Vaihtoehtoinen kuormansiirtoreitti jatkuvan sortuman estämisessä

1 Yleistä

Puurakennuksessa jatkuvan sortuman estäminen tulee ottaa esille jo varhaisessa suunnitteluvaiheessa, koska tämä vaikuttaa oleellisesti rungon ja sen liitosten suunnitteluun. Mikäli jatkuvan sortuman estämistä suunnitellaan rakennushankkeessa liian myöhään, ajaudutaan asian suhteen yleensä hyvin suuriin ylimääräisiin kustannuseriin.

Jatkuvan sortuman estämisen menetelmät ovat aikoinaan kehittyneet betonirakentamiseen, jossa jatkuvan sortuman estämisessä hyödynnetään tyypillisesti betonissa olevaa raudoitusta. Tämän takia jatkuvan sortuman estämisen yhteydessä puhutaan ”sidejärjestelmästä” ja ”sidevoimista”. Sidejärjestelmät soveltuvat hyvin betonirakentamiseen, koska vaaka- ja pystyrakenteissa on paljon raudoitusta, joka kestää suuria sidevoimia. Betonirakenteissa sidejärjestelmät ovat tavallaan jo olemassa rakennusosien sisällä raudoituksen muodossa.

Puurakentamisessa sidejärjestelmät ovat myös mahdollisia, mutta niiden toteuttaminen on suhteellisen haastavaa erityisesti liitosten osalta. Esimerkiksi seuraamusluokassa CC2 vaakasidevoiman T vähimmäisarvo on 10 kN, kun vaakarakenteen pysyvän kuorman ominaisarvo on g_k ≤ 2,0 kN/m². Vaakarakenteen pysyvän kuorman ominaisarvon ollessa g_k ≥ 3,0 kN/m², on vaakasidevoiman T vähimmäisarvo 70 kN. Tavallisesti sidevoimat ovat vähimmäisarvoja suurempia, koska voimien laskennassa muuttujana on esimerkiksi siteiden välinen etäisyys. Seuraamusluokissa CC2b ja CC3 vaaditaan vaakasidonnan lisäksi pystysidontaa, joka tuo lisähaasteita runkosuunnitteluun.

Sidejärjestelmät aiheuttavat suunnittelu- ja toteutushaasteita erityisesti puurungon liitoksiin. Puurakenteiden liitokset ovat muutenkin haastavia suunnitella ja toteuttaa, joten jatkuvan sortuman estäminen sidejärjestelmällä ei ole suositeltavin vaihtoehto. Päätös jatkuvan sortuman estämisen menetelmästä tehdään kuitenkin aina kohdekohtaisesti tarkastellen kantavaa runkoa kokonaisuutena.

Vaihtoehtoinen kuormansiirtoreitti on jatkuvan sortuman estämisen menetelmä, joka soveltuu suhteellisen hyvin puurunkoisiin rakennuksiin, koska puurakenteet ovat painoltaan kevyempiä ja jänneväleiltään suhteellisen lyhyitä verrattuna betonirakentamiseen. Vaihtoehtoisen kuormansiirtoreitin käyttäminen jatkuvan sortuman estämisessä vähentää merkittävästi rungon liitoksien määrää ja niihin kohdistuvia voimia onnettomuustilanteessa.

2 Seuraamusluokat

Onnettomuustilanteen seuraamusluokat on esitetty taulukossa 1. Kansallisesti meillä seuraamusluokat CC2 ja CC3 jakautuvat lisäksi alaluokkiin CC2a, CC2b, CC3a ja CC3b. Puurunkoiset rakennukset ovat suurelta osin seuraamusluokassa CC2. Seuraamusluokkaa määritettäessä tulee huomioida, että CC3-luokassa kellarikerrokset luetaan mukaan kerrosmäärään. Näin ollen kellarin ja kahdeksan maanpäällistä kerrosta sisältävä rakennus kuuluu seuraamusluokkaan CC3. Puurunkoisena toteutetaan myös esimerkiksi laajarunkoisia urheilu- ja monitoimihalleja sekä katsomoita. Nämä kuuluvat seuraamusluokkaan CC3.

3 Pientalo, rivitalo, asuinkerrostalo (max 2 krs)

Asuinrakennus, jossa on enintään kaksi maanpäällistä kerrosta, kuuluu seuraamusluokkaan CC1. Kahden maanpäällisen kerroksen lisäksi kyseisissä rakennuksissa voi olla maanalainen kellari. CC1-luokassa riittää niin sanottu normaali eurokoodin mukainen kestävyys- ja stabiliteettimitoitukseen perustuva suunnittelu huomioiden kuitenkin ennakoitavissa olevat onnettomuustilanteet ja määritettävissä olevat onnettomuuskuormat.

4 Kaupunkipientalo (max 4 krs)

Niin sanottu kaupunkipientalo on asuinrakennus, jossa kaikki kerrokset kuuluvat samaan huoneistoon. Asuinrakennus, jossa on enintään neljä maanpäällistä kerrosta ja jonka korkeus on enintään 16 m (nurkkapisteiden korkeuksien keskiarvo), kuuluu seuraamusluokkaan CC2a. Neljän maanpäällisen kerroksen lisäksi kyseisissä rakennuksissa voi olla maanalainen kellari.

5 Asuinkerrostalo (3…8 krs)

Asuinrakennus, jossa on enintään kahdeksan maanpäällistä kerrosta, kuuluu seuraamusluokkaan CC2b. Mikäli maanpäällisten kerrosten lisäksi 8-kerroksisessa rakennuksessa on kellari, kuuluu rakennus seuraamusluokkaan CC3a (kellari + 8 krs = 9 → CC3a).

6 Kokoontumisrakennus, liikerakennus (max 4 krs)

Kokoontumisrakennuksia ovat esimerkiksi koulu, päiväkoti, ravintola ja kirjasto. Liikerakennus on esimerkiksi myymälä. Kyseiset rakennukset, joissa on enintään neljä maanpäällistä kerrosta ja joiden korkeus on enintään 16 m (nurkkapisteiden korkeuksien keskiarvo), kuuluvat seuraamusluokkaan CC2a tai CC2b riippuen rakennuksen laajuudesta, henkilömäärästä, rakennuksessa olevasta omaisuudesta jne. Neljän maanpäällisen kerroksen lisäksi kyseisissä rakennuksissa voi olla maanalainen kellari. Laajarunkoinen kokoontumis- ja liikerakennus voi kuulua myös seuraamusluokkaan CC3 (esimerkiksi kauppakeskus).

7 Työpaikkarakennus, majoitusrakennus, hoitolaitosrakennus (max 8 krs)

Työpaikkarakennus on esimerkiksi toimistotalo. Majoitusrakennus on esimerkiksi hotelli. Hoitolaitosrakennus on esimerkiksi vanhusten palvelutalo. Kyseiset rakennukset, joissa on enintään kahdeksan maanpäällistä kerrosta, kuuluvat seuraamusluokkaan CC2b. Mikäli maanpäällisten kerrosten lisäksi 8-kerroksisessa rakennuksessa on kellari, kuuluu rakennus seuraamusluokkaan CC3a (kellari + 8 krs = 9 → CC3a).

8 Tuotantorakennus, varastorakennus (1 krs)

Tuotantorakennus on esimerkiksi teollisuusrakennus, jossa työskentelee ihmisiä. Varastorakennukset voivat olla sellaisia, joissa vain tilapäisesti oleskelee ihmisiä, mutta ne voivat olla myös laajarunkoisia logistiikkakeskuksia, joissa työskentelee vakituisesti ihmisiä. Logistiikkakeskuksen kaltaisissa rakennuksissa on myös riski suuriin omaisuusvahinkoihin onnettomuustilanteessa.

Tuotanto- ja varastorakennukset kuuluvat tavallisesti seuraamusluokkaan CC2a tai CC2b riippuen rakennuksen laajuudesta, henkilömäärästä, rakennuksessa olevasta omaisuudesta jne. Tuotanto- ja varastorakennukset voi kuulua myös seuraamusluokkaan CC3.

Varastorakennus, jossa tilapäisesti oleskelee ihmisiä, voidaan suunnitella seuraamusluokan CC1 mukaisesti. Tällöin riittää niin sanottu normaali eurokoodin mukainen kestävyys- ja stabiliteettimitoitukseen perustuva suunnittelu huomioiden kuitenkin ennakoitavissa olevat onnettomuustilanteet ja määritettävissä olevat onnettomuuskuormat.

9 Maatalousrakennukset (1 krs)

Maatalousrakennuksia ovat esimerkiksi maataloustuotannossa tarvittavat eläin- ja varastorakennukset sekä ratsastusmaneesit. Laajarunkoiset eläinrakennukset ja ratsastusmaneesit kuuluvat CC2a- tai CC2b-luokkaan riippuen rakennuksen laajuudesta. Mikäli laajarunkoisessa ratsastusmaneesissa on katsomo, kuuluu rakennus CC3-luokkaan.  

Maatalouden varastorakennukset, joissa tilapäisesti oleskelee ihmisiä, voidaan suunnitella seuraamusluokan CC1 mukaisesti. Tällöin riittää niin sanottu normaali eurokoodin mukainen kestävyys- ja stabiliteettimitoitukseen perustuva suunnittelu huomioiden kuitenkin ennakoitavissa olevat onnettomuustilanteet ja määritettävissä olevat onnettomuuskuormat.

10 Vaihtoehtoinen kuormansiirtoreitti

Vaihtoehtoisella kuormansiirtoreitillä tarkoitetaan jatkuvan sortuman estämisen menetelmää, jossa onnettomuustilanteessa menetetyn kantavan rakennusosan kuormitukset ohjataan perustuksille vaihtoehtoista reittiä pitkin. Vaihtoehtoisen kuormansiirtoreitin mitoituksessa käytetään onnettomuustilanteen kuormituksia. Vaihtoehtoista kuormansiirtoreittiä voidaan käyttää kaikissa seuraamusluokissa.

Vaihtoehtoisen kuormansiirtoreitin suunnittelu tulee aloittaa jo rakennuksen suunnittelun varhaisessa vaiheessa. Runkoa suunniteltaessa tulee samalla miettiä onnettomuustilanteen vaihtoehtoisia kuormansiirtoreittejä, jotta kantava runko saadaan optimoitua myös onnettomuustilanteen näkökulmasta. Hyvin pienillä oikeilla yksittäisillä rakenneteknisillä valinnoilla voidaan saada jatkuvan sortuman estäminen helposti ja kustannustehokkaasti ratkaistua. Esimerkkinä tällaisesta valinnasta on rakenteiden jatkuvuuden hyödyntäminen jatkuvan sortuman estämisessä.

10.1 Seinämäisen palkin hyödyntäminen

Seinämäisiä palkkeja voidaan hyödyntää erilaisissa runkojärjestelmissä vaihtoehtoisen kuormansiirtoreitin muodostamiseen. Erityisesti kantavaseinäisessä runkojärjestelmässä tätä kannattaa pitää ensimmäisenä vaihtoehtona. Mikäli rankarakenteisesta seinässä ei pystytä suunnittelemaan seinämäistä palkkia, voidaan tämän sijaan hyödyntää rankaseinässä olevia palkkeja (ks. kuvat 9 ja 10).

Tyypillinen kantavaseinäinen rakennus on asuinkerrostalo. Ääni- ja värähtelyteknisistä syistä asuinkerrostalossa ei voida tehdä huoneistosta toiseen jatkuvia vaakarakenteita, joten vaakarakenteiden jatkuvuutta ei voida hyödyntää vaihtoehtoisen kuormansiirtoreitin muodostamiseen. Kuvassa 11 on esimerkki asuinkerrostalon vaihtoehtoisesta kuormansiirtoreitistä (kuvassa vihreällä). Kyseisessä tapauksessa menetetyn seinän yläpuoliset seinät mitoitetaan toimimaan onnettomuustilanteessa seinämäisenä palkkina, johon vaakarakenteet on kiinnitetty.

Erillään olevat huoneistot tulee aina kytkeä toisiinsa esim. teräslevyillä, jotta rungosta saadaan yhtenäinen kokonaisuus stabiliteetin näkökulmasta. Onnettomuustilanteessa voidaan hyödyntää samaa periaatetta, jolloin viereinen/viereiset huoneistot stabiloivat vaurioitunutta aluetta (kuvassa 11 esitetty punaisella).

10.2 Vaakarakenteiden jatkuvuuden hyödyntäminen

Vaakarakenteiden jatkuvuutta voidaan hyödyntää vaihtoehtoisen kuormansiirtoreitin muodostamiseen rakennuksissa, joissa voidaan tehdä ääni- ja värähtelyteknisistä syistä tilasta toiseen jatkuvia vaakarakenteita. Vaakarakenteiden jatkuvuus suunnitellaan siten, että minkä tahansa kantavan rakenteen menetyksen jälkeen jatkuva vaakarakenne vie kuormitukset vaihtoehtoisille kuormansiirtoreiteille.

Kuvissa 12 ja 13 on esimerkki pilari-palkkirungon vaihtoehtoisesta kuormansiirtoreitistä (kuvassa vihreällä), kun toisen kerroksen pääkannatin menetetään. Kyseisessä tapauksessa jatkuvat vaakarakenteet siirtävät onnettomuustilanteen kuormituksen viereisille pääkannatinlinjoille. Sama periaatetta voidaan käyttää myös tapauksessa, joissa kuvan 12 pilari-palkkilinjojen tilalla on kantavat seinälinjat.

Rungon stabiliteettituenta tulee olla hajautettu siten, että jäykistettävällä pilarilinjalla on useampia jäykisteitä. Tällöin onnettomuustilanteessa vaakakuormitukset voidaan ohjata toimiville jäykisteille (kuvassa 12 esitetty punaisella).

11 Sallittu sortuma-alue

1-kerroksisessa hallirakennuksessa jatkuvan sortuman tarkastelu perustuu pääsääntöisesti sallitun paikallisen vaurion rajaamiseen tietylle alueelle. Tämä tarkoittaa, että esimerkiksi yksilaivaisessa mastopilarikehähallissa yksi pääkannatin voidaan menettää, jolloin kattoa saa sortua korkeintaan menetettävän pääkannattimen jännevälin ja kahden kehävälin rajaama alue. Sallitulla sortuma-alueella katto saa pudota maahan, mutta sen seurauksena sortuma ei saa jatkua. Vaikka paikallinen sortuma kyseisessä rakennuksessa sallitaan, kannattaa kattorakenne suunnitella kuitenkin siten, että maahan putoavia rakennusosia on mahdollisimman vähän. Tällä vähennetään yleisesti vahinkoja rakennuksen sisällä sekä estetään rungon vaurioituminen putoavien kattorakenteiden vaikutuksesta.

Hallirakennuksissa lähtökohtaisesti sekundäärikannattimet (usein kattoelementit) suunnitellaan 2- tai 3-aukkoisiksi jo murtorajatilamitoituksessa, koska tällä saadaan säästöä sekundäärirakenteissa. Kyseisissä rakennuksissa jatkuvan sortuman estämisessä kannattaa myös hyödyntää sekundäärirakenteiden jatkuvuutta ja muodostaa kattorakenteen kuormitukselle vaihtoehtoinen kuormansiirtoreitti. Kuvassa 14 on esimerkki yksilaivaisen mastopilarikehähallin vaihtoehtoisesta kuorman siirtoreitistä (kuvassa 14 esitetty vihreällä), kun yksi pääkannatin menetetään. Kyseisessä tapauksessa jatkuvat sekundäärirakenteet siirtävät onnettomuustilanteen kuormituksen viereisille pääkannatinlinjoille.

Rungon stabiliteettituenta tulee olla hajautettu siten, että jäykistettävällä pilarilinjalla on useampia jäykisteitä. Tällöin onnettomuustilanteessa vaakakuormitukset voidaan ohjata toimiville jäykisteille (kuvassa 14 esitetty punaisella).

Lähteet

/1/ RIL 201-4-2017 Rakenteiden vaurionsietokyvyn varmistaminen onnettomuustilanteessa, 2017.