CLT-rakenteiden mitoittaminen ja käyttö P2-paloluokan hoivarakennuksessa

Abstract

Tämän diplomityön tavoitteena on tutkia CLT-rakenteiden ja niiden välisten liitosten mitoitusmenetelmiä sekä arvioida niiden soveltuvuutta käytännön suunnittelutyöhön. Lisäksi työssä tutkitaan, voidaanko mallikohteena käytetyn kaksikerroksisen betonirakenteisen palvelutalon kantavat rakenteet korvata CLT-rakenteilla. Lopputuloksena voidaan tuottaa CLT-rakenteisen palvelutalon valmiit rakennesuunnitelmat.

Työn teoriaosuudessa käydään läpi CLT-rakenteiden mitoittamisen menetelmiä sekä niiden eroavaisuuksia. Taivutetun CLT-rakenteen laskentamenetelmistä käydään läpi Eurokoodi 5:een perustuva Gamma-menetelmä sekä leikkausanalogia. Tasoa vastaan kohtisuoran sekä tason suuntaisen leikkausjännityksen kuormittavia rakenteita tutkitaan puolestaan eri mitoitustilanteiden ja murtomekanismien kautta. Rakennetta puristavien voimien kuormittamat rakenteet sekä puristukseen liittyvät stabiliteetti-ilmiöt nurjahdus ja kiepahdus käydään myös läpi. CLT-rakenteisen välipohjan värähtelymitoitukseen käytettäviä menetelmiä esitetään kolme, jotka ovat Suomen kansallisen liitteen menetelmä, Wallner-Novak et al. -menetelmä sekä Canadian CLT Handbookin menetelmä.

Työssä käydään myös läpi, miten CLT käyttäytyy palotilanteessa sekä esitetään palomitoituksessa käytettävät hiiltymisnopeudet, poikkileikkausarvot ja poikkileikkaukset. Lisäksi selvitetään, mitä teknisiä vaatimuksia Suomen rakennuslainsäädäntö asettaa paloturvallisuuden, ääneneristävyyden ja energiatehokkuuden suhteen CLT-rakenteille P2-paloluokassa.

Mallikohteeseen sovellettujen CLT-rakenteiden mitoittaminen on suoritettu teoriaosuuden menetelmiä noudattaen. CLT-rakenteiden ääneneristävyyden ja U-arvon teoriaa ei työssä käsitelty, joten rakenteiden määrittämisessä käytettiin apuna Stora Enson Calculatis -ohjelmistoa ääneneristävyyden suhteen sekä Laskentapalvelut.fi -sivuston laskentaohjelmistoa U-arvon suhteen.

Teorian pohjalta suoritettujen rakennelaskelmien tulosten perusteella voidaan todeta, että tulosten tarkkuuden puolesta sekä Gamma-menetelmä että leikkausanalogia soveltuvat CLT-rakenteiden laskemiseen, kun kyseessä on taivutuskestävyyden tai taipuman laskenta. Nurjahduksen laskennassa sen sijaan eroa menetelmillä saatujen tulosten välille saatiin huomattavasti, yli 12 %.

Värähtelymitoitusmenetelmien välillä havaittiin niin ikään merkittäviä eroja. Mallikohteen välipohjarakenteen värähtelymitoituksen tulosten välillä oli eroa jopa yli 13 %. Laskelmat suoritettiin vain yhdelle rakenteelle, joten kyseistä tulosta ei tule kuitenkaan yleistää. Menetelmien teoreettisten ja tulosten eroavaisuuksien perusteella värähtelymitoitusmenetelmät vaativat jatkotutkimusta.

Tehtyjen rakennelaskelmien perusteella voidaan todeta, että betonirakenteisen mallikohteen toteuttaminen CLT-rakenteilla on haastavaa ilman muutoksia vaakarakenteiden jänneväleihin. Erityisesti CLT-rakenteisen välipohjan värähtelyominaisuudet eivät ole riittävät verrattuna betonirakenteeseen. Pienillä muutoksilla vaakarakenteiden jänneväleihin päästään kuitenkin kohtuullisiin CLT-rakenneratkaisuihin.

The objective of this master’s thesis is to familiarize with design methods of CLT structures and their connecting joints, and to consider their applicability in practical design. In addition, replacing concrete structures of a real-life two storey nursing home with CLT structures, is discussed. Finally, a nursing home is completely designed with CLT structures.

The theoretical part of this thesis is about design methods of CLT structures and the differences between them. Presented calculation methods for CLT structures under bending load are the Eurocode 5 based Gamma method and shear analogy. Structures with either in-plane or out-of-plate shear stresses are considered by different design aspects and failure mechanisms. Structures under compressive axial load and related phenomena buckling and lateral torsional buckling are also examined. Also three vibration design methods for CLT floor structures are presented which are the Finnish National Annex method, the Wallner-Novak et al. method and the Canadian CLT Handbook method.

Fire performance of CLT is assessed through applied charring rates, cross-sectional values and cross-sections in fire design. The technical demands of new buildings set by Finnish building codes are also examined. Demands included in this thesis are fire safety, sound insulation and energy efficiency aspects for CLT structures used in P2 fire class nursing home.

The design and calculations for the applied CLT structures are performed according to the methods presented in the theoretical part of this thesis. The theories of sound insulation and energy efficiency of CLT structures were not discussed, so the sound insulation calculations are performed using Stora Enso’s Calculatis software and the energy efficiency calculations using Laskentapalvelut.fi software respectively.

Based on the results of performed calculations it is safe to assume that both, the Gamma-method and the shear analogy, are well fit for the design of CLT structures under bending load and verifications of deflections. However, the difference between the two methods was over 12 % regarding buckling of CLT members.

Differences between the three vibration verification methods were substantial aswell. The results of the calculated CLT floor structure varied considerably, as much as 13 %. The calculations were performed for a single structure only so the results should not be generalized. However, considering major differencies between the theories of each method, further research on the matter is recommended.

Replacing concrete structures with CLT structures was found out to be challenging without reductions in floor spans. Especially the vibration performance of CLT floor structure was not sufficient enough compared to the concrete structure. With slight modifications to the floor spans, CLT structures were found out to be able to replace concrete structures reasonably.