Puukerrostalon yläpohjan fysikaalisen toiminnan tarkastelu : FEM-sovellusten avulla

Abstract

Puukerrostalorakentaminen on nopeasti kehittyvä ala. Rakennusmääräysten kehityksen myötä pyritään luomaan suotuisat olosuhteet uusiutuvan kotimaisen materiaalin käytölle. Rakennetekniikan osalta kehitystehtäviin kuuluu toimintavarman rakennejärjestelmän suunnittelu. Tähän asti Suomessa rakennetuista puukerrostaloista jokainen on toiminut tuotekehityksen koekappaleena. Taloudelliset puitteet määräävät sen, että rakennejärjestelmän kehityksestä pitää saada lähiaikoina selkeät tulokset, joiden avulla voitaisiin käynnistää puukerrostalojen massatuotanto.

Puun materiaaliominaisuudet tarjoavat erinomaiset puitteet kerrostalorakentamiseen. Kuitenkin altistuminen kosteudelle voi vaurioittaa puurakenteita sekä vaikuttaa negatiivisesti sisätilojen ilmanlaatuun. Näin kosteusrasitusten eliminoinnista muodostuu puurakennesuunnittelun parissa tärkeä tehtävä.

Tässä työssä selvitettiin eri tekijöiden vaikutukset puukerrostalon yläpohjan tuuletusraon toimintaan. Jatkuvan toimintavarman tuulettuvuuden päätekijänä todettiin olevan yläpohjan lämmönvuoto, joka on supistunut olennaisesti energiamääräysten myötä ja todennäköisesti tulee supistumaan edelleen. Suurimpana tuuletusta heikentävänä tekijänä todettiin olevan rakenneosien geometria, etenkin tasakaton räystäsdetaljin kokoonpano.

Rakenteen toimivuutta testattiin käyttäen kaksi- ja kolmeulotteisia malleja FEM-simulointiohjelman avulla sekä 1d-laskelmia soveltaen. Työn aikana kehitetty työkalusto mahdollistaa yläpohjan ja mm. räystäsrakenteen elementtiteknisen jatkokehityksen. Tällaisen jatkokehityksen tarve voi todennäköisesti syntyä energiamääräysten kiristyessä.

Construction of a multi-storey apartment blocks using wood-based elements is a fast-growing industry. The latest changes in building regulations seek to create favourable conditions for the use of renewable domestic material. At the same time, engineering agencies are facing the task of developing a new structural design code. Until now, every wooden apartment building built in Finland presented a test piece for the ongoing development process. Contemporary market situation, however, demands that a workable design code should be available in the nearest future to launch the mass production of wooden apartment blocks.

The mechanical properties of wood provide an excellent setting for high-rise construction. However, a prolonged exposure to moisture may damage wooden structures and may have a negative impact on indoor air quality. Hence, the elimination of moisture stresses forms an important part of wood construction design.

The purpose of this Bachelor’s thesis was to study the effects of various factors on the functioning of a ventilation gap of a timber element-based, multi-storey apartment block. It was found out that the main factor of continuous ventilation is a heat leakage through the roof layers. This factor has decreased substantially due to energy regulations and is likely to further decrease in the future. The main negative factor to decrease the rate of ventilation is the geometry of the ventilation gap, particularly the configuration of a parapet.

The functionality of the structure was tested using two- and three-dimensional models on FEM simulation program and 1-dimensional Mathcad calculations. The tools developed during the study can be used for the ongoing technical development of timber-based roof and parapet elements. The need for such development is likely to appear in case of further tightening of building regulations.