Eri puolille maailmaa on viime vuosina rakennettu yhä suurempia ja korkeampia puurakennuksia. Vieraileva tutkijatohtori Hüseyin Emre Ilgın ja rakennusopin professori Markku Karjalainen Tampereen yliopiston arkkitehtuurin yksiköstä käyvät tässä artikkelissa läpi korkeiden puurakennusten etuja, haasteita ja mahdollisuuksia.

Teksti: Hüseyin Emre Ilgın, Markku Karjalainen, Tampereen yliopisto
Kuvat: Voll Arkitekter AS, Ricardo Foto, ARTEC, Michael Elkan, Acton Ostry Architects, Arkkitehtitoimisto Arcadia Oy, Thornton Tomasetti

Read the article in English: Tall wooden buildings: potential, benefits, challenges, and prospects

Puu on nykyaikaisessa rakentamisessa ollut pitkään vain matalien ja pienimittakaavaisten rakennusten ja rakenteiden materiaali, kun taas terästä ja teräsbetonia on käytetty suuremmissa rakennuksissa ja niiden kantavissa rakenteissa. Ympäristötietoisuus on kuitenkin lisääntynyt samalla, kun insinööritieteissä ja puurakennustekniikoissa tapahtuneet edistysaskeleet ovat synnyttäneet yhä kehittyneempiä rakennusosia. Tänä päivänä on mahdollista suunnitella ja toteuttaa puurakennuksia, jotka ovat suurempia ja korkeampia kuin koskaan aiemmin.

Insinööripuutuotteista (ETP, Engineered Timber Products) on viime vuosina rakennettu ennennäkemättömän korkeita (9 kerrosta tai enemmän) puurakennuksia eri puolilla maailmaa. Esimerkiksi 25-kerroksinen ja 87 metriä korkea Ascent (Milwaukee, rakenteilla), 18-kerroksinen ja 85 metriä korkea Mjøstårnet (Brumunddal, 2019), 18-kerroksinen ja 58 metriä korkea Brock Commons Tallwood House (Vancouver, 2017), 14-kerroksinen ja 49 m korkea Treet (Bergen, 2015) sekä Ar-cadia Oy Arkkitehtitoimiston suunnittelema 14-kerroksinen ja 48 m korkea Lighthouse Joensuu (Joensuu, 2019). Taulukossa 1 on listattu korkeimmat valmistuneet ja rakenteilla olevat puu-rakennukset. Yli kahden vuosikymmenen kokemus on antanut suunnittelijoille luottamusta nostaa rakennusten korkeutta niin Euroopassa kuin monilla muilla mantereilla, ja Pohjois-Amerikan seismisille vyöhykkeille soveltuvien puurakenneratkaisujen kehittämiseen on investoitu huomattavasti.

Mahdollisuudet ja edut

Edellä mainittujen ETP-materiaalien kehitys on muuttanut puurakennusalaa merkittävästi, esimerkkeinä niin lattia- kuin seinärakenteiksi soveltuvat ristiinliimattu puu (CLT – Cross Laminated Timber), viilupuu (LVL – Laminated Veneer Lumber) ja liimapuu (GLT – GlueLam Timber).

Liitoksissa perinteisten vaarnatyyppisten liitinten tilalle on nyt tarjolla itsekierteittäviä ruuveja (STS) ja liimaliitoksia, joilla ei ole vaarnojen rajoitteita. Järjestelmätasolla uudet hybridiratkaisut, kuten esijännitetyt itsekeskittyvät järjestelmät, CLT-levyillä jäykistetyt teräsrungot, teräsliitoksiset massiivipuiset ”balloon frame” (=ranka) -rungot, puu-betoniliittorakenteet, puu-betonikomposiittilattiat ja puu-teräshybridijärjestelmät herättävät yhä enemmän kiinnostusta.

Rakennusteknisestä näkökulmasta katsottuna puurakentamisen keskeisiä etuja ovat korkean esivalmistusasteen mahdollistama nopea työmaa-asennus sekä kuljetuksen ja asennuksen totuttua alhaisempi energiankulutus puuelementtien keveyden, kuivan rakentamistavan ja kokonaisprosessin teollistumisen ansiosta. Puurakennuksen ulkovaippaa voi myös täydentää lisäkerroksilla, esimerkiksi esivalmistetuilla elementeillä, teknisillä laitteistoilla ja pintaviimeistelyillä. Selvennyksenä voidaan mainita, että puun massatiheys on noin 500 kg/m³, kun taas betonin ja teräksen ovat 2500 kg/m³ ja 8000 kg/m³.

Haasteet ja ratkaisut

Korkeiden puurakennusten trendiin liittyy kuitenkin haasteita, kuten maanjäristyskestävyys, jäykistys, paloturvallisuus (yli kaksikerroksisiin puurakennuksiin vaaditaan usein sprinklerijärjestelmä), äänieristys sekä puujulkisivujen kestävyys ja kunnossapito. Lisäksi puun taloudellista kilpailukykyä epäillään yhä. Esimerkiksi Yhdysvalloissa massiivipuujärjestelmät ovat vielä suhteellisen tuore ilmiö, minkä vuoksi kustannusten arvioiminen voi olla vaikeaa. Urakoitsijat suhtautuvat skeptisesti potentiaalisiin hyötyihin, kuten hintakilpailukykyyn, ellei heil-le ole jo karttunut kokemusta maanosan harvoista toteutetuista projekteista.

Korkeiden puurakennusten lisääntyessä osaaminen niiden rakentamisesta kasvaa ja hankkeiden kustannustehokkuus paranee. Tämä lisää kiinnostuneiden rakennuttajien ja urakoitsijoiden määrää. Samalla etenkin puun ekologiset edut rakennusmateriaalina voivat auttaa puuta kiilaamaan teräksen ja betonin rinnalle kerrostalorakentamisessa, kun lisääntyvä kaupungistuminen kasvattaa painetta lisärakentamiseen. Puu soveltuu myös usein yksittäisten betoni- tai teräsrakenteiden tilalle. Puurakenteiden paloturvallisuutta voidaan myös nykypäivänä parantaa moderneilla palonkestävillä ja paloa hidastavilla maaleilla ja kyllästeillä, joilla voidaan nostaa puumateriaalin paloluokkaa D:stä aina C:hen ja B:hen.

Samalla kun maailman moderneissa puurakennuksissa tavoitellaan yhä suurempia rakennuskorkeuksia, niissä leikitellään epäsymmetrisillä geometrioilla, näkyvillä puumateriaaleilla ja laajoilla läpinäkyvillä pinnoilla. Trendi näkyy uuden sukupolven puurakennusten arkkitehtuurissa esimerkiksi lattialaattojen vaihtelulla aikaansaatuina pystyulokkeina, ruudukkomaisen perusrakenteen jakamisena pienempiin osiin sekä ikkunoiden, parvekkeiden ja julkisivun muiden aukkojen epäsymmetrisinä konfiguraatioina.

Toinen rakennukseen ja sen vakauteen vaikuttava geometrinen parametri on rakennuksen ytimen sijainti rakennuksen massaan nähden. Rakennuksen arkkitehtonisen ilmeen elementteihin liittyy aina erilaisia teknisiä ja rakenteellisia kysymyksiä, jotka on käsiteltävä ja ratkaistava. Rakennuksen arkkitehtoninen suunnittelu vaikuttaa tällaisten rakenneratkaisujen lisäksi myös merkittävästi rakennuksen energiatehokkuuteen ja ekologisuuteen.

Korkeimpien puurakennusten sivuttaisvakautta voidaan merkittävästi parantaa käyttämällä rakenteena hybridijärjestelmää eli yhdistämällä puuhun esimerkiksi teräsbetonia. Teräsbetoniydin voi parantaa hybridirakenteen turvallisuutta ja rakenteellista jäykkyyttä, koska sillä saadaan tehokkaasti luotua korkeissa rakennuksessa välttämättömiä vaakasuuntaisia ristikkorakenteita.

Viime aikoina on myös yleistynyt tapa käyttää ylimääräisiä RC-rakenneytimiä korkeiden puurakennusten sivuttaisvakauden kasvattamiseen, koska puurakenne yksinään ei kestä kaikkia sivuttaiskuormia. Menetelmän onnistuneita esimerkkejä ovat 25-kerroksinen ja 87 m korkea Ascent (Milwaukee, rakenteilla), 24-kerroksinen ja 84 metriä korkea HoHo (Wien, 2020) ja 18-kerroksinen ja 58 metriä korkea Brock Commons Tallwood House (Vancouver, 2017).

Puurakentamisen kasvuluvuista ja lukuisista eduista huolimatta suurin osa maailman korkeista rakennuksista on edelleen betonia tai terästä. Monissa Euroopan maissa on kuitenkin kattavat metsävarat ja kehittynyt puuelementtiteollisuus, eli korkean puurakentamisen potentiaalia on vielä hyödyntämättä. Puumateriaalin moniulotteiset ominaisuudet ja siihen liittyvät haasteet korostuvat kuitenkin kerrostalorakentamisessa: kosteusherkkyys, keveys, ortotrooppisuus, hauraus, alhainen jäykkyys sekä järjestelmä-, koko- ja aikavaikutukset.

Erityisen korkeiden puurakennusten suunnittelua monimutkaistavat lisäksi rakenteelliset rajoitukset, koska suunnittelussa huomioitavat ilmasto-olosuhteet, tuulelle altistuminen ja seisminen toiminta ovat suurelta osin sijaintikohtaisia. Korkeiden puurakennusten rakenteellisen lujuuden suunnittelu onkin vielä varsin lapsenkengissä, koska suurten rakennekokonaisuuksien testaaminen on hankalaa ja puun ominaisuudet ovat jo lähtökohtaisesti monimutkaiset. On siksi hyvin vaikeaa ennustaa tarkkaa korkeiden puurakennusten käyttäytymistä erilaisten vaurioitumistapausten yhteydessä.

Puun rakenteelliset haasteet

Rakenteellisessa suunnittelussa on huomioitava, että korkeat rakennukset altistuvat matalia rakennuksia runsaammin tuulen ja maanjäristyksen aiheuttamille sivuttaiskuormituksille. Sivuttaiskuormat ovat korkeissa rakennuksissa ratkaisevassa roolissa, mutta niiden arviointi on pystysuoraa kuormitusta vaikeampaa suunnitteluvaiheessa. Korkeita puurakenteita suunniteltaessa on myös huomioitava vaakasuora värähtely ja dynaaminen käyttäytyminen, koska puurakenteilla on betoni- ja teräsrakenteisiin verrattuna pienempi jäykkyys ja massatiheys. Perustukseen kohdistuvat tuulen leikkausvoimat ovat korkeissa puurakennuksissa tyypillisesti seismisiä leikkausvoimia suuremmat, koska rakenteen joustaminen on niin voimakasta.

Korkeiden puurakennusten rakennesuunnittelussa tulee huomioida tuulen kuormituksen vaikutukset murtorajatiloissa ja hallita tuulen aiheuttamia sivuttaissiirtymiä käyttörajatiloissa. Ei myöskään pidä unohtaa tuulen aiheuttaman tärinän vaikutuksia asumismukavuuteen. Aivan kuten perinteisistä materiaaleista rakennetuissa korkeissa rakennuksissa, myös korkeiden puurakennusten suunnittelussa on tärkeää valita tuulivaikutusten kannalta oikeanlainen rakennejärjestelmä. Rakenteellisen vakauden varmistaminen on tärkeä osa näiden rakenteiden kehitystyötä.

Korkeissa puurakennuksissa voidaan käyttää vakiintuneita rakennejärjestelmiä, esimerkiksi massiivilevyjä kantavissa perusosissa ja CLT-rankarakenteita rakenneosissa, jolloin rakenteellinen vakaus perustuu lineaaristen puurunko-osien ja -kuorilevyjen yhdistelmäliikkeeseen. Sopivin kuori määräytyy pitkälti kerrosten lukumäärän ja seinäelementtien sivuttaiskuormien suuruuden mukaan. Pysty- ja sivuttaiskuormien kestävyys on yleensä massiivilevyrakenteella huomattavasti rankarakennetta parempi, minkä vuoksi yli kolmikerroksisissa rakennuksissa suositaan tyypillisesti CLT-seinäelementtejä.

Joissakin elementtirakenteisissa puukerrostaloissa CLT:n käyttö on päinvastaista, eli CLT-seinäelementit on sijoitettu julkisivulle ja sisätiloissa käytetään rankarakenteisia seinäelementtejä. Tällainen asettelu sopii erityisesti keskikorkeisiin puurakenteisiin, koska niihin kohdistuvat vääntövoimat ovat lattian epäsymmetrisyyden vuoksi voimakkaimmat rakennuksen ulkoreunoilla. Suurimmassa osassa ennen vuotta 2009 suunnitelluis-ta korkeista puurakennuksista, esimerkiksi Lontoon Stadthausissa (2009), on käytetty ristiinlaminoitua rakennejärjestelmää.

Jäykistetyt rungot, joihin on yhdistetty lisäpalkkeja tai muita elementtejä, ovat esimerkki kehittyneestä rakennejärjestelmästä, joka kestää painovoimaa ja sivuttaiskuormia. Tyypillisesti tällaisten runkojen jäykistävät komponentit altistuvat vain aksiaalisille voimille, minkä vuoksi ne pystyvät merkittävästi kasvattamaan runkojen kantokykyä. Jäykisteiden lisääminen kasvattaa myös järjestelmän yleistä jäykkyyttä, jolloin taipuma pysyy sallittujen rajojen sisällä.

Tällaisia jäykistetyiksi putkirakenteiksi kutsuttuja järjestelmiä on käytetty korkeissa rakennuksissa jo pitkään. Puisina siitä on kaksi edustavaa esimerkkiä: Mjøstårnet, joka on tällä hetkellä maailman korkein puurakennus, sekä Treet. Kumpikin on rakennettu alueelle, jossa seisminen toiminta ei ole kovin voimakasta, ja rakennesuunnittelu on siksi pohjannut erityisesti tuulikuormiin maanjäristyskuormien sijaan.

Tällä hetkellä on vielä vakava puute suunnittelukäytännöistä ja tarkoista suuntaviivoista, jotka rohkaisisivat suunnittelijoita käyttämään enemmän puurakenteita. Esimerkiksi Eurocode 8:ssa ei ole riittävän tarkkaa ohjeistusta turvallisten puurakennusten suunnitteluun maanjäristysalueille. Tässä yhteydessä on syytä muistuttaa, että vankkuus on tärkeä ominaisuus missä tahansa rakenteessa. Rakenteen vankkuus eli kyky vastustaa romahtamista on kuitenkin kriittisen tärkeää suurissa ja epätavallisissa rakenteissa, joiden käyttäytymistä ei täysin ymmärretä ja joissa mahdollinen romahdusriski voi olla korkea. Tällaisia ovat juuri korkeat puurakennukset, joiden rakentaminen on nyt piristynyt puutuotteiden teknologisen kehityksen myötä. Rakenteiden kestävyyden tutkimus ja osaaminen painottuvat tällä hetkellä vielä pääasiassa teräsbetoni- ja teräsrakenteisiin. Useimmissa rakennusmääräyksissä ei ole tarkkoja ohjeita kestävyyden suunnitteluun, etenkään puurakenteiden osalta. Maailmalla etsitään parhaillaan tapoja soveltaa suorituskykyyn perustuvaa seismistä suunnittelua, joka mahdollistaisi kestävien korkeiden puurakennusten rakentamisen seismisesti aktiivisilla alueilla.

Päätelmät ja tulevaisuudennäkymät

Massiivipuurakennusten onnistunut suunnittelu edellyttää mm. suunnittelutiimin ja urakoitsijoiden välistä varhaista koordinointia, puuosatoimittajien varhaista mukaan tulemista ja materiaalien, levykokojen ja ristikoiden optimointia. Näistä kaikista tulisi keskustella arkkitehtien, rakennesuunnittelijoiden ja kunkin hankkeen muiden tärkeiden rakennusammattilaisten kesken jo suunnittelun alkuvaiheessa, jotta rakennusmenetelmistä saataisiin entistä kustannustehokkaampia ja paremmin optimoituja. Korkean puurakennuksen suunnittelu vaatii ratkaisukeskeistä arkkitehtuuria ja monitieteistä lähestymistapaa, joka kattaa niin ympäristöön, rakenteeseen kuin energiakysymyksiin liittyviä aihealueita.

Lisäksi osana korkeiden puurakennusten kattavaa laatuarviointia tulisi tarkastella kunkin rakennuksen energiatehokkuutta, arkkitehtonisen ja rakenteellisen suunnittelun onnistumista, sisäympäristön laatua sekä käyttäytymistä tulevaisuuden ilmastoskenaarioissa. Korkeiden puurakennusten asiantunteva suunnittelu tulee siksi olemaan tärkeä osa rakennusten energiatehokkuuden optimointia.

Mitä enemmän projekteja valmistuu, sitä enemmän kertyy tietoa puurakentamisen kustannusrakenteesta ja kilpailukyvystä muihin rakennustyyppeihin nähden. Mielikuva puusta korkeisiin rakennuksiin sopivana materiaalina vahvistuu jokaisen uuden sovelluksen ja esimerkkikohteen myötä. Suorat kannustimet, kuten esittelyhankkeet ja kilpailut, auttavat myös varmasti raivaamaan esteitä puurakentamisen tieltä. Puurakentamisen kustannusten ja suunnittelun optimoinnin tarkistuslistat, rakentamisen johtamiskoulutukset ja puurakenteiden asentajakoulutukset edistävät varmasti myös osaltaan puurakentamisen yleistymistä.

Jos nykyiset kehitykset ja suotuisat olosuhteet säilyvät, puu vakiinnuttanee lähitulevaisuudessa paikkansa yhtenä mahdollisena ja kilpailukykyisenä kerrostalorakentamisen materiaaleista.

Hüseyin Emre Ilgın väitteli tohtoriksi (2018) korkean rakennuksen suunnittelusta arkkitehtuurissa METU:sta Ankara. Joulukuusta 2019 lähtien hän on tehnyt puurakentamisen post-doc-tutkimusta Tampereen yliopistossa. Nykyään tohtori Ilgın työskentelee Marie Skłodowska-Curie-tutkijana, ja tutkii lohenpyrstöliitosten käyttöä massiivipuulevyelementeissä.