Olen reilun kymmenvuotisen rakennesuunnittelijan urani aikana saanut olla mukana suunnittelemassa kerrostalokohteita Kuopioon ja ympäri Suomen. Parametrinen suunnittelu on viemässä rakennesuunnittelua uudelle tasolle tulevien vuosien aikana. Tehokkaille suunnittelumenetelmille on tilausta, sillä rakennusalalle on ominaista kiire ja paine saada lähtötiedot nopeasti eri suunnitteluportaille. Rakennesuunnittelua on mahdollista tehostaa ja nykyinen markkinatilanne sitä myös vaatii, koska kilpailu projekteista on ennennäkemättömän kovaa rakentumisen hiipumisen vuoksi.

Betonikerrostalojen laskentamenetelmät

Rakennukseen kohdistuu pystykuormien lisäksi vaakasuuntaista kuormitusta. Rakennus on vakaa, kun jäykistävät seinälinjat, jotka ottavat vastaan vaakavoiman, kuljettavat sen hallitusti alas perustuksiin ja maaperään. Rakennesuunnittelijan vastuulla on osoittaa kerrostalon riittävä jäykkyys ja voimasuureiden hallinta.

FEM-laskentamallit hyödyntävät tietokonelaskentaa ja tehostavat rakennesuunnittelua. Niiden avulla pystytään kokonainen kerrostalo mallintamaan ja analysoimaan kuormien jakautuminen ja siirtyminen perustuksille. Laskentamallien tekeminen yleistyi edellisen opinnäytetyöni työstämisen aikoihin kymmenen vuotta sitten. Rakennesuunnittelijaksi valmistumisen jälkeen perehdyin FEM-laskentaan, jonka avulla tein betonikerrostaloista laskentamalleja. Tämä ei ollut vielä silloin yleistä rutiinia. Nykyään laskentamalleja tehdään lähes liukuhihnalla ja se on vakiintunut tapa suunnitella. Samaan aikaan käsinlaskennan rooli on vähentynyt. Omasta kokemuksesta voin sanoa, että FEM-laskentamallien tekeminen on ruutupaperiin tai Excel-pohjaan verrattuna mukavampi tapa suunnitella.

KUVA 1. Havainnekuva betonikerrostalon FEM-laskentamallista

 

Parametrinen suunnittelu on järkevää. Kun hyödynnämme sen mahdollisuuksia, pyrimme tekemään vain pakolliset asiat kertaalleen ja annamme tietokoneen tehdä puolestamme rutiininomaiset työt. Suunnittelumenetelmien tehostumisen myötä kuitenkin perinteisille suuruusluokkatarkasteluille ja käsinlaskentamenetelmille on noussut tarve. Kokeneet suunnittelijat ovat tottuneet käyttämään näitä, mutta samanlainen tietotaito ei välttämättä kehity FEM-suunnittelijoille.

Opinnäytetyössäni perehdyin betonikerrostalon jäykistyksen peruspiirteisiin, kokosin yhteen näitä esittelevän opetusmateriaalin ja kehitin rakennesuunnittelijoille Excel-laskentapohjan jäykistyksen tarkastelun tueksi. Excel-laskentapohja toimii vertailulaskelmana FEM-laskentamalleille ja on siten betonikerrostalon esisuunnittelussa käytettävä käsinlaskentaan verrattava työkalu.

Perustietoa betonikerrostalon jäykistyksestä

Kerrostalon jäykistyssuunnittelussa perehdytään ensiksi rungon toimintaan ja sitä tarkastellaan määrittelemällä rakennejärjestelmän kantavat ja jäykistävät rakenteet (kuva 2). Jäykistyksen kannalta olennaiset kuormat normaaleissa kohteissa ovat rakenteiden pysyvät kuormat, tuulikuorma, lisävaakavoima ja mahdollinen maanpaine. Geometrian ja peruskuormituksen määrityksen jälkeen voidaan rungon jäykkyyden riittävyys tarkastaa ominaiskuormien ja seinien yhteisjäykkyyden avulla (Elementtisuunnittelu 2010, 6).

KUVA 2. Kerrostalon pohjakaaviosta tunnistetaan jäykistyksen kannalta olennaiset rakenteet

Yksittäisiin seinälinjoihin kohdistuvat vaakavoimat voidaan ratkaista selvittämällä seinälinjan jäykkyys siirtymien kautta (Rakennusteollisuus 1995, 29). Seinän jäykkyyttä kuvataan jousivakiona, eli paljonko seinä siirtyy tietyllä kuormituksella. Lineaarinen jäykkyyslaskenta suoralle seinälle on yksinkertaista, mutta liittymät muihin seiniin, mahdollinen halkeilu sekä aukotukset aiheuttavat moniulotteisuutta jäykistyssuunnitteluun. Jäykistävät seinät pyritään sijoittelemaan symmetrisesti, mutta kun se ei onnistu, määritetään rungolle kiertokeskiö ja lasketaan epäkeskisyydestä aiheutuva momentti (kuva 3). Näillä toimenpiteillä voidaan määrittää seinälinjaan kohdistuva vaakavoima ja ratkaista sisäiset rasitukset.

KUVA 3. Rungon toiminta symmetrisessä ja epäsymmetrisessä tapauksessa

Jäykistyssuunnittelussa oleellisia mitoituskohtia ovat seinän kaatumisvarmuus, seinään kohdistuva leikkausjännitys, normaalivoimamitoitus ja elementtien välisten vaaka- ja pystysaumojen liitokset. Ratkaistujen voimasuureiden avulla voidaan määrittää raudoitustarve, liitoksien vaatimat vaijerilenkit tai harjaterästapit ja arvioida perustuksiin liittyvän vetopultin tarpeellisuutta.

Tuloksien vertailu eri laskentamenetelmien välillä

Opinnäytetyön tuloksissa havaitsin, että käsinlaskennan (Excel-laskentapohja) ja FEM-laskelmien tu-loksissa voi esiintyä suuria eroja (taulukko 1). Erot johtuva siitä, että laskentamenetelmien lähestymis-tavat ovat erilaiset: Excel-laskentapohja huomioi vain tarkasteltavan seinän ja siihen kohdistuvan kuormituksen lineaarisesti, kun FEM-laskentamalli huomioi kaikki rakenteet ja niiden yhteistoiminnan. Rakennesuunnittelija tekee päätökset FEM-laskennassa rakenneosien liittymien välisistä vapautuksista tunnistaen, että niiden merkitys laskentatuloksiin on merkittävä. Vertailun tuloksissa molempien laskentamenetelmien osalta seinälinjaan kohdistuva vaakavoima ja normaalivoima täsmäsivät, mutta kaatava momentti oli FEM-mallissa kuitenkin noin 50 % pienempi. Tätä eroa selittää se, että FEM-laskentamallissa jäykistykseen osallistuvat välipohjat ja seinät siten, että laatat ottavat liitosten kautta vastaan momenttia ja muodostavat kehärakenteen (kuva 4).

TAULUKKO 1. Laskentamenetelmien erot tarkasteltavalla seinälinjalla

KUVA 4. Korostetut muodonmuutokset välipohjille ja seinille FEM-laskentamallissa, jossa välipohja toimii jäykistävänä rakenteena

Käsinlaskenta tuo laskelmiin luotettavuutta

Nykytekniikan ja käytettyjen suunnitteluohjelmien valossa Excel-laskentapohjan kehittäminen ei nopeasti ajateltuna kuulosta kovin tarpeelliselta kehityskohteelta. Kuitenkin FEM-ohjelmien käyttö ei ole välttämättä tehokasta yksinkertaisissa kohteissa. Tästä huolimatta rakennesuunnittelija saattaa valita FEM-laskentamallin tekemisen vain siksi, koska se on hänelle ominainen tai tuttu tapa toimia ja hän kokee sen tehokkaaksi. Rakennesuunnittelijoiden on aiheellista tarkastella omia työtapojaan kriittisesti FEM-ohjelmien käytössä, jossa mahdollisille virheille voi sokeutua. Suuruusluokkatarkastelua tarvitaan, jotta emme anna ohjelmien tehdä kaikkia ratkaisuja, vaan pystymme myös itse antamaan arvioita vaihtoehtoisilla laskentamenetelmillä.

Lähteet:

Elementtisuunnittelu 2010. Jäykistysjärjestelmät. Verkkojulkaisu. Betoniteollisuus ry. https://www.elementtisuunnittelu.fi/Download/22083/J%c3%a4ykistysj%c3%a4rjestelm%c3%a4t.pdf. Viitattu 24.4.2024

Rakennusteollisuus 1995. Betonirakentamisen ohjeista, Valmisosarakentaminen II, Osa G, Elementti-rakennuksen jäykistys. RTT Rakennusteollisuus ry.

Kirjoittaja:

Jukka Laitinen

Savonia-ammattikorkeakoulun ylemmän korkeakoulututkinnon opiskelija

Tuntiopettaja (Savonia-ammattikorkeakoulu), Rakennesuunnittelija (Sweco Finland Oy)

jukka.laitinen@savonia.fi

Työn ohjaaja: Rakennetekniikan yliopettaja, TkT, Arto Puurula