Jatkuvan sortuman estäminen massiivipuulevyrakenteisessa tilaelementtikohteessa

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Ask about the availability of the thesis by sending email to the Aalto University Learning Centre oppimiskeskus@aalto.fi
Date
2015-10-19
Department
Major/Subject
Rakennetekniikka
Mcode
R3001
Degree programme
Rakenne- ja rakennustuotantotekniikan koulutusohjelma
Language
fi
Pages
108 + 12
Series
Abstract
Tämä diplomityö käsittelee jatkuvaa sortumaa tilaelementtirakenteisessa ristiinlaminoidussa liimapuu (engl. cross laminated timber, CLT) kerrostalokohteessa. Jatkuva sortuma on vakava onnettomuus, missä rakennuksen osa tai koko rakennus sortuu tukirakenteen paikallisen vaurion vuoksi. Jatkuvaa sortumaa voidaan estää lisäämällä tukirakenteiden vaurionsietokykyä tai ehkäisemällä vaurion laajeneminen vaihtoehtoisilla kuormansiirtoreiteillä. Ristiinlaminoitu liimapuu on verrattain uusi rakennusmateriaali, joka kantaa kahteen suuntaan vähentäen puun ortotrooppisuutta. Useita CLT-kohteita on rakennettu viime vuosina tilaelementtitekniikalla. Jatkuvaa sortumaa ei ole kuitenkaan aiemmin tutkittu CLT tilaelementtirakennuksissa. Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia CLT tilaelementtikohteen herkkyyttä jatkuvalle sortumalle. Jatkuvaa sortumaa tutkittiin poistamalla vuorollaan valikoituja tukirakenteita. Poisto-tapahtumista saatiin arvio rakenneosien kriittisyydestä rakennuksen rungolle. Laskennassa käytettiin tilaelementtikohtaisia FEM (engl. finite element methods) malleja. Käytetty ohjelma oli Dlubal RFEM5.04 . CLT paneelit mallinnettiin RF-Laminate lisäosalla, joka hyödyntää laskennassa laminaattiteorian mukaista kerroksellista numeerista laattaelementtiä. Todellisuu-dessa kantavan rakenteen poistotapahtuma on dynaaminen ilmiö, jonka vuoksi työssä tutkittiin myös dynaamista vahvistusta poistotilanteissa. Dynaamisia vaikutuksia tutkittiin RF-Dynam lisäosalla poistamalla kantava CLT-seinä eri ajanjaksoilla sekä vaimennetulla että vaimentamattomalla systeemillä. Lisäksi RFEM-ohjelmalla tarkasteltiin kantavan CLT-seinän vaurionsietokykyä Eurokoodin EN 1991-1-7 Suomen kansallisen liitteen mukaiselle onnettomuus-kuormalle. Johtopäätöksenä voidaan todeta, että CLT-tilaelementtikohde oli suhteellisen turvallinen ratkaisu jatkuvan sortuman varalta. Perinteisessä tilaelementtiratkaisussa välipohjat sekä toistensa päällä olevat seinät voivat jakaa uudelleen kuormia, eli toimivat vaihtoehtoisina kuormankantoreitteinä. Joidenkin rakenneosien, kuten ulokkeellisten tilaelementtien poisto aiheutti kuitenkin jatkuvan sortuman vaaraa ja suuret aukot vaihtoehtoisten kuormareittien varrella kasvattivat sortumisen riskiä. Yleisin CLT-seinäkoko C3s 100 mm kestää myös Suomen kansallisen liitteen mukaisen 50 kN:in onnettomuuskuorman. Dynaamisia vaikutuksia havaittiin kun kantava seinä poistettiin alle sekunnissa. Dynaaminen vahvistus oli merkittävin pienimmällä tutkitulla aikavälillä (0,01 s); 1,56 vaimennetulle ja 1,58 vaimentamattomalle systeemille. Dynaamiset vaikutukset olivat huomattavat (>10%) kun seinän poisto tapahtui alle 0,2 sekunnissa, jolloin vaimennuksella ei ollut käytännön merkitystä. Työn tutkimusten mukaan dynaamiset vaikutukset tulisi siis huomioida tilanteissa, joissa poistotapahtuma on nopea, kuten törmäyksissä tai räjähdyksissä.

This Master´s thesis studies progressive collapse in multi-storey building made of cross-laminated timber (CLT) volume elements. Progressive collapse is a serious accident, in which part(s) or the whole building collapse due to local failure of supporting structure. Progressive collapse is most efficiently prevented either by increasing the resistance of the supporting structures, or by restraining the spreading of the failure by providing alternative load paths. Cross-laminated timber is a novel type of building material that carries loads in two directions, thus reducing ortotrophicity of timber. Recently, several CLT buildings have been implemented using volume elements. However, progressive collapse has not been studied in CLT volume element buildings before. The purpose of this Master´s Thesis was to research liability of the CLT volume element frame towards progressive collapse. The research question was studied by separately removing specific supporting structures and evaluating the effects of the removal for the building frame. The analysis was conducted by means of volume element FEM models. The software used in FEM analysis was Dlubal RFEM 5.04. and the CLT panels were modelled with RF-Laminate add-on, which utilizes layered numerical plate elements according to laminate theory. In reality, the removal of a supporting structure is a dynamic phenomenon and therefore, also dynamic amplification of the process was studied. Dynamic effects were examined with RF-Dynam add-on by removing supporting wall in different time intervals, for both damped and undamped systems. Resistance of the supporting CLT walls was also researched for the accidental loads ac-cording to Finnish National Annex of the Eurocode EN 1991-1-7 with RFEM. It can be concluded that the volume element building frame is relatively reliable concerning progressive collapse. In the conventional volume element solution, in which the walls are placed on top of each other, the elements can redistribute loads, thus enabling alternative load paths. Load redistribution is based on the upper walls and diaphragms functioning as substitutive structures. However, removal of certain special structures, such as cantilever elements or large openings in the alternative load paths, could be critical. The most general CLT wall, C3s 100 mm, withstands the accidental load of 50 kN determined in the Finnish National Annex of the Eurocode EN 1991-1-7 Dynamic effects were observed when the supporting wall was removed in less than one second. Dynamic amplification was the most significant for the shortest time interval studied (0.01 s); 1.56 and 1.58 for the damped and undamped systems, respectively. Dynamic effects were con-siderable (> 10 %) when the removal time was less than 0.2 seconds. In this case, damping had no practical relevance. According to the analysis, the dynamic effects should be taken into con-sideration if the removal time is rapid e.g. impacts and explosions.
Description
Supervisor
Puttonen, Jari
Thesis advisor
Aalto, Jari-Tapio
Keywords
ristiinlaminoitu liimapuu, tilaelementti, jatkuva sortuma, dynaaminen vahvistus
Other note
Citation