Taivutustelan halkaisijan määrittäminen

Kaksi erilaista B500B-terästä

Ympäristöministeriön asetus hitsattavien betoniterästen ja betoniteräsverkkojen olennaisista teknisistä vaatimuksista määrittelee B500B-teräkset eurokoodi-yhteensopivasti. Ennen sen voimaantuloa oli voimassa SFS 1268 Betoniteräkset. Hitsattava kuumavalssattu harjatanko B500B, joka on edelleen voimassa. Se määrittelee taivutettavuuden vaativammin kuin em. asetus. Sitä käytetään mm. siltarakenteissa.

Taivutustelan minimihalkaisija

Taivutustelan halkaisijaa määritettäessä tulee ottaa huomioon tangon vaurioituminen ja betonin vahingoittuminen tangon taivutuskohdan sisäpuolella. Valitsemalla riittävän iso taivutustela vältytään molemmilta.

Tangon vaurioitumisen osalta eurokoodi ja sen kansalliset liitteet antavat seuraavat vähimmäisarvot taivutustelan halkaisijalle:

• Eurokoodi SFS-EN 1992-1-1
  • 4 φ, kun φ ≤ 16 mm
  • 7 φ, kun φ > 16 mm
• Ympäristöministeriön kansallinen liite
  • 4,5 φ, kun φ ≤ 16 mm
  • 9 φ, kun φ > 16 mm
• Väyläviraston ohje (haat, koukut ja lenkit)
  • 4 φ, kun φ ≤ 10 mm
  • 5 φ, kun φ > 10 mm ja φ ≤ 20 mm
  • 7 φ, kun φ > 20 mm

Ympäristöministeriön kansallisessa liitteessä todetaan myös: ”Taivutustelan vähimmäishalkaisijana voidaan käyttää vaihtoehtoisesti arvoja, jotka ovat vähintään 2 kertaa kyseisen teräsluokan taivutuskokeessa käytettävän tuurnan halkaisija.” Tämä mahdollistaa periaatteessa pienempienkin taivutustelojen käytön, tosin aika konservatiivisesti. Asetus hitsattavien betoniterästen ja betoniteräsverkkojen olennaisista teknisistä vaatimuksista määrittelee, että taivutuskokeessa taivutustelan enimmäishalkaisijat ovat:

• 3,0 φ, kun φ ≤ 16 mm
• 6,0 φ, kun φ > 16 mm

Standardin SFS 1300 Betoniteräkset. Hitsattavien betoniterästen ja betoniteräsverkkojen vähimmäisvaatimukset mukaiset teräkset täyttävät ympäristöministeriön aseuksen vaatimukset.

Taivutustelan halkaisijan määrittely tangon vaurioitumisen kannalta ei riitä, vaan aina tulee huomioida myös, ettei taivutustelan halkaisija ei ole liian pieni betonin vahingoittumisen kannalta.

Raudotteiden suunnittelu

Ennen eurokoodiaikaa rakennesuunnittelija määritteli suunnitelmiin raudoitteiden taivutussäteen, jolla tarkoitetaan valmiin raudoitteen sisäpuolista sädettä. Eurokoodi määrittelee taivutustelan minimihalkaisijan, joka suunnittelijan tulee ilmoittaa suunnitelmassa. Valmiin raudoitteen sisäpuolinen säde eli taivutussäde ei ole suoraan laskettavissa taivutustelan halkaisijasta, koska teräksen muodonmuutos on osin palautuva. Teräs pitää siis taivuttaa pienemmällä telalla ja hiukan yli, jotta saadaan haluttu taivutussäde. Ylitaivuttamisesta ei suunnittelijan tarvitse välittää. Sen sijaan taivutustelan halkaisijan valintaan tulee kiinnittää erityistä huomiota.

Valmiin raudoitteen taivutussäteen ja taivutuksessa käytetyn taivutustelan halkaisijan välistä suhdetta voidaan arvioida B500B-teräkselle seuraavan kaavan avulla:

φm = 0,9 × 2 × r, jossa
φm on taivutustelan halkaisija
r on taivutussäde

Lisäksi suunnittelijan tulee ottaa huomioon, että harjatangon ulkomitta on jonkin verran nimellismittaa suurempi, johtuen pinnan harjakuvioinnista. Ulkomitta on yleensä suunnilleen 7…18 % nimellismittaa suurempi, ohuimmilla tangoilla vähemmän (7 %) ja paksuimmilla enemmän (18 %).

Taivutustelan valinta

Betonirakenteiden toteutusstandardi SFS-EN 13670 ohjeistaa valitsemaan taivutustelan halkaisijan Renard-sarjasta. Renard-sarja on matemaattinen määrittely, joka tuottaa tässä yhteydessä sarjan (25, 32, 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160, 200, 250, 320, 400, 500, 630). Valmistajilla ei välttämättä ole käytössään kaikkia Renard-sarjan teloja ja toisaalta käytössä voi olla myös muun kokoisia teloja. Suunnittelijan tulisikin jättää suunnitelmiin vähimmäistelan arvo eikä valita kokoa Renard-sarjan teloista. Tämä on tärkeää erityisesti silloin, jos tuotannossa käytetään jostain sitkeämpää terästä (esim. SFS 1300:n mukaisen tilalla SFS 1268:n mukaista) kuin on suunniteltu.

Pääraudoitteille suositeltavat telat ovat 200, 300, 400 ja 500 mm. Nämä soveltuvat useisiin käytännön tapauksiin pääteräksille 16 mm, 20 mm, 25 mm ja 32 mm. Näillä teloilla saadaan raudoitteet tehokkaasti tehtyä puoliautomaattisilla koneilla. Taivutuspenkillä voi käyttää isompiakin teloja (esim. 640 ja 725), mutta tuotanto on hitaampaa ja vastaavasti kalliimpaa. Näissäkin tapauksissa tulee huomioida muodonmuutoksen palautuminen.

Kaiken kaikkiaankin onkin hyvä merkitä suunnitelmiin, onko tela valittu tangon vaurioitumisen vai betonin vahingoittumisen kannalta. Ainakin jälkimmäinen tulisi tuoda selkeästi esiin, jotta tuotannossa voidaan valita sopiva tela oikein perustein. Raudoitevalmistaja käyttää yleensä teräksen taivutettavuuden mukaista pienintä sallittua taivutustelaa, koska sillä saadaan vähiten hajontaa taivutuskulmiin ja parasta tuottavuutta.

Mallintaminen

Raudoitteiden mallinnuksessa olisi hyvä pyrkiä menettelyyn, jossa vähimmäistelat ja niistä saatavat taivutussäteet määräytyvät automaattisesti mallin parametritiedoista, ainakin niissä tapauksissa, joissa käytetään teräksen taivutettavuudesta riippuvia vähimmäisteloja.

Esimerkkejä

Virheellisesti ilmoitettu taivutustelan arvo ei välttämättä vaikuta suunnitelman toteuttamiseen juuri mitenkään. Kuitenkin erityisen kapeilla rakenteilla (pilarit, palkit, seinät, laatat) liian suuri taivutustelan halkaisija aiheuttaa toleranssia suurempaa mittaepätarkkuutta raudoituksiin.

Erityisesti K-tyypin raudoitteella on syytä ottaa huomioon x-mitan määrittelyssä, että taivutussäde on suurempi kuin puolet telan halkaisijasta ja lisäksi, että teräksen todellinen ulkomitta on nimellismittaa suurempi.

Esimerkki 1

• Tankopaksuus 20 mm
• Täyttää SFS 1268 taivutettavuusvaatimuksen
• Telan vähimmäiskoko on 100 mm

Lenkin ulkoleveys x on noin 2 × 20 mm × 1,15 + 100 mm / 0,9 = 46 mm + 111 mm = 157 mm.

Nimellismitoilla laskettuna ulkoleveys x olisi 140 mm. Erotus on siis 17 mm, joka on suurempi kuin normaaliluokan raudoitteen kyseisen mitan toleranssi, joka on +/- 5 mm (x ≤ 200 mm).

Esimerkki 2

• Tankopaksuus 20 mm teräs
• Täyttää SFS 1300 taivutettavuuden vähimmäisvaatimuksen
• Telan vähimmäiskoko on 180 mm.

Lenkin ulkoleveys x on noin 2 × 20 × 1,15 + 180 / 0,9 = 46 mm + 200 mm = 246 mm.

Nimellismitoilla laskettuna ulkoleveys x olisi 220 mm. Erotus on siis 26 mm, joka on suurempi kuin normaaliluokan raudoitteen kyseisen mitan toleranssi, joka on +/- 10 mm (200 mm < x ≤ 500 mm).

Johtopäätökset

Raudoitussuunnitelmasta pitäisi pystyä erottamaan ne taivutetut teräkset, joiden telan vähimmäiskoko perustuu teräksen taivutettavuuteen, niistä taivutetuista teräksistä, joiden telan halkaisija perustuu betonin kestävyyteen.