Uumarei’itetty teräsranka ulkoseinän kantavana rakenteena
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
Author
Date
2015-02-23
Department
Major/Subject
Rakennetekniikka
Mcode
R3001
Degree programme
Rakenne- ja rakennustuotantotekniikan koulutusohjelma
Language
fi
Pages
74+7
Series
Abstract
Kiristyvät uudisrakennusten energiatehokkuusvaatimukset johtavat ulkoseinärakenteiden lämmöneristävyyden lisäämiseen ja kannustavat osaltaan uusien materiaalien sekä rakennetyyppien käyttöön ulkoseinärakenteissa. Merkittävänä esteenä kylmämuovattujen teräsrankojen käytölle ulkoseinärakenteissa pohjoismaisissa, kylmissä sääolosuhteissa on ollut teräksen suuri lämmönjohtavuus, joka voi aiheuttaa lämpöhäviön lisäksi myös kosteuden haitallisen kondensoitumisen seinärakenteeseen. Yhtenä ratkaisuna näihin ongelmiin on yleistynyt uumarei’itetyn teräsrangan, eli ns. termorangan käyttö. Termorangan toiminta perustuu teräsrangan uumaan sijoitettuihin reikiin, jotka heikentävät lämmön johtumista rangan kautta seinärakenteen läpi. Reikien ansiosta teräsrankaseinän lämmöneristävyys voidaan saada samalle tasolle vastaavan rakennepaksuuden omaavan puurankaseinän kanssa. Kylmämuovatun teräsrangan avoin poikkileikkaus muodostuu taso-osista joiden ainevahvuus on usein pieni suhteessa niiden leveyteen. Tällaiset profiilit ovat kuormitettuina herkkiä paikallisille epästabiiliusilmiöille. Etenkin vinoutumisnurjahdus (distortional buckling) eli laipan jäykisteen nurjahdus on useille teräsrankaprofiileille tyypillinen ja vaikeasti ennustettava epästabiiliusilmiö johon vaikuttaa poikkileikkauksen geometrian lisäksi rangan tuenta, ainevahvuus, kuormitus ja pituus. Kylmämuovattujen terässauvojen ja levyjen suunnittelussa noudatettavassa eurokoodi 3:ssa ei esitetä uumarei’ityksen vaikutuksia huomioivia ohjeita termorankojen kestävyyden määrittämiseksi, joten osana tätä lopputyötä päätettiin soveltaa kokeellista mitoitusta. Työhön sisältyy valituille seinärakenteille Aalto-yliopiston rakennetekniikan koehallissa suoritettuja puristus- ja taivutuskokeita niiden kuormituskapasiteettien ja murtumatapojen määrittämiseksi. Täyden mittakaavan kokeita varten valmistettiin tutkittavia termorankatyyppejä käyttäen molemmin puolin kipsilevytettyjä seinäelementtejä, jotta rankojen rakenteellista toimintaa voitiin tutkia osana todellista, levytettyä seinärakennetta. Seinäelementeille suoritetuissa nurjahduskokeissa koekappaleita kuormitettiin aina murtoon asti kasvattamalla niiden aksiaalista puristavaa kuormitusta, samalla kun elementtejä kuormitettiin taivuttavalla, tuulikuormaa simuloivalla kuormalla. Saaduista koetuloksista johdettiin tutkituille termorankaprofiileille niiden nurjahduskestävyyksien mitoitusarvot soveltaen eurokoodi 3:n ohjeita kylmämuovattujen terässauvojen kokeelliseen mitoitukseen. Nurjahduskokeista johdettuja termorankaprofiilien mitoitusarvoja verrattiin vastaaviin eurokoodin mukaista laskennallista mitoitusta soveltaen saatuihin mitoitusarvoihin. Vertailut kokeellisesti sekä laskennallisesti määritettyjen mitoitusarvojen kesken osoittivat, että sovellettu laskennallinen mitoitus oli selkeästi varmalla puolella oleva tapa arvioida rankojen nurjahduskestävyyksiä.The development of energy efficiency requirements encourages adapting new solutions for designing functional external wall structures that meet the modern requirements for thermal insulation. The construction of external wall as a conventional wood-frame structure, with the required thickness of heat insulation, usually results in oversizing the wall stud profiles in terms of their load bearing capacity. A major obstacle for using cold formed steel studs in external walls in Nordic climate is the high thermal conductivity of steel, which can cause unwanted heat loss as well as condensation of moisture in wall structures. An increasingly popular solution to these problems is the use of so-called thermo-stud, which is a steed stud with a perforated web-part that reduces the heat loss through the wall structure. With the perforation the thermal conductivity of steel-stud wall can be reduced to same level with a wall structure that uses wooden studs and has the same thickness. Cold-formed steel stud profile consists of thin steel plates, which causes them to be sensitive to local and distortional buckling modes. Distortional buckling or “stiffener buckling” in particular is a typical buckling mode for cold-formed steel members and is difficult to predict analytically. It is affected by the shape of the cross-section of member as well as the length and loading of the member. A significant increase to the load bearing capacity of cold-formed steel studs can be achieved by using sheeting that gives rotational restraint to the steel stud. This additional stiffness is specifically practical with thermos-studs that have lower distortional buckling strength due to their web-perforations. This thesis includes a series of tests performed to full-scale wall elements in order to determine the load-carrying capacity and failure modes of gypsum sheathed web-perforated steel studs under combined compression and bending. Test results were then compared to the calculations performed by applying Eurocode standards for cold-formed members. The comparison showed that the analytical method used in the calculations gave safe results in terms of buckling strength of the studs.Description
Supervisor
Puttonen, JariThesis advisor
Riekkinen, VirpiKeywords
seinäranka, teräsranka, termoranka, vinoutumisnurjahdus
