Betonirakenne tulipalossa

Nykyaikainen tulipalojen sammutus pyrkii osaltaan minimoimaan myös jälkivahinkoja. Sammutustyön aikana ensisijainen tavoite on kuitenkin saada riistäytynyt tuli hallintaan ja palon vaikutukset rajattua mahdollisimman suppealle alueelle. Tästä johtuen betonirakenteisiin kohdistuu tulipalon seurauksena muitakin rasituksia kuin vain poikkeuksellisen korkea lämpötila.

Betonirakenteen vauriot tulipalossa

Tyypillinen betonin vaurioittaja on sammutustyön aiheuttama lämpöshokki, kun kuuma betonipinta jäähtyy äkillisesti sammutusveden vaikutuksesta.

Lisäksi betonirakenteisiin voi syntyä sammutuksessa mekaanisia vaurioita rakenteiden yleensä melko väkivaltaisen ja vauhdikkaan purkamisen ja raivaamisen yhteydessä.

Samankaltaisia vaurioita voi lisäksi syntyä rakenteiden osittaisen sortumisen yhteydessä, kun rakenneosia kaatuu tai putoaa toistensa päälle. Tällainen rakenteiden osittainen sortuminen voi merkittävästi muuttaa betonirakenteisiin kohdistuvia kuormia, jolloin on vaarana, että paikallisesti syntyy ylikuormituksesta aiheutuvia vaurioita betoniin tai laajemminkin betonirakenteisiin ja liitoksiin.

Rakennuspaloissa, ja yleensäkin betonin palovaurioita arvioitaessa, tuleekin aina tarkastella rakenteita kokonaisuutena. Vaurioitumisen laajuuden ja merkityksen arvioimisessa betonin materiaalitutkimukset ovat kuitenkin tärkeässä osassa.

Näkyvimpinä vaurioina betoniin syntyy tulipalossa erilaista halkeilua ja säröilyä, pinnan lohkeamia sekä värimuutoksia. Kokonaisia betonirakenteita tarkasteltaessa tyypillisimpiä vaurioita ovat lisäksi erilaiset muodonmuutokset sekä raudoitukseen liittyvät vauriot.

Värimuutokset betonirakenteissa

Värimuutosten luotettava havainnoiminen palaneista rakenteista edellyttää yleensä sitä, että palokohde on jo raivattu ja betonipinnat puhdistettu mekaanisesti noesta ja muusta liasta. Voimakkaan tulipalon jäljiltä rakenteen pinnat voivat olla myös täysin puhtaita noesta ilman puhdistustoimenpiteitäkin, jolloin betonipinta on hyvin nähtävissä ja vaurioituminen arvioitavissa aistinvaraisesti. Betonipintojen puhtaus palon jälkeen kertoo samalla yleensä siitä, että vallinnut lämpötila on ollut korkea ja mm. mahdollinen pinnoille kertynyt noki on palanut pois. Noettomuus ei kuitenkaan aukottomasti ilmaise betonipinnan lämpötilaa, koska palokaasujen virtaukset vaikuttavat nokeentumiseen joskus hyvinkin paikallisesti ja lisäksi pinnoille voi kertyä uudelleen nokea ja likaa myös varsinaisen palorasituksen jo hellitettyä.

Betoniin kohdistuva kuumuus muuttaa vähitellen näkyvästi betonin väriä. Matalissa, alle 300 oC:n lämpötiloissa mitään muutosta ei ole havaittavissa, mutta lämpötilan edelleen noustessa betonin väri alkaa muuttua, ensin vaaleanpunaiseksi ja noin +600 oC:n jälkeen edelleen valkoisenharmaaksi. Todella korkeissa lämpötiloissa betonin väri tummuu uudelleen muuttuen ruskeankellertäväksi.

Värimuutoksiin, kuten yleisemminkin betonin palonkestävyyteen on vaikutusta käytetyn sementin koostumuksella. Tämän asian osalta olemme uuden äärellä, koska betonin valmistukseen on tullut ja tulee jatkossakin uusia, erilaisia side- ja seosaineita, joiden vaikutusta betonin käyttäytymiseen tulipalon kaltaisessa poikkeustilanteessa ei vielä kattavasti tunneta.

Halkeilu ja lohkeilu betonirakenteissa

Värimuutosten lisäksi toinen tulipalon seurauksena betonipinnoissa näkyvä vauriotapa on eriasteinen halkeilu ja lohkeilu. Ensimmäinen tulipalossa betonipintaan näkyvää säröilyä aiheuttava tekijä on kuivuminen. Pinnan lämpeneminen haihduttaa betonin huokosrakenteesta kaiken irtoavan veden, jolloin betoni luonnollisesti kutistuu, mikä näkyy pinnan voimakkaana säröilynä.

Koska betonin lämmönjohtavuus on varsin huono, syntyy palotilanteessa aina suuria lämpötilaeroja rakenteen pintaosien ja syvemmällä olevan betonin välille sekä betonirakenteen eri puolien välille. Tästä johtuen betoni vaurioituu palossa kerroksellisesti alkaen kuumimmasta pinnasta ja vaurioituminen etenee syvälle betoniin yleensä varsin hitaasti. Suoraan kuumuudelle altistuvassa betonin pintakerroksessa olevan vapaan veden höyrystyessä ja laajentuessa äkillisesti syntyy jopa räjähdysmäisesti pinnan lohkeamia. Tämä tapahtuu tyypillisesti varsin varhaisessa vaiheessa palon alussa. Myöhemminkin vastaavan kaltaisia lohkeamia voi edelleen syntyä lämpölaajenemiserojen seurauksena sekä rakenteen raudoituksen kuumenemiseen liittyen. Lohkeamat voivat korkeammissa lämpötiloissa liittyä myös betonin kemiallisen rakenteen muutoksiin, erityisesti lämpötila-alueella noin +500 – +600 oC.

Lujuusominaisuuksien muutokset

Betonin lujuusominaisuudet heikkenevät korkean lämpötilan vaikutuksesta pysyvästi eli lämpötilan noususta johtuva lujuudenmenetys palon aikana ei juurikaan palaudu rakenteen jäähdyttyä.

Jo siinä vaiheessa, kun betonista on aistinvaraisesti havaittavissa vasta ensimmäisiä merkkejä värinmuutoksesta, on betonin lujuus jo selvästi alentunut. Jos betonin lämpötila kohoaa yli +500 oC:n, on lujuudesta jäljellä enää noin puolet. Lujuudenmenetystä arvioitaessa on tärkeää muistaa betonin huono lämmönjohtavuus eli esim. pintaosien värinmuutoksen perusteella ei voida arvioida syvemmällä rakenteessa olevan betonin lujuutta.

Palovaurioita arvioitaessa rakenteista valikoiduista kohdista irrotetut rakennekoekappaleet ovat ainoa luotettava tapa määrittää betonin todellinen jäljellä oleva lujuus. Pintaosan lujuutta ja potentiaalisesti vaurioituneita rakenteita voidaan kartoittaa aistinvaraisesti mm. koputtelemalla sekä paikan päällä tehtävillä vertailevilla mittauksilla, kuten kimmovasaroinnilla. Betonin lujuusominaisuuksien muutoksen osalta on huomattava, että betonin kimmomoduuli ja taivutusvetolujuus heikkenevät lämpötilan noustessa huomattavasti aikaisemmin kuin puristuslujuus. Tämä yhdessä lämpötilan noustessa tapahtuvan raudoituksen lujuuden alenemisen kanssa edesauttaa muodonmuutosten syntymistä rakenteisiin, esim. palkkien taipumista, vaikka betonissa ei merkittävää vaurioitumista vielä olisikaan nähtävissä.

Betonirakenteiden palovaurioita arvioitaessa merkittävässä roolissa on aina raudoituksen sekä erilaisten teräksisten kiinnitysosien vauriot. Betonin ja raudoitusterästen huomattavan erilaiset lämpölaajenemiskertoimet ovat tärkeä syy betonirakenteen vaurioitumiseen korkean lämpötilan vaikuttaessa rakenteisiin pidemmän aikaa. Raudoituksen osalta keskeistä on huomioida erikseen, jos palolle on altistunut jännitettyjä betonirakenteita.

Tavanomaisen raudoitusteräksen lujuus palautuu melko hyvin rakenteen jäähtyessä, mutta jänneteräksessä korkean lämpötilan vaikutuksesta tapahtuvat lujuusmuutokset ovat luonteeltaan pysyviä. Tavanomaisissa teräsbetonirakenteissa raudoituksen vaurioituminen ei yleensä ole rakenteen korjattavuuden kannalta määräävässä asemassa, jos rakenteeseen ei palon aikana ole syntynyt poikkeavia muodonmuutoksia. Jännitetyissä rakenteissa raudoitus, nimenomaan jännepunokset, on sitä vastoin voinut vaurioitua merkittävästikin ilman, että betonissa tai rakenteessa kokonaisuutena on aistinvaraisesti havaittavissa vaurioita. Tästä syystä rakenteessa palotilanteessa vallinneiden todellisten lämpötilojen määrittäminen on korjattavuutta arvioitaessa välttämätöntä jännitettyjen rakenteiden osalta, ellei ulkoisten sekundääristen havaintojen perusteella voida luotettavasti varmistaa, että ko. rakenteiden ympärillä vallinnut lämpötila on tulipalon aikana ollut vaurioitumisen kannalta alhainen tai hyvin lyhytkestoinen.

Raudoituksen jäännöslujuuksia voidaan tarvittaessa selvittää jälkikäteen myös laboratoriotutkimusten avulla, mutta koska se edellyttää raudoituksen katkaisemista soveltuvan näytteen irrottamiseksi, tulee näytteenoton tarve erikseen arvioida ja huomioida sekä näytteenoton että tulevan korjauksen suunnittelussa. Maksimilämpötila, jossa raudoitussyvyydellä oleva betoni on käynyt tulipalon aikana, on selvitettävissä laboratoriotutkimuksin, jolloin jännepunosten vaurioitumista voidaan luotettavasti arvioida.

Sekundääriset havainnot rakenteista

Betonirakenteiden tulipalovaurioiden arvioinnissa palopaikalta tehdyillä sekundäärisillä havainnoilla on suuri merkitys. Muista rakenteista ja materiaaleista tehtävät havainnot auttavat arvioimaan palossa vallinneita lämpötiloja ja niiden vaikutusaikoja.

Aiemmin mainitusta betonin huonosta lämmönjohtavuudesta johtuen korkeiden lämpötilojen vaikutusaika on keskeinen tekijä, kun arvioidaan, onko edes ollut mahdollista, että betonirakenne on palossa merkittävästi vaurioitunut.

Tyypillisiä sekundääristen rakenteiden havaintoja, joiden avulla lämpötiloja ja vaikutusaikoja voidaan arvioida, ovat puuosien hiiltyminen, muoviosien sulaminen ja palaminen, lasin pehmeneminen, alumiiniosien sulaminen, erilaisten lämmöneristeiden vaurioituminen sekä teräsosien muodonmuutokset.

Sekundääristen havaintojen arvioinnissa on oleellista huomioida niiden paikallisuus. Tulipalon aikana rakennuksen sisällä vallitsee yleensä hyvin erilaiset olosuhteet lämpötilojen osalta johtuen mm. palokaasujen virtauksista.

Kaikki palopaikan lämpötiloista kerätty tieto auttaa myös muiden rakenneosien potentiaalisen vaurioitumisen arvioinnissa. Tyypillinen esimerkki on elementtirakenteisten palkkien laakerointikumit, joilla on merkitystä betonirakenteen toimintaan kokonaisuutena ja joihin voi syntyä toimenpiteitä vaativia vaurioita jo alhaisemmissa lämpötiloissa kuin niiden varassa olevaan palkkiin.

Laboratoriotutkimukset apuna betonin vaurioitumisen arvioinnissa

Kuten aiemmin esitettiin, laboratoriotutkimuksin voidaan selvittää betonin sisäosien maksimilämpötila palon aikana.

Tärkein laboratoriomenetelmä betonin vaurioitumisen arvioimiseksi on ohuthieanalyysi, jonka avulla voidaan tutkia betonin sisäistä vaurioitumista mikroskoopin avulla. Ohuthietutkimuksessa rakenteesta timanttiporaamalla irrotetusta betoninäytteestä valmistetaan lasilevylle noin 0,025 mm:n paksuinen leike, jota voidaan tutkia valomikroskoopin avulla.

Tyypillisiä muita laboratoriotutkimusmenetelmiä, joita käytetään betonin palovaurioiden ja korjattavuuden arvioimisessa, ovat puristus- ja vetolujuuden määritys sekä kloridianalyysi.

Kuten rakenteiden tutkimuksessa yleensäkin, palovaurioiden ja rakenteiden korjattavuuden arvioinnin kannalta materiaalinäytteiden oikea kohdistaminen sekä asiantunteva näytteenotto ovat keskeisessä roolissa siinä, että saadut tulokset kuvaavat tutkittavan rakenteen kuntoa luotettavasti.

Palovaurioiden korjaaminen on käsiteltävä omana aihekokonaisuutena, mutta pääosin korjaamisessa voidaan soveltaa, lääkäriterminologiaa käyttäen, oireenmukaista hoitoa. Koska vauriot aiheuttaneet ulkoiset tekijät ovat poistuneet, voidaan korjaustoimet ensisijaisesti suunnitella niin, että niillä palautetaan rakenteen alkuperäinen toimintakyky. Lisäksi voi olla tarvetta toteuttaa rakenteisiin tarttuneen noen ja hajujen vuoksi erilaisia kapselointeja ja tiivistyksiä sekä kastumisen seurauksena kuivaustoimenpiteitä.

Palovauriokorjauksissa on tärkeää muistaa, että korjauksella tulee palauttaa rakenteen varmuus myös seuraavaa vastaavaa poikkeustilannetta kuormitustilannetta ajatellen eli rakenteen tulee toimia esimerkiksi uudessa tulipalossa samalla varmuudella kuin sen on alunperinkin suunniteltu käyttäytyvän.