T512903 Puurakenteet 1 3 op Kantavat puurakenteet Puun rakenne ja laskentamallit Puutavaran lujuusominaisuudet Sahatavara Liimapuu Kertopuu 1
T512903 Puurakenteet 1 3 op Kantavat puurakenteet Puun rakenne ja laskentamallit Vuosikasvu -> vuosirengas Kevätpuu, kesäpuu, sydänpuu Ortotrooppinen materiaali: kimmo- ja lujuusominaisuudet erilaiset toisiaan vastaan kohtisuorassa suunnassa Luonnollinen anisotropia: - pituussuunta (puun syiden suunta) - vuosirenkaan tangentin suunta - vuosirenkaan säteen suunta Rakenteellinen anisotropia: - esim. vanerin viilut (paksuus, syiden suunta, laatu, asema) 2
Kimmoteoria - Hooken laki ( = E ) - muodonmuutosten vaikutus jännityksiin huomioidaan vain vakavuustarkasteluissa - materiaalin oletetaan murtuvan, kun jännitys saavuttaa lujuusarvon - jännitysjakauma ei vaikuta muutoin materiaalin lujuuteen - mitoitus yksinkertaista Todellisuus - Hooken laki voimassa vain pienillä jännityksillä - kimmomoduuli eri suuri vedossa ja puristuksessa - ennen murtumista esiintyy materiaalin plastisoitumista 3
Puu käyttäytyy kuormitettuna viskoelastisesti Puun muodonmuutokset kasvavat kuormituksen jatkuessa, virumisilmiö! Puun lujuus laskee ja muodonmuutokset kasvavat puun kosteuden lisääntyessä (0 30%) Puun lujuus- ja jäykkyysarvoja korjataan kuormituksen pituuden ja olosuhteiden kosteuden mukaisilla korjauskertoimilla (k mod ja k def ) 4
Kutistuminen ja paisuminen Kosteusvaihtelu aiheuttaa myös muodonmuutoksia, ortotropia! Suunta Kerroin Lämpötila [1/ C] Kosteus (sadasosan muutosta kohti, kun 0<u<0,30) Syyn suuntaan 5*10-6 1*10-4 Vuosirenkaan tangentin suuntaan 45*10-6 30*10-4 Säteen suuntaan 30*10-6 15*10-4 Esimerkki: männyn kutistuminen tuoreesta vedettömäksi 4% 8% 0,2 % 5
Puutavaran lujuusominaisuudet Sahatavaran lujuuslajittelu Lujuus vaihtelee lujuuslajittelu Visuaalinen lajittelu: - oksaisuus, sijainti ja laatu (~90%) - halkeamat, kierous, vääryys - tilavuuspaino ja kesäpuun osuus Koneellinen lajittelu: - taivutuskoe (+visuaal.) - kimmomoduuli 6
Sahatavaran lujuuslajittelu Euronormin mukaiset testit: - olosuhteet 300s, T=20 C, RH65% Lujuus vaihtelee hajonta: - mitoitusarvo lujuusjakauman alempi 5% fraktiili - kuva: vetolujuuden jakauma lujuusluokat (a), (b) ja (c) 7
Lujuuslajittelijat Jatkamaton rakennepuutavara, silmämääräinen lajittelu lajittelukurssi (RTL hyväksyy) Koneellinen lajittelu RTL valvoo Sormijatkettu rakennuspuutavara RTL:n hyväksymä tuotantolaitos RTL (Rakennustuotteiden laatu RTL ry, ympäristöministeriön alainen) 8
Laatuluokitus Kantavat puurakenteet Ei saa sekoittaa lujuusluokituksen kanssa! Luokitellaan sahatavaran ulkonäön perusteella: - oksaisuus, halkeamat, vajaasärmäisyys (tärkeä esim. pintalaudoilla), pihkakolot, kaarnarosot ja korot, vinosyisyys, latvamurtuma, lyly, pehmeä laho ja muotoviat I - VI (priima seksta) tai A(A1-A4) -D (yhteispohjoismainen) 9
Sahatavaran lujuus Lujuusluokat (havupuut): - EN mukainen merkintä: C14,C16,C18,C20,C22,C24, C27,C30,C35,C40,C45,C50 - vanha, kansallinen merkintä: visuaalinen T18,T24,T30,T40 koneellinen MT18,,MT40 - pohjoismainen INSTA 142 T-luokitus: T1,T2,T3 (vastaa C18,C24,C30) 10
Sahatavaran lujuus Havainnollistava esimerkki: (ei mitoitusohje!) 11
Sahatavaran lujuus Ominaislujuudet ja jäykkyydet määritetään (EN) standardikokeilla. Koeolosuhteet: 65% RH, 20 C kuormitusaika 300s (5min) Sahatavaran ominaislujuuden arvot suhteutetaan poikkileikkauksen kokoon korjauskertoimella k h, kun palkin korkeus taivutuksessa tai suurempi sivumitta sauvan vedossa h < 150 mm. 12
Sahatavaran ominaislujuudet koeolosuhteissa [N/mm 2 ], esimerkki taulukosta (RIL 205): Lujuusluokka C18 C24 C30 Taivutus f m,k 18 24 30 Veto f t,0,k Veto f t,90,k Puristus f c,0,k 11 0,4 18 14 0,4 21 18 0,4 23 Puristus f c,90,k 2,2 2,5 2,7 Leikkaus f v,k 3,4 4,0 4,0 f v,90,k = 0,5 f v,k Jos h<150, niin poikkileikkauksen koon vaikutus taivutus- ja vetolujuuteen huomioidaan kertoimella k h : k h (150 / h) min 1,3 0,2 13
Sahatavaran jäykkyysominaisuudet ja tiheydet koeolosuhteissa [N/mm 2 ], esim. taulukosta (RIL 205): Ominaisuus C18 C24 C30 Kimmomoduulit: E 0,mean E 0,05 E 90,mean 9000 6000 300 11000 7400 370 12000 8000 400 Liukumoduuli: G mean Tiheydet [kg/m 3 ]: 560 690 750 r k 320 350 380 r mean 380 420 460 Suomalaisen pyöreän puutavaran lujuusluokaksi voidaan olettaa C30 14
Liimapuu Kantavat puurakenteet Liimapuu valmistetaan EN 14080 mukaan. Lamellit (yleensä 45 tai 33mm) ovat lujuusluokiteltua sahatavaraa. Liimat (resorsinoli-fenoli, melamiini) lähes aina säänkestäviä (paitsi polyuretaani) 15
Liimapuu Kantavat puurakenteet Pohjoismainen vanha lujuusluokitus L30, L40 EN: GL28c,GL28h,GL32c,GL32h, c = reunalamellit lujempia h = kaikki lamellit samaa lujuusluokkaa esim. L40 (vastaa lähinnä EN/GL32c) 16
Liimapuu Kantavat puurakenteet Ominaislujuudet ja jäykkyydet määritetään (EN) standardikokeilla tai lasketaan lamellien ja saumojen ominaisuuksien perusteella. Koeolosuhteet samat kuin massiivipuulla: 65% RH, 20 C kuormitusaika 300s (5min) Liimapuun ominaislujuuden arvot suhteutetaan poikkileikkauksen kokoon kertoimella k h, kun palkin korkeus taivutuksessa tai suurempi sivumitta vedossa h < 600 mm, ja syysuuntaan kohtisuorassa vedossa, kun tilavuus > 0,01 m 3 Huom. kokovaikutusta (k h ) ei huomioida liimapuun paksuussuunnan (b) taivutuksessa. 17
Liimapuun ominaislujuudet koeolosuhteissa [N/mm 2 ], esimerkki taulukosta (RIL 205): Lujuusluokka GL28c GL32c GL32h Taivutus f m,k 28 32 32 Veto f t,0,k 16,5 Veto f t,90,k 0,4 19,5 0,45 22,5 0,5 Puristus f c,0,k 24 26,5 29 Puristus f c,90,k 2,7 3,0 3,3 Leikkaus f v,k 2,7 3,2 3,8 f v,90,k = 0,5 f v,k Jos h<600, niin poikkileikkauksen koon vaikutus taivutus- ja vetolujuuteen huomioidaan kertoimella k h : k h (600 / h) min 1,1 0,1 18
Liimapuun jäykkyysominaisuudet ja tiheydet koeolosuhteissa [N/mm 2 ], esim. taulukosta (RIL 205): Lujuusluokka GL28c GL32c GL32h Kimmomoduulit: E 0,mean E 0,05 E 90,mean 12600 10200 390 13700 11100 420 13700 11100 460 Liukumoduuli: G mean 720 780 850 Tiheydet [kg/m 3 ]: r k 380 410 430 19
Suomessa valmistettavan GL30 ominaislujuudet koeolosuhteissa [N/mm 2 ]: s = sahaamalla halkaistua liimapuuta Lujuusluokka GL30c GL30h GL30cs GL30hs Taivutus f m,k 30 30 28 28 Veto f t,0,k 20 Veto f t,90,k 0,5 24 0,5 18,5 0,5 22,4 Puristus f c,0,k 25 30 23,3 28 0,5 Puristus f c,90,k 3,0 3,0 3,0 3,0 Leikkaus f v,k 3,5 Leikkaus f v,90,k 1,2 3,5 1,2 3,5 1,2 3,5 1,2 Jos h<600, niin poikkileikkauksen koon vaikutus taivutus- ja vetolujuuteen huomioidaan kertoimella k h : k h (600 / h) min 1,1 0,1 20
Suomessa valmistettavan GL30 jäykkyyslujuudet ja tiheydet koeolosuhteissa [N/mm 2 ]: Lujuusluokka GL30c GL30h GL30cs GL30hs Kimmomoduulit: E 0,mean E 0,05 E 90,mean 13000 10800 300 13600 11300 300 12500 10300 300 13100 10800 300 Liukumoduuli: G mean 650 650 650 650 Tiheydet [kg/m 3 ]: r k 390 r mean 430 430 480 390 430 430 480 Suomessa valmistetaan vakiona GL30c ja halkaistua GL30cs liimapuuta. 21
LVL (Laminated Veneer Lumber) Kertopuu = viilupuun kauppanimi KERTO-S palkki, KERTO-T tolppa, KERTO-Q ristiviilu (kyllästetty) Ympäristöministeriön tyyppihyväksymiä Viilupuu = 3 mm paksuista sorvatuista havupuuviiluista liimattua levyä, viilun pituus >1200mm (Suomessa), viisto-jatkokset 22
LVL Kantavat puurakenteet Kertopuulla oltava suomalainen tyyppihyväksyntäpäätös, esim, KERTO-S 111/6621/2000. Ominaislujuudet vastaavat olosuhteita: 65% RH, 20 C kuormitusaika 300s (5min) Kertopuun ominaislujuuden arvot suhteutetaan poikkileikkauksen kokoon kertoimella k h, kun palkin korkeus taivutuksessa ja suurempi sivumitta vedossa h 300 mm, sekä sauvan pituuteen kertoimella k l kertopuun vedossa, kun sauvan pituus L 3000 mm 23
Kertopuun ominaislujuudet [N/mm 2 ], esim. taulukosta 3.5 RIL 205-2007: Lujuusluokka KERTO-S KERTO-T KERTO-Q 21-24 27-69 Taivutus f m,k - syrjällään/lappeellaan 44 / 50 27 / 32 28/32 32/36 Veto f t,0,k 35 24 19 26 Veto f t,90,k 0,8 0,5 6,0 6,0 Kokovaikutuseksponentti s 0,12 0,15 0,12 0,12 Puristus f c,0,k 35 26 19 26 Puristus f c,90,k / f c,90,flat,k - syrjällään/lappeellaan 6 / 1,8 4 / 1 9/2,2 9/2,2 Leikkaus f v,k - syrjällään - lappeellaan pintaviilun suuntaan 4,1 2,3 2,4 1,3 4,5 1,3 4,5 1,3 Jos h 300mm tai L 3000mm, niin: k h 300 h s 1,2 ja k l 3000 l s / 2 1,1 24
Kertopuun jäykkyysominaisuudet ja tiheydet koeolosuhteissa [N/mm 2 ], esim. taulukosta 3.5 RIL 205-2007: Ominaisuus KERTO-S Kimmomoduulit: E 13800 mean E 11600 0,05 Liukumoduuli: G edge,mean 600 G edge,0,05 400 Tiheys [kg/m 3 ]: r 510 mean r 480 k KERTO-T 10000 8800 460 300 440 410 KERTO-Q 21-24 27-69 10000 10500 8300 8800 600 600 400 400 510 510 480 480 25
Esimerkki Kantavat puurakenteet Poikkileikkauksen korkeus h muuttuu taivutus- ja vetolujuuden korjauskerroin k h : Sahatavara Liimapuu KERTO-S/Q h k h h k h h k h 25 1,30 180 1,10 200 1,05 50 1,25 225 1,10 225 1,04 75 1,15 270 1,08 260 1,02 100 1,08 315 1,07 300 1,00 125 1,04 360 1,05 360 0,98 150 1,00 405 1,04 400 0,97 175 1,00 450 1,03 500 0,94 495 1,02 600 0,92 540 1,01 700 0,90 585 1,00 800 0,89 630 1,00 900 0,88 675 1,00 1000 0,87 26
Käyttöluokat Kantavat puurakenteet Käyttöluokka huomioi ympäristöolosuhteiden (kosteus, lämpötila) vaikutuksen lujuus- ja jäykkyysarvoihin Nimenomaan kosteudella voimakas vaikutus puun lujuus- ja jäykkyysarvoihin Puu asettuu aina tiettyyn kosteustasapainoon ympäristön kanssa, esim. kuusen sorptiosta 27
Käyttöluokat: Kantavat puurakenteet Ao. taulukossa puun keskimääräinen kosteusprosentti (veden massan suhde kuivan puun massaan 20 C lämpötilassa) ja vastaava ilman suhteellinen kosteus, RH. Kosteusraja saa ylittyä muutaman viikon ajan vuodessa. Käyttöluokka EC5 Ilman suht. kosteus Puun kosteus 1 <65% < 12 % 2 <85% < 20 % 3 >85% >20% 28
Käyttöluokkien olosuhteiden kuvaus: Käyttöluokka Olosuhteiden kuvauksia, esimerkkejä 1 Lämmitetyt sisätilat, myös lämmöneristekerroksessa olevat rakenteet sekä palkit, joiden vetopuoli on lämmöneristeen sisällä. 2 Ulkoilmassa kuivana oleva puurakenne, katetussa tilassa sekä alta ja sivuilta hyvin kastumiselta suojattu. 3 Ulkona säälle alttiina oleva puurakenne. Veden välittömän vaikutuksen alaisena oleva puurakenne. 29
Aikaluokitus: Kantavat puurakenteet Puu kestää hetkellisesti hyvinkin suuria rasituksia, mutta murtuu huomattavasti pienempien pitkäaikaisten kuormien vaikutuksesta. Myös taipuma kasvaa kuormitusajan pidentyessä. 30
Aikaluokitus: Kantavat puurakenteet Kuormien aikaluokat: Kuvaus Pysyvä yli 10 v Pitkäaikainen 6 kk - 10 v Keskipitkä 1 vk - 6 kk Lyhytaikainen alle 1 vk Hetkellinen Esimerkki Rakenteen oma paino, kevyet väliseinät, maanpaine Varastoitu tavara, vesisäiliökuorma Lumi, hyötykuorman pintakuorma (luokat A-D,F,G) Portaiden hyötykuormat, hyötykuorman pistekuorma, väliseinien ja kaiteiden vaakakuormat, asennuskuormat Tuuli, onnettomuuskuorma 31
Aikaluokitus: Kantavat puurakenteet Kuormitusyhdistelmän aikaluokka on vaikutusajaltaan lyhimmän kuorman aikaluokka. Kuormitusyhdistelmä, esimerkkejä Rakenteiden oma paino Rak. paino+hyötykuorma(a-d) Rak. paino+lumi Rak. Paino+portaiden hyötyk. Rak. paino+lumi+tuuli Rak. paino+tuuli Mitoitusaikaluokka Pysyvä Keskipitkä Keskipitkä Lyhytaikainen Hetkellinen Hetkellinen Mitoituksessa pyritään löytämään määräävä kuormitusyhdistelmä, mikä voi edellyttää useampien yhdistelmien laskemista. 32
Lähteet: RIL 205-2007 STEP 1 Kantavat puurakenteet http://www.puuinfo.fi 33