Puurakenteien jäykistyssuunnittelun ohje VTT 9.10.006
Puurakenteien jäykistysohje SISÄTÖ 1 Jäykistys... 4 1.1 Jäykistyksen kuvaus... 4 1.1.1 Esimerkki koko rakennuksen jäykistyksestä... 4 1. Yksittäisten komponenttien jäykistys... 5 Kuormat... 6.1 Vaakakuormat... 6.1.1 Tuuli... 6.1. Pystyrakenteien vinouesta aiheutuvat kuormat... 9.1.3 Muut kuormat... 10.1.4 Vaakakuormien laskeminen... 10 3 Rakennuksen jäykistysperiaatteet... 11 3.1 Pystysuorat rakenneosat... 11 3.1.1 Kehät... 11 3.1. Ulokkeet... 11 3.1.3 Ristikkojäykistys... 11 3.1.4 evyjäykistys... 11 3. Vaakajäykistys... 1 3.3 Pitkät rakennukset... 1 3.4 Jäykistysesimerkki... 13 4 Rakenteien jäykistys... 14 4.1 urjahustuet... 14 4.1.1 Eurocoe 5 mukainen mitoitus... 14 4.1. urjahuskaavojen teoreettisia lausekkeita... 15 4.1.3 umeroesimerkkejä... 17 4. Ristikkojen poikittaistuenta... 19 5 Mitoitusesimerkki... 1 5.1 Jäykistysperiaate... 1 5. Kuormat... 5..1 Omapaino ja tuulikuorma... 5.. Vaakakuormat pystykuormien epäkeskisyyestä... 5.3 Päätyseinän mitoitus... 5.4 Sivuseinät... 4 5.4.1 Voimat... 4 5.4. Jäykisteen mitoitus... 5 5.5 Jäykistävä levykenttä... 7 5.6 Päätykolmiot... 8 5.6.1 Voimat... 8 5.6. Tukirakenteet... 9 5.6.3 Tukiristikoien väliin jäävät kattoristikot... 30 5.6.4 Ristikoien yläpaarteien sivuttaistuenta... 30
Puurakenteien jäykistysohje 3 TIIVISTEMÄ Tämä puurakenteien jäykistysohje on tarkoitettu suunnittelijoille, valmistajille ja käyttäjille. Tämän ohjeen tavoite on selvittää, miten kokonainen rakennus ja yksittäiset rakenteet pitää jäykistää. Kokonaisen rakennuksen jäykistyksessä huolehitaan siitä, että rakennuksen vaakasuuntaiset kuormat vieään hallitusti perustuksille. Yksittäisten rakenteien jäykistyksessä huolehitaan siitä, että ne eivät nurjaha tai menetä muuten stabiiliuttaan. Rakenteen ulkopuoliset voimat pitää aina siirtää rakenteen ulkopuolisille tukirakenteille. Esimerkiksi tuulikuorma on vietävä aina perustuksille. Rakenteien sisäiset voimat voiaan tukea myös rakennekokonaisuuen sisällä. Esimerkiksi puristussauvan nurjahustukea ei tarvitse vieä välttämättä perustuksille. Jäykistävän rakenteen pitää olla riittävän luja kestämään siihen kohistuvat rasitukset. Suunnitteluohjeessa annettavat tarvittavat tukivoimat perustuvat siihen, että rakenne on riittävän jäykkä ja siirtymät jäävät niin pieniksi, ettei annetun tukivoiman arvo ylity. Jäykistysohjeessa on annettu vaaittavien tukivoimien arvoja eri tapauksissa ja esitetty näitä tukivoimien arvoja vastaavat jäykkyysvaatimukset. Myös esimerkkejä on laskettu. AKUSAAT Puurakenteien jäykistysohje on laaittu siksi, että se on apuväline suunnitella ja rakentaa erityisesti isoja hallimaisia rakennuksia, joilla on riittävä jäykkyys kokonaisuutena ja rakennusten yksittäisillä osilla on riittävä stabiilius. Ohje on laaittu osana laajempaa tutkimusta, jota ovat rahoittaneet opetusministeriö, ympäristöministeriö, VTT, Teräsrakenneyhistys ry. ja Woo Focus Oy. Ohjeet on laaittu rahoittajien muoostaman johtoryhmän ohjauksessa. Projektin johtoryhmään kuuluivat seuraavat henkilöt: Teppo ehtinen puheenjohtaja, ympäristöministeriö, teppo.lehtinen@ymparisto.fi Jaakko uuhtanen, ympäristöministeriö, jaakko.huuhtanen@ymparisto.fi Risto Järvelä, opetusministeriö, risto.jarvela@mineu.fi Unto Kalamies, Teräsrakenneyhistys ry., unto.kalamies@rakennusteollisuus.fi Pekka urro, Woo Focus Oy, pekka.nurro@woofocus.fi Tapani Tuominen, SPU Systems Oy, tapani.tuominen@spu.fi isäksi johtoryhmän kokouksiin osallistuivat: Markku Kortesmaa, VTT, markku.kortesmaa@vtt.fi Mauri Peltovuori, opetusministeriö, mauri.peltovuori@mineu.fi Tapio eino, VTT, tapio.leino@vtt.fi Ohjeen teknistä sisältöä on kommentoinut Asko Keronen. Kommenttien huomioon ottaminen on parantanut ohjetta.
Puurakenteien jäykistysohje 4 1 JÄYKISTYS Rakennejärjestelmän tulee kestää ulkoisten vaakakuormien ja ulkoisista pystykuormista aiheutuvien vaakakuormien aiheuttamat rasitukset. Ulkoisiksi vaakakuormiksi lasketaan myös rakennuksen sisällä kiihtyvyysvoimista, esimerkiksi nosturien jarruvoimista, aiheutuvat voimat. Kaikki eellä mainitut kuormat on vietävä perustuksille. Yksittäisten rakennusosien tulee kestää rakenteen sisäisistä voimista syntyvät rasitukset. Tällaisia rasituksia syntyy rakenteeseen, kun rakenteien geometria poikkeaa joko geometrisesti tai fysikaalisilta ominaisuuksiltaan ieaalisesti virheettömästä rakenteesta. äitä voimia ei tarvitse siirtää perustuksille, vaan riittää, että ne on otettu vastaan rakennesysteemin sisällä. Mitoitusta näille voimille kutsutaan usein stabiiliusmitoitukseksi. Jäykistys käsittää siis koko rakennuksen jäykistyksen ja yksittäisten komponenttien muoostaman kokonaisuuen sisäisen jäykistyksen. Seuraavassa käsitellään rakennuksen varsinaista jäykistämistä. iitteessä 5 on annettu ohjeita rakentamisen aikaisesta jäykistyksestä. 1.1 Jäykistyksen kuvaus Kaikissa jäykistyssuunnitelmissa pitää esittää yksinkertaistuksena, miten voimat siirretään jäykistysmitoituksessa rakennustasolla rakenteilta toisille ja mitkä voimat pitää siirtää aina perustuksille saakka. Tämä kuvaus käsittää yksinkertaisen piirroksen ja lyhyen sanallisen kuvauksen. aajuus on yksi A4 sivu. Tällainen yksinkertainen malli auttaa rakentamisen eri osapuolia ymmärtämään koko rakennuksen toiminta. Tähän sisältyy se, että kaikki tietävät, mihin on erityisesti kiinnitettävä huomiota. Seuraavassa on esitetty esimerkki koko rakennuksen jäykistämisestä 1.1.1 Esimerkki koko rakennuksen jäykistyksestä Koko rakennuksen jäykistyksessä siirretään vaakakuormat rakenteien kautta perustuksille. Kuvassa 1 on esitetty esimerkki vaakakuormien siirtämisestä perustuksille. Kuva 1 Vaakakuormien siirtäminen perustuksille, periaate.
Puurakenteien jäykistysohje 5 Rakennukseen sivuseinälle ja kattolappeelle vaikuttava vaakakuorma siirretään eri rakenteille seuraavasti: 1. Rakennuksen sivuseinään vaikuttavasta tuulikuormasta puolet siirretään seinän alareunan kautta perustuksille. Puolet sivuseinään vaikuttavasta kuormasta ja koko kattoon vaikuttava kuorma siirretään vaakatasossa olevalle levyrakenteelle. 3. Jäykkä vaakataso siirtää kuormat päätyseinien yläreunaan. 4. Päätyseinän yläreunasta kuorma siirtyy pääyn jäykistysrakenteien kautta perustuksille. 5. Voimia siirtävänä rakenteena on vaakatasossa levyrakenne, joka toimii palkkirakenteena, jonka korkeus on rungon syvyys ja pituus lappeen pituus. 6. Seinän ja vaakatasossa olevan levyrakenteen liitos kestää siihen kohistuvat vaakakuormat. 7. Pääyt toimivat jäykistysseininä. Pääyn nurkkiin on piirretty näkyviin pystysuuntaiset voimanuolet, sillä päätyjäykiste kiertyy jäykkänä levynä kulmansa ympäri, ellei sitä ole ankkuroitu perustukseen tai pystykuorma jää niin pieneksi, ettei se estä kiertymistä. Pääyille tuleva pystykuorma jää usein pieneksi, koska pystykuorma siirretään tavallisesti sivuseinien kautta perustuksille. 8. Vaakatasossa olevan levyrakenteen ja päätyseinän välisen liitoksen on kestettävä vaakarakenteelta tuleva leikkausvoima Rakennuksen päätyyn vaikuttava vaakakuorma siirretään eri rakenteille seuraavasti: 1. Jäykistävän vaakarakenteen alapuolelle jäävistä kuormista puolet siirretään perustuksille.. Puolet vaakarakenteen yläpuolelle jäävästä kuormasta ja kaikki vaakarakenteen yläpuolelle jäävästä kuormasta siirretään jäykistävän vaakarakenteen avulla rakennuksen sivuseinille. 3. Sivuseinien yläreunasta kuormat siirretään kummankin sivuseinän kumpaankin päähän sijoitettavan jäykistävän rakenteen kautta perustuksille. Kattorakenteen jäykistys 1. Kattotuolien kaatuminen sivusuunnassa estetään kattotuolien väliin jännevälin neljännespisteisiin ja harjalle asennettavalla pystysuuntaisilla jäykistysristikoilla.. Kattotulien yläpaarteen nurjahus estetään rakennuksen molempiin päihin ja ristikkoihin kiinnitetyillä vaakaristikoilla. Vaakaristikoien väliin jäävät kattotuolit jäykistetään vaakaristikoihin ruoelautojen avulla Kuvassa 1 on esitetty vaakavoimat seiniltä pääyille siirtävä rakenne vaakasuorana rakenteena. Myös vino kattolape voi toimia jäykisteenä. Kattolappeen kaltevuus on kuitenkin otettava huomioon. 1. Yksittäisten komponenttien jäykistys Yksittäisten komponenttien jäykistyksessä huolehitaan, ettei kyseinen komponentti menetä stabiiliuttaan. Tämä tehään joko vahvistamalla itse rakennetta tai tukemalla se muihin rakenteisiin siten, että kokonaisuus muoostaa riittävän jäykän rakennekokonaisuuen. Jäykistäviä voimia ei tarvitse vieä kokonaisuuen ulkopuolelle esimerkiksi perustuksille. Tällainen kokonaisuus on esimerkiksi kahen ristikon yläpaarteet ja näien väliin rakennettu tukirakenne, joka estää yläpaarteien nurjahtamisen sivulle.
Puurakenteien jäykistysohje 6 KUORMAT Vaakakuormat koostuvat ulkoisista vaakakuormista ja pystykuormista aiheutuvista vaakakuormista. Ulkoisille vaakakuormille on ominaista se, etteivät ne synny rakenteien sijainnin poikkeamisesta tarkoitetusta asemastaan. äitä voi tulla esimerkiksi tuulesta ja nosturien jarruvoimista. Pystykuormien aiheuttavat vaakavoimat syntyvät esimerkiksi pystyrakenteien poikkeamisesta ieaalisesta pystysuunnasta, mikä voi aiheutua esimerkiksi asennustoleransseista. ämä kuormat vieään aina perustuksille. Yksittäisten rakenteien jäykistyksen mitoituksessa käytettävät voimat ovat rakenteien sisäisiä voimia, jotka ovat seurausta siitä, että rakenteet poikkeavat jollain tapaa ihannemallistaan. Tällaisia ovat esimerkiksi kehien ja pilarien poikittaissiirtymistä aiheutuvat voimat, nurjahukselle ja kiepahukselle alttiien palkkien ja ristikoien puristussauvojen tukemisesta aiheutuvat voimat puristussauvojen välituissa vaikuttavat voimat ja ristikkojen veettyjen sauvojen liitoskohissa poikittaisissa tuissa vaikuttavat voimat. äitä voimia ei aina tarvitse vieä perustuksille. Vaikka eellä on jaettu kuormat rakennukseen kohistuviin kuormiin ja rakenteien sisäisiin voimiin, niin kummatkin voimat voiaan ottaa vastaan samalla rakenteella. ämä kuormat summeerataan, jos ne voivat vaikuttaa samanaikaisesti. Esimerkkinä ovat ristikkorakenteien tuennat, jos samalla jäykistävää rakennetta käytetään estämään ristikoien yläpaarteen nurjahus sivulle ja ottamaan päätyyn kohistuvaa tuulikuormaa ja kuormat summeerataan, koska yläpaarteen nurjahus voi tapahtua samaan suuntaan kuin tuuli vaikuttaa...1 Vaakakuormat.1.1 Tuuli Vakavuustarkastelussa huomioon otettavia tuulikuormia ovat seiniin ja kattoon kohistuvat tuulikuormat. Kuvassa on esitetty periaate rakennukseen kohistuvista tuulikuormista. tai Kuva. Rakennukseen kohistuvat tuulikuormat Tuulen puoleiselle seinälle tulee painetta ja suojan puoleiselle seinälle imua. Kokonaistuulikuorma on eellä mainitun paineen ja imun summa. Tuulen suuntaisille seinille tulee imua. Katon tuulen puoleiselle
Puurakenteien jäykistysohje 7 lappeelle tulee painetta ja vastakkaiselle lappeelle kattokaltevuuesta riippuen joko painetta tai imua. Pystysuuntaisten seinien painekertoimet on tarkemmin annettu taulukossa 1. Alueet A E on esitetty kuvassa 3. Taulukko 1. Seinien painekertoimet. Alue D pätee tuulen puolella olevalle seinälle ja alue E suojan puolella olevalle seinälle. Alueet A, B ja C pätevät tuulen suuntaisille seinille, jonne siis tulee aina imua. Suhe h/ on rakennuksen korkeuen ja tuulen suuntaisen sivun suhe. Taulukkoon on tummennettu rakennuksen vakavuustarkastelussa tarvittavat arvot. Arvot pätevät seinien osille joien pinta ala on suurempi kuin 10 m eli käytännössä siis aina. Suhteen h/ väliarvot voiaan interpoloia suoraviivaisesti. Alue A B C D E h/ 5 1, 0,8 0,5 0,8 0,7 1 1, 0,8 0,5 0,8 0,5 <0,5 1, 0,8 0,5 0,8 0,3 tuuli SIVUSEIÄ tapaus >e e e/5 emin(b;h) tapaus <e e/5 A B C h A* B* h tuuli 4e/5 C B A e/5 D b E C B A e/5 4e/5 A B C W D E b θ90 o A B C W θ0 o Kuva 3. Taulukon 1 alueet A E Taulukosta 1 huomataan, että tuulen puoleiselle seinälle painekerroin on aina 0,8 ja suojan puolelle tavanomaisen hallin mitoilla välillä 0,3 0,5 eli sopiva arvo käytännössä on 0,4. tällöin pääytään kokonaiskertoimeen 1,, jota käyttäen saaaan tuulen kaatava kokonaisvoima jäykistystarkastelussa. Rakennesuunnittelussa kannattaa harkita, sijoitetaanko koko kuorman yksin tuulen puolelle, jolloin painekerroin on siis 1,. Tuulen jakaminen tuulen puolelle ja suojan puolelle on suositeltavaa, koska se on teoreettisesti oikein ja se jakaa voimia kummallekin seinälle, jolloin jäykistävät rakenteet saattavat myös keventyä eikä vaakarakenteien avulla tarvitse siirtää kuormia vastakkaiselta seinältä jäykistävälle seinälle. Toisaalta kumpikin seinä jouutaan mitoittamaan sekä paineelle että imulle. Kattoon osuvan tuulen vaikutus on laskennallisesti monimutkaisempi kuin seiniin osuvan tuulen vaikutus. ähtökohtana on se, että kattoon kohistuva tuuli vaikuttaa aina kohtisuorasti kattopintaa vastaan ja jäykistyksessä tarvittava voima on tämän kattoon kohistuvan voiman vaakakomponentti. Kattojen pai
Puurakenteien jäykistysohje 8 nekertoimista esitetään seuraavassa vain harjakattojen painekertoimet, kun tuulen suunta on kohtisuorasti harjaa vastaan. Täyellisyyen vuoksi otetaan mukaan myös painekertoimet, kun harja kallistuu sisälle päin. Jos tuulen suunta on pääystä, painekertoimet poikkeavat taulukon painekertoimista. äitä ei esitetä, koska rakennuksissa, jossa harja on vaakasuuntainen, ei kattoon tule vaakasuuntaista tuulesta aiheutuvaa voimaa. Painekertoimet on esitetty taulukossa. Kuvassa 4 on esitetty piirroksena alueet, joita taulukon painekertoimet koskevat. Taulukko. arjakattojen painekertoimet. Kirjaintunnuksilla F I merkityt alueet ilmenevät kuvasta 4 kattokaltevuuksilla 30 o +30 o kattoon voi tietyillä aleilla voi tulla joko painetta tai imua. Molemmat pitää erikseen tarkastella. Kaltevuuksien välikulmien samanmerkkiset painekertoimet voiaan interpoloia suoraviivaisesti. Kumpaankin lappeeseen vaikuttavalle tuulikuormalle lasketaan suurin ja pienin arvo, joita laskettaessa käytetään vain samanmerkkisten osa alueien tuulikuormia. appeien tuulikuormat yhistetään siten, että saaaan aikaan määräävä yhistelmä. äitä kombinaatioita on siis yhteensä 4 kpl. Käytännössä riittää kun käytetään taulukon arvoja, jotka pätevät seinien osille joien pinta ala on suurempi kuin 10 m. apekulma α Tuulen suunta harjaa vastaan kohtisuorasti ( θ 0 ) F G I J 45 o 0,6 0,6 0,8 0,7 1,0 30 o 1,1 0,8 0,8 0,6 0,8 15 o,5 1,3 0,9 0,5 0,7 5 o,3 1, 0,8 +0, +0, 0,6 0,6 5 o 1,7 1, 0,6 +0, 0,6 +0,0 +0,0 0,0 0,6 15 o 0,9 0,8 0,3 0,4 1,0 +0, +0,0 +0, +0,0 +0,0 30 o 0,5 0,5 0, 0,4 0,5 +0,7 +0,7 +0,4 +0,0 +0,0 45 o 0,0 0,0 0,0 0, 0,3 +0,7 +0,7 +0,6 +0,0 +0,0 60 o +0,7 +0,7 +0,7 0, 0,3 75 o +0,8 +0,8 +0,8 0, 0,3
Puurakenteien jäykistysohje 9 a) apekulmat tuulenpuoleinen lape tuuli suojanpuoleinen lape θ0 α>0 h tuuli θ0 θ<0 Positiivinen lapekulma egatiivinen lapekulma b) Tuuli pitkälle sivulle tuulenpuoleinen lape suojanpuoleinen lape tuuli e/4 θ0 e/4 F G J I b F harja tai jiiri viitekorkeus: z e h emin(b;h) b :tuulta vastaan kohtisuora mitta e/10 e/10 c) Tuuli päätyyn tuuli e/4 θ90 e/4 F G G F I I b e/10 Kuva 4. Taulukon symboleja F J vastaavat harjakaton alueet. Kun painekertoimet tieetään, niin tuulikuorma saaaan kertomalla perustuulikuorma painekertoimella. Perustuulikuorman suuruuteen vaikuttaa maaston karheusluokitus, jossa luokkia on yhteensä neljä. Karheusluokitukseen vaikuttaa rakennuksen ympäristön tuuliolosuhteet..1. Pystyrakenteien vinouesta aiheutuvat kuormat Pystyrakenteien mahollisesta vinouesta tai kuormituksen oletettua epäeullisemmasta vaikutussuunnasta aiheutuvat lisävaakavoimat voiaan laske kaavasta (RI 144). B P P 150 50 (1) missä P on lisävaakavoima rakennuksen pitemmässä suunnassa, on pystykuorman laskenta arvo,
Puurakenteien jäykistysohje 10 B on rakennuksen leveys ja on rakennuksen pituus..1.3 Muut kuormat Muita kuormia ovat esimerkiksi törmäyskuormat ja nosturien jarrukuormat, joien arvot määritetään tapauskohtaisesti..1.4 Vaakakuormien laskeminen Taulukossa 3 on excel linkki, jolla voiaan laskea rakennukseen kohistuva vaakakuorma, joka koostuu seinään ja kattoon kohistuvasta tuulikuormasta ja pystykuormien epäkeskisyyksistä. arjakaton kaltevuus pitää olla välillä 45 o 75 o eikä katto saa olla ole tasakatto. Taulukko 3. Excel linkki tuulikuorman laskemiseksi suorakaiteen muotoiselle rakennukselle. Keltaisiin ruutuihin annetaan tapauskohtaiset arvot. Tuuli kattoon sivuseinältä A*c pe A*c pe askentavaakavoimat kattoon [k] A F 4, 18,68 8,71 A G 63,8 44,9,97 ape 1: 88,4 71,35 A 41,0 110,4 108,76 ape : 193,73 0,00 A I 88,0 35,0 0,00 A J 41,0 346,10 0,00 Tuuli sivuseinää vasten: Tuuli päätyseinää vasten: Ala sivuseinä 60,00 Ala pääty 19 askentavoima seinä 1 195,67 askentavoima pääty 1 165 askentavoima seinä 85,77 askentavoima pääty 7, Momentti seinän alareuna,seinä 1 ja lape 1 1409,6 Momentti seinän alareuna,pääy 1 736,1 Momentti seinän alareuna,seinä ja lape 1973,9 Momentti seinän alareuna,pääy 3,7 Momentti seinän yläreuna, lape 1 198,9 Momentti seinän yläreuna, pääty 1 87,0 Momentti seinän yläreuna, lape 435,9 Momentti seinän yläreuna, pääty 38,1 Pystykuormat: γ g 1, g k 0,9 Tuulikuorma γ lumi 1,5 q k q k,tuuli 0,63 γ tuuli 0,75 q 4,15 ψ lumi 0,7 F,V 4148 ψ tuuli 0,5 F,,b 17,3
Puurakenteien jäykistysohje 11 3 RAKEUKSE JÄYKISTYSPERIAATTEET Useissa tapauksissa jäykistettävä rakennus on symmetrinen, jolloin voimien laskeminen on suhteellisen helppoa. Monimutkaisemmissa tapauksissa voiaan joutua myös monimutkaisempiin tasapainotarkasteluihin, joien periaatteita on esitetty liitteessä 1. 3.1 Pystysuorat rakenneosat Kuvassa 5 on esitetty jäykistävien rakenneosien perustyyppejä. 3.1.1 Kehät Kehiä käytetään yleisesti yksikerroksisissa teollisuusrakennuksissa. Kehässä voi olla mekaanisin liittimin koottuja momenttiliitoksia, esimerkiksi tappivaarnaliitoksia, tai sormiliitoksin liitettyjä nurkkakappaleita. Kehä voi olla myös taivutettu liimapuurakenne, jolloin vältytään liitokselta. Vaakakuormituksessa mekaanisin liittimin koottuja puukehiä käytetään tavallisesti vain tuulikuormia vastaan. Suuremmilla kuormilla, esimerkiksi vaakasuuntaisilla nosturien jarruvoimilla, nurkan poikkileikkaukset mitat kasvavat nopeasti liittimien vaatiman tilan vuoksi. Tällöin myös rakennuksen vapaa korkeus voi pienentyä liikaa. 3.1. Ulokkeet Teollisuusrakennuksissa, joissa käytetään nostureita, käytetään ulokkeina vaakakuormien toimivia teräsja teräsbetonipilareita vaakajäykisteinä. Jos kuormina on lähinnä tuulikuormia, ulokkeina toimivat pilarit voivat olla liimapuuta tai pyöreätä puuta. Jälkimmäiset tulevat kyseeseen esimerkiksi maataloushalleissa. Puurakenteien momenttijäykkä liitos perustuksiin tehään perustuksiin upotettavien teräsosien avulla, jotka teräsosat kiinnitetään puupilarin alapäähän liimaamalla ne valmiiksi tehtaalla tai työmaalla ruuveilla tai pulteilla. Pilarin alapää voi joutua helposti alttiiksi liian suurelle kosteuelle, jolloin seurauksena voi olla puun homehtuminen tai lahoaminen, joten on syytä suunnitella alapää ja sen liitos toella huolella. Yksi hyvä tapa on nostaa tämä liitos riittävän ylös lattiatasosta. 3.1.3 Ristikkojäykistys Vinosauvat voiaan mitoittaa vetorasitukselle tai puristusrasitukselle Eellisiin on järkevä käyttää terästä ja jälkimmäisiin puuta. Veetyt terästangot sijoitetaan tavallisesti ristikkäin, jolloin toinen toimii veettynä tietyn suuntaiselle vaakakuormalle ja toinen vastakkaissuuntaiselle kuormalle. Terästankojen päissä on tavallisesti kierteet ja mutterit. Puuhun kiinnitettäessä tarvitaan aluslevyrakenne, jolla levitetään terästangon pistemäinen voima puuhun. Vinojäykisteet sijoitetaan usein rakenteen sisään, mutta ne voiaan sijoittaa myös näkyviin esimerkiksi rakennustaiteellisista syistä. Tällöin ne voiaan myöhemmin helposti tarkastaa. 3.1.4 evyjäykistys evyjäykistys muoostuu puisista pystytolpista ja juoksuista ja puulevyistä tai kartonkipintaisista kipsilevyistä. eikkausvoimat siirretään levyn reunoihin sijoitettujen liittimien (naulat tai ruuvit avulla). ousun estämiseksi pystyt osat ankkuroiaan perustuksiin. Puristuksessa olevat pystytolpat on mitoitettava pystykuormille ja vaakakuormien aiheuttamille pystysuuntaisille lisäkuormille. Kuitulevyt, OSB levyt ja vanerit ovat hyvän lujuutensa ja jäykkyytensä vuoksi tavallisimmin käytetyt levymateriaalit. Pientaloissa käytetään myös kipsilevyjä.
Puurakenteien jäykistysohje 1 Kehä Masto Vinojäykistys Jäykistysseinäyksikkö Kuva 5. Esimerkkejä pystyjäykisteistä. 3. Vaakajäykistys Kaikissa rakennuksissa on oltava vaakajäykisteet kussakin kerroksessa tai kattotasossa. Katon vaakakuormat ottavat jäykisteet sijaitsevat tavallisesti kattotasossa. Välipohjissa ja yläpohjissa olevat levymäiset jäykisteet ottavat vastaan leikkausvoimat ja reunapalkit ja niihin liitetyt seinäjuoksut ottavat taivutusvoimat, Välipohja toimii siis vaakapalkkina, joka siirtää vaakakuormat pystyille rakennusosille. Tämä ilmenee periaatekuvasta 6. Palkin korkeus on rakennuksen syvyys ja välipohjan reunapalkit ja erityisesti palkin vetojatkokset mitoitetaan voimalle F t. Päätyjen liitokset mitoitetaan leikkaukselle W F c b V F t Kuva 6. Vaakajäykisteen mitoitusperiaate Vaakajäykiste voi olla levymäinen rakenne tai ristikkorakenne, joka on suunniteltu ottamaan sille tulevat kuormat. Rakenteen toiminnan kannalta on tärkeätä, että voimat siirtyvät liitoksissa rakenteelta toiselle. Sen vuoksi esimerkiksi ristikkorakenteissa kaikkien liitosten ja veto ja puristussauvojen yksityiskohat on tehtävä huolellisesti. Kattotasossa voiaan käyttää teräsrankoja tai ohutlevyprofiileista tehtyjä vinosauvoja, jotka toimivat yhessä orsien kanssa. Toinen mahollisuus on käyttää vaakasuuntaisia ristikoita. Kattoristikoien tulee aina olla vaakajäykistettyjä kattotasossa olevilla lisäristikoilla. Kun käytetään ristikoita liimapuupalkkeja jäykistämässä, ei jäykistys toimi ainoastaan vaakakuormia vastaan ottavana rakenteena, vaan sitä käytetään myös estämään palkkien kiepahusta poikittaissuunnassa. 3.3 Pitkät rakennukset Jos rakennuksen mitta on suuri jäykistettävässä suunnassa ja jäykistävät rakenteet eivät jatku katkeamattomina koko rakennuksen mitan matkalla, niin jäykistävät kentät pitää olla ainakin molemmissa rakennuksen pääyissä ja tarvittaessa myös rakennuksen keskiosissa. Minimimäärä on, että jäykistäviä pystyrakenteita on yksi rakennuksen kummassakin pitkässä seinässä ja kummassakin pääyssä. Jäykistäviä vaakarakenteita on vastaavasti yksi, joka on rakennuksen keskellä. Rakenteien kapasiteetin kannalta voi olla järkevää sijoittaa pitkissä rakennuksissa jäykistävät seinärakenteet myös rakennuksen keskelle.
Puurakenteien jäykistysohje 13 Jäykistävät vaakarakenteet voiaan tarvittaessa sijoittaa myös rakennuksen päätyihin. Periaatteita on esitetty kuvassa 7. Vaakataso: B B Pystytaso: Kuva 7. Rakennuksen jäykistyskentät. 3.4 Jäykistysesimerkki Esimerkki jäykistysperiaatteesta on esitetty kuvassa 8. Kuva 8. allin jäykistävät osat. Pitkän seinän vaakajuoksut tukevat välillä olevat pääkannatteet pääyn jäykisteisiin. Samanlaiset voimia siirtävät juoksut tarvitaan tietenkin toiselle seinälle ja kattoon. Kuvassa 8 hallin poikittaissuunnassa jäykistävänä rakenteena ovat kolminivelkehät, jotka siirtävät rakennuksen poikittaissuuntaiset vaakavoimat perustuksille. Rakennuksen päätyyn kohistuva vaakakuorma siirretään seinille esimerkiksi kahen pääkannatteen väliin tehyllä ristikkorakenteella. Kuvassa 8 ristikossa on päätykannatteelta ensimmäiselle pääkannatteelle ulottuvat puristusta kestävät vertikaalit ja ainoastaan vetoa kestävät ristikkäiset iagonaalit, jolloin puolet iagonaaleista toimii tuulen paineelle ja puolet imulle. Koska ristikko on voiman suunnassa korkea, niin taivutusmomentista syntyvät normaalivoimat jäävät pieniksi. eikkausvoimasta ristikon päätyiagonaaleihin tulevat voimat ovat suuria. Rakennuksen pituussuunnassa jäykistys on hoiettu nurkkien lähelle nurkkien seinälevyillä. On tärkeätä, että päätyihin sijoitetut jäykistävä osat yhistetään toisiinsa, koska on hyvä, että rakennuksessa on vähintään kaksi toisiinsa liitettyä jäykistysosaa. Jos toinen jäykistävä rakenne jostain syystä tulee käyttökel
Puurakenteien jäykistysohje 14 vottomaksi, niin tällöin rakennuksen tai ainakin sen osan sortuminen estyy. Samalla voiaan varmistaa myös päätyjen väliin jäävien pääkannatteien pysyminen pystyssä. 4 RAKETEIDE JÄYKISTYS Jäykisteien on kestettävä tietyt kuormat ja jäykistyksen pitää olla riittävän jäykkä. Jälkimmäinen ehto on tarpeen siitä syystä, että jäykisteille tulee yleensä sitä suurempi kuorma, mitä suuremmat siirtymät syntyvät rakenteeseen eli rakenne on geometrisesti epälineaarinen, vaikka yksinkertaisilla kaavoilla laskettaessa sitä ei erikseen tarvitse ottaa huomioon, koska geometrinen epälineaarisuus on sisällytetty laskentakaavoihin. Rakennekomponenttien jäykistysmitoitus eli stabiiliusmitoitus voiaan tehä kahella tavalla: lasketaan voimat geometrisesti epälineaarisena tehtävänä ja mitoitetaan rakenne eformoituneen tilan kuormille tai käytetään suunnitteluohjeissa annettuja mitoituskaavoja, joissa on jo otettu huomioon eellisessä kohassa mainittu geometrinen epälineaarisuus Puristetun rakenteen jäykisteien mitoitetusta kehitettäessä, kuormaksi oletetaan yleensä kuorma, jonka suuruus riippuu puristusvoiman suuruuesta ja puristetun rakenteen ja rakenneosan suoruuesta. Tämän tarkastelun perusteella pääytään mitoituksessa käytettävään kuormaan, joka annetaan suunnitteluohjeissa. 4.1 urjahustuet 4.1.1 Eurocoe 5 mukainen mitoitus Välein a poikittaistuentaa tarvitseville puristetuille rakenneosille (ks. kuva 9) tulee alkupoikkeamien suoruuen tukivälillä mahtua rajoihin a / 500 liimapuusauvoilla ja a / 300 muilla sauvoilla a C m a C C C m4 Kuva 9. Esimerkkejä yksittäisistä puristetuista ja poikittaistuetuista rakenneosista. Jos pilari tai muu puristussauva nurjahtaa, niin se pitää sivusuunnassa tukea. Tämä tuki mitoitetaan massiivipuurakenteissa voimalle. F /50 () ja liimapuulla voimalle F /80 (3) missä on sauvan puristusvoima. Jos poikittaistukivälinä a ei käytetä suurina mahollista mittaa, kaavojen () ja (3) mukaan laskettua tuentavoimaa saaaan pienentää kertoimella
Puurakenteien jäykistysohje 15 σ m, k k f crit m, σ c, + k f c,z c,0, 1 (4) missä σ m, on tuettavan sauvan taivutusjännityksen mitoitusarvo, k crit on kiepahuskerroin tukivälillä a, f m. on taivutuslujuuen mitoitusarvo, σ c, on puristusjännityksen mitoitusarvo, k c,z on poikittaissuunnan nurjahuskerroin tukivälillä a ja f c,0, on tuettavan sauvan puristuslujuuen mitoitusarvo. Kaavojen käyttö eellyttää, että tuki pitää olla riittävän jäykkä. Riittävä jäykkyys C saaaan kaavasta C k s a (5) missä π ks 1 + cos (6) m on puristusvoima ja a on tukiväli. 4.1. urjahuskaavojen teoreettisia lausekkeita 4.1..1 Pistemäinen tuenta Kun yksi tuki on keskellä, niin saaaan jäykkyyen lausekkeeksi C a tan π 1 1 π E E 1 + e a 1 E 4 1 (7) missä on puristusvoima, a on nurjahustukien väli, E on nurjahuskuorma, kun nurjahuspituus on nurjahustukien väli a, e on alkukäyryys tukivälillä a. ja on tukivoima keskellä Jos eelleen valitaan e0 eli sauva on alun perin suora, niin saaaan kaava C a 1 tan π 1 π E E (8) Jos E, niin tan termi menee nollaksi ja saaaan suunnitteluohjeen kaava. Toinen raja saaaan silloin, kun E /4 eli nurjahuspituus on a ja tukea ei siis tarvita. Tällöin tuki on C0 eli kaava toimii.
Puurakenteien jäykistysohje 16 Suunnitteluohjeessa annettu jäykkyys C on niin sanotusti varmalla puolella, kun puristussauva oletetaan alun perin täysin suoraksi. 4.1.. Jatkuva tuenta Jos ristikoien yläpaarteien nurjahustuenta tehään usein niin tiheällä tuennalla, että se voiaan iealisoia jatkuvaksi tuennaksi. Tuentaa voiaan pitää riittävän tiheänä, jos tuettavan rakenteen hoikkuus tukipisteien välillä on korkeintaan λ 5. Jatkuvasti tuettu rakenne taipuu yheksi kaareksi tai yheksi tai useammaksi aalloksi eli s aalloksi. Jälkimmäinen on esitetty kuvassa 10. tukivoima q(x)cw(x) e x Kuva 10. Puristusvoimasta aalloksi taipunut palkki. Kaavasta (8) voiaan laskea tällöin syntyvä jatkuva tuentavoima, jolle jäykistys mitoitettava. q,max Ce CEI (9) missä on puristusvoima, C on tuentaliitoksen jäykkyysvakio (/mm ), e on yhen aallon suurin alkuepäkeskisyys ja EI on sauvan taivutusjäykkyys nurjahussuunnassa. Kaavasta (8) huomataan, että syntyvä tuentavoima riippuu myös tuen jäykkyyestä C, mikä tietenkin on luonnollista. Yhen aallon alkuepäkeskisyyelle voiaan sahatavararakenteissa käyttää arvoa e 300m (10) ja liimapuurakenteissa arvoa e 500m (11) missä m on kaavasta (1) saatava aaltojen lukumäärä ja on sauvan kokonaispituus. m π C 4 EI (1)
Puurakenteien jäykistysohje 17 Eellä olevat epäkeskisyyet ovat sovelluksia yleisestä sovitusta alkukäyryyestä, joka on sahatavaralle /300 ja liimapuulle /500. 4.1.3 umeroesimerkkejä Esimerkki 1: Puinen pilari: leveys b45 mm (nurjahussuunnan mitta), korkeus h190 mm nurjahuspituus tukemattomana c 4800 mm, lujuusluokka on C4 Käyttöluokka (sateelta suojattu lämmittämätön tila) Puristusvoima F 40 k, kimmomouuli E k 7400 MPa ja puristuslujuus f c,k 1 MPa urjahuskapasiteetti korkeussuunnassa on R,h 4,7 k eli pilari kestää nurjahtamatta. urjahuskapasiteetti heikommassa suunnassa on R,b,73 k eli pilari nurjahtaa. urjahuspituus heikommassa suunnassa on c,b 1180 mm eli pilari pitää tukea käytännössä tukea neljännespisteistään, jolloin nurjahuspituueksi tulee 100 mm. Tuenta EC5:n mukaan: Tarvittava tukivoima on 40000 800 50 50 Tuen vähimmäisjäykkyys on C k a π 1 + cos 4 a 40000 3,41 100 s 114 /mm Riittävä tukivoima saaaan esimerkiksi kolmella,1x50 lankanaulalla, sillä yhen naulan kapasiteetti leikkausliitoksessa on 3. Jos käytetään lankanauloja,5x60, niin riittää kaksi naulaa, koska yhen kapasiteetti on 435. aulojen jäykkyyet leikkausliitoksessa ovat vastaavasti 316 /mm ja 363 /mm yhtä naulaa kohti. äin ollen jäykkyyet näyttävät olevan selvästi suurempia kuin vaatimukset. Jos muoonmuutoksia ei tapahu muualla kuin liitoksissa, niin lujuuen mukaan mitoitettaessa jäykkyys on 3 316/114 8 kertainen naulalla,1x50 ja noin 10 kertainen naulalla,5x60. Tämä pätee silloin, kun jäykistävänä rakenteena on puulevy, joka on naulattu reunastaan pilariin. Muutoin pitää määrittää tukevan rakenteen jäykkyys ja se voi olla jotain muuta kuin naulaliitoksen jäykkyys. Jatkuvan tuennan kaavat: Jos oletetaan, että eellä olevassa esimerkissä yhteen tukipisteeseen sijoitetut 3 kpl,1x50 naulaa sijoitetaan tasavälein eli 400 mm välein, saaaan jatkuvan tuennan kaavoja soveltaen Cnaula 316 C 0,79 /mm s 400
Puurakenteien jäykistysohje 18 Koska liittimet ovat 400 mm välein, niin liitintä kohti vaaittava jäykkyys on 400 0,79 316 /mm ja yhen liittimen jäykkyys on juuri sama. m π C 4800 EI π 0,79 4800 4 3 7400 190 45 /1 π 0,79 10,7 10 4 4 9 ( 4800 / 4,48/ 300) Ce 40000 0,79 11000 q, max 0,79 /mm. 9 CEI 0,79 10,7 10 40000 184000 40000 Yhelle naulalle tuleva voima on 400 0,79 316 ja yhen naulan vastaava kapasiteetti on eellä lasketun mukainen eli 3 /mm eli liitos on OK. 4,48 Esimerkki : Kattoristikon puristettu yläpaarre: leveys b45 mm (nurjahussuunnan mitta), korkeus h145 mm pituus 1 000 mm, lujuusluokka on C4 Käyttöluokka (sateelta suojattu lämmittämätön tila) Puristusvoima F 40 k, kimmomouuli E k 7400 MPa ja puristuslujuus f c,k 1 MPa Oletetaan, että yläpaarre on tuettu siten, että se ei nurjaha korkeussuunnassaan. Esimerkiksi se on ristikon osa, jolloin ristikon iagonaalit toimivat nurjahustukina. urjahuskapasiteetti sivusuunnassa on R,b 0,44 k eli yläpaarre nurjahtaa lähes ilman kuormaa. urjahuspituus on esimerkin 1 mukaan c,b 1180 mm eli yläpaarre pitää tukea käytännössä 100 mm välein tukien tukemattomia aukkoja on yhteensä 10 kpl. Tuenta EC5:n mukaan: Tarvittava tukivoima on 40000 800 50 50 Tuen vähimmäisjäykkyys on C k s a π 1 + cos 1 a 40000 3,90 100 130 /mm Riittävä tukivoima saaaan esimerkiksi kolmella,1x50 lankanaulalla, sillä yhen naulan kapasiteetti leikkausliitoksessa on 3. Jos käytetään lankanauloja,5x60, niin riittää kaksi naulaa, koska yhen kapasiteetti on 435. aulojen jäykkyyksille pätevät samat kommentit kuin esimerkissä 1. Jatkuvan tuennan kaavat: Jos oletetaan, että naulat,1x50 naulaa sijoitetaan 400 mm välein, saaaan jatkuvan tuennan kaavoja soveltaen
Puurakenteien jäykistysohje 19 Cnaula 316 C 0,79 /mm s 400 m π C 1000 EI π 0,79 1000 4 3 7400 145 45 /1 π 0,79 8,15 10 4 4 9 ( 1000/1,0 / 300) Ce 40000 0,79 105300 q, max 0,87 /mm. 9 CEI 0,79 8,15 10 40000 160500 40000 Yhelle naulalle tuleva voima on 400 0,87 348 ja yhen naulan vastaava kapasiteetti on eellä lasketun mukainen eli 3 /mm eli liitos on alimitoitettu. 4. Ristikkojen poikittaistuenta Suunnitteluohjeien mukaan riittävän luja rakenne puurakenteille saaaan (vrt. kuva 11), kun jäykistävä rakenne mitoitetaan tasaiselle kuormalle, jonka suuruus on n q 50 (13) missä on keskimääräinen puristusvoiman laskenta arvo, n on tuettavien kattorakenteien lukumäärä ja on kattokannattajien jänneväli 1,0 B a (3) a (4) A () (5) a (7) 14 4 43 4 (1) Selite: (1) Ristikkojärjestelmä, jossa on n kpl vierekkäisiä ristikoita () Poikittaisjäykistysjärjestelmä (3) Epätarkkuuksien ja geometrisen epälineaarisuuen aiheuttama ristikkojärjestelmän taipuma (4) jäykistävät voimat (5) poikittaisjäykistysjärjestelmään vaikuttava ulkoinen kuorma (6) ulkoisista kuormista aiheutuvat poikittaistukijärjestelmän tukivoimat (7) Jäykistävistä voimista aiheutuvat ristikkojärjestelmän tukivoimat (6) Kuva 11. Poikittaistuettu palkisto tai ristikkosysteemi.
Puurakenteien jäykistysohje 0 Jäykistävän rakenteen kokonaistaipuma ei saa ylittää arvoa /500. Tätä taipumaa laskettaessa otetaan siis kaikki kuormat huomioon, myös tuulikuorma. Pelkästään jäykisteen mitoituksessa käytettävän kuorman aiheuttamalle taipumalle ei erikseen aseteta taipumarajaa, vaikka se tarvitaankin kaavoja johettaessa. iitteessä 1 on esitetty johto kuorman suuruuen ja rakenteen jäykkyyen väliselle vuorovaikutukselle, johon vaikuttaa myös ristikon oletettu lapevääryys. Tätä riippuvuutta on havainnollistettu taulukossa 5. Yläpaarteien nurjahustuenta voiaan tehä rakennuksen kummassakin päässä kahen kehän väliin niien yläreunaan tehyllä jäykistysristikolla. Kuvaan 1 piirretyssä tapauksessa kehien väliset kaksoisviivat kuvaavat puista vertikaalisauvaa ja ohuet viivat vain vetoa ottavia teräsiagonaaleja, joista toiset toimivat rasituksia kestävinä rakenteina, kun päätyyn tulee painetta ja toiset, kun päätyyn tulee imua. Kuvan 1 katon tuuliristikko tai vastaava muu rakenne pitää olla riittävän luja ja myös riittävän jäykkä. Jäykkyysvaatimus tulee siitä, että liian joustava nurjahustuki ei pysty estämään puristusvoimasta tulevaa nurjahusvoimaa ja siirtymän seurauksena nurjahusvoina tulee suuremmaksi kuin laskentakaavoja määritettäessä on oletettu. Kuva 1. Taulukko 5. Yläpaarteien tason jäykistysristikko, periaate. Tukirakenteen tasaisen kuorman q laskennassa tarvittavat kaavan (13) nimittäjän arvot eri alkukäyryyksillä, kun tukirakenteen sallittu taipuma on /m. Parametri Alkukäyryyen parametri n, kun alkukäyryys on e/n m 100 00 300 400 500 600 700 800 900 1000 100 6 7 8 8 9 9 9 9 9 9 00 8 11 13 15 15 16 17 17 17 18 300 9 14 17 19 1 3 3 4 5 400 10 16 0 3 5 7 8 9 30 31 500 10 17 6 8 31 3 34 35 36 600 11 18 4 8 31 34 36 38 40 41 700 11 19 5 30 34 37 40 4 44 46 800 11 0 6 31 36 40 43 45 48 50 900 11 0 7 33 38 4 45 48 51 53 1000 11 1 8 34 39 44 48 51 54 57 Taulukosta 5 huomataan, että kaavan (13) parametrin arvoon 50 päästään esimerkiksi siten, että yläpaarteen alkukäyryys on e/1000 ja tukirakenteen sallittu taipuma on /800. Muut rakenteet kiinnitetään näihin jäykistäviin rakenteisiin. Jäykistäviä rakenteita on hyvä olla vähintään kaksi. Jos toinen jostain syystä vaurioituu, toinen toimii eelleen. Suurissa halleissa tuentaetäisyys tukevalta rakenteelta kaukaisimmalle tuettavalle rakenteelle voi käytännössä olla niin pitkä, että näien välille tehty jäykistävä rakenne tulee helposti liian joustavaksi. Jos hallissa ei ole kuvan 8 mukaisia jäykistäviä kehiä tai mastoja, jouutaan pitkän sivun tuulikuormat viemään pääyille usein kattorakenteien avulla. Tällöin päätyseinien jäykistävät rakenteet tulevat helposti suuriksi ja ne on ankkuroitava tehokkaasti perustuksiin, koska pääyistä yleensä puutuu pystykuormista tuleva vakauttava kuorma. Tällöin myös voi olla vaikeuksia saaa rakennuksen päätyihin riittävän isoja ovia.
Puurakenteien jäykistysohje 1 Toinen tapa katon jäykistämiseksi on tehä kattoelementit jäykistäviksi rakenteiksi, jotka siirtävät tarvittavat voimat. 5 MITOITUSESIMERKKI Tarkastellaan suorakaiteen muotoista hallia, jonka mitat ilmenevät kuvasta 13. 5.1 Jäykistysperiaate Rakennus jäykistetään seuraavia periaatteita nouattaen: 1. Jäykistyksessä siirretään pitkille seinille tuleva kuorma kattorakenteen kautta päätyseinille ja päätyyn tuleva kuorma kattorakenteen kautta pitkille seinille.. Seinät jäykistetään tasojensa suunnassa kuormalle, joka koostuu seinän yläreunan yläpuolista vaakakuormasta ja puolesta seinään kohistuvasta vaakakuormasta. Toinen puoli seinään kohistuvasta vaakakuormasta suunnitellaan menevän suoraan perustuksille. Seinät ankkuroiaan tarvittaessa perustuksiinsa siten, että ankkurivoimat estävät seinän irtoamisen alustastaan. Ankkurivoimaa määritettäessä seinään kohistuvan pystykuorman osuus vähennetään kokonaiskuormasta. 3. Kattorakenteeseen suunnitellaan jäykistävä vaakasuuntainen levyrakenne räystäskorkeuelle. Tämä levyrakenne suunnitellaan palkkirakenteena, jonka korkeus on rakennuksen syvyys ja jänneväli rakennuksen pituus, kun tarkastellaan pitkille seinille kohistuvaa vaakakuormaa. 4. Kattokannatteina olevien naulalevyristikoien yläpaarteet jäykistetään yläpaarretasossa rakennuksen kummassakin päässä jäykistysristikoilla. Jäykistysristikoissa on ristikoien väliin tulevat puiset puristusvertikaalit ja ainoastaan vetoa ottavat iagonaalit. 5. aulalevyristikoien kaatuminen sivusuunnassa estetään ristikoien välille suunniteluilla pystysuuntaisilla jäykistysristikoilla. 6. Ristikoien nurjahussiontaa vaativat puristussauvat yhistetään toisiinsa vaakasuuntaisella vetosauvalla. Vetosauvat tuetaan rakennuksen kummassakin päässä ristikkorakenteella ristikon ylä ja alapaarretasoon. 7. Erityisesti on kiinnitettävä huomiota siihen, että liitokset eri rakennusosien välillä siirtävät niille suunnitellut voimat. 5,5 m 0,5 m 6 m 40 m 5 m Kuva 13. Mitoitettava hallirakennus
Puurakenteien jäykistysohje 5. Kuormat Tarkastellaan seuraavassa rakennukseen kohistuvaa Omaa painoa ja tuulikuormaa ja pystykuormien epäkeskisyyestä aiheutuvia vaakakuormia. 5..1 Omapaino ja tuulikuorma Pysyvä kuorma Kattorakenteen oma paino (kate, lämmöneristeet ja muut katon rakenteet) g k 0,9 k/m Muuttuva kuorma Tuuli umikuorma muotokerroin peruslumikuorma katolla Tuulikuorma seinät (maaston karheusluokka III) rakennuksen harjan korkeuella tuulen puolella (c F 0,8) suojan puolella (c F 0,35) Tuulikuorma katto (maaston karheusluokka III) Rakennuksen harjan korkeuella c F kertoimella on eri arvoja jopa saman lappeen eri osissa, joten sille ei voia antaa yhtä kerrointa (vrt. taulukko ) µ k q k.lumi µ k q k q k.tuuli c F q k.tuuli c F q k.tuuli q k.tuuli 1,0,0,0 0,63 0,50 0, 0,63 k/m k/m k/m k/m k/m k/m Pysyvää kuormaa ja lumikuormaa tarvitaan, kun lasketaan pystykuormien epäkeskisyyestä aiheutuvia vaakakuormia. askennallisessa tarkastelussa käytetään omalle painolle osavarmuuskerrointa 1, ja hyötykuormalle osavarmuuskerrointa 1,5. 5.. Vaakakuormat pystykuormien epäkeskisyyestä Pystykuormien epäkeskisyyestä aiheutuva vaakakuorma koko rakennukselle on B P 5 150 40 ( 1, 0,9 + 1,5 0,7 ) 150 40 5 P 0,65 1, 13,3 k > 50 1,7 k kun tuuli on määräävin kuorma, jolloin lumelle voiaan käyttää yhistelykerrointa 0,7. Tämä kuorma vaikuttaa esimerkissämme seiniä mitoitettaessa seinän yläpään tasolla eli korkeuella 6 m maasta. 5.3 Päätyseinän mitoitus Pitkälle seinälle tuleva tuulikuorma aiheuttaa seinän alareunan eli perustuksen ja seinän liittymän kohtaan taivutusmomentin. Tuulen puoleiseen seinään vaikuttavasta kuormasta tulee momentti (vrt. taulukko 3) 6.5 M t, seinä,1. 1,5 0,50 6,5 40 634km ja vastakkaiseen seinään vaikuttavasta tuulen imusta tulee momentti
Puurakenteien jäykistysohje 3 6.5 M t, seinä,. 1,5 ( 0,) 6,5 40 79 km Tuulen puoleiselle kattolappeelle tuulikuormasta tulee momentti, kun valitaan kattolappeeseen vaikuttavista kuormista määräävin 11 6,5 M t, katto,1. 88,4 6,5 + 773 km ja suojan puoleiselle lappeelle vaikuttavasta tuulikuormasta 11 6,5 M t, katto,1. 193,73 6,5 + 1695 km äien momenttien tasapainottamiseksi seinien yläreunan tasossa tarvitaan voima 634 + 79 + 773 + 1695 3380 t, s. 563 k 6 6 Tämä on sivuseinän pituusyksikköä kohti 563 q t, s. 14 k/m 40 Jos tähän lisätään vielä eellä laskettu pystykuormien alkuepäkeskisyyestä aiheutuva lisä, niin saaaan päätyseinää mitoittavaksi vaakakuormaksi 563 + 13,3 päätyseinä. 576 k Kuten eellä olevasta huomataan, pystykuormien aiheuttama lisä on noin %. Jos kuorma jaetaan tasan kummallekin seinälle ja tasan päätyseinän pituuelle, niin saaaan yhtä metriä kohti voima q 576 5 päätyseinä. 11,5 k/m Sekä päätyseinä, että kattorakenteen ja seinän välinen liitos on mitoitettava tälle voimalle. Seinän korkeus on 6 metriä, joten periaatteessa puulevyillä tehtävä jäykistys vaatii hieman miettimistä. Konstruktiivisesti voiaan menetellä niin, että ajatellaan olevan kaksi tai useampia seinä päällekkäin ja mitoitetaan kukin päällekkäinen kerros itsenäisenä jäykistysseinänä. Tällöin on päällekkäisten levyjen välillä oltava liitos, jonka kautta ylälevyyn vaikuttava vaakavoima siirtyy alalevylle. Tehään jäykistys seuraavassa päätyseinän rungon yläohjauspuuhun naulattavilla vinotuilla (vrt. kuva 14).
Puurakenteien jäykistysohje 4 Kuva 14. Päätyseinän jäykistys vinolauoituksella Käytetään päätyelementin yläohjauspuuna sahatavaraa, jonka paksuus on 50 mm, ja vinotukina lautoja x150 mm, jotka naulataan 45 o :n kulmaan pystytukiin nähen. Tällöin lautojen on yhteensä kestettävä voima F 576/ cos45 lauat pääätysein ä. 407 k Jos yksinkertaisuuen vuoksi käytetään nelikulmaisia nauloja 5x60 eli naulan halkaisija on,5 mm ja pituus 60 mm, niin yhen lauan pään ja vaakapuun liittymään sopii 14 kpl nauloja. Yhen naulan laskentakapasiteetti on 1, 486 583, koska tuulijäykistyksessä voiaan käyttää 1. kertaisia arvoja. aulaliitoksen kapasiteetti on laskettu EC5:n mukaan ja sahatavaran lujuusluokaksi on oletettu C4. äin saaaan yhen lauan kapasiteetiksi 14 5838160. Vinojäykisteien minimilukumäärä on 407/8,1649 kpl. Koska vinolauat sijoitetaan 45 o :n kulmaan, niin lähinnä seinän päätä tulevan lauan yläpää on noin 6 m etäisyyellä seinän päästä. Tällöin lautaväli on (5000 6000)/48395 mm eli käytännössä 400 mm. Jos lauan nurjahuspituus heikommassa suunnassa on korkeintaan 980 mm, niin liitos mitoittaa vinotuen eikä nurjahus puristetulla rakenteella eli riittää kun kukin lauta naulataan kuhunkin runkotolppaan kahella 5x60 naulalla. aulat kannattaa lyöä hieman vinoon tartunnan parantamiseksi. 5.4 Sivuseinät 5.4.1 Voimat Pääystä tuleva tuulikuorma aiheuttaa seinän alareunan eli perustuksen ja seinän liittymän kohtaan taivutusmomentin. Tämä momentti on tuulen paineen puoleisella seinällä 6,5 11 6,5 11 6,5 M t,3. 1,5 0,50 5 + 6,5 + 734 3 km Tämän momentin tasapainottamiseksi räystästasolla tarvitaan voima 734 t,3. 1 k 6 Vastaavasti tuulen imun puoleisella seinällä taivutusmomentti ja räystästason voima ovat
Puurakenteien jäykistysohje 5 M t,3. 1,5 6,5 11 6,5 11 6,5 3 ( 0,) 5 + 6,5 + 33 33 t,4. 54 k 6 Jaetaan kuormat tasan kummallekin sivuseinälle ja suunnitellaan jäykistysseinät siten, että tuulen paineen ottaa vastaan tuulen puoleinen pääty ja imun vastakkainen pääty äin saaaan 11 t, päätyseinä, paine. 54 t, päätyseinä, imu. 61k ja 7 k. Jos tähän lisätään vielä eellä laskettu pystykuormien alkuepäkeskisyyestä aiheutuva lisä, niin saaaan päätyseinää mitoittavaksi vaakakuormaksi 13,3 61+ päätyseinä,paine. 68 k km Kuten eellä olevasta huomataan, pystykuormien aiheuttama lisä on noin 10 %. 5.4. Jäykisteen mitoitus Jäykisteen staattinen toimintamalli on esitetty kuvassa 17. Siinä yläreunaan vaikuttaa vaakavoima V 68 k. Tästä vaakavoimasta jäykiste pyrkii kääntymään alanurkan ympäri eli pääyn puoleinen vertikaali on ankkuroitava perustukseen. Ankkurivoimaa laskettaessa voiaan vähentää pysyvän pystykuorman osuus, jonka suuruutta laskettaessa käytetään osavarmuuskerrointa 0,9. Kerrointa 1, ei voia käyttää, koska isolla pystykuormalla on jäykistettä stabiloiva vaikutus. Taulukkoon 6 on laskettu eri jäykisteen osiin syntyvät voimat, kun pystykuorman stabiloivaa voimaa ei ole otettu huomioon. F D B + B F Kuva 17. V B, F B V B 1, F Jäykisteelle tulevat voimat vaakakuormasta F. Vinot jäykisteet ottavat vain vetorasituksia.
Puurakenteien jäykistysohje 6 Taulukko 6. Jäykistysrakenteeseen syntyvät voimat taulukossa annetuilla mitoilla Suure Suuruus uom! F 68 k 6,0 m B 4,8 m D 109 k D, 68 k Voiman D vaakakomponentti D,V 85k Voiman D pystykomponentti V 1, 85 k.85 k V, uomaa, että ylävaakapuuhun ja alavaakapuuhun tulee puristusvoima, jonka suuruus on F 68 k. Mitoituksellisesti mielenkiintoisin kohta on terästangon kiinnitys puuhun. kiinnitys vaatii aina terästangon päähän teräsosan, jolla voiaan levittää terästangosta tuleva pistemäinen voima leveämmälle alueelle, jonka puu kestää. Tähän on periaatteessa kuvan 15 mukaiset mahollisuuet. Kuvassa 18 on esitetty vaihtoehot konstruktiivisessa mielessä huonoimmasta (a) parhaaseen (c). Vaihtoehossa (a) teräsosan ja puun välille tulee vetoliitos, joka vaatii paljon liittimiä ja lisäksi puuhun syntyy syitä vastaan kohtisuoria vetorasituksia. Myös vaakapuun ja pystypuun välinen liitos pitää mitoittaa vaakasuuntaiselle voimalle F. Tästä syystä vaihtoehosta (a) luovutaan. Vaihtoehoissa (b) ja (c) toinen voiman D komponentti voiaan ottaa vastaan puristusrasituksena puun ja teräsosan välillä. Toinen osa otetaan vastaan teräsosan ja puun välisellä leikkausliitoksella. Vaihtoehto (b) on huonompi kuin vaihtoehto (c), koska siinä mekaanisella liitoksella jouutaan ottamaan suurempi voima kuin vaihtoehossa (c). Siinä myös vaaka ja pystypuun välinen liitos pitää mitoittaa vaakavoimalle kuten vaihtoehossa (a). Varsinkin vaihtoehossa (c) tulee teräsosan ja puun välille pystykuormasta johtuen kitkaa, jota ei kuitenkaan voia mitoituksessa hyöyntää ellei ole luotettavasti tieossa pintojen välistä kitkakerrointa. Kitkakertoimelle ei voia antaa suositusta. Toinen epävarmaksi jäävä lisäkapasiteetti on terästankoa vastaan kohtisuora puristuskomponentti poratussa reiässä. Koska reikä porataan yleensä melko väljäksi ja sen suunta voi vaihella satunnaisesti paljonkin, ei tästä syntyvää lisäkapasiteettia voia hyöyntää. (a) (b) (c) Kuva 18. Terästangon kiinnitys puuhun vaihtoehot (a) (c). Suunnitellaan terästangon päätylaatta siten, että leimapaine ottaa vetotangon pystysuuntaisen puristuskomponentin ja päätylaatan ja yläohjauspuun välinen leikkausliitos vaakakomponentin. Jos yläjuoksu on
Puurakenteien jäykistysohje 7 sahatavaraa C4, niin sen puristuslujuus syitä vastaan kohtisuorassa suunnassa on f c,90,k,5 /mm ja suunnittelulujuus aikaluokassa C (tuulikuorma) f c, kmo fc,k / γ M 0,9,5/1,3 1,73 /mm. äin saaaan tarvittavan päätylaatan kooksi 85000 Alaatta 49100mm eli esimerkiksi suorakaielaatta 150x330 mm. Poikkileikkaus on niin suuri, ettei korotettua leimapainekestävyyttä voia liitoksessa 1,73 hyöyntää. Teräksen ja puun välisessä liitoksessa vaikuttaa puristusjännityksen lisäksi leikkaus vaakasuunnassa. Tämä leikkausvoima on taulukon 6 mukaa 68 k. Käytännössä ainakin osa voimasta välittyy kitkan avulla. Kitkan suuruus on kuitenkin niin epämääräinen, ettei sitä voia hyöyntää, vaan leikkausvoima otetaan kokonaan mekaanisella liitoksella. Taulukossa 7 on annettu eri mekaanisten liittimien määrät, jotka ottavat mitoitusleikkausvoiman 68 k. Taulukko 7. Esimerkkejä mekaanisten liittimen lukumääristä, kun liitoksen mitoitusleikkausvoima on 68 k. iitin ukumäärä (kpl) uom! Ankkurinaula 4x40 ( ) 7 Teräslaatan paksuus 1 mm aula 3,4x100 ( ) 67 Teräslaatan paksuus 1 mm Pultti 8 mm 19 Teräslaatan paksuus 1 mm 5.5 Jäykistävä levykenttä Jäykistävän levykentän tehtävänä on siirtää seinille ja kattoon kohistuvat vaakakuormat päätyseinille. Tämä rakenne voiaan mitoittaa rungon syvyisen korkuisena palkkina, jonka jänneväli (päätyseinien väli) on välillä b 6b, missä b on rungon syvyys. Tämä ehto toteutuu esimerkissämme. Katso kuva 13! evykentän sivuseinien suuntaisille reunapalkeille tulee normaalivoima qt,s, 8B 11,4 40000 8 5000 9100 91, k. Reunapalkin mitoitus on käytännössä reunapalkin liitosten mitoitusta, sillä esimerkiksi sahatavaraa C4 olevan reunapalkin kooksi riittää esimerkiksi 50x175 mm. Jos kyseinen sahatavara jatketaan esimerkiksi naulauslevyillä, jotka kiinnitetään ankkurinauloilla 4,0x40 mm, niin nauloja tarvitaan yhtä liitosta kohti 95 kpl eli esimerkiksi 48 kpl kummallekin puolelle. Taivutusmomentin lisäksi levykenttä on mitoitettava leikkausvoimalle. Suurin leikkausvoima on päätyseinien vieressä, jossa se on sama kuin eellä laskettu jäykistysseinälle tuleva tukireaktio eli 8 k, mikä on päätyseinän pituusyksikköä kohti 8 9,1 k/m 5 evykentässä vaikuttavien leikkausvoimien oletetaan olevan tasan jakautuneita levykentän leveyelle. evyjen reunoilla olevien liittimien leikkauskestävyyksien mitoitusarvoja voiaan suurentaa kertomalla normien perusarvot arvot luvulla 1,.
Puurakenteien jäykistysohje 8 (1) Reunapalkki () Epäjatkuvat reunat (3) evyjen limityksiä Kuva 15 evykentän kuormitus ja levyjen limityksiä evyreunat, jotka eivät tukeuu palkkeihin, vasoihin tai kattotuoleihin, kiinnitetään toisiinsa esim. apusoirojen avulla kuvan 16 mukaisesti. evyjen kiinnittämiseen käytetään stanarin E 1459 mukaisia nauloja tai ruuveja. aulojen tulee olla profiloituja tai poikittaisella kuvioinnilla varustettuja. Suurin liitinväli on levyjen reunoilla 150 mm ja muualla 300 mm. (1) Apusoiron kiinnitys vinonaulauksella tai ruuvauksella katto tai lattiavasaan () Apusoiro (3) evyn naulaus tai ruuvaus apusoiroon Kuva 16 Esimerkki levyjen liitoksesta, kun vasat eivät tue levyn reunaa. 5.6 Päätykolmiot 5.6.1 Voimat Päätykolmioihin vaikuttava tuulikuorma pyrkii kaatamaan kattoristikot, jotka on tuettava kaatavaa momenttia vastaan. Tuulesta aiheutuva momentti on 0,5 4,5 4,5 M t, kolmio, paine. 1,5 0,50 5 + 0,5 + 86 3 km Vastaavasti imupuolelle tulee momentti M t, kolmio, imu. eli yhteensä 38km