Kontaktivoiman jakautuminen puu-teräsvälipohjarakenteessa

Abstract

Puun yleistyessä monikerrosrakennusten pääasiallisena rakennusmateriaalina on rakennus-alalla tarve kehittää erilaisia puulaatastoihin perustuvia matalapalkkirakenteita. Tässä työssä tutkitaan CLT-laatan ja WQ-palkin muodostaman välipohjarakenteen toimintaa etenkin rakenneosien välisen kontaktin näkökulmasta. Työn tavoite on selvittää, miten laatan ja palkin välinen kontakti jakautuu niiden välisellä kontaktialueella sekä miten kontaktijakauma vaikuttaa koko rakenteen toimintaan. Työ jakaantuu kolmeen osakokonaisuuteen. Ensimmäisessä osassa esitellään tutkittavan matalapalkkirakenteen kannalta tärkeimmät materiaali- ja rakenneominaisuudet sekä kontaktin mallintamisen kannalta keskeiset käsitteet. Toisessa osassa esitellään koekuormitusjärjestelyt sekä luodaan ja validoidaan koekuormitusta vastaava FEM-laskentamalli käyttäen Abaqus-ohjelmistoa. Viimeisessä osassa esitellään laskentamallin avulla saadut tulokset ja analysoidaan tulosten perusteella rakenteen käyttäytymiseen vaikuttaneita ilmiöitä. Puu-teräsvälipohjarakenteelle ei ole käytössä omia mitoitussääntöjä. Mitoittaminen perustuu yleisesti Teräsrakenneyhdistyksen Teräsnormikortin N:o 21 (2009) ohjeeseen, joka koskee ontelolaatan ja WQ-palkin yhdistelmää. Tämän työn tulokset osoittavat, että ilman puulaatan ja palkin välistä liittovaikutusta rakenne toimii toisin kuin Teräsrakenneyhdistyksen ohjeiden perusteella oletetaan. Laatan ja palkin välinen kontakti keskittyy voimakkaasti rakenteen reunoille kohti palkin tukia. Lisäksi laatta pyrkii kiertymään WQ-palkin alalaipan ulkoreunan ympäri, jolloin kontakti menetetään nopeasti kontaktialueen uuman puoleiselta reunalta. Kontaktin jakautumiseen vaikuttaa erityisesti CLT-laatan jäykkyys, joka puumateriaalin kohdalla on suoraan sidoksissa käytetyn puun lujuusluokkaan. Tässä työssä esitetään miten CLT-laatan lujuusluokka vaikuttaa sekä kontaktipaineen jakaumaan WQ-palkin laipalla että kontaktiresultantin sijaintiin ja voimakkuuteen. Lisäksi esitetään, miten nämä ilmiöt muuttuvat poikkileikkauksittain palkin pituudella. Työn tulosten perusteella rakenteen mitoituksessa ei voida käyttää oletuksia, että CLT-laatalta WQ-palkille välittyvä voima jakautuu tasan koko palkin pituuden matkalle sekä sijaitsee vakio etäisyydellä WQ-palkin laipan ulkoreunasta, koska kontaktivoiman resultantin suuruus ja sijainti muuttuvat voimakkaasti palkin pituusakselilla. Tämän vuoksi rakenteelle tulisi muodostaa omat mitoitussääntönsä, mikä vaatii rakenteen lisätutkimista etenkin rakenteen liitosten vaikutusten osalta.