Kitka puurakenteiden liitoksissa
Haikkonen, Mika (2023)
2023
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
2023-12-20
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-2023112710249
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-2023112710249
Tiivistelmä
Puurakentamisen suosio Suomessa on kasvamaan päin. Lisääntyvän puurakentamisen myötä puurakenteissa käytettävät rakenneratkaisut ja periaatteet nousevat yhä enemmän esille. Perinteisesti puurakenteiden välisissä leikkausliitoksissa leikkausvoima viedään erillisten liittimien avulla puurakenteelta toiselle. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää kitkan hyödynnettävyyttä puurakenteiden leikkausliitoksissa. Useissa tilanteissa kitkaa on olemassa, mutta tätä ei laskennallisesti hyödynnetä liitoksen kestävyyttä kasvattavana tekijänä. Tutkimuksessa esitetään keskeisiä periaatteita puurakenteissa vallitsevan kitkan huomioon ottamiseksi. Tutkimus toteutettiin A-Insinöörit Oy:n toimeksiannosta.
Tutkimus jakautui laillisuusnäkökulmaan ja tieteellistekniseen näkökulmaan. Laillisuusnäkökulmasta selvitettiin lainsäädännölliset perusteet, joiden pohjalta rakenteet tulee suunnitella, sekä sitä, millaisia mahdollisuuksia määräykset antavat kitkan hyödyntämiselle kantavissa rakenteissa. Tieteellisteknisestä näkökulmasta selvitettiin, mistä kitka muodostuu, millaisia puurakenteita Suomessa käytetään, mitkä seikat vaikuttavat puupintojen väliseen kitkaan, millaisia kitkakertoimen arvoja erilaisilla puurajapinnoilla voidaan käyttää ja mihin nämä arvot tulee perustaa.
Lainsäädännön mukaan rakenteet tulee pääsääntöisesti suunnitella eurokoodin mukaan. Eurokoodi sallii kitkakertoimen huomioimisen rakenteen staattisen tasapainon rajatilaa tarkasteltaessa. Kitkakertoimet tulee määrittää standardien mukaisissa testeissä. Kokeellisella mitoituksella tulee saavuttaa eurokoodin vaatima luotettavuustaso.
Puupintojen väliseen kitkakertoimeen vaikuttaa moni tekijä, joista olennaisimpia havaittiin olevan puun syysuunta, normaalivoima, kosteuspitoisuus, pinnan karheus ja pintakäsittely. Puurakenteisten siltojen suunnittelua koskeva eurokoodi antaa kitkakertoimen mitoitusarvoja eräille puupintojen yhdistelmille. Kirjallisuuskatsauksen pohjalta erinäisissä tutkimuksissa saadut kitkakertoimen keskiarvot ovat olleet havupuiden välisillä pinnoilla 0,48, havupuun ja teräksen välillä 0,34, insinööripuun ja havupuun välillä 0,30 sekä insinööripuun ja teräksen välillä 0,25.
Vedetyissä vinoruuviliitoksissa voidaan hyödyntää puupintojen välistä kitkaa RIL-205-1 mukaisin kitkakertoimin ja ehdoin. Suoraan kulmaan asennetuilla metalliliittimillä tehdyssä leikkausliitoksessa kitkan vaikutus tulee osittain huomioitua köysivaikutuksen kautta, kun mitoitetaan eurokoodin mukaisella puikkoliitosteoriaan pohjautuvalla mitoitusmenetelmällä.
Kitkan hyödyntäminen olisi mahdollista esimerkiksi CLT-elementtien seinä-välipohjaliitoksessa ja tilaelementtien välisissä vaakaliitoksissa, joissa normaalisti käytetään leikkausvoiman välittämiseksi erillisiä metallisia tai vanerisia liittimiä. Kitkan hyödyntämisen kannalta periaate on sama, vaikka pintojen välillä käytettäisiin tärinäneristimiä. Eräs tärinäneristinvalmistaja antaa kitkakertoimen arvoksi tärinäneristimen ja betonin välille 0,7 ja teräksen sekä puun välille 0,5.
Kitkan hyödyntämistä rajoittavia seikkoja voivat olla esimerkiksi pysyvien kuormien riittävyys eurokoodin mukaisilla kuormayhdistelmillä, pintojen lämpöliikkeet, liitoksen sitkeän murtotavan varmistaminen, ankkurointitarve pystysuuntaisille voimille tai jatkuvan sortuman huomioiminen.
Suurin este kitkan hyödyntämiselle monissa tapauksissa, joihin se muutoin soveltuisi, on luotettavien, standardien mukaisten kitkakertoimen mitoitusarvojen puute. Jatkotutkimustarpeena nähtiin erityisesti sen selvittäminen, millaisella prosessilla saadaan mitoitusarvoksi kelpaava arvo kitkakertoimelle sekä standardien mukaisiin kokeisiin perustuvat kitkakertoimen mitoitusarvot erilaisille puupintayhdistelmille. The popularity of wood construction in Finland is growing. With the increase in wooden construction, the structural solutions and principles used in wooden structures are increasingly coming to the fore. Traditionally, in shear connections between wooden structures, the shear force is transferred from one wooden structure to another using separate connectors. The purpose of this study was to find out the usability of friction in shear joints of wooden structures. In many situations, friction is present, but it is not calculated to be used as a factor that increases the capacity of the joint. The study presents key principles for taking into account friction existing in wooden structures. The study was carried out on assignment of A-Insinöörit Ltd.
The study was divided into a legality perspective and a scientific-technical perspective. From the point of view of legality were clarified the legislative bases on which the structures should be designed, as well as what kind of opportunities the regulations give for the utilization of friction in load-bearing structures. From a scientific-technical point of view, it was found out how friction is formed, what kind of wooden structures are used in Finland, what factors affect the friction between wooden surfaces, what kind of friction coefficient values can be used for different wood contact surfaces and where should these values be based on.
According to the legislation, structures must generally be designed according to the Eurocode. The Eurocode allows the friction coefficient to be taken into account when considering the limit state of the static equilibrium of the structure. Friction coefficients must be determined in tests according to standards. Testing must achieve the level of reliability required by the Eurocode.
The coefficient of friction between wood surfaces is affected by many factors, the most important of which were found to be wood grain direction, normal force, moisture content, surface roughness and surface treatment. The Eurocode for the design of wooden bridges gives design values for the coefficient of friction for certain combinations of wooden surfaces. Based on the literature review, the average values of the coefficient of friction obtained in various studies have been 0.48 for surfaces between softwood, 0.34 between softwood and steel, 0.30 between engineered wood and softwood, and 0.25 between engineered wood and steel.
In inclined screw connections when in tension, the friction between wood surfaces can be taken into account with the friction coefficients and conditions according to RIL-205-1. In a joint made with metal connectors installed at a right angle, the effect of friction will be partially taken into account by taking into account the rope effect when designing according to the Eurocode. The Eurocode design method is based on the Johansen’s yield theory.
The utilization of friction would be possible, for example, in the wall to floor joint of CLT elements and in the horizontal joints between modular elements, where separate metal or plywood connectors are normally used to transmit the shear force. In terms of utilizing friction, the principle is the same, even if vibration isolators are used between the surfaces. One vibration isolator manufacturer gives the value of the friction coefficient between the vibration isolator and concrete as 0.7 and between steel and wood as 0.5.
Factors that limit the use of friction can be, for example, the lack of permanent loads with load combinations according to the Eurocode, thermal movements of surfaces, ensuring a ductile failure mode of the joint, the need for anchoring for vertical forces or taking into account progressive collapse.
The main obstacle to the utilization of friction in many cases where it would otherwise be applicable is the lack of reliable friction coefficient design values according to standards. The need for further research was particularly to find out what kind of process is used to obtain a design value for the friction coefficient, as well as the design values of the friction coefficient based on tests according to standards for various wood surface combinations.
Tutkimus jakautui laillisuusnäkökulmaan ja tieteellistekniseen näkökulmaan. Laillisuusnäkökulmasta selvitettiin lainsäädännölliset perusteet, joiden pohjalta rakenteet tulee suunnitella, sekä sitä, millaisia mahdollisuuksia määräykset antavat kitkan hyödyntämiselle kantavissa rakenteissa. Tieteellisteknisestä näkökulmasta selvitettiin, mistä kitka muodostuu, millaisia puurakenteita Suomessa käytetään, mitkä seikat vaikuttavat puupintojen väliseen kitkaan, millaisia kitkakertoimen arvoja erilaisilla puurajapinnoilla voidaan käyttää ja mihin nämä arvot tulee perustaa.
Lainsäädännön mukaan rakenteet tulee pääsääntöisesti suunnitella eurokoodin mukaan. Eurokoodi sallii kitkakertoimen huomioimisen rakenteen staattisen tasapainon rajatilaa tarkasteltaessa. Kitkakertoimet tulee määrittää standardien mukaisissa testeissä. Kokeellisella mitoituksella tulee saavuttaa eurokoodin vaatima luotettavuustaso.
Puupintojen väliseen kitkakertoimeen vaikuttaa moni tekijä, joista olennaisimpia havaittiin olevan puun syysuunta, normaalivoima, kosteuspitoisuus, pinnan karheus ja pintakäsittely. Puurakenteisten siltojen suunnittelua koskeva eurokoodi antaa kitkakertoimen mitoitusarvoja eräille puupintojen yhdistelmille. Kirjallisuuskatsauksen pohjalta erinäisissä tutkimuksissa saadut kitkakertoimen keskiarvot ovat olleet havupuiden välisillä pinnoilla 0,48, havupuun ja teräksen välillä 0,34, insinööripuun ja havupuun välillä 0,30 sekä insinööripuun ja teräksen välillä 0,25.
Vedetyissä vinoruuviliitoksissa voidaan hyödyntää puupintojen välistä kitkaa RIL-205-1 mukaisin kitkakertoimin ja ehdoin. Suoraan kulmaan asennetuilla metalliliittimillä tehdyssä leikkausliitoksessa kitkan vaikutus tulee osittain huomioitua köysivaikutuksen kautta, kun mitoitetaan eurokoodin mukaisella puikkoliitosteoriaan pohjautuvalla mitoitusmenetelmällä.
Kitkan hyödyntäminen olisi mahdollista esimerkiksi CLT-elementtien seinä-välipohjaliitoksessa ja tilaelementtien välisissä vaakaliitoksissa, joissa normaalisti käytetään leikkausvoiman välittämiseksi erillisiä metallisia tai vanerisia liittimiä. Kitkan hyödyntämisen kannalta periaate on sama, vaikka pintojen välillä käytettäisiin tärinäneristimiä. Eräs tärinäneristinvalmistaja antaa kitkakertoimen arvoksi tärinäneristimen ja betonin välille 0,7 ja teräksen sekä puun välille 0,5.
Kitkan hyödyntämistä rajoittavia seikkoja voivat olla esimerkiksi pysyvien kuormien riittävyys eurokoodin mukaisilla kuormayhdistelmillä, pintojen lämpöliikkeet, liitoksen sitkeän murtotavan varmistaminen, ankkurointitarve pystysuuntaisille voimille tai jatkuvan sortuman huomioiminen.
Suurin este kitkan hyödyntämiselle monissa tapauksissa, joihin se muutoin soveltuisi, on luotettavien, standardien mukaisten kitkakertoimen mitoitusarvojen puute. Jatkotutkimustarpeena nähtiin erityisesti sen selvittäminen, millaisella prosessilla saadaan mitoitusarvoksi kelpaava arvo kitkakertoimelle sekä standardien mukaisiin kokeisiin perustuvat kitkakertoimen mitoitusarvot erilaisille puupintayhdistelmille.
The study was divided into a legality perspective and a scientific-technical perspective. From the point of view of legality were clarified the legislative bases on which the structures should be designed, as well as what kind of opportunities the regulations give for the utilization of friction in load-bearing structures. From a scientific-technical point of view, it was found out how friction is formed, what kind of wooden structures are used in Finland, what factors affect the friction between wooden surfaces, what kind of friction coefficient values can be used for different wood contact surfaces and where should these values be based on.
According to the legislation, structures must generally be designed according to the Eurocode. The Eurocode allows the friction coefficient to be taken into account when considering the limit state of the static equilibrium of the structure. Friction coefficients must be determined in tests according to standards. Testing must achieve the level of reliability required by the Eurocode.
The coefficient of friction between wood surfaces is affected by many factors, the most important of which were found to be wood grain direction, normal force, moisture content, surface roughness and surface treatment. The Eurocode for the design of wooden bridges gives design values for the coefficient of friction for certain combinations of wooden surfaces. Based on the literature review, the average values of the coefficient of friction obtained in various studies have been 0.48 for surfaces between softwood, 0.34 between softwood and steel, 0.30 between engineered wood and softwood, and 0.25 between engineered wood and steel.
In inclined screw connections when in tension, the friction between wood surfaces can be taken into account with the friction coefficients and conditions according to RIL-205-1. In a joint made with metal connectors installed at a right angle, the effect of friction will be partially taken into account by taking into account the rope effect when designing according to the Eurocode. The Eurocode design method is based on the Johansen’s yield theory.
The utilization of friction would be possible, for example, in the wall to floor joint of CLT elements and in the horizontal joints between modular elements, where separate metal or plywood connectors are normally used to transmit the shear force. In terms of utilizing friction, the principle is the same, even if vibration isolators are used between the surfaces. One vibration isolator manufacturer gives the value of the friction coefficient between the vibration isolator and concrete as 0.7 and between steel and wood as 0.5.
Factors that limit the use of friction can be, for example, the lack of permanent loads with load combinations according to the Eurocode, thermal movements of surfaces, ensuring a ductile failure mode of the joint, the need for anchoring for vertical forces or taking into account progressive collapse.
The main obstacle to the utilization of friction in many cases where it would otherwise be applicable is the lack of reliable friction coefficient design values according to standards. The need for further research was particularly to find out what kind of process is used to obtain a design value for the friction coefficient, as well as the design values of the friction coefficient based on tests according to standards for various wood surface combinations.