Rakenteet ja niiden toiminta

Rakenteiden tutkimusryhmässä tarkastellaan rakenteiden lujuutta ja muodonmuutoksia sekä näihin liittyviä varmuuksia ja mitoituskysymyksiä kantavien rakenteiden osalta. Rakennuksen kokonaisvakavuuden tai yksittäisen rakenneosan stabiiliuden tarkastelut ovat myös tärkeä osa rakenteiden tutkimuskenttää.

Rakennuksen rungon kantavat rakenneosat ja niiden väliset liitokset ovat rakenteiden tutkimuksen keskeisin osa-alue. Kantavat rakenneosat ovat tyypillisesti puu-, betoni- tai teräsrakenteita tai yhdistelmärakenteita.

Rakenteiden tutkimushankkeisiin kuuluu teoreettinen tarkastelu ja analyysi rakenteen toiminnasta sekä tarvittaessa rakenteiden koekuormituksia laboratoriossa. Koekuormitusten laajuus ja tarve riippuu tutkimusongelmasta.

Kantavien rakenteiden toiminta on keskeisin osa rakenteiden tutkimusalueesta. Rakenneosan, liitoksen tai rakenneosien muodostaman kokonaisuuden lujuusteknisen käyttäytymisen selvittäminen on tyypillinen tutkimuskohde. Usein tarvitaan rakenteiden kuormituskokeita, joilla varmennetaan rakenteen teoreettinen toiminta. Kuormituskokeiden tekemiseen laboratoriossa on monipuoliset valmiudet ja koejärjestelyt räätälöidään aina tapauskohtaisesti.

Rakenteen teoreettinen toiminta analysoidaan aina ennen ja jälkeen kokeellista tutkimusta. Laskennallisessa tarkastelussa voidaan hyödyntää numeerisia menetelmiä (FEM -laskentaa) silloin, kun kyseessä teoreettisesti vaikeasti analysoitavia rakenteita.

Tutkimuspalvelut

Rakenteiden tutkimuksessa tarvittava teoreettisen tiedon taso ja kokeellisen tutkimuksen hallinta on kehittynyt vuosien saatossa tehtyjen lukuisten tutkimushankkeiden kautta. Tätä monipuolista osaamista käytetään hyväksi uusien tutkimushankkeiden ja tuotekehitysprojektien läpiviennissä.

Rakennetekniikan laboratorio tarjoaa monipuoliset mahdollisuudet rakenteiden tutkimiseen. Rakenteiden lujuusteknisestä toimintaa voidaan tarkastella laskennallisesti ja tarvittaessa koekuormituksin. Rakennusmateriaalien tutkimukseen sisältyy usein kokeellinen osuus, jossa selvitetään materiaalin pitkäaikaiskestävyysominaisuudet. Rakenteiden mitoituskysymyksiin ja suunnitelmien arviointiin on myös mahdollista saada asiantuntijapalvelua rakennetekniikan laitoksesta.

Kokeellinen tutkimus

Kokeellista tutkimusta tarvitaan useimmissa tapauksissa varmentamaan rakenteen teoreettinen toiminta ja mitoitusperiaatteet. Jos rakenne voidaan luotettavasti analysoida teoreettisesti, niin silloin mahdollista, että varmennukseen riittää yksi koe. Jos taas rakenne on sellainen, että sitä ei voida kunnolla mallintaa teoreettisesti, niin silloin koekuormituksia tarvitaan selvästi enemmän.

Koekuormitus tehdään tavanomaisesti täyden mittakaavan koekappaleilla laboratoriossa. Rakenne kuormitetaan murtoon (myötöön) asti ja kokeen aikana mitataan kuorman suuruus ja rakenteen muodonmuutokset. Koekuormituksesta saadaan selville esimerkiksi rakenteen murtolujuus ja murtotapa, muodonmuutokset kokeen aikana (esim. taipuma tai venymät tarvittaessa) ja havainnot kokeen aikana (esim. betonirakenteen halkeilu). Koetulosten perusteella tehdään arvio rakenteen toiminnasta ja mitoitusmenetelmän oikeellisuudesta.

Laskennalliset tarkastelut

Kaikkiin kokeellisiin tutkimuksiin liittyy aina myös laskennallista tarkastelua. Joissain tapauksissa se voi olla hyvin yksinkertainen, mutta vaativissa rakenteissa laskennalliset tarkastelut tehdään numeerisin menetelmin. Numeerisia menetelmiä voidaan käyttää myös hyödyksi tarkasteltaessa erilaisten kuormitustapausten tai rakenteen dimensioiden vaikutuksia rakenteen toimintaan. Näin voidaan määrittää kokeiden laajuus tarkoin, jos kyseessä vaativia ja kustannuksiltaan kalliita koekuormituksia.

Rakennetekniikan yksikössä on käytössä useita erilaisia laskentaohjelmia, joilla voidaan tarkastella rakenteiden toimintaa. Elementtimenetelmä ohjelmistoilla voidaan monipuolisesti analysoida kaikenlaisia rakenteita. Ohjelmilla voidaan tarkastella epälineaarisesti käyttäytyviä materiaaleja (fysikaalinen epälineaarisuus) kuten esimerkiksi teräksen myötö tai betonin halkeilu. Stabiiliuteen liittyvien ongelmien tarkastelu on myös mahdollista (geometrinen epälineaarisuus) kuten esimerkiksi teräspalkin uuman lommahdus tai betonipilarin nurjahdus. Näiden lisäksi voidaan tehdä myös ns. kytkettyjen ongelmien tarkasteluja, jossa rakenteen ominaisuudet muuttuvat olosuhteiden mukaan esimerkiksi lämpötilan mukaan muuttuvat lujuusominaisuudet palotilanteessa.

Rakennesuunnitelmien arviointi

Rakennetekniikan yksikkö tarjoaa mm. rakennuttajille ja urakoitsijoille palvelua, jossa yksikön kokeneista asiantuntijoista koottu tiimi osallistuu rakennettavan tai korjattavan kohteen toteutuksen suunnitteluun. Palvelua on mahdollista soveltaa eri tasoilla alkaen toteutusvaihtoehtojen ideoinnista ja päätyen toteutussuunnitelmien kehittämiseen ja arviointiin.

Suunnitelmien arviointityön tavoitteena on, että toteutettavien rakenteiden varmuus on riittävä ja rakenteet ovat pitkäikäisiä.

Suunnitelmien arviointiryhmä muodostetaan tapauskohtaisesti Rakennetekniikan laitoksen eri tutkimusalojen kokeneista asiantuntijoista. Arviointiryhmässä suunnitelmia arvioidaan ja kehitetään kokonaisuutena sekä etsitään mm. eritasoisia riskejä sisältäviä kohtia yhdessä suunnittelijoiden, tilaajien ja urakoitsijoiden kanssa.

Suunnitelmien arviointipalvelu voi sisältää mm. seuraavaa: suunnitteluohjeiden laatiminen jo ennen suunnittelun aloittamista, suunnitelmien läpikäyminen yhdessä suunnittelijoiden kanssa tai lausuntojen antaminen valmiista suunnitelmista.

Tutkimusvälineet

Tutkimusalueella on käytössä mm. seuraavat tilat ja välineet:

Kuormituslaitteistot

• koekehä, jossa useita kuormitustunkkeja, maksimivoima 240 kN/tunkki
• Järeä kuormituslaite, maksimivoima 5000 kN
• staattiset ja dynaamiset kuormitukset
• Siirtymä- tai voimaohjaus

Mittauslaitteisto

• sähköinen tallennus- ja seurantajärjestelmä
• siirtymäanturit
• venymäliuskamittaus
• halkeaman mittaus

Julkaisut

Kaikki rakennetekniikan laitoksen julkaisut löytyvät kohdasta rakennetekniikan Julkaisut.

Tutkimusalueen vastaavat tutkijat

Tekn.toht. Ralf Lindberg
Professori

Tekn. toht. Jukka Rantala
Laboratorioinsinööri
Tutkimuspalvelut, kokeellinen tutkimus, FEM, koekuormitukset

DI Jukka Haavisto
Projektitutkija
Kokeellinen tutkimus

Tekn. toht. Tuomo Poutanen
Vanhempi tutkija
Puurakenteet
Kotisivu
Homepage

Dipl.ins. Tomi Strander
Käyttöinsinööri
Koekuormitukset