Korkeiden betonikerrostalojen seinäelementtien pystysaumojen suunnittelu
Hanka, Mikko (2021)
Hanka, Mikko
2021
Rakennustekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Civil Engineering
Rakennetun ympäristön tiedekunta - Faculty of Built Environment
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2021-03-31
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202103232638
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202103232638
Tiivistelmä
Asuinkäytön korkeiden elementtirakenteisten betonikerrostalojen rakentaminen on ollut Suomessa kasvussa. Korkeissa rakennuksissa voidaan luokitella olevan vähintään 12–16 kerrosta ja niitä koskevat CC3-seuraamusluokan sekä lisäohjeistuksen asettamat vaatimukset esimerkiksi suunnittelun osalta. Pysty- ja vaakakuormat ovat korkearakentamisessa suurempia ja laskelmiin tulee tehdä ohjeistettuja lisäselvityksiä.
Tässä työssä tutkitaan seinäelementtien välisiä pystysaumoja ja niiden vaijerivaarnalenkkiliitoksia korkearakentamisen näkökulmasta. Työn kirjallisuustutkimusosassa selvitetään liitoksen leikkauskestävyyden kapasiteettien nykyohjeistuksen arvoja ja eri lähteiden esittämiä kapasiteettikaavoja sekä selvitetään sauman murto- ja leikkausjäykkyyskäyttäytyminen. Lisäksi esitetään korkearakentamiseen liittyviä käytäntöjä. Työn toisessa osassa tehdään vertailu selvitetyille ja lasketuille kestävyys- ja jäykkyystuloksille, minkä jälkeen tutkimuksessa määritetään laskentamallinnuksen avulla arvoja pystysauman jäykkyydelle. Saumajäykkyyden vaihtoehdot – täysin jäykkä, osittain jäykkä ja irrotettu – sovelletaan yksittäisen jäykistävän seinälinjan laskentamallin sekä globaalimallin pystysaumoihin. Eri jäykkyyksillä saatavia laskentatuloksia, kuten vaakasiirtymiä, tarkastellaan ja vertaillaan keskenään vaikutusten arvioimiseksi.
Tuotevalmistajien ilmoittamat vaijerivaarnalenkkien kapasiteetit ovat viime vuosina pienentyneet, kun niiden mitoitusta on yhdenmukaistettu vastaamaan paremmin eurokoodin ohjeistusta. Pystysauman leikkauskestävyyttä voi kuitenkin parantaa esimerkiksi elementtien saumapintojen karhennuksella tai muotoilulla, tavallista kestävämmillä vaijerilenkkituotteilla tai lenkkien rinnakkain asettelulla. Leikkauskapasiteetin vaatiessa saumat voidaan myös toteuttaa leveillä pilarimaisilla saumoilla tai paikallavalaa seinät alimmissa kerroksissa, mikä on korkearakentamiselle tyypillistä. Vaijerilenkkien kapasiteettien korotukselle nykyarvoista vaikuttaisi olevan perusteita aiempien arvojen ja tieteellisten tutkimusten mukaan.
Pystysaumassa tapahtuva elementtipintojen välinen siirtymä kehittyy hyvin lineaarisesti kuormituksen suhteen saumabetonin halkeamiseen asti. Sauman leikkausjäykkyyden ala- ja ylärajoiksi esitetään tutkimuksessa 130 ja 250 kN/m/mm, kun sauman vaijerilenkkien jakoväli on 250 mm, sauman leveys 100 mm ja sauman betoniluokka C35/45. Varmalla puolella oleva alaraja on määritetty laskentamallilla ja yläraja perustuu aikaisemman tutkimuksen kuormituskokeisiin ja laskentakaavaan.
Laskentamallissa havaittiin rakennuksen huipun vaakasiirtymien kasvavan epälineaarisesti kerrosmäärän kasvaessa. Prosentuaalinen ero huipun siirtymissä eri saumajäykkyyksillä puolestaan pienenee suuremmilla kerrosmäärillä, mutta todelliset siirtymäerot mittayksikössä kasvavat. Rakennuksen siirtymiin vaikuttaa myös välipohjien mahdollinen vaikutus pystysaumoihin.
Ylimmän kerroksen vaakasiirtymät voivat olla korkean rakennuksen globaalimallissa ainakin 4–10 % suurempia osittain jäykillä pystysaumoilla kuin jäykillä saumoilla. Työssä lasketussa tapauksessa ero kiihtyvyyden huippuarvojen välillä on noin 3 %. Lopulliset erot rakennuksen laskentatuloksissa eri saumajäykkyyksillä ovat kuitenkin hyvin tarkastelusuunta- ja rakennuskohtaisia. Erot ovat riippuvaisia muun muassa vaakakuormien suuruudesta, jäykistävien seinien määrästä ja asettelusta sekä rakennuksen dimensioista. Saumojen rasitusjakaumat ovat myös riippuvaisia liitoksen mallinnustavasta. Pystysaumojen osittain jäykkä käyttäytyminen suositellaan tässä työssä huomioimaan ainakin CC3-luokan rakennusten globaalimalleissa, etenkin luokassa CC3b sen vaativuuden takia.
Tässä työssä tutkitaan seinäelementtien välisiä pystysaumoja ja niiden vaijerivaarnalenkkiliitoksia korkearakentamisen näkökulmasta. Työn kirjallisuustutkimusosassa selvitetään liitoksen leikkauskestävyyden kapasiteettien nykyohjeistuksen arvoja ja eri lähteiden esittämiä kapasiteettikaavoja sekä selvitetään sauman murto- ja leikkausjäykkyyskäyttäytyminen. Lisäksi esitetään korkearakentamiseen liittyviä käytäntöjä. Työn toisessa osassa tehdään vertailu selvitetyille ja lasketuille kestävyys- ja jäykkyystuloksille, minkä jälkeen tutkimuksessa määritetään laskentamallinnuksen avulla arvoja pystysauman jäykkyydelle. Saumajäykkyyden vaihtoehdot – täysin jäykkä, osittain jäykkä ja irrotettu – sovelletaan yksittäisen jäykistävän seinälinjan laskentamallin sekä globaalimallin pystysaumoihin. Eri jäykkyyksillä saatavia laskentatuloksia, kuten vaakasiirtymiä, tarkastellaan ja vertaillaan keskenään vaikutusten arvioimiseksi.
Tuotevalmistajien ilmoittamat vaijerivaarnalenkkien kapasiteetit ovat viime vuosina pienentyneet, kun niiden mitoitusta on yhdenmukaistettu vastaamaan paremmin eurokoodin ohjeistusta. Pystysauman leikkauskestävyyttä voi kuitenkin parantaa esimerkiksi elementtien saumapintojen karhennuksella tai muotoilulla, tavallista kestävämmillä vaijerilenkkituotteilla tai lenkkien rinnakkain asettelulla. Leikkauskapasiteetin vaatiessa saumat voidaan myös toteuttaa leveillä pilarimaisilla saumoilla tai paikallavalaa seinät alimmissa kerroksissa, mikä on korkearakentamiselle tyypillistä. Vaijerilenkkien kapasiteettien korotukselle nykyarvoista vaikuttaisi olevan perusteita aiempien arvojen ja tieteellisten tutkimusten mukaan.
Pystysaumassa tapahtuva elementtipintojen välinen siirtymä kehittyy hyvin lineaarisesti kuormituksen suhteen saumabetonin halkeamiseen asti. Sauman leikkausjäykkyyden ala- ja ylärajoiksi esitetään tutkimuksessa 130 ja 250 kN/m/mm, kun sauman vaijerilenkkien jakoväli on 250 mm, sauman leveys 100 mm ja sauman betoniluokka C35/45. Varmalla puolella oleva alaraja on määritetty laskentamallilla ja yläraja perustuu aikaisemman tutkimuksen kuormituskokeisiin ja laskentakaavaan.
Laskentamallissa havaittiin rakennuksen huipun vaakasiirtymien kasvavan epälineaarisesti kerrosmäärän kasvaessa. Prosentuaalinen ero huipun siirtymissä eri saumajäykkyyksillä puolestaan pienenee suuremmilla kerrosmäärillä, mutta todelliset siirtymäerot mittayksikössä kasvavat. Rakennuksen siirtymiin vaikuttaa myös välipohjien mahdollinen vaikutus pystysaumoihin.
Ylimmän kerroksen vaakasiirtymät voivat olla korkean rakennuksen globaalimallissa ainakin 4–10 % suurempia osittain jäykillä pystysaumoilla kuin jäykillä saumoilla. Työssä lasketussa tapauksessa ero kiihtyvyyden huippuarvojen välillä on noin 3 %. Lopulliset erot rakennuksen laskentatuloksissa eri saumajäykkyyksillä ovat kuitenkin hyvin tarkastelusuunta- ja rakennuskohtaisia. Erot ovat riippuvaisia muun muassa vaakakuormien suuruudesta, jäykistävien seinien määrästä ja asettelusta sekä rakennuksen dimensioista. Saumojen rasitusjakaumat ovat myös riippuvaisia liitoksen mallinnustavasta. Pystysaumojen osittain jäykkä käyttäytyminen suositellaan tässä työssä huomioimaan ainakin CC3-luokan rakennusten globaalimalleissa, etenkin luokassa CC3b sen vaativuuden takia.