Puupilarin perustusliitos : Liimapuupilarin perustusliitokset eri kuormituksilla

Abstract

Tässä diplomityössä tutkitaan liimapuupilarin erilaisia perustusliitoksia, niiden eroja, kestävyyksiä ja kuormitustilanteita. Puupilarin perustusliitoksia on monia erilaisia. Tässä työssä tutkittavat perustusliitokset ovat hybridirakentamisen puu-teräs-betoni ratkaisuja, joilla pyritään mahdollistamaan puupilareiden käyttö myös teollisessa hallirakentamisessa. Puupilarit on pystyttävä yhdistämään muihin materiaaleihin ja erityisesti betoniperustuksiin terästä hyödyntäen. Asuinrakentamisessa on jo käytössä valmiita pilarikenkäkomponentteja, jotka helpottavat liitoksien suunnittelua ja toteuttamista. Vastaavia komponentteja ei juurikaan ole ollut käytössä teollisen rakentamisen puolella. Tässä työssä perehdytään pilarikenkien kestävyyteen ja niiden käytettävyyteen teollisissa hallirakennuksissa, joissa liitoksiin kohdistuu huomattavasti suurempia rasituksia. Pilarikenkäliitoksen lisäksi tutkitaan vastaavan liitoksen toteuttamista teräslevyllä. Tällöin teräslevyyn hitsataan tarpeen mukaiset liimaruuvit työmaalla ja vältytään valmiin pilarikenkäkomponentin rajoitteilta. Kolmas tutkittava perustusliitos on edellisistä eroava kierretangollinen teräslevyliitos, jossa teräslevyt ovat pilarin sivuilla ja kierretangot lävistävät puupilarin. Liitoksia tutkitaan eri kuormituksilla, eri kokoisina ja eri kuormitusyhdistelmillä, jolloin saadaan selville, millainen liitos toimii ja minkä kokoisessa hallirakennuksessa. Laskenta tehdään käsin Mathcad-laskentaohjelmistolla (Prime 8.0.0.0, myöhemmin tekstissä ”laskentapohja”) ja Excel-ohjelmalla.

Tutkimuksen aluksi käydään kirjallisuuskatsauksena läpi liitoksien materiaalit, jotka ovat liimapuu ja rakenneteräs. Lisäksi kirjallisuuskatsauksessa selvitetään, miten materiaalit toimivat paloteknisesti. Kappaleessa kolme esitellään yleisesti nivelelliset ja jäykät hybridirakentamisen puupilarin perustusliitokset. Laskentaosiossa perehdytään pilarikengälliseen liimaruuviliitokseen, teräslevylliseen liimaruuviliitokseen ja kierretangolliseen teräslevyliitokseen. Liitoksien mitoitus esitellään liitoksien rakenneosa kerrallaan. Mitoituksen teoriakappaleet käsittelevät liimaruuvin, kierretangon, liimapuupilarin, teräslevyn ja komponenttipilarikengän mitoituksen. Liitoksien palotekninentoiminta käsitellään kirjallisuuskatsauksena. Kappaleessa neljä käydään laskelmien tuloksia läpi ja analysoidaan liitoksien kestävyyksiä, käyttökohteita ja niiden muokattavuutta. Liitoksien mitoittavat käyttöasteet taulukoidaan, jokaiselle kuormitusyhdistelmälle ja liitoksen variaatiolle, jolloin saadaan selville, millainen liitos kestää kyseisen kuormituksen. Liitoksia tutkitaan taulukoimalla sopivia ja toimivia liitoksia eri kuormille. Taulukon on tarkoitus helpottaa oikean liitostyypin valintaa ja oikean kokoisen liitoksen valintaa kuormien ja aikaluokan perusteella. Laskennan tuloksien taulukot ovat tutkimuksen liitteinä.

Liitoksien kestävyydet eroavat toisistaan, ja niiden muokattavuudet ovat eri tasoisia. Pilarikengällinen liimaruuviliitos toimii pienillä ja keskisuurilla kuormilla. Kyseistä liitosta mitoittaa usein liimaruuviliitoksen tartunta- ja leikkauskestävyys, sekä suurilla kuormilla liimapuun puristuskestävyys. Liitosta voi muokata liimaruuvien määrän suhteen. Pilarikengän pituus määräytyy pilarin koon mukaan ja päin vastaisesti liitoksen pilarikenkä voi määrittää pilarin kokoa. Teräslevyllinen liimaruuviliitos toimii kaikilla tutkituilla kuormituksilla, sen muokattavuuden ansiosta. Liitosta voidaan muokata teräslevyn paksuuden, leveyden ja pituuden suhteen, sekä liimaruuvien määrällä. Teräslevyllisen liimaruuviliitoksen mitoituksen kannalta määräävä kestävyys on usein teräslevyn taivutuskestävyys, johon voidaan vaikuttaa tehokkaimmin teräslevyn paksuuden muutoksella. Pienillä kuormilla liitoksen mitoituksen kannalta määrittävänä kestävyytenä on myös tartuntakestävyys, johon voidaan vaikuttaa liimaruuvien määrällä. Kier-retangollinen teräslevyliitos toimii tutkimuksen mukaan vain pienillä kuormituksilla. Liitosta voi muokata teräslevyn paksuutta muuttamalla tai kierretankojen kokoa kasvattamalla.

In this diploma thesis, various foundation joints of glulam columns, their differences, durability and load situations are studied. There are many different types of foundation joints for a wooden pillar. The foundation joints investigated in this work are hybrid construction wood-steel-concrete solutions, which aim to enable the use of wooden columns also in industrial hall construction. Wooden pillars must be able to be combined with other materials, especially with concrete foundations using steel. Ready made column shoe components are already in use in residential construction, which facilitates the planning and implementation of connections. Similar components have hardly been used in industrial construction. In this work, we learn about the durability of column shoes and their usability in industrial hall buildings, where the joints are subjected to significantly greater stresses. In addition to the pillar shoe connection, implementing a similar connection with a steel plate is being investigated. In this case, the necessary adhesive screws are welded to the steel plate on the site and the limitations of the finished pillar shoe component are avoided. The third foundation connection to be investigated is a steel plate connection with threaded rods, which differs from the previous ones, where the steel plates are on the sides of the column and the threaded rods pierce the wooden column. Joints are examined with different loads, sizes and load combinations, thus finding out what kind of joint works and in what size hall building. The calculations are done by hand with the Mathcad calculation software (Prime 8.0.0.0, later in the text "calculation base") and the Excel program.

At the beginning of the study, the materials of the joints, which are glulam and structural steel, are re-viewed as a literature review. In addition, the literature review explains how the materials work fire-technically. In chapter three, jointed and rigid wooden column foundation joints of hybrid construction are generally presented. In the calculation section, we will familiarize ourselves with the adhesive screw connection with the column shoe, the adhesive screw connection with the steel plate and the steel plate connection with the threaded rod. The dimensioning of the joints presents one structural part of the joints at a time. The theory chapters on dimensioning deal with the dimensioning of glue screws, threaded rods, glulam columns, steel plates and component column shoes. The fire engineering performance of joints is treated as a literature review. Chapter Four reviews the results of the calculations and analyzes the durability of the joints, their applications and their adaptability. The dimensioned utilization rates of the joints are tabulated for each load combination and variation of the joint so that it can be found out what kind of joint can withstand the load in question. Connections are studied by tabulating suitable and functional connections for different loads. The table is intended to facilitate the selection of the right type of connection and the selection of the right size connection based on loads and time class. The tables of the calculation results are attached to the study.

The durability of the connections differs from each other, and their adaptability is at different levels. The pillar shoe adhesive screw connection works with small and medium loads. The joint in question is often dimensioned by the adhesion and shear resistance of the glue screw joint, as well as the compression resistance of the glued wood under large loads. The connection can be modified in terms of the number of glue screws. The length of the column shoe depends on the size of the column, and conversely, the column shoe of the joint can determine the size of the column. The steel plate adhesive screw joint works with all tested loads, due to its adaptability. The joint can be modified in terms of the thickness, width and length of the steel plate, as well as the number of adhesive screws. In terms of the dimensioning of a steel plate adhesive screw connection, the determining durability is often the bending resistance of the steel plate, which can be influenced most effectively by changing the thickness of the steel plate. With small loads, the strength that determines the dimensioning of the joint is also adhesion resistance, which can be influenced by the number of adhesive screws. According to research, the steel plate connection with threaded rods works only with small loads. The connection can be modified by changing the thickness of the steel plate or by increasing the size of the threaded rods.