Oppdragsgiver. Smøla kommune. Rapporttype. Beregningsrapport SMØLAHALLEN KF VURDERING AV KONSTRUKSJON UNDER VINDPÅVIRKNING

Transkript

1 Oppdragsgiver Smøla kommune Rapporttype Beregningsrapport SMØLAHALLEN KF VURDERING AV KONSTRUKSJON UNDER VINDPÅVIRKNING

2

3 3 (31) SMØLAHALLEN KF Oppdragsnr.: Oppdragsnavn: Smølahallen KF Vurdering av konstruksjon under vindpåvirkning Dokument nr.: RIB01 Filnavn: Beregningsrapport-smølahallen-rev1 Revisjon 0 1 Dato Utarbeidet av kbttrh kbttrh Kontrollert av ssetrh evhtrh Godkjent av ksntrh ksntrh Beskrivelse Kontrollert rapport Klargjøringer. Forslag til tiltak for utbedring av skader. Revisjonsoversikt Revisjon Dato Revisjonen gjelder Kontrollert rapport Klargjøringer. Forslag til tiltak for utbedring av skader. Rambøll m:\2014-oppdrag\ smølahallen kf - vurdering av konstruksjon under vindpåvirkning\7-prod\ber\beregningsrapport-smølahallen.docx

4 4 (31) INNHOLD 1. BAKGRUNN MANDAT INNLEDNING PROSJEKTORGANISASJON Organisasjon, eksternt Organisasjon, internt KVALITETSSIKRING Prosjekteringskontroll GRUNNLAG Standarder NBI Byggforskserien Interne rapporter Eksterne rapporter Tekniske spesifikasjoner Tegninger Beregningsprogrammer BESKRIVELSE AV BYGGET Generelt Konstruksjon Bæresystem GENERELLE LASTER Permanente vertikale laster Nyttelaster Snølast VINDLASTER LASTKOMBINASJON HORISONTALE FORSKYVNINGER SPENNINGER I LECAVEGG Tekniske egenskaper Kontroll av bøyespenninger grunnet vindlast Kontroll av trykkspenninger EKSTREMVÆRET HØSTEN DISKUSJON FORSLAG TIL UTBEDRING AV SKADER KONKLUSJON VEDLEGG Sjekkliste Utvalgte bilde fra befaring Tegningsliste Rambøll

5 5 (31) 1. BAKGRUNN Denne rapporten er en del av skadevurderingen av Smølahallen. Etter befaring mandag 19.mai har Rambøll påpekt at skadene på idrettshallen kan skyldes vindlast. Av denne grunn har Smølahallen kommune, ved Kirsten Stensø Skaget, engasjert Rambøll i å utføre en vurdering av bærekonstruksjonen mht. aktuelle vindlaster. 2. MANDAT 1. En beskrivelse av skadens omfang og karakter. I den grad skaden er under utvikling slik at skadeomfanget kan ventes å øke skal også dette beskrives. 2. En beskrivelse av skadens årsak (evt. flere dersom samvirkende). Dersom det er konstruktive (herunder knyttet til dimensjonering) svakheter ved bygget, eller andre svakheter ved prosjektering eller utførelse som er eller kan være (medvirkende) skadeårsak skal dette særskilt fremheves. 3. En overordnet beskrivelse av hvilke tiltak som bør gjennomføres for å utbedre skaden. Det skal ikke gjennomføres noen prosjektering av slike tiltak. Ramboll

6 6 (31) 3. INNLEDNING For å kunne vurdere hvorvidt de rapporterte skadene kan skyldes horisontale forskyvninger på grunn av vind, er følgende betraktninger lagt til grunn: 4. Beregning av bærekonstruksjonens horisontale forskyvninger for en vindbelastning med 2% sannsynlighet for overskridelse i løpet av ett år (altså en returperiode på 50år). Standarden NS-EN benyttes som grunnlag for beregning av vindlaster. For detaljer se kap Vurdering av opptredende spenninger i en lecavegg under forutsetning av at den påføres en horisontal forskyvning i samsvar med de som ble beregnet i pkt. 1. For detaljer se kap Sammenligning av standardens vindhastigheter med de registrerte vindhastighetene under ekstremværet høsten Nødvendig informasjon om prosjektorganisasjon, kvalitetssikring og grunnlagsdokumenter er gitt i henholdsvis kapittel 4, 5 og 6. En generell beskrivelse av bygningens bærekonstruksjon og generelle laster er gitt i henholdsvis kapittel 7 og 8. Rambøll

7 7 (31) 4. PROSJEKTORGANISASJON 4.1 Organisasjon, eksternt Kunde Firma/organisasjon : Smøla kommune Adresse : Hopen, 6570 Smøla Kontaktperson : Kirsten Stensø Skaget kirsten.skaget@smola.kommune.no 4.2 Organisasjon, internt Oppdragsansvarlig : Knut-Erik Østerlie Sivertsen (ksntrh) knut.sivertsen@ramboll.no M: Oppdragsleder : Kristian Bruaset (kbttrh) kristian.bruaset@ramboll.no M: Fagansvarlig, bygg : Kristian Bruaset (kbttrh) Oppdragsmedarbeider : Kristian Bruaset (kbttrh) Ramboll

8 8 (31) 5. KVALITETSSIKRING Rambøll har et kvalitetssystem som er sertifisert i henhold til NS EN ISO 9001 og Vi benytter NS-EN 1990 til NS-EN 1999 for å oppfylle krav gitt i Plan og bygningsloven, samt. Teknisk forskrift. 5.1 Prosjekteringskontroll Prosjekteringskontrollen utføres iht. NS-EN 1990:2002+NA:2008 tabell B4: Pålitelighetsklasse: 2 Prosjekteringskontrollklasse: DSL 2 Aktuelle sjekklister finnes i vedleggets pkt Rambøll

9 9 (31) 6. GRUNNLAG 6.1 Standarder NS-EN er gjeldende standarder. 6.2 NBI Byggforskserien Egenlaster for bygningsmaterialer, byggevarer og bygningsdeler Murte innervegger 6.3 Interne rapporter Hagerup, E. (2014, 06 12) Smølahallen Skadevurdering. Rambøll Norge AS. 6.4 Eksterne rapporter Thordarson, A. (2014, 01 17). Skaderapport - setning, skadenr.: Kristiansund Takst og Eiendom AS. Meterologisk institutt. (2013, 12 09). Ekstremværrapport. Hending: Hilde, Bergen: MET info. Hentet 2014, fra: met.no/filestore/met_info_hilde.pdf Meterologisk institutt. (2014, 01 09). Ekstremværrapport. Hendelse: Ivar, Bergen: MET info. Hentet 2014, fra: _2013/Publikasjoner_2013/filestore/MET_info_Ekstrem-Ivar.pdf 6.5 Tekniske spesifikasjoner Saint-Gobain Byggevarer as. (2013, 12 10). Leca Basicblokk. Hentet fra Weber Norge: Tegninger Kfr. Tegningsliste i vedleggets pkt Beregningsprogrammer Robot Structural Analysis Professional Ramboll

10 10 (31) 7. BESKRIVELSE AV BYGGET 7.1 Generelt Oppdragsnummer (Rambøll): Fylke: Kommune: Adresse: Møre og Romsdal Smøla kommune Hopen, 6570 Smøla 7.2 Konstruksjon Idrettshall oppført i stål med selvbærende stålplater i tak og sandwich-elementer i yttervegg. Det er en langsgående lecavegg mellom hallen og garderobeavdelingen samt lecavegger rundt garderober/dusjanlegg. Det er en etasje over garderobene som inneholder tekniske rom og lager. Fundamenteringen av bygget består av en punkt-/stripefundament med oppstikk til innstøpte fotplater i stål. Bygget ligger på utsprengt steinfylling bortsett fra et område under inngangsparti/garderober. 7.3 Bæresystem Vertikale laster: Byggets bæresystem består av korrugerte stålplatetak som fører lastene til bjelker/fagverk og videre via stålsøyler til fundamentene. Horisontale laster/stabilitet: Horisontale laster opptas av vindavstivning i følgende akser: - 1/G-H - 2/X-A - 2/I-J - 2/J-K - 5/J-K - 7/X-A - 7/I-J - A/3-6 - J/3-6 Rambøll

11 11 (31) 8. GENERELLE LASTER Ved beregning av forskyvninger grunnet vindlast samt spenninger i lecavegger er følgende laster forutsatt. 8.1 Permanente vertikale laster Egenvekt på tak Korrugerte stålplater, asfalttakbelegg og om lag 350mm isolasjon. Tak: 0,7 kn/m 2 Egenvekt av etasjeskiller i mesanin I etasjeskiller benyttes trebjelker med senteravstand 0,6m, varmeisolasjon av 200mm mineralull, golv av 22mm sponplater og himling av 13mm gipsplate. Egenlast iht. NBI byggdetaljer nr Etasjeskiller: 0,5 kn/m Nyttelaster Bygget dimensjoneres for følgende nyttelaster i henhold til NS-EN NA2008: Nyttelast, teknisk rom og lager: 5,0 kn/m 2 Det er ikke tatt hensyn til areal- og etasjereduksjonsfaktorer. 8.3 Snølast Snølasten beregnes i henhold til NS-EN NA2008. Følgende forutsetninger legges til grunn: Karakteristisk snølast på mark for Smøla kommune: s k= 2,5 kn/m 2 s tak =2,0 kn/m 2 Ramboll

12 12 (31) 9. VINDLASTER Vindlasten beregnes i henhold til NS-EN NA2009. Følgende forutsetninger legges til grunn: Sted Smøla Byggets høyde over terreng på byggestedet, z 0 m Referansevindhastighet, v b,0 30 m/s Terrengruhetskategori I (Kystnær og åpne vidder) Cdir 1,0 for vest/sørvest Calt 1,0 Cseason 1,0 Cprob 1,0 (50 års returperiode) Figur 1: Fremherskende vindretning for Smølahallen Iht. tabell NA.4(901.4) er fremherskende vindretning vest og sørvest. I disse retningene benyttes en terrengruhetskategori lik I. Vindlasten beregnes ved bruk av en CFD-analyse i beregningsprogrammet Robot Structural Analysis hvor vindkasthastighetsprofilen gitt i Figur 2 påføres bygningens overflater. På denne måten vil bygningens formfaktor og kraftfaktor i de aktuelle retningene bestemmes av CFD-analysen. Vinkasthastighetstrykket beregnet ved hjelp av CFD-analysen er illustrert i Figur 3 og Figur 4. Rambøll

13 z (m) 13 (31) Vindhastighetsprofil 12 35,62; 10,8 50,40; 10, Middelvindhastighet Vinkasthastighet ,00 30,00 35,00 40,00 45,00 50,00 55,00 Vindhastighet (m/s) Figur 2: Vindhastighetsprofil for Smøla i retning vest/sørves med en terrengruhetskategori lik I. Ramboll

14 14 (31) Figur 3: Vindkasthastighetstrykk fra vest beregnet ved bruk av CFD simulering i Robot Structural Analysis. Figur 4: Vindkasthastighetstrykk fra sørvest beregnet ved bruk av CFD simulering i Robot Structural Analysis. Rambøll

15 15 (31) 10. LASTKOMBINASJON Ettersom de rapporterte skadene på smølahallen er av estetisk/bruksmessig karakter, er det ikke aktuelt å kontrollere konstruksjonen i bruddgrense. Her kontrolleres en lastkombinasjon i bruksgrense med vindlast som dominerende nyttelast. Lastsituasjon for brukskrav fastsettes iht. NS-EN 1990-NA A Konsekvens Lastsituasjon som brukes Lastfaktorer Konstruksjon der nedbøyning fører til skader Karakteristisk 1,0 g 1,0 q 1 f 0,2 n q 2-q n Ramboll

16 16 (31) 11. HORISONTALE FORSKYVNINGER Beregningsmodellens geometri og materialkvaliteter er modellert iht. tegningsgrunnlaget (se kapittel 6.6). Forskyvningene beregnes ved bruk av FEM-programmet Robot Structural Analysis Professional (RSA) uten noen empirisk korrigering. Ettersom beregningsmodellen har et bestemt antall frihetsgrader er det rimelig å anta at de beregnede forskyvningene er mindre enn i realiteten. Beregningene viser en maksimal horisontal forskyvning av taket over idrettshallen på om lag 30mm (i retning nordover). Maksimal forskyvning av pulttak i nord er beregnet til 12mm. For å kunne vurdere spenningssituasjonen i lecaveggene benyttes forskyvningen av søylene i akse 2. Forskyvningene avleses 2.6m over betongdekket. Ved vind fra sørvestlig retning er den største forskyvningen beregnet til 5mm (kfr. Figur 5). 12mm 5mm 12mm Figur 5: Beregnede horisontale forskyvninger Rambøll

17 17 (31) 12. SPENNINGER I LECAVEGG Det antas her at de horisontale forskyvningene av søylene i akse 2 overføres til lecaveggen i samme akse (vegg mellom idrettshall og garderober/dusj). Det antas videre at lecaveggen hverken tipper eller flytter seg sideveis i form av en stivlegemebevegelse. Disse antagelsene forutsetter følgende: - Den samlede vekten av lecaveggen inkludert bidraget fra mesaninetasjen over er så høy at friksjonskraften mellom lecaveggen og betongen under er betydelig større den induserte horisontale kraften fra søylene. - Tipping ut av planet forhindres av de ortogonale lecaveggene i eksempelvis akse E og F (vegger mellom dusj og garderobe) Tekniske egenskaper Som grunnlag for vurdering av sprekkdannelse i Leca blokk benyttes ytelsesærklæring gitt på produsentens hjemmeside (kfr. 6.5). Aktuelle materialegenskaper er: Tabell 1: Karakteristiske fastheter for en 150mm tykk lecavegg Alle verdier angitt i N/mm 2 Trykkfasthet Bøyestrekkfasthet Skjærfasthet Elastisitetsmodul vert. horis. vert. horis. Basis Maks korttidslast langtidslast f ky f kx f xk1 f xk2 F vk0 F vlt E y E X E yl E XL 1,1 0,8 0,14 0,25 0,12 0, Det viktig å bemerke at bøyestrekkfastheten i vertikalretning (f xk1) er lavere enn i horisontalretning (f xk1). Dette betyr i praksis at bruddformen som er illustrert i figuren under er mest sannsynlig. Figur 6: Bruddform med laveste fasthet under bøyepåkjenning. Ramboll

18 18 (31) 12.2 Kontroll av bøyespenninger grunnet vindlast Lecaveggene i akse 2, E og F modelleres i RSA med egenskaper iht. den tekniske ytelsesærklæringen. Lecaveggen i akse 2 påføres så forskyvningene som ble beregnet i kapittel 11. Forskyvningene påføres i posisjonen til søylene i akse 2. Som en forenkling er det antatt at lecaveggens bøyestivhet ut av planet er svært liten (E stål = , E leca = 1900) i sammenligning med søylen. En itereringsprosess mellom de to beregningsmodellene er dermed ikke utført. Resultatene fra spenningsberegningen er vist i Figur 7. Figuren viser bøyespenninger angitt i MPa for lecaveggen i akse 2. Maksimal spenning finnes i overkant av lecaveggen hvor veggen i akse 2. Her overføres kreftene til lecaveggene i akse E og F (altså hjørnene). Ved en FEM-analyse kan spenningen i et punkt bli høyere enn reelt. Derfor midles verdiene i hjørnet mellom lecaveggene med verdiene 0,1m til siden for hjørnet. f Ed,leca = 0,32MPa + 0,23Mpa 2 = 0,28 Mpa Opptredende spenning er høyere enn den karakteristiske (materialfaktor M=1,0) kapasiteten på 0,14 MPa. Figur 7: Beregnede spenninger i lecavegg. Verdier oppgitt i MPa Rambøll

19 19 (31) 12.3 Kontroll av trykkspenninger Lecaveggene i akse E og F bærer mesaninetasjen over dusj/garderober. Med et spenn mellom dusjvegger og garderobevegger på om lag 3m, fås følgende belastning: q Ed,mesanin = 1,2 0,5 kn m 2 1,5m + 1,5 5,0 kn m 2 1,5m = 12,15 kn m Lecaveggen i akse 2 bærer halve vekten av tribunen. q Ed,tribune = 1,2 0,5 kn m 2 3,86m m + 1,5 5,0 kn m 2 3,86m = 15,6 kn m 2 2 Lasteksentrisiteten kan antas lik: e messanin = 150mm 150mm 48mm = 24mm 2 2 e tribune = 150mm 48mm = 51mm 2 2 NBI angir vertikale lastkapasiteter for lecavegger (kfr. Benytter kurven for e=30,0mm og får en kapasitet på 60 kn/m. For vekten fra mesaninetasjen er kapasiteten tilstrekkelig. For vekten av tribunen må eksentrisitetsmomentet kontrolleres. Momentlikevekt: N Rd e q Ed,tribune e tribune N Rd e = 60 kn m 30mm = 1800 knmm m q Ed,tribune e tribune = 15,6 kn m 51mm = 795,6 knmm m Kapasiteten mht. trykkpåkjenninger er tilstrekkelig. Figur 8: Vertikale lastkapasiteter for lecavegger. Figur hentet fra NBI Ramboll

20 20 (31) 13. EKSTREMVÆRET HØSTEN 2013 Meteorologisk institutt har rapportert om to hendelser i kategorien ekstremvær ila. høsten 2013; - Hilde , - Ivar Nøkkelinformasjon om hver av de to hendelsene er hentet fra meteorologisk institutts ekstremværrapporter og oppsummert i Tabell 2. Tabell 2: Nøkkeltall fra ekstremværet Hilde og Ivar. Hendelse Middelvindhastighet Vinkasthastighet Vindretning Hilde 30 m/s m/s vest/sørvest Ivar 30 m/s m/s vest/sørvest Mer utfyllende informasjon om hendelsene er gitt i Meteorologisk Institutts rapporter av 2013, og 2014, Rambøll

21 21 (31) 14. DISKUSJON Iht. NS-EN skal det, for en bygning i Smøla kommune med dimensjonerende levetid på 50 år, beregnes vindlaster med utgangspunkt i en middelvindhastighet på 30 m/s og vindkasthastigheter på mellom 40 m/s og 50 m/s. Sammenligner man standardens krav (se Figur 2) med de rapporterte vindhastighetene under ekstremværet Hilde og Ivar (se Tabell 2), er det tydelig at vindpåkjenningene høsten 2013 er tilsvarende og innenfor standardens krav. Skadebildet kan forklares med utgangpunkt i følgende statiske betraktninger. Søylene i akse 2 er prosjektert og utført uten avstand til bakenforliggende vegger (kfr. tegning nr. D-07-1 og Bilde 1-2 i vedleggets pkt. 17.2). Av denne grunn vil horisontale forskyvninger av søyler føre til tvangskrefter i bakenforliggende konstruksjoner. Søylenes horisontale forskyvninger grunnet vindlast er beregnet iht. gjeldende prosjekteringsstandarder. Forskyvningene er store nok til å forårsake sprekkdannelser i lecaveggene (kfr og Bilde 3). De vindinduserte kreftene i lecaveggen i akse 2 vil overføres til orthogonale vegger i akse E og F (mellom garderober og dusjrom). Ettersom flisene er stive i eget plan, vil en bevegelse av bakenforliggende lecavegg kunne føre til at membranduken spaltes. Oppsprekking av vegg rundt drager som vist i Hagerup, E. (2014, 06 12), indikerer horisontal bevegelse. Beregnet forskyvning i akse 1 er 12mm (se Figur 5). Med utgangpunkt i disse betraktningene anses det som svært sannsynlig at skadene på Smølahallen er forårsaket av vind. Skadeomfanget vil dermed kunne øke med tiden. Belastning fra tribuner med delvis anlegg mot lecavegg, Hagerup, E. (2014, 06 12), anses ikke å ha bidratt til oppståtte skader. Detaljen er imidlertid uheldig og det bør iverksettes tiltak for å forhindre belastning fra lecaveggen. Det bør bemerkes at vi ikke har vurdert Totalentreprenørens statiske beregninger og lastforutsetninger. Ramboll

22 22 (31) 15. FORSLAG TIL UTBEDRING AV SKADER Vi foreslår følgende utbedringer: Det etableres rom for bevegelse rundt søyler i akse 2. Dette kan gjøres ved å slisse ut i bakenforliggende lecavegger. Fjerne løs flis og membran Ny membran og flis Elastisk fuge ved gjennomføringer ståldragere/gips (obs. brannkrav). Tiltak for å frigjøre systemhimling fra sandwichelement festet til søyle. Rambøll

23 23 (31) 16. KONKLUSJON Statiske betraktninger og beregninger viser at skadene i Smølahallen skyldes horisontale forskyvninger på grunn av vindlast. Det forventes at skadene vil øke med tiden. Hadde det vært avstand mellom primær- og sekundærkonstruksjoner ville en ha unngått skadene som er oppstått. Vi anser derfor den prosjekterte løsningen som uheldig. For å unngå nye skader må primære og sekundære konstruksjoner skilles med fuger. Ramboll

24 24 (31) 17. VEDLEGG 17.1 Sjekkliste Rambøll

25 25 (31) Ramboll

26 26 (31) 17.2 Utvalgte bilde fra befaring Bilde 1: Søyler i akse 2 er plassert uten avstand til lecavegg. Rambøll

27 27 (31) Bilde 2: Systemhimling er festet til sandwich-elementer med direkte kontakt mot søyler. Ramboll

28 28 (31) Bilde 3: Vertikal sprekk ved søyle i akse 2 Rambøll

29 29 (31) 17.3 Tegningsliste Dokumentnummer Revisjonsdato mon mon mon mon mon mon mon mon mon mon mon mon D D D D M M M M M M-6a M-6b M M M-8a M M-9a M M M M M M M M-16a M Ramboll

30 30 (31) M M M M-20a M-20b M M-21a M-21b M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M Rambøll

31 31 (31) M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M Ramboll