Asuinrakennuksen jäykistystarkastelu

Asuinrakennuksen jäykistystarkastelu

Jere Simontaival

Opinnäytetyö

Rakennus- ja yhdyskuntatekniikka, insinööri (AMK), Raasepori 2021

Inriktningsalternativ/Fördjupning: Projektering och byggnadskonstruktion Handledare: Johan Degerlund

Titel: Förstyvning av byggnad

_________________________________________________________________________

Datum: 03.05.2021 Sidantal 30 Bilagor 1

_________________________________________________________________________

Abstrakt

Detta examensarbete fokuserar på förstyvningsberäkningar för elementhöghus.

Slutarbetet är genomfört i samarbete med ingenjörsbyrå J.Sund Oy. Mål med

examensarbetet är att bygga upp ett kalkylblad på Excel, för att hjälpa granskningen av handgjorda förstyvningsberäkningar. I arbetet bekantar jag mig med teorin om

förstyvning samt de krafter och kraftkombinationer som speciellt påverkar en konstruktions förstyvningskapacitet. I beräkningsskedet definieras de förstyvande väggarna och sedan tas de vertikala- och horisontella belastningarna i beaktande med hjälp av analys av konstruktionstypen och dess belastningar. När krafterna är beräknade påbörjas dimensioneringen av byggnadens förstyvning. Kalkylbladet i Excel är uppbyggt utifrån litteratur inom området, t.ex. Eurokod och RIL-böcker. För att granska och jämföra resultaten från Excel-kalkylerna har exempelberäkningar gjorts med hjälp av FEM-beräkningsprogram.

_________________________________________________________________________

Språk: finska Nyckelord: Excel, förstyvning, höghus

_________________________________________________________________________

Suuntautumisvaihtoehto/Syventävät opinnot: Rakennesuunnittelu Ohjaaja(t): Johan Degerlund

Nimike: Asuinrakennuksen jäykistystarkastelu

_________________________________________________________________________

Päivämäärä: 03.05.2021 Sivumäärä 30 Liitteet 1

_________________________________________________________________________

Tiivistelmä

Tässä opinnäytetyössä paneudutaan rakennuksien jäykistämiseen, eritoten elementtirakenteisen asuinkerrostalon jäykistystarkasteluun. Opinnäytetyö on toteutettu yhteistyössä insinööritoimisto J. Sund Oy:n kanssa. Opinnäytetyön tavoitteena on luoda Excel-pohjainen laskentataulukko jäykistystarkastelun käsin tarkastuksen helpottamiseksi.

Työn alussa on tutustuttu teoriaan rakennuksen jäykistyksestä, eri jäykistystapojen hyvistä ja huonoista puolista ja käyttökohteista. Myös tarkasteluun vaadittavat kuormitukset on laskettu työn aikana. Laskennassa määritellään jäykistävät seinät, rakennetyyppien pohjalta kuormat sekä rakennuksen vaaka- ja pystykuormat.

Lähtötietojen määrittämisen jälkeen suoritetaan jäykistyslaskelma. Laskentapohja luotiin käyttämällä apuna jäykistystarkasteluun liittyvää kirjallisuutta sekä aikaisempiin harjoitustöihin vertaillen. Laskentapohjan ohella on myös käytetty FEM-

laskentaohjelmaa, jonka tuloksia pystyttiin vertailemaan saamiini tuloksiin.

Lopputulokseksi saatiin haluttu Excel-laskentapohja, jota voidaan jatkossa käyttää apuna käsinlaskennassa.

_________________________________________________________________________

Kieli: suomi Avainsanat: Excel, jäykistys, asuinkerrostalo

_________________________________________________________________________

Supervisor(s): Johan Degerlund

Title: Stiffening an Apartment Building

_________________________________________________________________________

Date:03.05.2021 Number of pages 30 Appendices 1

_________________________________________________________________________

Abstract

In this thesis, I will go into stiffening a building, especially element built, apartment building. The theses is written in cooperation with engineering office J.Sund Oy. The aim of this thesis was to create an Excel calculation basis, that would help to manually

inspect/ calculate the stiffness.

First, I theoretically learned about stiffening an apartment and determine loads and load combinations before moving into calculations. When calculation started, I had to define walls that will to the stiffening, calculate horizontal and vertical loads through buildings basic information and construction types. After determining all loads, I got to go into stiffening. A calculation basis was created with the help of literature and compared to old exercise work. Parallel with the calculation basis, we used an FEM-program, where I could compare my answers.

As the result, I got an Excel based calculation basis done, that can now be used in the future with the help of manual inspect/calculation.

_________________________________________________________________________

Language: Finnish Key words: excel, stiffening, apartment building

_________________________________________________________________________

2 Yleistä ... 2

3 Kuormat ... 3

3.1 Rakenteiden omat painot ... 3

3.2 Lumikuorma ... 4

3.3 Lisävaakakuormat ... 5

3.4 Tuulikuorma ... 6

3.5 Onnettomuuskuormat ... 9

4 Jäykistysmenetelmät ... 10

4.1 Mastojäykistys ... 10

4.2 Kehäjäykistys ... 12

4.3 Levyjäykistys ... 13

4.4 Ristikkojäykistys ... 14

4.5 Yhdistelmäjäykistys ... 15

4.6 Kuormituksien jakauma ... 16

5 Referenssikohde ... 18

6 Jäykistystarkastelun suunnittelu ... 20

7 Jäykistystarkastelun laskentaperiaatteet ... 21

8 Resultanttien käyttö ... 25

8.1 Liitokset ... 25

8.1.1 Pystysauma ... 25

8.1.2 Vaakasauma ... 26

9 Pohdinta tavoitteesta ... 28

10 Kuvat ... 29

11 Lähteet ... 30

LIITTEET ... 31 LIITE 1 ...

1 Tavoite ja toteutus

Työn tavoitteena on perehtyä rakennuksen jäykistämiseen, siihen liittyvään kuormitukseen, erilaisiin jäykistysmenetelmiin ja näiden ympärille koostuvaan teoriaan. Opiskellun teorian pohjalta on tavoitteena luoda Excel-pohjainen laskuri jäykistystarkastelun käsin laskennan tueksi. Excel-pohja tehdään yhteistyössä insinööritoimisto J.Sund Oy:n kanssa. Pohja rakennetaan referenssikohteen tietojen pohjalle, jonka parissa työskentelen.

Referenssikohde on esitelty myöhemmässä vaiheessa opinnäytetyötä.

Excel-pohjan luonnin haasteet:

-Pohjaan tarvittavien lähtötietojen helppo poiminta -Saada Excel-pohjasta helposti muokattava

-Pohjan helppo luettavuus

-Toimivuuden ja tulostettavuuden yhdistäminen

Toteutus tehdään perehtymällä ainakin elementtisuunnitteluun ja suunnittelustandardeihin liittyvään sekä muuhun aiheeseen liittyvään kirjallisuuteen. Excel-pohjaa luodessa apuna toimii edellä mainittujen lisäksi perehtyminen harjoitustöihin sekä laskentakaavoihin.

Apuna käytetään myös jo valmiiksi olemassa olevia ohjelmia lähtötietojen laskennassa sekä Excel-pohjan tulosten vertailussa.

Tässä opinnäytetyössä käydään läpi mitä on rakennuksen jäykistys, jäykistysmenetelmiä, niiden käyttökohteita, menetelmien hyviä sekä huonoja puolia ja jäykistystarkastelussa huomioon otettavia kuormia, sekä mitoitusta. Rakennukseen määritellyn jäykistysjärjestelmän on tarkoitus siirtää rakennukseen aiheutuvan vaakakuormituksen rasitus maapohjaan. Rakennuksen stabiliteetin määrittämiseksi täytyy mitoittaa kaikki rakennukseen kohdistuva kuormitus. Pystysuuntaisia kuormia ovat muun muassa rakennusosien omat massat, lumi- ja oleskelukuormat. Rakennukseen vaikuttavia vaakakuormia on tuulesta sekä vinoudesta aiheutuvat kuormat. Kuormia voivat olla myös esimerkiksi nosturi-, maanpaine- ja onnettomuuskuormat.

Jäykistystarkastelussa tarkastellaan rakennuksen kaatumista, siirtymistä ja kiertymistä.

Jäykistysjärjestelmän tarkoituksena on siirtää vaakakuormituksen aiheuttamat rasitukset perustuksiin, kuorman siirto edellyttää rungon riittävää jäykkyyttä vaakakuormia vastaan.

Olennaista on siis, että tasojen vaakarakenteet siirtävät vaakakuormat pystyrakenteille.

(G), jotka koostuvat rakenteen omasta painosta sekä muuttuvat kuormat (Q) jotka koostuvat hyöty-, lumi ja tuulikuomasta.

3.1 Rakenteiden omat painot

Rakennuksen oma paino määritetään rakennetyyppien pohjalta. Hyötykuormien ominais- arvot on määritelty Eurokoodissa. Kuormien määrittäminen tapahtuu SFS EN 1991-1+AC ohjeistuksella. Ohessa kuva 1 jossa on esimerkki rakenteiden omista painoista, kuva on otettu omasta työstä.

Kuva 1 Pysyvät sekä hyötykuormat taulukoituna. (Oma kuva)

katolla. Lumi vaikuttaa pystykuormana. Lumikuorman suuruus riippuu rakennuksen sijainnista ja muodosta. Kuvassa 2 esitetään rakennuksen maantieteellisen sijainnin vaikutus lumikuorman ominaisarvoon. Rakennuksen muotoon vaikuttavia asioita ovat muun muassa lumen kinostuminen katolla oleviin rakenteisiin tai lumikuorman vähennys harjan kaltevuuden ollessa tarpeeksi suuri.

Kuva 2. Ominaislumikuorma maassa 𝑠_𝑘 (kN/𝑚²) (RIL 201-1-2011 Osa 1.3, 4,1(FI))

𝑠 on katon lumikuorma

µ_𝑖 on lumikuorman muotokerroin 𝐶_𝑒 on tuulensuojakerroin (1,0 tai 0,8)

𝐶_𝑡 on lämpökerroin, jonka arvo tavallisesti on 1,0 𝑠_𝑘 on maassa olevan lumikuorman ominaisarvo [kN/𝑚²] Kaava 1. (SFS-EN 1991-1-3+AC+A1 kaava 5.1 s. 28)

3.3 Lisävaakakuormat

Lisävaakavoimia laskiessa rakennusosien vinous otetaan huomioon laskemalla mittaepätarkkuuksista syntyvä lisävaakavoima. Lisävaakavoima syntyy mittaepätarkkuuksista, siitä että kuormituksessa on epäkeskisyyttä. Voimasuure määritetään rakenteeseen aiheutuvan vinouden avulla. Vinouman perusarvoon 1/200, joka on osoitettu myös laskentakaavassa. Kuvassa 3 on esitetty vinouden vaikutus.

Kuva 3. Esimerkkejä mittaepätarkkuuksien vaikutuksesta (SFS-EN 1992-1-1+AC kuva 5.1 s. 56)

𝜃_𝑖 = 𝜃₀∗ 𝛼_ℎ∗ 𝛼_𝑚 (2) jossa

𝜃₀ on perusarvo 1/200

𝛼_ℎ on pituuteen tai korkeuteen perustuva arvo 2/√𝑙;2/3<𝛼_ℎ<1

𝛼_𝑚 on rakennusosien määrään perustuva pienennyskerroin √0,5(1 + 1/𝑚) m on vaakavoimaan vaikuttavien pystyrakennusosien määrä

l on rakennuksen korkeus

Kaava 2. Epätarkkuuden laskentakaava (SFS EN 1992-1-1+A1+AC, Kaava5,1. s. 54)

3.4 Tuulikuorma

Tuulikuorma lasketaan eurokoodin EN 1991-1-4 mukaan. Tuulikuormaan vaikuttavia tekijöitä ovat rakennuksen koko, sijainti, ympäristö, ulkoiset- sekä mahdolliset sisäiset paineet, jos niitä on otettava huomioon. Rakennuksen sijainnista riippuvan maastoluokan määrittäminen vaikuttaa tuulen voimakkuuteen, ohessa kuva 4 minkä mukaan maastoluokka valitaan. Tuulen nopeuden perusarvo on ominaisarvo, joka määritetään tuulennopeuden 10 minuutin keskiarvona riippumatta tuulen suunnasta ja vuodenajasta 10 m korkeudella maanpinnasta. Modifioitu perusarvo riippuu maaston rosoisuudesta, pinnan muodostuksesta ja tuulennopeuden perusarvosta. Modifioitua perusarvoa käytetään laskiessa puuskapainetta.

Puuskanpaine sisältää modifioidun perusarvon ja lyhytaikaisten nopeusvaihteluiden vaikutukset. Rakennuksen kokonaistuulikuorma saadaan laskettua kyseisten arvojen avulla.

Kokonaistuulikuorma on siis tuulen vaikutuks tuulelle alttiille pinnoille.

Kuva 4. Tuulikuormaan vaikuttavan maastoluokan luokat ja niiden kuvaukset. (RIL 201-1- 2011 Osa 1.4 s.127)

𝐶_𝑑𝑖𝑟 on suuntakerroin 𝐶_{𝑠𝑒𝑎𝑠𝑜𝑛} on vuodenaikakerroin

𝑉_𝑏,0 on tuulen modifioimaton perusarvo

Kaava 3. Tuulen nopeuden perusarvo (SFS EN 1991-1-4 + AC+ A1, 4.1 s. 32)

Tuulen modifioitu perusarvo 𝑉_𝑚(𝑍) lasketaan kaavalla:

𝑉_𝑚(𝑍) = 𝐶_𝑟(𝑍) ∗ 𝐶₀(𝑍) ∗ 𝑉_𝑏 (4)

Jossa

𝐶_𝑟(𝑍) on rosoisuuskerroin 𝐶₀(𝑍) on pinnanmuotokerroin 𝑉_𝑏 on tuulen nopeuden perusarvo

Kaava 4. Tuulen nopeuden perusarvo (SFS EN 1991-1-4 + AC+ A1, 4.3 s. 34)

Puuskanopeus paine korkeudella z lasketaan kaavalla:

𝑞_𝑝(𝑧) = [1 + 7 ∗ 𝐼_𝑉(𝑧)] ∗¹

2∗p ∗ 𝑉_𝑚²(𝑧) = 𝐶_𝑒(𝑧) ∗ 𝑞_𝑏 (5)

jossa

𝐼_𝑉(𝑧) on tuulenpuuskien intensiteetti

P on ilman tiheys (suositusarvo on 1,25kg/𝑚³)

Kaava 5. Korkeudella z vallitseva puuskanopeuspaine. (SFS EN 1991-1-4 + AC+ A1, 4.8 s.

40)

Rakenteen kokonaistuulivoima 𝐹_𝑤 lasketaan kaavalla:

𝐹_𝑤 = 𝐶_𝑠𝐶_𝑑∗ 𝑐_𝑓∗ 𝑞_𝑝(𝑧_𝑒) ∗ 𝐴_𝑟𝑒𝑓 (6) Jossa

𝐶_𝑠𝐶_𝑑 on rakennekerroin

𝑐_𝑓 on rakenteen tai rakenneosan voimakerroin

𝑞_𝑝(𝑧_𝑒) on puuskanopeuspaine nopeuspainekorkeudella (𝑧_𝑒) 𝐴_𝑟𝑒𝑓 on rakenteen tai rakennusosan tuulenpaineen vaikutusala

Kaava 6. Rakenteen tai rakennusosan tuulikuorma (SFS EN 1991-1-4 + AC+ A1, 5.3 s. 44)

3.5 Onnettomuuskuormat

Onnettomuuskuormat koostuvat erilaisista kuormituksista, kuten törmäyksistä. Törmäyksiä voivat olla liikenteen ajoneuvojen, trukkien, junien tai laivojen törmäykset. Myös helikopterien kova laskeutuminen katolle luokitellaan onnettomuuskuormissa törmäyksenä.

Rakennuksen osalta törmäyksestä aiheutuvat kuormat tulee ottaa huomioon pysäköintihalleissa, rakennuksissa, joissa ajoneuvot tai trukit kulkevat sekä rakennuksissa, jotka sijaitsevat joko tie- tai rautatieliikenteen välittömässä läheisyydessä. Toisena vaikuttavana onnettomuuskuormana on räjähdykset. Räjähdykset tulee ottaa huomioon suunnitellessa rakennuksen osia, joissa kaasua poltetaan tai joista sitä ohjataan tai joissa varastoidaan tai kuljetetaan räjähtävää materiaalia. Rakennus on suunniteltava siten, että paikalliset vauriot eivät vaaranna koko rakenteen stabiiliutta.

4 Jäykistysmenetelmät

Rakennukset voidaan jäykistää useilla eri tavoilla. Tavan valintaan vaikuttavat eri tekijät, joiden avulla pystytään valitsemaan kullekin rakennukselle sopiva jäykistysjärjestelmä.

Valintaan vaikuttavat esimerkiksi rakennuksen rakenne, mittasuhteet, sekä kustannustehokkuus, vaatimukset rakennuksen muuntojoustavuudelle, arkkitehtuuri ja käyttötarkoitus. Jäykistysjärjestelmiä ovat esimerkiksi masto-, kehä-, levy- sekä ristikkojäykistys ja useiden jäykistystapojen yhdistelmä.

4.1 Mastojäykistys

Mastojäykistyksessä rakenteet toimivat alapäästä jäykästi kiinnitettyinä ulokepalkkeina, joille vaakarakenteet siirtävät vaakakuormista aiheutuvan rasituksen. Rungon muut pystyrakenteet toteutetaan nivelliitoksilla mikä on taloudellista ja aikataulullisesti edullista.

Mastojäykistys voidaan erottaa kolmeen eri tyyppiin, mastopilari-, mastoseinä- ja avoprofiili- tai kotelopoikkileikkauksen muodostamien kuilujen ja tornien muodostamiin mastoihin. (Betoniteollisuus ry, Jäykistysjärjestelmät_2010_02_18, s.13) Mastojäykistyksessä voidaan käyttää kaikkia rakenteita jotka kulkevat koko rakennuksen läpi. Rakenteita valittaessa oleellista on miettiä esimerkiksi tulevaisuuden mahdollista muokattavuutta. Väliseiniä käyttäessä saattaa tulevaisuuden mahdolliset tilojen muutokset vaikeutua, kun ei kyseisiä seinälinjoja voi vaivattomasti muuttaa. Siksi yleisimpiä tapoja on käyttää hissikuiluja ja porraskäytäviä, niiden olennaisesti yltäessä koko rakennuksen korkeudelle. Tilan ratkaisujen vuoksi on myös helpompaa käyttää ulkoseiniä, mutta ulkoseinien ikkuna-ja ovi aukkojen runsaus saattaa tehdä siitä vaikeaa, jopa mahdotonta.

Kuva 5. Mastojäykistys (Betoniteollisuus ry, Jäykistysjärjestelmät_2010_02_18, kuva 2.6 s.13)

Yhtenä mastojäykistystyypeistä on mastoseinä. Mastoseinä toimii ulokepalkkina. Jäykkinä levyinä toimivat tasot siirtävät vaakakuormat mastoseinille. Seinämastot voidaan koota seinäelementeistä, joiden vaaka- ja pystysaumat mitoitetaan siirtämään normaalivoima- ja leikkausrasitukset niin, että ne toimivat yhtenäisenä rakenteena. Masto kiinnitetään perustuksiin joko jäykästi tai ääripisteenä, jolloin kiinnityspisteiden normaalivoimien muodostama voimapari vastaa maston taivutusmomenttia. Mastoseinät pyritään sijoittamaan siten, että niille saadaan riittävät pystykuormat, ja mastoseinä on kokonaan puristettu kaikissa kuormitustapauksissa. Mikäli mastoseinään tulee vetoa, on huolehdittava vetovoimien siirtämisestä maanpohjaan asti. (Betoniteollisuus ry, Jäykistysjärjestelmät_2010_02_18, s.15)

Kuva 6. Mastoseinäjäykistys (Betoniteollisuus ry, Jäykistysjärjestelmät_2010_02_18, kuva 2.9 s.15)

4.2 Kehäjäykistys

Perustuksiin nivelisesti tai jäykästi kiinnitetyt pilarit toimivat vaakakuormien rasituksia vastaan kehinä, joiden nurkat ottavat vaakakuormien rasitukset pilarien ja palkkien taivutusrasituksena. Kehäjäykistystä käytetään yleensä teollisuuden rakentamisessa. Se soveltuu parhaiten 1–3 kerroksisiin rakennuksiin. Kehäjäykistyksessä päästään vapaampaan tilojen käyttöön, kun rajoittavat jäykistävät seinät puuttuvat. (Betoniteollisuus ry, Jäykistysjärjestelmät_2010_02_18, s.19)

Kuva 7. Kehäjäykistys (Betoniteollisuus ry, Jäykistysjärjestelmät_2010_02_18, kuva 2.14 s.19)

4.3 Levyjäykistys

Levyjäykistyksessä rungon aukkoihin sijoitetut levyt jäykistävät rakenteen. Vaakakuormien aiheuttamat rasitukset siirtyvät levyjen leikkausvoimina rakenteille ja perustuksiin.

Levyseinien sijoitus on melko vapaata, mutta on muistettava siirtää jäykistyksestä aiheutuvat kuormat perustuksille ja maapohjaan. Jos levyjä ei sijoiteta päällekkäin, joudutaan jäykisteiden siirtämiä vaakasuuntaisia leikkausvoimia siirtämään tasossa, ja tämä voi aiheuttaa vaikeita liitosratkaisuja. Levyrakenteet täytyy myös sijoittaa rakennuksen molempiin suuntiin. Jäykisteitä on oltava vähintään kolme kappaletta, eikä niiden akseleilla saa olla yhteistä leikkauspistettä. (Betoniteollisuus ry, Jäykistysjärjestelmät_2010_02_18, s.20)

Kuva 8. Levyjäykistys (Betoniteollisuus ry, Jäykistysjärjestelmät_2010_02_18, kuva 2.15 s.20)

4.4 Ristikkojäykistys

Ristikkojäykistys on toimintaperiaatteeltaan levyjäykistyksen kaltainen. Levyjäykisteet on korvattu veto- ja/tai puristussauvoilla. Ristikon paarteina voivat toimia esimerkiksi pilarit tai seinät ja vain ristikon diagonaalit, sekä joissain tapauksissa vertikaalit ovat erillisiä jäykistysristikon osia. Ristikon paarteet (pilarit tai seinät) saavat vaakakuormituksen aiheuttaman momentin seurauksen lisänormaalivoiman, joka on huomioitava rakennusosien mitoituksessa. Pystykuormien ollessa pieniä, voi jäykistysristikon paarre olla myös vedetty.

Ohessa kuva, jossa esitetty erilaisia kantavan rakenteen osana toimivan ristikon ristikkoratkaisuja. (Betoniteollisuus ry, Jäykistysjärjestelmät_2010_02_18, s.22)

Kuva 9. (Betoniteollisuus ry, Jäykistysjärjestelmät_2010_02_18, kuva 2.16 s.22)

4.5 Yhdistelmäjäykistys

Edellä mainittuja jäykistysmenetelmiä voidaan yhdistellä, toimivan ja taloudellisen ratkaisun saavuttamiseksi. Yleisesti käytettyjä yhdistelmiä ovat esimerkiksi levyjäykistetty rakennuksen alaosa ja pilarimastojäykistetty ylin kerros, sekä mastoseinä-/ kuilujäykistys yhdistettynä jäykistävään ristikkorakenteeseen. Näissä on muistettava laskea jäykisteiden suhteelliset jäykkyydet. Jäykistys voidaan melko luotettavasti laskea FEM-ohjelmalla, kun huolehditaan, että rakennus on mallinnettu oikein. (Betoniteollisuus ry, Jäykistysjärjestelmät_2010_02_18, s.23)

Kuva 10. Yhdistelmäjäykistys (Betoniteollisuus ry, Jäykistysjärjestelmät_2010_02_18, kuva 2.20 s.25)

4.6 Kuormituksien jakauma

Rakennukseen kohdistuvat vaakakuormat, kuten tuuli ja lisävaakakuormat aiheuttavat kuormitusta välipohjaan. Jos rakennuksen seinät ovat symmetrisesti kuorman suhteessa, aiheutuu välipohjaan siirtymää, joka tulee pysäyttää liitoksilla pystyrakenteisiin. Kun seinien sijainti ei ole symmetrinen kuormituksien suhteen, aiheutuu rakennukseen kierimää, joka aiheuttaa välipohjaan kiinnitettyihin seiniin lisäkuormitusta. Ohessa kuva 11, jossa yksinkertainen toimintaperiaate siitä, kun laatasto toimii levynä, joka jakaa kuormat seinille rakennuksessa, jossa esiintyy kiertymää. Opinnäytetyön osassa 5. Käsitellään laskennan teoriaa.

Kuva 11. Esimerkki vaakakuorman aiheuttamasta kiertymästä. (Oma kuva)

Työssä tehty Excel-pohja luotiin referenssikohteeseen perustuen. Kohde on 16-kerroksinen asuinkerrostalo. Rakennuksen kokonaispinta-ala on 8050k-𝑚² (kerrosneliömetriä) Kokonaiskorkeus maanpinnasta on 50 m ja rakennuksen ulkomitat ovat 24 m x 28,5 m.

Seuraamusluokka CC3 ja suunniteltu käyttöikä 50 v. Vaakarakenteet vaihtelevat rakennuksen eri kerroksissa, paikallavalettu massiivilaatasto väli- ja yläpohjassa.

Porrashuoneissa massiivielementtejä, alapohjassa alustila ja ontelolaatasto. Rakennuks on jäykistetty kantavilla väli- ja ulkoseinillä sekä hissikuiluilla. Opinnäytetyössä referenssikohteeseen peilatut asiat perustuvat tämän kohteen parissa tehtyyn työhön.

Kuva 12. Referenssikohteen yleisleikkaus. (Oma kuva)

Jäykistystarkastelua suunnitellessa tulee päättää jäykistysmenetelmä.

Mastoseinäjäykistyksessä tulee pyrkiä käyttämään seininä paljon pystykuormaa kerääviä seiniä. Tavoitteena on saada riittävä pystykuorma tuottamaan tarpeeksi suuri paino stabiloimaan vaakakuorman aiheuttavaa vetoa. Mikäli seinään tulee vetoa, on huolehdittava vetovoimien ankkuroimisesta. Ankkurointia pyritään mahdollisuuksien mukaan välttämään.

Lyhyet seinän pätkät, joille kohdistuu pieni pystykuorma, on siis huono valinta mastoseinäjäykistykseen. Mastoseinät tulisi pyrkiä sijoittamaan mahdollisen symmetrisesti, välttäen suurta kiertymää. Korkeisiin rakennuksiin menetelmä sopii erinomaisesti. Jos käytössä on vain lyhyitä seiniä, saattavat vaakavoimat kasvaa liian suuriksi suhteessa tukevoittavaan kuormaan, joka pakottaa suunnittelemaan haastavia tappi- ja ankkurointi liitoksia. Kyseisessä opinnäytetyön kohteessa käytettiin mastojäykistystä, joka on esitetty liitteessä. Pääasiallisesti kohteessa käytettiin väliseiniä, koska ehjät ulkoseinän pätkät olivat vähässä ja lyhyitä. Väliseinät kohteessa ovat pitkiä, mikä helpotti niiden käyttöä. Kohteessa on myös käytetty rappua sekä hissikuiluja hyödyksi. Suuri väliseinien käytön määrä rajoittaa mahdollisia sisätilaratkaisujen muutoksia suuresti. Pitkien seinien vuoksi pystykuormat näissä käytetyissä seinissä ovat suuret, joten kohteessa ei tarvittu mitoittaa mastoja vetoa vastaan. Kohteessa myös kiertokeskiö on melko keskellä laatastoa, jonka vuoksi kiertymän aiheuttama kuormituskin jakautui melko tasaisesti.

7 Jäykistystarkastelun laskentaperiaatteet

Rakennuksen tasot toimivat jäykkinä levyinä, joiden kautta vaakakuormat siirtyvät jäykistäville pystyrakenteille jäykkyyksien suhteessa. Jäykistävien seinien oletetaan vastaanottavan kuormaa ainoastaan seinän jäykemmässä suunnassa.

Jäykistävät seinät sijoitetaan koordinaatioon, jossa määritetään origo, jonka suhteen pystytään laskemaan jäykistävien seinien sijainnit. Kun jäykistävien rakenteiden sijainnit päätetystä origosta tiedetään sekä niiden jäykkyydet, voidaan näiden avulla laskea kiertokeskiön sijainti. Kiertokeskiö on välipohjassa sijaitseva akseli, jonka ympäri tasosta aiheutuu kiertymää vaakavoimien vaikutuksesta. Kiertokeskiö voi siis vaihdella jäykistävien pystyrakenteiden vaihtuvuudesta, kiertokeskiön ollessa riippuvainen seinien jäykkyyksistä ja sijainnista. Jos jäykistävät seinät vaihtelevat kerroksittain on kiertokeskiö määritettävä jokaisessa kerroksessa erikseen. Kun seinät ovat vaikuttavan vaakakuorman suhteessa symmetrisesti, ei vaakatasoihin aiheudu kiertymää. (Betoniteollisuus ry, Jäykistysjärjestelmät_2010_02_18)

Kuva 13. Jäykistysjärjestelmä koordinaatisot (Betoniteollisuus ry, Jäykistysjärjestelmät_2010_02_18, kuva 3.4 s.29)

𝑋=^{∑ 𝑘}_{∑ 𝑘}^𝑦𝑥′

𝑦 , =

𝑌= ^{∑ 𝑘}_{∑ 𝑘}^𝑦𝑦′

𝑥 (7)

Jossa

x on y-akselin suuntaisen seinän sijainti y on x-akselin suuntaisen seinän sijainti

Kaava 7. Kiertokeskiön x- ja -koordinaatit (Betoniteollisuus ry, Jäykistysjärjestelmät_2010_02_18, kaava 3.11 s.30)

Kun jäykistävien rakenteiden sijainti ei ole symmetrinen kuormaresultantin suhteen, aiheutuu rakennukseen kierymää vaakavoiman epäkeskisyydestä, suhteessa rakennuksen kiertokeskiöön. Tällöin jäykistyssysteemiin vaikuttaa momentti joka lasketaan seuraavasti.

Rakennuksen jäykistysjärjestelmään vaikuttava momentti:

M=𝐹_𝑦∗ 𝑥₁− 𝐹_𝑥∗ 𝑦₁ (8)

𝐹_𝑦 on vaakavoimien resultantti x-akselin suuntaan

𝑥₁ on voimaresultantin etäisyys kiertokeskiöstä x-suunnassa 𝐹_𝑥 on vaakavoimien resultantti y-akselin suuntaan

𝑦₁ on voimaresultantin etäisyys kiertokeskiöstä y-suunnassa

Kaava 8. rakennuksen jäykkyyssysteemiin vaikuttava momentti (Betoniteollisuus ry, Jäykistysjärjestelmät_2010_02_18, kaava 3.10 s.30)

vaakasiirtymä suunnassa x ja y selvittää, sekä rakenteen kiertymä, jotta voidaan laskea yksittäisen seinän vastaanottama kuormistys. Kiertymän suuruus ϕ sekä siirtymätila 𝑉_𝑥 ja 𝑉_𝑦 lasketaan kaavasta:

𝑉_𝑥= ^𝐹𝑥

∑ 𝑘_𝑥

𝑉_𝑦= 𝐹_𝑦

∑ 𝑘_𝑦

Φ= ^𝑀

∑ 𝑇_𝑥𝑦+ ∑ 𝑘𝑥𝑦²+∑ 𝑘𝑦𝑥² (9)

Jossa

Φ on kiertymä

𝑉_𝑥= on siirtymä x-suunnassa 𝑉_𝑦= on siirtymä y-s suunnassa

𝑇_𝑥𝑦 = on vääntöjäykkyys, osamastolle kiertymästä Φ=1 aiheutuva vääntömomentti

Kaava 9. Siirtymätila ja kiertymä (Betoniteollisuus ry, Jäykistysjärjestelmät_2010_02_18, kaava 3.13 s.30)

Osamastojen kuormitukset saadaan kaavoista:

𝑄_𝑥 = 𝑘_𝑥𝑣_𝑥− 𝑘_𝑥𝑦Φ (10)

𝑄_𝑦 = 𝑘_𝑦𝑣_𝑦 − 𝑘_𝑦𝑥Φ

Kaava 10. Osamastojen kuormitukset (Elementtisuunnittelu.fi Betoniteollisuus ry, Jäykistysjärjestelmät_2010_02_18, kaava 3.14 s.30)

Kuva 14. On esimerkki jäykistystarkastelun laskentaohjelmasta. Opinnäytetyönä tehty Excel ohjelma laskee kerroksittain, yksittäiselle seinälle kohdistuvan rasituksen.

Kuva 14. Jäykistystarkastelu Excel (Oma kuva)

pistekuorma. Kuorma koostuu välipohjan saamasta siirtymästä, sekä mahdollisesta seinen epäsymmetrian aiheuttamasta kiertymästä. Resultanttien pohjalta tulee mitoittaa vaakarakenteen aiheuttava leikkausvoima vaakaliitoksissa. Vaakakuormista aiheutuu korkeissa rakennuksissa suuria kuormia, jotka olennaisesti vaikuttavat paljon perustuksen mitoitukseen. Referenssikohteessa pyrittiin maanvaraiseen anturaan. Suuruusluokka anturaan oli alustavasti laskettu pelkiltä rakennuksen pystykuormilta, ja mahdollisena edelleen pidettiin maanvaraisen anturan käyttöä. Kuitenkin vaakakuormien vaikutus jäykistävissä mastoissa osoittautui niin suureksi, että kyseisessä kohteessa maanvaraisen anturan koko olisi ollut kohtuuttoman iso, suhteessa maan kantokykyyn. Kohteessa oli mahdollista toteuttaa kallionvarainen antura, jota pyrittiin välttämään sen työteliäisyyden vuoksi. Tässä kuitenkin päädyimme kallionvaraiseen anturaan. Vaakakuormien pohjalta tulee myös mahdolliset vetoankkurointien tarpeen mitoittaa.

8.1 Liitokset

Rakenteiden liitokset liittyvät olennaisesti kuormituksen siirtämiseen. Kun mitoitetaan tasoille tulevan kuormituksen siirtymistä pystyrakenteille, tulee sekä vaaka- että mahdolliset pystysaumat mitoittaa niihin kohdistuville kuormille. Liitostapoja on monia ja tässä kerron muutamasta yleisestä liitosvaihtoehdosta.

8.1.1 Pystysauma

Pystysaumoissa yleisin liitos on vaijerilenkki. Vaijerilenkin avulla seinäelementtejä kiinnitetään toisiinsa. Vaijerilenkkien määrä elementissä riippuu sauman leikkausvoiman suuruudesta. Leikkausvoiman perusteella mitoitetaan tarvittava määrä vaijerilenkkejä.

Kuva 15. Peikko PVL-vaijerilenkki (Peikko.fi)

Jos vaijerilenkin leikkauskapasiteetit eivät ole riittävät, voidaan esimerkiksi herjateräksestä tehdä vastaavat lenkit. Niillä saavutetaan suuremmat leikkauskapasiteetit kuin vaijerilenkeillä. Harjateräs lenkeistäkin löytyy valmiita tuotteita, jotka asennetaan elementteihin ennen niiden valua. Lenkkejä löytyy muun muassa 8,10 ja 12 mm vahvuuksina.

8.1.2 Vaakasauma

Vaakasauma tulee mitoittaa leikkausvoiman mukaan. Mitoituksessa on otettava myös huomioon normaalijännitykset. Tapauskohtaisesti saattaa normaalijännityksen aiheuttava puristus olla riittävä aiheuttamaan suuren kitkan leikkausvoimaa vastaan.

Vaarnatappiliitoksilla voidaan toteuttaa sauman mitoitus. Liitosvaihtoehtoja on esimerkiksi terästapit leikkausta vastaan, mutta mahdollista vetokestävyyttä saatetaan joutua ottamaan vastaan seinäkengillä.

Kuva 16. SUMO-seinäkenkä (Peikko.fi)

Tavoitteen saavuttamiseen lähdettiin perehtymällä huolellisesti teoriaan opinnäytetyössä käsiteltävistä asioista, joiden pohjalta lähdettäisiin luomaan Excel-pohjaista laskuria jäykistystarkastelulle, käsin laskennan helpottamiseksi. Olin listannut myös haasteita, jotka osoittautuivat osittain todellakin haastaviksi. Haasteet liittyivät lähinnä Excel-pohjan luettavuuteen sekä sen käytettävyyteen ja raporttien tulostettavuuden selkeyteen. Pohjaa työstäessä tultiin useasti tilanteeseen, jossa tarkasteluun tuli muokattavaa, kuten että seiniä poistettiin jäykistysjärjestelmästä, joiden ansiosta pohjan muokattavuus kehittyi paljon.

Tosin edelleen uskon sen ymmärrettävyyden olevan melko hankalaa ulkopuoliselle.

Parannettavaa siis on sen toiminnan kehittämisessä, mutta mielestäni aikaan nähden sen toimivuus tähän saakka on jopa yllättävän hyvällä tasolla. Myös helppo luettavuus sekä laskelman raportointi on vaikea toteuttaa. Tällä hetkellä laskuri laskee niin monen askeleen päähän, kuten pysty- ja vaakasaumojen mitoituksen, että sen selkeä raportointi on hieman hankalaa, mutta varmasti sen kehittyessä se on erittäin kätevä pohja. Haasteet siis osoittautuivat oikeiksi, mutta käytettyyn aikaan nähden lopputulos on melko hyvä. Itsensä perehdyttäminen aiheeseen oli tosin huomattavasti onnistuneempaa. Mielestäni siitä päivästä, kun kuulin opinnäytetyöni aiheen, tähän päivään on oppi ollut suurta.

Yhteenvetona voisi siis todeta, että käytettyyn aikaan nähden on tämä melko onnistunut projekti niin oppimisen kuin laskentapohjan kannalta.

Kuva 2. (RIL 201-1-2011 Osa 1.3, 4,1 Suomen rakennusinsinöörien liitto RIL ry) Kuva 3. (SFS-EN 1992-1-1+AC kuva 5.1) (Viitattu 06.04.2021)

Kuva 4. (RIL 201-1-2011 Osa 1.4 Suomen rakennusinsinöörien liitto RIL ry)

Kuvat 5-10 Elementtisuunnittelu.fi Betoniteollisuus ry, Jäykistysjärjestelmät_2010_02_18 (Viitattu 13.01.2021)

Kuva 11. Esimerkki vaakakuorman aiheuttama kiertymästä. Oma kuva Kuva 12. Referenssikohteen yleisleikkaus. (Oma kuva)

Kuva 13. (Elementtisuunnittelu.fi Betoniteollisuus ry, Jäykistysjärjestelmät_2010_02_18, kuva 3.4)

Kuva 14. Jäykistystarkastelu Excel Oma kuva Kuva 15. Peikko PVL-vaijerilenkki Perikko.fi Kuva 16. SUMO-seinäkenkä Peikko.fi

11 Lähteet

Betoniteollisuus ry, Jäykistysjärjestelmät_2010_02_18, (Viitattu 25.01.2021)

Elementtisuunnittelu.fi, Rakennejärjestelmät. Luettavissa:

https://www.elementtisuunnittelu.fi/fi/rakennejarjestelmat/rakennuksen- jaykistys/jaykistysjarjestelmat. Luettu: 13.01.2021 (Viitattu 13.01.2021)

RIL 201-1-2011. 2011. Suunnitteluperusteet ja rakenteiden kuormat. Helsinki. Suomen Rakennusinsinöörien liitto RIL ry

SFS EN 1991-1-3+AC+A1, Eurokoodi 1: rakenteiden kuormat osa 1-3: yleiset kuormat.

Lumikuormat. Helsinki: Suomen standardisoimisliitto.

SFS EN 1991-1-4+AC+A1, Eurokoodi 1: rakenteiden kuormat. Osa 1-4: yleiset kuormat, Tuulikuormat. Helsinki: Suomen standardisoimisliitto.

SFS EN 1991-1-7-+A1+AC, Eurokoodi 1: Rakenteiden kuormat. Osa1-7: yleiset kuormat.

Onnettomuuskuormat. Helsinki: Suomen standardisoimisliitto.

SFS EN 1992-1-1+A1+AC Eurokoodi 2. Betonirakenteiden suunnittelu. Osa 1-1: yleiset säännöt ja rakennuksia koskevat säännöt. Helsinki: Suomen standardisoimisliitto.

Liite 1. Jäykistystarkastelu