Deformations of wooden structures during their life cycle

Abstract

Wood has been used thousands of years in construction and deformations during its life cycle has been known for a long time. Also, deformations with individual members have been investigated but effects to the complete structure are not really studied. In this thesis focus has been on evaluation of effects of entire systems in addition to deformations in individual members.

This thesis consists of theoretical part and case study part with calculations and analysis of example structure. In theoretical part sources of deformations are presented. Deformations due to moisture changes and loadings are considered in this thesis. General information about those deformations is investigated from presenting literature. In addition to that basic information about typical materials and components in wooden construction is presented from literature.

The main focus of this thesis has still been at the case study that is done for post-and-beam system with glulam members. In the example structure there is also mid-floor structure that is made from LVL-elements. Deformations in columns, beams and LVL-elements are calculated according to different design rules. Effects and possible consequences of these deformations are analysed also with individual members. In addition, behaviour and stiffnesses of connections between members are analysed. These stiffnesses and deformations are used to create FEM-model. With these models stresses and movements of an entire structures are analysed.

Deformations perpendicular to grains are significantly larger than deformations parallel to grains. Due to that problems may occur even with individual components like high beams because those have large dimensions perpendicular to grains. In these cases, problems may occur especially in connections or with joining structures. In direction of the grains individual changes are not that significant. Due to high stiffness of wood in parallel to grains those deformations will still have large forces. Because of that deformations from several members may be accumulated in the structures. This is still depending a lot about stiffnesses of other joining structures and connections.

Puuta on käytetty rakentamisessa tuhansia vuosia ja sen elinkaarenaikaiset muodonmuutokset ovat olleet tiedossa pitkään. Myös yksittäisten puuosien muodonmuutoksia on tutkittu jonkin verran, mutta suurempien kokonaisuuksien tutkiminen on ollut toistaiseksi vähäistä. Tässä työssä pääpaino on ollut yksittäisten rakennusosien muodonmuutosten lisäksi rakenteellisten kokonaisuuksien tarkastelussa.

Työ koostuu teoriaosuudesta sekä esimerkkilaskelmista ja niiden analysoinnista. Teoriaosuudessa on esitelty työssä käsiteltävät syyt muodonmuutoksille. Tässä työssä on käsitelty kosteudesta ja kuormista aiheutuvia muodonmuutoksia. Perustiedot näistä on selvitetty olemassa olevan kirjallisuuden avulla. Lisäksi perustiedot tyypillisimmistä puurakenteissa käytettävistä materiaaleista ja komponenteista on esitetty työn alkupuolella kirjallisuuden avulla.

Työn pääpaino on kuitenkin ollut esimerkki tarkastelussa, joka on tehty liimapuiselle pilaripalkkirungolle. Esimerkki rakenteessa on varsinaisen rungon lisäksi myös LVL-elementeistä tehdyt välipohjat. Pilareissa, palkeissa ja välipohja elementeissä esiintyviä muodonmuutoksia on laskettu erilaisten suunnitteluohjeiden perusteella. Näiden muutosten vaikutuksia ja mahdollisia seurauksia on analysoitu myös yksittäisten rakennusosien osalta. Lisäksi työssä on laskettu ja analysoitu rakennusosien välisten liitosten toimintaa ja jäykkyyksiä. Näiden muodonmuutosten ja liitosjäykkyyksien avulla rakenteesta on tehty FEM-malli, jonka perusteella koko rakenteeseen syntyviä voimia ja siirtymiä on analysoitu.

Muodonmuutokset kohtisuoraan syitä vastaan ovat huomattavasti suurempia, kuin syiden suunnassa. Tästä syystä johtuen ongelmia voi ilmetä jo yksittäisillä rakennusosilla, kuten korkeilla palkeilla, koska niissä on suuret mitat kohtisuorassa syitä vastaan. Tällöin ongelmia voi syntyä varsinkin liitoksiin ja liittyviin rakenteisiin. Syysunnassa yksittäiset muodonmuutokset eivät ole yhtä suuria, mutta puun suuren jäykkyyden takia syysuuntaisilla muodonmuutoksilla on suuri voima. Tämän takia on mahdollista, että muodonmuutokset pääsevät kertautumaan rakenteista, mutta tämä riippuu paljon muiden rakenneosien ja liitosten jäykkyydestä.