TIINA VUORINEN JORMA JANTUNEN JÄREÄN SAHATAVARAN KÄYTTÖ RAKENNUKSISSA, RAKENNEJÄRJESTELMÄT JA LIITOKSET THE LARGE-SCALE TIMBER IN CONSTRUCTION, STRUCTURAL SYSTEMS AND CONNECTIONS VAKOLAN TUTKIMUSSELOSTUS 71 MAATALOUDEN TUTKIMUSKESKUS VIHTI 1997 MAATALOUDEN TUTKIMUSKESKUS Agricultural Research Centre of Finland VA KO LA Maatalousteknologian tutkimuslaitos Institute of Agricultural Engineering Osoite Puhelin Address Telephone int. Vakolantie 55 (09) 224 251 Vakolantie 55 +358 9 224 251 03400 VIHTI Telekopio FIN-03400 VIHTI Telefax int. (09) 224 6210 FINLAND +35892246210 ISSN 0782-0054 TIINA VUORINEN JORMA JANTUNEN JÄREÄN SAHATAVARAN KÄYTTÖ RAKENNUKSISSA, RAKENNEJÄRJESTELMÄT JA LIITOKSET THE LARGE-SCALE TIMBER IN CONSTRUCTION, STRUCTURAL SYSTEMS AND CONNECTIONS VAKOLAN TUTKIMUSSELOSTUS 71 MAATALOUDEN TUTKIMUSKESKUS VIHTI 1997 SISÄLLYSLUETTELO KUVAILULEHDET ALKULAUSE KÄYTETYT MERKINNÄT 1 1.1 2 JOHDANTO 9 Järeän puun käyttökohteet 9 JÄREIDEN PUURAKENTEIDEN SUUNNITTELUUN JA MITOITUKSEEN LIITTYVIÄ ERITYISPIIRTEITÄ 10 3 JÄREÄN SAHATAVARAN RAKENNEJÄRJESTELMÄT 13 3.1 Pilari-palkki-j ärjestelmä 13 3.2 Kehärakenteet 15 3.3 Kantavat seinät -järjestelmä 16 3.4 Laatta- ja arinarakenteet 18 4 JÄREÄN PUUN LIITOKSET 19 4.1 Mekaanisin liittimin tehdyt liitokset 21 4.1.1 Naulalevyliitokset 24 4.1.2 Naula- ja naulauslevyliitokset 25 4.1.3 Pulttiliitokset 27 4.1.4 Vaarnaliitokset 29 4.1.4.1 Tappivaarnaliitokset 31 4.1.4.2 Hammas-, ura- ja suorakaidevaarnaliitokset . . . 33 4.1.5 Metalliset liitoselimet 40 4.2 Kontaktiliitokset 42 4.2.1 Vinokulmainen loviliitos 44 4.2.1.1 Vinokulmaisen loviliitoksen plastinen mitoitus vitaposkirakenteessa 52 4.2.2 Lohenpyrstöliitos 54 4.3 Erikoisliitokset 60 4.3.1 Betonin käyttö liitoksissa 60 4.3.2 Pyöreän puun erikoisliitokset 61 5 JÄREÄN PUUN VAHVISTAMINEN 62 6 JÄREÄN SAHATAVARAN KÄYTTÖ S OVELLUTUKSIA 64 6.1 Vitaposkirakerme 64 6.2 Hallien ja varastotiloj en runkoj ärj estelmät 65 6.3 Asuinrakennukset 72 7 RAKENTEIDEN JA LIITOSTEN KOESTAMINEN 77 7.1 Vinokulmaisin loviliitoksin koottu kolmioristikko 79 7.1.1 Kolmioristikoiden valmistus 79 7.1.2 Rakenteiden koestus 81 7.1.3 Tulosten analysointi 84 7.1.4 Johtopäätökset 88 7.2 Lohenpyrstöliitoksin koottu kolmioristikko 89 7.2.1 Kolmioristikoiden valmistus 89 7.2.2 Rakenteiden koestus 91 7.2.3 Tulosten analysointi 93 7.2.4 Johtopäätökset 95 8 YHTEENVETO JA PÄÄTELMÄT 96 KIRJALLISUUSLUETTELO 100 Julkaisija KUVAILULEHTI Maatalouden tutkimuskeskus Julkaisun päivämäärä Maatalousteknologian tutkimuslaitos 1.10.1997 MTTNAKOLA Tekijät (toimielimestä: toimielimen nimi, puheenjohtaja, sihteeri) Tiina Vuorinen Jorma Jantunen Julkaisun laji Tutkimusselostus Toimeksiantaja Toimielimen asettamispvm Julkaisun nimi (myös ruotsinkielinen) Järeän sahatavaran käyttö rakentamisessa, rakennusjärjestelmät ja liitokset Julkaisun osat Tiivistelmä Tutkimus käsittelee järeän sahatavaran käyttöä rakennuksissa sekä järeälle puulle sopivia rakennejärjestelmiä ja liitoksia. Tutkimuksessa ei ole käsitelty hirsirakenteita. Selvitys perustuu kirjallisuuteen sekä laskelmiin ja laboratoriokokeisiin. Järeällä sahatavaralla tarkoitetaan normaalia sahatavaraa suurempaa sahatavaraa, jonka leveys on 75...150 mm ja korkeus 225...350 mm ja pituus jopa 10 m. Kappaleet voidaan sahata pituussuunnassa kiilamaisiksi, jolloin raaka-aineen käyttö tehostuu ja sahatavaran syyrakenne on ehjempi kuin normaalilla sahatavaralla. Järeästä sahatavarasta valmistetuilla palkeilla ja kehärakenteilla voidaan usein korvata työtä ja esivalmistusta vaativat ristikko- ja palkkirakenteet jopa 12 metrin jänneväliin asti. Ratkaisuja voi käyttää rakennusten kantavissa rakenteissa, silloissa, maanpaineseinissä, meluaidoissa, liikennemerkki- ja johtokannattimissa sekä erikoisrakenteissa, kuten tomeissa ja hyppyrimäissä. Rakennejärjestelmiä suunniteltaessa kiinnitetään erityistä huomiota kosteusmuodonmuutoksiin ja puun halkeilun vaikutukseen. Pilari-palklci-järjestelmässä palklcien jänneväli voi olla 6 m. Järjestelmä sopii karsinaratkaisuihin perustuviin maatalouden tuotantotiloihin sekä asuinrakennuksiin. Järeästä puusta tehtyjen kehien jänneväli voi olla 12 m. Kehiä käytetään halleissa, varastoissa sekä maatalouden ja teollisuuden tuotantotiloissa. Kantavat seinät -järjestelmässä järeää sahatavaraa käytetään pääasiassa kantavissa vaakarakenteissa. Järeää sahatavaraa käyttäen voi toteuttaa jäykän välipohjan jännemitaltaan 3,6...4,8 m. Kantavat seinät järjestelmää käytetään asuin- ja tuotantorakennuksissa. Järeästä puusta tehdyissä rakenteissa liitoksiin kohdistuu suuret rasitukset. Järeän sahatavaran kosteus asennettaessa on yleensä 18 % ± 2 %. Mikäli puu kuivuu käyttöolosuhteissa, on järeän puun liitokset suunniteltava siten, että ne eivät estä puun kosteusmuodonmuutoksia. Liitokset on tutkimuksessa jaettu kolmeen ryhmään: mekaanisin liittimin tehdyt liitokset, kontaktiliitokset ja erikoisliitokset. Järeän sahatavaran liitoksissa hyviä liitostyyppejä ovat mekaanisista liittimistä vaarnat sekä kontaktiliitokset. Työssä on tutkittu kokeellisesti kahta kontaktiliitosta: vinokulmaista loviliitosta ja lohenpyrstöliitosta. Liitoksien tutkimiseksi valmistettiin 5 kolmioristiklcoa, joissa ala- ja yläpaarteet liitettiin kontalctiliitoksien avulla. Liitokset työstettiin moottorisahalla, jolla valmistus oli helppoa ja nopeaa. Valmistustarklcuus kärsi karkeasta valmistustekniikasta, mutta tehdyissä kokeissa saadut murtokuormat olivat epätarkkuuksista huolimatta 1,3...4,0 -kertaisia vertailukuormiin nähden. Vinokulmaisen loviliitoksen kapasiteetti oli suuri ja jäykkyys lähes yhtä hyvä kuin vaarnaliitoksen. Lohenpyrstöliitoksen kapasiteetti oli pienempi kuin vinokulmaisen loviliitoksen, mutta liitos oli varsin sitkeä. Avainsanat (asiasanat) Puu, sahatavara, rakennejärjestelmä, liitokset Muut tiedot Saatavana Maatalouden tutkimuskeskuksen maatalousteknologian tutkimuslaitokselta (MTTNAKOLA) Puhelin (09) 224 251 Telekopio (09) 224 6210 Sadan nimi ja numero VAKOLAn tutkimusselostus 71 ISSN 0782-0054 ISBN Kokonaissivumäärä Kieli Hinta Luottamuksellisuus Jakaja VAKOLA, Vakolantie 55, 03400 VIHTI Kustantaja Publisher PUBLICATION DATA Agricultural Research Centre of Finland Institute of Agricultural Engineering Date of publication MTTNAKOLA 1.10.1997 Authors (if organ: name of organ, chairman, secretary) Tiina Vuorinen Jorma Jantunen Type of publication Study report Comissioned by Date of setting up organ English and Swedish title of publication The usage large-scale timber in construction, structural systems and connections Parts of publication Abstract The study discusses the usage of large-scale timber in constructions as well as the structural systems and connections suitable for it. In the report the log structures are excluded. The report is based on literature, calculations and laboratory tests. The large timber is here sawn timber: the breadth is 75-150 mm, the height 225-350 mm and the length up to 10 m. Timber can be sawn tapered in which case the grain structure of large timber is more unbroken than that of normal sawn timber. The truss and beam structures demanding preparations can often be replaced by beams and frames constructed of large timber up to the span of 12 m. The large timber can be used in the bearing structure of various buildings, in bridges, in earth pressure walls and noise walls, in the supporting columns of traffic signs and wires and in special structures (towers, ski jumps). In designing of structural systems attention has to been paid the special features of large timber (the dimensional changes of timber caused by the changing moisture content). In the post-and-beam constructions the span of the beams can be about 6 m. The beams supported by posts can be used in agricultural buildings as well as in residential buildings. The span of the simple frames of large timber can be about 12 m. The consumption of wood in frames can be optimised with tapered large timber. Frames can be used in halls, warehouses as well as in agricultural and industrial buildings. In bearing wall constructions the main usage of large timber is in bearing horizontal structures. The floor made of large timber can be made very rigid. The span of the floor is 3.6-4.8 m. Bearing wall system can be used in residential and production buildings. In structures made of large timber great loads are concentrated on the joints. The moisture content of large timber, while installing, is usually 18 % ± 2 %. If timber dries in the usage circumstances, the connections have to be designed to not to prevent the dimensional changes of timber caused by the changing moisture content. In the report the connections have been divided into 3 groups: mechanical connectors, traditional connections and special connections. The dowels, the shear connectors and the traditional connections are good connection types for the large timber. Two of the traditional connections have been studied in the report: the notched joint and the dovetail joint. To research the connections, five triangular trusses, in which the lower and upper chords were joined by traditional connections, were made. The connections were made with chain saw, easily and quickly. The accuracy of manufacture suffered from the rough techniques, but despite this the breaking loads, in the tests made, were 1.3-4.0 times the comparison loads. The capacity of the notched joint was great and its stiffness almost as good as that of the shear connectors. Although the capacity of the dovetail joint was smaller, the connection was very tough. Key words Wood, timber, structural system, joints Additional information MTTNAKOLA Telephone +358 9 224 251 Telefax +358 9 224 6210 Name of series, number VAKOLAn tutkimusselostus 71 ISSN 0782-0054 ISBN Pages Language Finnish, tables and figures: English, Summaries: English, Swedish Sola by VAKOLA, Vakolantie 55, FIN 03400 VIHTI, FINLAND Price FIM ALKULAUSE VAKOLAssa aloitettiin keväällä 1993 tutkimus, jossa haetaan ratkaisuja järeän puun jalos- tusarvon kohottamiseen. Tutkimuksessa selvitetään mahdollisuuksia käyttää rakentamises- sa tavallista suurempaa sahatavaraa, jonka poikkileikkaus on 75 x 250 mm - 200 x 350 mm ja pituus 6-10 m. Tutkimusta rahoittivat Maatilatalouden kehittämisrahasto ja Maatalouden tutkimuskes- kus. Tutkimuksen valvojakuntaan kuuluivat osastopäällikkö Pekka Airaksinen puheenjoh- tajana ja jäseninä ins. Kjell Brännäs, prof. Pekka Kanerva, MMT Tarmo Luoma ja prof. Tuija Vihavainen. Valvojakunnan sihteerinä ja päätutkijana on toiminut Jorma Jantunen. Tässä osatutkimuksessa selvitetään järeän sahatavaran käyttökohteita rakentamisessa, rakennejärjestelmiä ja liitoksia sekä järeästä sahatavarasta tehtyjen puurakenteiden suunnitteluun liittyviä erityiskysymyksiä. Tiina Vuorisen diplomityönään tekemää osatutkimusta valvoi Teknillisessä korkeakou- lussa prof. Pekka Kanerva ja työtä on ohjannut DI Jorma Jantunen. Järeän sahatavaran liitoskokeet on tehty TKK:n talonrakennustekniikan laboratoriossa, osittain puurakentei- den yleisopintojakson laboratorioharjoitusten yhteydessä. Kokeissa käytetty puu on hankittu VAKOLAn metsästä. Haluamme esittää kiitokset valvojakunnalle, Pekka Kanervalle, VAKOLAn henkilökun- nalle sekä TKK:n rakennusosaston talonrakennustekniikan oppituolin ja koehallin henkilö- kunnalle. Tiina Vuorinen Jorma Jantunen 8 KÄYTETYT MERKINNÄT Poilckileikkausala D, H, N Normaalivoima Kimmomodulli Rakenteeseen vaikuttava voima Fmuno Murtokuorma Fred Redusoitu murtokuorma Taivutusmomentti Qk Käyttökuorma Qmax Murtokuorman vertailuarvo Sauvavoima S Sauvavoiman maksimiarvo V Leikkausvoima; Poikittaisvoima Taivutusvastus Poikkileikkauksen leveys fb Taivutuslujuus Puristuslujuus fL Puristuslujuus kohtisuoraan syitä vastaan Vetolujuus Vetolujuus kohtisuoraan syitä vastaan f, Leikkauslujuus fe, Hankinsonin kaavalla laskettu puristuslujuus tietyssä kulmassa a syysuuntaan nähden Poikkileikkauksen korkeus Siirtymäkerroin; Rakenneosien välinen etäisyys 1 Jänneväli pituus ti, Lovisyvyys korkeussuunnassa th Lovisyvyys leveyssuunnassa Suhteellinen venymä ab Taivutusjännitys 0, Puristusjännitys Vetojännitys Leikkausjännitys 9 1 JOHDANTO Suomessa on yleistä soiroralcenteiden käyttö runkorakenteissa. Normaalin sahatavaran suurimpana poikkileikkauksena on 75 x 225 nu1 2. Asuinrakennuksissa ja muissa lämpö- eristetyissä rakennuksissa kantava-runko on rakennusvaipan sisällä. Järeämrnän puutava- ran käytölle on kuitenkin perinteitä Suomessa. Vanhoissa rakennuksissa järeä välipohja- palkisto on usein jätetty näkyviin, samoin hirsiseinät. Järeästä puusta tehdyt pilari-palklci- j a ristikko-rungot ovat edelleen hyvin yleisiä Keski-Euroopassa. Kun tarvitaan suurta kantavuutta ja pitkähköille jänneväleille sopivia rakenteita, turvaudutaan liimattuihin tai ristikkorakenteisiin. Massiivista sahatavaraa on yleensä saatavana vain tilauksesta, ja sen halkeilu sekä kuivumismuodonmuutokset koetaan haittana. Lisäksi järeän puun liitos- ja asennustekniikka ovat kehittymättömiä. Suomen metsät kasvavat enemmän kuin niistä hakataan, jolloin puusto kasvaa ylikokoi- seksi sahateollisuuden tarpeisiin. Kun järeäksi tukiksi märitellään rirmankorkeus- läpimitaltaan 30 cm:ä suuremmat havupuut, saadaan järeän kuusen kokonaistilavuudeksi Etelä-Suomessa noin 149 milj.m3 ja männyn 132 milj.m3. Viimeisten kymmenen vuoden aikana järeän kuusen osuus kuusipuustosta on kasvanut reilulla viidellä prosentilla, ja järeän männyn osuus mäntypuustosta runsaalla prosentilla /1/. Metsäteollisuusyritykset eivät voi hyödyntää suurinta osaa järeistä tukeista, mutta kenttäsirkkeleillä voidaan sahata jopa 10 m pitkä ylikokoinen tukki sahatavaraksi. Työssä selvitetään järeän sahatavaran käyttöä rakennuksissa sekä järeän sahatavaran ra- kennej ärjestelmiä ja liitoksia. Järeän puun liitoksien yhteydessä tutkitaan tarkemmin kon- taktiliitoksia, joille esitetään myös mitoitusohjeet. Tutkimuksen tavoitteena on esittää järeä sahatavara yhtenä ainevaihtoehtona rakenne- ja rakennussuunnittelijoille. Selvitys perustuu kirjallisuuteen, laskelmiin ja laboratoriokokeisiin. Tutkimuksessa ei käsitellä hirsirakenteita. Järeällä sahatavaralla tarkoitetaan sahatavaraa, jonka leveys on vähintään 75 mm, korkeus yli 225 mm ja pituus jopa 10 m. 1.1 Järeän puun käyttökohteet Järeän sahatavaran käyttökohteita ovat esimerkiksi /2/: asuinrakennuksien, hallien sekä kotieläinsuojien, varastojen ja erilaisten tuotantotilo- j en runkorakenteet urheilukenttien ja asemien katokset kevyen liikenteen sillat ja lyhyet tai väliaikaiset ajoneuvoliikenteen sillat telinerakenteet ja väliaikaiset tukirakenteet sekä muotit meluaidat ja muut aidat maanpaineseinät liikennemerldcien karmatteet ja voimajohtokannattimet - portaat - erilaiset erikoisrakenteet (hyppyrimäet, näköalatornit, tuuligeneraattorit) 0,399 0,438 0,478 0,472 0,515 350 0,129 1 0.172 0,429 0. 175 :.0 h b 75 1 100 125 150 175 200 225 250 275 300 200 225 250 275 300 ,294 0,331 0,368 0,303 0,337 0,371 0,405 0,294 0,331 0,368 0,405 0,441 0,279 0- 319 0,359 0,300 0,343 0,386 325 0,239 0,215 0,258 9 0 ... 0 10 Rakennusryhmittäin tarkasteltuna on puun käyttö yleisintä pientaloissa, joissa järeää puuta voidaan käyttää erityisesti vaakarakenteissa. Puurunkoisen rakennuksen lämmöneris- tys on teknisesti ja taloudellisesti helppo toteuttaa ja puurakenne sallii kivirakenteita paremmin muodonmuutoksia ja siirtyrniä. Keski-Euroopassa rakennetut puiset julkiset rakennukset, kuten erilaiset kirkot, asemarakennukset ja näyttelyhallit ovat hyviä esimerk- kejä järeän puun käyttömahdollisuuksista. Suomessa palomääräykset rajoittavat puun käytön rakennuksissa korkeintaan kaksiker- roksisiin rakennuksiin, kun esimerkiksi Yhdysvalloissa voidaan osavaltiosta riippuen rakentaa 5 - 6 kerrosta puusta. Vaadittava palonkestoluokka B60 on saavutettavissa käyttämällä järeää sahatavaraa ja palamattomia levyjä. 2 JÄREIDEN PUURAKENTEIDEN SUUNNITTELUUN JA MITOI- TUKSEEN LIITTYVIÄ ERITYISPIIRTEITÄ Puurakenteiden suunnittelussa on muihin materiaaleihin nähden erityisiä piirteitä johtuen puun anisotrooppisuudesta ja kosteusmuodonmuutoksista sekä virumisesta. Puussa on aina oksia ja erilaisista kasvuolosuhteista johtuvia vikoja, kuten lylyä, vino- ja kierresyisyyttä, haavoja, halkeamia sekä erilaisia sieni- ja hyönteisvaurioita, jotka aiheuttavat suurta hajontaa puun ominaisuuksissa. Kuivauksen aikana voi myös tapahtua vaurioita. Rakennejärjestelmissä käytettävän puutavaran pituus voi olla jopa 10 m, mutta pituutta rajoittaa sahaustekniikka sekä rakenneosien paino. Taulukossa 2.1 on esitetty mahdollisia j äreän sahatavaran poilffileikkauksia j a painoja. Taulukko 2.1. Järeän sahatavaran mitat ja painot juoksumetriä kohden, kun järeän puun tiheydeksi oletetaan 20 %:n kosteudessa 500 kg/m3. Table 2.1. Dimensions, sizes and weight for large sized timber, when the density of wood in 20% moisture content is 500 kg/m'. Kappaleiden paino on merkitty yksiköissä kN/m, joka on 1000/9,81 kg/m (eli noin 100 kg/m). The weights are in kN/m, which is 1000/9.81 kg/m (about 100 kg/m). Poikkileikkausmittojen, korkeuden h ja leveyden b, yksikkönä on mm. The height h and the width b of the cross-section are in mm. Tukin latvaläpimitta alle 350 mm Top diameter of log under 350 mm Tukin latvaläpimitta yli 350 mm Top diameter of log over 350 mm Kosteusnnuodonmuutosten takia ei kannata käyttää Not worth using because of moist-re lated defommtion 11 Puun muodonmuutos- ja lujuusominaisuudet riippuvat kuormituksen suunnan ja syiden suunnan välisestä kulmasta, kuormitusajasta, lämpötilasta, kosteudesta sekä puun tilavuuspai- nosta. Sekä kosteuden että lämpötilan kohotessa ja puun tiheyden pienentyessä puun lujuus- j alcirmnomoduliarvot pienenevät. Puu on lisäksi viskoelastinen materiaali, joka kestää hetkelli- sesti suuriakin ktiormia, mutta nuir- tuu pitkäaikaisessa kuonnituksessa lähes 50 % pienemmillä kuormilla. Pitkäaikaisessa kuonnituksessa puu myös viruu. Muodonmuutoksen suuruus riippuu kosteudesta, järmitystasosta, lämpötilasta ja edellisten muutoksista. Havupuulle annetaan SRalcMK:n /27/ mukaan ominaislujuudet ja kimmomodulit lujuusluokittain. Kosteus- ja aikaluolckien vaikutukset otetaan huomioon korjauskertoimilla. Järeän sahatavaran lujuuden voidaan otaksua olevan parempi kuin normaalin sahatavaran, sillä järeässä ja erityisesti kiilamaisessa sahatavarassa säilyy puun syyrakenne ehjempänä kuin normaalissa sahatavarassa ja oksien koko suhteessa poikkilekkaukseen on pienempi. Lähteen /3/ mukaisesti järeän sahatavaran voidaan yleensä olettaa kuuluvan pyöreän puun tapaan lujuusluokkaan T30. Oksien suuntaus rasitustilaan nähden on j äreässä sahatavarassa edullisempi kuin normaali- sahatavarassa. Järeässä sahatavarassa oksat kulkevat ytimestä vinottain kasvaen kohti sahata- varan reunoja, jolloin ne heikentävät vähemmän puun poikkileikkausta ja lujuutta. Tyvipuu voi olla lähes oksatonia, jolloin sen lujuus on latvapuuta parempi. Puu pyrkii hygroskooppisena materiaalina aina asettumaan ympäröivää ilmankosteutta vastaavaan tasapainokosteuteen. Maatalouden tuotanto- ja varastorakennusten sekä lämmittätnättömien rakennusten ilmankosteudet vastaavat kosteusluokkaa 2, jolloin ulkokuivaa järeää puuta voidaan käyttää ilman kuivumisesta aiheutuvaa lisähalkeiluvaaraa. Käytettäessä ulkokuivaa järeää puutavaraa rakennuksissa, joissa ilman kosteus on pieni, kuivuu puu kosteusluokkaan 1, jolloin puutavara kutistuu ja halkeilee. Puun kutistuminen alkaa, kun sen kosteus laskee alle soluseinien kyllästymispisteen, ja jatkuu melko lineaarisesti kunnes puu on täysin kuiva. Pintapuu kuivuu ensin, jolloin se alkaa kutistua, vaikka sisäosa on vielä -märkä. Järeän sahatavaran kosteus vaihtelee päfiasiassa pintakerroksessa. Puun kuivuessa pinta- ja sydänpuun kosteusero aiheuttaa suurimmat jännitykset pintapuuhun, joka viruu ja halkeilee. Ydinkeskeinen järeä sahatavara halkeilee enemmän kuin sahatavara, jossa ei ole ydintä. Järeissä rakenteissa käytettävän puutavaran tulisi olla mahdollisimman lähellä rakenteen lopullista tasapainokosteutta. Järeän sahatavaran lujuuskokeissa todettiin halkeilun vaikutuksen puun lujuuteen, erityisesti leikkauslujuuteen olevan oletettua pienempi. Myös halkeilun jäykkyyttä alentava vaikutus oli vähäinen /3/. Koska vesi haihtuu nopeammin puun päistä kuin keskiosasta, halkeilevat puun päät runsaasti. Päätyhalkeilua voi vähentää käsittelemällä puun päät esimerkiksi nestemäisellä kosteussululla. Yleensä halkeilu keskittyy lappeen keskikolmannekseen, ja voi sydänkeskeisessä puussa ulottua läpi puunkin. Järeän sahatavaran halkeilua voidaan vähentää käyttämällä ytimen vierestä kuvan 2.1 mukaisesti sahattua puutavaraa, jolloin puun poildcileikkaus kuppiutuu tangentin ja säteen suuntaisen erisuuren kutistumisen takia. Tämä vaikeuttaa liitosten tekoa. Li Kuva 2.1. Järeän sahatavaran sahaus siten, että ydin ei jää puuhun, jolloin palkkien kuivumisen aiheuttama halkeilu on mahdollisimman vähäistä 151. Figure 2.1. When the large size timber is sawn the way that the core is not in the section, cracking of wood section is minor. 12 Järeissä puurakenteissa on yleensä vähän liitoksia, jolloin yksittäisiin liitoksiin kohdistuu suuremmat rasi- tukset kuin ristikko- tai soiroraken- teissa. Puun kutistuminen aiheuttaa liitosalueelle halkeamia, jotka pie- nentävät liitoksen lujuutta ja jäyk- kyyttä sekä kasvattavat liitoksen siir- tymiä. Tämä voi aiheuttaa liitettäviin kappaleisiin ylimääräisiä rasituksia ja rikkoa sekundäärirakenteita. Jos lii- toksessa käytetyt liittimet on valittu tai sijoitettu väärin, syntyy puuhun kutistumisen ja vääntymisen yhteydessä jännityksiä, jotka suurentavat halkeamia. Järeän ulkokuivan sahatavaran kosteus on yleensä 18 % ± 2 %, jolloin valmiissa rakenteessa joudutaan varautumaan puun kuivumiseen. Tällöin on liitoksissa varattava mahdollisuus myöhempään kiristykseen kutistumisen tapahduttua. Puurakenteisiin tehtävien liitoksien suunnittelussa on otettava huomioon, että puurakentei- siin ei voida tehdä täysin jäykkiä liitoksia. Useimmat mekaaniset liittimet sallivat kohtalaisen suuria muodonmuutoksia. Tapauskohtaisesti on pyrittävä arvioimaan, missä määrin liitoksen jäykkyys pystytään käytännössä saavuttamaan. Lisäksi on tutkittava, voiko liitoksen oletettua suurempi tai pienempi jäykkyys aiheuttaa vaurioita jossain osassa rakennetta. Järeä sahatavara pyrkii kuivuessaan vääntyrnään myös pituussuunnassa. Vääntymistä voidaan vähentää kuivaamalla puu oikein. Järeä sahatavara tulee kuivata hitaasti taapeleis- sa, joissa puut niputettuina pysyvät suorina ja viruvat kuivumisen edistyessä. Oikein kuivattuna puun vääntyminen rakenteessa jää vähäisemmäksi, vaikka puuhun jää rajallises- ta kuivausajasta johtuen jäännösjännityksiä, jotka vapautuvat, mikäli puu kostuu kuivauk- sen jälkeen. Järeän sahatavaran vääntymistä rakenteessa voidaan vähentää riittävän tiheällä sivutuermalla sekä käyttämällä mahdollisimman lähellä lopullista tasapainokosteutta olevaa puuta. Myös kantavaan rakenteeseen liittyvien rakenteiden suunnittelussa on järeän sahatavaran vääntyminen otettava huomioon. Järeän sahatavaran palonkesto on hyvä. Järeissä puurakenteissa puun pintaosa hiiltyy noin 0,7...0,8 minimin, ja järeän sahatavaran suuret halkeamat nopeuttavat hiiltymistä. Suomessa puurakenteiden paloluokittelun mukaan puuta voidaan käyttää B-luokan materiaalina kantavissa rakennusosissa paloahidastavissa ja paloapidättävissä kaksikerrok- sisissa rakennuksissa kellaria lukuunottamatta. Monissa maissa järeää puuta voidaan käyttää palotelcnisesti vaativissakin rakenteissa, jolloin järeälle puulle asetetaan rakennus- normeissa minimikoko rakenneosasta riippuen. 13 3 JÄREÄN SAHATAVARAN RAKENNEJÄRJESTELMÄT Järeällä sahatavaralla voidaan korvata liimatut rakenteet ja ristikot tiettyyn järmemittaan asti. Tutkitut rakennejärjestelmät on jaettu viiteen ryhmään vaaka- ja pystyrakenteiden mukaan: pilari-palkki-järjestelmät, kehät, kantavat seinät -järjestelmät, arinat ja laatat. Koska puurakennus on kevyt., on tuulikuormien aiheuttamien pysty- ja vaakavoimien tasapainottamiseen kiinnitettävä erityistä huomiota. Jäykistävänä rakenteena voivat olla levyt tai ristikot. Syntyvät vaakavoimat voidaan ottaa vastaan myös maahan upotetuilla pylväillä tai jäykästi kiinnitetyillä pilareilla eli mastopilareilla. Kehärakenteet ovat stabiileja rakenteita tasonsa suunnassa, vaikkakin kehäjäykistykselle on ominaista suuret muodon- muutokset, jotka aiheutuvat liitoksissa tapahtuvista siirtymistä. 3.1 Pilari-palkki-järjestelmä Suomessa pilari-palkki-järjestelmää on käytetty erilaisissa halli- ja varastorakennuksissa sekä maatalouden tuotantotiloissa, mutta Keski-Euroopassa järjestelmää käytetään myös asuinrakennuksissa. Pilarit muodostavat ruudukon, jonka sivun pituus on järeää sahatavaraa käytettäessä 3,6...6 m. Pilarien välimatkaa voidaan kasvattaa käyttämällä vitaposkia tai vinotukia. Samalla vitaposket ja vinotuet jäykistävät rakenteen tasonsa suunnassa. Yksiaukkoisten palkkien taipumat muodostuvat usein epäedullisen suuriksi, mikä rajoittaa jänneväliä. Palkki, jonka toisessa tai molemmissa päissä on uloke, on taipumien suhteen edullisempi rakenne. Taipumat eivät saa kasvaa niin suuriksi, että niistä aiheutuu haittaa liittyville rakenteille tai tilassa suoritettavalle toiminnalle. Jatkuvat palkit voivat olla useampiaukkoisia riippuen saatavan puutavaran ja kenttien pituuksista. Jatkuvien palkkien kenttämomentti ja taipumat jäävät pienemmeksi yksiaukkoi- seen palkkiin nähden. Koska momenttijäykkä jatkos on on vaikea tehdä, voidaan jatkos tehdä nivelellisenä kenttämomentin nollakohtaan, jolloin kyseessä on nivelpalklci. Sekundääripalkit tuetaan joko primääripalkkien päälle tai liitetään primääripalkkien kylkeen, jolloin rakennekorkeus pienenee. Pilari-palkki-järjestelmässä pilarit ja palkit voivat olla yksiaukkoisia tai jatkuvia. Jatkuvia palkkeja käytettäessä palkki voidaan tukea suoraan pilarin päälle. Kun pilarit tehdään jatkuvina, liitetään palkit pilarin sivuille esimerkiksi metallikenkien avulla. Mikäli pilarit tai palkit tehdään kaksiosaisina, voivat molemmat olla jatkuvia. Tällöin liitokset on helppo tehdä pultti- tai vaarnaliitoksina. Jatkuvien ja yksiaukkoisten pilarien ja palkkien käyttö- mahdollisuuksia on esitetty kuvassa 3.1. Pilari-palklci-järjestelmät on esitetty taulukossa 3.1. ! N .‘II- Ne. ii- • - - - . 14 Jatkuvat palkit Jatkuvat pilarit Kaksiosaiset palkit Kaksiosaiset pilarit Kuva 3.1. Erilaisia pilari-palkki-järjestelmiä jaoteltuna pilarien ja palklcien keskinäisen sijainnin mukaan /6/. Figure 3.1. Some examples ofpost-beam structures /6/. 15 Taulukko 3.1. Järeän sahatavaran pilari-palkki-järjestelmät ja järeiden palkkien mitat, kun rakenteen omapaino g = 0,5 kN/m2 ja lumikuorma = 1,8 lcN/m2. Sahatavara kuuluu lujuusluokkaan T30 ja kosteusluok- kaan 2. Pallcit on tuettu kiepahdusta vastaan yläpuolisella rakenteella. Rakennuksen seinäkorkeus voi olla 2,5...5 m. Sekundäärit ovat 0,6 m välein, ja niiden taipuma on rajattu arvoon 1/200. Table 3.1. Post and beam structurals systems with large size timber. Tyyppi System Katto- kaltevuus Roof angle i'l Janne 1 span [ml Keskinäinen etäisyys k cc [ml Poikkileikkaus Cross section b/h [m2] Sekundäärit Second. b/h [ml Taipuma Deflection Puumenekki* Vol. of timber [m3 / mi 1... j.....„............. 11 1 1 ... 10 30 4,8 6,0 6,0 3,6 3,6 4,2 150x300 200x325 250x325 50x200 50x200 75x200 1/151 0,029 (0,017... 0,025) 2 0 1 1 11 2 10...30 4,8 5,4 6,0 6,0 50 x75 palkit beams 1,2 pilarit posts 3 ,6 palkit 1,2 pilarit 4,2 I. 125x200 2. 100x250 125x225 125x250 125x250 125x275 125x250 125x300 1. //130 2.1/257 0,042 (0,006) 3 II 1 1 1 1 i 10...35 ...6,0 palkit 1,2 pilarit ...4,2 4 11 1 .......,,,, i II i 10...35 ...6,0 palkit 1,2 pilarit ...4,2 11 i i I i 11 I t 15...40 ...6,0 palkit 1,2 pilarit ...4,2 * Kantavat rakenteet, (sekundääripalkit). * Load bearing structures 3.2 Kehärakenteet Toiminnan vaatiessa paljon ovia, aukkoja ja vapaita tiloja käytetään kehärakennetta. Kehärakenteissa palkit liittyvät pilareihin jäykin liitoksin, jolloin kehä kantaa tasonsa suuntaiset vaakavoimat. Kehissä voidaan käyttää kiilamaisia palkkeja ja pilareita, jolloin optimoidaan puun käyttö. Tällöin sijoitetaan palkin suurempi poikkileikkaus ja oksatto- mampi tyvipuu eniten rasitettuun kehänurkkaan. Kehärakenteet jaetaan rakenteeseen tulevien nivelien määrän perusteella kaksi- ja kolminivelkehiin. Kehä on kaksi- tai useampiauldcoinen, jos keskellä on pystypilareita. Järeästä puusta tehdyllä kaksinivel- kehällä päästään n. 8 m:n jänneväliin. Kolminivelkehä on staattisesti määrätty rakenne, jolloin se sallii suuremmat valmistus- ja asennustoleranssit, eikä ole herkkä tulcien liikkeille eikä liitosten liukumille. Niveleen kohdistuva vaakavoima voidaan johtaa perustuksiin tai heikoilla mailla kantaa erillisellä 16 vetotangolla. Yhdistetyssä kolminivelkehässä palklcien ja pilarien sekä vinotukien väliset liitokset tehdään nivelellisinä. Kehien jänneväli voi olla järeää puuta käytettäessä jopa 15 m. Kehärakenteisiin kuuluu myös kolminivelkarmate eli kolmioristikko. Järeästä sahatava- rasta tehtävät kehät on esitetty taulukossa 3.2. Taulukko 3.2. Järeää sahatavaraa käyttäen tehtäviä kehärakenteita ja järeän sahatavaran mitat, kun rakenteen omapaino g = 0,5 kN/m2, lumikuorma ql = 1,8 kN/m2 ja tuulikuonna q2 = 0,5 kN/m2. Sahatavara kuuluu lujuusluolddman T30 ja kosteusluokkaan 2. Rakennusten seinäkorkeus voi olla 2,5...5 m. Table 3.2. Frames that are made of large size timber. TYYPPI System Käyttö To use Kattokaltevuus Roof angle [1 Jänne 1 Span [m] Keskinäinen etäisyys k cc finl Poikkileiklcaus Cross section h * 1 4 h i --- 4 Hallit, konevarastot, maatalouden tuotantotilat 10...30 ...6,0 1,2...3,6 / / 30 20 2 i h 1 Hallit, konevarastot, maatalouden tuotantotilat 10...35 ...7,2 2,4...3,6 / / —• • • — 26 22 2-kertainen palkki I 3 i t 1 Hallit, varastot, maataloudentuotantotilat 10...35 ...8,4 2,4...4,2 / / _ ... _ 36 32 4 1 i h Hallit, rehuvarastot, maatalouden tuotantotilat 20...45 ...12,0 1,2...2,4 / / 36 30 2-kertainen pakki 5 4 1 h 1 Hallit, rehuvarastot, maatalouden tuotantotilat 20...45 ...12,0 2,4...4,2 / / _ ... _ 36 32 6 1 Kattotuolit 15... 3,6...4,8 1,2 / / — • • • — 1, 16 14 / / _ ... ___ 2.24 21 1 * Käytettävän järeän puutavaran leveys b 125 mm. ** Kantavat rakenteet, (sekundääripalkit). 3.3 Kantavat seinät -järjestelmä Kantavat seinät -järjestelmä on yleinen asuinrakennusten rakennejärjestelmä. Kantavan pystyrakenteen muodostavat pääasiassa hirsi- tai soiroseinät. Yläpohjan kantavana rakenteena on yleensä ristikko, mikä voidaan korvata järeästä sahatavarasta tehdyllä kolmioristikolla tai pilari-palldci-rakenteella. Välipohjissa kantavana vaakarakenteena ovat puupalkit. Järjestelmät on esitetty taulukossa 3.3. Järeää sahatavaraa käytettäessä voi soiroseinässä joka toinen runkotolppa olla leveämpi, jolloin saadaan j äykistyslevyille tukevampi naulausalus- ta. Käytettäessä järeää sahatavaraa lattiapalkeissa voidaan rakennus tehdä "platforrri"-järjestelmän mukaisesti kuvassa 3.2 esitettyyn tapaan. Tällöin seinät rakennetaan kantavien vaakarakenteiden päälle, jolloin ala-ja välipohjapalkkien kuivumi- sen aiheuttamien korkeusmuodonmuutosten synnyttämät haitat vähenevät. 17 Kuva 3.2."Platform"-rakenne /6/. Figure 3.2. The platformframing /6/. Taulukko 3.3. Kantavat seinät -järjestelmällä toteutettavia asuinrakennuksia ja järeiden puupalkkien mittoja, kun rakenteen omapaino g = 0,5 kN/m2, hyötykuorma q, = 1,5 kN/m2 ja lumikuorma q, 1,3...1,8 kN/m2. Sahatavara kuuluu lujuusluokkaan T30 ja kosteusluokkaan 1. Ulkoseinät ovat kantavia. Table 3.3. Examples of bearing wall framing systems and dimensions of the structures. g = 0,5, q, = 1,5 kN/m2, q, =1,3...1,8 kN/m2. Tyyppi System Huom. Katto- kaltevuus Roof angle 101 Jänne I Span 1m1 Keskinäinen etäisyys k cc 1m1 Poikkileikkaus Cross section b/h [ml Puumenekki *) Vol. of timber [tri'l/ml I Keskellä on kantava pilari-palkki-linja, joka voidaan tehdä myös kantavana sei- nänä. 25... 3,6...4,8 kattotuolit 11ru,2sses palkit beams 1,2 pilaritposts 3,6 I. 125x250... 125x300 125x175... 125 x225 125x275... 150x325 0,117 3 4 i i 1 f 2 / 2 Keskellä on kantava pilari-palkki-linja, joka voidaan tehdä myös kantavana sei- nänä. 15... 3,6...4,8 palkit 0,9...1,2 pilarit 3,6 100x175... 250x250 100x175... 125 x225 125x250... I50x325 0,110 3 1 1 i i s 3 111111Wir 1 Talon sisällä on 2 kantavaa pilari- palkki-linjaa, jotka voidaan tehdä myös kantavina seininä. 15... 9,6 palkit . 0,9..1,2 pilarit 3,6 100x175... 125x175 100x175... 125x175 I25x250 0,095 --,— et 3 i i i 1 i 1 I 4 Talon sisällä on kantava pilari-palkki- linja, joka voidaan tehdä myös kantavana seinänä. 15... 3,6...4,8 kattotuolit 1,2 palkit 1,2 pilarit 3,6 I. 125x225... 125 x300 2. 125x275... 150x325 0,100 . .., 1 2 i i i 5 yr-, 1S1 1 Ill''' Talon sisällä on kantava pilari-palkki- linja, joka voidaan tehdä myös kantavana seinänä. 15.:. 3,6...4,8 kattotuolit 1,2 palkit 1,2 pilarit 3,6 I. 125x225... 125x275 2. 125x225... I25x275 0,091 i 4 i 4- *) Kantavat rakenteet. *) Load bearing structures. 18 3.4 Laatta- ja arinarakenteet Anna muodostuu perinteisesti kahdesta toisiaan risteävästä palkistosta. Palkit liitetään risteyskohdissa pultein tai vaarnoin. Arinarakenteissa palkiston ominaisuudet tasaantuvat, jolloin yksittäisten paheiden oksien ja halkeamien vaikutus rakenteen lujuuteen on vähäinen.. Puisten arinoiden rakermekorkeus on suuri. Arinarakenteella voidaan kattaa noin 8 m pitkä tila ilman välitukia. Massiivisella laatalla tarkoitetaan puupalkeista kuvan 3.3 mukaisesti tapittamalla valmistettua laattarakennetta. Puupalkit on tapitettava koivutappeja käyttäen toisiinsa vähintään 30 cm välein, jotta puun vääntyminen kuivuessa voidaan estää. Palkkien välit saumataan joustavalla materiaalilla, jotta puupalkeille jää riittävä tila kosteuselämiseen. Laatassa käytettävän puutavaran tulee olla mahdollisimman lähellä lopullista tasapainokos- teuttaan. Sahatavaran kosteuspitoisuuden tulisi lämmitettävissä tiloissa olla korkeintaan 12%. Laatan taipumia voidaan vähentää tekemällä se jatkuvaksi. Massiivisen laatan omapaino on pieni ja palonkestävyys hyvä. Massiivista laattaa voidaan käyttää asuinrakennusten välipohjana ja maanpaineseinien vaakasuuntaiseen tukemiseen. Taulukossa 3.4 esitetyt laatat on mitoitettu olettaen, että kolme palklcia toimii yhdessä. 3.3. Kuva 3.3. Massiivinen laatta. Figure 3.3. The plate made of large size timber. Taulukko 3.4. Massiiviset puulaatat ja käytettävän sahatavaran koko, kun hyötykuonna q = 1,5 kN/m2. Laatan taipuma on rajattu arvoon 1/300. Sahatavara kuuluu lujuusluokkaan T30 ja kosteusluoklcaan 1. Mitoituksessa on oletettu, että kolme palkkia toimii yhdessä. Table 3.4. The wood plates made of large size timber. Tyyppi System Käyttö To use Jänne I Span [m] Poikkileikkaus Cross section b/h [m2] Puumenekki Vol. of timber pn3h.n21 1 Asuinrakennukset 3,6...4,8 200x125... 150 x150 0,15 \ \ N % 4 1 .. 1 2 Asuinrakennukset, julkiset tilat 3,6...4,8 25x125... 75x150 0,15 t% A i t v I t . ; • 30 1" 30 1 30 I. kerros 1 30 1. I. layer 2. kerros 30 2. layer 3. kerros 3. layer 3. kerros 3. layer kerros 2. layer I. kerros I. layer kerros 3. layer 2. kerros 2. layer 1. kerros I. layer 30 Kulmarauta, pultit 19 Välipohja voidaan tehdä myös käyttäen syrjälankutusta, jolloin lankut naulataan syrjällään kiinni toisiinsa massiivisen laatan tapaan. Näin voidaan minimoida puun kuivuessa laattaan syntyvät raot ja yksittäisten lankkujen vääntyminen. Lankut naulataan yhteen kuvan 3.4 mukaisesti. Syrjälankkulaatan kuivuessa 12 % kosteudesta 9 % kos- teuteen kutistuu 'laatta noin 7 rrfm/m. Kun tämä jakautuu kaikille nauloille, ei laattaan muodostu näkyviä rakoja. Laattaan tehtävät aukot tehdään kuvan 3.5 mukaisesti. Kuva 3.4. Syrjälankkulaatan naulaus /25/. Figure 3.4. The nailing of a plate made of vertical planks. Jakopalkki Kuva 3.5. Syrjälankkulaatan aukotus /25/. Figure 3.5. Openings in the plate made of vertical planks. 4 JÄREÄN PUUN LIITOKSET Järeän puutavaran liitosten suunnittelussa tulisi kiinnittää erityistä huomiota puun kuivumisen aiheuttamaan kutistumiseen, puun epähomogeenisuuteen, tukipintojen riittävyyteen ja puuhun tehtäviin loveuksiin. Liitoksen on kestettävä sille käytön aikana tulevat kuormat, asennuksen aiheuttamat rasitukset sekä lämpö- ja kosteusrasitukset. Keski- Euroopassa on käytössä useita erilaisia liitostekniikoita, joita Suomessa ei ole käytössä. Suomessa rakennuspuutavara on ollut poikkileikkaukseltaan pienempää kuin Keski- Euroopassa käytetty. 20 Liitokselle ja sen osille asetetaan vaatimuksia lujuuden, jäykkyyden, paloturvallisuuden, korroosionkeston, asennus- ja valmistustekniikan sekä esteettisyyden suhteen. Väliaikaisissa rakennelmissa oleville liitoksille sallitaan suuremmat siirtymät kuin pysyvissä, pitkäaikaisten kuormitusten alaisissa rakenteissa. Liitoksen korroosionkesto korostuu ulkoilmassa ja kosteissa sisätiloissa, kuten maatalouden tuotantorakennuksissa. Kantavien ja jäykistävien rakenteiden liitokset on tarvittaessa suojattava palolta. Rakenteen asennusnopeutta voidaan parantaa käyttämällä rakenteessa paljon samantyyppisiä liitoksia sekä suunnittelemalla jatkokset rakenteen vähiten rasitettuihin kohtiin, jolloin selvitään yksinkertaisilla liitoksilla. Liitettävien kappaleiden poikkileikkaus ei saa heikentyä liikaa liitoksen kohdalla. Heikennys saa yleensä olla enintään 20 % kappaleen poikkileikkausalasta. Kuvassa 4.1 on esitetty liitoksia voimansiirtokyvyn mukaan jaotelttma. Kantavi- en puurakenteiden liitokset jaetaan kontakti- ja mekaanisiin liitoksiin. Lii- maliitos on erittäin jäykkä liitos, jonka valmistus on valvonnan alaista työtä ja valmistusolosuhteet tarkoin määritelty. Suoraa kontaktia käyttäen voidaan puristuslii- tokset tehdä taloudellisesti. Mekaanisia liittimiä voidaan käyttää lähes kaikissa liitok- sissa. Kontakti- ja mekaani- set liitokset, joihin tässä esi- tyksessä keskitytään, sovel- tuvat hyvin tehtäviksi työ- maaolo suhteissa. a iS. CI> • 4=1 .1=1> • i.1 ,00011'.....• 1C1110° . • / _ osassa $0 =0 1..,•iiii- .,.._..„... ....." 4i. i a.,90 .4 0101h. .100 Ii 1111 h...k. le Kuva 4.1. Erilaisia liitoksia jaoteltuna voimiensiirtokyvyn ja liitettävien kappaleiden välisen kulman mukaan: puristusta, vetoa ja momenttia siirtävät liitokset /7/. Figure 4.1. Different joints grouped with ability for force transmission and the angle of jointed sections /7/. Metalliset liitoselimet on yleensä suojattava palolta. Paras ja usein taloudellisin tapa on sijoittaa liitoselimet järeään puuhun tehtyyn loveen siten, että ne ovat palonkestoajan puun hiiltymättömässä osassa. Liittimien päät j ätetään puun sisään j a suojataan reikiin työrmetyillä puutapeilla. Liitososien suojaamiseen voidaan käyttää puuta, puupohjaisia levyjä, teräksen palonsuojaukseen tarkoitettuja levyjä tai palonsuojamaaleja. Teräsosan lämmetessä puun syttymispisteeseen alkaa puu liitososan ympäriltä hiiltyä. Hiiltymisnopeus riippuu teräksen lämpötilasta ja teräsosan puun pintaan kohdistamasta kuormituksesta. Hiilen murtuessa sen lärnmöneristyskyky häviää ja hiiltyminen nopeutuu. Taulukossa 4.1 on esitetty joidenkin metallisten liittimien avulla tehtyjen liitosten palonkestoaikoja. 21 Taulukko 4.1. Liitosten palonkestoaikoja /8/. Table 4.1. Fire resistance times for joints /8/. Liitin Joint Palonkestoaika Fire resistance time Yleistä General Naulaliitos, suojaamaton A nailed joint, unprotected 10..-:20 min Pulttiliitos, suojaamaton Boltedjoint, unprotected 10...20 min Palonkestoaika riippuu puuosien paksuudesta. Depents on the thickness of components Vaarnaliitos A shear connector 10...20 min Toimii kuten pulttiliitos. Menettää lujuutensa pultin puristavan voiman hävittyä. As a boltet joint. Naulauslevyliitos Nail plate 10 min Naulan pituus 40 mm, puun paksuus › 45 mm. The lenght of the nail 40 mm, thickness of the wood 45 mm. Naulalevyliitos, suojaamaton Nail plate unprotected 0...10 min 4.1 Mekaanisin liittimin tehdyt liitokset Mekaanisia liittimiä ja liitososia ovat esimerkiksi naulat, naulalevyt, pultit, ruuvit, vaarnat, sinkilät sekä erilaiset metalliset liitososat ja vaneri-, pelti- sekä teräslevyt. Mekaaniset liitokset voidaan rakenteensa perusteella jakaa yksi-, kaksi- tai monileikkeisiin liitoksiin sen mukaan, kuinka monen saumapinnan kautta voimat siirtyvät. Järeissä puurakenteissa monileiklceiset liitokset ovat tehokkaita, sillä niissä liittimien kapasiteetti voidaan hyödyntää tehokkaammin. Tällöin myös mahdollisesti käytettävät liitoskappaleet saadaan pienemmiksi, materiaalikustannuksiltaan alhaisemmaksi ja liitosten mitoitus yksinkertai- semmaksi. Kosteusvaihtelut alentavat kaikkien puun mekaanisten liitosten jäykkyyttä ja mahdolli- sesti lujuutta. Jos järeän puun kosteusmuodonmuutokset estetään lujalla ja jäykällä kiinnityksellä, halkeaa puu helposti. Kun käytetään metallisia liitoselimiä, jotka eivät seuraa puun kosteusmuodonmuutoksia, on liittimien väliset etäisyydet ja liitoskappaleiden leveys kohtisuoraan puun syysuuntaan nähden pidettävä pieninä tai tehtävä liitoskappalees- sa olevat liittimien reiät soikeiksi liikemahdollisuuksien turvaamiseksi. Puun pitkittäinen lämpölaajeneminen on pientä, eikä sitä tarvitse ottaa huomioon mitoituksessa. Mikäli käytetään suuria metallisia liittimiä, on puun ja metallin lämpölaa- jenemiseroista syntyvä, syitä vastaan kohtisuora jännitys otettava huomioon. Puun lämpölaajenemiskerroin on syiden suunnassa 4...5 x 10-6 11°C ja syitä vastaan kohtisuoras- sa suunnassa 34...58 x 10' 1/°C, kun taas teräksen lämpölaajenemiskerroin on 12 x 10' 1/°C. Mekaaniset liittimet mitoitetaan plastisuusteoriaan pohjautuvan puikkoliitosteorian mukaan, jossa tarkastellaan jäykkäplastisen materiaalin ympäröimää jäyklcäplastista puikkoa, jota kuormitetaan kohtisuoraan puikon akselia vastaan. Ympäröivän materiaalin jännitysten oletetaan olevan reunapuristuslujuuden suuruisia, kun siirtymiä alkaa tapahtua. 22 Kuvassa 4.1 on esitetty jäykän ja hoikan puikon toiminta. Puikkoliitosteorialla ei voida arvioida liitoksen siirtymiä eikä puikon taipumisesta aiheutuvaa normaalivoiman liitoksen lujuutta kasvattavaa vaikutusta. Puikkoliitos voi murtua joko puun reunapuristuslujuuden ylittyessä tai puikon myödätes- sä. Puikon myötömomentti Ady saadaan kaavasta (1) 11/I = fy• Wp (1) missä fy = materiaalin myötölujuus Wp = poikkileikkauksen plastinen taivutusvastus. al sd sd s x H al I F 11111 F s Hill IIIIIIMI 1F .alinifillil FPI IMY , Kuva 4.1. I Jäykän ja II hoikan puikon toiminta. a) Siirtymät, kiertymäpiste kohdassa x, b) ulkoiset voimat, c) leikkausvoima ja d) taivutusmomentti /9/. Figure 4.1. Functioning of (1) stiff and (II) flexible pin /9/. Reunapuristusluj uudella s tarkoitetaan liittimen alla vaikuttavaa painetta, kun puu on murtunut tai siinä on tapahtunut tietyn suuruinen muodonmuutos (yleensä 3 mm). Reunapuristuslujuus on riippuvainen puun puristusluj uudesta, liittimen dimensioista, voiman ja syyn suunnan välisestä kulmasta, puun kosteudesta sekä voiman vaikutusajasta. Reunapuristuslujuus voidaan laskea Larssenin kaavalla 2, joka on tarkoitettu yli 6 mm paksuille liittimille. Puun reunapuristuslujuuden riippuvuus pyöreän puikon paksuudesta eri suuntakulmilla nähdään kuvasta 4.2. sa = sll — (s11 — ) • sin a (2) kun puun puristusluj uudet ovat s11 = 0,7 = 0,35• j' 1,5 Kuva 4.2. Puun reunapuristuslujuuden s riippu- vuus pyöreän puikon paksuudesta eri suuntalculmil- la.f, on puun puristuslujuus syysuunnassa /10/. Figure 4.2. The edge compression strength s as a function of the thickness of the pin and the angle of the forse and the grain direction /10/. Voiman suunta 23 Direction of force Syysuunta Direction of grains 0' 15' 30' 45' 60' 90' 1,0 UI 0.5 10 15 20 mm 25 a) b) i p II s, 2p . t Kuva 4.3. a) 1- sekä b) 2-leikkeisten liitoksien murtotavat /10/. Figure 4.3. a) Failure mechanism of a) single shear and b) double shear /10/. Ylcsileildceisen ja kaksileikkeisen puikkoliitoksen murtomekanismit riippuvat liitoskappa- leiden paksuuksista ja reunapuristuslujuuksista. Murtotavat on esitetty kuvassa 4.3. Voiman siirtyessä liittimeltä puulle syntyy puuhun reunapuristuksen vaikutuksesta elastisia ja plastisia muodonmuutoksia, joiden suuruus riippuu puun reunapuristuslujuudes- ta ja käytetystä liittimestä. Kun liitoksessa käytetään suoralculmaisia vaarnoja, jakautuu reunapuristus puussa lähes tasaisesti vaarnan koko pinta-alalle. Pyöreitä liittimiä käytettäes- sä oletetaan reunapuristuksen usein jakautuvan liittimen alla tasaisesti pinta-alalle Ac j (3) (3) missä d, = liittimen halkaisija dp = puun leveys tai liittimen pituus puussa. Todellisuudessa reunapuristus vaikuttaa puuhun pyöreitä liittimiä käytettäessä kaikissa pisteissä liittimen poikkileikkauksen säteen suunnassa. Reunapuristuksen suuruus riippuu kuorman vaikutussuunnasta siten, että voiman suunnassa reunapuristus on suurimmillaan ja kohtisuorassa sitä vastaan lähes nolla. Koska puun poikittainen vetolujuus on pieni, voi kuvan 4.4 a) mukainen vaalcasuuntainen voimakomponentti H aiheuttaa puuhun jännityk- sen, joka synnyttää puuhun halkeaman ja pienentää näin puun lujuutta liitosalueella. Syiden suuntainen voimakomponentti aiheuttaa puuhun leiklcausjärmityksen. Kokeellisesti on todettu, että pieniä liittimiä käytettäessä syntyvä vaakavoimakom- ponentti H on pienempi kuin käytettäessä suuria liittimiä, minkä takia usein on tarkoituk- senmukaista käyttää useita pienempiä liittimiä muutaman suuren sijasta. Mikäli liitokseen vaikuttaa voima kohtisuorassa puun syitä vastaan, murtuu puu poikittaisen vetolujuuden ylittyessä liitoksessa. Tällöin puuhun syntyy syiden suuntainen halkeama kuvan 4.4 mukaisesti. Kuvan 4.4 c) mukaisessa liitoksessa yhdelle liittimelle tuleva voima on pieni, jolloin halkeilu on vähäisempää. 24 7 H , H .F/2 F/2 ;T ri; c) Kuva 4.4. Sylinterin muotoisen liittimen alle syntyvä puristusjännitys, kun a) voima vaikuttaa puun syiden suunnassa, b) voima vaikuttaa puun syitä vastaan kohtisuorassa suunnassa, c) kuten b) -kohta, mutta liittiminä on käytetty nauloja /11/. Figure 4.4. The compression stress caused by cylinder connector /11/. Kun käytetään useita liittimiä jonossa kuorman vaikutussuunnassa, jakautuu kuorma liittimille epätasaisesti. Kuormien jakautuminen yksittäisille liittimille riippuu liitoksessa olevien osien jäykkyyksistä, liittimien sijoittelusta, liittimien määrästä ja yksittäisen liittimen kuorma-siirtymä-käyttäytymisestä. Reunimmaiset liittimet kantavat suurimman osan kuormista. 4.1.1 Naulalevyliitokset Naula- ja piikkilevyjä voidaan käyttää järeän puun liitoksissa, kun liitettävä puu on lähellä lopullisen käyttötilansa tasapainokosteutta. Kuvassa 4.5 on esitetty erilaisia naula- ja piikkilevyliitoksia. Järeän puun vääntyminen kuivuessaan heikentää liitoksien lujuutta lyhyiden naulojen vääntyessä irti puusta liitospinnan lähistöltä. Kun lisäksi siirrettävät voimat ovat yleensä suuria, rajoittuu naulalevyjen käyttö järeän sahatavaran yhteydessä puristusliitosten varmistamiseen ja liitosalueiden vahvistamiseen. Naulalevyt estävät puun halkeilua sen kuivuessa ja kutistuessa sekä tasaavat tästä johtuvia sisäisiä jännityksiä. Kuva 4.5. Naulalevy- ja piikkilevyliitoksia. Figure 4.5. Nail plate joints. 25 Naulalevyjä voidaan käyttää halkeilleen puun ja pulttiliitosten vahvistuksessa. Pulttilii- toksia vahvistettaessa naulalevy puristetaan liitosalueelle, ja sen läpi porataan pultille reikä. Piildcilevy soveltuu järeän puun liitoksiin naulalevyä paremmin, koska sillä voidaan siirtää suurempia voimia. Piikkilevyyn kuuluu noin 10 mm paksu teräslevy, johon hitsataan kartiopäiset naulat kiinni. Piikkilevyn puristamiseen tarvittava voima on suurempi kujn naulalevyjä puristettaesså, sillä käytettävät naulat ovat 40 mm pitkiä. Levy sijoitetaan yleensä liitettävien osien väliin, jolloin liitoksen palonkesto ja ulkonäkö on normaalia puun pintaan tehtyä liitosta parempi. Piikkilevyä mitoitettaessa voidaan voiman olettaa jakautuvan tasan kaikille liittimille, sillä jäykkä teräslevy tasoittaa myötääviin puikkoihin kohdistuvat voimat. Piildcilevyj en kyky vastustaa järeän puun vääntymistä riippuu naulojen mMrästä ja tartuntalujuudesta sekä teräslevyn paksuudesta. Järeän puun kosteusmuodon- muutokset eivät yleensä aiheuta ongelmia, sillä piiklcilevyn naulat tasaavat syntyvät jännitykset suuremmalle alalle. Piikkilevyjä voidaan käyttää järeästä sahatavarasta tehdyissä kehänurkissa, palkin jatkoksissa ja pilari-palkki-liitoksissa. 4.1.2 Naula- ja naulauslevyliitokset Naulat ovat yleisin puun liitoksissa käytetty liitintyyppi. Liitoksen lujuus riippuu käytetystä puutavarasta, nauloista ja ympäristöolosuhteista. Naulauslevyliitokset tehdään naulaamalla pelti-, teräs- tai vanerilevyt liitettävien kappaleiden ympärille tai sisälle, jolloin liitos saadaan monileikkeiseksi. Naulauslevyjen avulla voidaan tehdä myös jäykkä liitos. Naulauslevyt saattavat estää järeän puun kosteusmuodonmuutoksia, jolloin liitettävät kappaleet halkeilevat. Liitoksessa olevat naulat jakavat halkeilun kuitenkin tasaisemmin puuhun. Naulauslevyliitoksen palonkesto on hyvä, mikäli metalliset naulauslevyt sijoitetaan puuhun tehtyihin sahauksiin tai käytetään vaneria naulauslevynä. Kuvassa 4.6 on esitetty erilaisia naulauslevyliitoksia. Naulauslevyt voivat olla peltiä tai ohutta terästä (t <2 mm), jolloin naulat lyödään niiden läpi ilman reikien esiporausta. Molempia materiaaleja käytetään monileikkeisissä liitoksissa, jolloin puuhun tehtyihin loviin sijoitetaan levyt, jotka naulataan puun pinnasta normaalisti. Levyjä varten tehtävät sahaukset saavat olla enintään 1 mm:n levyjä palcsum- mat, ja levyt voidaan sijoittaa vähintään 20 mm:n etäisyydelle puun ulkoreunoista ja toisistaan. Tehtäessä naulauslevyliitos säälle alttiina olevaan rakenteeseen huonontavat sahausurat rakenteen pitkäaikaiskestävyyttä, sillä vesi pääsee kerääntymään niihin. Ohuita metallilevyjä käytettäessä liitoksella voidaan saavuttaa suurikin kuormien siirtokyky, ja sen palonkestävyys on hyvä metallisten liitososien ollessa .puun sisällä suojassa. Toinen naulauslevymalli on paksummasta teräksestä tehty esiporattu levy. Tällainen levy voidaan sijoittaa joko puuhun tehtyyn sahaukseen tai puun pintaan. Puun pintaan sijoitettu metallilevy on palotilanteessa huono ja korroosioaltis, mutta naulaaniinen on helppoa. Kun naulauslevyliitoksessa käytetään puun pintaan asennettuja esiporattuja metallilevyjä, on nauloj en päiden oltava kartiomaisia, jotta liitos saadaan tiukaksi: : I . rffi IL rd ' ra OF VA 26 Kuva 4.6. Erilaisia naulauslevyliitoksia Figure 4.6. Connection plates. Keski-Euroopassa ja Ruotsissa käytetään runsaasti vaneria naulauslevynä. Vanerin etuna muihin puutuotteisiin nähden on pienet kosteusmuodonmuutokset ristikkäisistä viilukerrok- sista johtuen. Vanerin pituussuuntaiseksi kosteusmuodonmuutokseksi voidaan yleensä olettaa enintään 1 mm/m, kun paksuussuunnassa levyn muodonmuutos on noin 5 % kosteuden kasvaessa 5 prosentista 15 prosenttiin. Vanerilevyt naulataan yleensä liitettävien kappaleiden sivuille, mutta ne voidaan myös sijoittaa liitettäviin kappaleisiin tehtyihin sahausui-iin. Liitosta ei yleensä voi tehdä monileikkeiseksi vanerin paksuudesta johtuen. Vaneria voidaan käyttää liitosalueen vahvistamiseen, sillä sen reunapuristuslujuus on suurempi kuin puun, sekä halkeilleen puun vahvistamiseen. Naulauslevyjen yhteydessä käytettävät naulat ovat yleensä teräväkärkisiä, pyöreitä nauloja, joiden paksuus on 2,5...4 mm. Naulan lujuudesta riippuen voidaan tavallisesti yhdellä naulalla lävistää korkeintaan kolme pelti- tai ohutta teräslevyä. Käytettäessä naulauslevynä puun sisään asennettuja metallilevyjä on naulaus tehtävä huolellisesti, jotta naulat saadaan lyödyksi vääntymättöminä levyjen läpi. Mikäli käytettävien naulojen paksuus on yli 4...6 mm, tulee niille porata 0,5...0.,8 mm naulan paksuutta pienemmät reiät. 27 Tällöin puun halkeamisvaara naulaa lyötäessä vähenee, ja naulojen keskinäisiä etäisyyksiä voidaan pienentää noin 30 %. (Nauloj en vähimmäisetäisyydet on esitetty SRalcMK:n osassa B10.) Teräslevyn ja puun naulaliitoksessa voidaan naulojen keskinäisiä etäisyyksiä pienentää 30 %, sekä vanerin ja puun liitoksessa vastaavasti 20 %. Puun kuivuminen ei vaikuta naulojen leikkauslujuuteen. Järeän puun kuivuessa syntyy liitettävien kappaleiden väliin kuitenkin rako, joka pienentää liitoksen lujuutta ja jäykkyyt- tä. Ristikkäin naulattuihin puihin syntyy lisäksi liitoksen lujuutta pienentäviä halkeamia, minkä takia naulaus on pyrittävä tekemään siinä kosteustilassa, johon liitoksen oletetaan joutuvan kuormitetttma. Jos rakenteen kosteus vaihtelee, on liitos syytä sijoittaa siten, että se voidaan tarkistaa ja tarvittaessa vahvistaa. Naulat voidaan mitoittaa puildcoliitosteorian mukaan, mutta niiden ominaisleikkauslujuuksia on esitetty myös kirjallisuudessa taulukon 4.1 mukaisesti /12/. Taulukko 4.1. Nelikulmaisten lankanaulojen ominaisleilckauslujuuksia. Kuorman aikaluokassa A kerrotaan arvot 0,7:11ä ja aikaluokassa C 1,7:1111. Käytettäessä profiloimattomia pyöreitä nauloja kerrotaan taulukon arvot 0,8:11a /12/. Table 4.1. The characteristic nail loads for quadrangular nails according to /12/. Naula Paksuus Thickness d (mm) Nail Pituus Length L (mm) Ominaisleikkauslujuus [N] Characteristic shear strenght Kosteusluokat Moisture class 1 ja 2 Kosteusluolcka Moisture class 3 Kosteusluoklca Moisture class 4 3,4 100 1000 880 680 4,2 125 1430 1260 970 5,1 150 1990 1750 1360 5,5 175 2270 2000 1540 6,0 225 2630 2310 1790 6,5 250 3010 2650 2050 Järeiden puurakenteiden liitokset siirtävät suuria voimia, jolloin naulojen määrä ja liitoksen koko kasvavat. Esiporaamalla naulojen reiät voidaan naulat sijoittaa lähemmäksi toisiaan, jolloin liitoksen koko pienenee. Järeän puun liitoksissa naulojen pituus on yleensä suurempi kuin normaalia sahatavaraa liitettäessä, jolloin naulauslevyliitosten teko käsin naulaamalla on raskas työvaihe. Nykyiset paineilmanaulaimet antavat mahdollisuuden naulata jopa 160 mm pitkiä nauloja. Näiden erityisnaulojen ominaisuudet vastaavat tavallisten naulojen ominaisuuksia. 4.1.3 Pulttiliitoks et Pulttiliitokset soveltuvat hyvin j äreiden puuralcenteiden liitoksiksi, jos liitosten j äykkyydelle ei aseteta vaatimuksia. Pultti asennetaan halkaisijaansa korkeintaan 1 mm:n suurempaan reikään. Liitos kiristetään mutterin avulla. Mutterin ja pultin kannan alla käytetään aluslevyä. Pulttiliitoksen siirtymät ovat suuret johtuen pultin reiän alkuväljyydestä sekä liitettävien kappaleiden kuivumiskutistumisesta. Pultin siirtymä ilman ulkopuolista Kuva 4.7. Erilaisia pulttiliitoksia. Figure 4.7. Examples of bolt joints. 28 kuormitåsta saattaa näin olla 0,5...1 mm. Suurten muodonmuutosten takia pultteja ja ruuveja ei yleensä käytetä yksin pysyvien rakenteiden liitoksissa, vaan hitosten jäykkyyttä parannetaan vaarnojen tai metallisten liitoselimien avulla. Pulttiliitoksen palonkestoaika riippuu puuosien paksuudesta siten, että 185 mm leveä liimapuu alkaa hiiltyä pultin ympäriltä noin 15...20 minuutin kuluttua palon alkamisesta, kun normaali sahatavara hiiltyy jo muutaman minuutin kuluttua /10/. Pulttiliitoksen ulkonäkö riippuu käytettyjen aluslevy- jen muodosta sekä pulttien sijoittelusta. Järeää puuta käytettäessä pulttiliitoksilla voidaan tehdä kehänurkkien liitokset ja pilari-palkki-liitokset, palkkien jatkokset kuvan 4.7 mukaisesti. Kun pultit sijoitetaan vierekkäin puun syysuuntaan nähden kohtisuorassa suunnassa, tulee välttää tarpeettoman suuria pulttien etäisyyksiä. Tämä korostuu käytettäessä liitoksessa teräslevyjä, jotka estävät järeän puun kosteusmuodonmuutokset. Koska pulttiliitoksissa pulttien määrä on yleensä vähäinen, kasvavat puun kutistumisesta ja vääntymisestä johtuvat jännitykset liittimien kohdalla suuriksi, jolloin poikittaisen vetojännityksen ylittäessä puun lujuuden seurauksena on yleensä yksittäinen suuri halkeama. Tällöin liitoksen lujuus alenee ja siirtymät kasvavat. Pulttiliitokset tulee suunnitella siten, ettei puu kutistuttuaan irtoa tuelta ja jää "roikkumaan" liittimien varaan. Liitettävien puiden kuivuttua tulee olla mahdollista kiristää pulttiliitoksia myöhemmin. Pulttien lujuus määräytyy pultin materiaalin, lämpökäsittelyn ja valmistustavan mukaan. Pulttien hinta riippuu puolestaan materiaalista, pinnoituksesta, lujuusluokasta ja koosta. Kantavien rakenteiden liitoksissa käytettävien pulttien tulee olla halkaisijaltaan vähintään 12 mm, ja yleensä tulee käyttää vähintään kahta puhtia. Pulttien yhteydessä käytettävien aluslevyjen on oltava vähintään 0,3d paksuja ja halkaisijaltaan vähintään 3d, missä d on pultin halkaisija. Aluslevy mitoitetaan alla olevan puun leimapuristuslujuuden perusteella. Alle 5 mm paksua aluslevyä ei saa käyttää. 29 Sekä puun että pultin laatu vaikuttaa pulttiliitoksen lujuuteen. Liitoksen lujuuteen vaikut- taa myös liitettävien osien paksuus, erityisesti liitososien ja liitettävien kappaleiden paksuuksien suhde. Järeän puun pulttiliitokset kannattaa yleensä tehdä monileikkeisiksi, jolloin pulttien kapasiteetti voidaan hyödyntää paremmin. Pultteja varten tehtävät reiät heikentävät liitettävien kappaleiden poikkileikkausta, jolloin pultteja ei voida sijoittaa useaan vierekkäiseen riviin. Syiden suuntaisen voiman vaikuttaessa liitokseen tulisi kriittisessä poilddleikkauksessa jäljellä olevan puun poilckileikkausalmi olla vähintään 80 % alkuperäisestä. Mikäli pulttien avulla siirretään suuria voimia, lisääntyy pulttien määrä, ja liitokset saattavat muodostua määrääväksi tekijäksi myös liitettäviä kappaleita mitoitettaes- sa. Pulttien minimietäisyydet toisistaan ja puun reunoista on esitetty RakMK:n osassa B10. Pultin reiän reunapuristuslujuus riippuu pultin reiän koosta ja laadusta. Yli 1 mm väljä pultin reikä aiheuttaa epätasaisen reunapuristuksen pultin alla, ja pukin halkaisijaa pienempi reikä aiheuttaa puun halkeilua puhtia asennettaessa. Yleensä pultin reikä tulee tehdä ilman tarpeetonta väljyyttä. Pulttiliitokset mitoitetaan puikkoliitosteorian mukaan. Laskettuun lujuuteen verrattuna kestää järeiden puurakenteiden pulttiliitos selvästi enemmän, mutta liukumat kasvavat tällöin niin suuriksi, että normaalitapauksissa liitoksen kapasiteettia ei voida täysin hyödyntää. Pulttiliitos voidaan mitoittaa myös RakMK:n osan B10 mukaisesti. Kosteus- ja aikaluokan vaikutus otetaan huomioon erillisillä korjauskertoimilla. Mikäli pulttiliitok- sessa käytetään teräksisiä liitososia, kasvaa liitoksen lujuus syiden suunnassa 25 % ja liitoksen siirtymät pienenevät. Voiman vaikuttaessa syitä vastaan kohtisuorassa suunnassa ei liitoksen lujuus muutu. Jos pulttiliitokseen kohdistuu myös pultin suuntaista normaali- voimaa, puhti mitoitetaan teräsrakermeosana. Järeiden puurakenteiden liitoksissa voidaan käyttää myös ruuveja. Ruuvien etuna nauloi- hin nähden on, että ruuvit voidaan kiristää puun kuivuttua. Ruuvit voivat olla itseporautuvia tai esiporattuun reikään asermettavia. Esiporatun ruuvin reiän tulee olla noin 20 % pienempi kuin ruuvin kierteettömän osan halkaisija. Ruuviliitosten suunnittelussa käytetään pulttien mitoitusohjeita. Ruuvien tartuntalujuus riippuu puun tiheydestä, asennussyvyydestä ja ruuvin halkaisijasta. Ruuveja ei tulisi käyttää puun päässä syiden suunnassa. 4.1.4 V aarnaliitoks et Vaarnaliitokset sopivat hyvin järeiden puurakenteiden liitoksiin, sillä niiden alkusiirtymät jäävät pienemmiksi kuin pulttiliitoksien. Vaamaliitos on perinteinen liitos, jonka käyttö Suomessa on nykyään vähäistä, vaikka Keski-Euroopassa on vielä käytössä useita erilaisia vaamatyyppejä. Vaarnat voivat olla joko puuhun puristettavia tai valmiiseen uraan tai ko- loon asennettavia. Vanhimmat ja yksinkertaisimmat vaarnatyypit ovat porattuun reikään asennettava tappivaama ja suorakaidevaarna. Näiden lisäksi on viime vuosisadalta alkaen kehitetty useita erilaisia vaarnatyyppejä, joista nykyään yleisimmin käytettyjä ovat rengas-, lautas- ja hammasvaarnat. Kuvassa 4.8 on esitetty erilaisia vaamoja. a) b) Kuva 4.9. Vaarnaliitoksin koottu kehänurkka: a) oikea ratkaisu ja b) virheellinen ratkaisu /9/. Figure 4.9. A frame corner which is jointed with shear connector: a) a right solution b) wrong solution /9/. 30 Kuva 4.8. Erilaisia vaarnatyyppejä. Figure 4.8. Examples of shear connectors. Ennen vaarnaliitolcsen valmistusta liitettävät kappaleet tulisi tnsapainottaa mahdollisimman lähelle lopullisen käyttötilansa kosteutta. Mikäli vaarnaliitoksia joudutaan tekemään kosteaan puuhun, on liitosten jatkuva tarkkailu ja ylläpito tärkeää siihen asti, kunnes puu on saavuttanut tasapainokosteuden ympäristönsä kanssa, tavallisesti ensimmäisen vuoden ajan. Kutistumisen seurauksena liitos pyrkii aukeamaan, jolloin liitoksen ylläpidolla tarkoitetaan liitettävien kappaleiden halkeamien tarkistamista ja sidepulttien kiristämistä tarvittaessa. Käytännössä tämä merkitsee myös sitä, että liitoksen kiristämismahdollisuus on järjestettävä rakenteellisesti. Järeissä puurakenteissa tulee välttää liitoksia, joissa reunimmaisten vaarnojen etäisyys kohtisuoraan puun syysuuntaan nähden on suuri. Puu halkeaa helposti kuvan 4.9 mukaisesti, mikäli sen kosteus- muodonmuutokset estetään. Koska järeä sahatavara pyrkii vääntymään kuivues- saan, syntyy sidepultteihin vetojännitys niiden estäessä liitettyj en puiden väänty- misen irti toisistaan. 31 4.1.4.1 Tappivaarnaliitokset Tappivaarnaliitoksessa leikkausvoima siirretään kappaleiden välillä pyöreän puikon välityksellä. Perirmerakentamisessa käytetyt tapit tehtiin puusta, Suomessa yleensä koivusta. Nykyään tappivaamat tehdään teräksestä. Tapit asennetaan lyömällä ne hal- kaisij aansa noin 0,2...0,5 mm pienempään reikään. Tappivaamat pyöristetään päistään, jotta niitä asennettaessa liitettävä puu ei rikkoudu asennusreiän ympäriltä. Sidepultit estävät järeän puun kosteusmuodonmuutosten, kutistumisen ja vääntymisen, aiheuttaman liitoksen aukeamisen. Tappivaamojen minimietäisyyksille puun reunoista ja toisistaan pätevät pulteille asetetut ehdot. Järeissä puurakenteissa tappivaamoilla saadaan kaunis, taloudelli- nen, luja, jäykkä ja paloteknisesti toimiva liitos. Tappivaamaliitoksia voidaan käyttää kehänurkissa, pilari-palkki-liitoksissa ja palkkien jatkoksissa kuvan 4.10 mukaisesti. Kuva 4.10. Erilaisia tappivaarnaliitoksia. Figure 4.10. Examples of dowel shear connectors. Puisten tappivaamoj en halkaisija on 20...40 mm. Yleensä tappeihin käytettävä puu on uuni- kuivaa puuta, jolloin tapit imevät rakenteessa kosteutta päästäkseen tasapainokosteuteen muun rakenteen kanssa ja turpoavat. Tällöin liitos kiristyy. Puisten tappivaamojen lujuus riippuu niiden tekotavasta. Tappivaamat tulee sahata tai lohkaista suoraan syiden suunnassa niin, että syyt säilyvät ehjinä. Tapit voivat olla pyöreitä, suorakaiteen muotoisia tai moni- kulmioita, mutta jäykin liitos saadaan suorakaiteen muotoisilla tapeilla, jotka liitettävään kappaleeseen lyötäessä painuvat nurkistaan. Suorakaiteen muotoiset tapit asennetaan pitkä sivu puun pituussuuntaan. Tällöin tappien liitettäviin puihin aiheuttama reunapyistus 32 keskittyy syiden suuntaan, ja liitoksessa usein mitoittavaksi tuleva syitä vastaan kohtisuora veto jää pieneksi. Puisia tappeja käytetään hirsirakentamisessa, huonekaluteollisuudessa ja esimerkiksi massiivisessa laatassa paheiden välisenä liitoksena. Terästappeina käytetään sileää tai uritettua pyörötankoa (Fe37), jonka paksuus on yleensä 8...30 mm. Terästappien käyttö on hyvin yleistä Keski-Euroopassa järeiden puurakenteiden liitoksissa. Tappeja käyttämällä voidaan tehdä esimerkiksi palkin jatkokset ja kehänurkat j äykiksi. Kantaviin rakenteisiin tehtävissä liitoksissa on käytettävä vähintään neljää, halkaisijal- taan 8 mm olevaa tappivaamaa sekä sidepulttia, jota ei oteta huomioon liitoksen mitoituk- sessa. Tappivaarnaliitokset mitoitetaan puikkoliitosteorian mukaisesti. Vaarnaliitoksen siirtymät lasketaan pulttiliitosten tapaan. Koska tappivaamat lyödään aina halkaisijaansa pienempään reikään, ei niiden siirtymiä laskettaessa oteta huomioon liitoksen alkuväljyyttä. Tappivaamoja varten tehtävät reiät ja tappien ympärille syntyvät halkeamat heikentävät liitettävien kappaleiden poikkileikkausta. Kun tappivaamojen avulla siirretään suuria voimia, on vaarnojen määrä usein niin suuri, että liitettävien kappaleiden poikkileikkausta joudutaan kasvattamaan, jotta puun heikennykset eivät muodostu sallittua suuremmiksi. Liitokset tulee lisäksi suunnitella niin, että puuta halkaiseva poikittainen vetojännitys on mahdollisimman pieni. Koska tappivaamojen lukumäärä liitoksessa on yleensä suuri, jakautuu liitokseen vaikuttava voima useammalle liittimelle, jolloin puun halkeilu jakautuu tasaisemmin puun poildcileikkaukseen kuin pulttiliitoksessa, ja halkeamat jäävät pienem- miksi. Vaamaliitoksissa voidaan käyttää puun sisään sahattuihin uriin asennettavia teräslevyjä. Teräslevyjä käytettäessä porataan niihin vaarnan kokoiset reiät. Liitos on koottava heti puun porauksen jälkeen, sillä pienetkin puun kosteusmuodonmuutokset hankaloittavat vaamojen asentamista. Teräslevyj en avulla liitos saadaan monileikkeiseksi, jolloin yksittäisten vaamojen kapasiteetti hyödynnetään parhaiten. Tällöin tulee puussa poikittaissuunnassa olevien reunimmaisten vaamoj en etäisyyden toisistaan olla mahdollisimman pieni, jotta puu ei kuivuessaan ja kutistuessaan haikea. Mikäli käytettävä teräslevy on jäykkä, estää se järeän puun poikkileikkauksen vääntymisen, jolloin puuhun syntyy lisäjännityksiä ja seurauksena saattaa olla puun halkeilua. Liitoksen palonkesto säilyy teräslevyjen ollessa puun sisällä. Teräksen sijasta käytetään liitoksissa myös koivuvanerilevyjä, joiden reunapuristuslujuus on parempi kuin puun. Esimerkiksi käytettäessä halkaisijaltaan 6 mm olevia liittimiä, on koivuvanerin reunapuristuslujuus 20 N/mm2. Vaneria käytettäessä voivat pienet kosteus- muodonmuutokset liitettävissä kappaleissa tapahtua ilman vaurioita kappaleessa 4.1.2 esitettyyn tapaan. Saksassa käytetään järeää puuta ja liimapuuta liitettäessä tappivaamoihin ja metallilevyi- hin perustuvaa liitostelcniikkaa, joka tunnetaan kaupallisella nimellä BSB. Tällöin liitettäviin puihin sahataan raot 5 mm paksuja teräslevyjä (Fe37) varten. Levyjen välinen etäisyys on vähintään 40 mm, ja levyjen määrä korkeintaan 8. Levyihin tehdään reiät Kuva 4.11. BSB-liitos /13/. Figure 4.11. BSB-joint /13/. < I I I: 6, ' 56 • • --r; --. 6.• • Kuva 4.12. Liimatulla vanerilla vahvistettu tappivaarnaliitos /4/. Figure 4.12. A dowel joint which is strengthened with glued plywood /4/. 33 6,3 mm paksuja vaarnoja (Fe37) varten ja liitettäviin kappaleisiin 6 mm:n kokoiset reiät tarkasti samoihin kohtiin. Tämän jälkeen teräslevyt asetetaan paikoilleen ja vaamat puristetaan reikiin. Liitoksen lujuus määräytyy käytettävien levyjen ja vaarnojen määrän perusteella. BSB-liitoksessa ei käytetä sidepultteja, vaan liitokseri löystyminen estyy vaarnojen taipuessa voiman vaikutuk- sesta, jolloin ne pysyvät tiukasti paikoillaan puun kutistuessa ja vääntyessä. BSB-liitos on esitetty kuvassa 4.11. Saksassa on tutkittu tappivaarnallitoksien lujuuden kasvattamista käyttämällä liitettäviin kappaleisiin liitospinnoille kuvan 4.12 mukaisesti liimattavaa erikoistiheätä vaneria. Puuhun liimatun vanerin toiminta liitoksessa perustuu liitosalueen halkeilun vähenemiseen puun poikittaisen vetolujuuden kasvaessa sekä puun reunapuristuslujuuden kasvamiseen suurimman reunapuristuksen alueella. Käytettäessä liitospirmoille liimattua vaneria, voidaan kasvattaa liittimiä ja vähentää niiden määrää ilman halkeiluvaaraa /6/. 4.1.4.2 Hammas-, ura- ja suorakaidevaarnaliitokset Vaarnat voivat olla valmiiseen uraan, koloon tai reikään asermettavia, pakkokeinoin puuhun puristettavia tai näiden yhdistelmiä. Valmiiseen koloon tai uraan asermettavia vaarnoja ovat suorakaide-, rengas- ja lautasvaamat. Vanhin vaamatyyppi on niin sanottu kirvesmiesvaar- na tai suorakaidevaarna, joka tehdään kovasta, hyvin kuivatusta puusta, Suomessa yleensä koivusta. Puisten suorakaidevaarnojen käyttö on nykyään melko vähäistä. Sen sijaan käytetään T-muotoisia teräsvaarnoja, jotka leikataan sopivista profiilitangoista, sekä rengas- ja lautasvaarnoja. Pakkokeinoin puuhun puristetaan erilaiset hammaslevyt. Vaarnoja käytetään liitettäessä järeää puuta puuhun, teräkseen tai betoniin. Vaarnaliitoksia voidaan käyttää järeästä sahatavarasta tehdyissä kehänurkissa, pilari-palkki-liitoksissa ja palkin jatkoksissa. Kuvassa 4.13 on esitetty erilaisia vaamaliitoksia. 1 I c) 34 Kuva 4.13. Erilaisia vaarnaliitoksia. Vaarnana a) suorakaidevaarna, b) rengasvaarna ja lautasvaarna sekä c) hammasvaarna. Figure 4.13. Examples of shear connectors: a) rectangular shear connector, b) ring shear connector, c) toothed shear connector. Vaarnat kasvattavat liitoksen kantokykyä jakamalla rasituksia suuremmalle alalle kuin esimerkiksi pulttiliitoksessa. Pääosa vaarnaliitokseen vaikuttavasta voimasta siirretään liitettävältä kappaleelta toiselle vaarnoj en avulla. Liitoksessa käytetyt pultit pitävät liitettäviä kappaleita yhdessä puun kutistuessa ja vääntyessä sekä kantavat vaarnaan syntyvästä momentista aiheutuvan saumapintaa vasten kohtisuoran voimakomponentin. Vaarnaliitoksen lujuus riippuu vaarnojen koosta ja tyypistä, puulajista, vaarnojen etäisyy- destä toisistaan ja liitettävien puiden päistä, kuorman vaikutussuunnan ja puun syysuunnan 35 välisestä kulmasta sekä mm. puun kosteudesta ja sen vaihtelusta. Vaarnojen etäisyyksille toisistaan ja puun reunoista on asetettu minimiarvot. Suorakaide- ja T-vaarnojen asermuskolot tehdään yleensä jyrsimen, poran, sahan tai taltan avulla. Suorakaidevaarnoja voidaan käyttää esimerkiksi järeissä vaarnapalkeissa. Vaarnat mitoitetaan liitettävieniappaleiden syiden suuntaisen puristuslujuudenfc perus- teella, jolloin voidaan laskea vaarnan vähimmäiskorkeus liitettävissä kappaleissa (4) t > d f c b 4) Kaavassa esiintyvät merkinnät selviävät kuvasta 4.14. Suorakaidevaarnan tulee olla mah- dollisimman matala, jotta liitettävien kappaleiden poildcileikkauksien heikennys ja vaarnaan syntyvä momentti jäävät minimiin. Suorakaidevaarnan hoikkuuden /d /t, tulee olla suurempi kuin 5. Tällöin vaarnaan syntyvä momentti jää niin pieneksi, että 2 sidepultiksi riittää yleensä hal- kaisij altaan 12...16 mm paksu puhti. Suorakaidevaarnaliitosten jäykkyys riippuu vaarnaa varten tehdyn kolon tarkkuudesta ja D --LL" • d mahdollisista puun kosteus- muodonmuutoksista. Suora - Kuva 4.14. Suorakaidevaarnan jännitysjakauma /11/. kaidevaarnan mitoitulcsessa tu- Figure 4.14. The stress distribution on rectangular shear lee tarkistaa, että: connector 11/. liitettävien puiden syiden suuntainen puristuslujuusfc ei ylity. F f, • t d •b (5) vaarnan leikkauslujuusf,,„„r. ei ylity. F fv,vaarna . d " b (6) puun syitä vastaan kohtisuora puristuslujuus fciei ylity vaarnaan syntyvän taivutusmomentin ansioista. F f,1•1d2 •b I (6td) (7) liitosta koossapitävä puhti kantaa kohtisuoraan liitospintaa vasten vaikuttavan voiman, jonka aiheuttaa vaarnaan syntyvä taivutusmomentti. liitettävien kappaleiden lujuus ei ylity jäljellä olevassa poiklcileikkauksessa. Poildcileikkausala saadaan vähentämällä vaarnan kohtisuoran projektion ala sekä mahdolliset oksat kappaleen alasta. d 36 Valmiiseen uraan tai koloon asennettavien erityisvaarnojen asennusurat tehdään pultin reiän porauksen jälkeen jyrsimellä, jossa käytetään vaarnojen valmistajalta saatavaa eri- tyisterää. Rengasvaarna asetetaan puoliksi kumpaankin liitettävään kappaleeseen tehtyyn uraan. Rengasvaarna on poikkileikkaukseltaan kartion muotoinen ympyrärengas, joka katkaistuna voi liikkua urassaan järeän puun kosteusliikkeiden mukaan. Lautasvaarnoja käytetään pareittain liitospinnan molemmin puolin. Liitettäessä puuta teräkseen käytetään vain yhtä lautasvaarnaa. Valmiiseen uraan asennettavien vaarnojen liitoksien lujuus riippuu puun leikkaus- ja pu- ristuslujuudesta, joiksi oletetaan vaarnan leikkauskapasiteettia määritettäessä 2 ja 17 1\l/mm2. Vaarna puristuu voiman suunnassa olevaan puuhun. Renkaan voimaa vastaanottavana pintana on joko vaarnan sisä- tai ulkopinta. Mikäli vaarnojen taulukossa 8 esitetyt minimietäisyydet toteutuvat, voidaan vaarnat mitoittaa yksistään pintapuristuksen perusteella. Rengasvaarnaliitoksissa vaarnan lujuuteen lisätään pultin leikkauslujuus, lautasvaarnaliitoksissa pultin lujuutta ei oteta huomioon. Liitettävien osien leveys vaikuttaa liitoksen lujuuteen. Taulukko 4.2. Rengasvaarnaliitoksiin liittyvien mittojen pienimpiä ja suurimpia arvoja /10/. Table 4.2. Maximum and minimum dimensions of ring connector joints /10/. Renkaan ulkohal- kaisija Outer Porattavan uurteen ui- kohalkaisija Outer Renkaan suurin sallittu leveys Max. Porattavan uurteen leveys Width of Pienin sallit- tu pultin halkaisija Min. Pienin puutavaran paksuus Min. thickness of wood (mm) diameter of diameter of allowed groove allowed Sivupuu Keskipuu ring groove width of ring diameter of Side Middle D D b screw mm mm mm mm mm 66 67 19 4,5 10 38 50 100 102 26 5,5 16 38 50 125 127 28 6,5 16 50 63 150 153 32 6,5 16 50 63 175 178 36 7,0 19 63 75 Puun tiheys vaikuttaa suuresti rengasvaarnaliitoksen lujuuteen. Jos voima vaikuttaa tietyssä kulmassa vaarnaliitokseen, lasketaan liitoksen lujuus Hankinsonin kaavalla. Leikkausvoi- man vaikuttaessa liitokseen vinosti syiden suuntaan nähden silloin, kun tukipiste ei ole liitoksen kohdalla estämässä puun halkeamista, rajoitetaan syiden suuntaa vastaan vaikuttavaa leikkausvoimakomponenttia V kaavan (8) avulla V —2 f •b • t 3 v e missä f, = puun leikkauslujuus be = vaarnan ulkoreunan etäisyys puun kuormitetusta reunasta t = puun paksuus. (8) 37 Rengasvaarnoja ja hammasvaarno- ja voidaan käyttää myös pääty- puussa liitettäessä palkkia jatku- Pultit vaan pilariin tai sekundääripalkkia Ml? >120flirn 030mm Rengasvaarna 0 65mm Reikä primääriin kuvan 21 mukaisesti. Liitoksen muodostavat palkkien väliin asermetut ø 65...126 mm rengasvaarnat, sidepultit M12 sekä näiden vastakappaleet, joina yleen- Vastakappaleet sä käytetään noin 90 mm pitkiä ja 030mm (2330 mm terästankoja, joissa kier- teet ovat halkaisijan suunnassa. Kuva 4.15. Palkin vaarnaliitos toisen palkin kylkeen /7/. Näin tehty liitos on kaunis ja palo_ Figure 4.15. A shear connection of a beam to the side of another teknisesti hyvä. beam. Päätypuuhun tehdyn rengasvaarnaliitoksen mitoitusohjeet on johdettu kokeellisesti liima- puulle käyttäen vähintään varrnuuskerrointa 2,75. Mitoitettaessa järeisiin puurakenteisiin tehtäviä liitoksia jää varmuuskerroin pienemmäksi puun pienemmän lujuuden takia. Järeän sahatavaran päätyhalkeilun takia tulee vastakappaleen vapaan välin pituuden olla vähintään 120 mm. Yhtä vaamaa kohti tuleva sallittu leiklcausvoima (9) on F= 5,76(10D + b)+ 29, 4e (9) missä D = vaarnan halkaisija b = sekundääripalkin leveys [mm], 1,6Ds b s 4,4D er = vaarnan etäisyys palkin reunasta [mm], 0,8Dsers2,2D /9/. Mikäli sekundääripalkin leveydelle ja vaarnan etäisyydelle palkin reunasta asetetut ehdot eivät toteudu, käytetään korjauskertoimia : Jos vaamoja on 3...5 peräkkäin samassa rivissä, lisätään kaavaan (9) kerroin = 1,2. Jos palkkien välinen kulma a pienenee (450s a s 900), kasvaa liitoksen lujuus kertoimella ko 1 ko = F o sin2 a + cos2 (a=0°) missä F (a= o.) on rengasvaarnaliitokselle sallittu leikkauslujuus päätypuussa F( = 900) on puurakenteiden suunnitteluohjeen mukaan määritetty rengasvaar- nan sallittu leikkauslujuus puun syysuurmassa. (10) 38 Puuhun puristettavien vaarnojen asennuksessa käytetään hydraulisia puristimia, ruuvipuristimia tai erikoislujia pultteja. Hammasvaarnan puristaminen havupuuhun vaatii noin 5 Nimm2 puristuspaineen koko vaarnan alalle. Pienten vaamojen puristamiseen riittää erikoisluja pultti, jolloin pultin aluslevyjen on oltava vähintään vaarnan kokoiset ja paksuudeltaan 0,1 kertaa vaarnan halkaisija. Puristuksen jälkeen pultin reikään asennetaan tavallinen, rakenteeseen tarkoitettu pultti. Jos rakenteeseen tuleva pultti on yli 15 mm paksu, voidaan vaarna puristaa puuhun sen avulla. Kaksipuolisia hammasvaarnoja käytetään liitettäessä puuta puuhun. Toispuolisesti hammastettuja vaarnoja käytetään liitettäessä puuta teräkseen tai betoniin sekä tehtäessä liitoksia, jotka halutaan purkaa myöhemmin. Hammasvaarnojen kantokyvyn teoreettinen arviointi on hyvin epävarmaa. Sekä pultti että vaarna kantavat osan kuormista. Näille erikseen määritettyjä kantokykyjä ei voida suoraan laskea yhteen, koska tällöin kitkan vaikutus otettaisiin kahdesti huomioon. Siksi hammasvaarnaliltosten lujuudet määritetään kokeellisesti tietyille vaarnoille, pulteille ja puupaksuuksille. Kokeellisesti määritettyjä taulukon 4.3 mukaisia hammasvaarnojen leikkauskapasiteetteja esitetään kirjallisuudessa. O hu em m an p uu n pa ks u us ( m m ) G .,... E .5 050 mm 062 mm 070 mm 093 mm 0112 mm 70x125 mrr 0 100 mm 0 125 mm 1- 1e ik ke in en 2- le ik ke in en 0 4) .5 4) ..- .--, c .5 ..- 0 cu . al ..- .-, 0 . ..- r,:', 0 a.) .5. 0) ... 7- 1 0 CU . al ..- 1- le ik ke in en 0 01 ._.. . 5 C r- c. 0 . . r• .4 0 C1) 01 . r-S c:1 1- le ik ke in en ... • 0 0) ...., C, .±4 0 4) ..... ... . c ' CU ..... 4) X 25 12 16 7,0 8,0 8,0 9,0 8,0 9,0 9,0 10,0 38 12 16 19 8,0 9,0 9,0 10,0 9,0 10,0 10,0 11,0 11,0 12,0 13,0 12,0 13,0 14,0 13,0 14,0 15,0 14,0 16,0 17,0 18,0 19,0 20,0 21,0 50 12 16 19 22 25 9,0 10,0 10,0 11,0 10,0 11,0 11,0 13,0 12,0 13,0 14,0 13,0 15,0 17,0 14,0 15,0 16,0 15,0 17,0 18,0 21,0 22,0 22,0 23,0 23,0 24,0 25,0 26,0 17,0 18,0 18,0 19,0 19,0 20,0 21,0 23,0 19,0 20,0 21,0 22,0 22,0 23,0 24,0 26,0 25,0 26,0 27,0 29,0 31,0 32,0 75 12 16 19 22 25 29 12,0 14,0 16,0 13,0 16,0 19,0 15,0 17,0 19,0 16,0 18,0 21,0 23,0 24,0 25,0 26,0 25,0 27,0 29,0 31,0 19,0 20,0 21,0 22,0 20,0 23,0 25,0 28,0 22,0 23,0 24,0 25,0 23,0 26,0 29,0 31,0 28,0 29,0 30,0 34,0 32,0 35,0 38,0 42,0 Taulukko 4.3. Hammasvaarnojen ominaisleikkauskapasiteetti kuorman aikaluokassa B yhtä vaarnaa ja pultin leikettä kohti kosteusluokissa 1 ja 2 [kN] /12/. Table 4.3. Characteristic design loads for toothed shear connectors. /12/. 39 Hammasvaarnaliitoksen lujuus on lähes riippumaton käytetyn liittimen koosta, tietyt minimimitat ylittävien puiden koosta sekä voiman ja puun syysuunnan välisestä kulmasta. Hammasvaarnaliitosten siirtymäksi käyttötilan kuormilla voidaan aikaluokassa B ja kosteusluokassa 2 arvioida 1 mm. Järeissä puurakenteissa joudutaan usein sijoittamaan monta vaarnaa peräkkäin, jolloin voima ei jakaudu tasaisesti liittimille, vaan reunimmaiset vaarnat kantavat suurimmat kuor- mat. Tämä pienentää liitintä kohti tulevaa keskimääräistä kapasiteettia, joka otetaan mitoi- tuksessa huomioon redusoimalla liittimien sallittua leilckausvoimaa peräldcäisten liittimien määrästä riippuvalla kertöimella. Vaarnapalkeissa redusointia ei tarvitse tehdä. Jos perättäisten vaarnojen lukumäärä on yli 2, tehollisten vaarnojen lukumäärä voiman suunnassa arvioidaan kaavalla 11. N l.= 2 + (1 - n/20) (n - 2) (11) missä n on perättäisten vaarnojen lukumäärä. Yleensä vaarnat ja pultit tulee sijoittaa pareittain symmetrisesti sauvan keskiviivan suhteen sekä mahdollisesti syvyyssuunnassa vuorotellen sauman vastakkaisille puolille, jotta järeän puun kuivumishalkeamat eivät vaaranna kaikkien samassa jonossa olevien vaarnoj en kantokykyä. Vaarnaliitoksessa käytetään usein teräksisiä sivulevyjä. Teräslevyjä käytettäessä voidaan syiden suuntaisen voiman sallia olevan noin 10 % suurempi, koska voima jakautuu tasai- semmin vaarnoille, eivätkä vaarnat pääse taipumaan teräslevyn alla. Sivulevyjen avulla teh- dyissä vetoliitoksissa ja käytettäessä vaarnoja, joiden halkaisija on yli 125 mm, tulee liitok- sen päihin sijoittaa kuvan 4.16 mukaisesti erilliset kiristyspultit, jotta liitettävät puut ja sivulevyt eivät vaarnaan tulevan taivutusmomentin takia väänny irti toisistaan. Kun rakenteessa käytettävä järeä sahatavara on kosteaa tai rakenne on lämmitetyssä, kuivassa tilassa, voidaan järeän puun poikkileikkauksen vääntymisen takia käyttää myös ylimääräistä sidepulttia vaarnaliitoksen päissä. --+-200 I i L I 0/160 4# 60 .15 150 r- 2+ 80 12 ... 970 M16 i i:4 4 1 f__,I,____,,r_______,(,__H i . -I- - _4_ _ 4_ - -I- 86 kN 'T ?---i__I i i i 1 6-50 ‘85 2 2 1 I 86 kN — 80 60 140 60 Kuva 4.16. Metallisin sivulevyin tehty vaarnaliitos. Kun terästanko hitsataan kiinni vaarnoihin saadaan jäykkä liitos /11/. Figure 4.16. A joint with shear connectors and metal plates. 40 4.1.5 Metalliset liitoselimet Metalliset liitoselimet ovat teräksestä tehtyjä, muotoon leikattuja, taivutettuja ja hitsattuja kiinnikkeitä. Liittitninä käytetään nauloja, pultteja tai tappivaarnoja. Liitososat ovat yleensä 2...10 mm paksua terästä, jolloin liitettävien kappaleiden kuivumismuodonmuutokset on otettava liitoskappaleita ja liitoksia suunniteltaessa huomioon edellä naulauslevy-, pultti- ja tappivaarnaliitosten yhteydessä esitetyillä tavoilla, jotta vältytään kuvassa 4.17 esitetyltä puun halkeilulta liitosalueella. Liitoksen palonkestävyys riippuu liitoselimen sijoittelusta. Mikäli liitoselin sijoitetaan puuhun tehtyyn uraan tai kahden puukappaleen väliin, on liitoksen palonkesto hyvä. Mikäli liitoselimet jäävät näkyviin, tulee ne yleensä suojata palonsuojamaalilla tai erillisillä puukoteloilla. Lisäksi metalliset liitoselimet on yleensä suojattava korroosiolta. Kuva 4.17. Huonosti suunniteltuja järeiden puurakenteiden iiitoksia /14/. Figure 4.17. Some design mistakes in the large size timberjoints . 41 Muotokiinnildceillä voidaan liittää sekundäärirakenteita primäärirakenteisiin ja varmistaa puristusliitoksissa' liitettävien kappaleiden paikalla pysyminen. Muotoldinnikkeet valmiste- taan yleensä 2 mm paksusta teräksestä ja liitetään puuhun erikoisnauloilla. Valmistajat julkaisevat liitoksien mitoitusarvot ja -ohjeet tekemiään kiirmikkeitä varten. Järeän sahatavaran vääntyminen aiheuttaa muotoldinnikkeille lisärasituksia, jotka voivat heikentää liitoksia. Liitoksia tehtäessä on kiinnike sijoitettava niin, että kumpaankaan liitettävään kap- paleeseen ei synny poikittaista vetoa. Kuvassa 4.18 on esitetty erilaisia muotokiinnilckein tehtyjä liitoksia. Kuva 4.18. Erilaisia muotokiinnilckeiden avulla tehtyjä liitoksia. Figure 4.18. Some joints with formed plate connectors. Siirrettäessä suuria voimia on metallisten liitoselinten oltava järeämpiä. Tällöin käytetään paksummasta teräksestä hitsaamalla tehtyjä liitoselimiä, jotka yleensä pultataan tai tapitetaan kiinni puuhun. Järeät liitoselimet suunnitellaan usein varta vasten rakennettavaan kohteeseen. Liitoselimet mitoitetaan teräsosina kantamaan niihin liitoksessa kohdistuvat rasitukset. Poikittaissuunnassa puussa olevien suurten metallisten liitoselinten pultinreiät on tehtävä soikeiksi puun kutistumisen takia. Lisäksi pultit on sijoitettava niin, että puuhun ei synny poikittaista vetoa, ja että liittimien reunaetäisyydet ovat riittävät. Liitoselimet pystyvät yleensä vastustamaan järeän puun vääntymistä, mutta puu saattaa tällöin haljeta. Mikäli liitoselin tehdään kapeaksi, pääsee puu osittain vääntymään. Kuvassa 4.19 on erilaisia metallisten liitoselimien avulla tehtyjä liitoksia. 42 1 Kuva 4.19. Erilaisia järeiden liitoselimien avulla tehtyjä liitoksia. Figure 4.19. Some metal plate coimectors. 4.2 Kontaktiliitokset Kontaktiliitokset eli ns. kirvesmiesliitokset ovat perinteisiä puurakenteiden liitoksia, joissa voima siirtyy puristuksena kosketuspinnassa kappaleelta toiselle ilman liittimiä. Liitettävi- en kappaleiden paikoillaan pysyminen puun kutistuessa ja vääntyessä sekä rakenteen asermusvaiheessa varmistetaan liittimillä. Mikäli puuhun tulee leikkausmurto, varmistetaan liittimillä myös liitoksen lujuus, vaikka tällöin muodonmuutokset kasvavat yleensä sallittua suuremmiksi. Kontaktiliitos on ainekustarmuksiltaan edullinen liitos, sillä suuret metalliset liittimet ovat usein puurakenteen kallein osa, ja lisäksi ne heikentävät rakenteen palonkestävyyttä. 43 Kontalctiliitosten käyttö on Suomessa rajoittunut vain yksinkertaisimpiin puristettuihin kosketusliitoksiin. Pienipoikkileikkauksisiin puuosiin ei ole voitu tehdä niiden kantoky- kyä heikentäviä loveuksia. Lisäksi kontaktiliitosten valmistus on hitaampaa kuin mekaanisen liitosten. Keski-Euroopassa on vielä yleisessä käytössä kuvassa 4.20 esitettyjä kosketusliitostyyppejä, jotka monessa tapauksessa on todettu helpoimmaksi ja varmim- maksi tavaksi liittää puita. Kuva 4.20. Erilaisia kontaktiliitoksia. Figure 4.20. Some examples of hand-cut connections. Kontaktiliitoksia on perinteisesti käytetty liitettäessä suuria puuosia toisiinsa. Järeätä puutavaraa käytettäessä kirvesmiesliitoksilla on mahdollista koota edullinen, suuriakin kuonnia siirtävä rakenne. Puiden loveaminen vaatii erityistä tarkkuutta. Valmistustarkkuu- desta riippumatta vaikuttaa liitoksen kantokykyyn myös liitettävien puiden kosteusmuo- donmuutokset, jotka on otettava huomioon liitosten suunnittelussa. Moitteettoman kontaktiliitoksen edellytyksenä on, että kosketuspinnat sopivat hyvin vastakkain ja liitettävien kappaleiden pituus on suunnitelmien mukainen pyritään käyttämään puuta, jonka tasapainokosteus on mahdollisimman lähellä lopullista tasapainokosteutta. Tällöin puun kosteusmuodonmuutokset jäävät mini- miin /9/. a) d) 44 4.2.1 Vinokulmainen loviliitos Vinokulmaista loviliitosta voidaan käyttää puristusliitoksissa, joissa kappaleet liittyvät toisiinsa tietyssä kulmassa. Tällaisia rakenteita ovat esimerkiksi ns. vitaposkirakenteet sekä erilaiset ristikot kuvan 4.21 mukaisesti. Saksassa loviliitos on vielä yleisessä käytössä, vaikka Suomessa sen käyttö on nykyään vähäistä. Liitoksen etuna on suuri voimien siirtokyky ilman kalliita liittimiä sekä esteettisyys näkyviin jäävissä rakenteissa. Kuva 4.21. Vinokulmaisin loviliitoksin tehtyjä rakenteita. Figure 4.21. Constructions with head notch joints. Loviliitoksissa voima siirtyy pääasiassa lyhyen lovipirman kautta. Liitokset jaetaan lyhyen lovipirman sijainnin mukaan viiteen ryhmään. Tässä tarkastellaan lähemmin kuvassa 4.22 a) esitettyä loviliitosta, jonka valmistus on helpointa ja toiminta varminta. Kun rakenteissa käytetään pyöreää puutavaraa, tehdään loviliitokset kuvien 4.22 b), c) tai e) mukaisesti, jolloin puristuspinta saadaan suuremmaksi pienemmällä lovisyvyydellä. --i—I -----1- I i e) Kuva 4.22. Erilaisia loviliitoksia /111. Figure 4.22. Some examples ofnotched joints /11/. Lyhyen puristuspinnan kaltevuus vaikuttaa liitoksen välittämän voiman jakautumiseen komponentteihin. Optimaalinen liitos saadaan, kun lyhyen pinnan kaltevuuskulma puolittaa kappaleiden välisen tylpän liittymiskulman /3. Tällöin lyhyellä lovipinnalla vaikuttavan voimakomponenttin ja syiden suunnan välinen kulma on molemmissa 03 = 0 b) Kuva 4.24. Vinokulmaisen loviliitoksen kosteuseläminen /11/. Figure 4.24. The moisture deformations in head notch /1 I/. 45 kappaleissa a/2, joka on lovipinnan puristuslujuutta laskettaessa pienin mahdollinen kulma. Kuvassa 4.23 on esitetty edellä mainittu tapaus sekä kaksi ääritapausta lyhyen lovipinnan kaltevuuden perusteella. Valmistustarkkuudesta johtuen pinnan kaltevuus poikkeaa yleensä optimaalisesta. Kuva 4.23. Liitokseen vaikuttavien voimien jakautuminen komponentteihin, a) kun lyhyen lovipinnan kaltevuus on optimaalinen, b) kun lyhyt lovipinta on vaakasuorassa, c) kun lyhyen lovipinnan kaltevuus on sama kuin Iiitettävien kappaleiden välinen terävä kulma /11/. Figure 4.23. The forces in head notch with different angles of notch /11/. Ajan kuluessa liitettävät kappaleet liikkuvat toistensa suhteen puun kosteuselämisen takia. Kappaleet kutistuvat syitä vasten kohtisuorassa suunnassa (8...12 %) enemmän kuin syiden suunnassa (0,2...0,3 %), jolloin liitettävien kap- paleiden muoto muuttuu kuvan 4.24 mukaisesti, ja puristus keskittyy pisteeseen B. Koska pistees- sä A tapahtuva muodonmuutos on pieni ja lyhy- een lovipintaan vaikuttava voima suuri, palautuu lyhyen pinnan kosketus. Pitkä pinta aukeaa ja puristus keskittyy pisteen B läheisyyteen. Yleensä voidaan olettaa, että pitkällä pinnalla kosketus säilyy lyhyen lovipinnan suuruisella alalla. Liitoksen koossapysyminen kosteusmuodonmuutosten tapahduttua ja rakenteen asennusvaiheessa varmistetaan pultilla, joka yksipuolisessa loviliitoksessa sijoitetaan kohtisuoraan pitkää lovipintaa vasten pinnan keskipisteeseen. Pultti mitoitetaan käyttötilan kuormille, eikä sitä yleensä oteta huomioon liitoksen mitoituksessa. Liitoksen lujuutta kasvattaa liitospinnoilla vaikuttava kitka, mitä ei myöskään oteta huomioon. Kolmioristikoita tehtäessä on puun kosteuselämisen lisäksi otettava huomioon yläpaar- teen taipuman vaikutus liitoksen lujuuteen. Taipuma pienentää kapasiteettia, sillä pitkän lovipinnan ylänurkka alkaa kantamaan yläpaarretta kuvan 4.25 mukaisesti, jolloin yläpaarteen lyhyellä lovipinnalla oleva osa pyrkii liukumaan pintaa pitkin, jolloin seurauksena on, että: b) z- Kuva 4.26. Vinokulmaisen loviliitoksen valmistus niin, että yläpaarre voi taipua rakenteen vaurioitumatta /15/. Figure 4.26. A gap gives the beam a bossibility to deformate without causing transversal tension to the notch. 46 leikkauspinnalle syntyy poikittainen vetojännitys, joka aiheutuu pinnalla vaikuttavasta kitkavoimasta. Puun poikittainen vetolujuus saattaa ylittyä. lyhyen lovipinnan puristuspinta-ala pienenee yläpaarteen päästessä liukumaan pintaa pitkin, jolloin liitoksen puristuskapasiteetti laskee ja liitoksessa tapahtuvat muodon- muutokset kasvavat puun puristuessa. yläpaarre pääsee lopulta luiskahtamaan paikoiltaan, mikäli loveus on matala ja loiva. Tällöin rakenne on täysin liitosta varmistaneiden pulttien varassa. Kuva 4.25. a) Yläpaarteen taipuman vaikutus liitoksen toimintaan sekä b) leikkauspinnalle syntyvät jännitysjakaumat: leilckausjännitys ja poikittainen vetojännitys. Figure 4.25. a) The effect of deformations in jointed beam to the head notch. Liittyvien kappaleiden taipumat on otetta- va huomioon loviliitoksen suunnittelussa. Liitoksen päästessä kuivumaan on pitkän lovipirman noin 1...2 mm:n aukeamisesta hyötyä, sillä pieni taipuma pääsee tapahtu- maan ongelmitta. Yleensä yläpaarteelle on järjestettävä taipumavara tekemällä pitkän lovipinnan yläosa alapaarteessa loivem- malcsi kuin vastakappale. Kun pitkän lovi- pinnan ylänurkassa on noin 10 mm:n rako kuvan 4.26 mukaisesti, voi taipuma tapah- tua rakenteen vaurioitumatta /15/. S • cos°t t — 1 2 b • fc,a/2 b . t N2 = S • COS a s2 = b b • fc, t N3 = s3= b • I, b • fC,CC 47 Vinokulmaisen loviliitoksen mitoituksessa tarkistetaan lovisyvyys t, ja leikkauspituus jotka määräytyvät lyhyellä lovipinnalla vaikuttavan voimakomponentin N mukaan. Liitokseen vaikuttava sauvavoima S jaetaan komponentteihin kuvan 4.27 mukaisesti, jolloin lyhyttä puristuspintaa vasten vaikuttava voimakomponentti Non optimitapauksessa (12) N = S • cos slc 2 Vastaavasti pitkää pintaa vasten vaikuttava voimakomponentti D (13) D = S • sin lic 2 ja lovettavassa kappaleessa syiden suuntaan vaikuttava voimakomponentti H (14) H= N • cos = S • c o s2 2 2 a) b) i 1 ii --1 —4, —r 1 i Kuva 4.27. Voiman jako komponentteihin ja mitoituksessa käytettävät merkinnät /11/. Figure 4.27. The force components in head notch connection /11/. Mitoitus aloitetaan laskemalla vaadittava lyhyen puristuspinnan pituus t.„ jonka laskenta- kaavat (15)-(17) riippuvat pienen puristuspirman kaltevuudesta (1) 48 Lyhyen pinnan sallittu puristuslujuus f„,„f, /2 lasketaan Hankinsonin kaavalla (18) ja sen arvona käytetään pienempää ylä- tai alapaarteen puristuslujuuksista fc•fci fc,a= jec • sin2 a + • cos2 a Pitkällä lovipinnalla vaikuttava puristusjärmitys lasketaan voimakomponentin D perus- teella käyttäen puristuspinnan alana lyhyen pinnan alaa. Puristuslujuus lasketaan Hankinsonin kaavalla. Pitkän pinnan puristus voi tulla mitoit- tavaksi tapauksessa, jossa lyhyen lovipirman kaltevuus < 2 ja pitkällä lovipinnalla vaikuttava voima on suurimmillaan. Lovettavan kappaleen kapasiteetti liitoskohdassa alenee loveuksen takia. Lovisyvyys tv lasketaan pienen lovipirman pituuden avulla kaavoilla (19) - (21) S • cos2 2 tvl ts, • cos = 2 b • fc,„12 S • COS tv2 = t52 = b • fc ,a S • COS CC tv3 = t53 • COSCL = = tv2 b • Lovisyvyyksiä vertailtaessa voidaan todeta, että tvi < tv2 = tv3 , jolloin lovettavan kappaleen kannalta pienen lovipinnan kaltevuus (I) = a on edullisin. Tällöin lovettavan 2 kappaleen poikkileikkaus heikkenee vähiten. Vinokulmaisen loviliitoksen käyttö rajautuu välille 20° a 60° , jotta lovisyvyys ei muodostu liian suureksi. Lovisyvyyttä on rajoitettu lovettavan kappaleen korkeudesta riippuen <50 t- ,, --> j a 60° —> Välillä 50's a s 600 sallitut lovisyvyydet voidaan laskea lineaarisesti väliltä h < t < h 6 — v — 4 Mikäli loveus tehdään kappaleen molemmin puolin, saa lovisyvyys olla korkeintaan t < ! ' 6 kulmasta a riippumatta. Lovisyvyyden rajoittamisella pyritään varmistamaan myös, että leiklcauspinta ei ole sahatavaran eniten halkeilevassa keslcikolmanneksessa, sillä leikkaus- pinnan leikkauslujuus pienenee pinnalla olevien halkamien takia. (18) 6. 49 Jos vaadittava lovisyvyys tv on suurempi kuin sallittu, voidaan liitos toteuttaa tietyin edellytyksin: Suurennetaan lovettavan kappaleen korkeutta h. Tehdään loviliitokseen useampi puristuspinta kuvan 4.22 e) mukaisesti. Levennetään liitettäviä kappaleita molemmille sivuille kiinnitettävillä sivupuilla tai vanerilevyillä. Jotta sivukappaleet alkavat toimia liitoksessa, vaaditaan melko suuret muodonmuutokset, ja puu saattaa plastisoitua loveuksen kohdalta. Kiinnitetään lovettavaan kappaleeseen loveuksen alapuolelle klossi, joka toimii lovipirman jatkeena ja joka mitoitetaan siirtämään voimat lovettavalle kappaleelle . Lisätään liitoksen kantokykyä pitkälle sivulle asermettavilla vaamoilla. Tehdään liitos erityisten metallikenkien avulla (kuva 4.28). Kuva 4.28. Vinokulmaisen loviliitoksen vahvistamisessa käytettäviä menetelmiä. Figure 4.28. Some methods for strengthenig the head notch joint. Tapauksissa 1-6 liitos mitoitetaan perinteiseen tapaan. Liittyvän osan mitoituksessa on otettava huomioon sauvavoiman epäkeskisyydestä e aiheutuva lisämomentti (22) e = 11 — -3- • t s • cos —a 2 4 2 • (22) 50 Voiman epäkeskisyys aiheutuu siitä, että sauvavoiman S vaikutussuora eroaa sauvan keskiakselista kulkien kuvan 4.29 a) mukaisesti lyhyen lovipinnan neljärmespisteen kautta loven kärjestä katsottuna. Epäkeskisyyden arvo koko sauvan pituudella riippuu myös sauvan toisen pään liitoksesta kuvan 4.29 b) mukaisesti. Epäkeskisyyden vaikutus saattaa kumoutua sauvan keskellä, mikäli kappaleiden vastakkaisten päiden tukipisteet sijaitsevat kappaleen keskiakseliin nähden eripuolilla. a) Kuva 4.29. a) Sauvavoiman vaikutussuoran sijainti ja b) sauvaan syntyvä epäkeskisyys /11/. Figure 4.29. a) The force location b) the essentricity in the beam /11/. Puun epähomogeenisuuden, erilaisten valmistusvikoj en sekä lovivaikutuksen takia ei lovipinnoilla vaikuttava puristusjännitys ole tasainen. Kun lisäksi liitettävissä kappaleissa on alkuepäkeskisyyttä ja -kieroutta, vaikuttaa rakenteeseen voima myös rakenteen tasoa vastaan kohtisuorassa suunnassa. Tämän voiman oletetaan olevan 2 % liitettäviin kappaleisiin vaikuttavasta kuormasta, ja se on otettava huomioon rakenteen sivutuentaa ja nurjahdustukia suunniteltaessa. Puun epähomogeenisuuden ja valmistusvirheiden vaiku- tusta liitoksen voiman siirrossa voidaan vähentää käyttämällä lyhyellä lovipinnalla puristusta tasaavaa ohutta levyä, joka on metallia tai kovaa puuta, kuten koivua tai vaneria. Liitoksen leikkausluj uuteen vaikuttaa lovettavan kappaleen pituus liitoksen jälkeen. Tämä leikkauspituus l, lasketaan lovettavassa kappaleessa vaikuttavan voiman H ja puun leikkauslujuuden perusteella kaavalla (23) = f, •b (23) Leikkauspituuden tulee olla vähintään 200...250 mm, jotta leikkausala ei heikkene liikaa päätypuun kuivumishalkeamien takia. Leikkauspituutta laskettaessa on otettava huomioon, että leikkausvoima ei jakaudu tasaisesti leildcauspinnalle, vaan loveuksen kärkeen syntyy jännityshuippu. Jännityshuippu kasvaa kuvan 4.30 mukaisesti leikkauspituuden kasvaessa, jolloin tietyn raja-arvon jälkeen leikkauspituuden kasvattaminen ei lisää liitoksen lujuutta. Mikäli leikkauspinta on lyhyt, voidaan leikkausjännityksen yleensä olettaa jakautuvan tasaisesti koko leikkauspinnalle. Kun todellinen leikkauspituus ylittää arvon 8t, , ei leik- kausjärmitys enää jakaudu tasaisesti, vaan jännitys on suurimmillaan loveuksen kohdalla- pieneten kohti arvoa nolla kaukana loveuksesta. 51 c b 11111111111111 a) Kuva 4.30. Leiklcausjännityksen jakautuminen leikkauspituuden mukaan /11/. Figure 4.30. The distribution of shear