Teriisrunkoinen asuin- j a toimistorakennus
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.
© Copyright 2024