Lärdomar från raset av Tarfalahallen - En experimentell studie av spikförbandets inverkan på stabiliteten ur plan

Abstract (Swedish)

I mars 2020 rasade Tarfalahallen i Kiruna. Idrottshallens takkonstruktion bestod av långa underspända limträbalkar upplagda på limträpelare. Balkarna var underspända med hjälp av två trycksträvor som stöttades med dragband av stål och anslutningen mellan trycksträvorna och balken bestod av spikförband. Statens Haverikommission (SHK) har en pågående utredning kring raset, och har hittills bland annat kommit fram till att takkonstruktionen är starkt beroende av sidostabilisering och känslig för geometriska avvikelser, samt att den sannolika brottmekanismen för raset är att en av de underspända balkarnas underkant har vippat vid anslutningen mellan balk och trycksträva. Spikförbandet som ansluter mellan trycksträva och balk är en av flera parametrar som kan påverka konstruktionens stabilitet ut ur plan, vilket genom laborativa försök har undersökts i studien. Studien syftar också till att undersöka om ras likt det i Tarfalahallen hade kunnat undvikas i framtiden genom att använda andra konstruktionstekniska lösningar, vilket har undersökts genom en litteraturstudie som bland annat innefattar utredningar som gjorts med anledning av raset.

Provkropparna som testades är utformade som en anslutning mellan takbalk och trycksträva, där anslutningen består av ett spikförband vars spikplåttjocklek varierades. Provkropparna belastades dels enbart med vertikallast respektive moment, dels biaxiellt genom samtidig vertikallast och moment, där momentet under studien uppkommer från en transversell last som verkar över spikförbandet i dess veka riktning. Studien omfattade också vertikal belastning av provkroppar utan ett anslutande spikförband. Vertikallasten motsvaras exempelvis av egentyngd, snölast på tak eller den axiella tryckkraft som uppkommer i trycksträvan från förspänningen av dragbanden i balkkonstruktionen. Den transversella lasten motsvarar det moment som uppkommer i förbandet från sidokrafter på grund av bland annat geometriska imperfektioner och stagningskrafter mot vippning.

Den experimentella studien har visat att biaxiella försök för denna typ av anslutning är möjliga att genomföra, men att resultaten till stor del beror av vilka metoder man använder för att bestämma styvhet och hur brott definieras.

Genom analys av studiens resultat har man kommit fram till att styvhetens inverkan av vertikalbelastning vid samtidigt moment visade sig starkt beroende av vilken metod som användes för att bestämma styvheten. Gemensamt för metoderna som användes under studien är att förbandets styvhet ur plan minskar vid hög vertikalbelastning. Förbandets rotationsstyvhet med hänsyn till andra ordningens effekter ser inte ut att variera oavsett belastningen i förbandet.

Studien har dessutom kommit fram till följande slutsatser:

-Vid samtidigt moment och hög vertikalbelastning uppvisar spikförband med tjocka spikplåtar en lika stor eller något högre styvhet jämfört med tunna spikplåtar. För ett endast momentbelastat spikförband anses plåttjockleken i spikförbandet inte påverka styvheten ut ur plan.
-För ett spikförband belastat med samtidig vertikallast och moment medför en ökning av vertikalbelastningen en minskning av momentkapaciteten.
-Cirka en tredjedel av lasten tas upp av spikförbandet i en anslutning mellan balk och sträva vid vertikalbelastning.

Undersökningen av Tarfalahallen har visat att den troliga orsaken till raset är vippning av takbalkens underkant vid anslutningen mellan takbalk och trycksträva. Möjliga alternativ för att förhindra vippning av takbalken är:

-Att introducera ytterligare ett stagningssystem mellan limträbalkarnas underkant vid anslutningen med trycksträvorna.
-Att öka limträbalkens tvärsnittsbredd.

Abstract

During March of 2020 a large-span sports arena, Tarfala hall, built 2015, collapsed in northern Sweden. The main load-bearing girders with a 54 m span, were high and slender glulam beams supported underneath by a cable system via vertical struts. Investigations concluded that the failure was initiated by lateral buckling of the struts and slender beam, in spite of lateral stabilization by a corrugated steel roof at the top edge of the beam and by glulam rods at the lower end of the strut where the cable system was attached. The nailed joint between strut and main glulam beam was not stiff enough to prevent buckling. Following the collapse, the Swedish accident investigation board urged all municipalities to review similar structures before allowing people inside again. This has led to a sudden and urgent need for a better understanding of this type of structure.
In this study a nailed connection similar to that used in the arena, though in smaller scale, was tested under combined bending and axial loading. The biaxial testing simulates vertical loading in the strut combined with out of plane loading created by second order effects. One objective was to investigate how the axial load acting perpendicular to grain on one side of the joint affects the bending stiffness and capacity of the nailed joint. In the biaxial testing the vertical load was prescribed to 75 %, 50 % respectively 25 % of the mean failure load when tested in pure compression.
It was found that the out of plane stiffness of the joint is reduced when vertical loading is at high levels. This effect may have contributed to the collapse of the arena.

• author: Kvist, Rebecka and Alyaseen, Hiba
• supervisor: Oskar Ranefjärd; Sven Thelandersson; Arne Emilsson
• organization: Division of Structural Engineering; Department of Building and Environmental Technology
• course: VBKM01 20211
• year: 2021
• type: H3 - Professional qualifications (4 Years - )
• subject: Technology and Engineering
• keywords: sidostabilisering, biaxiell, enaxiell, styvhet ur plan, vippning, spikförband, underspänd balk, Tarfalahallen, experimentella försök, lateral stabilization, biaxial, uniaxial, out of plane stiffness, lateral torsional buckling, nailed joint, Tarfala Hall, experimental testing
• report number: TVBK-5287
• language: Swedish
• additional info: Examiner: Eva Frühwald Hansson
• id: 9054378
• date added to LUP: 2021-06-15 14:04:36
• date last changed: 2021-06-15 14:04:36