No. 1, 1995, s

Transkriptio

1 PUULEVY JA YKSTESEN SENARAKENTEEN STAATTNEN TOMNTA JA MTOTUS Jarmo Leskela Mikko Kilpelainen Rakenteiden Mekaniikka, Vol. 28 No. 1, 1995, s Tiivistelmii: Artikkelissa johdetaan mitoitusyhtalbt puulevyjaykisteisen seinarakenteen liitosvoimien ja siirtymien maarittamiseksi. Laskelmissa otetaan huomioon levyn eri kiim1itystapojen vaikutus jaykistysseinan voima- ja sii1tymasuureisiin. JODANTO Puulevyjen kaytti:i rakennusten seinarakenteissa on varsin yleista. Levyja voidaan kayttaa sisaverhouslevyina, jolloin ne muodostavat rakenteen nakyvan pim1an, tai tuulensuojalevyina, jolloin ne toimivat osana eristyskerrosta. Samalla ne lisaavat rakennuksen rung on kantokykya ja jaykkyytta. Rung on jaykistamiseen soveltuvia levyja ovat vaneri-, lastu-, kuitu- ja kipsilevyt. Jaykistyslevyt kiinnitetaiin rakennuksen puiseen runkoon joko nauloilla, ruuveilla tai liimaamalla. Jalkimmaisen kiinnitystavan kaytti:i yksinaan ei ole suositeltavaa, vaan sita voidaan kayttaa yhdessa naula- tai ruuviliitosten kanssa. Levyn ja rungon valinen liitos on siten joko joustava (naulaus, ruuvaus) tai jaykka (liimaus). Tassa tyi:issa keskitytaan nauloilla/ruuveilla koottuihin rakenteisiin, jolloin levyn ja rungon valisen liitoksen ajatellaan toimivan joustavana. Rakennuksen ulkomittojen ja kerrosluvun kasvaessa tulee rungon jaykistamiseen kiinnittaa entista suurempaa huomiota. Levyjaykistys on tehokas ja kaytanni:illinen tapa hoitaa puurunkoisen rakennuksen jaykistaminen vaakakuormia vastaan. Levyjaykisteisen seinarakenteen mitoitusohjeet Puurakenteiden suum1itteluohjeessa /6/ ovat kuitenkin niukat ja osittain epaselvat. Suunnitteluohjeessa otetaan huomioon ainoastaan levyn 34

2 reunoilla olevat naularivit, eikii niiin ollen huomioida levyn eri kiinnitystapojen vaikutusta seinan kuormituskapasiteettiin ja jaykkyysominaisuuksiin. Mitoitusyhtaloita johdettaessa tehdyt rakenteelliset otaksumat, etenkin seiniin alareunan kiinnityksen osalta, ovat epiiselviit. Lisiiksi yliipuolisilta rakenteilta runkoon kohdistuvien pystysuuntaisten normaalivoimien vaikutusta ja rung on ankkurointia perustuksiin ei ole riittiiviin selkeiisti otettu huomioon. Levyjiiykisteisen seiniirakenteen laskennallista mitoitusta on aiemmin kiisitelty liihte1ssa ll ja /2/. Puurakenteiden suunnitteluohjeissa /6/ esitetty jiiykistysseiniin mitoitusohje perustuu naihin julkaisuihin. Suomen rakentamismaarayskokoelman osassa 10 "Puurakenteet" ei kasitella jaykistysseinien mitoitusta lainkaan ja Puurakenteiden yleiseurooppalaiset suunnittelusiiannot "Eurocode 5" kasittelee asiaa niin ikaan hyvin niukasti. Kiillsner on julkaisuissaan /3/, /4/ kiisitellyt seikkaperiiisesti jiiykistysseinien laskennallista ja kokeellista mitoitusta. Eri tutkimusrylunien suorittamien kuormituskokeiden tuloksia on esitetty useissa koti- ja ulkomaisissa julkaisuissa. Leskelan diplomityi:i /4/ pohjautuu paaasiassa edelliimainittuihin julkaisuihin tiiydennettynii omilla tarkasteluilla. Tiimii artikkeli on lyhennelmii diplomityi:in jaykistysseiniiii koskevasta osuudesta. JAYKSTYSSENAN TOMNTA JA MTOTUS Jaykistysseiniii kaytetiiiin ottamaan vastaan rakennukseen kohdistuvat vaakakuormat ja siirtamiiiin ne ankkuroinnin valityksella perustuksille. Tavallisin vaakakuorma on tuulikuorma seka seismisesti aktiivisilla alueilla maanjaristyskuorma. Niiiden lisaksi otetaan huomioon pystykuormista aiheutuva lisavaakavoima. Rakennuksen jaykistiiminen pidemmiille sivulle kohdistuvaa vaakakuormaa vastaan tapahtuu jaykistiivillii paiityseinilla ja vastaavasti lyhyemmiille sivulle kohdistuva vaakakuonna otetaan vastaan pidemmiin sivunjiiykistysseinillii. Siten mitoittavammaksi tekijiiksi muodostuu piiiityseiniin jiiykistystekninen tarkastelu. 35

3 LATOKODAT JA OLETUKSET Ylaohjauspuu, Jaykistys/e yy ~~~~~r7~~----~x ////////// N N Alaohjauspuu Kuva : Jayk istysseinan runkoon kohdistuvat kuormat Kuva 2: Jaykistyslevyn kiinnityksen reunaehdot Otetaan liihtokohdaksi kuvan 1 mukainen alustaansa liukumattomasti kiinnitetty jaykistysseina. Seinan ylareunaan vaikuttaa vaakasuuntainen kuorma, jonka ajatellaan kohdistuvan seinan runkoon. Runkoon on kiinnitetty kuvan 2 mukaisin reunaehdoin jaykistyslevy, jonka leveys on ja korkeus naulavalin ollessa vakio c. Levyyn kohdistuu ainoastaan naulojen leikkausvoimat, joten siihen syntyy vain leikkausmuodonmuutoksia. Runkopuutavaran normaalivoima- ja taivutusjaykkyydet otaksutaan suuriksi, eika niissa oleteta tapahtuvan muodorunuutoksia. Runkopuiden valiset liitokset oletetaan nivelellisiksi. Vaakasuuntaisen vmman vaikutuksesta syntyy seinan alareunaan pystysuuntaiset tukivoimat N. Tasapainotilan vallitessa taytyy olla voimassa N= (1) 36

4 Koska toinen tukivoimista N on vetava, on runkotolppa ankkuroitava talta kohdalta vetoakestavasti alustarakenteeseen. Ylapuolisilta rakenteilta kohdistuu runkoon yleensa pystysuuntaisia normaalivoimia. Nama jatetiii:in kuitenkin seuraavissa tarkasteluissa huomioon ottamatta, koska ne eivat vaikuta levyn ja rungon valisiin liitosvoimiin eivatka nain ollen myoskaan levyn rasituksiinja muodonmuutoksiin. LTNVOMAT JA SRTYMAT Tarkastellaan kuutta eri tapaa kiinnittaa jaykistyslevy runkoonsa seka johdetaan kullekin kiinnitystavalle mitoitusyhtal6t vaakasuuntaisesta pistekuormasta aiheutuvien liitinvoimien ja siirtymien maarittamiseksi / k L _,r:, Kuva 3: Levyn kiinnitystapa Oletetaan levy kiinnitetyksi runkoon kuvan 3 mukaisesti. Tarkastellaan kuvan 4 mukaista vaakasuuntaisen voiman aiheuttamaa levyn ja rungon valista siirtymaa ja kiertymaa ~-akselin suhteen seka tasta aiheutuvaa kuvan 5 mukaista liitosvoimajakaumaa. 37

5 1,1 ~!,!, ~!,!, ~- +-- \ ~ < >~ \ Levy l t,~ \ J ~ \ ~. 8 ~ Q._ ~ --~ -~!, f.,!, f., f., - Kuva 4: Levynja rungon valinen siirtyma ja kiertymii ~-akselin subteen Kuva 5: Voiman aiheuttama liitosvoimajakauma ntegroimalla :sta aiheutuvien liitosvoimapintojen yli saadaan momenttiyhtaloksi levyn keskipisteen subteen k, 2 =-:y<r ll ds = <p D, c (2) JOSSa k 2 k[ 8 12 () 2 l t 2 D, = - ~ ll ds = dc, + 6 ll dt] = k( 2 3 ) c c -/J/2 2 0 c 2 4 (3) kun k on yksittaisen naulan siirtymakerroin Vaakasuuntaiseksi maksimiliitinvoimaksi /, ja rungon ylareunan vaakasuoraksi siirtymaksi 8 alareunan subteen saadaan 38

6 f _ k _ k 2 _ 2c,- <pp 2-2D, -2+ (4) 2 _!:.._ 4 0 -<p - D, - k (2+) (5) Tarkastellaan seuraavaksi kuvan 6 mukaista pystysuuntaisen voiman N aiheuttamaa levyn ja rungon valista siirtymaa ja kiettymaii 11-akselin suhteen sekii tiistii aiheutt vaa kuvan 7 mukaista liitosvoimajakaumaa. L >~ ~~~---] f it) y fl y )ty Levy Runko Kuva 6: Levyn ja rungon valinen siirtyma ja kiertyma 11-akselin suhteen Kuva 7: Voiman N aiheuttama liitosvoimajakauma ntegroimalla N:stii aiheutuvien liitosvoimapintojen yli saadaan momenttiyhtiili:iksi levyn keskipisteen suhteen (6) 39

7 jossa k, k[ / DY =- f ~- ds= - 4 J ~ ~+ 2 J - dtj = () 2 l k( 3 2 ) c C O - /2 2 C 6 2 (7) Pystysuuntaiseksi maksimiliitosvoimaksi JY siirtymaksi 8 N alareunan suhteen saadaan ja rungon ylareunan vaakasuoraksi _ k _ k _ 3c ~. - <p N 2-2DY (8) (9) Liitoksessa tapahtuvan liukuman lisaksi levyyn syntyy kuvan 8 mukainen voimien ja N aiheuttama leikkausmuodonmuutos. N L _ - - _,c, Levy ~~ N Kuva 8: Leikkausvoiman aiheuttama levyn leikkausmuodonmuutos 40

8 Rungon ylareunan vaakasuoraksi siirtymaksi 8Q alareunan suhteen saadaan (10) kun G on levyn liukumoduuli t on levyn paksuus. Sum in liitinvoimaf esiintyy levyn nurkissa, joissa (11) jossa y= (1 2) Rungon ylareunan vaakasuoraksi kokonaissiirtymaksi 8 alareunan suhteen saadaan osasiirtymien summana 1 ) 2 ( c 2 8 = = = P- -+- ) N Q [ D D Gt k 3 Gt X y (13) jossa (14) 41

9 Levyn muissa kiinnitystapauksissa saadaan P- ja y-kertoimille taulukon 1 mukaiset arvot. Levyn kiinnitystapa P-kerroin y-kenoin D 9 +--~ --~ ( ~)\( ~J 1+3( ~) ~(2+~) (~+3) 1"1"7"" ( ~) +2( ~) ( ~) 2. ~ ~(3+2~) (3~+10)..,.,... ll ll ( ~)\s( %) + 4+ s(~) ~( 6+s~) + ( 4~ + ts) 4 2 (~) + (~) w ~ ( ~) + s( ~) 4( ~) 100 rml i ll ~ --+s( ~) s( ~) 1 2,~) 25 ll 3. ~ D C... ~ 6. Taulukko : Yhteenveto jaykistysseinan suurimman liitinvoiman ja ylareunan vaakasuoran kokonaissiirtyman maarituimiseen tarvittavista kertoimista Mitoitustyon helpottamiseksi esitetaan taulukon 1 kaavoista maaritetyt kertoimet mitoituskuvaajien muodossa kuvissa 9 ja

10 p v t 4.0 / v / ct / / / v v a a Vl a a a 11 :if V 11 t a / / E Kuva 9: P-kerroin jaykistyslevyn sivusuhteen funktiona levyn eri kiinnitystapauksissa 43

11 y a E Kuva 0: y-kerroin jaykistyslevyn sivusuhteen funktiona levyn eri kiinnitystapauksissa 44

12 JAYKSTYSLEVYJA n KPL VEREKKAN y... ~ in in in in in in. j Nln N!nl 1 Nln Nln~ 1 Nln Nln~ jnin N!nl 11\( Nln~ 1 N/n N/n ~ in in in in in in,. X N/n n N/n Kuva : Jaykistysseina, jossa levyja 11 kpl vierekka in Tarkastellaan kuvan 11 mukaista seinarakennetta, jossa on n kpl x-kokoisia jaykistyslevyja vierekkain. Vierekkaiset levyt oletetaan naulatuksi samoihin runkotolppiin. Vaakavoima jakaantuu nyt tasan jokaisen levyn osalle, jolloin saadaan suurin liitinvoimafja kokonaissiirtyma 8 (15) 1 ( c 2 ) 8 = - ( ) = n n N Q 1- k 3 Gt n (16) Vierekkaisista levyista kohdistuu runkotolppiin toisensa kumoavat pystyvoimat N n n (17) Reunimmaisissa runkotolpissa tama voima N/n on ankkuroitava perustuksiin. 45

13 JA YKSTYSLEVY JA m KPL PAALLEKKAN y. jn N~ m, :t N N ~: jn N~ mn mn X > Kuva 12: Jaykistysseina, jossa levyja m kpl paallekkain Jos x-kokoisia jaykistyslevyja on kuvan 12 mukaisesti m kpl paallekkain, on rasitustila sama kuin yhden levyn tapauksessa. Sen sijaan kokonaissiirtyma 8 on paallekkaisten levyjen siirtymien summa eli (18) Reunimmaisten runkotolppien ankkurointivoima mn on nyt 46

14 mn=m (19) JA YKSTYSLEVY JAn KPL VEREKKAN JA m KPL P AALLEKKAN ~ ~.. in in in in in in j Nln Nln j Nln Nln ~ j Nln Nln j N!n Nln j N!n Nlnj Nln Nlnj in in in in in in ~. ~ ~ in in lu in in in :t Nln Nln.!- :t Nln Nln! :t Nln Nln!: jnin Nln j : N!n Nln~;j Nln Nlni ; in in in in in - in in in in in in in Nln Nlnj Nln Nlnj Nln Nln j N!n Nln+ N!n Nln j Nln Nln j in in in in in in X > mn/n :>+<- ---->+< n mn/n Kuva 13: iykistysseina, jossa levyja n kpl vierekkain jam kpl paallekkain Edella esitetyn perusteella saadaan kuvan 13 mukainen tapaus, jossa x-kokoisia jaykistyslevyja on n kpl vierekkain ja m kpl paallekkain. Suurin liitinvoima f ja kokonaissiirtyma o on nyt (20) 47

15 (21) Reunimmaisten runkotolppien ankkurointivoima mn/n on siten mn n m n (22) JAYKSTYSSENAN ANKKURONT Kansiruuvi Runkotolppa Alaohjauspuu Laffaterds LT-konenau/a " Kansiruuvi Runkotolppa Alaohjauspuu Laffaterds Kuva 14: iykistyseinan ankkurointi Seinarakenne ankkuroidaan vaakavoimaa vastaan alaohjauspuustaan liukumattomasti perustuksiin. Ankkurointi tapahtuu esimerkiksi kuvan 14 mukaisesti saannollisin valein sijoitettavilla LT-konenauloilla, joille tarkistetaan ehto (23) jossa.. on liitokseen kohdistuva laskentaleikkausvoima..d on liitoksen laskentaleikkauslujuus Ankkurointi pystyvoimaa m!n vastaan tapahtuu esimerkiksi kuvan 14 mukaisesti reunimmaisista runkotolpista lattateraksilla, joille tarkistetaan vastaavasti ehto 48

16 m < - td n (24) JOssa m!n on lattaterakseen kohdistuva laskentavetovoima ~d on lattateraksen laskentavetolujuus Lattateras kiinnitetaan runkotolppaan esimerkiksi kansiruuv~illa, joiden lukumaara saadaan jakamalla laskentavetovoima m!n liitoksen laskentaleikkauslujuudella. LADEKRJALLSUUS ll Kmiesmaa, M.; Puurakenteet 4, Laskentamenetelmat, Rakentajain Kustannus Oy, elsinki /2/ Kallsner,.; Skivor som vindstabiliserande element vid traregelvaggar, Trateknik Rapport Nr 56, Trateknik Centrum, Stockholm, /3/ Kallsner,.; Windaussteifung von Wandkonstruktionen im olzskelettbau mit Plattenwerkstoffen, auen mit olz 6/1983. /4/ Leskelii, J.; Puulevyjaykisteisen seina- ja yipohjarakenteen staattinen toiminta ja mitoitus, Diplomityo, Oulun Yliopisto, /51 Rautakorpi,., Leppanen, P.; Kantavien levyseinien laskentaohjeita, Valtion teknillinen tutkimuskeskus, Rakenteiden mekaniikan laboratorio, tiedonanto 3, Otaniemi /6/ RlL ; Puurakenteiden suunnitteluohjeet, Suomen Rake1musinsinoorien Liitto RlL ry, elsinki armo Leskela, D Oulun yliopisto Rakentamistekniikan osasto PL Oulu Mikko Kilpelainen, professori Oulun yliopisto Rakentamistekniikan osasto PL Oulu 49