaihtoehdon pienempiin hankkeisiin, joiden budjetti on rajallinen.

Rakennusten teräsrakenteiden tyypit

Edellä antamiamme teräsrakenteiden esimerkkejä on monia erilaisia – ja ne kaikki voidaan jakaa neljään päätyyppiin. Kullakin näistä rakenteista on oma lähestymistapansa rakentamiseen, ja se toimii vain tietyntyyppisissä teräsrakenteiden rakenteissa. Sellaisenaan nämä neljä teräsrakenteiden rakennetyyppiä ovat:

• Portaalin kehys. Yleisin kevyen teräsrakenteen tyyppi, portaalirunko, on laajalti suosittu teräsrakennetyyppi, joka luottaa vain poikkileikkausteräkseen, teräsputkiin ja C/Z-teräkseen koko rakenteen voiman kestämiseksi. Sitä käytetään usein monissa eri rakennustyypeissä, olipa kyseessä sitten teollisuus-, maatalous-, laitos- tai liikerakennus – vaikka suosituin esimerkki saattaa olla vain tavallinen varasto-halli, joka on yleinen monissa eri maissa ympäri maailmaa.
• Teräsristikko. Yleisesti ottaen grid on tilarakenne, joka koostuu useista sauvoista, jotka on liitetty toisiinsa tietyssä muodossa. Ruututyyppejä on monia, ja niille on myös monia erilaisia standardeja. Ne ovat erittäin jäykkiä ja tarjoavat laajan seismisen kestävyyden, minkä vuoksi ne sopivat erinomaisesti lentokonehalleihin, näyttelyhalleihin, liikuntasaleihin ja niin edelleen.
• Teräksinen rakennusrunko. Toinen suosittu rakennetyyppi, jota käytetään useimmiten erilaisissa monikerroksisissa rakennuksissa, on teräsrakennuskehys, joka koostuu pylväistä ja palkeista, jotka muodostavat rakenteita, jotka kestävät sekä pysty- että vaakasuuntaista painetta. Yleinen valinta esimerkiksi korkeisiin rakennuksiin, liiketiloihin, konferenssirakennuksiin ja niin edelleen.
• Teräksinen ristikko. Ristikkorakenne 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, tv-torneihin, öljynporauslauttoihin ja niin edelleen.

Teräsrakenteiden 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. Teräsrakenteiden 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 rajatiloiksi. rajatila edustaa pistettä, jonka jälkeen osa tai kokonainen teräsrakenne ei enää kykene täyttämään tarkoitustaan.

On olemassa monia erilaisia esimerkkejä rajatiloista, jotka voivat vahingoittaa rakennetta jollakin tavalla, jolloin sitä ei voida käyttää jatkossa – 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 teräsrakenteiden 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 teräsrakenteiden 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.

Johtopäätös

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

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