Jäykistysjärjestelmät

Jäykistysjärjestelmää suunniteltaessa on huomioitava:

• Jäykistysjärjestelmien osien kapasiteetti ei ylity missään kuormitustapauksessa
• Rakennuksen ja sen osien muodonmuutokset ja siirtymät pysyvät riittävän pieninä, eivätkä aiheuta rakennuksen käytölle haittoja turvallisuuden tai käyttökelpoisuuden suhteen
• Rakenteen staattinen tasapaino on riittävä, toisin sanoen rakenne ei kaadu
• Jatkuva sortuma pyritään estämään ja rajoittamaan määräysten mukaisesti rakenteellisin keinoin onnettomuustilanteissa
• Asennustilanteen jäykistyksen on oltava toimiva ja asennusvaiheen stabiliteetti on aina tutkittava erikseen

Elementtirakennuksen jäykistys on yleensä aina vaativa suunnittelutehtävä, koska jäykistysjärjestelmä on yleensä toimiva ja kykenee ottamaan vastaan jäykistyksestä tulevia rasituksia vasta kun eri osien väliset liitokset ovat valmiita.

Kaikissa jäykistystavoissa on oleellista, että tasojen vaakarakenteet siirtävät vaakakuormat jäykistäville pystyrakenteille. Vaakakuormia siirtävät tasorakenteet on mitoitettava vastaanottamaan vaakakuormitukset ja niiden liitokset pystyjäykisteisiin on aina mitoitettava kyseisten kuormien tukireaktioille.

Jäykistävät pystyrakenteet saavat kultakin tasolta kuormaa jäykkyyksiensä suhteessa ja jäykistysrakenteita mitoitettaessa on selvitettävä rakenteiden todelliset jäykkyydet riittävällä tarkkuudella. Esimerkiksi seinämaston jäykkyyteen vaikuttavat voimakkaasti seinässä mahdollisesti olevat aukot (ovet, ikkunat tms.) ja seinän halkeilu. Neljästä seinästä muodostuvan kuilun jäykkyys on suurempi kuin neljän erillisen levyseinän jäykkyys yhteensä, mutta jos käytetään koko kuilun jäykkyyttä jäykistyksessä, on muistettava mitoittaa eri seinien pysty- ja vaakaliitokset siten, että ne pystyvät siirtämään ko. liitoksissa vaikuttavat voimat. Rakenteiden tuentatapa vaikuttaa myös kuormien jakautumiseen ja tämä on otettava laskelmissa huomioon.
Jäykkyydet voidaan melko luotettavasti selvittää kun lasketaan rakennuksen jäykistys yleisillä FEM- ohjelmistoilla.  Tällöin on selvitettävä huolellisesti, huomioiko ohjelma esimerkiksi leikkausmuodonmuutokset korkeissa mastoseinissä ja voidaanko ohjelmassa tarvittaessa käyttää toisen kertaluvun laskentaa. Tarvittaessa on otettava huomioon halkeilun vaikutus rakenteiden jäykkyyteen.
Laskettaessa rakennuksien jäykistystä FEM-ohjelmilla mallintamalla koko rakennus 3D-malliksi, on eri rakenteiden ominaisuudet ja liittymät muihin rakenteisiin mallinnettava mahdollisimman oikein vastaamaan todellisuutta, muuten voidaan saada tuloksia, jotka eivät vastaa rakenteen toimintaa.

Esimerkkejä seikoista, jotka tulee ottaa huomioon laskettaessa 3D-malleilla:

• Sauvarakenteiden liittymät on mallinnettu oikein
• Levyrakenteiden liittymät on mallinnettu oikein. Esimerkiksi jos seinien liitoksessa on nivel, on nivel oltava myös laskentamallissa ja vastaavasti, jos laatan ja seinän liitos on nivel, on nivel löydyttävä myös laskentamallista
• Laskentamallista on tarkistettava, ettei eri rakennusosien lasketa välittävän sellaisia voimia, joita ne eivät todellisuudessa välitä tai pysty vaurioitumatta välittämään. Esimerkiksi yläpinnastaan raudoittamaton laatta saattaa laskentamallissa ottaa suuria momentteja yläpintaan ja todellisuudessa laatta halkeaa yläpinnastaan ja voimasuureet jakaantuvat uudelleen
• Korkeissa rakennuksissa on mietittävä, kuinka mallinnetaan kantavien seinien väliin tulevan laatan liitos seinään. Seinä ottaa tietyn määrän momenttia ja laatan yläpintaan saattaa syntyä vetoa liitoksen kohdalla, vaikka liitos on periaatteessa nivel.
• Kuilujen nurkkiin liittyvien laattojen rasitukset nurkan läheisyydessä on tarkastettava, ohjelmat voivat olettaa laattojen välittävän sellaisia voimia, joita ne eivät todellisuudessa välitä
• Pienille pilarikannaksille ulkoseinissä saattaa laskentamallissa kertyä sellaisia rasituksia, joita ne eivät kestä
• On tarkistettava, että liitokset todella kykenevät välittämään voimat, jotka ohjelma kuvittelee niiden välittävän (esim. seinien leikkausvoimat pystyliitoksissa)
• Materiaaliominaisuudet ovat oikein (viruma, lujuus ym.)
• Yhteen suuntaan kantavat laatat on mallinnettu oikein (esim. ontelolaatat)

FEM-mallinnuksen oikeellisuus korostuu korkeissa, ja monimutkaisissa rakennuksissa, joissa pientenkin mallinnusvirheiden vaikutus voi kertaantua ja voimat jakaantua laskentamallissa hyvinkin paljon todellisuudesta poikkeavasti. Vastaavasti 3D-laskentamalleista voidaan paikallistaa sellaisia rasituskeräytymiä, joita ei yksinkertaistetuilla menetelmillä välttämättä huomata.

FEM-mallinnuksen lisäksi tulisi ainakin vaativammissa kohteissa jäykistyslaskelmien suuruusluokka tarkistaa jollakin toisella laskentamenetelmällä.

Rakennuksen jäykistyssuunnittelun tehtävät

Elementtirakentamisessa rakennuksen jäykistyksen suunnittelu ja suunnitelmien mukainen toimiminen sisältää useita osatehtäviä, jotka kaikki pitää huolellisesti suunnitella ja toteuttaa, jotta saavutetaan luotettava lopputulos.

Alustava jäykistyssuunnittelu

Rakennuksen alustava jäykistyssuunnittelu tulee tehdä mahdollisimman varhaisessa suunnitteluvaiheessa ja viimeistään luonnosvaiheessa.

Alustavassa tarkastelussa tulee selvittää seuraavat asiat

• Arvioidaan, onko rakennus riittävän jäykkä
• Onko jäykistyssysteemi symmetrinen
• Pääseekö rakennus kiertymään, jolloin syntyy kiertymästä lisärasituksia jäykisteisiin
• Liikuntasaumojen tarve ja niiden vaikutus rakennuksen jäykistyssysteemiin
• Tarkistetaan onko jäykistäville pystyrakenteille tuleva pystykuorma riittävän suuri, että rakenteeseen ei muodostu vetoa, eikä rakenteita näin jouduta ankkuroimaan kallioperään. Erityisen tärkeää tämä on paalutettavissa kohteissa, joissa ankkurointi voi muodostua hankalaksi
• Normaaleissa rakennuskohteissa tulee ankkurointia välttää

Rakennuksen jäykkyyden riittävyyttä voidaan arvioida esimerkiksi seuraavasti:

q *= B*q

h = rakennuksen korkeus (m)

P = pistekuorma rakennuksen yläreunassa käyttötilassa (kN)

B = rakennuksen leveys laskentasuuntaa vasten kohtisuorassa (m)

q = rakennukseen vaakakuorma käyttötilassa, sisältäen tuulen ja lisävaakavoiman (kN/m2)

∑EI= tarkasteltavassa suunnassa toimivien jäykistysrakenteiden taivutusjäykkyyksien summa (MN/m2)

Jäykistyksen mitoitus murtorajatilassa

Jäykistysjärjestelmä mitoitetaan SFS-EN 1990 ja SFS-EN 1992 mukaisesti murtorajatiloissa. Murtorajatiloiksi luokitellaan kaikki rajatilat, jotka liittyvät ihmisten turvallisuuteen tai rakenteiden varmuuteen. Joissakin tapauksissa aineen tai tavaran suojaaminen luokitellaan murtorajatilaksi.
Tarkasteltavia murtorajatiloja jäykistysrakenteissa ovat:

• Jäykän kappaleen tai sen osan tasapainon menetys
• Liian suuri siirtymätila
• Rakenteen tai sen osan muuttuminen mekanismiksi
• Rakenteen tai sen osan stabiiliuden menetys
• Ajasta riippuva vaurioituminen kuten väsyminen tms.
• Tarkistetaan rakennuksen staattinen tasapaino, joka saadaan rakennukseen kohdistuvien pystyssä pitävien ja sitä kaatavien momenttien osamääränä valitun pisteen (piste, jonka ympäri rakennuksen tai jäykistysrakenteen oletetaan kaatuvan) suhteen laskettuna.

Jäykistyksen mitoitus käyttörajatilassa

Jäykistysjärjestelmä mitoitetaan SFS-EN 1990 ja SFS-EN 1992 mukaisesti käyttörajatiloissa, jotka liittyvät rakenteen toimintaan normaalikäytössä, ihmisten mukavuuteen ja rakennuskohteen ulkonäköön.

Käyttörajatiloja tarkasteltaessa käytetään seuraaviin seikkoihin perustuvia kriteerejä (SFS-EN 1990 kohta 3.4):

• Siirtymät, jotka vaikuttavat ulkonäköön, käyttäjien mukavuuteen, rakenteen toimivuuteen
• Värähtelyt, jotka saavat ihmiset tuntemaan olonsa epämukavaksi tai jotka rajoittavat rakenteen kelpoisuutta käyttötarkoitukseensa
• Vauriot, jotka todennäköisesti vaikuttavat kielteisesti ulkonäköön, säilyvyyteen tai rakenteen toimivuuteen

SFS-EN 1992-1-1 kohdan 7 mukaisesti tarkastetaan käyttörajatilat:

• Jännitysten rajoittaminen
• Halkeamaleveyden rajoittaminen
• Taipuman rajoittaminen

Korkeissa rakennuksissa (ja tietyissä jäykistystyypeissä) saattaa värähtely ja rakenteen taipuma muodostua mitoittavaksi tekijäksi. Jäykistävien rakenteiden taipumille ja värähtelylle ei löydy eurokoodeista suoraan käytettäviä raja-arvoja, vaan rakenteen kelpoisuus on arvioitava tapauskohtaisesti. Taipuman ylärajana on yleisesti Suomessa käytetty arvoa H/400-H/1000, missä:

• H on rakennuksen korkeus.

Vaakasiirtymien suuruus on harkittava kohdekohtaisesti, EN 1993-1-1 NA:ssa rakennuksen vaakasiirtymien rajatilalle on annettu arvo H/400.

Käyttörajatilatarkastelun tarkoitus on myös varmistaa, ettei rakennuksen toiminnassa sen käytön aikana aiheudu haittaa sen käyttötarkoitukselle, joko liiallisista siirtymistä aiheutuneiden esteettisten haittojen tai rakennuksen värähtelyn tai heilahtelun aiheuttaman epämiellyttävän kokemuksen takia. Tähän pyritään esimerkiksi rajoittamalla vaakakuormien rakennukseen aiheuttamia siirtymiä ja halkeamia.

Jäykistyksen mitoitus asennustilanteessa

Rakennuksen asennuksen aikainen jäykistys pitää aina tutkia kussakin erilaisessa tilanteessa ja sen seurauksena asennussuunnitelmissa pitää olla ohjeet tarvittavasta väliaikaistuennasta.

Jäykistys pyritään toteuttamaan siten, että voidaan välttää ylimääräiset asennuksen aikaiset tuennat. Asennusjärjestys laaditaan lähtien jäykistävistä rakenneosista, sen jälkeen niihin tukeutuvat rakenteet ja edelleen ei kantavat rakenneosat. Näin saadaan hallittua kuormitukset vinouksista, omasta painosta ja tuulipinnoista vastaamaan paremmin rakenteen kantokykyä kussakin tilanteessa.

On huomioitava, että asennusaikainen jäykistysjärjestelmä ja jäykistävät rakenteet voivat poiketa lopullisesta järjestelmästä. Esimerkiksi pilarit saattavat asennusaikana toimia mastoina, vaikka ne lopullisessa tilanteessa eivät saa jäykistyksestä rasituksia.

Jäykistyksen mitoitus onnettomuustilanteen varalta

Yksittäisen rakenneosan kantokyvyn menettämisen seurauksena tapahtuva vierekkäisen rakenneosan kuormitustilan liiallinen kasvu ja sen seurauksena aiheutuva etenevä rakenteiden vaurioituminen tai jatkuva sortuma on pyrittävä estämään. Tyypillisin tilanne olisi esimerkiksi ajoneuvon törmäys pilariin. Muita onnettomuustilanteita tässä yhteydessä ovat esimerkiksi tulipalo ja painekuorma räjähdyksestä.
SFS-EN 1991-1-1 kohdan 9.10 ja EN 1991-1-7 NA:n mukaisesti rakenteissa, joita ei ole monoliittisesti suunniteltu kestämään onnettomuuskuormia, tulee olla jatkuvan sortuman estämiseen soveltuva sidejärjestelmä, joka mahdollistaa kuormien siirtymisen toista kautta paikallisen vaurion jälkeen. Tämä koskee myös jäykistysrakenteita. Osittaisen sortuman tapauksessa, sortuman koskiessa myös jäykistysrakennetta, on muiden jäljelle jäävien rakenteiden pystyttävä varmistamaan rakennuksen stabiilius.

Osatehtäviä elementtirakennuksen jäykistämisessä:

• Kuormien ja erityisesti vaakakuormien määritys,
• Yleisimmät vaakakuormat jäykistyksessä ovat mm. tuulikuormat, rakenteiden vinouden aiheuttama vaakakuorma, rakenteiden epäkeskisyyden aiheuttama vaakakuorma ja maanpaine.
• Tapauskohtaisesti esiintyviä vaakakuormia ovat mm. Pitkäaikaismuodonmuutosten, kutistuman ja viruman aiheuttamat kuormitukset. Jännevoimien aiheuttamat kuormitukset, lämpötilan aiheuttamat kuormitukset, nosturikuormat, lippurakenteiden aiheuttamat kuormat. törmäys ja jarrukuormat ja toisen kertaluvun vaakakuormat tarvittaessa
• Vaakakuormien siirtäminen tasorakenteille. Esimerkkinä on vaikka tuulikuorman välittäminen ulkoseinärakenteilla tasoille.
• Tasojen suunnittelu toimimaan jäykistysrakenteen osana. Tasot siirtävät niille siirtyneet vaakakuormat jäykistäville pystyrakenteille. Tätä varten tasojen pitää toimia monoliittisena voimia siirtävänä levynä. Ontelolaattataso jäykistetään saumavalujen ja saumaraudoitteen avulla, kuorilaattataso jäykistyy pintavalun ja raudoitteen avulla, TT- ja HTT -laattatasot jäykistetään hitsaamalla tartuntalevyistä tai pintavalun avulla jne.
• Välipohjarakenteen ja jäykistävien pystyrakenteiden liitosten suunnittelu. Erityisesti leikkausvoimien siirtämiseen tasoilta on kiinnitettävä huomiota varsinkin, jos jäykistäviä pystyrakenteita on vähän ja siirrettävät leikkausvoimat ovat suuria. Kriittisiä kohtia ovat esimerkiksi huonosti rungossa kiinni olevat rungon ulkopuolella sijaitsevat porrashuoneet ja pystyrakenteiden kohdat, joissa niiden jäykkyys muuttuu merkittävästi.
• Jäykistävien pystyrakenteiden suunnittelu.
• Jäykistysrakenteen elementtiliitosten suunnittelu. Useista osista koostuvan jäykistysrakenteen liitosten suunnittelu on tehtävä huolellisesti, jotta saadaan jäykistysrakenne toimimaan monoliittisesti.
• Jäykistysrakenteiden kuormien siirtäminen perustuksille ja maapohjaan. Mahdolliset vetorasitukset jäykistysrakenteissa on muistettava ankkuroida maapohjaan tai muihin rakenteisiin, joiden omapaino riittää kumoamaan vetovoimat. Vetorasituksia syntyy yleensä, jos jäykistysmastoja on vähän ja niille ei saada siirtymään riittävästi pystykuormaa. Tällaisia tilanteita voi syntyä esimerkiksi toimisto- ja liikerakennuksissa, joissa jäykistävien rakenteiden määrä halutaan minimoida hyvään tilankäyttöön ja muuntojoustavuuteen pyrittäessä.

Toisen kertaluvun rasitukset

Erityisesti korkeissa rakennuksissa ja rakennuksissa, joissa jäykistävät rakenneosat ovat hoikkia rakennuksen korkeuteen nähden, on toisen kertaluvun rasituksilla merkitystä rakennuksen kokonaisvakavuutta laskettaessa. Hoikkien mastojen ja kuilujen taipuminen vaakakuormista ja epäkeskisyyksistä aiheuttaa kaikkiin pystykuormiin lisäepäkeskisyyden ja edelleen lisätaipumia mastorakenteelle. Jäykistysrakenteiden toisen kertaluvun taipumat on tarvittaessa selvitettävä ja otettava huomioon mitoituksessa.

SFS-EN 1992-1-1 kohdan 5.8 mukaisesti toisen kertaluvun vaikutukset voidaan jättää huomiotta, jos ne ovat alle 10% ensimmäisen kertaluvun vaikutuksista. Käytännössä tätä on vaikea todistaa laskematta ensin rakennetta huomioiden toisen kertaluvun vaikutukset.

Toisen kertaluvun laskentatarvetta voidaan arvioida eri tilanteissa seuraavasti

Jäykistysjärjestelmässä ei merkittäviä leikkausmuodonmuutoksia, eikä rakennus kierry merkittävästi

Vaihtoehtoisena tarkasteluna ylläesitetylle menettelylle voidaan rakennuksen kokonaistarkastelussa jättää toisen kertaluvun rasitukset huomiotta  / SFS-EN 1992-1-1, kohta 5.8/ jos,

ns  on kerrosten lukumäärä

L  on momenttijäykistyksen yläpuolinen rakennuksen kokonaiskorkeus

Ecd on betonin kimmokertoimen mitoitusarvo 

Ic on jäykistävien sauvojen jäyhyysmomentti halkeamattoman poikkileikkauksen mukaisesti

γCE = 1.2, SFS-EN 1992-1-1 kohta 5.8.6 (3)

k1= 0.31, SFS-EN 1992-1-1 kohta 5.8.3.3

k2=0.62

Vakio k1 voidaan korvata vakiolla k2, jos voidaan osoittaa, että jäykistysseinät säilyvät halkeilematta murtorajatilassa, SFS-EN 1992-1-1 kohta 5.8.3.3

Kaavaa voidaan käyttää vain jos /SFS-EN 1992-1-1/:

• Rakennuksen vääntöön liittyvä epästabiilius ei tule määrääväksi, eli rakenne on kohtuullisen symmetrinen
• Rakennuskokonaisuuden leikkausmuodonmuutokset ovat häviävän pieniä (jäykistysseinissä ei pääsääntöisesti suuria aukkoja)
• Jäykistyssauvat ovat kiinnityskohdissaan jäykkiä, eli kiertymät ovat häviävän pieniä, eivätkä perustukset pääse kiertymään
• Jäykistävien seinien jäykkyys on koko pituudeltaan likimain vakio
• Rakennuksen pystykuorma kasvaa kerroksittain likimain samalla määrällä

FV,B  on rakennekokonaisuuden nurjahduskuorma (leikkausmuodonmuutos ja käyristymä huomioituna)

FV,BB  on rakennekokonaisuuden nurjahduskuorma, jossa huomioidaan vain taivutuksen vaikutukset

FV,BS  on rakennekokonaisuuden nurjahduskuorma, jossa huomioidaan vain leikkausvoiman vaikutukset, FV,BS = ∑S

∑S on jäykistävien rakenneosien kokonaisleikkausjäykkyys (voima jaettuna leikkausmuodonmuutoksella)

Jäykistysrakenteen käyristymä ja leikkausmuodonmuutos, periaate /SFS-EN 1992-1-1

Toisen kertaluvun vaikutusten laskentamenetelmät 

Rakennekokonaisuuden toisen kertaluvun vaikutukset voidaan ottaa huomioon suurentamalla rakenteeseen vaikuttavia vaakavoimia, kun toisen kertaluvun vaikutukset on otettava huomioon.

SFS-EN 1992-1-1 liitteessä H on esitetty seuraava menetelmä suurennettujen vaakakuormien laskemiseksi.

FH,0Ed  on tuulen, vinouden ym. aiheuttama lineaarisesti laskettu vaakavoima

FV,Ed  on pystysuora kokonaisvoima, joka vaikuttaa jäykistäviin ja jäykistettäviin rakenteisiin

FV,B  on rakennekokonaisuuden nimellinen nurjahduskuorma

Jos nimellistä nurjahduskuormaa ei ole laskettu, rakennekokonaisuuden vaakakuormana voidaan käyttää kuormaa

FH,1Ed on nimellinen vaakakuorma, joka aiheuttaa samat taivutusmomentit kuin pystykuorma NV,Ed. NV,Ed vaikuttaa deformoituneeseen rakenteeseen, jonka siirtymä- ja muodonmuutostilan aiheuttaa kuorma FH,0Ed  lineaarisesti laskettuna

Jäykistysjärjestelmät

Rakennukset voidaan jäykistää useilla eri tavoilla ja käytettävän jäykistysjärjestelmän valintaan vaikuttaa useita eri tekijöitä, joiden avulla valitaan kuhunkin rakennukseen sopivin jäykistysjärjestelmä. Jäykistystavan valintaan vaikuttavat esimerkiksi rakennuksen rakennejärjestelmä, mittasuhteet, kustannustehokkuus, vaatimukset rakennuksen muuntojoustavuudelle, arkkitehtuuri ja käyttötarkoitus. Kustannusten ohella jäykistystavan määrittelevät vaatimukset rakennuksen muunneltavuudelle ja käyttötarkoitukselle.

Erilaisia mahdollisia rakennusrungon jäykistystapoja ovat esimerkiksi:

• Mastojäykistys
  • Mastopilarit
  • Mastoseinät
  • Jäykistystorni
• Kehäjäykistys
• Levyjäykistys
• Ristikkojäykistys
• Useiden jäykistystapojen yhdistelmä

Esimerkki rakennuksen jäykistysrakenteesta, jossa on käytetty jäykistystornia ja mastoseiniä

Mastojäykistys

Mastojäykistyksessä jäykistävät rakenteet toimivat ulokepalkin tavoin alapäästään jäykästi kiinnitettyinä ulokepalkkeina, joille tasojen vaakarakenteet siirtävät vaakakuormista aiheutuvat rasitukset. Kuormat siirtyvät rakenteille niiden jäykkyyksien suhteessa.

Rungon muut pystyrakenteet toteutetaan mastojäykistetyssä rakennuksessa nivelliitoksilla, mikä on taloudellista ja aikataulullisesti edullista.

Mastojäykistyksessä voidaan erottaa kolme toisistaan poikkeavaa tyyppiä, mastopilari-, mastoseinä- ja avoprofiili- tai kotelopoikkileikkausten muodostamien kuilujen ja tornien muodostamiin mastoihin

Mastopilarijäykistys

Periaate mastopilarijäykistyksessä

Toimintaperiaate

Mastopilarit toimivat jäykästi alapäästään perustuksiin kiinnitettyinä ulokkeina vaakakuormia vastaan. Vaakakuormat siirretään pilareille suoraan ulkoseinärakenteiden välityksellä ja jäykkien tasorakenteiden kautta. Palkkien ja pilareiden väliset liitokset ovat nivelellisiä, mutta niiden on siirrettävä vaakavoimia. Tasot suunnitellaan jakamaan kuormat mastopilareille niiden jäykkyyksien suhteessa.

Mastopilareiden rasitukset (M,H ja N) siirretään jäykän liitoksen kautta anturalle, joka siirtää rasitukset joko suoraan tai paalujen välityksellä maapohjaan.

Mastopilarijäykistys soveltuu matalahkoihin 1-3 kerroksisiin rakennuksiin ja käyttökelpoisuuden rajana voidaan pitää n 12m:n korkeutta. Tämän korkeuden jälkeen pilarien vaadittavat poikkileikkausmitat kasvavat epätaloudellisiksi ja siirtymien hallinta vaikeutuu.

Hyvää

• Yksinkertainen tehdä ja asentaa
• Välttämättä ei tarvita suuri voimia siirtäviä liitoksia kattolevyssä
• Mahdollistaa suuret yhtenäiset esteettömät lattiapinnat, eikä seinillä tarvita levy- ja/tai sauvajäykisteitä
• Muuntojoustavuus

• Pilarikoko suurempi kuin seinä- tai vinojäykistetyssä rakenteessa
• Raudoitemäärä pilarissa suurempi
• Perusanturoiden koko suurempi

Esimerkki rakennuksen mastopilarijäykistyksestä (osa rakenteista on piilotettu havainnollisuuden takia)

Mastoseinäjäykistys

Mastoseinä toimii ulokepalkkina. Jäykkinä levyinä toimivat tasot siirtävät vaakakuormat mastoseinille. Seinämastot voidaan koota seinäelementeistä, joiden vaaka- ja pystyliitossaumat mitoitetaan siirtämään normaalivoima- ja leikkausrasitukset niin, että ne toimivat yhtenäisenä rakenteena. Masto kiinnitetään perustuksiin joko jäykästi tai ääripisteistään, jolloin kiinnityspisteiden normaalivoimien muodostama voimapari vastaa maston taivutusmomenttia.

Periaate mastoseinäjäykistyksessä

Mastoseinät pyritään sijoittamaan siten, että niille saadaan riittävät pystykuormat ja mastoseinä on kokonaan puristettu kaikissa kuormitustapauksissa. Mikäli mastoseinään tulee vetoa, on huolehdittava vetovoimien siirtämisestä maapohjaan asti. Mastoseinien ankkurointi on aina erikoistapaus ja niitä on suunnittelun keinoin pyrittävä välttämään. Ankkurointitapoina voidaan käyttää esimerkiksi jännitettyjä kallio- tai maa-ankkureita.

Mastoseinien halkeilua ja muodonmuutoksia voidaan tarvittaessa pienentää esimerkiksi jälkijännittämällä mastoseinä. Vaakasuoran leikkausvoiman siirtämiseen elementtien saumoissa voidaan käyttää pintojen välistä kitkaa, vaarnoitusta, terästappeja tms. liitostekniikkaa. Pitkiin mastoseiniin voidaan joutua tekemään myös pystysuuntaisia saumoja, ettei yksittäisten elementtien koko kasva liian suureksi. Tällöin on muistettava mitoittaa ko. saumat siinä vaikuttavalle pystysuuntaiselle leikkausvoimalle, jotta seinän osat saadaan toimimaan monoliittisesti yhdessä. Mastoseinien jäykkyydet on laskettava todellisilla jäykkyyksillä huomioiden mahdolliset aukot (ovet, ikkunat tms.) seinissä.

Jäykistävät seinät pyritään sijoittamaan mahdollisimman symmetrisesti rakennukseen.

Mastoseinäjäykistys soveltuu mastopilarijäykistyksestä poiketen myös korkeisiin rakennuksiin. 

Voimat elementtien liitoksissa voidaan siirtää esimerkiksi Suomessa yleisimmällä tavalla vaijerilenkkiliitoksin tai esimerkiksi kuvan 2.10 esittämällä tavalla (käytössä Hollannissa).

Hyvää

• Muut pystyrakenteet voidaan mitoittaa nivelellisinä, eikä niille tarvitse siirtää rakennuksen jäykistyskuormia, jolloin niiden koko säilyy pienenä.
• Mastoseinät ovat tehokkaita jäykistyksessä ja niiden määrä pystytään pitämään pienenä.
• Pelkästään pystykuormia siirtävät muut kantavat rakenteet voidaan toteuttaa yksinkertaisempina
• Vaakavoimien siirtämiseen tarvittavien työläämpien saumatoteutusten määrä voidaan minimoida
• Soveltuu korkeampiinkin rakennuksiin ja on tehokas jäykistysjärjestelmä
• Muodonmuutokset ovat seinien suuresta jäykkyydestä johtuen pieniä

Huonoa

• Kun jäykistysseinien määrä pyritään minimoimaan ja seinien pituutta ei saada riittäväksi, saattavat vaakavoimat yksittäisessä seinässä kasvaa suuriksi ja vaatia seinien raudoitteilta, seinäkengiltä ja saumateräksiltä merkittäviä kapasiteetteja.
• Jos jäykistysseinien määrä on pieni, vaakavoimia siirtävät liitokset tasojen ja seinien välillä voivat muodostua vaikeiksi toteuttaa
• Yksittäiset seinät korkeammissa rakennuksissa saattavat olla vedettyjä, jolloin on huolehdittava ko. voimien siirtämisestä maapohjaan asti
• Jäykistysseinien aukot vaativat isompia raudoitusmääriä
• Jäykistystornit ja jäykistystornien ja –seinien yhdistelmät

Jäykistystornit toimivat samaan tapaan kuin mastoseinät, eli ulokepalkkeina perustuksista. Käytettäessä jäykistystorneja on muistettava mitoittaa tornien eri seinien liittymät liitoksessa vaikuttavalle leikkausvoimalle, jotta rakenteet saadaan toimimaan monoliittisesti yhdessä.

Tornin ja vastaavien mastoseinien vertailu

Jäykistystornit ovat hyvin jäykkiä rakenteita ja ne sopivat erityisen hyvin korkeisiin rakennuksiin, jolloin saadaan vaakasuuntaiset siirtymät rajoitettuja sallittuihin arvoihin.

Kehäjäykistys 

Nivelellisesti tai jäykästi alapäästään perustuksiin kiinnitetyt pilarit toimivat vaakakuormien rasituksia vastaan kehinä, joiden nurkat ottavat vaakakuormien rasitukset pilarien ja palkkien taivutusrasituksena. Kehäjäykistyksessä kehien nurkat voivat olla jäykkiä tai osittain jäykkiä.  Kehäjäykistämisen toteuttaminen elementtitekniikalla on hankalampi toteuttaa kuin paikallavaletuissa rakennuksissa.  Kehäjäykistystä käytetään yleensä teollisuuden rakentamisessa

Kehäjäykistys soveltuu parhaiten matalahkoihin 1-3 kerroksisiin rakennuksiin. Rakenneosien mitat myös kasvavat erillisten jäykistävien rakenneosien käyttöön verrattuna. Osittain jäykkänurkkaisella jäykistyksellä rakenteiden vaakasiirtymien hallinta on lisäksi vaikeaa, jos nurkkien liitosten rasitukset lähestyvät niiden kantokykyä. 

Kehäjäykistetyssä rakennuksessa päästään vapaampaan tilojen käyttöön, kun rajoittavat jäykistävät seinät puuttuvat. Kehäjäykistys voidaan toteuttaa myös  vain rakennuksen toisessa suunnassa ja toisen suunnan jäykistyksessä käytetään vinotukia tai levyseiniä. 

Käyttämällä jatkuvia palkkeja ja kerroksen korkuisia pilareita saadaan palkit raudoitettua yksinkertaisemmin tukimomenteille ja pilarien jäykkyydessä voidaan hyödyntää rakennuksen normaalivoimia. Näin pystytään yksinkertaistamaan liitokset pilarien pulttiliitoksiksi, jotka mitoitetaan kestämään pilarien päihin jäykistyksestä aiheutuvat momentit. Palkin jatkuvuutta hyödyntämällä voidaan sen korkeutta madaltaa verrattuna vapaasti tuetun palkin korkeuteen. Tarvittaessa palkkia voidaan jatkaa sijoittamalla palkin n. 1/3-osapisteseen liitoskohta. Liitokseen syntyvä nivel kasvattaa kehän sivusiirtymiä, ja vaikutus koko jäykistysjärjestelmän toimivuuteen on tarkistettava. 

Hyvää

• Perustuksissa voidaan käyttää nivelellisiä liitoksia
• Ei ole ylimääräisiä jäykistysrakenteita haittaamassa tilojen käyttöä ja muuntojoustavuutta

Huonoa

• Rakennekorkeus on suurempi kuin levyjäykistetyssä järjestelmässä
• Järjestelmä asettaa omat vaatimuksensa ja rajoituksensa asennusjärjestykselle
• Siirtymien hallinta voi olla vaikeaa ja ne ovat helposti suurempia kuin levyjäykistyksessä
• Liitokset muodostuvat elementtitekniikalla helposti monimutkaisiksi

Levyjäykistys

Levyjäykistyksessä rungon aukkoihin sijoitetut levyt jäykistävät rakenteen. Levymäiset rakenteet siirtävät vaakakuormien aiheuttamat rasitukset levyjen leikkausvoimina rakenteille ja perustuksiin. Tasorakenteet jakavat vaakakuormat jäykistäville levyille niiden jäykkyyksien ja sijaintien mukaisesti.
Levyseinien sijoitus kerroksissa on melko vapaa, mutta on muistettava siirtää jäykistyksestä aiheutuvat pystykuormat muilla rakenteilla perustuksiin ja maapohjaan, jos jäykistävät levyrakenteet eivät sijaitse kaikissa kerroksissa päällekkäin. Jos levyrakenteet eivät sijaitse päällekkäin, joudutaan jäykisteiden siirtämiä vaakasuuntaisia leikkausvoimia siirtämään tasossa ja tämä voi aiheuttaa vaikeita liitosratkaisuja.
Levyrakenteita pitää sijoittaa rakennuksen runkoon molempiin suuntiin. Levyjäykisteitä on oltava vähintään kolme kappaletta, eikä niiden akseleilla saa olla yhteistä leikkauspistettä.
Levyjäykistyksen erikoistapaus on elementtirakenteinen kerrostalo, jossa luonnostaan väliseinät ja kantavat ulkoseinät toimivat jäykistävinä levyinä. Tällainen rakenne voidaan mitoittaa myös mastoseinäjäykistyksenä.

Hyvää

• Perustusten koko ei yleensä kasva jäykistyksen takia, koska jäykistävien rakenteiden määrä on normaalisti suuri (asuinkerrostalot)
• Rakenne on jäykkä, jolloin siirtymät jäävät pieniksi
• Yleensä ei tarvita sisätilojen käyttöä rajoittavia ylimääräisiä rakenteita pystykuormia kantavien rakenteiden lisäksi

Huonoa

• Järjestelmä asettaa omat vaatimuksensa ja rajoituksensa asennusjärjestykselle
• Jos levyrakenteita on vähän, voivat voimia siirtävät liitokset olla vaikeita toteuttaa

Ristikkojäykistys

Levyjäykistyksen sijaan esimerkiksi pilari-palkkirunkoisessa rakennuksessa voidaan käyttää ristikkojäykistystä. Ristikkojäykistys on toimintaperiaatteeltaan levyjäykistyksen kaltainen. Levyjäykisteet on korvattu veto- ja/tai puristussauvoilla.
Jäykistysristikot  voidaan toteuttaa kahdella periaatteessa erilaisella tavalla:

• Jäykistysristikko on osa pystykuormia kantavaa rakennetta
• Jäykistysristikko on erillinen osa

Jäykistysristikko on osa pystykuormia kantavaa rakennetta:

• Ristikon paarteina voivat toimia esim. pilarit tai seinät ja vain ristikon diagonaalit ja joissain tapauksissa vertikaalit ovat erillisiä jäykistysristikon osia. Ristikon paarteet (pilarit tai seinät) saavat vaakakuormituksen aiheuttaman momentin seurauksena lisänormaalivoiman, joka on huomioitava rakenneosien mitoituksessa. Pystykuormien ollessa pieniä, voi jäykistysristikon paarre olla myös vedetty.
• Kantavan pystyrakenteen osana toimivan jäykistysristikon mitoituksessa on otettava  huomioon myös kantavista rakenteista ristikon sauvoille mahdollisesti tulevat lisäkuormitukset.  Lisäkuormituksia voi tulla tiettyihin ristikkotyyppeihin (c ja g kuvassa 2.8) vaakarakenteiden painumista. Lisärasituksia voi tulla korkeissa rakennuksissa ristikon eri osien (paarteet ja diagonaalit) erilaisista materiaaleista johtuen. Betonipilarit kutistuvat ja tapahtuu muodonmuutoksia pystykuormista johtuen, jolloin diagonaalit voivat saada lisärasituksia.
• Pelkästään vedetyillä sauvoilla (kuva 2.8 a)saavutetaan etua diagonaalisauvojen mitoituksessa, koska rakenne toimii aina vedettynä. Sauvoja on kuitenkin ristissä ja tämä haittaa tilankäyttöä enemmän kuin yksi sauva tai muuten sijoitetut puristetut sauvat (esim. kuva 2.8 c, e, f, g ja h tavat).  Tyypin c ja f  ristikot ovat jäykistyksen ja tilankäytön kannalta edullisia, mutta ne saavat vaakarakenteen taipumista lisärasituksia ja päinvastoin vaakarakenteet saavat jäykistysristikolta lisärasituksia ja mitoitus voi olla työlästä. Tyypeissä g ja h on esitetty mahdollisia ratkaisuja näiden ongelmien poistamiseksi.

Erillinen jäykistysristikkorakenne

Ristikkojäykistyksessä voidaan käyttää myös kantavasta pystyrungosta erillään toimivia jäykistysristikoita. Ristikot ovat tällöin yleensä rakenteen ulkopuolelle sijoitettavia kokonaisuuksia, joille siirtyvät pystykuormat ovat pieniä ja tämä johtaa yleensä ankkurointiin. Erilliset ristikot voidaan tuoda työmaalle suurempina kokonaisuuksina tai ne voidaan koota sauvoista työmaalla.

Esimerkki ulkoisista jäykisteistä Hollanti /CORSMIT/

Asennusaikainen jäykistys ristikoilla

Ristikoita voidaan helposti käyttää työmaalla asennusaikaiseen jäykistykseen, kun esimerkiksi rakennuksen lopullinen jäykistysjärjestelmä ei vielä ole toimiva tai asennusjärjestys aiheuttaa väliaikaisen jäykistyksen tarpeen. Asennusaikaisen jäykistysristikon liittämiseen runkoon käytetään mieluiten pulttiliitoksia, jotka ovat helposti purettavissa.

Yhdistelmäjäykistys

Edellä mainittujen jäykistysmuotojen yhdistelmiä voidaan soveltaa tarkoituksenmukaisesti kokonaistaloudellisesti mahdollisimman edullisen ratkaisun saavuttamiseksi. Esimerkiksi levyjäykistetty rakennuksen alaosa ja pilarimastojäykistetty ylin kerros voivat olla taloudellisesti, asennuksen ja työjärjestyksen kannalta tehokas  ratkaisu.

Toinen yleisesti käytetty yhdistelmä on mastoseinä- / kuilujäykistys yhdistettynä jäykistävään ristikkorakenteeseen. 

Yhdistelmäjäykistystä käytettäessä on erityisesti huomattava eri jäykistysjärjestelmien erilaiset jäykkyydet ja jaettava vaakakuormat oikein eri jäykisteille. Esimerkiksi jäykistysseinä on selvästi jäykempi kuin vastaavan korkuinen jäykistysristikko. 

Jäykkyydet voidaan melko luotettavasti selvittää kun lasketaan rakennuksen jäykistys yleisillä FIM-ohjelmistoilla.  Tällöin on selvitettävä huolellisesti, huomioiko ohjelma esimerkiksi leikkausmuodonmuutokset korkeissa mastoseinissä ja voidaanko ohjelmassa tarvittaessa käyttää toisen kertaluvun laskentaa. 

Yhdistetty levy- ja mastopilarijäykistys

Rakennuksessa alimmat kerrokset on jäykistetty levyrakenteilla ja ylin kerros on jäykistetty mastopilareilla. Jäykistyksessä on tässä tapauksessa huomioitava, etteivät pilarien jäykkyydet ylimmässä kerroksessa ole samat, vaikka niiden poikkileikkaus olisikin kaikissa sama. Tämä johtuu siitä, että pilareiden kiinnitysaste ylimmän kerroksen lattiatasossa ei ole samanlainen.

Levyjäykiste alapuolella estää pilarin kiertymän, kun taas alapuolinen pilari sallii kiertymän ylimmän kerroksen lattiatasossa. Kuva 2. 13 selventää asiaa.

Esitetty ratkaisua voidaan hyvin soveltaa esimerkiksi rakentamalla ylimmässä kerroksessa oleva IV-konehuone mastopilarijäykistyksellä ja näin välttää tekniikan sijoittamista hankaloittavia jäykistysrakenteita.

Yhdistetty mastoseinä- ja ristikkojäykistys

Jäykistettäessä rakennus mastoseinillä ja jäykistysristikoilla, on laskettavajäykisteiden suhteelliset jäykkyydet. Jäykistys voidaan melko luotettavasti laskea yleisillä FEM-ohjelmilla kun huolehditaan, että rakennus on mallinnettu oikein. Jäykkyyksien suhde voidaan laskea myös likimääräismenetelmillä.

Yhdistetty mastoseinä- ja ristikkojäykistys