Hybridipuukerrostalo : Rakenneratkaisujen valinta ja rakenteiden suunnittelu

Abstract

Puukerrostalojen yleistyminen ja puun käytön lisääminen rakentamisessa ovat ajankohtaisia aiheita rakennusalalla ja koko yhteiskunnassa. Tässä työssä on tarkasteltu erilaisten materiaalien yhdistelyä, eli niin kutsuttua hybridirakentamista asuinrakentamisessa. Työn tavoitteena oli selvittää erilaisten hybridirakenteiden ja -rakennejärjestelmien piirteitä, antaa riittävät taustatiedot puurakentamisesta eri vaihtoehtojen arviointiin ja tarkastella hybridipuukerrostalojen rakenteellisen mitoituksen perusteita. Työssä on rajauduttu 3–8-kerroksisiin, paloluokan P2 asuinrakennuksiin.

Työssä on kuvattu puurakentamisen kehitystä, nykytilaa ja tulevaisuutta Suomessa. Teollisen puurakentamisen perusmenetelmistä ja puukerrostalojen rakennejärjestelmistä on esitetty perustiedot, joiden perusteella on mahdollista hahmottaa eri rakentamistapoihin ja rakenneratkaisuihin liittyviä etuja ja haasteita. Hybridirakenteiden käytön haasteena on erilaisten hybridirakennevaihtoehtojen suuri määrä. On haastavaa päätellä, millaiset eri materiaaleja yhdistelevät rakenneratkaisut ovat toteuttamisen arvoisia. Työssä on pohdittu analyyttiseen hierarkiaprosessiin pohjautuvaa arviointimenetelmää, jolla erilaisten hybridirakennevaihtoehtojen vertailu olisi mahdollista. Vertailumenetelmän ohella on esitelty erilaisia käytössä olevia hybridirakenteita.

Työn yhteydessä on käsitelty niin kutsutun mallitalon rakenneratkaisuja ja -laskelmia. Työssä esitellään viisi erilaista perusrakennejärjestelmävaihtoehtoa A–E, joista lähemmin tarkastellaan vaihtoehtoa A. Kyseisessä vaihtoehdossa rakennuksen kaksi ensimmäistä kerrosta ovat betonielementtirakenteisia ja näiden yläpuoliset kerrokset puutilaelementtirakenteisia. Rakenneratkaisujen osalta on esitetty tärkeimpiä tekijöitä, jotka vaikuttavat rakenneratkaisujen valintaan. Rakennelaskelmien yhteydessä on tarkasteltu muutamaa kriittistä rakennusosaa, joiden rakennelaskelmat on esitetty työn liitteissä. Jäykistyksen perusteita ja aiheeseen liittyviä ongelmia on käsitelty myös lyhyesti.

Yhteenvetona voidaan todeta, että hybridipuukerrostaloissa esiintyvät rakenteet ovat monipuolisia ja haastavia. Valmiita ratkaisuja ei välttämättä ole olemassa. Erilaisten rakennetyyppien ja detaljien määrä on huomattava, kun rakennuksessa on eri materiaaleista rakennettuja kerroksia. Haasteita aiheuttavat myös kantavien linjojen muutokset eri materiaaleista toteutetuissa kerroksissa. Rakennesuunnittelussa korostuu eri materiaalien suunnittelun osaaminen.

Building multi-storey timber residential buildings and the use of wood-based materials in construction are becoming more and more common. The subject is of current interest to the building branch and the society. In this thesis, combining different materials as a hybrid construction is considered. The aim of this work was to discuss the characteristics of different hybrid structures and structural systems, to give sufficient background information about wood construction to assess different options and to examine the basics of structural detailing and design of hybrid-timber multi-storey buildings. Only residential buildings belonging to the fire class P2 with three to eight storeys are considered.

The historical development, the present state and the future of timber construction in Finland are explored. The most essential methods of industrial wood construction and structural systems of multi-storey timber buildings are also described in order to be able to identify the possible advantages and drawbacks of different solutions.

The challenge in using hybrid structures is the wide range of possible options. It is difficult to draw conclusions about different options and to decide which options are worth executing. An evaluation method based on analytical hierarchy process to solve the problem is proposed. In addition, currently used hybrid systems are described.

A model building consisting of six storeys is introduced. Five different options from A to E for the structural system of the building are described. Option A is examined more closely. In option A, the load-bearing structures of the first two floors are concrete. The rest of the floors consist of volumetric timber elements.

The most important aspects to be considered at the selection of structural types are described. A selection of structural calculations regarding a couple of the most critical structural members are included. The basic principles of the horizontal force resisting system are also briefly discussed.

To sum up the findings of the thesis, it can be stated that the structures of hybrid-timber buildings are versatile and demanding to design. Ready-made solutions do not often exist. The number of different structural types and details is substantial as different load bearing materials are combined in one building. Offsets in the load bearing wall system in floors built of different materials also cause challenges. In structural design, the competence in design of multiple materials is highlighted.