Rakennuksen jäykistys
Rakennus tulee jäykistää vaakakuormitusta vastaan. Pääasiallinen vaakakuorma Suomessa on tuulikuorma (joissakin maissa lisäksi maanjäristyksen aiheuttamat vaakakuormat). Mitä korkeampi rakennus on sitä haasteellisempaa sen jäykistäminen on. Lisäksi haasteellisuuteen vaikuttaa rakennuksen runkosyvyys (hoikka rakennus huojuu helpommin). Kun rakennus on yli 2-kerroksinen, alkaa jäykistävien rakennusosien ja näiden välisten liitosten voimat kasvaa huomattavasti. Jäykistyksessä tulee tarkastella myös rakennuksen vaakasuuntaista siirtymää, joka saa olla ylimmän lattiatason kohdalla H / 500 (H = korkeus perustuksesta lattiatasoon).
Usein puurakennuksessa suunnitteluhaasteena on myös rakennuksen ankkurointi kerroksittain ja perustukseen. Tämä johtuu siitä, että puurakennuksessa (myös massiivirungossa) ei useinkaan ole niin paljon omapainoa, jotta ankkurointivoimat (vetovoimat) saataisiin kumottua.
Levyjäykisteinen runko
Levyjäykisteinen runko muodostuu jäykistävistä seinistä ja jäykistävistä vaakarakenteista. Tyypillisesti vaakarakenteet välittävät vaakakuormituksen jäykistäville seinille. Näin syntyvä jäykistävän seinän vaakakuormituksen suuruus on riippuvainen jäykistävän seinän mekaanisesta toiminnasta.
Mikäli jäykistävä vaakarakenne on koko rakennuksen alueella oleva äärimmäisen jäykkä rakennusosa, jakautuvat voimat seinien jäykkyyksien suhteessa vaakarakenteeseen muodostuva ”kiertokeskiön” kautta. Betonirungossa tavallisesti ajatellaan näin, koska vaakarakenne on yhtenäinen koko rakennuksen alueella ja betonirakenteet ovat hyvin jäykkiä.
Puurakenteiset vaakarakenteet ovat ”joustavia”, johtuen materiaaliominaisuuksista ja liitoksissa käytettävistä mekaanisista puikkoliittimistä (jäykistävät levyt ja elementtien saumat). Tämän lisäksi ääni- ja värähtelyteknisistä syistä vaakarakenne joudutaan tavallisesti katkaisemaan esimerkiksi huoneistojen välillä, joten yhtenäistä koko rakennuksen alueella olevaa vaakarakennetta ei ole tällöin olemassa. Tällaisessa joustavassa rungossa vaakarakenne jakaa kuormituksen jäykistäville seinille seinien kuormitusleveyteen perustuen.
Levyjäykisteisten rankaseinien vaakasuuntainen siirtymä on suuri suhteessa seinän leikkauskestävyyteen. Tämä rajoittaa osaltaan rakennuksen kerromäärää vaakasiirtymän raja-arvon kautta.
Rankarakenteisen seinän jäykistystekniseen suunnitteluun löytyy mitoitusohjelma osoitteesta www.puuinfo.fi/mitoitusohjelmat
Jäykistys betonirakenteilla
Betonirakenteisia pystyrakenteita, kuten porrastorneja voidaan käyttää myös puurunkoisen rakennuksen jäykistämiseen. Tällöin rakennus tulee suunnitella betonirakenteisten pystyjäykisteiden ympärille siten, että välipohjat voidaan kiinnittää niihin.
Kyseinen jäykistystapa sopii erityisesti sellaisiin puurunkoihin, joissa vaakarakenteet voivat ääni- ja värähtelyteknisesti olla jatkuvia koko rakennuksen alueella. Vaikka vaakarakenteet jouduttaisiin katsaisemaan tilojen välillä, voidaan kyseistä jäykistystapaa käyttää. Tämä edellyttää kuitenkin tilojen suunnittelua betonirakenteisten pystyjäykisteiden ympärille siten, että välipohjat pystyvät välittämään vaakakuormat niille.
Betonirakenteisia pystyjäykisteitä käytettäessä tulee kiinnittää huomiota kerrosten pystysuuntaiseen muodonmuutokseen ajan kuluessa. Riippuen puurungon liittymien detaljiikasta, voi puurungossa tapahtua huomattavasti suurempi pystysuuntainen muodonmuutos kuin betonirakenteisessa pystyjäykisteessä. Mitä enemmän kerroksia on sitä enemmän pystysuuntainen muodonmuutos korostuu.
Levyjäykisteinen rankaseinä
Levyjäykisteisessä rankaseinässä levytys vastaanottaa leikkausvoiman (Q), joka levytykselle aiheutuu seinän yläpinnassa vaikuttavasta vaakavoimasta Fd. Vaakavoiman aiheuttama momentti (M) vastaanotetaan jäykisteen päissä olevilla rangoilla
Yksittäiset levyt tulee kiinnittää kaikilta reunoiltaan, jolloin levyn jäykistyskapasiteetti saadaan mahdollisimman suureksi. Levyt tulee kiinnittää kaikkiin rankoihin, koska levyt toimivat usein myös rankojen heikomman suunnan nurjahdustukena. Levyn jäykistyskapasiteetin suuruuteen voidaan vaikuttaa myös sillä, kuinka levy kiinnitetään levyn keskialueella oleviin rankoihin. Levy tulee kiinnittää sen keskialueella oleviin rankoihin myös levyn lommahduksen estämiseksi. Seinärungon molemmilla puolilla olevat levyt voidaan huomioida jäykistäviksi. Mikäli levyt ovat ominaisuuksiltaan erilaisia, jaetaan leikkausvoima levyille näiden jäykkyyksien suhteessa.
Ulkoisen voiman (Fd) aiheuttama leikkausvoima (Q) jakautuu jäykistäville levyille näiden jäykkyyksien suhteessa. Viereisen kuvan tapauksessa voiman Fd jautumiseen jäykisteelle 1 ja 2 vaikuttaa myös jäykisteiden välissä olevan rakenteen jäykkyys.
Aukkoja sisältävässä jäykistävässä rankaseinässä, joudutaan viereisen kuvan periaatteella jakamaan levytys yksittäisiksi jäykisteiksi (jäykiste 1, 2…jne). Tämä johtuu siitä, että yksittäisistä levyistä ja rangoista muodostettua jäykistävää seinää ei saada aukon kohdalta lujuus- ja jäykkyysteknisesti sellaiseksi, että se voisi toimia yhtenä jäykistävänä kokonaisuutena.
Rankaseinän jäykisteet tulee ankkuroida alapuolella olevaan jäykistävään rakenteeseen, mikäli seinän päällä oleva omapaino (laskentakuorma, varmuuskerroin 0,9) ei kumoa ankkurointivoimaa. Puurunkoisissa rakennuksissa on hyvin harvinaista, että ankkuroinnilta vältyttäisiin. Jäykisteet tulee myös kiinnittää alapuolella olevaan jäykistävään rakenteeseen jäykisteessä vaikuttavalle leikkausvoimalle, joka syntyy ulkoisesta voimasta Fd.
Levyjäykisteisessä seinässä yksittäiset jäykistävät levyt kiinnitetään yleensä mekaanisesti puikkoliittimillä (naulat, ruuvit) rankoihin. Tällaisen liitoksen leikkausvoimakestävyys on hyvin rajallinen, joten se on usein jäykistyskapasiteetin mitoittava tekijä. Tällaisen liitoksen siirtymä on myös melko suuri, joten levytyksen liittimien siirtymä aiheuttaa suurimman osan jäykistävän seinän vaakasiirtymästä.
Levyjäykisteinen palkkirakenteinen vaakarakenne
Yksittäisten levyjen avulla toteutettu levyjäykisteinen vaakarakenne toimii samoilla periaatteilla kuin levyjäykisteinen rankaseinä. Levytys vastaan ottaa leikkausvoiman (Q) ja vaakarakenteen reunoissa olevat paarteet vastaanottavat momentin (M).
Suurin ero vaakarakenteen jäykistävien levyjen mitoittamisessa verrattuna seinään on levyjen kiinnitystapa. Vaakarakenteessa levyt ovat usein pontillisia ja ne kiinnitetään palkistoon. Tästä on seurauksena, että yksittäistä levyä ei tällöin kiinnitetä kaikilta reunoiltaan (ks. viereinen kuva), jolloin levyn jäykistyskapasiteetti ja leikkausjäykkyys ovat huomattavasti alhaisempia verrattuna kaikilta reunoiltaan kiinnitettyyn levyyn.
Edellä esitetyt periaatteet ovat voimassa myös levyjäykisteisissä palkki rakenteisissa elementeissä. Elementtien saumoissa leikkausvoima vastaanotetaan ruuviliitoksella. Mikäli elementtien saumassa tarvitaan suurempaa lujuutta ja jäykkyyttä suositellaan käytettäväksi vinoruuviliitosta.
Tapauksessa, jossa palkkirakenteisten elementtien kansilevyt ovat koko elementin kokoisia yhtenäisiä levyjä (esim. LVL-levy), käsitellään tällaisia elementtejä massiivipuulevyjen periaatteilla.
