Puu-betoniliittolaatan värähtelymitoitus: Värähtelymitoitusohjeiden vertailu

Abstract

Tässä työssä käsitellään puu-betoniliittolaattarakenteisen välipohjan värähtelymitoitusta ja värähtelymitoitusohjeita. Työssä tehdään kirjallisuuskatsaus liittorakenteista sekä niihin sovellettavista suunnitteluohjeista värähtelyn osalta, mitoitetaan esimerkkirakenne ja vertaillaan eri mitoitusohjeiden laskennan prosessia ja tuloksia. Tavoitteena on havainnollistaa liittorakenteen merkitystä rakenteiden mitoituksessa, löytää eroja olemassa olevien värähtelymitoitusohjeiden välillä sekä tutkia näiden erojen vaikutusta mitoituksen lopputulokseen.

Puu-betoniliittolaatta yhdistää puun ja betonin parhaat ominaisuudet, eli puun matalan tiheyden ja hyvän vetolujuuden sekä betonin hyvän jäykkyyden ja akustiset ominaisuudet. Liittorakenteella voidaan päästä jopa kolminkertaiseen kantokestävyyteen tavanomaiseen puurakenteeseen verrattuna. Liittorakenteen suurin hyöty saavutetaan, kun liittovaikutus ja sen hyödyntämisaste maksimoidaan käyttämällä esimerkiksi mekaanisia kiinnikkeitä.

Asuin- ja toimistorakennusten välipohjille yksi eniten värähtelyä aiheuttava tekijä on kävely, ja välipohjien värähtelymitoitus tehdään tämän oletuksen pohjalta. Värähtelyominaisuuksiensa perusteella välipohjat voidaan jakaa matala- ja korkeataajuuksisiin, joiden värähtelytarkastelussa kiinnitetään huomiota lattiatyypin tapaan värähdellä. Korkeataajuuksisten välipohjienmitoituksessa tarkistetaan lattian taipuma askelkuormituksen alla, ja matalataajuuksisilla välipohjilla tarkastellaan värähtelyn kiihtyvyysamplitudia. Sekä taipuman että kiihtyvyysamplitudin raja-arvot ovat riippuvaisia rakenteelle valitusta värähtelyn käyttöluokasta.

Vertailtavat suunnitteluohjeet on valittu sen mukaan, soveltuvatko ne Suomessa puubetoniliittorakenteiden suunnitteluun. Suunnitteluohjeista esitellään tärkeimmät käsinlaskennallisen värähtelymitoituksen kaavat ja tarkastelun läpäisyn ehdot ohjekohtaisesti. Värähtelymitoitus tehdään valmista esimerkkirakennetta hyödyntäen jokaisen suunnitteluohjeen mitoitusmenetelmillä.

Merkittävimmät työssä tarkasteltujen mitoitusohjeiden väliset erot ovat ominaistaajuuden raja-arvoissa ja matalataajuisten lattioiden hyväksyttävyydessä. Yhdessä suunnitteluohjeista huomioidaan hyötykuorman pitkäaikaisosuus eri tavoin, joka johtaa ohjeen mitoituksessa matalampaan laskennalliseen ominaistaajuuteen. Tutkimuksessa selvisi, että liittovaikutuksen huomioiminen taivutusjäykkyydessä voi kasvattaa ominaistaajuutta jopa kaksinkertaiseksi verrattuna tilanteeseen, jossa liittovaikutusta ei huomioida.

This study covers vibration design and vibration design guidelines of timber-concrete composite slab structures in cases of intermediate floors. The study includes a literature review of timber-concrete composite structures and the applicable design guidelines for vibration, design and calculations of the example structure and comparison of the process and results of the calculation of the different design guidelines. The aim was to illustrate the importance of composite action in the design process, to find differences between existing vibration design guidelines and to study the significance of these differences in the result of the design.

The timber-concrete composite slab combines the best properties of both materials, i.e. the low density and good tensile strength of timber as well as the good rigidity and acoustic properties of concrete. The composite structure can achieve up to three times the carrying capacity of a conventional wooden structure. The greatest benefit of a composite structure is achieved when the composite action and its utilization rate are maximized by, for example, using mechanical fasteners.

For residential and office buildings, one of the factors that causes the most vibration is walking, and the vibration measurement of floors in these spaces is done based on this assumption. Based on their vibration properties, the floors can be divided into low and high frequency floors. In the design of high frequency floors, the floor deflection under the step load is checked, and the vibration acceleration amplitude is examined with low frequency floors. The limits for both deflection and acceleration amplitude depend on the vibration class chosen for the structure.

The design guidelines to be compared have been selected according to their suitability for the design of timber-concrete composite structures in Finland. The design instructions’ most important formulas for manual vibration measurement and the conditions for passing the examination are presented. The calculations are done for a ready-made example structure using the dimensioning methods of each design guideline.

The most significant differences between the design guidelines considered in the study are characteristics of the frequency limits and the acceptability of low frequency floors. One of the design instructions considers the long-term share of live load in a different way, which leads to a lower calculated characteristic frequency in the design. The study found that taking composite action into account in bending stiffness can increase the characteristic frequency by up to double compared to a situation where the composite action is ignored.