Puurankaelementtien käyttö pilarirunkoisessa rakennuksessa

Abstract

Puurunkoisille ulkoseinäelementeille ei ole vielä määritetty valmiita ja toimivia rakenne- ja liitosratkaisuja pilarirunkoisissa rakennuksissa. Työn tavoitteena oli selvittää, millaiset vaakasuuntaisesti asennettavien elementtien puusauvat soveltuvat parhaiten lämpimien rakennusten tuulikuormia ja omapainoaan kantaviin ulkoseiniin. Näistä käytetään työssä nimityksiä palkki ja ranka. Lisäksi päämääränä oli hakea ja suunnitella käyttökelpoiset liitososat elementtien liittämiseksi teräs-, liimapuu- ja betonipilareihin. Tutkimus rajattiin pohjaltaan suorakaiteen muotoisiin, enintään 15 m korkeisiin rakennuksiin. Elementtien kokonaispituuden enimmäisarvona käytettiin 12,5 m ja korkeutena 4,5 m sekä jatkuvuutta tarkasteltiin yksi- tai kaksiaukkoisena tasaisilla jänneväleillä.

Tutkimus toteutettiin kirjallisuusselvityksenä ja laskennallisina tarkasteluina. Taustaselvityksessä käsiteltiin puurankaelementtien osia, kuormituksia, sauva- ja levyrakenteiden analysointia ja mitoitusta sekä poikittaisjäykistystä ja liitosten toimintaa. Aineistona käytettiin tekniikan alan kirjallisuutta ja standardeja. Laskennallisessa osuudessa sauvoille, levyille ja liitoksille tehtiin lujuuslaskelmat käsinlaskennan ja numeerisen elementtimenetelmän avulla. Tulosten perusteella laadittiin valintakuvaajat ja -taulukot sekä niiden tulkintaa helpottavat havainnepiirrokset toimeksiantajan suunnittelun tueksi.

Elementin runkorakenteet ja jäykistävät rakennuslevyt kykenevät toimimaan yhdessä mainittuja kuormia kantavina rakenneosina työssä tarkastelluilla mitoilla. Edellytyksenä on, että poikkileikkaukset ja materiaalit vastaavat lähtöoletuksia. Palkit on aiheellista valmistaa lujuusluokan LVL 48 P -viilupuusta, mutta rankoina voidaan käyttää C24-sahatavaraa. Palkkien leveytenä on suotavaa käyttää vähintään 51 mm, jotta liitokset teräspilareihin voidaan toteuttaa palkkien syrjäpintoihin kiinnitettävien liittimien avulla. Niiden sallittua jänneväliä ohjaavat suurelta osin käyttökelpoisuusvaatimukset. Rankojen poikittaistuentaan käytettävissä koolauksissa on edullista hyödyntää halkaisijaltaan enintään 2,8 mm nauloja, jotta 42 mm leveä poikkileikkaus riittää stabiloivien voimien välittämiseen. Liitosten ohella rankojen mitoitusta ohjaavat kestävyysvaatimukset, minkä vuoksi ne on jäykistettävä sekä ulko- että sisäpinnalta. Lämpöteknisten tarkastelujen perusteella lämmönläpäisykertoimen vertailuarvo saavutetaan yleisesti käytetyillä rakennetyypeillä ilman erityistoimenpiteitä, kun runkosyvyytenä käytetään vähintään 200 mm.

Kaikkiin tarkasteltuihin pilarimateriaaleihin voidaan toteuttaa liitokset materiaalikohtaisilla liitososilla. Pilariliitoksissa käytetään teräslevyjä ja ruuviliittimiä, mutta betonipilarin yhteydessä tarvitaan lisäksi apurunko, joka kiinnitetään betoniruuveilla. Rakennuksen kantavan rungon jäykistäminen työssä suunnitelluilla elementeillä ei osoittautunut mahdolliseksi erityisesti liitosten heikon leikkauskestävyyden sekä pilarien kiepahtavan reunan epäkeskisyyden vuoksi. Mikäli kohteen mitoitusoletukset poikkeavat työssä käytetyistä, edellytetään erillistä tapauskohtaista suunnittelua. Jatkotoimenpiteinä tulisi kehittää elementeille edistyneempiä mutta edelleen yksinkertaisia liitosratkaisuja. Lisäksi on tarpeen tutkia, millaisilla liitoksilla pilarien stabiilius voitaisiin hallita ilman, että rakenneratkaisut kasvavat suuriksi tai monimutkaisiksi.

Functional structural and connection solutions for prefabricated timber stud wall panels in column-frame buildings have not yet been established. The aim of this thesis was to determine which timber members are best suited for horizontally installed timber stud wall panels used as external walls in heated buildings, where the panels resist wind actions and carry their own self-weight. In this thesis, these members are referred to as beams and studs. In addition, the objective was to identify and design practical connection components for attaching the panels to steel, glulam and concrete columns. The study was limited to buildings with a rectangular plan and a maximum height of 15 m. The panels were limited to an overall length of 12.5 m and a height of 4.5 m, and structural continuity was examined for single- and two-span panels with equal spans.

The study was carried out as a literature review and calculation-based analyses covering the components, loads, analysis and design of members and plate structures, lateral bracing, and the behavior of connections in timber stud wall panels. The source material consisted of technical literature and standards. Strength calculations were performed for members, structural sheathing boards and connections using hand calculations and the numerical finite element method. Based on the results, selection charts, tables and illustrative drawings were prepared to support the client’s design work.

The panel frame members and structural sheathing boards can act together as load-carrying components under the loads and within the dimensions examined in this thesis. This requires that the cross-sections and materials correspond to the initial assumptions. The beams should be made of laminated veneer lumber of strength class LVL 48 P, whereas C24 sawn timber can be used for the studs. A minimum beam width of 51 mm is recommended so that connections to steel columns can be made using fasteners installed on the beam edge faces. Their allowable span is largely governed by serviceability requirements. For the lateral bracing battens of the studs, nails with a diameter of no more than 2.8 mm are advantageous, so that the 42 mm wide cross-section can transfer the stabilizing forces. In addition to connections, stud design is governed by strength requirements, so the studs must be braced on both the exterior and interior sides. Based on the thermal analyses, the reference value for the thermal transmittance coefficient is achieved with common wall assemblies when the frame depth is at least 200 mm.

Connections to all column materials considered can be implemented using material-specific connection components. Steel plates and screw fasteners are used in the column connections, while concrete columns additionally require a subframe fastened to the column with screw anchors. Bracing the load-bearing frame of the building with the panels designed in this thesis was not found to be feasible, particularly because of the low shear resistance of the connections and the eccentric location of the edge requiring lateral-torsional restraint in the columns. If the design assumptions of a specific project differ from those used in this thesis, separate case-specific design is required. Further work should focus on more advanced but still simple panel connection solutions and on controlling column stability without large or complex structural solutions.