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