Puurakenteiden seisminen suunnittelu

V IEDOEIA MEDDELANDEN RESEARCH NOES Puurakenteiden seisminen suunnittelu omi oratti Rakennus- ja yhdyskuntatekniikka VALION EKNILLINEN UKIMUSKESKUS ESPOO 2001

ISBN ISSN 1235 0605 Copyright Valtion teknillinen tutkimuskeskus (V) 2001 JULKAISIJA UGIVARE PUBLISHER Valtion teknillinen tutkimuskeskus (V), Vuorimiehentie 5, PL 2000, 02044 V puh. vaihde (09) 4561, faksi (09) 456 4374 Statens tekniska forskningscentral (V), Bergsmansvägen 5, PB 2000, 02044 V tel. växel (09) 4561, fax (09) 456 4374 echnical Research Centre of Finland (V), Vuorimiehentie 5, P.O.Box 2000, FIN 02044 V, Finland phone internat. + 358 9 4561, fax + 358 9 456 4374 "Kaksoisosoita, niin saat tutkimusyksiköiden nimet näkyviin" "Kaksoisosoita, niin saat tutkimusyksiköiden nimet näkyviin" Kansikuva: Maanjäristyksessä tuhoutunut omakotitalo/filmore, Northridge earthquake 1994. FEMA news photo, http://www.fema.gov/library. Federal Emergency Management Agency. oimitus Leena Ukskoski Otamedia Oy, ESPOO 2001

Avainsanat puutalo, seisminen suunnittelu, maanjäristys, lujuus iivistelmä Puurakennuksilla on hyvä maine maanjäristyskestävyyden suhteen. Pohjois-Amerikan ja Japanin kokemusten perusteella puurakenteiset talot kestävät suuriakin maanjäristyksiä vähäisin vaurioin. Ihmishenkien menetyksiä tai loukkaantumisia tapahtuu harvoin. Monet uudet puurunkoiset talot ovat säilyneet jopa ilman näkyviä pintavaurioita. Puutalon etuja ovat vähäinen omapaino, sitkeät liitokset ja yleensä selväpiirteinen rakenneleikkaus. Hyvä vahvistustapa maanjäristyksiä vastaan asuintaloissa on levyjäykistys vanerilevyllä. ällöin jäykistys on sekä luja väsytyskuormien kannalta että myös muodonmuutoskykyinen, mitä tarvitaan, kun rakennus tärisee puolelta toiselle. Muodonmuutoskyky on ratkaiseva tekijä rasitusten suuruuksien muodostumisessa. Vanerijäykistyksen hyvä muodonmuutoskyky perustuu naulan ja vanerin sitkeään toimintaan leikkauksessa. Nykyiset suunnittelumääräykset toimivat hyvin maanjäristysten varalta. Euroopan alueella käytössä oleva Eurocode 5, Puurakenteiden suunnittelu, sekä käyttöön tuleva Eurocode 8, Seisminen suunnittelu, ovat nykyaikaisia suunnitteluohjeita, joita voidaan soveltaa rakennusviennin yhteydessä. ässä julkaisussa esitetään asuinrakennuksen seismisen suunnittelun kulku esimerkkeineen näitä euronormeja soveltaen. Puurakennukset ovat yleensä säännöllisiä sekä pysty- että vaakatasossa, jolloin seismisessä suunnittelussa voidaan soveltaa yksinkertaista vastespektrianalyysiä (simplified modal response spectrum analysis). ällöin maan kiihtyvyyden aiheuttamat hitausvoimat korvataan yksinkertaisella rakennusta rasittavalla leikkausvoimalla. EC8 antaa selkeät ohjeet siitä, miten tämä leikkausvoima lasketaan. Vaakajäykistys mitoitetaan molempiin pääsuuntiin tätä leikkausvoimaa, ns. korvausvoimaa, vastaan. 3

Keywords timber house, seismic design, earthquake, strength Abstract imber buildings have a good reputation when subjected to seismic events. Experience from North America and Japan states that wooden buildings can resist catastrophic earthquakes with minimal damage. Many modern timber buildings have resisted even without any visual signs of damage. he advantage of wooden buildings is based on low self-weight, ductile joints and in general very regular building geometry. An effective way to design for lateral loads, including seismic loads, in residential wooden houses, is the use of plywood panels in shear walls. hese shear walls have high lateral force resisting capacity and the joints are in general very ductile. he ductility of the joints is very critical as it affects also the level of shear force to which the wall is subjected. he high performance of plywood shear walls is based on the ductility and energy dissipative characteristics of nailed or screwed joints on plywood in shear. Based on previous experience, modern design codes perform well for earthquakes. In the European region, Eurocode 5, Design of timber structures, and Eurocode 8, Design provisions for earthquake resistance of structures, are new design codes and these may be applied for example in the exportation of wooden buildings and building know-how to seismic areas. his report explains the use of Eurocodes in the seismic design of wooden residential buildings. Wooden buildings are usually regular, both in plane and in height, and in such case, a simplified modal response spectrum analysis may be used. he body forces created by the ground acceleration on the building are converted to a base shear force imposed to both principal directions. EC8 gives the methods to calculate this shear force. he structures resisting these lateral forces such as shear walls, floor diaphragms and anchorages are then designed against this base shear force. 4

Alkusanat ämä julkaisu on Wood Focus Oy:n vetämän ekes-tutkimushankkeen 'Puurakenteiden seisminen kestävyys esitutkimus' loppuraportti. Hanketta ovat rahoittaneet johtoryhmässä esiintyvät yritykset. utkimus alkoi helmikuussa 2000 ja päättyi joulukuussa 2000. utkimus suoritettiin V Rakennustekniikassa. yö on tehty pääasiassa kirjallisuuskatsauksena ja asiantuntijahaastatteluina, jossa haastateltavina ovat olleet professori Ario Ceccottin, Firenzen yliopisto, Onur Önal, Schauman Wood Oy:n Istanbulin toimisto, Erol Karacabeyli, Forintek Canada, sekä muita henkilöitä COSE5 'imber frame systems' -johtoryhmästä. Cost E5 -ryhmä järjesti Puurakenteiden seisminen kestävyys -seminaarin Venetsiassa syyskuussa 2000. Seminaarin anti on suuresti ollut avuksi myös tässä työssä. utkimuksen johtoryhmään ovat kuuluneet Ilmari Absetz, ekes, Jouni Hakkarainen, Finnforest Oyj Keijo Kolu, Schauman Wood Oy, puheenjohtaja Kari Liikanen, Porvoon Puurakennus Oy Alpo Maunu, Maunu-alot Oy Pekka Nurro, Wood Focus Oy Hannu Pellikka, Sepa Oy Jouni urunen, Kontiotuote Oy Mikko Viljakainen, Wood Focus Oy. Kiitän kaikkia niitä tahoja, jotka ovat osallistuneet tämän tutkimuksen käynnistymiseen ja työn ohjaamiseen. Espoo, huhtikuu 2001 omi oratti 5

Sisällysluettelo iivistelmä... 3 Abstract... 4 Alkusanat... 5 1. Johdanto... 8 2. Izmin maanjäristys urkissa... 10 3. Puurakenteiden seisminen suunnittelu Eurocode 8:n mukaan... 15 3.1 Yleistä... 15 3.2 Eurocode 8:n rakenne... 15 3.3 Rakennusten maanjäristyssuunnittelun analyysimenetelmät... 17 3.4 Yksinkertainen vastespektrianalyysi... 18 3.5 Vastespektrit... 20 3.6 Rakenteen pystykuormat seismisessä suunnittelussa... 23 3.7 Kuormien yhdistäminen seismisessä suunnittelussa... 23 3.8 Seismisten kuormien määritys... 24 4. Seisminen mitoitus... 25 4.1 Yleistä... 25 4.2 Murtorajatilatarkastelut... 25 4.3 Käyttörajatilatarkastelu... 27 4.4 Erityisohjeita puurakennuksille... 27 4.5 Rakennuksen jäykistys... 28 4.6 Välipohjalevyt... 29 4.7 Jäykistysseinät... 33 4.8 Rakennuksen ankkurointi... 38 5. Puurakenteiden liitokset... 43 5.1 Yleistä... 43 5.2 Liitoksen sitkeys... 43 5.3 Jaksollinen käyttäytyminen ja energian sitominen... 44 5.4 Erityyppisten liitosten käyttäytyminen... 48 5.5 Mekaanisten liitosten seisminen käyttäytyminen... 51 5.6 Eurocode 8:n ohjeet... 52 6

6. Yhteenveto... 54 Lähdeluettelo...55 Liitteet 7

1. Johdanto Viime aikoina sattuneiden pahojen maanjäristysten jälkeen, lähinnä urkissa, on kysytty, voisivatko puutalot olla seismisillä alueilla turvallisempia asua. Amerikan mantereen länsirannikon kokemusten perusteella puutalot ovat oikein suunniteltuina erittäin turvallisia. Puutalojen ja rakennusosien vienti seismisille alueille vaatii seismisen suunnittelun osaamista ja sitä, että tuotteiden turvallisuus pystytään osoittamaan. Siksi seismisen suunnittelun omaksuminen suomalaisessa puutuotteiden vientiyrityksissä on tärkeää. ässä julkaisussa selvitetään maanjäristysmitoituksen perusteet puurakennuksille soveltaen Euronormeja. Raportissa käydään läpi Eurocode 8:n (Rakennusten seismisen mitoituksen suunnitteluohje) mukainen seismisten kuormien määritys sekä muut siinä annetut puurakenteita koskevat keskeiset ohjeet. ietoa sovelletaan puurakennusten seismiseen mitoitukseen. Sovellutuskohteena on kantavaseinäinen asuinkäyttöön tarkoitettu puutalo. Eurocode 8 (EC8) on varsin nykyaikainen normi maanjäristyskuormien määritykseen sekä rakenneyksityiskohtien suunnitteluun. Suomessa ei ole mainittavia maanjäristyksiä, joten normityöskentelyssä ei ole suomalaisia mukana. ämän vuoksi EC8:n sisältö on Suomessa jäänyt vähemmälle huomiolle. Vientitoiminnassa tosin EC8-tuntemus saattaa olla merkittävää. ässä raportissa käsiteltävät Eurocode 5 ja 8 perustuvat lähdeluettelossa mainittuihin versioihin, jotka saattavat detaljeiltaan vielä muuttua. Suurempia muutoksia ei liene tulossa. Maanjäristysten vaikutus rakennuksiin Maanjäristysten synnyttämät maan liikkeet aiheuttavat siirtymiä rakennuksissa ja siten myös hitausvoimia rakenteissa. Nämä ovat seismisiä kuormia. Kestääkseen seismisiä kuormia rakennuksen on pystyttävä sietämään vaakasuuntaisia siirtymiä niin, että lujuus ei samalla laske. Jäykät ja hauraat rakenteet eivät yleensä toimi hyvin maanjäristyksissä, sillä jo pienet liikkeet saattavat aiheuttaa yht'äkkisen murron. Sitä vastoin sitkeät rakenteet tai rakenteet joilla on sitkeitä liitososia, toimivat hyvin maanjäristyksissä. Niillä on suuri muodonmuutoskapasiteetti ja kyky sietää muodonmuutoksia kehittämättä samalla suuria voimia. Useimmat maanjäristysnormit, myös Eurocode 8, sallivat rakenteiden mitoituksessa sitkeille rakenteille redusointia seismisille kuormille. Redusointi ottaa huomioon rakenteen muodonmuutoskyvyn. Hauraille rakenteille redusointia ei sallita. Puurakennukset Puurakennuksilla on hyvä maine maanjäristyskestävyyden suhteen. ämä perustuu rakenteiden keveyteen, liitosten sitkeyteen, rakennusten selväpiirteiseen pohjaratkaisuun ja toimivaan jäykistykseen. Maanjäristysten aiheuttamat vauriot johtuvat yleensä 8

huonosta rakennesuunnittelusta tai puutteellisesta rakennustyön valvonnasta. Erityistä huomiota tulee kiinnittää rakennuksen ankkurointiin ja välipohjien jäykistykseen tai ensimmäisen kerroksen riittävään jäykistykseen (autotalli, ryömintätila). Puu toimii sitkeällä tavalla, kun sitä kuormitetaan puristuksessa. ästä on hyötyä seismisessä suunnittelussa esim. jäykistysseinien päissä, missä puristus kohdistuu alapaarteeseen poikkisyyn suuntaan. Puu on vetorasituksessa, etenkin poikkisyyn suuntaan, hauras. Poikkisyyn suuntaista vetorasitusta puurakenteissa on erityisesti vältettävä. Puurakenteiden liitokset ovat yleensä puuosia sitkeämpiä ja aikaansaavat koko puurakennesysteemille sitkeän toiminnan ja hyvän seismisen kestävyyden. aulukko 1.1 esittää eri maanjäristyksissä kuolleiden määrät sekä kuinka monta näistä on kuollut puutaloissa (Karacabeyli 2000). Aikaisempien kokemusten perusteella puutalot ovat siis erittäin turvallisia. aulukko 1.1. Menehtyneiden lukumäärä eri maanjäristyksissä sekä puurakennuksissa menehtyneiden osuus (Karacabeyli, 2000). Maanjäristys M Menehtyneiden lukumäärä (noin) Arvio puutalojen määrästä Yhteensäl Puutaloissa maanjäristysalueella menehtyneet Alaska, 1964 8,4 130 < 10 San Fernando, 1971 6,7 63 4 100 000 Edgecumbe, 1987 6,3 0 0 7 000 Saguenay, 1988 5,7 0 0 1 0000 Loma Prieta, 1989 7,1 66 0 50 000 Northridge, 1994 6,7 60 16 + 4 200 000 Hyogo-ken Nambu (Kobe), 1995 6,8 6 300 0 8 000 urkin ja aiwanin viimeaikaiset järistykset eivät ole yllä olevassa taulukossa mukana, koska niissä ei liiemmin ollut puurakennuksia. 9

2. Izmin maanjäristys urkissa Alustukseksi aiheeseen seuraavassa on lyhyt katsaus urkin viimeisestä tuhoisasta maanjäristyksestä. Elokuun 17. päivänä 1999 klo 3:02 aamuyöllä iski 7,4 M:n maanjäristys Kocaelin alueelle Luoteis-urkissa (Pohjois-Anatolian mannerlaattasauman kohdalla), jossa asuu yli 20 miljoonaa ihmistä. Järistys kesti noin 50 sekuntia. Järistyksen seuraukset olivat laajat: yli 15 000 20 000 kuollutta täysin tuhoutuneita taloja n. 35 000, joista valtaosa 4 8-kerroksisia betonitaloja osittain tuhoutuneita n. 50 000 taloa. Onnettomuudesta aiheutunut suuri menehtyneiden lukumäärä johtui pääasiassa siitä, että järistys sattui laajalle alueelle, jossa asukastiheys on suuri, järistys sattui öiseen aikaan ja rakennukset eivät olleet maanjäristyksen kestäviä. Paikalla rakennetut betonikerrostalot toimivat varsin heikosti alueilla, joissa maan huippukiihtyvyys oli yli 0,20 g. ämä aiheutui seuraavista seikoista: Rakennuksissa käytetyn betonin laatu oli heikkoa. Raudoituksen rakenneyksityiskohdat olivat puutteelliset (raudoitus joko puuttui kokonaan tai ei ollut ankkuroitu). alon jäykistyksessä oli puutteita. Perustamisolosuhteet olivat huonot tai täysin sopimattomat. Elementtirakenteiset betonitalot toimivat paikalla rakennettujakin heikommin. ämä aiheutui elementtien välisestä huonosta liitostavasta. Valtaosa elementtirakenteisista teollisuusrakennuksista sortui. Maan huippukiihtyvyys (%g) Kuva 2.1. Maanjäristyksen aikana mitatut kiihtyvyyshuiput eri mittausasemilla (Izmit urkey Earthquake August 17, 1999. http://www.eerc.berkeley.edu/turkey/index.html). 10

Vaikka maanjäristys oli 7,4 M Richterin asteikolla, olivat maan huippukiihtyvyysarvot eri mittausasemilla kohtuulliset. Järistysalue oli kuitenkin laaja ja tiheästi asuttu. Richterin asteikko kuvaa vapautunutta energiaa eikä ole suoraan yhteydessä maan kiihtyvyyteen (ks. liite 1). Pohjois etelä [cm] Länsi itä [cm] Kuva 2.2. Maan liike järistyksen aikana pohjois etelä ja länsi itä -tasossa, YP-asemalta (Izmit urkey Earthquake August 17, 1999. http://www.eerc.berkeley.edu/turkey/index.html). Kuva 2.2 antaa käsityksen maan liikkeestä järistyksen aikana eräältä mittausasemalta. Huippusiirtymä vertikaalisuunnassa oli 2 metriä ja vaakasuunnassa 3,5 metriä. 11

Kuva 2.3. Kiihtyvyydet maanjäristyksen aikana YP-asemalta (Izmit urkey Earthquake August 17, 1999. http://www.eerc.berkeley.edu/turkey/index.html). Maanjäristyksen aikana maahan kohdistuu kiihtyvyyskomponentteja kaikkiin suuntiin yhtäaikaisesti, kuva 2.3. Rakennusten kannalta vaakasuuntaiset komponentit ovat vaarallisimpia. Pystysuuntaisia kiihtyvyyksiä tarkastellaan yleensä vain tapauksissa, joissa on pitkiä vaakasuuntaisia ulokkeita tai pitkiä jännevälejä. 12

Kuva 2.4. urkin maanjäristysnormien seismiset alueet (Izmit urkey Earthquake August 17, 1999. http://www.eerc.berkeley.edu/turkey/index.html). Kuvan 2.4 esitettyjen eri alueiden mitoituksessa käytettävät maankiihtyvyyden arvot ovat: Zone 1: A 0 = 0,40 Zone 2: A 0 = 0,30 Zone 3: A 0 = 0,20 Zone 4: A 0 = 0,10. urkin maanjäristysnormit antavat hyvin samanlaisen mitoituskuorman kuin Eurocode 8. Käytännön kannalta eroa ei ole lainkaan. urkin normit eivät tosin käsittele puurakennuksia, vaan pelkästään betoni- ja teräsrakennuksia. Lähteen /1999-Izmit earthquake and its effects on different contructions/ mukaan urkin uusin maanjäristysnormi, julkaistu 1997, on hyvä ja nykyaikainen suunnitteluohje. Mikäli rakennukset olisi suunniteltu ja rakennettu tämän mukaan, olisivat tuhot ainakin puolittuneet. Asiantuntijoiden käsitys on se, että suuri rakennusten tuho johtui pääasiassa rakentamisvaiheen puutteellisesta työn valvonnasta. eräsrakenteisten talojen osuus Istanbulissa on noin 5 %. Puutaloja on vain joitakin yksittäisiä. 13

Kuva 2.5. Perinteinen puurunkoinen talo, jossa on tiilitäytteiset seinät. Maanjäristysalueella oleva rakennus on hyvin kestänyt järistyksen. (Izmit urkey Earthquake August 17, 1999. http://www.eerc.berkeley.edu/turkey/index.html). 14

3. Puurakenteiden seisminen suunnittelu Eurocode 8:n mukaan 3.1 Yleistä Eurocode 8 (EC8) antaa ohjeita siitä, miten maanjäristyssuunnittelussa käytettävät kuormat määritetään. ämän lisäksi esitetään joitakin rakenteellisia ohjeita kantavista runkorakenteista sekä detaljiohjeita liitoksista. Puurakenteita koskevia rakenteellisia ohjeita on yhteensä yhdeksän sivua. ässä käsitellään Eurooppalaisen maanjäristysnormin, Eurocode 8 (ENV 1998) Design provisions for earthquake resistance of structures (EC8), määräyksiä, ohjeita ja suosituksia, jotka koskevat puurakenteita. Maanjäristysalueille rakennettavat rakennukset on suunniteltava ja rakennettava sillä tavalla, että rakennus ei sorru ja rakennukseen syntyy vain rajallisesti vaurioita ja se säilyy yhtenäisenä pystyssä. Pääpaino EC8:ssa on ihmisten turvallisuudessa ja siinä, että vauriot jäävät rajallisiksi ja kansakunnalle tärkeät rakennukset (esim. sairaalat, paloasemat) säilyvät toimintakuntoisina. Ydinvoimalat ja suuret patorakenteet eivät kuulu EC8:n piiriin. EC8 on jaettu kolmeen osaan seuraavasti: 3.2 Eurocode 8:n rakenne Eurocode 8 part 1-1, General rules Seismic actions and general requirements for structures. ässä osassa esitellään yleisiä maanjäristyskestävien rakennusten vaatimuksia ja määritelmiä. Osassa on myös käsitellään myös seismisen kuormituksen määritysmenetelmiä sekä maanjäristysmitoitukseen liittyviä kuormitusyhdistelmiä. Eurocode 8 part 1-2, General rules for buildings. ässä osassa käsitellään rakennuksia koskevia yleisiä maanjäristyskestävyyteen liittyviä määräyksiä. Eurocode 8 part 1-3, Specific rules for various materials and structures. ässä osassa käsitellään eri rakennusmateriaaleista tehtyjä rakennuksia ja annetaan näille tarkempia rakenteellisia ja detaljiohjeita sekä määräyksiä. ekstiosa on jaettu betoni-, teräs-, puuja muurattuihin rakennuksiin. Puurakenteita koskevia ohjeita on yhdeksän sivua (osa IV, s. 89 97). 15

Lisäksi EC8 sisältää osat: Part 2 Specific provisions for bridges, Part 3 Provisions for towers, masts and chimneys, Part 4 Specific provisions with respect to tanks, silos and pipelines, Part 5 Specific provisions relevant to foundations, retaining structures and geotechnical aspects. Näitä EC8:n osia ei tarkastella tässä kirjoituksessa. Maapohjan kiihtyvyysarvot Kansalliset viranomaiset voivat vaurioitumisen seurauksia välttääkseen määritellä rajoituksia rakennusten korkeudelle tai muille ominaisuuksille paikallisesta seismisyydestä, tärkeysluokituksesta, maaperäolosuhteista sekä kaupunki- ja ympäristösuunnittelusta riippuen. Kuormien määrityksessä tarvittava maan huippukiihtyvyysarvo a g, joka riippuu alueellisesta seismisyydestä, saadaan paikallisilta viranomaisilta maakohtaisesti ns. kansallisissa sovellutusasiakirjoissa (NAD). EC8 ei sisällä alueellisia maan huippukiihtyvyysarvoja. Kansalliset viranomaiset määrittävät siten noudatettavan rakenteiden luotettavuustason omissa maissaan. Varsinainen rakenteiden mitoitus suoritetaan Eurocode 5:n (EC5) ohjeita noudattaen. Nykyinen rakenteiden suunnitteluperiaate maanjäristysalueilla on se, että rakennusten pitäisi kestää niin sanottu "käyttömaanjäristys" käyttörajoituksitta, siis ilman vakavia muodonmuutoksia tai vaurioita. ällöin sovelletaan maaperän huippukiihtyvyysarvoa, mikä toistuu keskimäärin 50 vuoden välein. Kiihtyvyysarvo on A y. Lisäksi rakennusten tulisi kestää "onnettomuusmaanjäristys", jossa rakenneosiin saa syntyä vakavia vaurioita, mutta nämä eivät sorru täydellisesti. Maanjäristyksen toistumisaika on tällöin noin 475 vuotta (EC8). Kiihtyvyysarvo on tässä tapauksessa A u. Rakenteen plastinen muodonmuutoskapasiteetti sekä liike-energian sitomiskyky ovat olennainen osa rakenteen kapasiteettia maanjäristyksissä (Ceccotti, 1989). Sellaiset asianmukaisesti suunnitellut rakenteet, joiden liitokset toimivat plastisesti ja sitovat energiaa, voivat kestää suurempia maanjäristysliikkeitä kuin samat rakenteet, joissa on jäykät ja energiaa sitomattomat liitokset. ämä pätee kaikille rakenteille materiaalista riippumatta. Rakenteet jaetaan tämän vuoksi EC8:ssa eri luokkiin muodonmuutoskyvyn ja energian sitomiskyvyn mukaan. ätä ominaisuutta kuvaa kerroin, q, jota kutsutaan myös vähennyskertoimeksi. Puurakenteilla vähennyskerroin saa arvon 1 3. Kun rakenne on mitoitettu niin, että se siirtyy plastiselle alueelle kiihtyvyydellä A u, kestäisi se vielä q-kertaisen kiihtyvyyden sortumatta, näin A u =qa y. Rakenne voidaan siis mitoittaa kimmoisesti, q=1,0, maan kiihtyvyydelle A y tarkasteltaessa vakavia vaurioita, ja samalla tiedetään, että se kestäisi vielä q-kertaisen kiihtyvyyden sortumatta. EC8:ssa käytettävä maan kiihtyvyysarvo, a g, kuvaa kuitenkin suurta maanjäristysonnettomuustilannetta, minkä numeerinen arvo ja toistumistiheys on kansallisten viranomaisten päätettävissä, niin kuin yllä on mainittu. 16

3.3 Rakennusten maanjäristyssuunnittelun analyysimenetelmät Rakennusten seisminen suunnittelu ja mitoitus voidaan tehdä usealla eri analyysimenetelmällä. Näitä ovat 1. yksinkertainen vastespektrianalyysi 2. multi-moodivastespektrianalyysi 3. tehospektrianalyysi 4. suora aikaintegrointianalyysi 5. taajuustasoanalyysi. EC8 sallii kaikkia yllä esitettyjä analyysimenetelmiä määrätyin ehdoin. Edellä olevista ainoastaan menetelmä 1. Yksinkertainen vastespektrianalyysi, on suoritettavissa "käsin" soveltaen EC8:n ohjeita. Muut analyysimenetelmät ovat mutkikkaampia ja vaativat erityisasiantuntemusta. Näiden suoritus edellyttää yleensä jonkin yleisen elementtimenetelmäohjelmiston käyttöä, joka sisältää dynamiikan laskentarutiinit. aulukossa 3.1 on annettu vähimmäisvaatimus analyysi- ja mallimenetelmäksi, joka riippuu rakennuksen säännöllisyydestä. aulukko 3.1. Rakennuksen säännöllisyyden merkitys. Rakennuksen säännöllisyys Sallittu yksinkertaistus Vähennyskerroin, q asossa Korkeudessa Malli Analyysi kyllä kyllä ei ei kyllä ei kyllä ei 2D 2D 3D 3D yksinkertainen multi-moodi multi-moodi multi-moodi referenssiarvo pienennetty arvo referenssiarvo pienennetty arvo Rakennusta voidaan pitää säännöllisenä tasossaan, jos rakennus on massajakaumaltaan ja jäykkyydeltään lähes symmetrinen kahdessa pääsuunnassa rakennuksen pohjataso on kompakti eli ei sisällä H-, I- tai X-muotoja eikä sisällä yli 25 %:n sisennyksiä tämän päämitan suhteen välipohjien jäykkyys on riittävä suhteessa pystysuuntaisiin jäykistysrakenteisiin seismisellä kuormajakaumalla minkään kerroksen vaakasiirtymä ei ylitä 20 %:n keskimääräistä kerrossiirtymää. 17

Rakennusta voidaan pitää säännöllisenä pystysuunnassaan, jos rakennuksen antavat rakenteet ovat jatkuvia perustuksista aina rakennuksen (tämän osan) yläosaan asti eri kerrosten vaakajäykkyys ja painojakauma on sama tai pienenee ylöspäin mentäessä, ilman suuria hyppäyksiä kantavien rakenteiden sisennyksistä edellytetään seuraavaa: - kun talon pohjasymmetria säilyy, voidaan korkeintaan 20 % sisennyksiä edellisestä kerroksesta rungossa sallia - yhden sisennyksen tapauksessa talon alimmassa 15 %:n osassa sisennys ei saa olla yli 50 %:a yllä olevasta kerroksesta (EC8:ssa on joitakin lisäkohtia sisennyksiin). Yleisesti voidaan todeta, että puurakenteiset talot täyttävät edellä esitetyt rakennuksen säännöllisyyttä koskevat ehdot ja siten taulukon 1 mukaisesti näille voidaan pääsääntöisesti soveltaa yksinkertaistettua vastespektrianalyysiä. 3.4 Yksinkertainen vastespektrianalyysi Yksinkertaisen vastespektrianalyysin tapausta sovelletaan taulukon 3.1 mukaisesti säännöllisten rakennusten suunnitteluun. ällöin otetaan huomioon ainoastaan rakennuksen alin ominaistaajuus ja korkeammat ominaistaajuudet jätetään vähäpätöisinä huomiotta. Rakennuksen ominaisperiodi tulee myös olla pienempi kuin 2 sekuntia (tai 4 x c). Puurakennukset yleensä täyttävät nämä ehdot. Perusleikkausvoima Rakennuksen kumpaankin pääsuuntaan kohdistuu leikkausvoima F b ( ) W q Fb = S e 0 / tai (1a) = S d ) W, (1b) ( 0 missä 0 on rakennuksen ominaisperiodi S e on kimmoisen vastespektrin ordinaatta S d on suunnitteluspektrin ordinaatta W on rakennuksen seisminen paino (kts. kohta 6) qonvähennyskerroin. 18

Rakennuksen ominaisperiodi Rakennuksen ominaisperiodille, 0, on EC8:ssa annettu yksinkertaistettu laskentakaava, mikä antaa varmalla puolella olevia tuloksia. ämä on puurakennuksille seuraava: 0.75 = 0. H, (2) 0 05 missä rakennuksen korkeus H annetaan metreinä ja aika on sekunteina. Perusleikkausvoiman jakautuminen rakennukseen korkeussuunnassa Jos välipohjamassat ovat eri kerroksissa samansuuruisia, perusleikkausvoima jakautuu rakennukseen kolmiomaisesti niin, että kuormitus kasvaa ylöspäin mentäessä. ziwi F i = Fb, z W j i i (3) Maaperäolosuhteet missä F i on vaakavoima kerroksessa i F b on perusleikkausvoima z i on välipohjan korkeusasema maasta W i on välipohjan seisminen paino (ks. kohta 6). Paikallisten maaperäolosuhteiden mukaan määritellään kolme maapohjaluokkaa, A, B ja C, seuraavasti: Maapohjaluokka A: Kallio tai muu geologinen muodostuma, jossa leikkausaallon (S-aalto) nopeus v s on vähintään 800 m/s. Pinnalla saa olla korkeintaan 5 m heikompaa ainesta. iivis hiekasta, sorasta tai ylikonsolidoituneesta savesta muodostunut kerrostuma, jonka paksuus on useita kymmeniä metrejä (vähintään 10 m) ja jonka mekaaniset ominaisuudet paranevat syvemmälle mentäessä (v s vähintään 400 m/s). Maapohjaluokka B: Syvät esiintymät keskitiheää hiekkaa, soraa tai keskitiivistä savea. v s min. -arvo on 10 m:n syvyydessä 200 m/s ja 50 m:n syvyydessä 350 m/s. Maapohjaluokka C: Löysät koheesiottomat maaesiintymät tai pehmeät tai keskitiiviit koheesiomaalajit, joissa saa olla joitakin pehmeitä koheesiokerroksia. Vs-arvo saa alittaa 200 m:n/s vain alle 20 m:n syvyydessä. 19

3.5 Vastespektrit Kansalliset maa-alueet on kunkin maan viranomaisten toimesta jaettu seismisiin vyöhykkeisiin. Näille on annettu maan huippukiihtyvyyden arvo a g, joka perustuu haluttuun toistuvuusarvioon. iedot on annettu kansallisissa sovellutusasiakirjoissa, NAD. EC8:ssa kyseisiä maakohtaisia arvoja ei ole. Jos maan huippukiihtyvyysarvo on alle 0,04 g, ei EC8-ohjeita tarvitse huomioida. Kimmoinen vastespektri Perusleikkausvoiman kaavassa (1a) tarvittava kimmoinen vastespektriarvo määritetään alla olevasta kaavaryhmästä rakennuksen ominais-periodin mukaan. Puurakenteiden tapauksessa päädytään kaavaryhmässä useimmiten tapaukseen (4.b), kun rakennuksen ominaisperiodi lasketaan kaavalla (2). missä S S S S e e e e = a = a = a = a g g g g S 1 + Sηβ 0 b c Sηβ 0 Sηβ c d ( ηβ 1) k1 k1 d 0 k2 jos < jos b jos c jos d b < 0 < 0 < 0 < c < d (4. a) (4. b) (4. c) (4. d) a g on: maan huippukiihtyvyysarvo 0 on rakenteen ominaisperiodi b, c, d ovat aikaparametrejä S on maaparametri η on vaimennuskorjauskerroin, joka on yleensä 1,0 ( η = 7 /(2 + ξ ) 0, 7, jossa ξ-vaimennuskerroin 5%) k 1 ja k 2 ovat eksponenttiparametrejä. Maapohjaluokituksen perusteella asetetaan vastespektrianalyysin vaatimille parametreille arvot, jotka ovat taulukossa 3.2. aulukko 3.2. Kimmoisen vastespektrianalyysin parametrit maapohjaluokan mukaan. Maapohjaluokka S β k1 k2 b [s] c d [s] [s] A 1,0 2,5 1 2 0,10 0,40 3,00 B 1,0 2,5 1 2 0,15 0,60 3,00 C 0,9 2,5 1 2 0,20 0,80 3,00 20

21 Kuva 3.1. Kimmoinen vastespektri maapohjaluokalle C, kun ag on 0,25 g. Suunnitteluspektri Rakenteiden kyky kestää seismistä kuormitusta on yleensä parempi kuin pelkästään niiden kimmoinen kapasiteetti. ämän vuoksi perusleikkausvoiman kaava (1.a) jaetaan arvolla q. Vaihtoehtoisesti voidaan soveltaa kaavan (1.b) mukaista niin sanottua suunnitteluspektriä, jossa rakenteen muodonmuutoskykyä kuvaava q-termi on kaavaryhmään sisäänrakennettu. ulos on sama näillä menetelmillä. Perusleikkausvoiman kaavassa (1.b) tarvittava suunnitteluvastespektriarvo määritetään alla olevasta kaavaryhmästä. Puurakenteiden tapauksessa päädytään alla olevasta kaavaryhmästä useimmiten tapaukseen (5.b). ) (5. ) 0.2 ( ) (5. ) 0.2 ( ) (5. ) (5. 1 1 0 0 0 0 0 0 21 1 1 d jos q S S c jos q S S b jos q S S a jos q S S d k d k d c d d c k c d c b d b b d d d < = < < = < < = < + = α β α α β α β α β α Kaavaryhmässä (5) termi α tarkoittaa maan huippukiihtyvyyttä suhteessa maan vetovoimakiihtyvyyteen g (α =a g /g). ällä ei siten ole yksiköitä. 0 1 2 3 4 0 0.2 0.4 0.6 0.563 0 S E 4 0

aulukko 3.3. Suunnitteluspektrin arvot muuten kuin taulukossa 3.2. Maapohjaluokka kd1 kd2 A 2/3 5/3 B 2/3 5/3 C 2/3 5/3 Vähennyskerroin q mahdollistaa kimmoisen suunnittelutavan soveltamisen maanjäristyksen kaltaisissa poikkeuksellisissa kuormituksissa. Kerroin ottaa huomioon rakenteen plastisen ominaisuuden. Kerroin kuvaa suhdetta, jossa verrataan rakenteen sortumisen aiheuttavaa maan kiihtyvyyttä ja kiihtyvyyttä, jolla saavutetaan kimmoisen ja plastisen alueen raja. Seismisen liikkeen aikana rakenne pehmenee, muuttaa värähtelytaajuuttaan sekä sitoo liike-energiaa, ja kuormituksen syklisen luonteen vuoksi rakenteella on aikaa kääntää liikesuuntaansa päinvastaiseksi ennen sortumista. ämän vuoksi rakenteen kyky mukautua plastisiin muodonmuutoksiin murtumatta on olennainen osa sen kapasiteetista vastustaa seismistä kuormitusta. Kun rakenne on täysin kimmoinen murtumiseen asti, on q =1, muuten se on >1. Puurakenteille q-arvo on 1 3. EC8:ssa on annettu vähennyskertoimen q,-arvot usealle rakennetyypille, joista esimerkkejä alla: q = 1,0 q = 1,5 q = 2,0 q = 3,0 Rakenteet, joissa ei ole mekaanisia liitoksia, nivelkaaret, ulokerakenteet, kolminivelkaaret, mastojäykisteiset rakennukset, levyjäykisteiset rakennukset, joissa ei ole käytetty mekaanisia liittimiä. Rakenteet, joissa energiaa sitovia liitoksia on harvassa. Kehät, jossa puolijäykät liitokset ovat solmuissa, pilari-palkki sekä kehärungot, hirsirakenteet kipsilevyllä jäykistetyt seinät (Ceccotti & Karacabeyli 1998). Levyjäykistys puulevyin ja mekaanisin liittimin, mm. platform-runkoinen puukerrostalo. Mikäli rakennus on kahdessa vaakapääsuunnassa jäykistetty toisistaan riippumattomilla tavoilla, lasketaan molemmat tapaukset erikseen ja sovelletaan kullekin pääsuunnalle omaa vähennyskerrointa. Esimerkkinä tämäntyyppisestä rakennuksesta on kolminivelkaarihalli, joka on jäykistetty ristikoin (mekaanisin liittimin) poikkisuuntaan kaaren tasosta. Vähennyskerroin on tällöin kaaren suunnassa q=1 ja tätä kohtisuoraan q=2. 22

3.6 Rakenteen pystykuormat seismisessä suunnittelussa Kaavoissa (1) ja (3) käytettiin rakenteen massaa W. ämän laskemiseksi sovelletaan seuraavaa. Maanjäristyksen vaikutus rakenteeseen lasketaan ottamalla huomioon järistyksen aikana rakennuksen eri kerroksissa olevat massat: W = G kj + ψ EIQki, (6) missä G kj on pysyvän kuorman ominaisarvo ja ψ EI Q ki on todennäköinen hyötykuorman arvo maanjäristyksen aikana. ψ EI = ϕψ 2i, (7) missä ψ 2i on pitkäaikaisarvo, 0,3 hyötykuormalle, tai 0,2 lumikuormalle (EC1 ja EC5), ϕ on 0,5 muille paitsi ylimmälle kerrokselle, jolle se on 1,0, kun eri kerroskuormilla ei ole korrelaatioita (EC8) ϕ on 1,0 varastokuormille (EC8). 3.7 Kuormien yhdistäminen seismisessä suunnittelussa Seismisessä suunnittelussa käytettävä kuormituksen suunnitteluarvo saadaan yhdistämällä pysyvien kuormien ja maanjäristyskuormien vaikutus. uulikuormia ei tarvitse ottaa huomioon samanaikaisesti maanjäristyskuorman kanssa. Ed 2 = Gkj + γ Fb + ψ iqki, (8) missä γ on tärkeyskerroin (γ I = 1,4 sairaalat, palokunnat, voimalat; γ II = 1,2 koulut, kulttuurirakennukset; γ III = 1,0 asuintalot, liikerakennukset; γ IV = 0,8 maatalousrakennukset ja vastaavat). G kj ja Q ki ovat pysyvien ja muuttuvien kuormien ominaisarvoja. ψ 2i on yhdistelykerroin muuttuvan kuorman pitkäaikaisarvolle. Edellä esitetyt kuormien laskentatavat liittyvät maanjäristyksen aikana rakennukseen kohdistuvaan vaakakuormaan. ämä onkin selvästi vaarallisempi kuorman suunta useimmissa tapauksissa. Maanjäristystilanteessa maapohja liikkuu kuitenkin kaikkiin suuntiin ja tietyille rakenteille, esim. pitkille ulokkeille, saattavat pystysuuntaiset 23

maanjäristyskomponentit olla myös tärkeitä. Maanjäristyskuormien pystysuuntaiset kuormat saadaan kertomalla lasketut vaakasuuntaiset kuormat arvolla 0,7, kun rakenteen ominaisperiodi 0 <0,15s 0,5, kun rakenteen ominaisperiodi 0 >0,50s interpoloidaan yllä olevalla välillä kun 0,15 s < 0 <0,5s. 3.8 Seismisten kuormien määritys Puurakennukset ovat yleensä säännöllisiä sekä pysty- että vaakatasossa, ja siten taulukon 3.1 mukaisesti voidaan soveltaa yksinkertaista vastespektrianalyysiä. Vaadittaessa tarkempaa analyysimenetelmää voidaan yksinkertaista menetelmää soveltaa kuitenkin esisuunnitteluun. Puurakenteiden tapauksessa tämä menetelmä, EC8:n mukaisesti, useimmiten riittänee. Rakenteen mitoituskuormien määrittäminen etenee yksinkertaisimmillaan alla olevan listan mukaan. Suunnittelukuormien kulku on seuraava: 1. Paikallisten olosuhteiden mukaan valitaan maapohjaluokka (A, B tai C). 2. Selvitetään maapohjan huippukiihtyvyysarvo, a g, alueen seismisyyden mukaan. 3. Arvioidaan rakenteen ominaisperiodi kaavalla 2. 4. Määritetään rakenteesta riippuva vähennyskerroin q (q = 3,0: levyjäykistetylle esim. vaneri, jonka paksuus yli 9 mm, q = 2,0: pilari-palkki- ja kehärungot, q = 1,0: nivelkaaret, liimatut rakenteet). 5. Määritetään suunnitteluspektrin ordinaattaa kaavaryhmästä 5. Yleensä olisi hyvä käyttää kaavaa 5.b, tämä on kaavaryhmän huippuarvo ja on siten varmalla puolella. Yleensä yksinkertaistettu ominaisperiodikaava 2 johtaa tähän nimenomaiseen kaavaan. 6. Lasketaan rakenteen seisminen massa kaavalla 6. 7. Lasketaan rakennuksen perusleikkausvoima kaavalla 1 ja tämän jakautuminen kaavalla 3. Jotta yksiköt menevät oikein, maan huippukiihtyvyysarvo olisi hyvä antaa normalisoituna g:llä (esim. a g = 0,25 [g] eikä 2,45 [m/s 2 ]), ja seisminen massa yksiköillä [N], jolloin seismisen vaakakuorman yksikkö on myös [N]. Kun seisminen kuormitus on määritetty, suoritetaan rakenteiden mitoitus EC5:n mukaisesti. Seuraavassa luvussa selostetaan mitoituksen pääperiaatteita. 24

4. Seisminen mitoitus 4.1 Yleistä ässä luvussa käsitellään seismistä mitoitusta lähinnä kantavat seinät -runkoisille taloille (esim. platform). Puurakenteiden seisminen suunnittelu ja mitoitus on hyvin samankaltaista kuin mitoitus muita vaakakuormia, esim. tuulikuormia, vastaan. Vaakakuormat johdetaan välipohjatasoilta jäykistysseiniä pitkin perustuksiin. Erona on se, että tuulikuorma kohdistuu paineena ulkoseiniin ja seismisessä mitoituksessa kuormat kohdistuvat massoihin eli lähinnä välipohjiin. Seismisessä kuormituksessa voimat ovat syklisiä ja muuttavat äkillisesti suuntaa sekä pysty- että vaakasuunnassa. Rakenneosat on sen vuoksi sidottava hyvin toisiinsa niin, etteivät välipohjat tai palkit pääse tuelta putoamaan. Platform-runko on tässä mielessä hyvä, kun välipohja ulottuu koko kantavan seinän paksuuden yli. Kantava seinä tukee näin hyvin välipohjaa ja välipohja tukee samalla seinän yläosaa sivusuunnassa. Myös paloturvallisuuteen on kiinnitettävä huomioita seismisessä suunnittelussa. ähän ei EC8:ssa ole kuitenkaan annettu erillisohjeita, vaan on noudatettava kansallisia paloturvallisuusmääräyksiä. alon kokonaisjäykistystä tarkasteltaessa suunnitellaan, miten vaakavoimat johdetaan talon eri osista perustuksiin. Vääntökeskiön eli massakeskipisteen tulisi yhtyä mahdollisimman hyvin jäykistysseinien painopisteeseen vääntövaikutusten minimoimiseksi. ämä riippuu talon pohjaratkaisusta ja jäykistysseinien sijoituksesta. Puutaloissa painopisteet saadaan usein lähelle toisiaan. alon pohjaratkaisun tulisi olla myös mahdollisimman säännöllinen vaaka- ja pystysuunnassa sekä massakeskittymien että jäykkyyden suhteen. Kohdassa 3.3 on kirjattu EC8:ssa annettuja säännöllisyyden raja-arvoja. Rakennuksen jäykistystarkastelu sisältää jäykistysseinien, välipohjalevyjen sekä ankkuroinnin tarkastelun. Näitä kohtia käsitellään jäljempänä. 4.2 Murtorajatilatarkastelut Rakenteen varmuus murtoa vastaan pidetään maanjäristystilanteessa riittävänä, jos seuraavat osat koskien rakenneosan murtokapasiteettia, sitkeyttä, tasapaino-ehtoa, täyttyvät. 25

Rakenneosan murtokapasiteetti Seuraavan ehdon on täytyttävä kaikkien rakenneosien ja liitosten osalta: E d f k = f { G γ F, ψ Q } R = R{ } (9) kj, b 2i ki d γ M Rakenteen kapasiteettia määritettäessä otetaan huomioon, että materiaalin lujuus on hetkellistä aikaluokkaa vastaava arvo ja että materiaalin osavarmuuskerroin γ M =1,3, kun rakenne on energiaa sitova eli q > 1,0 ja γ M = 1,0, kun rakenne ei ole energiaa sitova eli q= 1,0 (esim. liimattu rakenne). Lähes kaikissa tapauksissa osavarmuuskerroin on siis 1,3, niin kuin normaalimitoituksessakin, vaikka kyseessä on onnettomuustilanne. Rakenteen tärkeyskerroin, γ, yllä olevassa kaavassa on esitetty kaavan (8) yhteydessä. Asuintaloille tämä saa arvon 1,0. Rakenteiden sitkeys Rakenteiden ja koko rakennuksen on oltava riittävän sitkeitä. Sitkeyden on todellisuudessa oltava sitä, mitä suunnittelussa oletetaan ja jossa tätä hyödynnetään kuormia pienentävänä tekijänä (vähennyskerroin q). asapainoehto Rakennuksen on oltava stabiili maanjäristystilanteessa. ällöin on otettava huomioon kuormitusyhdistelmät ja laskettava rakennuksen ankkurointi - kaatumista vastaan: pystysuuntaisia vetovoimia vastaan rakennuksen ja jäykistysseinien päissä, - liukumista vastaan: leikkausvoimaa vastaan pitkin jäykistäviä seiniä. Ankkuroinnit on hoidettava kerrostalon tapauksessa jokaisessa kerroksessa. Luonnollisesti voimat kasvavat alimmissa kerroksissa. avallisesti ankkuroinnit kaatumista vastaan hoidetaan läpipulttauksella ja kulmateräksillä tai naulatulla teräsnauhalla. Myös läpi kerroksen menevää jäykistyslevyä voidaan hyödyntää. Ankkurointi liukumista vastaan hoidetaan yleensä kiila-ankkurein perustuksiin alimmassa kerroksessa ja ylemmissä riittänee seinän alajuoksun naulaus alustaan. 26

4.3 Käyttörajatilatarkastelu Rakenteiden vaurioiden rajoittamiseksi EC8:ssa on annettu kerroksen suurin vaakasiirtymä maanjäristyksessä. Mitoittava maanjäristys saa olla useammin toistuva ja maan huippukiihtyvyysarvo on pienempi, kuin mitä se on edellä esitetyissä murtorajatarkasteluissa. äsmällistä arvoa ei ole kuitenkaan annettu. Kansalliset ohjeet voivat ottaa tähän kantaa. Kerroksen vaakasiirtymä on rajoitettu arvoon: d r /ν 0,004 h 0,006 h hauraat ei-kantavat rakenteet liitetty kiinteästi ei-kantavat rakenteet liitetty liikuntasaumoin missä d r on kerroksen vaakasiirtymä h on kerroksen korkeus ν vähennyskerroin arvoltaan 2,0 2,5 rakennuksen eri tärkeysluokille. 4.4 Erityisohjeita puurakennuksille On huomattava, että EC5:n antamien ohjeiden lisäksi EC8:ssa on annettu joitakin tiukennuksia ja erityisohjeita puurakenteille. Näistä tärkeimmät luetellaan seuraavassa. Vähennyskertoimen, q, arvo on puurakenteille 1,0 3,0. EC8 on annettu runkotyypeille seuraavasti: yyppi A, q = 1,0: kolminivelkaarille, mastojäykisteisille rakennuksille ja levyjäykisteisille rakennuksille, joissa ei ole käytetty mekaanisia liittimiä. yyppi B, q = 1,5: puolijäykät mastojäykisteet, rakenteet, joissa energiaa sitovia liitoksia harvassa. yyppi C, q = 2,0: kolminivelkaaret, joissa nivelten välisissä rakenneosissa puolijäykkä liitos (momenttiliitos); ristikot, joissa mekaaniset liitokset, hirsirakenteet. yyppi D, q = 3,0: mekaanisin liitoksin kootut levyjäykisteiset talot. Mikäli rakennus on pystysuunnassa epäsäännöllinen (ks. kohta 3.3), on vähennyskerrointa pienennettävä 20 %, ei kuitenkaan alle 1,0:aan. 27

Jotta mekaanisin liittimin tehdyt liitokset kykenevät sitomaan energiaa ja yllä olevia vähennyskertoimia voitaisiin käyttää, on mekaanisille liitoksille annettu seuraavia reunaehtoja: Puu-puu- ja teräs-puu-puikkoliitoksissa (naulat, pultit, tapit jne.) on liitososien oltavavähintään8dpaksujajapuikonhalkaisijatulisiollaalle12mm. Muutamia käytettävän jäykistyslevyn vähimmäisvaatimuksia on esitetty EC8:ssa: Vanerilevyn vähimmäispaksuus on 9 mm. Lastulevyn vähimmäistiheys on 650 kg/m 3. Lastu- ja kuitulevyn vähimmäispaksuus on 13 mm. Lisäksi on otettava huomioon, että EC5 rajoittaa eri levyjen käyttöä eri kosteusolosuhteissa siten, että vaneria voidaan käyttää käyttöluokissa 1 3 lastulevyä ja määrättyjä OSB- ja kuitulevylaatuja voidaan käyttää käyttöluokissa 1 2 Gyproc-kipsilevyä voidaan käyttää käyttöluokissa 1 (GN13, GEK13 GF15) tai kosteusluokissa 1 3 (GS9). 4.5 Rakennuksen jäykistys Vaakakuormien siirtämiseksi perustuksille tarvitaan rakennusta jäykistäviä rakenneosia. Platform-runkoisissa taloissa luontevin jäykistystapa on levyjen käyttö jäykistävissä seinissä. Yleisesti käytetään joko vaneri- tai OSB-levyjä (Oriented Strand Board) jäykistysseinissä. Myös kipsilevyjä voidaan käyttää. Jäykistys voidaan hoitaa myös vinolaudoituksella; useimmiten levyjen käyttö jäykistävissä seinissä on taloudellisin ja järkevin tapa jäykistää puurakennus. Levyjen periaatteellinen toiminta esitetään kuvassa 4.1 yksinkertaisella rakennusmuodolla, johon kohdistuu kuorma kohtisuoraan pitkän sivun seinää vastaan. Seinien oletetaan olevan yksinkertaisesti tuettuja katon ja perustusten välillä. Kattolevyn (tai välipohjan) oletetaan toimivan korkeana palkkina ja siihen kohdistuu vaakakuorma, joka on verrannollinen sen massaan ja maan kiihtyvyyteen. Kattolevy tuetaan päätyseinille, jotka kuljettavat voimat perustuksille niiden levyjäykistyksenä. Yllä kuvattuja jäykistäviä osia voi olla myös rinnakkain, jolloin myös sisäseiniä käytetään jäykisteinä. Kerrostalossa yllä kuvattuja rakennusosia on päällekkäin ja vaakavoimat siten kumuloituvat alimpien kerrosten seinille. 28

Maan kiihtyvyyden suunta Kuva 4.1. Voimien siirtyminen yksinkertaisessa rakennuksessa, jossa yläpohja toimii vaakasuuntaisena levynä ja päätyseinät jäykistysseininä. Jäykistävät rakennusosat tulee kiinnittää kunnolla toisiinsa varmistamaan, että täydellinen kuormituspolku vaakavoiman siirrolle on olemassa. ähän sisältyvät mm. liitokset, jotka liittävät levytyksen runkoon, välipohjalevyn ja jäykistävän seinän liitos sekä jäykistysseinien sidontaliitos perustuksiin. Rakennuksen ankkurointiin ja puurakenteiden liitoksiin palataan tekstissä myöhemmin. 4.6 Välipohjalevyt Väli- ja yläpohjia voidaan käyttää siirtämään vaakasuoria voimia kantaville seinille. Puurunkoisissa rakennuksissa nämä rakenteet rakennetaan periaatteessa puisista välipohjapalkeista, jotka levytetään erityyppisillä puisilla levymateriaaleilla. Vaneria, lastulevyä ja OSB:tä käytetään yleisesti välipohjissa. Levyt kiinnitetään palkkeihin joko nauloilla tai ruuveilla. Platform-tyyppisessä rakentamisessa, jossa lattialevytys toimii työtasona kerroksen seinärakenteita tehtäessä, on otettava huomioon levyvalinnassa myös lattialevyn kosteuden ja sään kestävyys. yön aikana levytys voi joutua alttiiksi sateelle, jolloin vain sisäkäyttöön (interior) tarkoitettuja levyjä ei voi käyttää. Exterior-Vaneri (EN 636-3) on ainoa puulevy, jota voidaan käyttää myös käyttöluokan 3 mukaisissa rakenteissa (EC5). Välipohjarakenteen voidaan olettaa toimivan korkean I-palkin tavoin, joka on tuettu sivusuuntaisilla jäykistävillä väliseinillä. EC5:n mukaan tämä on voimassa jänneväleille, jotka ovat pidempiä kuin kaksi kertaa ja lyhyempiä kuin kuusi kertaa levyn leveys, (2b < l < 6b). Rakenteen staattinen toiminta yksinkertaistetaan siten, että levytys toimii uumana leikkausvoimia vastaan ja paarreosat toimivat laippoina vastustaen taivutusmomentista aiheutuvia puristus- ja vetovoimia. 29

b l Leikkausvoima ν d Puristuspaarrevoima F c b Vetopaarrevoima F t l Jäykistävät seinät Kuva 4.2. Välipohjalevy ja sen staattinen toiminta. Useimmiten välipohjan reunapalkkia tai seinän kaksinkertaista alajuoksua käytetään levyn paarreosana. Juoksut on limitetty porrastetuilla jatkosliitoksilla ja liitetty yhteen naulaamalla tai pulttaamalla. Vaihtoehtoisesti voidaan paarteina käyttää reunassa olevia välipohjan kannatinpalkkeja. aivutusmomentti otetaan vastaan paarteilla (reunapalkit), jotka suunnitellaan momentista aiheutuvalle veto- ja puristusvoimalle. F t,d =F c,d =M max, d /b, (10) missä M max on maksimimomentti ja b on levyn leveys. Leikkausvoima q f,d levytyksen ja paarteen välillä voidaan laskea yhtälöstä q f,d =F v,d /b c, (11) missä F v,d on kokonaisleikkausvoima ja b c on keskeltä keskelle etäisyys paarteiden välillä. Levytys tulee suunnitella kestämään leikkausvoima 30

v d =F v,d /b, (12) missä F v,d on kokonaisleikkausvoima ja b on levyn leveys. Lopuksi, liitosväli liitoksille, jotka liittävät levytyksen palkkeihin, lasketaan yhtälöllä s=r d /v d, (13) missä R d on yksittäisen liitoksen laskentakapasiteetti ja v d on laskettu leikkausvoima per metri. Liitosvälin tulee EC5:n mukaan olla korkeintaan 150 mm välipohjalevyjen reunoilla ja 300 mm muualla. Liitosten leikkauslujuuden tulee näin olla mitoittava tekijä. Liitoskapasiteetti lasketaan EC5-kaavaryhmästä 8.3 kuten seuraavassa: R d ply f hd t1d solid f hd t2d ply 2 2 f hd t1d 2 t2 t2 3 t2 t β + 2β 1 + + + β β 1 + 1+ β t1 t1 t1 t ply nail + = min f t d 4β (2 β ) M hd 1 yd 2β (1 + β ) + β ply 2 2 + β f hd t1 d ply nail + M f hd t d 4β (1 2β ) 2 2 yd 2β (1 + β ) + β ply 2 1+ 2β f hd t2 d 2β nail ply 2M yd f hd d 1+ β missä f ply hd ja f solid hd ovat vanerin ja puun reunapuristuslujuuksien laskenta-arvot, M nail yd on liittimen myötömomentin laskenta-arvo, t 1 ja t 2 ovat levyn paksuus ja naulan tunkeuma puuhun, d on liittimen halkaisija ja β on reunapuristuslujuuksien suhde (Huom. Jäykistysseinien tapauksessa kaava-ryhmästä laskettua R d :tä voidaan vielä korottaa kertoimella 1,2). 2 1 (14) Yksinkertaisesti tuetuilla levyillä, kuten kuvassa 4.2, leikkausvoima siirretään levyltä jäykistysseinille levyn reunassa. Leikkausvoiman oletetaan olevan tasaisesti jakautunut pitkin levyn reunaa, mikäli jäykistysseinä ulottuu koko välipohjasyvyyden yli. Levyn tuet ja paarteet kiinnitetään seinän yläjuoksuun. ämä siirtää leikkausvoimat alla olevalle jäykistysseinälle. Jos levytys ei ole suoraan liitetty näihin osiin, on varmistettava, että on olemassa toinen kuormansiirtopolku. 31

Seisminen kuormitus kohdistuu välipohjan tasossa molempiin pääsuuntiin edestakaisena vaihtokuormituksena. ämän vuoksi välipohjalevyn reunarakenteet tulee mitoittaa sekä puristus- että vetovoimille ja niiden ollessa tukilinja myös leikkausvoimille. Käytettäessä yllä esitettyä mallia oletetaan, että levytys toimii yhtenä osana. Yksittäiset levyt on siten liitettävä hyvin alapuolisiin rakenteisiin. Yhteistoiminnaltaan paras lattia saadaan, kun levyt limittyvät mieluummin kuin ovat samassa linjassa. Levyt toimivat kuitenkin kahteen suuntaan. Limitys pitäisi siksi suunnata määräävää kuormitussuuntaa vastaan eli lyhyempää sivua vastaan, kuten kuvassa 4.2. apauksessa, jossa lattialevyssä on suuria reikiä, on tärkeää varmistaa voimien siirtopolku reikien ympärillä. Puristus- ja vetovoimat voidaan kuljettaa käyttäen reunapalkkeja ja teräsvanteita. Leikkausvoimien siirtymisen varmistamiseksi on olennaista, että levyt naulataan tai ruuvataan kunnolla palkkeihin reiän ympärillä. Ratkaisevaa levyjäykistyksessä on erilaisten liitosten yksityiskohtien suunnittelu. EC8-ohjeet jäykistävien välipohjalevyjen seismiseen mitoitukseen Välipohjalevyt sekä jäykistävät seinät voidaan mitoittaa kuten tuulikuormia vastaan noudattaen EC5-ohjeita muutamin poikkeuksin. Seuraavat kohdat poikkeavat EC5:n mukaisesta mitoituksesta: Välipohjalevyjen tapauksessa 1,2-kertaista korotusta liitinten lujuuteen ei saa ottaa huomioon. Jäykistetason leikkausvoimat eivät välttämättä ole tasan jakautuneet välipohjan leveydelle [ EC5 5.4.2 P(5) ], vaan pystysuuntaisten jäykiste-rakenteiden sijainti tulisi ottaa huomioon. Jäykistävän levyn kaikki reunat on tuettava alapuoliseen tukipalkkiin ("blocking"). Kantavien palkkien ja poikkipalkkien jatkuvuuteen levyn epäjatkuvuuskohdissa on kiinnitettävä huomiota. Palkin hoikkuudelle on annettu raja-arvo h/b < 4. Seismisillä alueilla, joissa a g > 0,2 g, tulisi epäjatkuvuuskohdissa, kuten levyn nurkassa, liitinväliä pienentää kertoimella 1/1,3. EC5:ssä annettuja minimietäisyyksiä ei kuitenkaan saa alittaa. Jos välipohjalevy oletetaan täysin jäykäksi, ei kantavien palkkien jännevälisuunta saa poiketa välipohjan alueella mm. tukiseinien kohdalla. 32

Jatkos uettu jatkos Pienennetty liitinväli Reunatuenta ("blocking") Jäykistävä seinälevy Kuva 4.3. Välipohjalevytyksen tuenta ja liitinvälit EC8 mukaan (EC8). 4.7 Jäykistysseinät Kantavat seinät -rungossa luontevin jäykistystapa on levyjäykistys seinissä. Yleensä puurunkoisten rakennusten seinät koostuvat pystysuorista runkotolpista, jotka on sijoitettu säännöllisin välein. äten ne muodostavat kehikon yhdessä ylä- ja alajuoksun kanssa. Runko on tavallisesti levytetty toiselta tai molemmilta puolilta erityyppisillä levymateriaaleilla, naulattuna tai ruuvattuna runkoon. Rakenteellisesti jäykistysseinää voidaan pitää ulokelevynä, jossa keskitetty kuorma kohdistuu yläjuoksuun. Levytetty jäykistysseinä siirtää vaakavoiman perustuksille tehokkaasti. Seuraava teksti perustuu EC5-suunnitteluohjeeseen ja SEP-esitykseen levyjäykistämisestä. Yleisesti jäykistysseinissä käytetään puulevyjä, vaneri- tai OSB-levyjä. Myös kipsikartonkilevyjä voidaan käyttää. EC5:ssa levyjäykistyksen kapasiteetti muodostuu liitosten kapasiteetista plastisuusteoreettisena alarajaratkaisuna. Yleensä on hyvä käyttää ainakin huoneistonvälisiä ja käytävänvastaisia seiniä jäykistävinä, joissa on levyt molemmin puolin seinärunkoa. 33

y y F c Yläohjauspuu H H Jäykistyslevy Runkotolppa t Alaohjauspuu F x z N B N Kuva 4.4. yypillinen jäykistävä seinäelementti ja tämän staattinen toiminta. Runkotolpat liitetään ala- ja yläjuoksuun nauloilla tai erityyppisillä metallikiinnikkeillä. Rakenteellisesti runkoliitoksia voidaan pitää nivelellisinä liitoksina. ästä syystä puurungon siirtymiä täytyy vastustaa levytyksellä, joka liitetään runkoon. Eniten kuormitetut liitokset sijaitsevat siellä, missä tapahtuvat suurimmat siirtymät rungon ja levytyksen välillä eli nurkissa. Paitsi nostavalle voimalle runkotolpat tulee mitoittaa myös keskitetylle puristavalle voimalle. Kun jäykistyslevyt liitetään runkotolppiin perinteisillä runkotolppajaolla (k600) joka tolppaan, jäykistyskyky muodostuu lähinnä liitosten lujuudesta. Erityistapauksissa saattaa myös levyn leikkauslujuus tai lommahdus vaikuttaa seinälevyn kuormankantokykyyn. EC5:ssä levyjäykistyksen kapasiteetti muodostuu liitosten kapasiteetista plastisuusteoreettisena alarajaratkaisuna. Kun jäykistyslevyt on naulattu vakiovälein levyn ympäri ja levyn leveys on vähintään h/4, voidaan levyjäykistyksen laskentalujuus laskea kaavasta (EC5 9.18): F F f, d b i, = (15) s c v di i missä F f,d on yhden kiinnikkeen kapasiteetti, b i on levyn leveys, s on kiinnikeväli levyn reunalla (sama kiinnikeväli ympäri levyn) 34

c i = 1, jos b i b 0 c i = b i /b 0, josb i <b 0 b 0 =h/2,hon jäykistysseinän korkeus. Levyjen kiinnikkeiden laskentalujuutta F f,d (annettu kaavaryhmässä 14) voidaan korottaa kertoimella 1,2 ( F f,d =1,2R d ). Liitosvälin tulee EC5:n mukaan olla korkeintaan 150 mm naulojen tapauksessa ja 200 mm ruuvien tapauksessa jäykistävän levyn reunoilla. Levyn keskialueella liitinväli saa olla aina 300 mm:iin asti, kuitenkin korkeintaan kaksinkertainen reuna-alueisiin verrattuna. Keskialueella olevat naulat eivät vaikuta seinälevyn leikkauskapasiteettiin, sen sijaan nämä estävät levyn lommahtamisen. EC5:n mukaan seinälevyn lommahdustarkastelua ei tarvitse suorittaa, jos seuraava ehto toteutuu: b net /t < 100 (16) missä b net on seinärungon vapaa väli ja t on seinälevyn paksuus. Siis jos runkojako on k600, lommahdustarkastelua ei siten tarvitse suorittaa ( koska t > 5,95 mm). Jäykistysseinän koko kapasiteetti saadaan jäykistyslevyjen kapasiteettien summana (EC5 9.19):, = (17) F v d F v, di i ässä mallissa käytetty voima jakautuu tasaisesti liitoksille, jotka liittävät levyt seinärunkoon. Seinän veto- ja puristussauvat sekä ankkurointi pitää suunnitella voimalle (EC5 9.20): F t,d =F c,d =F v,d h/b (18) Useasta seinäelementistä kootun seinän kokonaiskapasiteetti voidaan siis laskea jokaisen seinäelementin kapasiteettien summana (kaava 16), jopa siinä tapauksessa, että seinäelementit on rakennettu erilaisista levymateriaaliyhdistelmistä ja liitoksista. Jos seinän molemmin puolin ovat samantyyppiset jäykistyslevy ja liitokset, näiden jäykistyslevyjen kapasiteetit voidaan summata yhteen. Mikäli samassa seinäelementissä on kahta eri jäykistyslevyä, EC5 sallii sen, että heikomman levyn kapasiteetista voidaan käyttää hyväksi joko 75 %, jos liittimien voimasiirtymäkäyrät ovat samanmuotoiset, tai muutoin 50 %. ällöin siis vanerilevyjäykistyksen yhteydessä voitaisiin samassa seinässä olevasta kipsilevyjen kapasiteetista käyttää hyväksi 50 %. Jos seinässä on ikkuna tai muu aukko, pitäisi sen leveydeltä vaikutus koko seinän kuormankantokykyyn jättää huomioimatta. Jäykistysseinän reunatolpat sekä alajuoksu tulee ankkuroida perustuksiin vastustamaan nostavia voimia (pystysuuntaisia) ja leikkausvoimia (vaakasuuntaisia). Monikerroksisissa 35