Ripaseinärakenteen kantavuus- ja jäykkyysominaisuudet tilaelementtikerrostalossa

Abstract

Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia ja vertailla uudenlaisia puusta valmistettavia kantavia seinärakenteita, joiden avulla voidaan valmistaa vähintään kahdeksan kerroksinen tilaelementtirakenteinen puukerrostalo. Työssä keskityttiin ehjiin seinäelementteihin, jotka osallistuvat rakennuksen jäykistämiseen. Seinärakenteita tutkittiin laskennallisesti FEM-ohjelmalla ja analyyttisesti yksinkertaistetulla laskentamallilla. Työ tehtiin yhteistyössä Lehto Group Oyj:n sekä Insinööritoimisto Mäkeläisen kanssa ja ohjaajana toimi Insinööritoimisto Mäkeläisen yksikön johtaja Jarkko Luntta. Koulun puolesta työn ohjasivat ja tarkastivat professorit Sami Pajunen ja Mikko Malaska. Työssä tarkasteltavaksi valittiin neljä erilaista seinärakennetta, joissa tärkeää oli huomioida Lehto Components Oy:n tilaelementit, seinien käyttö ja toiminta tilaelementtikerrostaloissa sekä kustannustehokas valmistaminen tehdasolosuhteissa. Seinärakenteet muodostuivat LVL-levystä sekä -rivoista, jotka kiinnitettiin toisiinsa joko ruuvaamalla tai liimaamalla. LVL-levynä käytettiin joko 21 mm tai 39 mm paksuista LVL-X –levyä ja rivoissa materiaalina toimi LVL-S. Kantavan rakenteen kokonaispaksuus sai olla maksimissaan 123 mm. Levyjen paksuudet määräytyivät rakennusfysikaalisen toimivuuden perusteella. Rakennusfysikaalisten laskelmien mukaan jopa 21 mm LVL-levyllä voitiin korvata höyrynsulkukalvo, kunhan rakenteen ulkopinnassa käytettiin tuulensuojakerroksena 9 mm kipsikartonkilevyä ja 30 mm mineraalivillalevyä. Seinän ulkopinnassa oli käytettävä lämmönvastukseltaan vähintään 0,5 m²K/W sekä hyvin kosteutta läpäisevää tuulensuojakerrosta. Rakenteiden toimivuutta tutkittiin Lehto Components Oy:lta saadun esimerkkikohteen avulla. Ripaseinärakenteista selvitettiin taivutusjäykkyydet, puristusjäykkyys, vahvemman suunnan nurjahduskestävyys, leikkausvoimakestävyys sekä levyn ja rivan liitoksessa vaikuttava leikkausvoimaresultanttikestävyys. Lisäksi esimerkkikohteen avulla tutkittiin rakennuksen jäykistämistä sekä liitoksissa syntyviä puristus- ja ankkurointivoimia. Laskelmien perusteella mitoittavaksi ominaisuudeksi seinärakenteille saatiin vahvemman suunnan nurjahduskestävyys. Tämän lisäksi x-suunnan taivutusjäykkyys oli oleellinen tekijä, joka vaikutti rakennuksen jäykistämiseen. Näiden lisäksi työssä tutkittiin kahdeksan kerroksisen tilaelementtikerrostalon paloteknisiä asioita ja seinärakenteen palotilanteen kuormien kestävyyttä. Palon kannalta oleellista oli se, että seinän tulisi kestää 90 minuutin paloa, mikä mahdollistaisi sen, että suojaverhoamatonta katto- ja seinäpintaa palo-osastoittain hyväksyttäisiin jopa 80 %. Palomitoituksen perusteella vaadittava palonkesto saataisiin, mikäli 39 mm LVL-levyn päällä käytettäisiin kahta F-tyypin palokipsilevyä. Huomioitavaa palomitoituksessa oli ripajako, joka osoittautui mitoittavaksi tekijäksi seinän kestävyyttä tarkasteltaessa. Tulosten perusteella parhaaksi rakenteeksi valikoitui rakenne, jossa käytetään 39 mm LVL-X –levyä sekä 85 * 51 mm LVL-S –ripoja, jotka kiinnitettiin toisiinsa liimaamalla. Palomitoituksen, jäykistyksen ja esimerkkirakennuksessa syntyvien kuormien perusteella tämä oli myös ainoa toimiva rakenne kokonaisuutta tutkittaessa. Ankkurointi- ja puristusvoimalaskelmista selvisi, että esimerkkirakennukseen syntyvien vaakakuormien ja kevyiden rakenteiden johdosta ankkurointivoimia ei synny ehjän seinän kohdalla, vaan seinäelementin kummassakin päässä vaikuttaa puristusvoima.