CLT–betoni-liittolaatan mitoitus ja poikkileikkauksen valitseminen

Abstract

Työn tavoitteena on laatia ohjeet CLT–betoni-liittorakenteisten laattojen rakennemitoitukseen sekä voimassa olevat että tulevat Eurokoodit huomioiden. Ohje on erityisesti tarkoitettu käytettäväksi vanhojen Eurokoodien voimassa ollessa, mutta sitä voi käyttää viitteellisenä ohjeena myös Eurokoodien päivittyessä. Tällöin suunnittelijan on kuitenkin varmistettava kaavojen ja ohjeiden pätevyys, sillä ne ovat saattaneet päivittyä. Myös CLT- ja liitostoimittajien tuotekohtaisten teknisten standardien voimassaolo pitää tarkastaa.

Työssä on esitetty laatan kuormitukset ja kuormitusyhdistelmät nykyisten Eurokoodien EN 1990 ja EN 1991 mukaan. Kuormien ja yhdistelmien arvoissa ja kaavoissa on kerrottu Eurokoodin suositusarvot sekä Suomen kansallisten liitteiden arvot ja valinnat. Lisäksi on esitetty betonin ja CLT:n kutistumien ja lämpö- sekä kosteusliikkeiden kaavat sekä näistä aiheutuvien rasitusten laskentakaavat. Käytännössä usein ainoa huomioitava liike on betonin kuivumiskutistuma, joka aiheuttaa jopa 30–50 % lopputaipumasta.

Viruman vaikutus jännityksiin ja taivutusjäykkyyteen on huomioitu käyttämällä pitkäaikaisten kuormien osuudelle jäykkyysominaisuuksien tehollisia arvoja. Betoni viruu puu–betoni-liittorakenteessa enemmän kuin normaalissa teräsbetonirakenteessa. Sen lopullisen kimmokertoimen arvo viruville kuormille saattaa olla vain 20 % alkuperäisestä. Betonin viruman ja kutistuman rajoittamisella olisi suuri merkitys poikkileikkaukselle varsinkin suurilla jänneväleillä.

Poikkileikkauksen taivutusjäykkyyden laskennassa on huomioitava leikkausliitoksen ja poikittaislamellien leikkausmuodonmuutos. Tässä työssä se on tehty laajennetulla gamma-menetelmällä. Menetelmä osoittautui soveltuvan erinomaisesti monikerroksisille liittolaatoille.

Työssä on esitelty CLT:n ja betonin välisten leikkausliitosten mitoitustapoja teknisten hyväksyntöjen sekä uusien Eurokoodien luonnosten mukaan. Nykyisen EN 1995 tai sen Suomen kansallisen liitteen mukaiset värähtelymitoitusohjeet eivät sovellu matalataajuuslattioille, jollaisia CLT–betoni-liittolaatat usein ovat, joten työssä on esitelty myös uuden EN 1995 luonnoksen mukainen värähtelymitoitus. Murtorajatilan mitoitus on esitetty tapauskohtaisesti nykyisen tai tulevan Eurokoodin luonnoksen mukaan. CLT:n palomitoitus on esitetty valmistajien sekä tulevan Eurokoodin luonnoksen mukaan huomioiden CLT:n lamellien mahdollinen delaminoituminen.

Tyypillisesti laatan mitoittaa lopputaipuma. Tämän takia tutkittiin erityisesti liittolaatan sekä kimmoiseen että lopulliseen taivutusjäykkyyteen vaikuttavia tekijöitä. Tutkimuksessa havaittiin, että tyypillisesti selvästi jäykimpään liittopoikkileikkaukseen päästään CLT-levyllä, jonka alimmainen kantava kerros on paksu ja jossa on pinta-alaltaan paljon kantavaa lamellia. Tämä voidaan saavuttaa esim. liimaamalla samansuuntaisia lamelleja päällekkäin uloimpiin kerroksiin. Loviliitos on tyypillisesti jäykin tutkituista leikkausliitoksista. Myös erilaisten valutuentojen vaikutuksia tutkittiin. Tutkimuksen perusteella esitettiin eri jänneväleille esimerkkirakenteet. Liitteessä A on tutkitun esimerkkirakenteen laskelmaraportti, joka on toteutettu työn ohessa tehdyllä Excel-mitoituspohjalla.

The purpose of this thesis is to establish a guideline for dimensioning CLT–concrete floors, while considering both the existing and upcoming Eurocodes. The guideline is specifically meant to be used with existing Eurocodes, but it can be used as a reference later. However, the designer must ensure that they follow the new Eurocodes, as the formulae and instructions may have been updated. Also, the latest technical documents and approvals must be used.

The loads and load combinations have been presented according to existing Eurocodes EN 1990 and EN 1991. Both recommended and national Finnish values and choices are given. A method is presented to calculate the effects of inelastic strains, such as concrete shrinkage, which is usually the most significant by far, causing up to 50 % of the final deflection.

The effects of creep are considered by using effective stiffness properties of timber, concrete and shear connectors for quasi-permanent loads. Concrete has higher creep in timber–concrete structures than in reinforced concrete structures. Its final effective modulus of elasticity may be as low as 20 % of its original value.

The rolling shear deformation and the slip of shear connectors must be considered when calculating bending stiffness. This is done here with the extended Gamma method, which applies well with multi-layer composite slabs.

This study presents different shear connectors and their dimensioning according to their European approvals or the upcoming Eurocodes. The current EN 1995 or its Finnish national annex’s vibration analysis don’t apply to low-frequency floors, which is often the case for CLT-concrete floors. This study suggests using the vibration analysis of the upcoming EN 1995 even before its passage. Calculation of the charring of CLT is presented according to existing guidelines from manufacturers and the upcoming Eurocode EN 1995-1-2, which takes possible delamination into account.

Usually the final deflection was found to be the most demanding criterion for the slab. Therefore, the elastic and final bending stiffnesses and their factors were studied. It was found that CLT elements with thick bottom layers and small transverse layers were usually the stiffest choice by far. The notched connection was usually the stiffest out of the studied connections. The effects of propping were also studied. A list of example structures with different spans was made. A calculation report of an example structure that was studied is found in appendix A. The report was made with an Excel-based calculation tool that was developed during this thesis.