Teräsrakenteisten tilamoduulien kantavien rakenteiden selvitys

Abstract

Työn tavoitteena on selvittää, millainen teräsrakenteinen kantava rakenne soveltuu rungoksi tilamoduulille. Rungolle asetetut tärkeimmät tavoitteet ovat suurien aukotusten mahdollistaminen seinillä ja rakenteen toteutettavuus yleisillä rakennusmenetelmillä ja poikkileikkauksilla. Työssä paneudutaan rakenteen toiminnan tutkimiseen, eikä erillisiä tavoitteita ole asetettu taloudellisille tai tuotannollisille seikoille.

Tilamoduulilla tarkoitetaan rakennuksen valmisosaa, joka perinteisten seinä- ja lattiaelementtien sijaan viedään työmaalle valmiiksi koottuna tilana. Tilamoduulirakentamisen avaintekijöitä ovat pitkälle viety esivalmistusaste ja rakennusprojektin työmaavaiheen nopeus. Haasteita tilamoduulien käytölle tuovat kuljetukset, asennukset ja tuotannon kulut.

Käytössä olevia runkovaihtoehtoja ja taustatietoa tilamoduulirakentamisesta selvitetään kirjallisuustutkimuksena. Asetetut tavoitteet parhaiten täyttävän rakennetyypin erilaisia versioita vertaillaan rakenneanalyysillä. Rakenneanalyysi suoritetaan Autodesk Robot -ohjelmistolla ja rakenneosien mitoitus tehdään eurokoodien mukaisesti. Taipumien ja siirtymien käyttörajatilojen raja-arvoina käytetään teräsrakenteiden suunnittelun kansallisen liitteen arvoja.

Tarkemmin tutkittavaksi rakennetyypiksi eri teräsrakenteisista vaihtoehdoista valikoituu pilari-palkki-runko, jonka kulmissa on kantavat pilarit ja niitä yhdistävät ylä- ja alareunoissa kulkevat palkistot. Tätä rakennetta tutkitaan tarkemmin, sillä muut rakennejärjestelmät eivät mahdollista kaikkien tilamoduulien seinien laajamittaista aukottamista.

Eri rakennetyyppien vertailu keskittyy tarkemmin eri jäykistystapojen ja liitosten tuomiin rakenneosien poikkileikkausten eroavuuksiin ja solmukohtien siirtymiin sekä taipumiin. Jäykkäkehäiselle rungolle rakenteellisessa toiminnassa ominaista on muita jäykistystyyppejä suuremmat sivuttaiset siirtymät. X-siteillä jäykistetyillä kulmapilarein kantavilla kehillä sivuttaiset siirtymät ovat kehäjäykisteisiä rakenteita pienemmät.

Työssä vertaillaan myös nivelellisillä ja jäykillä liitoksilla toteutettujen rakenteiden rakenteellisen toiminnan eroja. Nivelellisillä liitoksilla toteutetuilla rakenteilla rakenteen massa sekä rakenneosien taipumat ja siirtymät ovat suurempia kuin jäykillä liitoksilla toteutetuilla rakenteilla. X-sitein jäykistetyt ja kehäjäykistetyt rakenteet ovat työssä tutkituissa tapauksissa kevyimmät vaihtoehdot käyttäen jäykkiä liitoksia. Analysoitujen rakenteiden perusteella X-sitein jäykistetty jäykkäliitoksinen runko tuo toimivimman rakenteen pienimmillä siirtymillä ja taipumilla suhteessa rakenteen massaan.

Eri rakenteiden lisäksi vertaillaan kaksi- ja kolmiulotteista rakenneanalyysiä. Peräkkäisten kehien ollessa samanlaisia, saadaan kaksiulotteisessa ja kolmiulotteisessa tilassa hyvin vastaavanlaisia tuloksia. Tilojen tuloksien erot kasvavat, kun käsitellään rakennetta, jonka peräkkäiset kehät eivät ole samanlaisia. Tällöin kuormien jakautuminen eri kehille on huomioitava kuormia laskettaessa kaksiulotteiselle kehälle.

Työssä saatujen tuloksien perusteella voidaan jatkokehittää tutkittuihin rakennejärjestelmiin perustuvaa tilamoduulirakennetta. Työssä jää auki soveltuvien liitosten suunnittelu ja mitoitus, sekä niiden toteuttaman jäykistyksen huomiointi rakenneanalyysissä. Liitosten lisäksi lattia- ja seinärakenteet sekä niiden liitokset tulisi suunnitella ja huomioida tarkemmin kantavan rakenteen mitoituksessa.