Dimensionering

6.4.1 Bakgrund

I brist på specifika dimensioneringsregler för SC-konstruktioner har man tidigare varit tvungen att för betongen i en SC-konstruktion använda designkoder för armerade betongkonstruktioner och då konservativt bortse från skjuvkapaciteten i planet hos stålplåtarna. Likaså har man vid design av stålplåtarna i en SC-konstruktion varit tvungen att använda designkoder för stålkonstruktioner och konservativt bortse från betongens skjuvkapacitet i planet [61].

I USA där det saknas tillämpbara regelverk för SC-konstruktioner har ACI 349 [3] använts, vilket är en standard för säkerhetsrelaterade betongkonstruktioner på kärnkraftsanläggningar. För att ACI 349 ska vara tillämpbar har stålplåtarna likställts med armeringsjärn, för vilken ACI 349 innehåller väldefinierade krav [10].

6.4.2 Behov av specifika dimensioneringsregler för SC-konstruktioner

Det strukturella beteende hos en SC-konstruktion är på många sätt likt det hos en RC- konstruktion. För till exempel drag, tryck, böjning och skjuvning ut ur planet är beteendet väldigt likt det som gäller för RC-konstruktioner. Däremot kan beteendet skilja sig avsevärt för skjuvning i planet, för kombinationer av skjuvning i och ur planet, för termiska effekter o.s.v. För SC-konstruktioner behöver dessutom till exempel lokal buckling av stålplåtar, överföring av skjuvkrafter mellan plåt och betong och delamineringsbrott hanteras, vilket inte är aspekter som behöver beaktas vid design

av RC-konstruktioner. Generellt begränsas kapaciteten hos en SC-konstruktion av sträckgränsen på stålplåtarna medan för RC-konstruktioner kan brottmoder hos betongen vara gränssättande. På grund av dessa skillnader i dimensionering kan det finnas behov att använda specifika dimensioneringsregler för SC-konstruktioner [10].

6.4.3 Tillgängliga dimensioneringsregler

I dagsläget finns det dimensioneringsregler för SC-konstruktioner i Japan och Sydkorea. I USA håller man på att ta fram regelverk för SC-konstruktioner. Nedan beskrivs de dimensioneringsregler som finns tillgängliga i skrivande stund.

6.4.3.1

ANSI/AISC N690-12

I USA pågår arbete med att ta fram ett tillägg till AISC N690-12 [9], en designkod för säkerhetsrelaterade stålkonstruktioner på kärnkraftsanläggningar, för att hantera krav på SC-väggar. I förslaget på tillägg till AISC N690 som är specificerat i [10] finns ännu inga dimensioneringsregler för SC-bjälklag (eller en halv SC-konstruktion som ofta används som bjälklagskonstruktion), däremot finns det vägledning för dimensionering av anslutningar mellan en SC-vägg och ett SC-bjälklag. Tillägget är i skrivande stund på allmän remiss. Enligt plan ska tillägget godkännas av ANSI (American National Standards Institute) i februari 2015.

Tillägget av SC-väggar [10] inkluderas huvudsakligen som en bilaga (N9) i AISC N690-12 [9]. Utöver det innehåller [10], förslag på krav vid tillverkning av SC-väggar med avseende på måttoleranser (i kapitel NM), förslag på krav på inspektion av kompositkonstruktion (i kapitel NN), samt en kommentarsdel som innehåller utredningar och detaljerade motiveringar till de utökade kraven i kapitel NM och NN, samt bilaga N9. Bilaga N9 innehåller fyra delar med omfattning enligt nedan.

N9.1 Dimensioneringskrav (Design Requirements) Denna del innehåller allmänna villkor, som t.ex.:

- Max. och min. tjocklek på SC-väggsektion; - Max. och min. tjocklek på stålplåtar;

- Max. och min. förhållande mellan tjocklek på plåt och SC-väggsektion; - Max. och min. hållfasthet på stålplåtar och betong;

- Slankhetskrav för stålplåtar;

- Krav på skjuvelement för samverkansfunktion (t.ex. sträckgräns och fördelning); - Krav på förbindningselement mellan stålplåtar (t.ex. sträckgräns och

fördelning);

- Krav på skarvning av stålplåtar.

Avsnittet innehåller även dimensioneringsregler för stöt- och kollisionslaster, liksom dimensioneringskrav för genomföringar i SC-väggen.

N9.2 Analyskrav (Analysis Requirements)

Denna del redovisar analysförutsättningarna för SC-väggar. Avsnittet fastställer att finita element analyser ska användas vid analys av SC-väggar. Dessutom föreslås val av t.ex. elementtyper i analysen, bestämmande av styvhets- och dämpningsvärden samt val av materialegenskaper att användas i finita elementanalysen. Även

analysförutsättningar för lastkombinationer som innehåller termiska olyckslaster diskuteras. Slutligen fastställs hur snittkrafter i SC-väggen ska beräknas i analyserna. N9.3 Dimensionering av SC-väggar (Design of SC Walls)

Denna del fastställer acceptanskriterier för: - Enaxlig draghållfasthet;

- Tryckhållfasthet;

- Hållfasthet för böjning ut ur planet; - Skjuvhållfasthet i planet;

- Skjuvhållfasthet ut ur planet;

- Hållfasthet för kombinerade belastningar;

- Hållfasthet på linjära kompositdelar i kombination med SC-väggar.

N9.4 Dimensionering av anslutningar till SC-väggar (Design of SC Wall Connections) Denna del fastställer krav för:

- Skarvar mellan SC-väggsektioner;

- Skarvar mellan SC- och RC-väggsektioner; - Anslutningar vid korsningarna av SC-väggar;

- Anslutningar vid korsningarna mellan SC- med RC-väggar; - Förankring av SC-väggar i RC-bottenplatta;

- Anslutningar för SC-väggar till RC-bjälklag.

6.4.3.2

JEAG 4618-2005

JEAG 4618-2005 [61] innehåller tekniska riktlinjer för seismisk design av SC- konstruktioner, och är framtagen av Obayashi Corporation och Westinghouse Electric Company med tillstånd av Japan Electric Association. Denna designkod är i motsats till AISC N690-12 [9] ej begränsat till enbart SC-väggar utan inkluderar även halva SC-konstruktioner där endast ena sidan av konstruktionen är förstärkt med en stålplåt, t.ex. ett SC-bjälklag. Dokumentet, som fokuserar på dimensionering utifrån seismiskt perspektiv, är indelat i tre huvudkapitel. Därefter finns en referensdel som ger bakgrund till och motiverar de riktlinjer som ges i huvuddelen. Innehållet i de tre huvudkapitlen redovisas i korthet nedan.

Kapitel 1: Grundprinciper (Fundamentals)

Det första kapitlet innehåller en del som till stor del definierar och beskriver olika SC- konstruktioner samt redovisar vilka material som får användas i de olika delarna av konstruktionen.

Den andra delen innehåller allmänna principer och tillvägagångssätt för dimensionering med avseende på seismisk last. I princip följer principer och tillvägagångssätt de metoder som gäller för RC-konstruktioner, men eftersom armering har ersatts av stålplåtar skiljer sig utvärderingen av SC-konstruktioner något från RC-konstruktioner. Denna del specificerar även laster, lastkombinationer samt acceptanskriterier för ingående delar i en SC-konstruktion.

Den första delen av kapitel 2 fastställer att jordbävningslasten, liksom val av dämpning, beaktande av SSI (Soil-Structure Interaction), analysmetod samt utredningar kring byggnadens stabilitet ska följa de förutsättningar som gäller för RC- konstruktioner. Material- och styvhetsegenskaper ska dock följa SC-konstruktionens verkliga förhållanden.

Den andra delen av kapitlet behandlar utvärdering av kvarvarande resteffekt i konstruktionen efter belastning i skjuvning och böjning. Det fastställs även att utvärderingsmetoder för cykliska belastningar i skjuvning och böjning hos RC- konstruktioner också är tillämpbara för SC-konstruktioner, då experiment påvisat likartade beteenden för båda konstruktionstyperna.

Kapitel 3: Spänningsanalys och strukturell dimensionering Kapitel 3 innehåller 6 underkapitel.

I kapitel 3.1 redogörs för grundprinciperna vid strukturell dimensionering. Detta omfattar bland annat specificering av konstruktionens primära och sekundära strukturdelar med avseende på dess funktion för olika belastningssituationer, typiskt flöde vid dimensionering av en SC-konstruktion (se Figur 6.4), specifika krav på stålplåtens tjocklek, dimensioner och fördelning av dubbar, funktionskrav på dragstänger, anvisningar för undvika buckling av stålplåten etc. Dessutom innehåller kapitlet grundläggande förutsättningar för spänningsanalys och spänningsutvärdering. Detta omfattar t.ex. styvhetsberäkningar av ingående strukturdelar, samt grundläggande antaganden för spänningskontroll mot skjuvkrafter i planet, mot normalkraft och böjmoment och mot skjuvkraft ut ur planet.

Kapitel 3.2 och 3.3 innehåller anvisningar för verifiering av stålplåtar, betong och dubbar för SC-väggar respektive SC-bjälklag (halv SC-konstruktion). Eftersom halva SC-konstruktioner innehåller armering finns det även vägledning för spänningsutvärdering av armeringsstänger i kapitel 3.3.

I kapitel 3.4 finns dimensioneringsanvisningar för håltagning i SC-väggar, för förankring av SC-väggar, för anslutningar till andra sektioner t.ex. anslutning av en vägg till ett bjälk-lag, samt dimensionering av andra sektionstyper, t.ex. pelare och balkar.

Kapitel 3.5 beskriver behovet av utredningar kring funktionellt underhåll ("functional maintenance") för områden där det finns krav på speciella funktioner, t.ex. strålskydd eller täthet.

I kapitel 3.6 redovisas hur tillåten kapacitet i strukturen kan beräknas utifrån säkerhetsmarginal mot statisk respektive dynamisk seismisk last.

Figur 6.4: Typiskt flöde vid dimensionering av en SC-konstruktion. Figur från [61].

6.4.3.3

Dimensioneringsregler från KSSC

KSSC (Korean Society of Steel Construction) tog under åren mellan 2005 och 2008 fram förutsättningar och regler för SC-konstruktioner, som publicerades i en standard 2009. En engelsk översättning av denna designkod har inte funnits tillgänglig under arbetet med denna rapport och har därför inte beaktats.

6.4.4 Speciella utredningar

6.4.4.1

Brand

En svaghet hos SC-väggar är att stålplåtarna som omsluter betongen och utgör en viktig strukturell del i kompositkonstruktionen kan vara direkt exponerade mot brand, vilket resulterar i degradering av materialens hållfasthetsparametrar.

Ett antal utredningar har gjorts där det utförts standardbrandtester på SC-väggar och halva SC-väggar med och utan penetrationer, se [64], [65] och [66]. Testerna har utförts i enlighet med “Standard test methods for fire tests of building construction and materials” [25], “Standard test methods for fire tests of penetration fire-stop systems” [26] och U.S. NRC Regulatory Guide 1.189, “Fire protection for operating nuclear power plants" [114]. Utredningarna har visat att SC-konstruktionerna möter kraven vid ett 3-timmars brandmotståndstest.

6.4.5 Kritiska områden

Restspänningar och initiala imperfektioner kan uppstå i stålplåtarna som ett resultat av betongpåfyllningen. Detta kan i sin tur leda till en ökad risk för lokal buckling av stålplåtarna i SC-konstruktionen då den belastas med tryckspänningar, se Figur 6.5. Enligt [132] får inte stålplåtarna ha en nominell sträckgräns under 345 MPa eftersom:

1. Lokal buckling kan ske i förtid på grund av att residualspänningarna som följd av betonggjutningen kan utgöra den största andelen av total lastspänning i förhållande till sträckgränsen.

2. Förhöjda temperaturer vid olyckslast kan orsaka tryckspänningar i stålplåtarna som överstiger sträckgränsen och potentiell lokal buckling.

Figur 6.5: Lokal buckling av stålplåten. Figur och text hämtad från [132].