Kylmän pihakannen lämpöliikkeiden simulointi COMSOL Multiphysics -ohjelmalla
Lahdes, Juha (2022)
Lahdes, Juha
2022
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
2022-02-21
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202202011783
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202202011783
Tiivistelmä
Vuodenaikojen vuoksi Suomessa pihakansien ympäristöolosuhteet vaihtelevat suuresti kalenterivuoden aikana. Ympäristöolosuhteiden muutoksista kylmien pihakansien sisäiset lämpötilajakaumat kokevat suuria muutoksia. Nämä lämpötilajakaumien muutokset aiheuttavat piha-kansiin muodonmuutoksia eli pituuden muutoksia ja käyristymiä.
Estettyinä nämä muodonmuutokset aiheuttavat pakkovoimia ja -momentteja pihakansiin ja sitä kannatteleviin pystyrakenteisiin. Estetyissä muodonmuutoksissa pakkovoimat kasvavat suuriksi jo varsin pienillä lämpötilan muutoksilla ja niiden suuruudet riippuvat pihakantta kantavien rakenteiden jäykkyyksistä. Mitä jäykempiä kantavat rakenteet ovat, sitä vähemmän ne myötäävät pihakansien lämpöliikkeistä ja sitä suuremmiksi pakkovoimat kasvavat pihakannessa. Suuret pakkovoimat voivat johtaa pihakannen ja liitosalueiden liialliseen halkeiluun.
Pihakansien liikkeiden huomioiminen suunnittelussa on tärkeää, jotta liiallisilta pihakannen, pystyrakenteiden ja liitosalueiden halkeiluilta vältytään. Pakkovoimien syntymistä voidaan rajoittaa esimerkiksi sijoittamalla jäykistävät rakenteet pihakannen keskiosalle ja irrottamalla pihakansi pystyrakenteista reuna-alueilla. Pihakansi irrotetaan kantavista rakenteista riittävän liike- ja kiertymävaran omaavilla laakereilla.
Liikevarojen mitoitus perustuu tyypillisesti pelkkään betonin lämpölaajenemiseen, jolloin pintarakenteiden vaikutus jää huomioimatta. Pintarakenteet voivat kuitenkin vaikuttaa suuresti pihakansilaattaan kehittyviin keskilämpötiloihin ja pintojen väliseen lämpötilaeroon, jolloin todelliset lämpöliikkeet voivat jäädä paljon pienemmiksi mitä suunnittelussa on huomioitu. Pintarakenteiden vaikutus pihakansiin kehittyviin lämpötiloihin riippuu kuitenkin niiden paksuuksista ja materiaaliominaisuuksista.
Pihakansiin syntyviä lämpöjakaumia voidaan laskea stationääritilassa helposti käsin, mutta muuttuvissa olosuhteissa paras ja tarkin keino on lämpöjakaumien tarkastelu simulaatioiden kautta.
Tässä työssä pihakansiin syntyviä lämpöjakaumia tutkittiin simulaatioiden avulla. Työssä rakennettiin kahdeksan laskentamallia, joiden lämpötilajakaumia tutkittiin COMSOL Multiphysics -ohjelmalla tehtyjen simulaatioiden avulla. Laskentamallit koostuivat neljästä erilaisesta pintarakenteesta ja kahdesta eri laattapaksuudesta. Simulaatioissa pihakannen olosuhteita muutettiin Ilmatieteenlaitoksen energialaskennan testivuosien ja itsemuodostettujen ääriolosuhde säädatojen avulla. Simuloinneissa huomioitiin ulkoilman varjolämpötilojen muutokset, pihakannen yläpinnan emittointi ympäristöön ja auringonsäteily sekä talvisimulaatiossa myös kirkkaan taivaan vastasäteilyn viilentävä vaikutus. Simulaatioilla selvitettiin pintarakenteiden ja laattapaksuuden vaikutuksia pihakannen kokemiin lämpöliikkeisiin ja pakkovoimiin.
Simulointitulosten pohjalta määritettiin pihakannen lämpöliikkeiden suuruuksia eri paksuisille laatoille eri pintarakenteilla. Saatujen tulosten mukaan kylmän pihakannen pintarakenteilla oli suuri vaikutus pihakannen kokemien lämpöliikkeiden suuruuksiin ja siten myös estetyistä muodonmuutoksista syntyviin pakkovoimiin ja -momentteihin.
Estettyinä nämä muodonmuutokset aiheuttavat pakkovoimia ja -momentteja pihakansiin ja sitä kannatteleviin pystyrakenteisiin. Estetyissä muodonmuutoksissa pakkovoimat kasvavat suuriksi jo varsin pienillä lämpötilan muutoksilla ja niiden suuruudet riippuvat pihakantta kantavien rakenteiden jäykkyyksistä. Mitä jäykempiä kantavat rakenteet ovat, sitä vähemmän ne myötäävät pihakansien lämpöliikkeistä ja sitä suuremmiksi pakkovoimat kasvavat pihakannessa. Suuret pakkovoimat voivat johtaa pihakannen ja liitosalueiden liialliseen halkeiluun.
Pihakansien liikkeiden huomioiminen suunnittelussa on tärkeää, jotta liiallisilta pihakannen, pystyrakenteiden ja liitosalueiden halkeiluilta vältytään. Pakkovoimien syntymistä voidaan rajoittaa esimerkiksi sijoittamalla jäykistävät rakenteet pihakannen keskiosalle ja irrottamalla pihakansi pystyrakenteista reuna-alueilla. Pihakansi irrotetaan kantavista rakenteista riittävän liike- ja kiertymävaran omaavilla laakereilla.
Liikevarojen mitoitus perustuu tyypillisesti pelkkään betonin lämpölaajenemiseen, jolloin pintarakenteiden vaikutus jää huomioimatta. Pintarakenteet voivat kuitenkin vaikuttaa suuresti pihakansilaattaan kehittyviin keskilämpötiloihin ja pintojen väliseen lämpötilaeroon, jolloin todelliset lämpöliikkeet voivat jäädä paljon pienemmiksi mitä suunnittelussa on huomioitu. Pintarakenteiden vaikutus pihakansiin kehittyviin lämpötiloihin riippuu kuitenkin niiden paksuuksista ja materiaaliominaisuuksista.
Pihakansiin syntyviä lämpöjakaumia voidaan laskea stationääritilassa helposti käsin, mutta muuttuvissa olosuhteissa paras ja tarkin keino on lämpöjakaumien tarkastelu simulaatioiden kautta.
Tässä työssä pihakansiin syntyviä lämpöjakaumia tutkittiin simulaatioiden avulla. Työssä rakennettiin kahdeksan laskentamallia, joiden lämpötilajakaumia tutkittiin COMSOL Multiphysics -ohjelmalla tehtyjen simulaatioiden avulla. Laskentamallit koostuivat neljästä erilaisesta pintarakenteesta ja kahdesta eri laattapaksuudesta. Simulaatioissa pihakannen olosuhteita muutettiin Ilmatieteenlaitoksen energialaskennan testivuosien ja itsemuodostettujen ääriolosuhde säädatojen avulla. Simuloinneissa huomioitiin ulkoilman varjolämpötilojen muutokset, pihakannen yläpinnan emittointi ympäristöön ja auringonsäteily sekä talvisimulaatiossa myös kirkkaan taivaan vastasäteilyn viilentävä vaikutus. Simulaatioilla selvitettiin pintarakenteiden ja laattapaksuuden vaikutuksia pihakannen kokemiin lämpöliikkeisiin ja pakkovoimiin.
Simulointitulosten pohjalta määritettiin pihakannen lämpöliikkeiden suuruuksia eri paksuisille laatoille eri pintarakenteilla. Saatujen tulosten mukaan kylmän pihakannen pintarakenteilla oli suuri vaikutus pihakannen kokemien lämpöliikkeiden suuruuksiin ja siten myös estetyistä muodonmuutoksista syntyviin pakkovoimiin ja -momentteihin.