Betonirakenteisten välipohjalaattarakenteiden toiminta ja mitoitus

Abstract

Oikean tyyppisen välipohjarakenteen valitseminen rakennukseen on suunnittelun ja toteutuksen kannalta hyvin tärkeää, sillä suunnitteluvaiheessa yleensä kaksi tai useampi toteutusvaihtoehto saavuttaa rakenteellisesti yhtä tehokkaan kokonaisuuden, mutta toinen vaihtoehto voi olla huomattavasti kustannustehokkaampi kuin toinen. Yleisimpiä välipohjarakenteita Suomessa ovat paikallavaluholvit ja ontelolaatastot. Korkeissa rakennuksissa suositaan paikallavaluholveja näiden hyvän rakenteellisen kestävyyden takia, kun taas ontelolaatastot ovat jääneet pienempään osaan korkeissa rakennuksissa. Korkeissa rakennuksissa levykenttinä toimiviin välipohjarakenteisiin alkaa muodostumaan merkittäviä leikkaus- ja taivutusrasituksia, jotka voivat muodostua ontelolaattavälipohjilla mitoittaviksi tekijöiksi.

Tämä diplomityö tutkii betonisten välipohjalaattarakenteiden mitoittamista pystysuuntaisille tasokuormille ja vaakasuuntaisille kuormituksille. Työssä käydään läpi välipohjien taso- ja vaakakuormien määrittäminen, näiden voimasuureiden laskeminen ja välipohjien mitoittaminen näille voimille. Diplomityössä keskitytään siihen, miten rakennuksen korkeus ja jäykistysjärjestelmä vaikuttavat välipohjarakenteiden rasituksiin ja voimasuureisiin. Diplomityössä etsitään korkeiden rakennusten levykenttinä toimivien välipohjalaattarakenteille ominaisia piirteitä erilaisilla jäykistysjärjestelmillä. Toinen tutkittava asia on ontelolaatastojen mitoittaminen ja raudoittaminen siten, että laatasto kestää tähän kohdistuvat leikkaus- ja taivutusrasitukset. Tämän lisäksi tutkitaan sitä, asettaako korkea rakentaminen muita rajoitteita ontelolaattojen käyttämiseen korkeissa rakennuksissa.

Diplomityö on tehty kirjallisuusselvityksenä, minkä lisäksi levykenttänä toimivan välipohjan toimintaa ja mitoitusta tutkitaan esimerkkilaskelmien avulla. Esimerkkilaskelmat koostuvat kolmesta jäykistysjärjestelmältään ja korkeudeltaan erilaisesta betonirakennuksen levykenttämitoituksesta, joissa levykentän rasitusten ja voimasuureiden laskenta tehdään käsin ja FEM-ohjelmalla. Esimerkkilaskelmien rakennus 1 on 16-kerroksinen pilarilaattarunkoinen betonikerrostalo, rakennus 2 on 22-kerroksinen kantavat seinät -runkoinen betonikerrostalo, missä kantavat väliseinät ovat 12 metrin jaolla ja rakennus 3 on 24-kerroksinen kantavat seinät -runkoinen betonikerrostalo, missä kantavat väliseinät ovat 6 metrin jaolla. Levykenttien rasitusten ja voimasuureiden laskenta sekä levykentän mitoitus tehdään EC2:n osan 1-1 sekä tämän Suomen kansallisen liitteen, Betoniyhdistyksen (BY) ja Kim S. Elliotin teosten mukaan.

Tutkimuksessa selvisi, että levykenttänä toimivan välipohjalaattarakenteen rasitukset ja voimasuureet kasvavat rakennuksen korkeuden kasvaessa ja ovat riippuvaisia rakennukseen valitusta jäykistysjärjestelmästä, rakennuksen pohjaratkaisusta ja jäykistysjärjestelmän rakenteiden jäykkyyksien suhteista. Tämän lisäksi diplomityössä selvisi, että oikein mitoitetut ja raudoitetut ontelolaatastot soveltuvat levykenttätoiminnan ja liitosten pystykestävyyden osalta 20-24 kerroksisiin asuinkerrostaloihin.

Choosing the right type of intermediate floor structure for a building is very important for the design and construction, as at the planning stage two or more options can be structurally equally efficient, but one option can be significantly more cost-effective than the other. The most common intermediate floor structures in Finland are cast-in-place slabs and hollow core slabs. Cast-in-place slabs are preferred in high-rise buildings while hollow core slabs have remained in a smaller proportion. In high-rise buildings, significant shear and bending stresses begin to form on the floor diaphragms which can become the critical factors for hollow core slabs.

This master's thesis investigates the design of concrete intermediate structures for vertical surface loads and horizontal loads. The thesis concludes the determination of surface and horizontal loads, the calculation of the force quantities and the design of intermediate floor structures for these forces. The thesis focuses on how the height of the building and the stiffening system of the building affects the stresses and force quantities of the intermediate floor structures. The purpose of the thesis is to find the characteristics of intermediate floor slabs that act as floor diaphragms. Another matter to be examined in this thesis is the design and reinforcing of hollow core slab intermediate floors so that the intermediate floor can withstand the shear and bending stresses applied to it. In addition to this, it is investigated whether the height of the building imposes other restrictions for the use of hollow core intermediate floors in high rise buildings.

The thesis has been done as a literature review and in addition the action and design of the intermediate floor working as a floor diaphragm is studied with the help of example calculations. The example calculations are calculated for three concrete high-rise buildings with different stiffening systems and heights. The example calculations and the design of the floor diaphragms are made by hand calculation and the stresses of the floor diaphragms are calculated by hand and with a FEM-program. In the example calculations, the building number 1 is a 16-storey column and flat slab concrete apartment building, the building number 2 is a 22-storey load bearing partition wall and flat slab concrete apartment building with partition walls being 12 meters apart and the building number 3 is a 24-storey load bearing partition wall and flat slab concrete apartment building with partition walls being 6 meters apart. The calculation of stresses and force quantities and the design of the floor diaphragms are made according to EC2 part 1-1, EC2 part 1-1 Finnish national annex and by the books of Betoniyhdistys (BY) and Kim S. Elliot.

The study revealed that the stresses and force quantities of the floor diaphragms increase as the height of the building increases and that the stresses and force quantities depend on the stiffening system of the building, the stiffness ratios of the stiffening system structures and the stiffness of the diaphragm itself. In addition to this, the study revealed that with correct design and reinforcement hollow core slabs can be used in high-rise buildings with a maximum of 20-24 stories.