Betonirunkojärjestelmät maanjäristyssuunnittelussa ja konseptisuunnittelussa

Abstract

Maanjäristyssuunnittelu on keskeinen osa rakenteiden suunnittelua seismisillä alueilla, koska sen tavoitteena on varmistaa rakennuksen riittävä turvallisuus, käyttökelpoisuus ja vaurioiden hallinta maanjäristystilanteessa. Maanjäristyssuunnittelussa rakenteen dynaaminen käyttäytyminen korostuu, minkä vuoksi erityisesti konseptisuunnitteluvaiheella ja runkojärjestelmän valinnalla on suuri merkitys. Nämä ratkaisut vaikuttavat olennaisesti rakennuksen ominaisuuksiin, kuten jäykkyyteen ja massaan, voimiin sekä muodonmuutoksiin. Maanjäristyksen dynaamiset perusperiaatteet ovat maailmanlaajuisesti samankaltaisia, vaikka standardit ja niiden vaatimukset vaihtelevat. Työ käsittelee betonirunkojärjestelmien käyttäytymistä maanjäristystilanteessa. Työssä tavoitteena on selvittää, miten erilaiset runkojärjestelmät käyttäytyvät ja vaikuttavat maanjäristysvoimien suuruuteen sekä miten maanjäristyksen aiheuttamat voimat vertautuvat tuulen aiheuttamiin voimiin. Tavoitteena on myös selvittää, millä tavoin konseptisuunnittelun ratkaisut vaikuttavat maanjäristysvoimiin ja runkojärjestelmien käyttäytymiseen. Työssä tarkastellaan, millainen runkojärjestelmä olisi hyvä ratkaisu eri tilanteissa ja miten eri tekijät vaikuttavat runkojärjestelmien käyttäytymiseen ja valintaan. Lisäksi työssä vertaillaan pääasiassa Eurokoodin SFS-EN 1998-1 (2005), IS 1893 (2016)- ja ASCE/SEI 7 (2022) -standardien vaatimusten eroja ja miten erot vaikuttavat maanjäristyssuunnitteluun ja runkojärjestelmien käyttäytymiseen. Työ koostuu kirjallisesta ja laskennallisesta osuudesta. Kirjallisuuskatsaus käsittelee seismisen suunnittelun perusperiaatteita ja eri betonirunkojärjestelmien maanjäristyssuunnittelua. Laskennallinen osuus tehdään ETABS Ultimate 23.1.1-ohjelmalla käyttäen vastespektrimenetelmää. Tuloksissa vertaillaan 10- ja 30-kerroksisen levyjäykisteisen runkojärjestelmän, momenttikehän ja yhdistetyn runkojärjestelmän toimintaa kiihtyvyydellä 0,15 g sekä säännöllisen että epäsäännöllisen ratkaisun tapauksessa. Kiihtyvyys 0,15 g vastaa kohtalaista seismisyyden tasoa. Säännöllistä rakennusta vertaillaan kolmella eri standardilla ja epäsäännöllistä eurokoodin mukaisesti. Tulokset osoittavat, että rakennuksen dynaamiseen käyttäytymiseen vaikuttavat erityisesti rakennuksen massa, jäykkyys ja korkeus. Levyjäykisteinen runkojärjestelmä tuottaa suurimpia perustustason leikkausvoimia, mutta pienimpiä siirtymiä, kun taas momenttikehällä perustustason leikkausvoimat ovat pienempiä ja siirtymät suurempia. Yhdistetty runkojärjestelmä sijoittuu näiden väliin ja osoittautuu useimmiten tasapainoisimmaksi ratkaisuksi. Kiihtyvyydellä 0,15 g maanjäristyksen aiheuttamat voimat muodostuvat suuremmiksi kuin tuulen aiheuttamat voimat. Konseptisuunnittelulla on suuri merkitys rakennuksen toimintaan. Esimerkiksi massan ja jäykkyyden tasainen jakautuminen, symmetria ja yksinkertainen pohjaratkaisu parantavat rakenteen toimintaa. Tärkeää on huomioida rakennuksen jäykkyys taivutuksen ja väännön suhteen. Tulosten perusteella epäsäännöllisyyden vaikutukset näkyvät enemmän erityisesti vääntömomenteissa, siirtymissä sekä ominaismuodon liikkeen ja massan osallistumiskertoimen jakautumisessa eri suuntaisille liikkeille kuin perustustason leikkausvoimien suuruudessa. Standardien vertailussa havaitaan, että muun muassa vastespektrin määrittelyssä, sitkeysvaatimuksissa, analyysin toteutustavoissa ja raja-arvoissa on eroja. Nämä vaikuttavat runkojärjestelmien arviointiin ja soveltuvuuteen. Kokonaisuutena hyvän pohjaratkaisun omaava yhdistetty runkojärjestelmä antaa usein parhaimmat tulokset voimien, siirtymien ja arkkitehtonisten ratkaisujen tasapainoisuuden ansiosta sekä täyttää paremmin eri standardien vaatimat raja-arvot kuin momenttikehä. Levyjäykisteinen runkojärjestelmä soveltuu parhaiten korkeisiin rakennuksiin, jotka eivät vaadi arkkitehtonisesti joustavaa ratkaisua. Momenttikehä soveltuu parhaiten matalampiin rakennuksiin.