Betonisen ristikkoliitoksen mitoitus
Mikkola, Aleksi (2026)
2026
Rakennustekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Civil Engineering
Rakennetun ympäristön tiedekunta - Faculty of Built Environment
Hyväksymispäivämäärä
2026-02-09
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202602092381
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202602092381
Tiivistelmä
Betonipilariin liittyvät vinosauvat aiheuttavat epäjatkuvuuskohdan pilarin sisäisille jännityksille, eikä tekninen taivutusteoria ole tällöin voimassa. Liitosalueen raudoituksen ja betonin lujuuden mitoitukseen tarvitaan paikallista rakenneanalyysiä EC2-1-1 kohdan 5.1.1 mukaisesti. Yleispäteviä kaikissa tilanteissa toimivia käsikaavoja ei mitoituksessa ole mahdollista hyödyntää vaan liitosmitoitus on tehtävä tapauskohtaisesti. Tässä diplomityössä perehdytään liitos-alueen mitoitukseen Strut-and-tie-menetelmällä sekä IdeaStatican jännityskenttämalleja hyödyntäen. Lisäksi käytetään lähestymisenä kansainvälisen betoniyhdistyksen fib:n Model Code -opuksissa sekä bulletin 100 -kirjassa esiteltyä lähestymistapaa laskentamallien tarkkuustasoille.
Diplomityö on kaksiosainen. Alun teoriaosuudessa käsitellään ristikkoliitoksia yleistasolla, sivuten ristikkojäykistämistä sekä erilaisia ristikkoliitostyyppejä. Lisäksi käydään läpi lujuusopin ja elementtimenetelmän teoriaa Strut-and-tie-mallinnuksen sekä levymäisen rakenteen FEM-analyysin taustalla. Työn teoriaosuudessa perehdytään myös eurokoodin tarjoamiin raameihin betonirakenteen rakenneanalyysille, betonirakenteiden analyysissä käytettäville materiaalimalleille sekä Strut-and-tie-mallinnukselle. Työn toisessa osuudessa käydään läpi case-esimerkin avulla ristikkoliitoksen liitosalueen mitoitustarkastelu noudattaen fib:n bulletin 100 -kirjaan perustuvaa laskentaprosessia. Laskennassa käydään vaihe vaiheelta läpi Strut-and-tie-mallin luomista ja siihen liittyvät sauva- sekä solmutarkastelut. Työn laskentaliitteissä on esi-telty Peter Martin kehittämä metodi vapaamuotoisten ei-hydrostaattisten solmujen mitoitukseen. Näiden lisäksi esimerkkiakennetta analysoidaan IdeaStatican Concrete detail -ohjelmistolla ja laskentatuloksia verrataan Strut-and-tie-mitoituksen tuloksiin.
Työ pyrkii esittelemään lukijalleen mitoitusprosessin, jonka avulla betonirakenteiden paikal-linen rakenneanalyysi voidaan suorittaa kaikenlaisille pilareiden ristikkoliitoksille. Laskentaprosessi on sovellettavissa muillekin jännitysten epäjatkuvuusalueille. Lisäksi työ pyrkii vastaamaan tarpeeseen tuoda selkeitä laskentaesimerkkejä ristikkomallien haastavammista solmumitoituksista sekä kuormapolkumenetelmän käytöstä ristikkomalleja laadittaessa.
Lopputulemana sekä ristikkomenetelmällä että epälineaarisella analyysillä saatiin hyvin samanlaisia tuloksia case-esimerkin ristikkoliitoksen sisäisistä suurimmista jännityksistä, lisäraudoituksen tarpeesta ja raudoitusgeometriasta. Betonin lujuuden mitoituksessa oli kuitenkin havaittavissa eroja. Laskentaprosessi itsessään todettiin rakennesuunnittelijan näkökulmasta monivaiheiseksi ja aikaa vaativaksi. Lisäksi voitiin todeta, että Strut-and-tie-mallien luomiseen liittyvän vapaamuotoisuuden takia menetelmä ei taivu ainakaan kiireisimpien projektien laskentatyökaluksi kokemattomimpien käsissä. Pitkän kokemuksen omaavan insinöörin työkaluna menetelmä voi kuitenkin olla tehokas
Työtä tehdessä havaittiin tarve ristikkoliitosten staattisille kuormituskokeille. Työn laskennan ollessa monivaiheinen ja perehtymistä vaativa, kuormituskokeet voisivat mahdollistaa käytännön suunnittelutyön kannalta kevyemmän laskentamenettelyn kehittämisen. Ristikkoliitosten ollessa kuitenkin verrattain yleisiä myös betonirakenteisissa rakennuksissa, tulisi myös niiden mitoittamista kehittää. In a cross-braced frame braces cause a discontinuity in the internal stresses of the column they are connected to. Therefore, the local analysis of the structure is necessary according to EC2-1-1 clause 5.1.1 (2). There is no clear calculation or design calculation process for concrete cross-brace joint as there is for steel truss joints. Because of that the dimensioning of concrete joint requires a case-by-case analysis and a lot more work than the steel truss joint design calculations. In this thesis we delve into the dimensioning of the joint using Strut-and-tie method and non-linear analysis with IdeaStatica Concrete detail software. In addition, the thesis references to fib (fédération internationale du béton) “bulletin 100: Design and assessment with strut-and-tie models and stress fields” and applies the calculation process presented in the publication.
This thesis consists of two parts. In the initial theoretical section, basics of cross-bracing of the concrete frame is walk-through considering different cross-bracing methods and different cross-brace joint types. Additionally, in the literature review the theory of strength of the materials and finite element method in the scope of Strut-and-tie method and stress-field analysis are presented. In addition to that the Eurocode point of view for the analysis is considered. In the second part of the thesis, a case study is conducted based on the theoretical part of the thesis. The aim is to present clearly how the Strut-and-tie model for the case structure is created and how the strut, tie and node dimensioning is performed. Peter Marti’s method for non-hydrostatic node dimensioning is used in calculations. Besides Strut-and-tie method calculations case structure is analyzed with IdeaStatica Concrete detail software and calculation results are compared.
The research objective is to present a calculation process which can be used for the local analysis of a concrete structure and therefore for all kind of cross-bracing concrete joint dimensioning. The process is applicable to other structures which include stress discontinuity areas as well. Other objectives for the thesis are presenting a method for more complicated non-hydrostatic node dimensioning and to include the Load Path method in Strut-and-tie model generation.
The result of the study was that applying the calculation process of the fib bulletin 100 simi-lar results were obtained in the scope of the concrete stresses, required reinforcement and reinforcement geometry. However, the results in required concrete strength differed between the Strut-and-tie method and non-linear analysis. After all, can be concluded that the calculation process requires a lot of time from a point of view of a structural engineer. In addition, the Strut-and-tie method requires previous experience of the method from the structural engineer for the method to be used as an effective tool.
As a follow-up research static experimental evaluation of a concrete truss joint should be investigated. As the calculation process presented in this study is time-consuming static load tests of the structure could offer a way to develop a more time effective way to design the joint area. As the cross-bracing is a common way to brace a concrete frame there would be a bene-fit to the industry if the brace joints were researched more.
Diplomityö on kaksiosainen. Alun teoriaosuudessa käsitellään ristikkoliitoksia yleistasolla, sivuten ristikkojäykistämistä sekä erilaisia ristikkoliitostyyppejä. Lisäksi käydään läpi lujuusopin ja elementtimenetelmän teoriaa Strut-and-tie-mallinnuksen sekä levymäisen rakenteen FEM-analyysin taustalla. Työn teoriaosuudessa perehdytään myös eurokoodin tarjoamiin raameihin betonirakenteen rakenneanalyysille, betonirakenteiden analyysissä käytettäville materiaalimalleille sekä Strut-and-tie-mallinnukselle. Työn toisessa osuudessa käydään läpi case-esimerkin avulla ristikkoliitoksen liitosalueen mitoitustarkastelu noudattaen fib:n bulletin 100 -kirjaan perustuvaa laskentaprosessia. Laskennassa käydään vaihe vaiheelta läpi Strut-and-tie-mallin luomista ja siihen liittyvät sauva- sekä solmutarkastelut. Työn laskentaliitteissä on esi-telty Peter Martin kehittämä metodi vapaamuotoisten ei-hydrostaattisten solmujen mitoitukseen. Näiden lisäksi esimerkkiakennetta analysoidaan IdeaStatican Concrete detail -ohjelmistolla ja laskentatuloksia verrataan Strut-and-tie-mitoituksen tuloksiin.
Työ pyrkii esittelemään lukijalleen mitoitusprosessin, jonka avulla betonirakenteiden paikal-linen rakenneanalyysi voidaan suorittaa kaikenlaisille pilareiden ristikkoliitoksille. Laskentaprosessi on sovellettavissa muillekin jännitysten epäjatkuvuusalueille. Lisäksi työ pyrkii vastaamaan tarpeeseen tuoda selkeitä laskentaesimerkkejä ristikkomallien haastavammista solmumitoituksista sekä kuormapolkumenetelmän käytöstä ristikkomalleja laadittaessa.
Lopputulemana sekä ristikkomenetelmällä että epälineaarisella analyysillä saatiin hyvin samanlaisia tuloksia case-esimerkin ristikkoliitoksen sisäisistä suurimmista jännityksistä, lisäraudoituksen tarpeesta ja raudoitusgeometriasta. Betonin lujuuden mitoituksessa oli kuitenkin havaittavissa eroja. Laskentaprosessi itsessään todettiin rakennesuunnittelijan näkökulmasta monivaiheiseksi ja aikaa vaativaksi. Lisäksi voitiin todeta, että Strut-and-tie-mallien luomiseen liittyvän vapaamuotoisuuden takia menetelmä ei taivu ainakaan kiireisimpien projektien laskentatyökaluksi kokemattomimpien käsissä. Pitkän kokemuksen omaavan insinöörin työkaluna menetelmä voi kuitenkin olla tehokas
Työtä tehdessä havaittiin tarve ristikkoliitosten staattisille kuormituskokeille. Työn laskennan ollessa monivaiheinen ja perehtymistä vaativa, kuormituskokeet voisivat mahdollistaa käytännön suunnittelutyön kannalta kevyemmän laskentamenettelyn kehittämisen. Ristikkoliitosten ollessa kuitenkin verrattain yleisiä myös betonirakenteisissa rakennuksissa, tulisi myös niiden mitoittamista kehittää.
This thesis consists of two parts. In the initial theoretical section, basics of cross-bracing of the concrete frame is walk-through considering different cross-bracing methods and different cross-brace joint types. Additionally, in the literature review the theory of strength of the materials and finite element method in the scope of Strut-and-tie method and stress-field analysis are presented. In addition to that the Eurocode point of view for the analysis is considered. In the second part of the thesis, a case study is conducted based on the theoretical part of the thesis. The aim is to present clearly how the Strut-and-tie model for the case structure is created and how the strut, tie and node dimensioning is performed. Peter Marti’s method for non-hydrostatic node dimensioning is used in calculations. Besides Strut-and-tie method calculations case structure is analyzed with IdeaStatica Concrete detail software and calculation results are compared.
The research objective is to present a calculation process which can be used for the local analysis of a concrete structure and therefore for all kind of cross-bracing concrete joint dimensioning. The process is applicable to other structures which include stress discontinuity areas as well. Other objectives for the thesis are presenting a method for more complicated non-hydrostatic node dimensioning and to include the Load Path method in Strut-and-tie model generation.
The result of the study was that applying the calculation process of the fib bulletin 100 simi-lar results were obtained in the scope of the concrete stresses, required reinforcement and reinforcement geometry. However, the results in required concrete strength differed between the Strut-and-tie method and non-linear analysis. After all, can be concluded that the calculation process requires a lot of time from a point of view of a structural engineer. In addition, the Strut-and-tie method requires previous experience of the method from the structural engineer for the method to be used as an effective tool.
As a follow-up research static experimental evaluation of a concrete truss joint should be investigated. As the calculation process presented in this study is time-consuming static load tests of the structure could offer a way to develop a more time effective way to design the joint area. As the cross-bracing is a common way to brace a concrete frame there would be a bene-fit to the industry if the brace joints were researched more.