PUURAKENTEISEN TEOLLISUUSHALLIN RAKENTEIDEN SUUNNITTELU

Transkriptio

1 PUURAKENTEISEN TEOLLISUUSHALLIN RAKENTEIDEN SUUNNITTELU LAHDEN AMMATTIKORKEAKOULU Puutekniikan koulutusohjelma Puutekniikan suuntautumisvaihtoehto Opinnäytetyö Kevät 008 Tuomo Virtanen

2 Lahen ammattikorkeakoulu Puutekniikan koulutusohjelma VIRTANEN, TUOMO: Puurakenteisen teollisuushallin rakenteien suunnittelu Puurakennetekniikan opinnäytetyö, 7 sivua, 18 liitesivua Kevät 008 TIIVISTELMÄ Tämä opinnäytetyö käsittelee liimapuurakenteisen teollisuushallin rakenteien suunnittelua. Työ on toteutettu kuvitteellisen teollisuushallin pohjalta. Työn tavoitteena on perehtyä puurakenteisen teollisuushallin rakennesuunnitteluun sekä syventää tietoja euronormien mukaisesta rakenteien mitoittamisesta. Rakenteet on pyritty suunnittelemaan siten, että ne on mahollista toteuttaa esivalmistettuina elementteinä, jotka ovat nopea asentaa. Tällöin hallin rakenteet saaaan säältä suojaan mahollisimman pikaisesti. Euronormit korvaavat Suomen rakennusmääräyskokoelman B-osan vuonna 010. Tässä työssä käsiteltävän hallin rakenteet on mitoitettu näien uusien normien mukaan. Osana työtä on laaittu taulukkolaskentapohjainen liimapuupilareien ja harjapalkkien mitoitusohjelma, josta saatavia rakenteien imensioita voiaan käyttää arkkitehtisuunnitelmien lähtötietoina. Työn tuloksena esitetään liimapuurunkoisen teollisuushallin puurungon lujuuslaskelmat ja niistä tarvittavat rakennepiirustukset. Myös katon ja ulkovuorausseinien elementtisuunnitelmat sekä yksi esimerkkikuva molemmista elementeistä on esitetty. Liitteenä on c-levyllä Microsot Excel tieosto, joka sisältää pilarin ja harjapalkin mitoitusohjelman (Liite 15). Euronormit ovat olleet marraskuusta 007 alkaen rinnakkaiskäytössä Suomen rakennusmääräyskokoelman kanssa. Siirtymävaiheen etenemistä voi seurata ympäristöministeriön internetsivuilta Teollisuushallin rakennesuunnittelu vaatii hyvää lujuusopin tuntemusta. Suuret jänne- ja kehävälit johtavat liitosten ja tukirakenteien suuriin kuormituksiin. Erityisesti hallirakenteen jäykistys ja kuormitusten johtaminen perustuksille on haastavaa. Avainsanat: rakennesuunnittelu, euronormi, teollisuushalli, elementtirakenteet

3 Lahti University o Applie Sciences Faculty o Technology VIRTANEN, TUOMO: Designing the structures o a wooen inustrial hall Bachelor s Thesis in Woo Technology, 7 pages, 18 appenices Spring 008 ABSTRACT This stuy eals with the construction project o a wooen inustrial hall. The stuy is base on a ictional prouction hall. The goal o the thesis is to get acquainte with esigning the structures o an inustrial hall using Eurocoe-base imensioning. The structures are esigne to be easy to manuacture as pre manuacture elements which are quick to assemble on site. This is important or getting construction uner protection against weather. The output o the thesis is stability calculations o the timber rame an the require structural rawings. One example element or exterior wall an roo is also presente. Part o the thesis is a spreasheet-base imensioning program or a rige beam an a column mae o glue laminate lumber. This program is attache in a CD ormat. Since November 007 the Eurocoes have been use in parallel with the national builing coe o Finlan. Some errors have been oun an correcte in the instructions or imensioning. The current version o the coe can be seen in the internet pages o the Ministry o the Environment. Construction esigning o an inustrial hall requires a knowlege o stability. A large span an perimeter leas to high tensions to joints. The bigger the construction is the more attention has to be pai to stiening o structures an transerring loas to the groun. Keywors: construction esigning, Eurocoe, inustrial hall, preabricate elements

4 SISÄLLYS LYHENTEET JA KÄSITTEET 1 1 JOHDANTO SUUNNITTELU 3.1 Suunnittelu yleisesti 3. Teollisuushallin arkkitehtoniset päälinjat 4.3 Runkojärjestelmän valinta 5.4 Paloluokan valinta 6.5 Rakennuksen jäykistys 6.6 Seinäelementit 8.7 Kattoelementit 8.8 Rakennuskohteen perustieot Rakenteellinen järjestelmä 9.9 Liitokset Pilarin ja palkin liitos Pilarin ja perustusten liitos Harja- ja sekunääripalkin liitos 13 3 LUJUUSLASKELMAT Harjapalkki Kuormitukset Käyttörajatila Murtorajatila Voimasuureet Materiaalitieot Liimapuu GL Mitoitus Esimitoitus Jännitykset Taivutusjännitys harjalla Taivutusjännitys vaarallisimmalla poikkileikkauksella (vino reuna) Taivutusjännitys (suora reuna) Syitä vastaan kohtisuora vetojännitys harjavyöhykkeellä 1

5 Taipuma 3. Päätypalkki Päätypalkin kuormitukset Päätypalkin mitoitus Sekunääripalkki Materiaalitieot Kerto-S Sekunääripalkin kuormitukset Sekunääripalkin mitoitus Pilarit Kuormitukset Lähtötieot Tuulikuorman määrittäminen Pääpilarien kuormitus Tuulikuormitus rakennuksen pitkässä suunnassa Tuulipilarin kuormitus Vetoteräksille kohistuva kuormitus Päätypilarin kuormitus Pääpilarin mitoitus Tuulipilarin mitoitus Päätypilarin mitoitus Jäykistys Seinärakenteien jäykistys Kattorakenteien jäykistys 60 4 ELEMENTOINTI Seinäelementit Seinäelementin liitos perustuksiin Seinäelementtien liitos toisiinsa 6 4. Kattoelementit 64 5 MITOITUSOHJELMA Harjapalkin mitoitus mitoitusohjelmalla Mastopilarin mitoitus mitoitusohjelmalla YHTEENVETO 69

6 LYHENTEET JA KÄSITTEET SRakMk Suomen rakentamismääräyskokoelma Eurokooit Kantavien rakenteien suunnittelua ohjaavia stanareja, joita käytetään yhessä kansallisten liitteien kanssa. k-jako Etäisyys keskeltä keskelle. Esitetään muoossa k600 tai k/k 600, jossa luku tarkoittaa etäisyyttä millimetreinä (mm). EC1 EUROCODE 1: Suunnitteluperusteet ja rakenteien kuormat. EC5 EUROCODE 5: Puurakenteien suunnittelu. k e Virumisen ja kosteuen yhteisvaikutuksen huomioiva kerroin, jota otetaan huomioon rakenteen muoonmuutoksia laskettaessa. k mo Kuorman vaikutusajan ja rakenteen kosteuen huomioon ottava kerroin

7 1 JOHDANTO Opinnäytetyössä perehyttiin puurakenteisen teollisuushallin suunnitteluun sekä tarvittaviin lujuuslaskelmiin. Lujuuslaskelmissa käytettiin mitoitusperusteena eurokooeja eli eurooppalaisia stanareja. Perehtyminen toteutettiin suunnittelemalla liimapuurakenteinen teollisuushalli pilari-palkki -menetelmällä. Työssä on esitetty tarvittavat puurakenteien rakennepiirustukset sekä lujuuslaskelmat. Euronormit korvaavat niihin rinnastettavat rakenteien kantavuutta koskevat tekniset ohjeet, jotka nyt sisältyvät Suomen rakentamismääräyskokoelman B-osaan. Euronormeja käytetään yhessä kansallisten liitteien kanssa. Tällä hetkellä käytössä ovat molemmat ohjeet rinnakkain, mutta euronormit tulevat korvaamaan SRakMK:n vuoteen 010 mennessä. Euronormit ovat yhteiseurooppalainen rakennusten suunnittelua ohjaava määräyskokoelma, joka mahollistaa rakenteien suunnittelun samalla ohjeistuksella kaikkialla Euroopassa. Tämä helpottaa rakennusten ja rakenneosien kauppaa muihin EU-maihin. Euronormit ovat kuitenkin SRakMK:aa huomattavasti laajempi kokonaisuus, joten niien käyttö vaatii suunnittelijalta laajempaa teoreettista tietämystä rakenteien mekaniikasta.

8 3 SUUNNITTELU.1 Suunnittelu yleisesti Rakennusalalla jaetaan suunnittelu kolmeen pääryhmään: arkkitehti-, rakenne- ja talotekniikan suunnitteluun. Tässä opinnäytetyössä on keskitytty rakennesuunnitteluun. Arkkitehtoninen suunnittelu on rajattu vain julkisivukuvien laatimiseen. Arkkitehtisuunnittelun tehtävänä on sulauttaa rakennus ympäristöön, kartoittaa rakennuttajan tarpeet ja suunnitella tilat niien mukaisesti. Näitä asioita ei ole tässä opinnäytetyössä käsitelty. Myös talotekniikka on rajattu tämän aihealueen ulkopuolelle. Rakennesuunnittelun tarkoituksena on luoa rakennukselle toimiva rakennejärjestelmä arkkitehtisuunnitelmien pohjalta. Toimivalla tarkoitetaan tässä yhteyessä sellaista järjestelmää, joka on rakennusysiikan ja statiikan kannalta oikea sekä talouellisesti toteutettavissa. Rakenteen tulee soveltua käyttöolosuhteisiin ja kestää koko rakennuksen suunnitellun käyttöiän. Suunnittelu on erittäin tärkeä osa rakennushanketta. Suunnitteluvaiheessa siotaan suurin osa kustannuksista, eikä niihin rakennusvaiheessa voi enää juurikaan vaikuttaa. Suunnittelun osuus kustannuksista on kohteen luonteesta riippuen kuitenkin vain joitakin prosentteja. Siitä syystä suunnitteluun kannattaa varata riittävästi aikaa ja resursseja. Hyvät suunnitelmat ovat selkeitä ja yksiselitteisiä. Rakenneosien tulee olla selkeästi ja johonmukaisesti merkitty ja/tai numeroitu. Suunnitelmissa esitetään riittävä määrä etaljeja, joista selviävät rakenne ja rakenteien kiinnitykset. Detaljeja ja leikkauskuvia kertyy helposti suuri määrä, joten ne tulisi niputtaa loogisesti toisiinsa, jolloin maholliset muutokset päivittyisivät jokaiseen kuvaan. Helpointa olisi käyttää suunnitteluohjelmaa, johon mitat syötettäisiin muuttujien arvoina. Silloin ohjelma korjaisi jokaisen kuvan tieot jotain muuttujan arvoa muutettaessa. Erityistä huomiota tulisi kiinnittää suunnitelmien virheettömyyteen. Virheet johtavat tuotannon hiastumiseen ja turhiin kuvien tarkistuksiin toteutusvaiheessa.

9 4 Suunnittelijan tulisikin kehittää menetelmä, jolla suunnitelmat ees osittain tarkistettaisiin ennen niien tuotantoon päätymistä. Esimerkiksi toisen ammattilaisen olisi hyvä käyä läpi kuvat ja laskelmat. Tällöin yleissilmäys ja satunnaisesti poimittujen mittojen tarkistaminen yleensä riittää. Toki tulee ottaa huomioon suunnitelmien vaativuus ja laajuus.. Teollisuushallin arkkitehtoniset päälinjat Tässä opinnäytetyössä on suunniteltu kuvitteellinen teollisuushalli. Hallin kantava runko on liimapuisena toteutettu pilari-palkki -järjestelmä. Palkiksi on valittu harjapalkki, jolloin katolle on saatu tarvittava kaato veen pois johtamiseksi. Näin toteutettu kaato on turvallinen ratkaisu kosteusysiikan kannalta. Liimapuiset rakenteet on myös tarvittaessa helppo palomitoittaa. Teollisuushallissa palokuorma saattaa muoostua suureksi, jonka vuoksi rakenteien yksinkertainen palomitoitus on tärkeä tekijä. Rakennus vuorataan kantavan rungon ympärille asennettavilla elementeillä. Kertopuusta rakennettavan vuorauksen sisään saaaan sijoitettua tarvittava lämmöneristekerros. Eristeenä on tässä rakennuksessa käytetty mineraalivillaa. Seinärakenne vuorataan puupaneloinnilla. Opinnäytetyön teollisuushalli on huoneistoalaltaan 840 m. Hallin päämitat ovat 0m * 4m. Halli sopii kooltaan monenlaiseen toimintaan; sisätilat ovat avointa tilaa ilman kantavia välirakenteita ja hallin muoto mahollistaa laajennuksen rakennuksen joka suuntaan. Usein teollisuushalliin halutaan hallinosturi, joka sijoitetaan kantaviin rakenteisiin. Rakennuksen kantavat rakenteet tulee siinä tapauksessa mitoittaa nosturin ynaamisia kuormituksia vastaaviksi (liikekuormat, jarrukuormat jne.). Nosturin kuormitukset vaihtelevat nosturimerkkien ja -mallien mukaan. Kuormitustieot on aina tarkistettava haluttua nosturia vastaavaksi. Nosturin kuormitukset selviävät

10 5 nosturivalmistajalta. Tässä työssä ei ole otettu huomioon hallinosturin kuormituksia..3 Runkojärjestelmän valinta Teollisuuessa tarvitaan usein tasakorkuista tilaa, jonka korkeus ja leveys suunnitellaan rakennuksessa tapahtuvan toiminnan tarpeien mukaisesti. Tavoite saavutetaan yleensä yksi- tai useampiaukkoisella pilari-palkki -rakenteella, joka mahollistaa rakennuksen laajentamisen (Puuhallin suunnittelu). Liimapuinen runko on usein järkevä valinta teollisuushallin kantavaksi järjestelmäksi. Se mahollistaa yksinkertaisen palomitoituksen toteutuksen, pitkät jännevälit sekä suurehkot aukot seinärakenteissa. Tässä opinnäytetyössä esitetyn tuotantohallin kantavaksi järjestelmäksi voiaan harkita jännevälistä, käyttötarkoituksesta ja kustannussyistä johtuen harjapalkkia, bumerangipalkkia, vetotangollista palkkikannattajaa tai kolminivelkehää. Näistä harjapalkki on varteenotettava vaihtoehto yksinkertaisen rakenteensa vuoksi. Harjapalkilla saavutetaan valmis kattokaltevuus. Yksinkertaisen rakenteensa vuoksi se on myös eullinen. Harjapalkin korkeus kasvaa jännevälin puoliväliä lähestyttäessä, joten palkin geometria vastaa kasvavaa taivutusjännitystä. Tämä johtaa kustannustehokkaaseen rakenteeseen. Harjapalkki mahollistaa myös melko vapaan kuormien kiinnityksen sijoittelun palkkirakenteisiin. Mikäli esimerkiksi ilmastointiputkien pitkittäisveot olisi saatava kattorakenteien sisään, voisi vetotangollinen palkkikannattaja tai kolminivelkehä olla harjapalkkia parempi vaihtoehto. Tässä opinnäytetyössä ilmanvaihtoputkien pitkittäisveot voiaan toteuttaa hallin sivuilla palkin ja pilarin liitoskohissa. Tarvittaessa putkistot koteloiaan. Sivuttaisveot voiaan toteuttaa harjapalkkien väleissä.

11 6.4 Paloluokan valinta Palomääräykset asettavat paloluokasta riippuen vaatimuksia teollisuushallin rakenteille. Palomitoitus tehään SRakMk:n E-osaan perustuen. Palovaarallisuusluokka sekä suojaustaso määräävät teollisuushallin paloluokan. Henkilömäärää ei yksikerroksisessa tuotantorakennuksessa ole rajoitettu. Hallin koko on myös vapaasti valittavissa, mutta rakennus on tarvittaessa jaettava palo-osastoihin. Paloosastojen koko on riippuvainen paloluokasta. Yksikerroksisen tuotantorakennuksen korkeus on paloluokassa P3 rajattu 14 metriin. Paloluokissa P1 ja P rakennuksen korkeus on rajoittamaton. Opinnäytetyön teollisuushallin tarkempaa toimintaa ei ole määritelty. Tämän opinnäytetyön teollisuushalli voiaan suunnitella paloluokkaan P3 kuuluvaksi. Rakennus suunnitellaan palovaarallisuusluokkaan kaksi () kuuluvaksi, jolloin sillä on pienemmät käyttörajoitukset ja parempi jälleenmyyntiarvo. Palovaarallisuusluokasta kaksi () johtuen rakennuksen suojaustason tulee olla luokkaa kolme (3)..5 Rakennuksen jäykistys Rakennus tulee jäykistää joka suunnalta tuulikuormaa vastaan. Lyhyen sivun suunnassa jäykisteenä toimivat harjapalkkeja kantavat pilarit. Pilarit kiinnitetään alapäästään jäykästi, joten ne toimivat mastorakenteina johtaen tuulikuorman perustuksille. Pilareien käyttö jäykistykseen on talouellista, koska katon pääkannattajat vaativat tukipinta-alaa palkin syitä vastaan kohtisuorien puristusjännitysten vuoksi. Tästä syystä pilareien mitoitus jäykistäviksi rakenteiksi ei mainittavasti kasvata niien poikkileikkausta. Rakennuksen pitkän suunnan jäykistykseen on useita vaihtoehtoja. Yksi vaihtoehto on jäykistää rakennus seinäelementtien avulla, suunnittelemalla elementit niin, että niitä voiaan käyttää levyjäykisteenä. Tämä johtaisi kuitenkin vaativiin liitosrakenteisiin elementtien ja kantavien pilareien välillä ja rajoittaisi hallin oviaukkojen sijoittelua. Toinen vaihtoehto on johtaa päätyseinän keräämä tuulikuorma sekunääripalkkien avulla harjapalkkeja kannatteleville pilareille. Tuulikuorma jaetaan halutulle määrälle pilareita ja mitoitetaan pilarit sen mukaan mastoraken-

12 7 teiksi myös sivuttaiselle kuormitukselle. Myös sekunääripalkkien liitokset tulee mitoittaa tälle vaakavoimalle. Koska sekunääripalkkeja käytetään myös harjapalkkien kiepahuksen estämiseen, tulee näien kuormitusten yhteisvaikutus ottaa huomioon sekunääripalkkien liitoksia mitoitettaessa. Kolmas vaihtoehto on jäykistää rakennuksen pitkä suunta pilareien väliin sijoitettavilla puisilla tai metallisilla tuuliristikoilla. Metallisten tuuliristikoien liitosten suunnittelu on yksinkertaisempaa. Ellei arkkitehtonisista syistä toisin haluta, on metallisten tuuliristikoien käyttö perusteltua. Tuuliristikko voiaan sijoittaa periaatteessa mihin tahansa pilariväliin rakennuksen sivulla. Tässä työssä on pääytty metallisten tuuliristikoien käyttöön rakennuksen pitkän suunnan jäykistämisessä. KUVIO 1. Tuuliristikko rakennuksen pitkällä seinällä. Tuuliristikon metallitangot mitoitetaan vetotankoina. Vetotanko mitoitetaan tuulikuorman F,tuuli tangon suuntaista komponenttia vastaan (Kuvio 1). Tuuliristikon mitoitus on esitetty kohassa

13 8.6 Seinäelementit Kantava runko on vain osa hallia. Usein hallin seinistä halutaan lämpöä eristävät, jolloin ne pitävät hallin lämpimänä tai viileänä, toiminnasta ja vuoen ajasta riippuen. Lisäksi halli tarvitsee ulko- ja sisävuorauksen, tuulensuojan sekä höyrynsulun suojaamaan rakennetta maholliselta sisäpuoliselta kosteuelta. Koko eellä esitetty seinärakenne toteutetaan asentamalla seinäelementit kantavan rungon ympärille. Koska kantavien pilareien etäisyys toisistaan on pitkä, kannattaa seinäelementit suunnitella vaakatasoon asennettaviksi. Elementit valmistetaan pääasiassa 1 metriä leveiksi ja metriä korkeiksi, jolloin elementtejä on mahollista kuljettaa ja käsitellä. Opinnäytetyössä esitetään seinä- ja kattoelementtien jako sekä niien liitosperiaatteet. Sekä seinä- että kattoelementeistä on laaittu yhen elementin rakennekuva, jonka mukaisesti kyseisen elementin voi valmistaa. Kaikkia rakennuksen elementtejä ei ole esitetty, koska se ei opinnäytetyön tavoitteet ja laajuus huomioon ottaen ole tarkoituksenmukaista..7 Kattoelementit Kantavien harjapalkkien päälle asennetaan kattoelementit, jotka koostuvat sekunääripalkkien sisään asennettavasta mineraalivillasta, villan alle tulevasta kipsilevystä sekä päälle asennettavista palkeista ja aluslauoituksesta. Kattoelementit sisältävät myös höyrynsulkumuovin ja aluskatteen. Peltikate asennetaan aluslauoituksen päälle rakennuspaikalla elementtien asennuksen jälkeen.

14 9.8 Rakennuskohteen perustieot Kohteen nimi Teollisuushalli Opinnäytetyö Pääasiallinen käyttötarkoitus Tuotantohalli Rakenteien vaativuusluokka A Seuraamusluokka CC Paloluokka P3 Pääasiallinen rakennustapa Elementtirakentaminen Kokonaiskorkeus 8,0 m Huoneistoala 840 m.8.1 Rakenteellinen järjestelmä Perustamistapa Seinäanturat + pilarianturat Ulkoseinät: Kantavat LP-pilarit + seinä 48x173 k600 Yläpohja: Ulkoseiniltä tuetut LP harjapalkit k6000 Rakennuksen jäykistys: Erillisen suunnitelman mukaan

15 10.9 Liitokset Tässä yhteyessä on esitetty tärkeimmät liitokset. Kaikkia liitoksia ei työn laajuus huomioon ottaen ole mielekästä esitellä..9.1 Pilarin ja palkin liitos Pilarin ja palkin liitos toteutetaan nivellettynä liitoksena, joka siirtää vaaka- ja pystyvoimia. Liitos ei estä palkin kulmanmuutosta eikä näin ollen siirrä momentteja. Jos kulmanmuutos estettäisiin, liitokseen syntyisi ylimääräisiä jännityksiä, jotka voisivat johtaa liimapuupilarin tai -palkin vaurioitumiseen (Liimapuu Käsikirja 003). Harjapalkin ja pilarin kiinnitykseen sopiva liitos on esitetty kuviossa. Tällainen liitos mahollistaa palkin kulmanmuutoksen sekä siirtää voimia pysty- ja vaakasuunnassa. Liitos myös jossain määrin estää palkkia kiepahtamasta. Tätä kiepahuksen estävää vaikutusta ei ole tämän opinnäytetyön laskelmissa otettu huomioon. Pultteja varten tehtävät reiät tehään pystysuunnassa soikeiksi, jolloin palkin kosteuselämistä ei estetä. Harjapalkkiin asennettavat pultit sijoitetaan palkin alareunaan. Tällöin palkki voi mahollisten kosteusvaihteluien vuoksi elää ilman, että liike aiheuttaa halkeamia palkkiin. Rakennuksen pääyissä on harjapalkkien sijasta tasakorkuiset, poikkileikkaukseltaan pienemmät palkit pienemmän kuormankantotarpeen vuoksi.

16 11 KUVIO. Harjapalkin ja pilarin liitos..9. Pilarin ja perustusten liitos Pilarit mitoitetaan mastopilareiksi jäykistämään rakennus tuulikuormituksia vastaan. Tästä syystä pilarin ja perustusten välisen liitoksen tulee siirtää tuulikuorman suunnassa myös momenttikuormia. Näitä liitoksia ei tässä työssä ole mitoitettu, vaan niistä on esitetty yksi vaihtoehto, jonka toteutettavuuen rakennesuunnittelija erikseen määrittää.

17 1 KUVIO 3. Pilarin liitos perustuksiin. Tuulikuormituksen suunnassa momentin suhteen jäykkä liitos toteutetaan Peikko LPK-30 -pilarikengällä (Kuvio 3). Liimapuupilariin sahataan tehtaalla lovet ja asennetaan pilarikengät, kuten on esitetty liitteissä Pilarikenkien asennuksen jälkeen pilareihin porataan tappivaarnoille reiät, halkaisijaltaan 1 mm. Reiät porataan samanaikaisesti sekä pilarin että vaarnalevyjen läpi. Porauksen jälkeen asennetaan vaarnatapit (Puupilarikengät 000). Rakennuspaikalla pilari nostetaan paikalleen ja kiinnitetään muttereilla perustuksiin valettuihin kierretankoihin. Pilarin korko ja asento tarkistetaan. Asennuksen jälkeen pilarin alle tehään jälkivalu. Jälkivalua tehtäessä tulee varmistaa, että pilarin ja valun väliin on asennettu bitumihuopa kosteuskatkoksi. Kyseinen pilarikenkä ei sovellu ynaamisille kuormituksille, joita voisi aiheutua esimerkiksi hallinosturin jarrukuormista. Jälkivalu tulee rauoittaa, mutta rauoitusta ei tässä yhteyessä ole esitetty.

18 Harja- ja sekunääripalkin liitos Sekunääripalkit estävät harjapalkkien kiepahuksen. Kyseinen liitos tulee suunnitella siten, että se mahollistaa kiepahusvoiman siirtämisen. Kattorakenne toteutetaan elementteinä, jolloin eellä mainittu liitos suunnitellaan siten, ettei se riko kattorakenteen höyrynsulkumuovia. Liitoksen pitää olla sekä nopea että yksinkertainen asentaa. Tässä työssä harja- ja sekunääripalkin liitos on toteutettu asentamalla kulmarauat kattoelementteihin. Kyseinen liitos ei mainittavasti heikennä höyrynsulun toimintaa. Kun kattoelementti on rakennuspaikalla nostettu paikalleen, kiinnitetään elementti ankkurinauloilla harjapalkkiin (Kuvio 4). KUVIO 4. Harja- ja sekunääripalkin liitos.

19 14 3 LUJUUSLASKELMAT 3.1 Harjapalkki Kuormitukset KUVIO 5. Hallin päämitat ja k-jako. KUVIO 6. Harjapalkki.

20 15 Alla esitetyt kuormitukset ovat staattisia kuormia, joita vastaan rakenne mitoitetaan. Rakenteen omapainon määrää käytetty materiaali ja lumikuorma saaaan euronormeista rakennuspaikkakunnan mukaan. Kuormitukset annetaan muoossa kn/m tai kn/m. Mitoitusta varten kaikki kuormitukset muutetaan muotoon kn/m. Harjapalkin jänneväli ja k-jako on esitetty kuviossa 5. Laskuissa otetaan huomioon osavarmuuskertoimet, joilla lisätään rakenteen turvallisuutta. Lähtötieot Jänneväli L 0000mm Kehäväli k 6000mm Kattorakenteen paino g k1 1,0kN/m Harjapalkin omapaino g k 0,9kN/m Lumikuorma q k1,5kn/m Pysyvän kuorman osavarmuuskerroin γg 1, Muuttuvan kuorman osavarmuuskerroin γq 1, Käyttörajatila Käyttörajatilan kuormituksia käytetään rakenteen muoonmuutosten laskemiseen. Käyttörajatilan kuormituksissa ei huomioia kuormien osavarmuuskertoimia. P k,pysyvä k*g k1 +g k 6m*1,0kN/m +0,9kN/m 6,9kN/m P k,keskipitkä k*q k 6m*,5kN/m 15,0kN/m

21 Murtorajatila Murtorajatilan kuormituksia käytetään rakenteen lujuuen mitoittamiseen. P on rakenteelle laskettu viivakuormitus (kn/m), joka sisältää rakenteien osavarmuuskertoimet. P k*( γ g *g k1 +γ q *q k )+γ g *g k 6m*(1,*1,0kN/m +1,5*,5kN/m )+1,*0,9kN/m 30,78kN/m Voimasuureet Voimasuureet on laskettu murtorajatilan kuormituksella harjapalkin mitoittamiseksi. M on taivutusmomentti ja V harjapalkin tukireaktio palkin molemmalla tuella. P * L 30,78kN / m *(0m) M 1539kNm 8 8 V P * L 30,78kN / m * 0m 307, 8 kn

22 Materiaalitieot Liimapuu GL3 Liimapuun sallitut lujuusarvot on esitetty liitteessä 1. Nämä arvot tulee kuitenkin muuttaa käyttö- ja aikaluokkaan sopiviksi kertoimella k mo. Mitoitettaessa puurakenteita, puun lujuutta alennetaan kertoimella 1,3. KÄYTTÖTILA AIKALUOKKA Keskipitkä kmo 0,8 3N / mm * mm m, k m, kmo 0,8* 19,7N / γ m 1,3 3,5N / mm * mm v, k v, kmo 0,8*,15 N / γ m 1,3 6,0N / mm * mm c,90, k c, 90, kmo 0,8* 3,69N / γ m 1,3 0,45N / mm * mm t,90, k t, 90, kmo 0,8* 0,8N / γ m 1,3 E mean mm 0, N / E mm 0,05 N / G mean 840N / mm

23 Mitoitus Esimitoitus Tässä työssä harjapalkin mitoitus on suoritettu valitsemalla palkille mitat ja tämän jälkeen laskemalla jännitykset tarvittavissa kohissa. Toinen tapa olisi ratkaista imensiot jännitysten unktioina. Mitoittava jännitys vaihtelee kuitenkin kuormitusten ja jännevälin mukaan, joten samat kohat jouuttaisiin joka tapauksessa tarkistamaan. Palkin leveys valitaan saatavilla olevista vakioleveyksistä. Muuten harjapalkki valmistetaan asiakaskohtaisesti, joten korkeuet h 1 ja h voiaan mitoittaa vapaasti, höyläyskalustosta johtuen kuitenkin yleensä korkeintaan kaksi metriä korkeaksi. Jännevälin maksimi voi olla valmistusteknisesti jopa 60 metriä. Valitaan palkin leveys, b 15mm Palkin teoreettinen minimikorkeus voiaan laskea alla kaavan mukaisesti. h 1 3* V * b * v, 3 3*307,8*10 N h1 999mm * 15mm *,15 N / mm Palkin teoreettinen minimikorkeus voiaan johtaa ratkaisemalla leikkausjännityksen kaava korkeuen h 1 suhteen. Usein teoreettinen minimikorkeus on riittämätön ja korkeueksi h 1 valitaan sitä suurempi arvo. Palkin toellinen mitoitus selviää kohassa Jännitykset. Valitaan korkeueksi h 1 100mm. Harjakorkeus h saaaan laskemalla L mm h h1 + tanα * 100mm + * 185mm 16

24 Jännitykset Taivutusjännitys harjalla Ratkaistaan kerroin kl k l k 1+ 1,4* tanα + 5,4* tan α 1+ 1,4* + 5,4 * ,109 δ 6* M 6 *1539*10 Nmm * mm 6 m, α, kl 1,109* 14,30N / b * h 15mm *(185mm) Tarkistetaan, että δ (7,6%) OK m, α, m, Taivutusjännitys vaarallisimmalla poikkileikkauksella (vino reuna) Taivutusjännitys kasvaa tuelta palkin puoliväliä lähestyttäessä, samoin harjapalkin korkeus ja kyky ottaa vastaan kyseinen jännitys. Määräävä taivutusjännityksen arvo suhteessa harjapalkin korkeuteen löytyy harjapalkin kolmasosapisteistä eli etäisyyen L/3 päässä tuesta. Taivutusjännitys jakautuu palkin poikkileikkauksessa kuvion 5 osoittamalla tavalla. Alla esitetyt taivutusjännityksen kaavat ovat voimassa, kun katon kaltevuus α 10. KUVIO 7. Taivutusjännityksen jakautuminen harjapalkin vinolla reunalla (RIL ).

25 0 h1 L 100mm 0000mm 1 h määr * * tanα + h1 * * + 100mm 1611mm h 185mm 16 ( mm 6 6* M 1 6*1539 *10,, 1 4* tan ) * Nmm δ m α α 1 4 * * 16,9N / b * h 16 15mm * (1611mm ) määr α 3,576 m, α, m, c,90, m, * sin α + cos α 19,7N / mm 3,67 N / mm * 19,7N / mm ( sin( 3,576) ) + ( cos( 3,576) ) 19,37N / mm Tarkistetaan, että δ (84,1 %) OK m, α, m, α, Taivutusjännitys (suora reuna) Taivutusjännitys tarkastetaan myös harjapalkin alapinnassa eli palkin suoralla reunalla. δ ( mm 6 6 * M 1 6 *1539 *10, 0, 1 4 * tan ) * Nmm m + α * * 16,81N / b * h 16 15mm * (1611mm ) määr Saatua taivutusjännityksen arvoa verrataan sallittuun taivutusjännityksen arvoon m,. σ m,0, < m, (85,3 %) OK

26 Syitä vastaan kohtisuora vetojännitys harjavyöhykkeellä Puun syitä vastaan kohtisuora lujuus on alhainen verrattuna syyn suuntaiseen lujuuteen. Tämän vuoksi tulee kohtisuora jännitys tarkistaa. Harjapalkeilla syitä vastaan kohtisuoraa vetojännitystä esiintyy harjavyöhykkeellä. Poikittainen vetolujuus riippuu suurimmaksi osaksi kuormitetun puutilavuuen suuruuesta eli kuormitustyypistä ja rakenneosan geometriasta (Liimapuu Käsikirja 003). Tästä syystä puun taivutuslujuuen arvoa on pienennettävä korjauskertoimella k vol. k vol k is V 0 V 0, jossa k is vakio, joka ottaa huomioon jännitysjakauman palkissa. Harjapalkilla 1,4. V 0 Vertailutilavuus (yleensä 0,01m 3 ) V Harjavyöhykkeen tilavuus m 3 Kattokaltevuuen ollessa alle kymmenen astetta voiaan käyttää seuraavaa mitoitusehtoa: δ 6* M t, 90, k P * kvol * t,90, b * h jossa k P kerroin, joka on harjapalkille 0,*tanα M taivutusmomentti b harjapalkin leveys h palkin harjakorkeus Esimerkkihallissa tilavuuen korjauskertoimeksi k vol saaaan:

27 k vol 1,4 ( 185mm) * 15mm 0,01m 3 ( 185mm) * 15mm * 1 16 *10 9 0, 0,6 Tämän jälkeen voiaan laskea poikittaisvetojännitys ja tarkistaa, että jännitys pysyy sallitulla raja-alueella. δ 1 6*1539 *10 Nmm 0 mm 16 15mm * (185mm) 6 t, 90,, * * 0,16 N / k vol t, 90, 0,6 *0,8N / mm 0,17 N / * mm t, 90, p k vol * t,90, δ (94,1 %) OK Taipuma Tasaisesti kuormitetun symmetrisen harjapalkin vertailutaipuma voiaan laskea seuraavasti (Liimapuu Käsikirja 003). u re qre * L * E * I e qre * L + 0,35* G * b * ( h + h 1 ) jossa q re vertailukuormitus 1,0 kn/m L harjapalkin jänneväli E 0,mean kimmomouli käyttötilassa I e eektiivinen neliömomentti, joka lasketaan alla olevan kaavan mukaan G mean liukumouli käyttötilassa Eektiivinen neliömomentti harjapalkille on (Liimapuu Käsikirja 003). b * ( h + 0,33* L * tan I e α )

28 mm * (100mm + 0,33* 0000*( ) I 16 e 7,51 *10 1 Vertailutaipumaksi u re saaaan: 10 mm 4 u re ,35* 840N / mm 4 1,0kN / m * 0000 * 13500N / mm *7,51 *10 mm 1,0kN / m * 0000 * 15mm * (100mm + 185mm) 10 4,31mm Vertailutaipuman avulla lasketaan harjapalkille pysyvän kuorman aiheuttama lopputaipuma ja muuttuvan kuorman aiheuttama lopputaipuma. Niien summana saaaan palkin lopullinen taipuma. Kuormitusten aiheuttamien taipumien laskennassa otetaan huomioon kuormitusten aikaluokka. Käyttörajatilan kuormitukset P k,pysyvä ja P k,keskipitkä on esitetty kohassa Pysyvän kuorman aiheuttama lopputaipuma: Pysyvän kuorman k e käyttöluokassa on 0,8 u k ) * u 1 Pk, pysyvä *(1 + e re u 6,9 *(1 + 0,8) *,31mm 8, 7mm 1 Muuttuvan kuorman aiheuttama lopputaipuma: Muuttuvan kuorman k e käyttöluokassa on 0,5 u k ) * u Pk, keskipitkä * (1 + e re u 15*(1 + 0,5) *,31mm 43, 3mm Lopullinen taipuma: u net u 1 + u u net 8,7mm + 43,3mm 7, 0mm (7,0 %) OK Taipumaa verrataan sallittuun taipumaan, joka EC1:n mukaan on lopulliselle taipumalle kattorakenteissa L/00 100mm.

29 4 3. Päätypalkki Rakennuksen päätyihin ei pienemmän kuormankantotarpeen vuoksi ole tarvetta sijoittaa harjapalkkeja vaan päätyihin mitoitetaan tasakorkuiset liimapuupalkit. Päätypalkkeja kuormittavat kattorakenteet, palkin omapaino sekä lumikuorma, mutta kuormitusleveys on vain puolet harjapalkeille jakautuvasta kuormasta. Myös päätypalkin omapaino on päätypalkilla pienempi kuin harjapalkilla. KUVIO 8. Päätypalkin staattinen malli Päätypalkin kuormitukset Päätypalkki kantaa puolet viimeisen pilarivälin lumikuormasta ja kattorakenteien painosta. Lisäksi päätypalkin kannettavaksi tulee päätyräystäien lumikuorma sekä rakenteien paino. Yhteensä päätypalkin kuormitusleveys on neljä (4) metriä. Päätypalkin paino 0,5 kn/m Kattorakenteen paino 1,0 kn/m Lumikuorma,5 kn/m Yllämainittujen kuormitusten summana saaaan päätypalkille kohistuva viivakuorma P. P 4m * (1,*1,0 kn / m + 1,5*,5kN / m ) + 1, *0,5kN / m 0,4kN / m

30 5 Viivakuorman avulla saaaan päätypalkin tukireaktiot, jotka kuormittavat pääty- ja tuulipilaria. N P * L 0,4kN / m *10m 10, 0 kn 3.. Päätypalkin mitoitus KUVIO 9. Päätypalkin vasemman tuen vapaakappalekuvio. Koska päätypalkki ei ole vaakatasossa, aiheuttaa palkkiin kohistuva kuormitus siihen myös puristusjännitystä. Puristusjännitys on kuitenkin loivan kattokaltevuuen vuoksi niin pieni, ettei sitä tässä yhteyessä tarkisteta. Päätypalkin mitoittava leikkausvoima Q on tukireaktion komponentti Ay, kuten on esitetty kuviossa 9. Taivutusmomentti aiheutuu kuormituksesta P. Valitaan palkin poikkileikkaukseksi 15 * 630mm ja tarkistetaan, että jännitykset pysyvät sallituissa rajoissa.

31 6 Leikkausvoima: Q Ay cos 3,576 *10,0kN 101, 8kN Leikkausjännitys: Q 101,8kN τ 1,5* 1,5* 1,13 N / mm A 15*630mm Tarkistetaan ehto: τ < v, (5,6 %) OK Taivutusmomentti: M q * L 8 0,4kN / m * (10m) 8 t 55, 0 knm Taivutusjännitys σ M 55,0 *10 6 t b Wt 15*630 6 Nmm mm3 17,93N / mm Tarkistetaan ehto: σ b < m, (91,0 %) OK

32 7 3.3 Sekunääripalkki Sekunääripalkit muoostavat kattoelementtien rungon. Sekunääripalkit on tässä yhteyessä mitoitettu yksiaukkoisina palkkeina. Suurimmaksi osaksi kattoelementit on toteutettu kaksiaukkoisina. Osa elementeistä on kuuen metrin pituisia, jolloin rakenne on yksiaukkoinen. Yksiaukkoinen rakenne johtaa hieman epäeullisempaan rakenteeseen ja muoostaa siten mitoittavan kuormitustapauksen. Sekunääripalkit valmistetaan Kerto-S palkeista Materiaalitieot Kerto-S Liimapuun sallitut lujuusarvot on esitetty liitteessä 1. Nämä arvot tulee kuitenkin muuttaa käyttö- ja aikaluokkaan sopiviksi kertoimella k mo. Mitoitettaessa puurakenteita, puun lujuutta alennetaan kertoimella 1,3. KÄYTTÖTILA AIKALUOKKA Keskipitkä kmo 0,8 50N / mm * mm m, k m, kmo 0,8* 30,8N / γ m 1,3 6,0N / mm * mm v, k v, kmo 0,8* 3,7 N / γ m 1,3 7,0N / mm * mm c,90, k c, 90, kmo 0,8* 4,3N / γ m 1,3 0,8N / mm * mm t,90, k t, 90, kmo 0,8* 0,5N / γ m 1,3 E mean mm 0, N / E 1000 mm 0,05 N / G mean 600N / mm

33 Sekunääripalkin kuormitukset L 6000mm k600 Rakenteen omapaino 1,0 kn/m Lumikuorma,5 kn/m P 0,6m *(1,5*,5kN / m + 1, *1,0kN / m ),97kN / m KUVIO 10. Sekunääripalkin kuormitus.

34 Sekunääripalkin mitoitus Sekunääripalkkia taivutetaan syrjän ja lappeen suunnassa samanaikaisesti. Tästä syystä lasketaan P x :n ja P y :n aiheuttamat taivutusmomentit M cosα ja M sinα. M P *cosα * L 8,97kN / m *cos3,576 * (6m) 8 cos α 13,34kNm M P *sinα * L 8,97kN / m *sin 3,576 * (6m) 8 sin α 0,83kNm Leikkausvoima: P * L,97kN / m *6m Q 8, 91kN Valitaan materiaaliksi kertopuu ja poikkileikkaukseksi 63 * 360mm. Taivutusjännitys: σ M M 13,34*10 0,83* cosα sin α b + + b * h h * b 63* * Nmm mm 6 Nmm mm 13,9N / mm Koska palkin korkeus h on alle 600 mm, voiaan sallittua taivutusjännitystä kasvattaa kertoimella k h. Kertoimeksi k h valitaan alla esitetyistä suurempi. k h 1,15 k h 600 h 0, 1,11 Kerroin k h saa siis arvon k h 1,15.

35 30 Tarkistetaan, että taivutusjännitys pysyy sallituissa rajoissa: σ b < k h * m, (37,6 %) OK Sekunääripalkit estävät harjapalkkien kiepahuksen ja johtavat tästä aiheutuvat voimat päätyjen vanerijäykisteille. Jos sekunääripalkkeja ei olisi tuettu, tulisi ne mitoittaa nurjahusta vastaan palkin suunnassa. Tässä rakennuksessa sekunääripalkkien päälle asennetaan kattopalkit, poikkileikkaukseltaan 48 * 13 mm. Ne muoostavat tuuletusraon ja reunoilla räystäät. Kattopalkit estävät sekunääripalkkien nurjahuksen, joten nurjahusta ei sekunääripalkkien mitoituksessa tarvitse ottaa huomioon. 3.4 Pilarit Teollisuushallin pilari mitoitetaan rakennuksen kehän suunnassa mastopilarina ja kehää vastaan kohtisuorassa suunnassa nivellettynä. Kehän suunnassa tuulikuorma jakautuu pääpilareille kuuen (6) metrin levyisenä. Rakennuksen pitkässä suunnassa tuulikuorma otetaan vastaan pääyn keskiosassa sijaitsevalla tuulipilarilla ja pääpilareien väliin sijoitettavilla vetoteräksillä Kuormitukset Tuulikuorma on esitetty EC1:ssä ja rakenteen mitoitusvaatimukset EC5:ssä. Tuulikuorma määräytyy rakennuksen sijainnin ja korkeuen mukaan. EC5:n mukaan tuulikuormia määritettäessä on myös sisäinen paine huomioitava (Leivo, Nupponen, Pitkänen 1997).

36 Lähtötieot Kehäväli k 6000mm Jänneväli L 0000mm Pilarin pituus H 5137mm Palkin korkeus h 185mm P a Tuulikuorma P b Tuulen imun aiheuttama kuorma F 1 Pistekuorma pilarin yläpäässä, jonka aiheuttaa tuulen paine palkin päähän F Pistekuorma pilarin yläpäässä, jonka aiheuttaa tuulen imu palkin päähän N Harjapalkin tukireaktio AIKALUOKKA: KESKIPITKÄ KÄYTTÖLUOKKA: Kattorakenteen paino g k1 1,0 kn/m Harjapalkin omapaino g k 0,9 kn/m Lumikuorma q k1,5 kn/m

37 Tuulikuorman määrittäminen EC1 erottaa toisistaan manneralueet sekä ulkosaaret ja luoot. Suomessa tuulen vertailunopeus v re on manneralueilla 3 m/s ja ulkosaarilla sekä luooilla 5 m/s. Tuulen nopeuet ovat kerran 50 vuoessa esiintyvien tuulen maksiminopeuksien 10 minuutin keskiarvoja. (Leivo ym. 1997). Tässä opinnäytetyössä esitetyn teollisuushallin oletetaan sijaitsevan manneralueella. Tuulen aiheuttama paine voiaan laskea tuulen vertailunopeuen ja ilman tiheyen avulla seuraavasti: q re ρ * v re jossa ρ on ilmantiheys (kg/m 3 ). Ilman tiheyen arvolla ρ 1,5 kg/m 3 saaaan tuulen aiheuttamaksi paineeksi q re 0,33 kn/m. Tuulen aiheuttamaa painetta käytetään vertailupaineena, jonka avulla lasketaan rakenteelle kohistuva tuulikuorma. Tuulikuorman laskemiseksi on määritettävä altistuskerroin C e (Z e ), joka on riippuvainen rakennuksen korkeuesta ja maastoluokasta. Altistuskerroin voiaan tasamaalla määrittää kuviosta 11. KUVIO 11. Altistuskerroin C e (Z e ) tasamaalle maastoluokissa I-IV (Leivo ym. 1997).

38 33 Maastoluokassa III altistuskerroin C e (Z e ) on 1,63 rakennuksen korkeuen ollessa alle kaheksan (8) metriä. Altistuskertoimen lisäksi tuulikuorman määrittämiseen tarvitaan myös tuulen ulkoisen- ja sisäisen paineen kertoimet C pe ja C pi. Tuulikuorma aiheuttaa rakennuksen ulkopuolelle paineen tuulen puoleiselle seinälle ja imun suojan puoleiselle seinälle. Tästä syystä kerroin C pe saa tuulen puolella positiivisen ja imun puolella negatiivisen arvon. Vastaavasti sisäinen paine aiheuttaa imun tuulen puoleiselle ja paineen suojan puoleiselle seinälle. Etumerkki sisäisen paineen kertoimella C pi kuten eellä kertoimella C pe. Ulkoisen paineen kerroin C pe on riippuvainen kuormitetun alueen koosta. Pintaala A on tuulta vastaan kohtisuoran kuormitusalueen pinta-ala. Kuormitetun alueen vaikutus on esitetty kuviossa 1. KUVIO 1. Kuormitetun alueen vaikutus ulkoisen paineen kertoimeen C pe. Kuvion 11 avulla selvitetään, mitä osaa taulukosta 1 luetaan. Jos rakennuksen leveys suhteessa korkeuteen on välillä 1 4, interpoloiaan arvo eellä mainitun suhteen 1 ja 4 välistä. TAULUKKO 1. Ulkoisen paineen kerroin C pe suorakulmaisen rakennuksen seinille. Alue Tuulepuoleinen sivu Suojanpuoleinen sivu /h Cpe,10 Cpe,1 Cpe,10 Cpe,1 <1 0,8 1,0-0,3 >4 0,6 1,0-0,3

39 34 Esimerkkihallin kuormitettu pinta-ala on yli 10 m, joten kertoimet saaaan sarakkeesta C pe,10. Rakennuksen leveyen suhe korkeuteen (/h) on 0m/8m,5. Näin ollen kerroin tuulenpuoleiselle ulkoiselle paineelle lasketaan seuraavasti: C pe 0,8 0,6 0,6 + 15* 0,70 30 Väli 0,6 0,8 siis jaetaan 30 osan, jolloin /h suhteen tarkkuueksi saaaan 0,1. Kymmenesosan tarkkuuella laskettuna (4-,5)* /30 osat lisätään 15- kertaisena arvoon 0,6, jolloin saaaan kerroin C pe /h-suhteella,5. Suojanpuoleiselle sivulle kerroin C pe -0,3. Seuraavaksi määritetään sisäisen paineen kertoimet C pi. Kertoimet määritetään tässäkin tapauksessa rakennuksen tuulenpuoleiselle ja suojanpuoleiselle seinälle. Jos rakennuksessa on avonaisia aukkoja, voiaan kertoimet määrittää aukkosuhteen µ avulla seuraavasti: (Leivo ym. 1997) µ ( suojanpuoleisten _ ja _ tuulenpuoleisten _ aukkojen _ pint a ala) ( tuulenpuoleisten, _ suojanpuoleisten _ ja _ tuulensuuntaistenaukkojen _ ala) Jos rakennus on umpinainen ja sisältää väliseiniä ja avattavia ikkunoita, voiaan laskennassa käyttää sisäisen paineen kertoimen C pi raja-arvoja 0,8 ja -0,5. Teollisuushallissa on yleensä suuria ovia, joista trukkien ja suurtenkin kuormien tulee mahtua. Yleensä ovia ei kuitenkaan pietä auki öisin ja työaikanakin ne usein energian säästämiseksi pietään suljettuina. Niinpä mitoitus tehään varmempaan suuntaan käyttämällä sisäisen paineen kertoimen C pi raja-arvoja. Eellä esitettyjen tietojen pohjalta voiaan laskea tuulikuorma. Tuulikuorma lasketaan rakennuksen tuulen puoleiselle sekä suojan puoleiselle seinälle.

40 35 Tuulen paine: C pe 0,70 (ulkoinen paine) C pi -0,5 (sisäinen paine) q k q re * C e (Z e ) * (C pe C pi ) 0,33 kn/m * 1,63 * (0,70-(-0,5)) 0,65 kn/m Tuulen imu: C pe -0,3 (ulkoinen paine) C pi 0,8 (sisäinen paine) q k3 q re * C e (Z e ) * (C pe C pi ) 0,33 kn/m * 1,63 * (-0,3 0,8) -0,59 kn/m 3.4. Pääpilarien kuormitus Kuormitustapauksia on kolme ja niistä mitoittavaksi valitaan suurimman kuormituksen antava yhistelmä. Kuormitustapauksia ovat: kova talvi, kova talvi + tuuli sekä talvi + kova tuuli. Kuormituksia laskettaessa käytetään varmuuskertoimia, jotka ovat pysyvälle kuormalle γ g 1, ja muuttuvalle kuormalle γ q 1,5. Kova talvi (lumi 100 %) P k * (γ g * g k1 + γ q * q k1 ) + γ g * g k 6m * (1, * 1,0 kn/m + 1,5 *,5 kn/m ) + 1, * 0,9 kn/m 30,78 kn/m N P * L 30,78kN / m * 0m 307, 8 kn

41 36 Kova talvi + tuuli (lumi 100 % + tuuli 50 %) P 30,78 kn/m N 307,8 kn F 1,tuuli50% k * γ q * 0,5 * q k * h 6m*1,5*0,5*0,65 kn/m *1,85m 5,3 kn F,tuuli50% k * γ q * 0,5 * q k3 * h 6m*1,5*0,5*0,59 kn/m *1,85m 4,8 kn P a,tuuli50% k * γ q * 0,5 * q k 6m*1,5*0,5*0,65 kn/m,9 kn/m P b,tuuli50% k * γ q * 0,5 * q k3 6m*1,5*0,5*0,59 kn/m,7 kn/m M A, tuuli50% H 16 ( F F ) 8* 1, tuuli50% + * 5* Pa, tuuli50% + 3* Pb, tuuli50% + H, tuuli50% ( 5,3kN 4,8kN ) (5,137 m) 8* + A, 50% * 5*,9kN / m + 3*,7kN / m , 137m M tuuli -63, knm Talvi + kova tuuli (lumi 70 % + tuuli 100 %) P k * (γ g * gk1 + γ q * 0,7 * q k1 ) + γ g * g k 6m * (1, * 1,0 kn/m + 1,5 * 0,7 *,5 kn/m ) + 1, * 0,9 kn/m 4,03 kn/m N P * L 4,03kN / m * 0m 40, 3 kn F 1,tuuli100% k * γ q * q k * h 6m*1,5*0,65 kn/m *1,85m 10,7 kn

42 37 F,tuuli100% k * γ q * q k3 * h 6m*1,5*0,59 kn/m *1,85m 9,7 kn P a,tuuli100% k * γ q * q k 6m*1,5*0,65 kn/m 5,85 kn/m P b,tuuli100% k * γ q * q k3 6m*1,5*0,59 kn/m 5,31 kn/m M A, tuuli100% H 16 ( F F ) 8* 1, tuuli100% + * 5* Pa, tuuli100% + 3* Pb, tuuli100% + H, tuuli100% ( 10,7kN 9,7kN ) (5,137 m) 8* + A, 50% * 5*5,85kN / m + 3* 5,31kN / m , 137m M tuuli -16,9 knm

43 Tuulikuormitus rakennuksen pitkässä suunnassa Tuulipilarin kuormitus Tuulipilaria kuormittaa päätyseinään kohistuva tuulikuorma. Kuormituksen lähtökohtina on käytetty samaa tuulen paineen kuormaa kuin pääpilarin mitoituksessa. Pääyssä tuulikuorma jakautuu kuvion 13 esittämällä tavalla. KUVIO 13. Tuulikuorman jakautuminen tuulipilarille ja vetoteräksille rakennuksen pääyissä. Tuulipilarille tuulikuormaa kertyy: P a,keski,tuuli100% k * γ q * q k 10m*1,5*0,65 kn/m 9,75 kn/m Tuulipilarille kohistuvat myös päätypalkkien tukireaktiot, jotka käytännössä ovat puolet päätyjen lumi- ja kattorakenteien kuormasta. Toinen puoli näistä kuormista johtuu päätypilareille PP1. Tuulipilari mitoitetaan tarkastamalla samat kolme kuormitusyhistelmää kuin eellä esitetyssä pääpilarin mitoituksessa. Lumi- ja kattokuormien kuormitusalue päätypalkeille P1 on puolet välistä HP1 P1 ja päätyräystäät. Yhteensä tämän kuormitusalueen leveys on neljä (4) metriä. Tuulipilarin kuormituksia määritettäessä on tämä neljä (4) metriä esitetty koolausjaon (k) arvona. Rakennuksen jänneväli on 0 m ja puolet tämän matkan kuormi-

44 39 tuksista jakautuu tuulipilarin kannettavaksi. Päätypalkin omana painona on laskuissa käytetty arvoa 0,5 kn/m. Kova talvi (lumi 100 %) P k * (γ g * g k1 + γ q * q k1 ) + γ g * g k3 4m * (1, * 1,0 kn/m + 1,5 *,5 kn/m ) + 1, * 0,5 kn/m 0,4 kn/m N P * L 0,4kN / m * 0m 04, kn 0 Kova talvi + tuuli (lumi 100 % + tuuli 50 %) N 04,0 kn Pa, keski, tuuli100% 9,75kN / m Pa, keski, tuuli50% 4,88kN / m M H A,, tuuli50% * * 16 ( 5 P ) a, keski, tuuli50% M (8m) 16 A,, tuuli 50% * / ( 5* 4,88kN m) -97,6 knm Talvi + kova tuuli (lumi 70 % + tuuli 100 %) P k * (γ g * g k1 + γ q * 0,7 * q k1 ) + γ g * g k3 4m * (1, * 1,0 kn/m + 1,5 *0,7*,5 kn/m ) + 1, * 0,5 kn/m 15,9 kn/m

45 40 N P * L 15,9kN / m * 0m 159, kn 0 P a,keski,tuuli100% k * γ q * q k 10m*1,5*0,65 kn/m 9,75 kn/m M H A,, tuuli100% * * 16 ( 5 P ) a, keski, tuuli100% M (8m) 16 A,, tuuli 100% * / ( 5*9,75kN m) -195,0 knm Vetoteräksille kohistuva kuormitus Rakennuksen pääyn tuulikuorma otetaan vastaan osittain pilareien väliin sijoitettavilla vetoteräksillä. Vetoteräksille tuleva kuormitus on esitetty kuviossa 13. P a,reuna,tuuli100% k * γ q * q k 5m*1,5*0,65 kn/m 4,9 kn/m Pa, reuna, tuuli100% * H 4,9kN / m *7,0m F, paaty,1 17, 15kN Päätypilarin kuormitus Päätypilaria kuormittaa päätypalkin P1 tukireaktio N. Tuulen neliökuorma on sama kuin pääpilareilla, mutta kuormitusala on vain puolet pääpilareille kohistuvasta kuormitusalasta. Päätypilarin pituus L p 6097 mm. Kova talvi (lumi 100 %) N 10,0 kn

46 41 Kova talvi + tuuli (lumi 100 % + tuuli 50 %) N 10,0 kn P a,tuuli50% k * γ q * 0,5 * q k 3m*1,5*0,5*0,65 kn/m 1,46 kn/m P b,tuuli50% k * γ q * 0,5 * q k3 3m*1,5*0,5*0,59 kn/m 1,33 kn/m L p A, tuuli50% * a, tuuli50% * ( 5* P 3 P ) M + 16 b, tuuli50% (6,097m) 16 M A, tuuli 50% * + / ( 5*1,46kN / m 3*1,33kN m) -6, knm Talvi + kova tuuli (lumi 70 % + tuuli 100 %) P k * (γ g * gk1 + γ q * 0,7 * q k1 ) + γ g * g k 4m * (1, * 1,0 kn/m + 1,5 * 0,7 *,5 kn/m ) + 1, * 0,5 kn/m 15,9 kn/m N P * L 15,9kN / m *10m 79, 5 kn P a,tuuli100% k * γ q * q k 3m*1,5*0,65 kn/m,93 kn/m P b,tuuli100% k * γ q * q k3 3m*1,5*0,59 kn/m,66 kn/m L p A, tuuli100% * a, tuuli100% * ( 5* P 3 P ) M + 16 b, tuuli100%

47 4 (6,097m) 16 M A, tuuli 100% * + / ( 5*,93kN / m 3*,66kN m) -5,6 knm Pääpilarin mitoitus Pilarin materiaali on sama kuin harjapalkilla, liimapuu GL3. Materiaalin lujuusarvot on esitetty kohassa EC5:n mukaan pilarin nurjahuskerroin on riippuvainen pilarin materiaalista ja lujuusluokasta. Pilari tarkastetaan nurjahusta vastaan molempiin suuntiin samanaikaisesti (Leivo ym. 1997). AIKALUOKKA: KESKIPITKÄ KÄYTTÖLUOKKA: Valitaan pilarin leveyeksi sama kuin harjapalkilla, b 1 15 mm. Pilarin toiseksi leveyeksi valitaan b 495 mm. Pilaria tarkastellaan puristettuna sauvana ja laskelmia varten tulee määrittää puristussauvan nurjahuspituus L c. Puristussauvan nurjahuspituus on riippuvainen puristetun sauvan kiinnitystavasta taulukon mukaisesti. Lisäksi otetaan huomioon jännitykset, jotka aiheutuvat pilarin alkukierouesta ja taipumista sekä epäkeskisyyestä (Leivo ym 1997). Käytännössä materiaalin sallittua puristusjännitystä alennetaan nurjahuskertoimella k c.

48 43 TAULUKKO. Puristussauvan nurjahuspituus L c. Tuentatapa Sauva on jäykästi kiinnitetty molemmista päistä Sauva on jäykästi kiinnitetty toisesta päästä ja toisesta nivelletty Sauva on nivelöity molemmista päistä Sauva on jäykästi kiinnitetty toisesta päästä ja toisesta päästä suunnalleen muttei asemalleen Sauva on jäykästi kiinnitetty toisesta päästä ja toisesta päästä vapaa Lc 0,7*H 0,85*H 1,0*H 1,5*H,5*H Mitoitus vahvempaan suuntaan Pilarit mitoitetaan kehän suunnassa mastopilareina, jolloin pilarin alapää on jäykästi kiinnitetty perustuksiin, mutta yläpää on nivelöity. Puristussauvan pituus L c on näinä ollen,5 * 5,137 m 1,84 m. Määritetään pilarin suhteellinen hoikkuus λ rel,y : λ y λ rel, y π E c,0, k 0,05 jossa λ y L c 0,89* b 1840mm 0,89* 495mm 89,76 joten suhteelliseksi hoikkuueksi y-suunnassa saaaan: λ 89,76 π 9N / mm 10800N / mm rel, y 1,48

49 44 Seuraavaksi määritetään kerroin k c,y. Kertoimella k c,y pienennetään sallittua puristusjännitystä, jottei nurjahusta pääse tapahtumaan. Kerrointa k c,y varten tulee kuitenkin ensin laskea kerroin k y : k y rel, y rel, y 0,5*(1 + β * ( λ 0,5) + λ c ) jossa liimapuulla β c 0,1 k y 0,5*(1 + 0,1*(1,48 0,5) + 1,48 ) 1,64 Tämän jälkeen saaaan laskettua kerroin k c,y : k 1 c, y k + 1,64 + 1,64 1,48 y k y λrel, y 1 0,43 Mitoitus heikompaan suuntaan Pilarit mitoitetaan rakennuksen pitkässä suunnassa nivellettyinä. Nurjahuspituueksi saaaan tällöin taulukon mukaan L c H 5,137 m. Pilarin mitoitusta varten lasketaan suhteellinen hoikkuus ja kerroin k c,z. Laskenta tapahtuu z-suuntaan. λ z L c 0,89 * b1 5137mm 0,89 * 15mm 8,67 λ λ 8,67 π 9N / mm 10800N / mm z c,0, k rel, z π E0,05 1,36 Kerrointa k c,z varten lasketaan kerroin k z : k z rel, z rel, z 0,5* (1 + β *( λ 0,5) + λ c )

50 45 k z 0,5* (1 + 0,1*(1,36 0,5) + 1,36 ) 1,47 k 1 c, z k + 1,47 + 1,47 1,36 z k z λrel, z 1 0,49 Kuormitusyhistelmät Pilari tarkistetaan kohassa 3.4. mainittujen kuormitusyhistelmien vallitessa. Pilarin tulee kestää jokaisen kuormitusyhistelmän antama kuormitus. Kova talvi (KESKIPITKÄ) Kova talvi sisältää vain täyen lumikuorman. Tästä syystä lasketaan vain pilarin puristusjännitys syynsuunnassa. Vahvempi suunta σ 3 N 307,8*10 N c, 0,,89N / b1 * b 15mm * 495mm mm Saatua puristusjännitystä verrataan kertoimella k c,y alennettuun sallittuun puristusjännitykseen c,0,. Tarkastetaan ehto: σ c,0, < k c,y * c,0,,89 N/mm < 0,43 * 17,8 N/mm (37,8 %) OK Heikommassa suunnassa puristusjännitys on sama kuin vahvemmassa suunnassa. Heikomman suunnan nurjahuksen huomioiva alennuskerroin k c,z on suurempi kuin vahvemman suunnan k c,y, pilarin erilaisesta kiinnitystavasta johtuen. Nurjahuspituus L c heikommassa suunnassa on vain 1/,5 vahvemman suunnan nurjah-

51 46 uspituuesta. Tästä syystä ei nurjahusta heikommassa suunnassa tarvitse tämän kuormitusyhistelmän kohalla tarkistaa. Kova talvi + tuuli (LYHYTAIKAINEN) Vahvempi suunta σ c,0,,89 N/mm σ 6 M A, tuuli 50% 63,*10 Nmm b, y 7,0N / b 15* * b mm mm Koska kohassa 3.1. esitetyt liimapuun lujuusarvot on laskettu aikaluokassa keskipitkä, täytyy ne tässä tapauksessa muuntaa aikaluokkaan lyhytaikainen. Aika- ja käyttöluokan kerroin k mo on aikaluokassa keskipitkä 0,8 ja aikaluokassa lyhytaikainen 0,9. Sallittuja lujuusarvoja korotetaan täten kertoimella: 0,9 1,15 0,8 Lasketaan sallitut puristus- ja taivutuslujuuksien arvot: c,0,y, k c,y * c,0, * 1,15 0,43 * 17,8 N/mm * 1,15 8,61 N/mm m,y, m, * 1,15 19,7 N/mm * 1,15, N/mm Heikompi suunta σ c,0,z,,89 N/mm σ m,z, 0 (Tuulesta ei aiheuu momenttia heikompaan suuntaan)

52 47 Lasketaan sallittu puristusjännitys: c,0,z, k c,z * c,0, * 1,15 0,49 * 17,8 N/mm * 1,15 9,81 N/mm Pilarin mitoittamista varten tarvitaan vielä kerroin k m, joka on riippuvainen poikkileikkauksen muoosta. Kerroin k m on suorakulmaiselle poikkileikkaukselle 0,7 ja muille 1,0. Seuraavista ehoista ankarin on mitoittava: σ c c σ c c,0, z,,0, z,,0,,0, y, σ + + k m, z, m, z, m σ * + k m, z, m, z, m σ b * +, y m, y, σ b, y m, y, 0,5 1 0,66 1 OK Talvi + kova tuuli (LYHYTAIKAINEN) Vahvempi suunta σ 3 N 40,3*10 N c, 0,,6N / b1 * b 15mm * 495mm mm σ 6 M A, tuuli 100% 16,9*10 Nmm b, y 14,45N / b 15* * b mm mm Lasketaan sallitut jännitykset kyseisessä aikaluokassa: c,0,y, k c,y * c,0, * 1,15 0,43 * 17,8 N/mm * 1,15 8,61 N/mm m,y, m, * 1,15 19,7 N/mm * 1,15, N/mm

53 48 Heikompi suunta σ c,0,z,,6 N/mm σ m,z, 0 Sallittu puristusjännitys: c,0,z, k c,z * c,0, * 1,15 0,49 * 17,8 N/mm * 1,15 9,81 N/mm Seuraavista ehoista ankarin on mitoittava: ,91 * 1 0,67 *,,,,,,,,,0,,0,,,,,,,,,,0,,,0, y m y b z m z m m y c c y m y b m z m z m z c z c k k σ σ σ σ σ σ OK Tuulipilarin mitoitus Tuulipilari mitoitetaan kuten pääpilaritkin; tuulikuormaa vastaan mastopilarina ja tässä tapauksessa kehän suuntaan molemmista päistään nivellettynä. Tuulipilarin mitoiksi valitaan b 1 15 mm ja b 630 mm. Mitoitus vahvempaan suuntaan Puristussauvan nurjahuspituus L c,5 * 8 m 0,0 m.

54 49 Määritetään pilarin suhteellinen hoikkuus λ rel,y : λ y λ rel, y π E c,0, k 0,05 jossa λ y L c 0,89* b 0000mm 0,89 *630mm 109,8 joten suhteelliseksi hoikkuueksi y-suunnassa saaaan: λ 109,8 π 9N / mm 10800N / mm rel, y 1,81 k y rel, y rel, y 0,5*(1 + β * ( λ 0,5) + λ c ) jossa liimapuulla β c 0,1 k y 0,5*(1 + 0,1*(1,81 0,5) + 1,81 ),0 Tämän jälkeen saaaan laskettua kerroin k c,y : k 1 c, y k +,0 +,0 1,81 y k y λrel, y 1 0,9