Levyseinän jäykistyslaskenta FEM-ohjelmalla

Abstract

Tämän opinnäytetyön tavoitteena oli selvittää sopiva menetelmä levyseinien mallintamiseen ja jäykistyslaskentaan FEM-ohjelmassa. Aiheesta löytyi kirjallisuudesta niukasti valmista tietoa, eikä toimeksiantajallakaan ollut tarkkaa käytäntöä aiheen käsittelyyn. Levyjäykisteisten seinien laskentaa tehdään kuitenkin paljon, joten tutkimukselle oli selkeä tarve. Työn keskeisin tutkimuskysymys oli, miten levyseinäjäykistys kannattaa toteuttaa FEM-ohjelmassa. Lisäksi selvitettiin, mitä aiheesta on aiemmin tutkittu ja vastaavatko niiden perusteella tehdyt vertailulaskelmat FEM-laskennasta saatavia tuloksia.

Tutkimuksessa mallinnettiin erilaisilla tavoilla levyjäykisteisiä rankaseiniä FEM-ohjelmissa, ja näiden mallien toimivuutta vertailtiin käsinlaskentamenetelmiin. Pääasiallisena työkaluna käytettiin RFEM 5-ohjelmistoa sekä Puuinfon levyjäykisteen-mitoitus -Excel-laskentapohjaa. Työn alussa käytiin läpi levyjäykisteisten seinien mitoituksen ja laskennan teoreettiset perusteet.

Työn tuloksena löydettiin useita toimivia mallinnus- ja laskentatapoja käyttäjän tarpeen mukaan: tarkempia, mutta työläämpiä menetelmiä, sekä yksinkertaisempia ja helpompia lähestymistapoja. Yksinkertaistetut tavat edellyttävät tuekseen käsinlaskentaa, johon työssä johdettiin tarvittavat kaavat. Samalla pystyttiin tunnistamaan ja karsimaan pois epäluotettavia mallinnustapoja.

Tutkimuksessa havaittiin, että nykyiset yleisesti käytössä olevat levyjäykisteseinien laskentamenetelmät huomioivat siirtymissä vain leikkausmuodonmuutokset ja liitosten joustot. Tulosten perusteella nämä yksinkertaistukset voivat johtaa epäkonservatiivisiin tuloksiin erityisesti korkeiden ja kapeiden seinien tapauksessa. Jatkossa voisi olla suositeltavaa kehittää laskentamenetelmiä, jotka ottavat huomioon myös rungon ja levyjäykisteen taivutusmuodonmuutokset. Lisäksi laskentatuloksia kannattaisi verrata koekuormituksiin tässä työssä esitettyjen laskentamenetelmien tarkkuuden varmistamiseksi.

The aim of this thesis was to determine a suitable method for modelling panel-braced walls and performing stiffness calculations in a FEM program. Only limited ready-made information was found in the literature, and the commissioning party had no established practice for addressing the topic. However, the calculation of panel-braced walls is widely performed in practice, which made the need for this research clear. The central research question was how panel bracing should be implemented in FEM software. In addition, the study examined previous research and assessed whether the comparative calculations based on those studies align with results obtained from FEM analysis.

In the research, various FEM modelling approaches were used to analyse panel-braced timber frame walls, and the functionality of these models was compared with manual calculation methods. The main tools used were the RFEM 5 software and Puuinfo’s Excel-based calculation sheet for panel bracing design. The thesis begins with a theoretical overview of the design and calculation principles for panel-braced walls.

As a result, several feasible modelling and calculation methods were identified, depending on the user's needs: more detailed but laborious approaches, and simpler, more practical ones. The simplified methods require supporting manual calculations, and the necessary formulas for these were derived in the thesis. At the same time, modelling approaches that produced unreliable results could be identified and discarded.

The study showed that currently used calculation methods for panel-braced walls typically consider only shear deformations and fastener slip in displacement analysis. The results suggest that these simplifications may lead to non-conservative outcomes, particularly in the case of tall and narrow walls. In the future, it may be advisable to develop calculation methods that also account for bending deformations of both the frame and the panel. Furthermore, the accuracy of the methods presented in this thesis should be verified by comparing the results to experimental load tests.