Rakennuksen rungon suunnittelu I
Rak-43.240 Rakennuksen rungon suunnittelu Kevät 2007 Runkorakenteiden erityispiirteet maanjäristysalueilla Petteri Andersin Sanna Perttala Sampo Oksama SISÄLLYS 1 2 3 Johdanto ___________________________________________________________________ 3 Maanjäristys ilmiönä _________________________________________________________ 3 Maanjäristyksen vaikutukset ___________________________________________________ 5 3.1 Maanjäristyksen vaikutukset maaperään ______________________________________ 5 3.2 Maanjäristyksen vaikutukset rakennukseen____________________________________ 8 3.2.1 Taipuisuus, muokkautuvuus____________________________________________ 8 3.2.2 Jäykistysseinät ______________________________________________________ 9 3.2.3 Pilarien vauriot ______________________________________________________ 9 3.2.4 Vääntö ___________________________________________________________ 10 4 Maanjäristykseen varautuminen rakennesuunnittelun keinoin ________________________ 11 4.1 Rakennuksen muoto_____________________________________________________ 11 4.2 Eri materiaalit__________________________________________________________ 12 4.3 Runkoa täydentävien rakenteiden vaikutus maanjäristyskestävyyteen ______________ 13 4.4 Perustukset ____________________________________________________________ 13 4.5 Rungon jäykistys _______________________________________________________ 14 4.5.1 Kehäjäykistys ______________________________________________________ 14 4.5.2 Ristikkojäykistys ___________________________________________________ 14 4.5.3 Levyjäykistys ______________________________________________________ 15 4.5.4 Kehä- ja levyjäykistyksen yhdistelmä ___________________________________ 15 4.5.5 Yhteenveto jäykistysmenetelmistä______________________________________ 15 5 Mitoitusmenetelmät maanjäristyskuormille_______________________________________ 16 5.1 Staattisten korvausvoimien menetelmä ______________________________________ 16 5.2 Dynaamiset menetelmät__________________________________________________ 17 5.2.1 Suora integrointi (aika-historia analyysi)_________________________________ 17 5.2.2 Värähtelymuotoanalyysi _____________________________________________ 17 5.2.3 Vastespektrimenetelmä ______________________________________________ 17 5.2.4 Dynaamisten menetelmien puutteet _____________________________________ 18 5.3 Maanjäristysnormit _____________________________________________________ 18 5.3.1 Euronormit ________________________________________________________ 18 5.3.2 UBC (Uniform Building Code) ________________________________________ 20 5.3.3 DIN (Deutsche Institut für Normung) ___________________________________ 22 5.3.4 Yhteenveto ________________________________________________________ 23 6 Käytännön esimerkkejä ______________________________________________________ 24 6.1 Taipei 101 ____________________________________________________________ 24 6.2 Torre Mayor ___________________________________________________________ 28 6.3 LÄHTEET ____________________________________________________________ 30 2 1 Johdanto Maanjäristykset aiheuttavat ihmishenkien menetyksiä sekä rakennusten ja rakennetun ympäristön vaurioita. Maanjäristyksen aiheuttamaa tuhoa ei voida kokonaisuudessaan estää millään, vaan sen vaikutusta voidaan ainoastaan pienentää ja vaimentaa. Lähtökohtana suunnittelussa on se, että ihmishenkien menetykset minimoidaan sekä rakenteellisia sortumia estämällä että sekundäärisiä vaurioita kuten putoavia rakenneosia ja tulipaloja minimoimalla. Maanjäristyksien esiintyvyys vaihtelee suuresti eri maissa, ja täten suunnittelun vaatimuksetkin ovat erilaisia. Esimerkiksi Uudessa Seelannissa kaikki julkiset rakennukset tulee lakisääteisesti suunnitella suurempia maanjäristyskuormia vastaan kuin muut rakennukset. Tärkeät rakennukset, joiden toiminta liittyy suuriin ihmismääriin tai pelastustoimintaan, pyritään mitoittamaan niin, että ne pystyvät toimimaan maanjäristyksen jälkeenkin. Näitä rakennuksia ovat esimerkiksi padot, sairaalat, paloasemat, hallituksen rakennukset, sillat, radio- ja puhelinjärjestelmät ja koulut. Historia osoittaa, että mitoittaminen ei ole aina onnistunut. Syynä on se, että maanjäristys on monimutkainen ilmiö joka saattaa toimia eri lailla eri kerroilla. Lisäksi suunnittelussa ei voida koskaan täysin torjua maanjäristyksen aiheuttamia vahinkoja, vaan mitoittaminen koskee vahinkojen minimoimista ja kriittisten vaurioiden löytämistä ja torjumista. Kuva 1. Maanjäristyskeskusten episentrumit (kohta suoraan maanjäristyskeskuksen yläpuolella) 2 Maanjäristys ilmiönä Suurin osa maanjäristyksistä on keskittynyt suhteellisen kapeille vyöhykkeille. Pieniä maanjäristyksiä voidaan tosin tavata lähes missä tahansa. Järistykset voidaan jakaa kolmeen 3 ryhmään: mataliin, keskisyviin ja syviin. Valtaosa järistyksistä (n.70 %) on matalia. Matalissa järistyksissä järistyskeskus on alle 70 km syvyydessä. Keskisyvät järistykset esiintyvät 70-300km syvyydessä ja syvät 300- 720 km syvyydessä. Maanjäristyksiä tapahtuu eniten litosfäärilaattojen törmäyskohdissa. Maapallon seitsemän isoa päälitosfäärilaattaa ovat Euraasian, Pohjois-Amerikan, Etelä-Amerikan, Afrikan, Intian, Tyynen valtameren ja Intian laatat. Järistys voi aiheutua esimerkiksi äkillisestä laatan jännitystilan purkauksesta tai nopeasta liikkeestä. Tällöin kiven rakenne rikkoutuu ja syntyy maanjäristys. Kohtaa, josta maanjäristys saa alkunsa, kutsutaan hyposentrumiksi. Tästä maanjäristysaallot lähtevät loittonemaan. Suurimmat tuhot aiheutuvat suoraan järistyspesäkkeen yläpuolella (episentrumi). Aaltoliike etenee pitkittäissuunnassa (P-aallot) ja poikittaissuunnassa (S-aallot). Nämä aallot saavat interferenssin vaikutuksesta aikaan aaltoja, jotka etenevät maan pintaa pitkin. Aaltojen etenemisnopeuteen ja mahdolliseen kaareutumiseen vaikuttaa väliaineen tiheys ja kimmokerroin. Pinnan aaltoliikettä kuvaavat Raylegh- aallot ja Love- aallot, ks. kuva 2. Kuva 2. Maanjäristyksessä esiintyvät aallot. Maanjäristysten voimakkuutta kuvataan Richterin asteikolla. Richterin asteikko on logaritminen, eli järistyksen kasvaessa yhdellä asteella sen voimakkuus muuttuu kymmenkertaiseksi. Järistyksen ylärajana pidetään 8,5- 8,9, koska tätä enempää kimmoenergiaa ei voi purkautumatta kertyä laattojen yhtymäkohtaan. 4 3 Maanjäristyksen vaikutukset 3.1 Maanjäristyksen vaikutukset maaperään Maanjäristys aiheuttaa maankuoreen voimia, jotka aiheuttavat murtumia ja siirtymiä maankuoressa. Siirtymiä tapahtuu sekä horisontaali- että vertikaalisuunnassa, ja maanjäristyksestä riippuen siirtymä voi olla hidas, jolloin maa ei tärise, tai toisaalta nopea yhtäkkinen maankuoren repeytyminen. Vaikutukset maaperään vaihtelevat maanjäristyksen laadusta riippuen, ja murtumia luokitellaan siirtymän suunnan ja luonteen perusteella. Todennäköisesti yleisin murtumatyyppi on horisontaalisiirros (strike- slip fault), jossa maankuoren siirtymä tapahtuu pääosin sivusuuntaan. Yksi isoimmista horisontaalisiirroksista sijaitsee San Andreassa Kaliforniassa, ks. kuva 3. Toinen murtumatyyppi on normaalisiirros (normal fault), jossa siirtymä tapahtuu ylös- ja alaspäin pystysuuntaisesti. Harvinaisempi murtumatyyppi on ylityöntö (thrust fault), jolloin maa on puristuksessa koko murtuman alueella ja siirtymä tapahtuu ylös- ja alaspäin pitkin kaltevaa tasoa. Tällainen maanjäristys oli esimerkiksi San Fernandon maanjäristys 1971, tosin maanjäristykseen liittyi myös muita murtumatyyppejä, kuten sivusiirtymiä. Kuva 3. San Andrean horisontaalisiirros, Kalifornia. Murtumien pituudet vaihtelevat 30- 1000 kilometrin välillä. Esimerkiksi San Andrean murtuma on pituudeltaan 1000 kilometriä. Murtuman pituutta on joissain tapauksissa hankala arvioida, koska maanjäristyksen aiheuttanut pystysuuntainen luiskahtaminen tapahtuu usein syvällä maan alla ja repeytymä ei aina edes yllä maan pinnalle asti. Murtumien pituudet vaihtelevat hyvin paljon eri maanjäristystyyppien välillä, samoin murtuman luiskahtaminen. San Fernandon maanjäristyksessä luiskahtanut pinta pysty- ja vaakasuunnassa oli maksimissaan 1,8 metriä. Voimakkaassa 5 maanjäristyksessä luiskahtanut pinta voi olla jopa 6,4 metriä (San Francisco 1906). Pysyvän maankuoren luiskahtamisen lisäksi maanjäristyksessä tapahtuu värähtelevää maankuoren liikettä, joka on usein mitoiltaan pienempää, esimerkiksi 15 cm (El Centro 1940). Tämä värähtelevä liike ei ole pysyvää, vaan maankuori palaa alkuperäiseen asemaansa maanjäristyksen loputtua. Kuvassa 4 on esitetty eri murtumatyyppejä. Kuva 4. Eri maan murtumatyypit maanjäristyksessä. Maaperän juoksettuminen tarkoittaa vedellä kyllästyneen hienorakeisen maaperän, hiekan tai siltin fysikaalista muuttumista notkeaksi nesteeksi maanjäristyksen aiheuttaman maaperän värinän vuoksi. Rakenteet, jotka on perustettu juoksettuvan aineksen varaan, menettävät aineksen juoksettuessa perustuksia tukevan vaikutuksen joko kokonaan tai osittain. Maan pinta voi myös vajota alaspäin, jolloin rakenteet kokevat muodonmuutoksia ja vaurioituvat. Maaperän juoksettumisesta aiheutuneiden vaurioiden korjaaminen on erittäin kallista, koska rakenteita joudutaan usein korvaamaan uusilla tai maaperää vahvistamaan esimerkiksi injektoinnilla tai kuivaamalla. Esimerkkitapauksena maanjäristyksen aiheuttamasta maaperän juoksettumisesta voi toimia Niigatan maanjäristys Japanissa 1964, kuvat 5-6. Suuri osa alueen maaperästä on löyhää hiekkaista maata jokialueella, joten maaperä on veden kyllästämää. Kun maanjäristys alkoi, se aiheutti laajan maaperän juoksettumisen, jonka seurauksena tuhannet rakennukset painuivat, kallistuivat pahoin tai romahtivat. Aiheutuneet tuhot johtuivat lähes pelkästään perustusten pettämisestä maanperän juoksettuessa. Tapahtuneen maanjäristyksen voimakkuus oli verraten pieni. Jos maaperä ei olisi juoksettunut, maanjäristyksen aiheuttamat tuhot olisivat jääneet pieniksi. Maaperän juoksettuminen on aiheuttanut myös maanvyörymiä, joissa savinen maa juoksettuessaan lähtee liukumaan alas rinnettä. 6 Kuva 5. Niigatan maanjäristys Japanissa. Maaperän juoksettuminen. Kuva 6. Niigatan maanjäristys Japanissa. Maaperän juoksettuminen. 7 Kuva 7. Maaperän juoksettumisen periaate. 3.2 Maanjäristyksen vaikutukset rakennukseen Maanjäristyksen vaikutus rakennukseen vaihtelee monesta syystä, ja vaurioiden kartoittaminen ja dokumentointi on ollut tärkeä osa mitoitusmenetelmien kehitystä. Osa mitoituskaavojen vakioista on kehitetty suoraan empiiristen havaintojen perusteella. Pahimmillaan maanjäristys romahduttaa rakennuksen kokonaisuudessaan. 3.2.1 Taipuisuus, muokkautuvuus Muokkautuvuudella tarkoitetaan rakennuksen kykyä absorboida energiaa estääkseen rakennusta sortumasta kokonaan maanjäristyksen tapahtuessa. Esimerkkinä Olive View Hospital 1971 San Fernandon maanjäristyksen jälkeen, ks. kuva 8. Rakennus on viisikerroksinen betonirakennus, ja se kesti maanjäristyksen vaakasuuntaiset kuormat ensimmäisen kerroksen pilarien avulla. Rakennusta pidetään esimerkkitapauksena erittäin hyvästä muokkautuvuudesta. Erikoisen hyvä muokkautuvuus johtui rakennuksen pilareiden spiraalinmuotoisesta raudoituksesta, 8 terästankoa. Spiraalinmuotoinen raudoitus aiheutti erittäin suuren lujuuden leikkausta ja vinoa vetoa vastaan. Rakennuksen kulmissa oli pilarit joiden raudoituksena oli 13 terästankoa sekä haat, mutta teräkset eivät olleet spiraalinmuotoisesti. Näissä pilareissa ei ollut muokkautuvuutta, ja ne hajosivat maanjäristyksen aikana. Pilareiden kestävyys pelasti 600 ihmishenkeä, jotka olivat rakennuksessa maanjäristyksen aikana. 8 Kuva 8. Olive View Hospital 1971 San Fernandon maanjäristyksen jälkeen. 3.2.2 Jäykistysseinät Jäykistysseinät ovat yleinen tapa suojautua maanjäristyksiä vastaan. Maanjäristys aiheuttaa jäykistysseinillä varustettuihin rakennuksiin usein muodonmuutoksia ja pinnan lohkeilua vaakasuuntaisien liitosten suuntaisesti. Myös vinosuuntaiset halkeamat ovat yleisiä. 3.2.3 Pilarien vauriot Maanjäristyksen vaikutukset pilareille ovat kriittisiä koska pilarit ovat usein kantavana rakenteena. Maanjäristys voi aiheuttaa pilarille aksiaalisen voiman kautta betonin puristusmurron niin, että pilarin poikkileikkauksesta tulee kartion muotoinen ja teräkset nurjahtavat. Jos voima on tarpeeksi voimakas, betoni murtuu kokonaan poikkileikkauksesta. 9 Kuva 9. Maanjäristyksen aiheuttama aksiaalinen voima on murskannut pilarin. 3.2.4 Vääntö Kun maanjäristys vaikuttaa rakennukseen jonka massakeskipiste on eri paikassa kuin vääntökeskiö, syntyy vääntöä; rakennus pyrkii pyörimään jäykkyyskeskipisteensä ympäri. Tämä aiheuttaa vaakasuuntaisia voimia. Esimerkkitapauksena on J.C. Penney Building Anchoragessa, joka kärsi erittäin pahoin väännön aiheuttamasta voimasta. Rakennus oli viisikerroksinen ja sen rakennejärjestelmänä oli kantavat betonipilarit joiden päällä betonilaatasto. Rakennus oli vahvistettu jäykistysseinillä. Jäykistysseinien sijoittaminen oli epäonnistunut niin, että tietynsuuntainen vaakavoima aiheutti erittäin voimakkaan väännön rakennukseen. Yhdellä seinälinjalla ei ollut jäykistysseinää ollenkaan. Kuten kuvassa 10 näkyy, kahden jäykistysseinän murtuminen romahdutti osan rakennusta pahoin. Rakennuksen toinen osa ei romahtanut, koska se oli lähellä pyörimisakselia. 10 Kuva 10. J.C. Penney Building. 4 Maanjäristykseen varautuminen rakennesuunnittelun keinoin 4.1 Rakennuksen muoto Maanjäristyksistä saatujen kokemuksien perusteella on havaittu, että yksinkertaisesti muotoilluilla rakennuksilla on suurin todennäköisyys selvitä järistyksestä vaurioitumatta. Tämä johtuu yksinkertaisesti siitä, että selkeän muotoisten rakennusten käyttäytymistä on helpompi ymmärtää. Rakennusten tulisi myös olla symmetrisiä, koska epäsymmetrisyys aiheuttaa usein vääntörasituksia, joiden määrittäminen on usein todella vaikeaa. Nämä vääntörasitukset aiheuttavat usein suurta tuhoa. Rakenne ei myöskään saisi olla liian pitkänomainen. Mitä pidempi rakennus, sitä suurempi todennäköisyys on, että erilaisten maanjäristysliikkeiden tapahtuminen rakennuksen alueella ja vieläpä samanaikaisesti. Jos arkkitehtonisista syistä on kuitenkin välttämätöntä tehdä pitkä rakenne, ratkaisuna voisi olla kaksi erillistä rakennusta. Rakennuksia voidaan myös rakentaa kiinni toisiinsa tekemällä väliin maanjäristyssauma. Saumojen tekeminen on kuitenkin kallista ja vaativaa. 11 Kuva 11. Erimuotoisten runkojen maanjäristyskestävyys. Rungon muodolle asetetuilla vaatimuksilla tähdätään myös siihen, että eri osien ominaisvärähtelytaajuudet olisivat mahdollisimman lähelle toisiaan. Tällä vältytään eri taajuuksisilta heilahteluilta, jotka voisivat aiheuttaa rakenteiden osien osumisen toisiinsa ja siten niiden vaurioitumisen. 4.2 Eri materiaalit Normien mukaisten vaakakuormien mukaan mitoitetut rakenteet eivät säily kimmoisena edes keskisuuressa järistyksessä. Voimakkaimmissa järistyksissä kimmoteoreettiset kuormat ylittyvät jopa viisinkertaisesti. Rakenteiden täytyy tämän vuoksi olla myös sitkeitä. Suunnittelussa täytyy ottaa huomioon plastiset muodonmuutokset ja niiden tasainen jakautuminen. Tämä vaatii paljon myös rakennusmateriaaleilta. Materiaalien on kyettävä absorboimaan ainakin osa maaperän värähtelyn kautta tulevasta energiasta. Maanjäristystä hyvin kestävällä materiaalilla on seuraavat ominaisuudet: 1. Hyvä sitkeys 2. Hyvä lujuus/paino suhde 3. Homogeenisuus 4. Ortotrooppisuus 5. Mukautuvuus liitoksia tehtäessä Luonnollisesti yllämainitut asiat ovat sitä tärkeämpiä mitä suurempi rakennus on. Jäykisteenä käytettävällä materiaalilla tulisi siis olla selvä myötöraja tai muu ominaisuus, joka takaa sitkeyden. Elementtirakenteet ovat usein ongelmallisia johtuen vaikeuksista rakentaa jatkuva ja monoliittinen rakenne. Paikallavaletulla teräsbetonisella ja teräsrakenteisella rungolla ei keskikokoisissa rakennuksissa ole suurtakaan eroa maanjäristyskestävyyden suhteen edellyttäen, että rakenne on 12 suunniteltu ja toteutettu oikein. Korkeissa rakennuksissa teräs on kuitenkin hieman betonia toimivampi ratkaisu. Puurakenteiden käyttäytyminen poikkeaa teräksisen ja betonisen rungon käyttäytymisestä. Puu ei myötää taivutuksessa eikä vedossa, joten se ei myöskään absorboi energiaa. Tämän takia liitokset täytyy suunnitella myötääviksi. Muutamiin uusiin rakennuksiin on rakennettu energiaa absorboiva joustava pilarikenttä ensimmäiseen kerrokseen. Tarkoitus on suojata muuten jäykkää rakennusta maanjäristyksen lyhytkestoiselta värähtelyltä. Käytäntö on osoittanut, että kyseinen menetelmä ei toimi. 4.3 Runkoa täydentävien rakenteiden vaikutus maanjäristyskestävyyteen Rungon suunnittelussa maanjäristysalueella on otettava huomioon myös ei-kantavien rakenteiden vaikutus rungon käyttäytymiseen maanjäristystilanteessa. Tämä tarkoittaa vapaita muodonmuutoksia häiritsevien tekijöiden huomioimista. Tällaisia voivat olla esim. kuori, täytemuuraukset ja sisäiset väliseinät. Jos esimerkiksi väliseinät on tehty joustavasta materiaalista, ei niistä aiheudu merkittäviä ongelmia. Usein ne on kuitenkin rakennettu tiilestä tai betonielementeistä, jolloin niillä on taas suuri vaikutus rakenteen varmuuteen ja käyttäytymiseen järistyksessä. Tilanteesta voi aiheutua seuraavanlaisia ongelmia: 1. Absorboidun energian määrä voi pienentyä ja sitä kautta ominaisvärähtelyn taajuus kasvaa 2. Jäykkyyden jakautuminen voi muuttua epäedullisemmaksi 3. Rakenne sortuu tai vaurioituu ennenaikaisesti, yleensä leikkausvoimista tai väsymisestä johtuen Mitä pienempi on kantavien rakenteiden jäykkyys, sitä pahemmiksi ongelmat tulevat. Ongelmia voidaan lähestyä kahdella menetelmällä. Ei-kantavat osat voidaan sisällyttää rakenteeseen ja käsitellä koko rakennusta sen mukaisesti. Näin voidaan toimia, jos rakenne on joka tapauksessa erittäin jäykkä ja maanjäristysvaste ei ole kovin suuri. Toinen tapa on estää ei-kantavien osien vaikutus jäykkyyteen. Tätä menetelmää sovelletaan, jos halutaan pienijäykkyyksinen rakenne. Tällöin jätetään selvä rako elementtien sivuille ja päälle. Elementtien kaatuminen täytyy estää tapeilla ja kiinnikkeillä. Kumpikaan menetelmistä ei ole täysin toimiva. Sopivien ankkureiden asentaminen ja rakojen tekeminen on työlästä ja kallista eivätkä raot ole eristeelläkään täytettyinä toimivia äänieristyksen kannalta. Muiden täydentävien rakennusosien, kuten putkien ja sähkölaitteiden suunnitteluun ja asennukseen on maanjäristyalueilla kiinnitettävä erityistä huomiota. Osat itsessään ovat yleensä samanlaisia kuin maanjäristyksettömillä alueilla käytetyt. Niiden kiinnitykset on mitoitettava vaakavoimille, jotka ovat noin 0,5 – 2,0 kertaa osan oma paino. Niissä täytyy olla myös tarvittavat liikevarat muodonmuutosten vastaanottamiseen ja nivelet seismisten saumojen sekä rakennuksen ja maaperän välissä. 4.4 Perustukset Maanjäristys aiheuttaa rakennuksen alla olevaan maaperään usein epätasaisia painumia, liukumia ja siirtymiä. Myös nesteytymistä saattaa tapahtua, maa-aineksesta riippuen. Näiden ja järistyksen aiheuttamien vaihtelevien pystykuormien ja syklisesti muuttuvien kaatavien momenttien vaikutus perustuksiin täytyy ottaa huomioon mitoituksessa. Perustusten ja maan välillä tulisi säilyä vahingoittumaton kontakti koko järistyksen ajan. 13 Maanjäristyskuormia perustuksille arvioidaan yleensä kertomalla rakenteen paino seismisen vasteen kertoimella. Kerroin riippuu maaperän ominaisuuksista. Parametrejä ovat esim. maa-aineksen tyyppi, paksuus ja dynaamiset ominaisuudet. Kertoimeen vaikuttavat myös rungon tyyppi ja materiaalit. Perustusten kuormitusta käsitellään yleensä epäkeskeisenä kuormana, jolloin kuormat epäkeskisyyden puolella luonnollisesti kasvavat. Paaluperustusten suunnittelu maanjäristysalueella on usein vaikea prosessi. Maanjäristysliikkeet siirtyvät paalujen kautta rungolle. Kriittisin kohta paaluperustuksissa on paalun liittyminen paaluanturaan. Liitoksen täytyy säilyttää kantokykynsä myös plastisen nivelen muodostumisen jälkeen. Kitkapaaluja ei tulisi käyttää alueilla, joissa on suuria maanjäristyksiä. Paalu saattaa nimittäin painua syvemmälle maahan järistyksen vaikutuksesta. 4.5 Rungon jäykistys Maanjäristyksestä aiheutuu rungolle pysty- ja vaakakuormia. Pystykuormat aiheuttavat rakenteeseen lisäkuormia, joista voi tulla stabiliteettiongelmia rakennuksen alaosaan. Nämä ongelmat pystytään kuitenkin ratkaisemaan kohtuullisen helposti. Suunnittelussa voidaan käyttää melko suuria hyötykuormavähennyksiä ja varmuuskertoimia voidaan pienentää. Vaakakuormien huomioonottaminen on monimutkaisempaa. Alapohja-, välipohja- ja kattorakenteet toimivat yleensä vaakasuuntaisina elementteinä, jotka ohjaavat kuormat pystyrakenteille. Monesti rakennukset, joissa nämä rakenteet ovat betoni- tai teräslaatastoja oletetaan toimivan siten, että itse tasoihin ei tule vaakasuuntaisia muodonmuutoksia. Tällöin väännön vaikutusta ei tarvitse huomioida ja kuormien oletetaan siirtyvän tasaisesti pystyrakenteille. Todellisuudessa vaakavoimat aiheuttavat runkoon muodonmuutoksia. Pilarien pituudenmuutoksesta aiheutuu taivutusmuodonmuutoksia ja nurkkanivelten kiertymistä ja leikkausmuodonmuutoksia. 4.5.1 Kehäjäykistys Kehän hyvä puoli on se, että sivuttaisjäykkyys ja samalla rasitukset jakaantuvat tasaisesti rungon eri kenttiin. Huonona puolena taas on taivutusmomenttien kasautuminen liitoksiin alimmissa kerroksissa. Kehäjäykistyksen sovellus ns. mastojäykistys perustuu perustuksiin ankkuroituihin jatkuviin pilareihin. Kehän liitokset eivät ole täysin jäykkiä. Laskennan yksinkertaistamiseksi ja tulosten luotettavuuden varmistamiseksi niitä kuitenkin käsitellään täysin jäykkinä. Kehien laskemiseksi on kehitetty useita likimääräismenetelmiä. Tiettyjä yksinkertaistuksia (esim. kerroskorkeudet kaikkialla samat) tekemällä kehiä voidaan analysoida jopa käsin. 4.5.2 Ristikkojäykistys Ristikkojäykistystä käytetään yleisesti erityisesti teräsrunkoisissa taloissa. Ristikot sijoitetaan tavallisesti siten, että ne muodostavat yhtenäisen jäykistyskentän. Tällä tavoin saadaan jäykistyksen analysointi helpommaksi sekä pohjaratkaisut selkeämmiksi. Sivuttaissuunnassa on kuitenkin syytä hajauttaa ristikoita, jotta vertikaalisauvojen rasitus saataisiin pysymään kohtuuden rajoissa. Ristikkojäykistyksen suurin ongelma on puristussauvan mahdollinen nurjahdus. 14 Kuva 12. Erilaisia ristikkotyyppejä. Kohdan a) ristikko on paras, koska siinä on lyhimmät diagonaalit. c) kohdan ristikossa on vain vetoa kestävillä diagonaaleilla vaarana venyminen liian pitkäksi, jolloin rakenne menettää jäykkyytensä. 4.5.3 Levyjäykistys Levyjäykistys on yleinen teräsbetonirakenteissa käytetty jäykistystapa. Periaatteena on yhtenäisten levykenttien muodostaminen väli- tai ulkoseinistä. Levyissä voi olla aukkoja jos niiden vaikutus otetaan huomioon. Levyjäykistystä voidaan käyttää hyvin myös elementtirakenteisissa rungoissa jos saumojen kestävyys on riittävä. Jos halutaan käyttää muurattua rakennetta, täytyy jäykiste sijoittaa runkokehän aukkoon. 4.5.4 Kehä- ja levyjäykistyksen yhdistelmä Jos jäykistysjärjestelmä koostuu ristikko- tai kehäjäykistyksestä ja levystä, kuormia ei voida vain yksinkertaisesti jakaa kehälle ja seinälle jäykkyyksien suhteessa. Tähän on syynä se, että kehän muodonmuutokset johtuvat lähinnä leikkausvoimista, kun taas levyn muodonmuutoksiin on syynä momentti. Kehäjäykistykselle tuleekin tällöin suuri osa vaakakuormista. Levyjäykisteen ja kehän välisissä palkeissa tulee olla nivelelliset liitokset. Tällaiselle jäykistysjärjestelmien yhdistelmälle on myös kehitetty yksinkertaistettuja laskentamenetelmiä. 4.5.5 Yhteenveto jäykistysmenetelmistä Rakennuksen jäykistämiseksi on olemassa muutamia perussääntöjä. Ensinnäkin jäykisteet tulee sijoittaa siten, että niiden muodostaman systeemin vääntökeskiö on mahdollisimman lähellä rakennuksen painopistettä, että ne olisivat mahdollisimman tasaisesti, samalla linjalla ja jatkuisivat ylös asti. Jäykisteiden jäykkyyksien tulisi olla mahdollisimman samat, jotta vaakavoimat eivät kerääntyisi vain jäykimmälle jäykisteelle. Rakennuksen lujuudessa tulisi myös pyrkiä tasaiseen jakaantumiseen samoista syistä. Kantavat rakenteet täytyy sijoittaa tasaisesti koko rakenteen alueelle ja ulokkeita tulisi välttää. Pilarien ja palkkien on hyvä olla saman paksuisia, koska tämä helpottaa momenttien ja leikkausvoimien johtamista liitoskohdan yli. Kokemusten perusteella on todettu, että matalaprofiiliset palkit pettävät yleensä lähellä liitosta normaalikokoiseen pilariin. 15 Kuva 13. Palkki ei saa olla huomattavasti pilaria leveämpi. 5 Mitoitusmenetelmät maanjäristyskuormille Rakenteiden mitoitusmenetelmät seismisille kuormille jaetaan kahteen ryhmään: 1. Staattisten korvausvoimien menetelmä 2. Dynaamiset mitoitusmenetelmät 5.1 Staattisten korvausvoimien menetelmä Menetelmässä korvataan maan vaakasuuntaisesta värähtelystä rakenteeseen aiheuttavat dynaamiset hitausvoimat staattisilla vaakavoimilla. Vaakakuormien kokonaismäärä on tällöin rakenteen ja maaperän välillä vaikuttava leikkausvoima V. V = C *m Kaavassa m on rakenteen kokonaismassa, johon sisältyy myös järistyksen aikana rakenteeseen vaikuttava todennäköinen hyötykuorma. C taas on seismistä vaakakiihtyvyyttä kuvaava kerroin, jonka suuruus on maanjäristysnormista riippuen yleensä 0,05g – 0,20g. C:n arvo määritetään erinäisten parametrien perusteella, joita ovat: • • • • • maanjäristyksen esiintymistodennäköisyys alueella rakenteen ominaistaajuus maaperän tyyppi rakenteen käyttötarkoitus rakennetyyppi (sitkeys, jäykkyys) Kaavasta saatava leikkausvoima V jaetaan yleensä rakennuksen koko alueelle massakeskittymiin siten, että alempia kerroksia painotetaan vähemmän. Jako on yleensä lineaarinen. Rakennuksiin, joilla on suuri ominaisvärähdysaika, lisätään vielä ylimääräinen pistekuorma yläosaan. Pistekuorma aiheutuu suuremmista ominaistaajuuksista. Staattisissa mitoitusmenetelmissä täytyy rakenteen sitkeys huomioida erillisillä määräyksillä. Normeissa onkin tälle tiukkoja rajoituksia. Rajoituksia on paljon myös rakenteiden muodoille ja koolle sekä jäykkyyksien ja massojen jakautumiselle. Ilman rajoituksia staattisilla menetelmillä ei saada oikeaa kuvaa rakenteen käyttäytymisestä. 16 Usein staattisten korvausvoimien menetelmä riittää jopa rakenteen lopulliseen mitoitukseen. Alustavaan suunnitteluun menetelmä soveltuu todella hyvin. 5.2 Dynaamiset menetelmät 5.2.1 Suora integrointi (aika-historia analyysi) Suora integrointi on dynaamisista menetelmistä tarkin. Siinä kuormituksena käytetään aikaisemmista järistyksistä tallennettuja kiihtyvyys-aika diagrammeja. Mallin värähtely on yhdistelmä vaaka- ja pystysuuntaisesta liikkeestä ja lisäksi kiertymistä. Diagrammeja voidaan mallintaa myös tietokoneohjelmin. (ANSYS, COMBAT). Laskelmat mahdollistavat myös rakenteen plastisen käyttäytymisen mallintamisen eri ajan hetkinä. Kolmidimensioinen menettely on myös mahdollinen, tosin se vaatii satoja laskukertoja. Laskelmathan täytyy suorittaa jokaiselle ajan hetkelle. Integrointimenetelmä on erittäin tarkka, jos vain kuormitusdiagrammi on oikeanlainen. 5.2.2 Värähtelymuotoanalyysi Värähtelymuotoanalyysi on aika-historia analyysiä hieman yksinkertaisempi menetelmä. Rakenteessa on kerrallaan vain yksi vapausasteparametri. Rakenteiden eri ominaisvärähtelymuotojen aiheuttamat kuormat eri ajan hetkinä lasketaan yhteen superponoimalla. 5.2.3 Vastespektrimenetelmä Yksinkertaisin mitoitusmenetelmistä on vastespektrimenetelmä. Useissa normeissa vastespektrimenetelmä onkin päämitoitusmenetelmä staattisen menetelmän sijasta. Jokaiselle ominaisvärähdysmuodolle määritetään sen ominaistaajuuden perusteella vastespektristä sitä vastaavan kuormituksen arvo. Eri ominaisvärähdysmuotojen kuormat superponoidaan sopivasti. Vastespektrimenetelmän periaate soveltuu superponointiperiaatteesta johtuen kuitenkin vain kimmoisille rakenteille, mutta eri normeissa on likimääräismenetelmiä myös plastisille muodonmuutoksille. Kuva 14. Vastespektri El Centron maanjäristyksestä 1940. 17 Kuva 15. Plastisoitumisen huomioiva suunnitteluspektri. 5.2.4 Dynaamisten menetelmien puutteet Nykyisin vallitsevan ajattelutavan mukaan staattinen analyysi on alustavan suunnittelun työväline, kun taas dynaamista analyysiä pidetään täydellisenä ratkaisutapana. Dynaamisessa analyysissa on kuitenkin selkeitä puutteita. Jokaisessa dynaamisessa analyysissa on oletettu perusliike, jonka tehtävänä on simuloida maan liikettä järistyksessä. Nykyisen tietämyksen mukaan on kuitenkin mahdotonta ennustaa tarkasti kaikkia liikkeen ominaisuuksia järistyksessä. Esimerkkinä tästä mainittakoon San Fernandon maanjäristys Kaliforniassa. Los Angelesin alueesta on tehty erittäin hyvät kiihtyvyyskäyrästöt, mutta järistys ei kuitenkaan noudattanut näitä käyriä. Kävi ilmi, että maaperän ominaisuuksista ja topografiasta johtuen käyrästö saattaa muuttua aivan toiseksi muutaman sadan metrin matkalla. Toinen ongelma dynaamisessa analyysissa on rakenteiden plastisen käyttäytymisen mallintamisen vaikeus. Erilaisten sitkeyskertoimien käyttäminen on mahdollista, mutta koska kertoimet vaihtelevat välillä 3 - 6 on niiden tarkkuus kyseenalaista. Myös matemaattisessa mallissa on muutamia ongelmia. Jäykistysjärjestelmien tarkka analysoiminen on vaikeaa eikä täydentävien rakenteiden vaikutusta pystytä huomioimaan kovin hyvin. Järistyksen aikana tapahtuu usein pieniä vaurioita erityisesti runkoa täydentävissä rakenteissa ja tämä aiheuttaa jäykkyyden muuttumista, mitä dynaaminen malli ei ota huomioon. 5.3 Maanjäristysnormit 5.3.1 Euronormit Euronormit koostuvat perusperiaatteista ja niiden sovellusohjeista. Perusperiaatteet ovat yleensä määräyksiä tai analyyttisiä malleja ja niitä on noudatettava, kun taas sovellusohjeista voidaan poiketa, jos perusperiaatteet täyttyvät. Normit jakavat rakenteet eri tärkeysluokkiin, joita ilmaisee tärkeyskerroin . Rakenteen palautumisaika järistyksestä on yleensä suhteessa tärkeyskertoimeen. Euronormi ei kuitenkaan päde esim. ydinvoimaloille, padoille tai vaarallisia aineita valmistaville laitoksille, vaan näistä alueista vastaavat jokaisen valtion viranomaiset. Euronormi jakaa myös maaperäolosuhteet kolmeen luokkaan. 5.3.1.1 Seisminen mitoitus Euronormien mukaan jokainen valtio tulee jakaa seismisiin vyöhykkeisiin paikallisen maanjäristysriskin mukaan. Maanjäristysliikettä kuvataan yleensä vastespektrillä ja järistystä 18 tietyssä pisteessä kimmoisella vastespektrillä. Kimmoinen vastespektri saadaan seuraavista kaavoista: Missä Se(T) T Ag o TB, TC TD k1, k2 S on vastespektrin ordinaatta on yksivapausasteisen systeemin värähtelyjakso on maan suunnittelukiihtyvyys referenssipalaamisajalle on normalisoidun spektrialiarvon maksimi ovat muuttumattoman spektrialisen kiihtyvyyden rajat määrittää spektrin muuttumattoman siirrosalueen alkamiskohdan ovat spektrin muotoon vaikuttavia eksponentteja on maaparametri on vaimennuskorjauskerroin, joka saadaan kaavasta: η= 7 ≤ 0. 7 2 +ξ on viskoosin vaimennussuhteen arvo prosentteina (yleensä 5 %). Vastespektrin muiden parametrien arvot saadaan taulukosta 1. Jaksonajasta riippumatta ordinaatat ylittyvät 50 % todennäköisyydellä. Rakennesysteemin kapasiteettia analysoidessa voidaan käyttää lineaarisen analyysin sijasta epälineaarista analyysia. Tarkka epälineaarinen analyysi on kuitenkin erittäin monimutkainen. Tämän vuoksi Euronormissa onkin erillinen ”suunnitteluspektri”, joka on redusoitu lineaarisesta spektristä ottamalla huomioon plastisoituminen. Vastespektri redusoidaan suunnitteluspektriksi käyttäytymiskertoimen avulla. Kerroin siis ottaa huomioon rakenteen plastisen käyttäytymisen poikkeuksellisissa olosuhteissa kuten maanjäristys. Itse asiassa kerroin kuvaa sortumisen aiheuttavan maksimikiihtyvyyden ja plastisoitumisen aiheuttavan maksimikiihtyvyyden suhdetta. 19 Taulukko 1. 5.3.1.2 Vaihtoehtoiset esitystavat Euronormit antavat mahdollisuuden käyttää myös muita menetelmiä seismisen kuormituksen esittämiseen. Aika-historia-kuvausta voidaan käyttää kolmiulotteisesti. Tällöin vaaditaan kolme samanaikaisesti vaikuttavaa akselogrammia. Akselogrammit voivat olla keinotekoisia tai rekisteröityjä. Rekisteröityjen diagrammien käyttöön tarvitaan viranomaisten lupa. Tehospektrikuvaus kuvaa seismistä liikettä satunnaisena prosessina. Prosessin määrittää tehospektri, joka on yhdenmukainen magnitudin kanssa. Tehospektrin tulee olla yhteensopiva kimmoisen vastespektrin kanssa. Täten seisminen liike muodostuu kolmesta satunnaisesta toisistaan riippumattomasta prosessista. 5.3.2 UBC (Uniform Building Code) Yhdysvalloissa käytössä oleva Uniform Building Code jakaa USA:n maanjäristysvyöhykkeisiin, jotka perustuvat maanjäristysriskiin alueella. Normit jakavat rakennukset eri käyttötapaluokkiin riippuen rakennuksen käyttötarkoituksesta. Pohjaolosuhteille on myös omat luokkansa, jotka määrittävät mitoituksessa käytettävät kertoimet. UBC: ssä on staattisella analyysillä hieman suurempi painoarvo kuin Euronormissa. Dynaamisia menetelmiäkin kyllä käytetään. 20 5.3.2.1 Staattinen analyysi Staattista analyysiä saa käyttää tietyin ehdoin seismisyysvyöhykkeillä 1 ja 2. Rakenteiden täytyy olla alle 73 m korkeita ja niissä tulee olla toimiva vaakajäykistyssysteemi. UBC:n staattisessa analyysissä leikkausrasitus määritetään seuraavasti: V= ZIC W, Rw missä C= 1.25S T 2/3 Rakenteen jaksonaika T määritetään yleensä seuraavasti: T =C t ×(hn ) 2/3 Hn on rakenteen korkeus, Ct on 0,035 teräsrunkoisille rakenteille, 0,030 teräsbetonirakenteisille ja epäkeskeisesti jäykistetyille rungoille sekä 0,020 muille rakenteille. Kuormien jakautuminen pystysuunnassa voidaan laskea seuraavasti: n V = Ft + ∑ Fi i =1 Fi on kerrostasoille kohdistuva vaakavoima ja Ft = 0,07 *TV on kattotasolle keskittynyt lisävaakavoima (Ft = 0, kun T 0,07). Näin ratkaistu vaakavoima jaetaan korkeussuunnassa seuraavasti: Fx = (V − Ft )w x h x n ∑w h i =1 i i Kerrostasoille keskittynyttä osaa seismisestä omapainosta kuvaa w x. Kerrostasoja kuvataan x:llä. Kuvassa 16. on esitetty tyypillinen vaakavoimien jakaantuminen. Kuva 16. Tyypillinen vaakavoimien jakautuminen. 21 5.3.2.2 Dynaaminen analyysi Dynaamista analyysia tulee käyttää silloin kun staattista analyysia ei voida käyttää. Dynaaminen analyysi perustuu maan liikkeen kuvaamiseen tarkoituksenmukaisesti käyttäen hyväksyttyjä dynamiikan periaatteita. Liikkeen kuvaamiseen voidaan käyttää esim. normalisoitua vastespektriä, rakennuspaikalle ominaista vastespektriä tai aika-historia-analyysiä. Kun dynaamisella menetelmällä saatu leikkausvoiman arvo on pienempi kuin staattisella menetelmällä, täytyy tuloksia skaalata. Epäsäännöllisissä rakenteissa käytetään suoraan staattisella menetelmällä saatua arvoa. Säännöllisissä rakenteissa tulos on 90 prosenttia staattisella menetelmällä lasketusta arvosta. 5.3.3 DIN (Deutsche Institut für Normung) DIN 4149 koskee Eurocode 8:n tavoin vain tavanomaisia rakenteita eli ei siis rakenteita, jotka maanjäristyksen vaikutuksessa voisivat aiheuttaa lisäksi vaaran muulle ympäristölle (ydinvoimalat, myrkkysäiliöt ym.). Normin tehtävänä on taata runkorakenteiden vaurioitumattomuus maanjäristystilanteessa ja näin suojata ihmishenkiä. Kuten Euronormit, DIN-normi jakaa rakennukset kolmeen rakennusluokkaan. Luokat perustuvat rakennusten vaurioitumisesta aiheutuviin turvallisuusriskeihin ja yhteiskunnalliseen merkitykseen. DIN-normi on voimassa Saksan alueilla. Normi jakaa Saksan kuuteen maanjäristysvyöhykkeeseen. Kaksi vyöhykkeistä on tosin sellaisia, että maanjäristyskuormia ei tarvitse mitoituksessa huomioida lainkaan. Normi antaa vyöhykkeille, joissa maanjäristyksiä esiintyy, vaakakiihtyvyyksien ohjearvot, jotka vaihtelevat välillä 0,25m/s2 – 1,0m/s2. Maaperän laadusta riippuen kiihtyvyydet voivat olla paikkakunnittain suurempiakin. Normissa on lisäksi kertoimet eri rakennuspohjille. Vaakakiihtyvyys saadaan DIN-normissa seuraavasti: a = ao × κ × α , Missä ao on vaakakiihtyvyyden ohjearvo ja taas on perustuspohjasta riippuva rakennuspohjakerroin, joka vaihtelee välillä 1,0 - 1,4. Vaakakiihtyvyyden ohjearvo kerrotaan vielä pienennyskertoimella , joka määritetään maanjäristysvyöhykkeen ja rakennusluokan avulla. Se vaihtelee välillä 0,5 – 1,0. Vaakakiihtyvyyden laskenta-arvolla siis tarkoitetaan laskennallista minimiarvoa. Pienennyskertoimen valinnalla voidaan tarvittaessa lisätä rakenteen turvallisuutta. 5.3.3.1 Seisminen mitoitus DIN-normissa käytetään staattisten korvausvoimien menettelyä. Dynaaminen vaikutus lasketaan rakenteen ominaisvärähtelymuodoille korvausvoiman avulla. Laskettaessa käytetään yksittäisten rakennuksien osien massoja, joiden oletetaan keskittyneen massakeskipisteeseen. Taivutusmomentti ja vaakasiirtymät saadaan myös laskettua korvausvoiman avulla. DIN-normissa on myös yksinkertaistettu menetelmä maanjäristyskuormien laskemiselle. Summittaismenetelmässä huomioidaan vain värähtelyn ensimmäinen ominaistaajuus. Menetelmää saa käyttää, jos seuraavat ehdot toteutuvat: 1. rakennus on muodoltaan suorakulmio, eikä siinä ole suuria lisä- tai sivuosia 2. massat jakautuvat tasaisesti pitkin runkoa 3. jäykistyselementit ovat jatkuvia perustuksilta vesikattoon 4. ominaisvärähtelyn 1.jaksonaika on korkeintaan 1 sekunti Vaakasuuntainen korvausvoima saadaan tällöin kaavasta: 22 H ej = 1,5 × m j × β (T1 ) × missä zj h T1 zj h × cala, on massapisteen korkeus perustustasolta on ylimmän massapisteen korkeus perustustasolta on perusvärähtelyn jaksonaika, joka saadaan seuraavasta kaavasta: h 1 T1 = 1.5 + 3EI C k I F ∑ (G j + Pj )z j 2 , missä E I Ck o A dyn Es IF on rakenteen kimmomoduli, on korvaussauvan taivutusjäyhyys, n dynaaminen kallistusmoduli, on kerrospinta-ala perustustasolla, on rakennuspohjan dynaaminen kimmomoduuli on perustamistason taivutusjäyhyys. Eri rakennusosille kohdistuvan vaakavoiman arvo voidaan määrittää kaavalla: H E = 1,5 × m × a o , missä m on rakennusosan massa ja HE on staattinen korvausvoima. 5.3.4 Yhteenveto Normien pyrkimyksenä on maanjäristyskuormien määrittäminen mahdollisimman tarkasti. Samalla normien täytyy kuitenkin olla selkeitä ja johdonmukaisia. Niiden tulee myös ohjata suunnittelua ja yhdenmukaistaa menettelytapoja. Maanjäristyskuormien suuruus riippuu pitkälti rakennuksen maantieteellisestä sijainnista ja maaperäolosuhteista. Tämän vuoksi maa-alueet on jaettu seismisen aktiivisuuden mukaan vyöhykkeisiin ja maaperäolosuhteet omiin luokkiinsa. Rakennukset on lisäksi jaettu yhteiskunnallisen merkityksen perusteella tärkeysluokkiin. Normeissa itsessäänkin on havaittavissa eroja vaikutusalueensa seismisen aktiivisuudesta johtuen. Yhdysvalloissa käytettävässä UBC:ssa määritetään maanjäristyskuormat yksinkertaista korvausvoimamenettelyä käyttäen. Syynä on, että maanjäristyksen vaikutus rakenteisiin täytyy huomioida tavanomaisessa rakennesuunnittelussa lähes aina. Euronormissa käytetään pääasiassa dynaamista menettelyä. Euronormi tosin onkin yleisluontoinen normi, joka antaa kansallisille viranomaisille paljon päätäntävaltaa. 23 6 Käytännön esimerkkejä 6.1 Taipei 101 Taipei 101 on Taiwaniin vuonna 2004 rakennettu 106kerroksinen pilvenpiirtäjä (101 kerrosta maanpäällä). Rakennus on 508 metriä korkea ja on tällä hetkellä maailman toiseksi korkein rakennus. Rakennus on suunniteltu kestämään 7 Richterin maanjäristyksen sekä voimakkaat hirmumyrskyt. Vuonna 2002 rakennusvaiheessa oleva pilvenpiirtäjä altistui 6,8 Richterin maanjäristykselle ja se reagoi suunnitellun mukaisesti ja palautui ennalleen. Ainoat vauriot tulivat rakennustöissä oleville nostureille. Rakennuksen runko muodostuu pääosin teräksisistä Hpalkeista, jotka toimivat liittorakenteena lattialaattojen kanssa, ja betonilattiasta, joka toimii liittorakenteena metallikannen kanssa. Pystysuuntaiset kuormat kannetaan erilaisilla pilareilla rakennuksen ytimessä ja ulompana rakenteessa. Ydin on neliön muotoinen osa, jossa 16 teräskuorista betonipilaria, jotka tuettu eri puolilta lisäämään lujuutta ja jäykkyyttä (62 kerrokseen asti). Rakennuksen alemmissa, 26 kerrokseen asti ytimen lisäksi kuormia ottaa vastaa jokaisella julkisivuilla olevat superpilarit (2kpl) sekä apusuperpilari (2 kpl) sekä rakennuksen nurkissa olevat nurkkapilarit (4kpl). Superpilarit ovat suurikokoisia 2-3 m paksuja teräskuorisia ja erikoisen tiiviillä betonilla täytettyjä. Rakennuksen alemman osan yläpuolella rakennuksen ytimen lisäksi kuormia ottaa vastaan jokaisella sivulla olevat superpilarit (2 kpl). Pilareiden sijoittelu on esitetty kuvassa 18 ja 19. Rakennuksen runko on jaettu 8 eri moduuliin, joiden kuormat johdetaan Special Moment Resisting Frame (SMRF)- rakenteen avulla superpilareille. Rakennuksen ylimpien kerroksen (91 krs alkaen) kuormat johdetaan suoraan ydinpilareille. Kuva 17. Taipei 101 24 Kuva 18. Taipei 101 ylempien kerrosten pilareiden sijoittelu Kuva 19. Taipei 101 alempien kerrosten pilareiden sijoittelu 25 Vaakavoimien ja seismisten rasituksien aiheuttamat kuormat rakennus ottaa vastaan yhdistetyillä ytimeen tuetuilla kehikoilla, joka tasapainotetaan ytimestä superpilareille ja ytimen ympärillä olevalla momenttia kestäville kehikoille. Tuettu ydin tasapainottaa ja ottaa vastaan tuulikuorman ja seismisten voimien aiheuttamat rasitukset. Rakennuksen runko on mitoitettu kestämään 50 vuoden maksimi mitoitustuulikuormaa, joka aiheuttaa maksimissaan h/200 taipuman. Runko toimii joustavasti, jolloin se kestää seismiset voimat ja palautuu ennalleen kuormituksen jälkeen. Kestääkseen tämän kaltaiset rasitukset on rakenteen oltava jäykkä, jonka lisäksi rakennuksessa on 730 tonnia painava teräsheiluri ”tuned mass dumber”, joka sijaitsee rakennuksen 87 kerroksessa. Heiluri on esitetty kuvassa 20. Raskas heiluri on harmoninen värähtelijä, jonka tehtävänä on estää vaurioita, jotka aiheutuvat maanjäristysten aiheuttamasta värähtelystä. Heilurin tehtävä on vastustaa ja stabiloida rakennuksen resonanssitaajuudella tapahtuvaa värähtelyä. Sen avulla saadaan vähennettyä noin 40 % rakennuksen liikkeistä. Rakennuksen huipulla on myös kaksi kevyempää heiluria, jotka ottavat vastaan yläosaan tulevasta raskaasta tuulikuormasta. Heilurin toiminta perustuu sen ominaisuuteen, jossa suhteellisen kevyt kappale pystyy tasapainottamaan suuren painavan rakennuksen liikettä, liikkumalla vastakkaiseen suuntaan kuin itse rakennus. Samalla heiluri vaimentaa rakennukseen aiheutuvaa värähtelyä. Heiluri on säädetty erikoisesti vastustamaan haitallista värähtelyä tai tärinää. Kuvassa 21 on esitetty kuinka heiluri vaimentaa värähtelyä. Taipei 101 on hyvin maanjäristyskestävä, mutta rakennuksen rakenteet ja heilurit ovat niin painavia, että epäillään sen saattavan aiheuttaa jo maanjäristyksiä. Kuva 20. Tuned mass dumber (heiluri) 26 Kuva 21. Sininen viiva 9 Hz värähtely ilman heiluria ja punainen viiva heilurin vaimentama 9 Hz värähtely 27 6.2 Torre Mayor Torre Mayor sijaitsee Mexico Cityssä ja sitä pidetään yhtenä maailman vahvimmista maanjäristyksiä kestävistä rakennuksista. Pilvenpiirtäjä on suunniteltu kestämään 8,5 Richterin järistyksen. Rakennus valmistui vuonna 2003 ja se on 230 metriä korkea ja kerroksia on 55. Rakennuksen kestävyyttä koeteltiin vuonna 2003, jolloin maa järisi 7,6 Richterin vahvuisesti ja osassa rakennusta ei edes huomattu tätä. Rakennuksen runko on teräsrakenteinen, joka perustuu betonilla täytettyihin teräksisien pilareiden kantavuuteen ja jäykkyyteen. Perustukset ovat järeät ja ne on vahvistettu 252 paalulla. Rakennuksen yleistetty pohjapiirrossa on kuvassa 23. Rakennuksen kolmijärjestelmä koostuu pääosin vahvasti tuetusta kehyksestä ytimen ympärillä yhdistettynä ympärillä oleva momenttikehykseen sekä ytimeen. Tuet yhdistyvät ytimen vahvoihin pilareihin ja muodostavat rakennuksen selkärangan. Ytimen ulkopuolinen tukikehys ja vahvat diagonaalituet yhdessä muodostavat tehokkaan putkirakenteen ytimen kanssa ja vastustavat seismisiä voimia. Kuva 22. Torre Mayor Rakennuksen runkona toimivat myös pääosin timantinmuotoiset terästuet, joita on sijoitettu rakennuksen jokaiselle julkisivulle sekä rakennuksen ytimeen kuva 20. Rakennuksen maanjäristyskestävyys perustuu alhaalta ylös kulkevien terästukien iskunvaimentimiin (kuva 25). Iskunvaimentimet ottavat vastaan järistyksessä tulevan energiaa ja vaimentavat värähtelyä. Torre Mayor on ensimmäinen rakennus, jossa terästuet iskunvaimentimineen kannattelevat useita kerroksia vain yhden tuen varassa. 28 Kuva 23. Pohjapiirros; perustukset ja rakennus Kuva 24. Timantinmuotoiset terästuet, joiden päissä iskunvaimentimet 29 Kuva 25. Iskunvaimentimet 6.3 LÄHTEET D. J. Dowrick, Earthquake Resistant Design, 1977 International Association for Earthquake Engineering, Earthquake Resistant Regulations, A World List, 1973 The Journal of the International Association for Earthquake Engineering, Vol. 17, No. 1/September 1988, Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 1988 N. B. Green, Earthquake Resistant Building Design and Construction, Third Edition, 1987 http://fi.wikipedia.org/wiki/Wikipedia:Etusivu http://www.ncree.org.tw/iwsccc/PDF/03%20-%20Shieh.pdf (National Center for Research on Earthquake Engineering, Taiwan) http://www.oph.fi/etalukio/opiskelumodulit/bigeanim/maantiede/maanjaristys.html Google Scholar Kurssin opetusmonisteet 2007 Vuoden 2001 RARS- esitelmä: Rungon yleissuunnittelu maanjäristysalueilla 30
© Copyright 2024