1. No category

Teknillinen korkeakoulu
Rakennus- j a ympiiristiitekniikan osasto
Talonrakennustekniikan laboratorio
Rak-43.240 Rakennuksen rungon suunnittelu
Seminaariesitelmii, keviit 2007:
Teriisrunkoinenasuin-j a toimistorakennus
Ilkka Niska\
Harri Perkkiiio\
Antti Silvennoinen"
Sisällysluettelo
1
JOHDANTO
4
1.1
Miksi teräs?
4
1.2
Taloudelliset perusteet teräksen käytölle
5
1.3
Arkkitehtuuri
6
1.4
Ympäristöystävällisyys
7
1.5
Mitä ovat seostamattomat rakenneteräkset
7
2
TERÄSRUNGON ASENNUS
7
3
RAKENTEET
9
3.1
Runkojärjestelmä
11
3.2
Pilari-palkki-järjestelmä
11
3.3
Pilari-laatta-järjestelmä
11
3.4
Kantava seinäelementtirakenne
11
3.5
Runkokomponentit
12
3.6
Teräsrunkojärjestelmän osat liike- ja toimistorakennuksessa
12
4
RUNGON JÄYKISTYS
12
4.1
Statiikkavaihtoehtoja teräsrakenteisen rungon jäykistämiseksi
13
4.2
Kehäjäykistys
13
4.3
Ristikkojäykistys
13
4.4
Levyjäykistys
13
4.5
Tornijäykistys
14
4.6
Mastojäykistys
14
4.7
Pilvenpiirtäjien jäykistys
15
5
RUNKOA TÄYDENTÄVÄT RAKENTEET
15
6
TERÄSRAKENTEIDEN SUUNNITTELUN ERITYISPIIRTEITÄ
15
7
TERÄSRUNKOISEN TOIMISTORAKENNUKSEN PERUSTAMISTAVAT
16
7.1
Perustaminen kantavalle maaperälle
16
7.2
Perustaminen kalliopohjalle
16
7.3
Perustaminen paaluille
16
1 Johdanto
1.1
Miksi teräs?
Monikerroksisen asuinrakennuksen rakentaminen teräsrunkoisena on kokeiltua ja asemansa
vakiinnuttanutta tekniikkaa. Menetelmät eivät ole ainoastaan osoittautuneet kustannuksiltaan
kilpailukykyisiksi, vaan ovat lisäksi tarjonneet monia uusia etuja, kuten lyhyen, jopa kuuden
kuukauden rakennusajan, korkean esivalmistusasteen ja hyvän mittatarkkuuden. Tekniikka on tuttua
toimistorakennuksista.
Teräsrunkoiset
toimistorakennukset
yleistyivät
1980-luvulla.
Toimistorakennuksissa käytettävä tekniikka on soveltunut hyvin myös asuinrakentamisen
vaatimuksiin teknisten järjestelmien, ääneneristyksen ja värinättömyyden suhteen. /2/
Kuva 1. Maailman korkeimpia rakennuksia. Vasemmalta, vuonna 2008 valmistuvaksi arvioitu
Burj Dubai (korkeudeksi arvioitu lähes 900 m), Royal York hotelli Torontossa, Sears tower Torontossa,
Petronas tower Malesiassa ja Taipei 101.
Asuntorakentaminen
kehittyy
kohti
lyhyempää
rakennusaikaa,
tehokkaampaa
ja
yksityiskohtaisempaa suunnittelua ja teollista tuotantoa. Nämä tekijät puhuvat teräksen käytön
puolesta tämän päivän ja tulevaisuuden runkomateriaalina asuinrakennuksissa. Terästä käyttämällä
asuinrakennuksesta saadaan taloudellinen, näyttävä ja ympäristöystävällinen. /2/
Taloudellisuus. Asuinrakennuksen teräsrungon osuus rakennuskustannuksista on noin 3-6
prosenttia. Osuus kokonaiskustannuksista ei siis ole suuri. Rungolla sen sijaan on huomattava
vaikutus muihin kustannustekijöihin, kuten rakennusajan rahoitukseen, teknisiin järjestelmiin ja
perustuksiin. Materiaalin keveyden vuoksi komponenttien kuljetuskustannukset ovat pienet ja
rakenneosat voidaan kilpailuttaa useilla teräsrakenteiden valmistajilla. Teräsrakennetehtaissa
valmistettavien rakenteiden laatu on hyvä. Teräsrungon taloudellisia etuja ovat pienet dimensiot,
joustavuus, nopea asennus ja hyvä mittatarkkuus. /2/
Pienet dimensiot. Teräs- ja liittopilarin sekä -palkin dimensiot ovat pieniä ja ne voidaan
poikkeuksetta yhdistää seinä- tai välipohjarakenteisiin. Runkorakenteet eivät ulotu asuintiloihin,
joten huoneistoala kasvaa. Teknisten järjestelmien asentaminen ja liitosten teko käyvät helposti.
Lisäksi seinistä ja välipohjasta syntyy halpa palosuojaus. /2/
Joustavuus. Teräsrunko on joustava ratkaisu rakennusprojektin joka vaiheessa.
Suunnitteluvaiheessa joustavuus antaa mahdollisuuden siirtää asuinhuoneiston suunnitteluratkaisuja
totuttua myöhempään ajankohtaan. Näin huoneisto voidaan tehdä asukkaan toiveiden mukaan.
Rakennusvaiheessa joustavuus tarkoittaa rakenneosien helppoa asennettavuutta ja hyvää teknistä
muunneltavuutta. Materiaalit ja komponentit on helppo siirtää rakennuksen sisäpuolelle.
Muutostyöt on helppo toteuttaa, sillä teräskomponentteja voidaan mm. vahvistaa, jatkaa, katkoa ja
aukottaa myös työmaalla. Käyttövaiheessa voidaan teräsrungon ja kevyiden väliseinien ansiosta
asuntojen kokoa tai jopa käyttötarkoitusta muuttaa, esimerkiksi vanhainkodiksi tai toimistoksi.
Rakennuksen käyttöajan jälkeen, kun rakennus puretaan uuden tieltä, teräsrunko on helposti
irrotettavissa sekä monipuolisesti ja kokonaan kierrätettävissä. /2/
Nopea asennus. Teräs on lujana materiaalina yksinkertaisesti sekä luotettavasti yhteen liitettävää.
Korkean esivalmistusasteen ja yksinkertaisten ruuviliitosten ansiosta komponentit on nopeaa
asentaa työmaalla. /2/
Hyvä mittatarkkuus. Teräskomponenttien valmistuksen mittatarkkuus on hyvä. Kaikki
teräskomponentit voidaan esivalmistaa. Mittatarkat runkokomponentit lisäävät esivalmistettujen
komponenttien käyttömahdollisuuksia myös muissa rakenteissa, kuten seinissä, välipohjissa ja
katoissa. /2/
Kuva 2. Kristallipalatsi, Joseph Paxton, 1851. Lontoon maailmannäyttelyyn suunniteltu kristallipalatsi oli
ensimmäisiä laajoja keveisiin teräsrakenteisiin perustuvia julkisia tiloja. Lähes miljoonan kuutiometrin
rakennus pystytettiin komponenteista neljässä kuukaudessa.
1.2
Taloudelliset perusteet teräksen käytölle
Teräsrakenteiden investointiin ja käyttökustannuksiin sekä edullisuuteen vaikuttaa monta eri tekijää.
Rakenteiden
materiaalikustannuksiin
vaikuttavat
tänä
päivänä
ratkaisevasti
maailmanmarkkinahinnat, rakenneteräksen kysyntä kotimaassa sekä ulkomailla. Liitosten määrä,
palonsuojaustarve, valmistussarjojen pituus, rakenneosan koko ja paino vaikuttavat esivalmistus- ja
rakennusvaiheen kustannuksiin. Rakennuksen käyttötarkoitus ja tilaohjelma, suunnitteluratkaisu,
muoto ja kerroskorkeus vaikuttavat niin ikään rakenteiden kustannuksiin.
Toimistorakennuksen teräsrakenteiden arvo- ja kustannustekijöitä voidaan arvioida ja tarkastella
neljällä eri tasolla:
− materiaalien talous
− rakenneosien talous
− rakennejärjestelmien talous ja
− rakennuksen talous.
Toisaalta on muistettava, että teräsrungon kustannukset aiheutuvat pääasiassa materiaali- ja
palkkakustannuksista. Yleisenä keskiarvona erityyppisistä rakenteista voidaan arvioida, että
kustannukset jakautuvat seuraavasti:
− ainekustannukset
50 %
− valmistus
25 %
− asennus
20 %
− muut
5 %.
1.3
Arkkitehtuuri
Teräsrunko tarjoaa monia toteutustapoja rakennuksen arkkitehtuurille. Julkisivun materiaalit ja jako
voidaan valita vapaasti. Teräsrungossa on mahdollista käyttää pitkiä jännevälejä, mikä tuo
joustavuutta asuntosuunnitteluun. Avoin rakentaminen tuo parhaimmillaan mahdollisuuden valita
asunnon sijainti ja koko verrattain vapaasti. Teräsrunko tarjoaa rajattomasti vaihtoehtoja
arkkitehtonisille valinnoille. Rakennuksen muoto, julkisivut ja sisäinen jako voidaan helposti
toteuttaa ottamalla huomioon tilaajan toiveet sekä rakennuspaikan vaatimukset ja rajoitukset. /2/
Kuva 3. Philip Johnson, Lasitalo, 1949. Teräsrungon avulla rakenteista saadaan kevyitä.
1.4
Ympäristöystävällisyys
Teräs on ympäristöystävällinen ja ekologisesti edullinen runkomateriaali. Käytön ja purkamisen
jälkeen teknisesti kunnossa olevaa materiaalia voidaan käyttää uudelleen uusien rakennusosien
valmistuksessa. Materiaali, jota ei käytetä uudelleen, kierrätetään. Teräksen käyttö
runkomateriaalina vähentää veden ja kosteuden määrä sisärakenteissa. Tämä pienentää home- ja
lahoriskiä ja parantaa sisäilman laatua. /2/
1.5
Mitä ovat seostamattomat rakenneteräkset
Hiiliteräs, joissa hiilipitoisuus määrää ominaisuudet.. Hiilen lisäksi teräkset sisältävät: mangaania
Mn (n. 0,5 %), tehtävänä rikin sitominen ja kuumahaurauden estäminen; piitä Si (<=0,5%),
käytetään tiivistykseen, valettuihin aihioihin ei jää huokosia; alumiinia Al, tiivistys, hienorakeisuus,
vanhenemattomuus, fosforia P (<=0,06%), haitallinen epäpuhtaus, haurastuttaa terästä matalissa
lämpötiloissa ja huonontaa hitsattavuutta, rikkiä S (<=0,06%), haitallinen, haurastuttaa terästä
matalissa lämpötiloissa, huonontaa hitsattavuutta ja aiheuttaa kuumahaurautta./1/
Rakenneterästen tärkein ominaisuus on hitsattavuus. Muovaava ja lastuava työstö on suhteellisen
helppoa. Standardimerkintä perustuu lujuusominaisuuksiin (SFS-EN 10025). Tunnus(S)+
myötölujuuden minimiarvo +laatuluokkaa osoittava tunnus (JR, JO, J2, K2...) +toimitustila
(G2,G3,G4). /1/
2 Teräsrungon asennus
Monikerroksisten rakennusten runkovaihe on helpompi hallita, jos valittu runkojärjestelmä on
selkeä ja sitä sovelletaan johdonmukaisesti. Perusvalinta tehdään komponenttirakentamisen
(betonielementit ja teräsosat) ja paikallarakentamisen (betonivalut ja muuraus) välillä. Molemmilla
rakennustavoilla on luonnollisesti omat etunsa, mutta toteutuksen kannalta huonoja esimerkkejä
löytyy runsaasti. Niissä on samassa runkojärjestelmässä käytetty molempia menetelmiä.
Esimerkiksi teräsrungon nopean asentamisen paljon mainostettu etu on monesti hukattu siihen, että
tiettyjä työlajeja ei ole pystytty tekemään samassa aikataulussa. Kuvassa 4 on esitelty rakentamisen
ongelmia ja niiden syitä. /4/
Asennuksen ennakkosuunnittelu. Asennuksen ennakkosuunnittelu on useimmiten koko
rakennushankkeen ajan kestävää ja parhaimmillaan kaikkien hankkeen osapuolten välistä
laadukasta, jatkuvaa ja tarkentuvaa yhteistoimintaa. Ennakkoon tehdyllä ja kaikkien osapuolten
tietoon saatetulla asennussuunnitelmalla edistetään tehokasta ja häiriötöntä sekä virheetöntä
asentamista ts. hyvää taloudellista lopputulosta niin teräsosien toimittajan, asentajan, kuin tilaajan
näkökulmasta. Asennussuunnitelman laatimisella varmistetaan rakenteiden työnaikainen
stabiliteetti, minimoidaan asennustyön turvallisuusriskit ja varmistetaan, että eri osapuolten
työnjako asennusvaiheessa on selvä. /4/
Kuva 4. Rakentamisen ongelmia ja niiden syitä. /4/
Kuva 5. Maailman korkeimman rakennuksen (Burj Dubai) työmaa.
Nostot asennustyömaalla. Nostot ovat usein asennuksen suurin yksittäinen kustannuserä.
Asennuksen palkkakustannukset ovat usein kääntäen verrannollisia noston konekustannuksiin, sillä
suurempia ja ulottuvampia nostolaitteita käytettäessä asennustyö yleensä nopeutuu. Nostoihin
sisältyy aina myös huomattavia riskejä. Huolellisella nostojen suunnittelulla voidaan vähentää
odottamattomia vastoinkäymisiä ja samalla parantaa asennustyön laatua. Kaikki odottamattomat
keskeytykset asennuksessa aiheuttavat yllättävän suuria kustannuksia, koska koko työryhmän työ
kalustoineen keskeytyy, kunnes tarvittavat toimenpiteet on tehty asennustyön jatkamiseksi. Vaikeita
nostoja varten on tarvittaessa laadittava erillinen nostotyösuunnitelma. Nostotyösuunnitelma on aina
laadittava käytettäessä useampaa kuin yhtä nosturia. /4/
3 Terästungon rakenteet
Suomessa teräs tuli merkittäväksi liike- ja toimistorakennusten runkovaihtoehdoksi 1980-luvulla,
mutta maailmalla teräksellä ja teräsrakenteilla on pitkä historia. Toimistorakennuksissa terästä
käytetään kantavana rakennemateriaalina joko koko rakennuksen rungossa tai pelkästään väli- tai
yläohjissa, jolloin pilarit ovat teräsbetonia. Suomessa on perinteisesti rakennettu varsin matalia
toimistorakennuksia, mutta on odotettavaa, että korkeiden toimistojen rakentaminen lisääntyy
tulevaisuudessa kaupunkialueella. Teräsrunkoisen toimistorakennuksen julkisivuvaihtoehdot ovat
runsaat. Yleisimmät julkisivuratkaisut ovat kevyet teräselementit ja teräsbetoniset sandwichelementit, mutta esimerkiksi lasia käytetään koko ajan enemmän.
Puhtaissa teräsrungoissa kantavina palkkeina käytetään laataston alapuolista I-palkkia tai laataston
sisään jääviä matalapalkkeja (HQ-palkki) kuva 4.
Kuva 6. HQ-palkki.
Teräsrakenteinen runkoratkaisu ei aseta teknisiä rajoituksia palkkien jänneväleille, vaan yleensä
toiminnalliset vaatimukset määräävät jännevälit. Taloudellisin ratkaisu syntyy yleensä käyttämällä
suorakaiteen muotoista moduuliverkkoa, jossa palkit sijaitsevat lyhyillä sivuilla. Tyypillinen
suomalainen ratkaisu:
− pituussuuntaisten palkkien jänneväli on 7,2m
− välipohjarakenteen (esim. ontelolaatta) jänneväli vaihtelee välillä 6,0 – 9,6m
Suomalainen tapa pilariväleille ja jänneväleille perustuu moduulivälin 3M kerrannaisiin.
Tyypillinen toimistorakennuksen kerroskorkeuden keskiarvo Suomessa on teräsrunkoisissa
rakennuksissa 3,2m. Tyypillinen ja perinteinen amerikkalainen ratkaisu:
− Pilariväli palkkien suunnassa 9m (30ft)
− laataston jänneväli 12m (40ft)
Amerikkalainen tapa pilariväleille ja jänneväleille perustuu moduuliväliin 1,5m (5ft).
Teräsrunkoisen rakennuksen pilareina käytetään tavallisesti avoimia profiileja (I-, IPE-, HEA- tai
HEB-profiili) tai koteloprofiileja (pyöreät, neliön muotoiset tai suorakaiteenmuotoiset
putkiprofiilit). Lisäksi valmistustapansa perusteella puhutaan kylmämuovatuista (soveltuvat pienten
kuormien kannattamiseen), kuumamuovatuista ja hitsatuista teräsprofiileista. Avoimet profiilit
soveltuvat käyttötarkoitukseen, jossa pilaria rasittaa taivutusmomentti vahvemmassa suunnassa ja
heikompaan suuntaan pilari on nurjahdustuettu. Kotelopoikkileikkaukset soveltuvat puolestaan sekä
taivutettuihin että vääntöä kestäväksi profiiliksi. Hitsattuja profiileja käytetään yleisesti suuria
kuormia kantavissa pilareissa. Lisäksi on olemassa erilaisia ristikkopilareita, jotka soveltuvat
suurten taivutusmomenttien rasittamaksi pilareiksi.
Kuva 7. Neliön-, suorakaiteen- ja ympyränmuotoisia putkiprofiileja.
Kuva 8.
Teräsrunkoisessa asuinrakennuksessa on suuri määrä erilaisia rakenne- ja komponenttivaihtoehtoja.
Teräsrakenteiden runkojärjestelmiä ja täydentäviä rakenteita on mahdollista toteuttaa yksilöllisten
tarpeiden mukaan. Esivalmistetuilla rakenneosilla rakentaminen tehostuu ja on työmaalla pääasiassa
asennusta. Esivalmistusaste voidaan jakaa neljään luokkaan:
1. määrämittaan katkotut rakennusosat. Osat on valmiiksi katkaistu oikeanmittaisiksi ja
numeroitu asennusjärjestyksen mukaan.
2. Runko on esivalmistettu. Täydennetään välipohjaelementeillä ja ei-kantavilla
seinäelementeillä.
3. Runko on integroitu seinä ja välipohjaelementtien kanssa. Elementit sisältävät teknisten
järjestelmien asennuksia.
4. Tilaelementit. Elementit sisältävät teknisten järjestelmien asennuksia ja voivat olla myös
pintavalmiit./2/
3.1
Runkojärjestelmä
Teräsrunkojärjestelmät voidaan jakaa pilari-palkki-järjestelmään, pilari-laatta-järjestelmään ja
kantava seinäelementti-järjestelmään /2/
3.2
Pilari-palkki-järjestelmä
Runkojärjestelmistä yleisimmin käytetty on pilari-palkki-järjestelmä. Se muodostuu teräspilareista,
teräspalkeista ja välipohjarakenteesta. Yleensä pilarit ja palkit tulee tehdä jatkuvarakenteisina
rakennuksen jäykistämiseksi. Mikäli pilari tehdään jatkuvana ja rakennuksen korkuisena, ovat palkit
yleensä pilarivälin mittaisia. Etuna on asennettavien pilarien vähäinen lukumäärä, jolloin rungon
asennukseen kuluu vähemmän aikaa. Käytettäessä yhden kerroksen korkuisia pilareita ovat palkit
yleensä jatkuvia. Etuna saavutetaan pienempi poikkileikkaus, joka johtuu jatkuvasta rakenteesta.
Tällöin pilarit eivät myöskään ole välipohja-asennuksen tiellä. Rakennuksen pohjaratkaisun,
runkosyvyyden, palkkien ja välipohjan jännevälien perusteella valitaan rungon pystylinja joko vain
julkisivuille tai lisäksi keskilinjalle. Huoneistoja erottavat ja huoneistojen sisäiset seinärakenteet
voidaan sijoitella vapaasti. Tilajärjestelyjä on myös mahdollista muuttaa myöhemmin. /2/
Kuva 9. Pilari-palkki -järjestelmä
3.3
Pilari-laatta-järjestelmä
Järjestelmä on samankaltainen kuin pilari-palkki-järjestelmä, jossa palkit sijaitsevat kokonaan
välipohjarakenteen sisällä. Erillisiä palkkeja ei välttämättä tarvita, jolloin jatkuvarakenteinen
välipohja kantaa palkkien sijaan kuormitukset pilarien välillä. Koska välipohjan kantavuudelle ja
pilariliitoksille asetetaan varsin suuria lujuusvaatimuksia, on laattarakenteen tekeminen puhtaasti
elementtirakenteisena vaikeaa. Rakenteessa tarvitaan yleensä paikalla valettua betonia. /2/
3.4
Kantava seinäelementtirakenne
Järjestelmä muodostuu seinäelementeistä ja välipohjasta. Seinäelementti koostuu hoikista
teräspilareista ja pintalevyistä, esimerkiksi puukipsilevyistä. Välipohjarakenne voi olla jatkuva tai
yksiaukkoinen. teräsohutlevyrankoihin perustuvalla elementtijärjestelmällä voidaan toteuttaa
monikerroksisia rakennuksia. Käytettäessä rakenneterästä voidaan seinäelementin kantavat
pystyrakenteet sijoittaa esimerkiksi 1,2 metrin välein. Tämä mahdollistaa seinien aukotusten
muutokset, esimerkiksi myöhemmin asennettavien ovia varten. /2/
3.5
Runkokomponentit
Komponentteja valmistetaan teräsrakennetehtaassa leikkaamalla, lävistämällä, poraamalla,
särmäämällä tai hitsaamalla. Teräsrungossa voidaan käyttää vakioprofiileita tai ns. erikoisprofiileita.
Valmistustavan mukaan voidaan teräsprofiilit jakaa seuraaviin ryhmiin:
- kuumavalssatut muototangot
- kylmämuokatut profiilit
- kylmävalssatut teräsohutlevyprofiilit
- rakenneputket
- hitsatut profiilit
Kuumavalssatut muototangot ovat perinteisiä teräsrakentamisen perustarvikkeita. Kapealaippaiset Iprofiilit soveltuvat käytettäväksi taivutuskuormia kantavissa rakenteissa. Leveälaippaiset H-profiilit
soveltuvat palkeiksi ja pilareiksi. L-ja U-profiilit soveltuvat reunateräksiksi ja reunapalkeiksi.
Kylmämuovatut profiilit ovat putkipalkkeja lukuun ottamatta avoimia profiileja. Näitä profiileja
käytetään palkkeina ja pilareina. Esimerkkejä kylmämuokatuista profiileista ovat L-, U-, C-, Z- ja
hattuprofiilit. Särmäämällä voidaan tehdä yksilöllisiä ns. asiakasprofiileja. Kylmävalssattuja
teräsohutlevyjä ovat C- ja Z-profiilit ja näitä profiileja käytetään pääasiassa seinärankoina ja kattoorsina. Rakenneputket ovat poikkileikkaukseltaan neliöitä, suorakulmioita tai pyöreitä ja näitä
käytetään palkkeina ja pilareina. Hitsatut profiilit täydentävät muiden profiilien valikoimaa, ja niitä
käytetään erityisesti palkkirakenteissa. /2/
3.6
Teräsrunkojärjestelmän osat liike- ja toimistorakennuksessa
4 Rungon jäykistys
Runko joudutaan aina jäykistämään siihen kohdistuvia vaakakuormia vastaan. Tyypillisiä
vaakakuormia ovat tuulikuorma, maanpaine, nostureiden ja hissien aiheuttamat vaakakuormat,
onnettomuuskuormat sekä epäkeskisyydestä ja rakenteiden vinoudesta johtuvat lisävaakavoimat.
Tyypillisiä vaakavoimia rakennuksiin aiheutuu myös maanjäristyskuormista seismisesti aktiivisilla
alueilla (ei koske Suomen olosuhteita). Jäykistystapa tulee valita siten, ettei se haittaa muun rungon
asennuksen etenemistä ja mikäli mahdollista, jäykistyksen tulisi hoitaa myös työnaikainen stabiilius
ilman erillistä työnaikaista jäykistystä. /3/
Kokonaan oma lukunsa on pilvenpiirtäjien jäykistys, joka vaatii aivan eri luokan huomioimisen
vaakakuormille, koska esimerkiksi tuulikuormat kasvavat ihan omiin lukemiinsa, kun puhutaan
useiden satojen metrien korkuisesta rakennuksesta. Periaatteessa pilvenpiirtäjien jäykistys hoidetaan
yhdistämällä perusjäykistysmenetelmistä tornijäykistys ja ristikkojäykistys. Raskaat, betoniset
hissikuilut sijoitetaan rakennuksen stabiliteetin kannalta parhaalle paikalle, rakennuksen keskelle
läpi koko rakennuksen. Betoniset hissikuilut vahvistetaan vankoilla teräsristikoilla, jotka
jäykistetään diagonaalisauvoilla. Näiden lisäksi ulkoseinäalueet jäykistetään diagonaaleilla, jolloin
pystypilarit siirtävät vain pystykuormia. /3/
Teräsrakenteisella rungolla korkeuden kasvaessa aiheutuu usein ongelmia riittävän massan
aikaansaamisesta sekä riittävän stabiliteetin saavuttamisesta, koska teräsrakenne on massaltaan
huomattavasti kevyempi, kuin samanlaisen kuormankantokyvyn omaava betonirakenne. Tilannetta
havainnollistaa ajatus, että tyhjä maitopurkki kaatuu huomattavasti helpommin kuin täysinäinen. /3/
Seuraavassa esitellään viisi tyypillisintä teräsrakenteisten runkojen jäykistystapaa ja niiden
soveltuvuutta toimistorakennuksiin. On huomattavaa, että seuraavien jäykistystapojen yhdistelmillä
(kuva 11e) on usein saatavissa edullisin ja toimivin kokonaisjäykistys. /3/
4.1
Statiikkavaihtoehtoja teräsrakenteisen rungon jäykistämiseksi
Rakennuksen statiikkamallin valinta on teräsrunkoratkaisussa hyvin tärkeä tekijä. Yleensä
perusstatiikan valinta perustuu rungon kokonaisjäykistyksen toteutustavan valintaan, mikä tulee
tehdä lähinnä vaakavoimien perustuksille siirtämisen perusteella. Teräsrakenteille jäykistämisen
oikea toteuttaminen on oleellista, sillä keveytensä vuoksi se ei pysty omalla painollaan ja
massiivisuudellaan absorboimaan voimia kovinkaan hyvin. Suunnitteluvaiheessa on pyrittävä
löytämään eri jäykistysmenetelmistä juuri kyseiseen käyttötarkoitukseen sopivin vaihtoehto.
Yläpohjien jäykistäminen toteutetaan yleensä piiloon jäävin vinositein.
4.2
Kehäjäykistys
Kehäjäykistetyssä rungossa rungon vaakakuormat otetaan vastaan pilarien ja palkkien
muodostamien kehien avulla. Kehien liitokset tulee suunnitella jäykiksi kuvan 11a mukaisesti.
Jäykkänurkkaisten kehien käyttö rungon jäykistyksessä on yleisesti käytetty teräsbetonirungoissa,
mutta teräsrungoissa niiden käyttö on vähäistä kalliiden ja vaikeasti työmaaolosuhteissa
toteutettavien liitosten takia. Lisäksi kehärakenteilla toteutetussa rungon jäykistyksessä siirtymät
saattavat kasvaa hyvinkin suuriksi ja värähtelyalttius tärinäkuormille on vinositein jäykistettyä
suurempi. Näin ollen kehäjäykistys soveltuu toimistorakennusten runkoihin huonosti. /3 /
4.3
Ristikkojäykistys
Ristikkojäykistys on tehokas rungon jäykistystapa niin korkeissa kuin matalissakin rakennuksissa
(kuva 11d). Ristikkojäykistyksessä vaakakuormat siirretään jäykistysristikoiden normaalivoimina vetona ja puristuksena. Rakennuksen pystypilarit ajatellaan toimivan ikään kuin paarresauvoina.
Ristikoiden sijoittelun määräävät ikkunoiden ja ovien ym. aukkojen sijainti sekä arkkitehtoniset
seikat, koska usein halutaan ulkopuolisten vinositeiden jäävän näkyviin. Ristikkojäykistys
tilantarpeen kannalta oikein suunniteltuna soveltuu erinomaisesti etenkin korkeisiin
toimistorakennuksiin, jolloin siirtymät saadaan pysymään kurissa terässauvojen aksiaalijäykkyyden
ollessa suuri. /3 /
4.4
Levyjäykistys
Levyjäykistyksessä rakennukseen kohdistuvat vaakavoimat siirretään perustuksille runkoon
kiinnitettyjen levyjen, kuten esimerkiksi seinien välityksellä (kuva 11c). Levyjäykistys soveltuu
toimistorakennuksen jäykistysmenetelmäksi, mikäli julkisivumateriaali valitaan sopivaksi (tiili,
betoni). Tämä jäykistystapa tulee edulliseksi, koska levy on jo osana varsinaista rakennusta eikä
tarvita erillisiä jäykistyselementtejä. /3/
4.5
Tornijäykistys
Tornijäykistyksessä vaakakuormat siirretään jäykkien elementtien kuten hissi- ja porraskuilujen
välityksellä perustuksille. Jäykkyyden kannalta ehdottomasti paras ratkaisu on paikalla valettu hissitai porrastorni, koska tällöin tornista saadaan riittävän jäykkä. Tornijäykistyksessä rungon muut osat
tukeutuvat nivelellisesti jäykistystorneihin kuvan 11b mukaisesti. Tornijäykistyksen ongelmana on
mittatarkkojen teräsosien liittyminen vähemmän mittatarkkaan betoniosaan sekä riittävän hyvien
liitosten aikaansaaminen teräspalkkien ja betonirakenteisen tornin välille. Tornijäykistys soveltuu
jäykistysmenetelmäksi monikerroksiseen toimistorakennukseen esimerkiksi levyjäykistyksen
kanssa. Kokonaisjäykistyksen hoitamiseen tornijäykistys ei usein sovellu, koska pelkillä torneilla ei
saada riittävää kiertojäykkyyttä, ellei torneja ole useampia. /3 /
4.6
Mastojäykistys
Mastojäykistyksessä pilarit toimivat mastoina momenttijäykin liitoksin kiinnitettyinä perustuksiin
(kuva 11a). Mastoina toimivat pilarit siirtävät vaakakuormia enintään kaksikerroksisissa
rakennuksissa tehokkaasti perustuksille. Tätä korkeammissa rakennuksissa tulevat tukimomentit
liian suuriksi ja pilarien nurjahduspituuden kerroin on myös suuri, joten tällainen
jäykistysmenetelmä soveltuu mataliin noin kaksikerroksisiin toimistorakennuksiin. Menetelmän
kiistattomiin etuihin kuuluvat asennuksen yksinkertaisuus, koska erillisiä työnaikaisia tukia ei
tarvita. /3/
Kuva 10. Teräsrakenteisen rungon jäykistystapoja.
4.7
Pilvenpiirtäjien jäykistys
Pilvenpiirtäjien jäykistys on toteutettu yleensä siten, että rungon keskellä sijaitsee yksi tai useampi
massiivinen hissikuilu. Hissikuilun ympärys on usein myös vahvistettu vankoilla teräksisillä
tukirakenteilla, jotka on liitetty toisiinsa diagonaalisauvoilla. /3/
Pilvenpiirtäjien massanlisäykseen ja samalla tuulijäykistykseen hoitamiseen on kehitetty erilaisia ja
erikoisia systeemejä, joista mainittakoon ns. tuulen vaikutusta tasaava vaimennin ja rakennuksen
painon siirtäminen perustuen jättimäiseen heilurin liikkeeseen. Tuulen vaikutusta tasaavassa
vaimentimessa 400 tonnia painavaa betonimassaa liikutellaan tuulen suunnasta riippuen eri suuntiin
puolelta toiselle yhdessä ylimmistä kerroksista. Tällaisessa järjestelmässä tietokone valvoo
tuulensuuntaa ja siirtää betonijärkälettä sen mukaisesti. Jättimäiseen heilurin liikkeeseen perustuva
rakennuksen painon siirtäminen on esimerkki erikoisemmasta rakennuksen ”jäykistyksestä”.
Tällaisessa jäykistyksessä rakenteelle saadaan riittävää massaa jäykistykseen, kun rakennetta
”roikotetaan” rakennuksen keskellä olevasta jäykästä hissikuilusta. /3/
5 Runkoa täydentävät rakenteet
Välipohjalla on kantava ja osastoiva tehtävä. Pystysuorien kuormien kantamisen lisäksi ne välittävät
vaakasuoria kuormia jäykistävälle rakenteille. Lisäksi välipohjarakenteille asetetaan vaatimuksia
värähtelyn, ääneneristyksen ja palosuojauksen suhteen. Väliseinät jaetaan huoneistoja erottaviin
seiniin. Huoneistoja erottavien seinien ääneneristävyyden ja palonkestävyyden tulee olla parempi ja
siksi ne poikkeavat rakenteiltaan huoneiston sisäisistä seinistä. Teräsrakenteinen ulkoseinä tarjoaa
samat edut kuin teräsrakenteinen runko. Rakentaminen esivalmistetuista komponenteista on nopeaa
ja säästä riippumatonta, rakennusaika on lyhyt. Lisäksi kevyillä rakenteilla saadaan säästöä
perustuksissa. Ohuet ulkoseinärakenteet lisäävät hyötyalaa. Vesikattorakenteen tehtävänä on suojata
rakennusta sateelta ja kosteudelta ja lämpöhukalta. Katon mekaanisen kestävyyden tulee olla hyvä
mm. lumikuormien ja jään ja tuulen aiheuttamien rasitusten johdosta. /2/
6 Teräsrakenteiden suunnittelun erityispiirteitä
Nykyisin tärkeä tekijä toimistorakennuksissa on talon sisäinen vuorovaikutus. Tällöin rakennuksen
rungon tulee tukea ajatusta, että talon keskelle on mahdollista saada avoin tila, joka toimii ikään
kuin ihmisten kohtauspaikkana ja myös näkymänä työhuoneista avaavana tilana.
Toinen tärkeä viihtyvyyteen vaikuttava tekijä toimistorakennuksissa on valon ja etenkin
luonnonvalon määrä. Paljon luonnonvaloa saadaan joko suurilla ikkunoilla tai lasin käytöllä
seinämateriaalina. Kun puhutaan lasijulkisivusta, on runkoratkaisuna luonnollisesti teräsrunko,
koska teräs mahdollistaa esteettisesti kauniit ja hoikat näkyviin jäävät teräspilarit. Myös
jäykistykseen käytettävät terässiteet halutaan usein jäävän näkyviin arkkitehtonisista syistä, ja näin
rakennuksen jäykistys voidaan hoitaa piilottamatta jäykistysrakenteita.
Tänä päivänä myös yksi tärkeimmistä tekijöistä rakennuksille asetettavia vaatimuksia on sen
muuntojoustavuus. Muuntojoustavuus tarkoittaa runkoa tarkasteltaessa sitä, että rakennuksen
käyttötarkoitusta voidaan helposti muuttaa puuttumatta kuitenkaan sen runkorakenteisiin.
Muuntojoustavuus tarkoittaa tällöin sitä, että esimerkiksi pilarijako on sellainen, että se soveltuu
yhtä hyvin esimerkiksi niin asuin- kuin toimistokäyttöönkin. Muuntojoustava rakennus saadaan
muutettua helposti toiseen käyttötarkoitukseen, mikä tuo lisäarvoa rakennukselle siinä mielessä, että
se saadaan vuokrattua tai myytyä muuhunkin kuin vain tiettyyn käyttötarkoitukseen soveltuvaksi.
Teräsrunkoisen rakennuksen suunnittelu antaa suuria mahdollisuuksia poikkileikkauksien ja
yksityiskohtien muotoiluun juuri kuormien aiheuttaman rasitusten mukaan.
7 Teräsrunkoisen toimistorakennuksen perustamistavat
Teräsrunkoinen toimistorakennus voidaan perustaa kaikilla samoilla menetelmillä, kuin muutkin
runkoratkaisut. Teräsrakenteisen talon parhaita puolia on sen keveys, mikä mahdollistaa rakenteiden
pystyttämisen vaikeisiinkin perustusolosuhteisiin kohtuullisen edullisin kustannuksin.
Teräsrakenteisen rungon pystyttäminen on lisäksi mahdollista ahtaissakin olosuhteissa. Perustusten
vaatimat tilavaraukset jäävät huomattavasti pienemmiksi verrattuna betonisiin perustuksiin. Yleensä
Suomessa teräsrakenteiset toimistorakennukset voidaan perustaa suoraan maanvaraisesti routarajan
alapuolelle tai peruskallioon. Joissakin tapauksissa paaluttaminen voi olla tarpeellista rungon
keveydestä huolimatta. Rakennusten hyötykuormat on syytä ottaa huomioon perustusvaihtoehtoja
suunniteltaessa.
7.1
Perustaminen kantavalle maaperälle
Kantavalle rakeiselle maaperälle perustettaessa on aina varmistuttava maaperän geoteknisten
ominaisuuksien riittävyydestä. Maapohjan kantavuus vaihtelee yleensä välillä 0,1…0,3 MN/m2.
Perustaminen pyritään toteuttamaan suoraan häiriintymättömälle maapohjalle valetulle anturalle
asianmukaisin routaeristyksin ja salaojituksin. Peruspulttikehä sijoitetaan anturoihin.
Perustamissyvyys vaihtelee Suomessa puolestatoista metristä kolmeen metriin.
7.2
Perustaminen kalliopohjalle
Teräsrakenteen perustaminen kalliopohjalle ei periaatteessa eroa kantavalle, tiivistetylle
maapohjalle perustamisesta. Perustaminen toteutetaan joko injektoimalla perusruuvit suoraan
kallioon porattuihin reikiin tai valamalla peruspulttikehät kallioperään louhittuun varaukseen.
Peruspulttien valamisen yhteydessä on tarvittaessa suoritettava myös tartuntaterästen injektointi
kallioperään. Tämä tulee kysymykseen lähinnä silloin, kun perustukset joutuvat vetorasituksen
välittäjiksi kiinteään maaperään.
7.3
Perustaminen paaluille
Paaluperustuksia tarvitaan silloin, kun maapohjan kantavuus ei sellaisenaan riitä kuormien
siirtämiseen. Peruspulttikehät valetaan perustukseen, joka on edelleen kiinnitetty maapohjaan
lyötyihin paaluihin. Teräsrakenteen kannalta perustusmuodon valinnalla ei ole merkitystä.
Betonirunkoon verrattuna teräsrungon perustaminen on helpompaa ja kevyempää rungon keveyden
ansiosta.
Lähteet
/1/ Metalliopin perusteet luennot, Risto Rautioaho, Oulun yliopistopaino, Oulu 2005
/2/ Teräs asuntorakentamisessa, Johan Anderson, Alpo Halme..., Teräsrakenneyhdistys r.y ja
rakennustieto Oy 1995, Kirjapaino Tammer-Paino Oy, Tampere,1995
/3/Teräsrunkoinen toimistorakennus, Antti Vuokila, Esa Turunen, Teknillinen korkeakoulu,
rakennus- ja ympäristötekniikan osasto, Talonrakennustekniikan laboratorio
/4/ Teräsrungon asennus, toimittanut Risto Saarni, Helsinki, Rakennustieto, 1997.