Uusi tehokas rakenneratkaisu pihakansirakentamiseen

Suomalaisten kaupunkien infrastruktuuri on muuttumassa. Toiminnot keskittyvät yhä enemmän kaupunkeihin, mikä edellyttää jatkuvasti tehokkaampaa maan käyttöä. Tonttien arvon noustessa maanalainen rakentaminen on yleistynyt voimakkaasti. Keskusta-alueilla toimintoja, kuten pysäköintiä, piilotetaan usein puistojen ja teiden alle. Pihakansirakenteet on yleensä maisemoitu niin hyvin, etteivät ihmiset edes huomaa, että kävelevät tai ajavat autoaan rakennuksen päällä.

Nykyaikaiset pihakansirakenteet ovat raskaasti kuormitettuja (kuva 2). Niiden kuormat muodostuvat paksuista maakerroksista, pintarakenteista sekä liikenne- ja lumikuormista – toisinaan kannen päällä voi olla jopa toinen rakennus. Pihakansien alapuolinen tila on usein varattu pysäköinnille. Kantta tukevien pilareiden sijoittelua ja lukumäärää joudutaan tällöin rajoittamaan, jotta pysäköintihalli säilyy käytettävyydeltään hyvänä. Tämän takia kansirakenteiden pääkannattimilta vaaditaan usein myös pitkiä jännevälejä.

Raskaasti kuormitetut pitkän jännevälin rakenteet toteutetaan Suomessa tyypillisesti paikalla rakentaen elementtirakentamisen sijaan. Syy tähän on käytännössä se, että nosturien ja kujetuskaluston rajoitteet tulevat vastaan, kun betonielementin paino ja mittasuhteet saavuttavat tietyn pisteen. Samalla menetetään kuitenkin yleisesti tunnistetut elementtirakentamisen hyödyt: nopeus, laatu ja ympäristöystävällisyys.

Tavoitteena kasvattaa esijännitettyjen betonielementtirakenteiden kapasiteettia

Väitöstutkimuksen tavoite oli kehittää keino, jonka avulla esijännitettyjen betoniliittopalkkien käyttöaluetta pihakansirakenteissa voitaisiin kasvattaa ja täten mahdollistaa elementtirakentamisen hyödyntäminen useammin myös pitkän jännevälin raskaasti kuormitetuissa pihakansirakenteissa.

Yksiaukkoiset esijännitetyt betoniliittopalkit ovat erityisesti suomalaisessa pysäköintirakentamisessa yleisesti käytetty tuote. Betoniliittopalkki muodostuu eri aikaan valettujen betonien välisestä liittorakenteesta: esijännitetystä elementtipalkista ja siihen tukeutuvasta osittain tai kokonaan paikalla valetusta laatasta. Esijännitetyn elementtipalkin ja paikalla valetun laatan liitos toisiinsa varmistetaan elementtipalkin yläpinnan karhennuksella sekä ansasraudoituksella. Liittolaatta ja poikkileikkaukseltaan suorakaiteen muotoinen elementtipalkki muodostavat liittovalunkovetuttua yhtenäisen T-poikkileikkauksen. Liittovaikutuksen ansiosta esijännitetylle elementtipalkille saadaan siis lisää tehollista korkeutta ja lisäksi liittolaatan laipat toimivat poikkileikkauksessa tehokkaana puristuspintana. Esijännitetyissä betonielementeissä käytetään valmistusteknisistä syistä suoraa punoskulkua ja tästä syystä rakenne on yksiaukkoinen.

Eri puolilla maailmaa, erityisesti Pohjois-Amerikassa, on tyypillistä kasvattaa esijännitettyjen yksiaukkoisten betoniliittopalkkisiltojen kapasiteettia jatkuvuuden avulla. Väitöstutkimuksen yhteydessä toteutetussa kirjallisuuskatsauksessa kävi ilmi, että elementtipalkkien välistä jatkuvuutta on tutkittu jo 1960-luvulta lähitien ja kansainvälisissä siltarakenteissa on käytössä useita erilaisia menetelmiä toteuttaa jatkuvuus esijännitettyjen betonielementtien välille.

Väitöskirjassa keskitytään näistä menetelmistä yhteen: kansainvälisesti tutkituimpaan ja eniten käytettyyn. Menetelmässä jatkuvuus elementtisiltapalkkien välille saadaan aikaan lisäämällä välituella sijaitsevan jatkoksen yläpintaan pituus- ja poikittaisuuntaista harjateräsraudoitusta. Rakenteen ideologia on vastaava kuin Suomessa paljon käytetyllä kuorilaatalla. Palkkien välille rakennettava jatkos on teräsbetonien ja sen taivutuskapasiteetti muodostuu palkkien päälle valettavan liittolaatan pituussuuntaisen raudoituksen vetokapasiteetista sekä elementtipalkkien väliin valettavan poikittaispalkin puristuskapasiteetista. Rakenne toimii yksiaukkoisena rakenteena omalle painolleen sekä laatan valun painosta aiheutuville kuormille. Liittolaatan ja jatkoksen kovetuttua rakenne toimii muille päälle tuleville kuormilleen jatkuvana betoni-betoni liittorakenteena.

Jatkuvuus tarjoaa rakenteellisia hyötyjä verrattuna yksiaukkoiseen rakenteeseen. Jatkuva rakenne toimii keinulaudan tavoin. Kun toisessa kentässä on kuormaa ja rakenne taipuu, niin samainen taipuma helpottaa viereisen kentän taipumaa ja niin edelleen. Jatkuvan rakenteen taipumat ja taivutusmomentit ovat täten huomattavasti pienempiä verrattuna yksiaukkoiseen. Jatkuvuudella voidaan saavuttaa taloudellisempia rakenteita ja materiaalisäästöjä. Tämän lisäksi jatkuvat rakenteet mahdollistavat momentin uudelleenjakaantumisen murtorajatilassa, mikä tekee rakenteen murtotavasta sitkeämmän ja kasvattaa myös rakenteen murtokapasiteettia.

Tämä kansainvälisesti paljon tutkittu ja käytetty menetelmä Esijännitettyjen elementtien kytkeminen jatkuvaksi rakenteeksi työmaalla on herättänyt kiinnostusta myös Suomessa, mutta menetelmä ei ole yleisesti käytössä.

Kansainvälisesti laajasti käytetyt ja tutkitut, jatkuvaksi kytketyt betonielementtisillat poikkeavat sekä kuormiltaan että dimensioiltaan suomalaisista pihakansirakenteista. Paikallisten rakennesuunnittelijoiden keskuudessa on ollut epävarmuutta, soveltuuko tämä kansallisesti vielä melko tuntematon rakenneratkaisu ylipäätään pihakansirakentamiseen. Väitöskirjan motiivi on selvittää rakenteen käyttömahdollisuuksia pihakansirakentamisessa. Tavoitteena on tutkia rakennetta (kuva 3), jossa saavutetaan esijännittämisen, jatkuvuuden ja elementtirakentamisen hyödyt samassa paketissa.

Lupaavia tuloksia Hervannassa tehdyistä kuormituskokeista

Tampereen yliopistossa toteutettiin vuosina 2018–2021 kokeellinen kolmivaiheinen tutkimus, joka keskittyi jatkuvaksi kytkettyjen elementtipalkkien jatkosalueen toimintaan (kuva 4). Koestuksessa valitut dimensiot ja materiaalit vastasivat suomalaiseen pihakansirakentamiseen soveltuvia rakenteita. Tampereen Hervannassa sijaitsevassa koekuormituslaboratoriossa toteutetut kokeet sisälsivät mittavien, jopa 20 metriä pitkien, jatkuvaksi kytkettyjen betonielementtipalkkien koekuormituksia.

Kokeellisen tutkimuksen tulokset olivat positiivisempia kuin etukäteen osasimme odottaa. Koetulosten perusteella yksiaukkoisen esijännitetyn elementtipalkin kapasiteettia ja vaurionsietokykyä voidaan kasvattaa jatkoksen avulla merkittävästi. Koestuksissa, jatkosalueen korkealla raudoitusasteella, saavutettiin jatkuvalle rakenteelle jopa 55% lisää murtokapasiteettia verrattuna yksiaukkoiseen vaihtoehtoon.

Sitkeä murtotapa ja lisää kapasiteettia

Jo väitöskirjan aloitusvaiheessa oli tiedossa, että suomalaisten rakennesuunnittelijoiden keskuudessa tutkittu rakenne on herättänyt kiinnostusta. Jatkoksen toiminta murtorajatilassa on kuitenkin ollut osa-alue, joka on herättänyt epäilyä. Esijännitetyllä rakenteella punokset sijaitsevat palkin alareunassa ja aiheuttavat rakenteen alapintaan korkean puristusjännityksen. Kun tällainen rakenne kytketään jatkuvaksi, muodostuu välituen 5 Confinement-raudoituksen (= laajenemista estävä raudoitus) vaikutus betonin materiaaliominaisuuksiin koepalkin tiheän haoituksen sisällä (muokattu lähteestä [2]). Uusi tehokas rakenneratkaisu pihakansirakentamiseen läheisyyteen rakenteen alapintaan suuria puristusjännityksiä. Tutkimuksen yksi tavoitteista oli selvittää, Miten korkea puristusjännitys palkin alareunassa vaikuttaa rakenteen murtotapaan ja taivutuskapasiteettiin.

Lopulta koestuksissa huomattiin, että esijännitetyn elementtipalkin päädyn tiheä haoitus jatkosalueella mahdollistaa rakenteelle hyvinkin sitkeän toiminnan. Hakaraudoitus toimii ns. confinemet raudoituksena ja parantaa haoituksen sisällä olevan betonin lujuutta ja muodonmuutosominaisuuksia merkittävästi (kuva 5). Elementtipalkin korkea jännitysaste ei vaikuttanut jatkoksen murtokapasiteettiin heikentävästi, mutta sillä oli vaikutusta rakenteen halkeilukäyttäytymiseen. Jatkoksen muodonmuutokset olivat merkittäviä ennen lopullista murtoa.

Pakkomomentit ja momentin uudelleen jakaantuminen tulee huomioida käyttörajatilamitoituksessa

Korkean kuormituskapasiteetin ja sitkeyden lisäksi tutkimuksessa nousivat esiin tutkitun rakenteen erityispiirteet käyttörajatilan kuormatasoilla. Esijännitysvoima sijaitsee elementtipalkin alareunassa ja aiheuttaa rakenteeseen taipumaa ylöspäin. Betonin viruman vaikutuksesta taipumat kasvavat ajan kuluessa kuormituksen pysyessä vakiona. Esijännitysvoimasta aiheutuvat taipuma ylöspäin siis lisääntyy ajan kuluessa. Yksiaukkoisella rakenteella tällä on vaikutusta ainoastaan rakenteen taipumiin, mutta tilanne on toinen, kun rakenne on kytketty jälkikäteen jatkuvaksi. Jatkos estää muodonmuutokset ja kiertymät välituella. Tästä syntyy rakenteeseen pakkovoimia, jotka vaikuttavat rakenteen taivutusrasituksiin käyttörajatilassa.

Viruman lisäksi betonille on tyypillistä kutistuminen. Kovettuessaan betoni kutistuu ympäristöolosuhteista, dimensioista ja betonista riippuen 0–1 promillea. Betonin kutistumalle on tyypillistä, että siitä suurin osa tapahtuu ensimmäisten kuukausien aikana ja tämän jälkeen kutistuminen hidastuu. Kun liittolaatta ja betonielementti liitetään yhteen, rakenne muodostuu sekä ”vanhasta” betonielementistä että ”nuoresta” liittovalusta. Tästä seuraa se, että eri aikaan valettujen betonien välillä on kutistuma ero, jota kutsutaan differentiaaliseksi kutistumaksi. Tästä aiheutuu rakenteeseen pakkovoimaa, joka pyrkii puolestaan taivuttamaan rakennetta yleisen olettamuksen mukaan alaspäin.

Viruman ja differentiaalisen kutituman aiheuttamat pakkomomentit vaikuttavat oleellisesti tutkitun rakenteen taivutusrasituksiin käyttörajatilassa. Pakkovoimat ovat tutkimusten perusteella pihakansirakenteiden mittasuhteilla todellisia, mutta yhtä aikaa vaikeasti ennustettavia (kuva 6). Pakkovoimien suuruuteen vaikuttaa merkittävästi betonin materiaaliominaisuudet, kytkettävien elementtien ikä kytkemishetkellä, jännevoiman päästöhetki sekä rakenteen mittasuhteet. Olemassa olevilla, uudessa eurokoodissakin esitellyillä, menetelmillä pakkovoimien vaihteluväli rakenteen käyttöaikana on laskennallisesti määriteltävissä. Vaikka pakkovoiman määritykseen liittyy epävarmuustekijöitä, on oleellista, että suunnittelija ymmärtää miten eri valinnat suunnittelussa ja rakentamisessa vaikuttavat pakkovoimien suuntaan ja suuruuteen.

Pakkovoimien lisäksi rakenteen käyttörajatila mitoituksessa tulee huomioida myös toinen erityispiirre. Jatkuvaksi kytketty elementtipalkki ei ole tasajäykkärakenne. Rakenne on kentästään esijännitetty, mutta jatkosalue on teräsbetoninen. Tästä seuraa se, että rakenne halkeilee kuormituksessa välituelta huomattavasti aikaisemmin kuin kentästä. Tällöin välituen jäykkyys tippuu muuhun rakenteeseen verrattuna verrattain aikaisin. Halkeilun jälkeen rakenne ei ole enää täysin jatkuva. Tästä seuraa se, että tutkitulla rakenteella momentti uudelleen jakaantuu poikkeuksellisen voimakkaasti jo käyttörajatilan kuormatasoilla. Väitöskirjassa on kehitetty käytännön suunnitteluun soveltuva yksinkertaistettu malli (kuva 8), jonka avulla tutkitun rakenteen käyttörajatilan momentin uudelleen jakaantumista voidaan arvioida, ilman epälineaarista analyysia.

Tutkimuksen vaikuttavuutta kuvaa se, että tutkitun rakenteen käyttörajatilan momentin uudelleen jakaantumiseen liittyvistä havainnoista syntyneet päätelmät on jo nyt sisällytetty uuteen tällä tietoa vuonna 2025 julkaistavaan Euroopan yhteiseen suunnittelunormiin eurokoodiin.

Kansallinen suunnitteluohje valmisteilla

Lopulta voidaan todeta, että esijännitettyjen elementtien kytkeminen jatkuvaksi rakenteeksi on tehokas menetelmä kasvattaa yksiaukkoisen esijännitetyn betonielementtipalkin kapasiteettia ja vaurionsietokykyä. Tutkimustulosten perusteella luottamus rakenteen sitkeään toimintaan on kasvanut, mutta samalla tietoisuus rakenteen erityispiirteistä käyttörajatilassa on tullut tietoon. Rakenteessa on potentiaalia ja se tuo kansallisille markkinoille uudenlaisen tehokkaan tavan toteuttaa pihakansirakenteita. Laajamittaisemman käyttöönoton mahdollistamiseksi, rakenteelle ollaan laatimassa erillinen kansallinen suunnitteluohje.

Tutustu väitöskirjaan verkossa:
https://trepo.tuni.fi/handle/10024/152195