Julkisivuelementtien suunnittelu

Yleiset periaatteet

Julkisivun osien toiminnan ymmärtäminen on ratkaisevan tärkeää onnistuneen ulkoseinän suunnittelulle. Vaatimukset kantaville ja jäykistäville rakennusosille poikkeavat huomattavasti ei-kantavien vaatimuksista. 

Rakennetta valittaessa on otettava huomioon

• ulkonäkö
• toimivuus
• pitkäaikaiskestävyys
• huollettavuus
• asennettavuus
• rakentamiskustannukset
• käyttö- ja huoltokustannukset

Kuormitukset, rasitukset ja muodonmuutokset

Kuormitukset, rasitukset ja muodonmuutokset

Julkisivuelementtiin kohdistuvat kuormat (EN 1990, EN 1991)

• oma paino (pysyvä kiinteä kuorma)
• kuoriin kiinnitettävien laitteiden paino (muuttuva kiinteä kuorma)
• hyötykuormat (muuttuva liikkuva kuorma)
• tuulen paine ja imu, kitkavoimat (sisä- ja ulkopuolinen paine) (muuttuva kiinteä kuorma)
• lumikuorma (muuttuva kiinteä kuorma), kantavissa seinissä
• kaidekuormat (muuttuva liikkuva kuorma)
• onnettomuus kuormat (räjähdys, törmäys, tulipalo)
• toteuttamisen aikaiset kuormat (muotista irrottaminen, kuljetus, nostot, tuuli)
• jäykistyksestä aiheutuvat kuormat (tuuli, rakenteiden mittaepätarkkuuksien vaikutus)

Tuuli

Kaikki yhdistelmäjulkisivun osat on mitoitettava tuulelle: varsinainen julkisivumateriaali, kiinnikkeet, tukirakenne ja tukirakenteen liitos sisäkuoreen. Veto- ja puristuslujuuden lisäksi on varsinkin taipumille herkissä rakenteissa, kuten lasijulkisivuissa, kiinnitettävä erityistä huomiota tuulenpaineen ja imun aiheuttamiin muodonmuutoksiin.

Lumi

Lumikuorma rasittaa julkisivurakenteita lähinnä erilaisten ulokkeiden ja räystäiden kohdalla. Julkisivurakenteet tulee suunnitella siten, ettei niihin muodostu alueita, joihin lumi ja jää voi kerääntyä. Avosaumarakenteita käytettäessä on otettava huomioon myös tuulen kuljettaman lumen keräytyminen rakenteeseen.

Lämpötilan muutokset

Rakennetta rasittavaksi pysyväksi kuormaksi oletetaan rakenteen valmistuslämpötilan tai asennuslämpötilan ja keskimääräisen käyttölämpötilan välinen ero. Muuttuvaksi kuormaksi katsotaan rakenteen keskilämpötilan vaihtelut keskimääräiseen käyttölämpötilaan nähden.

Julkisivun kiinnitykset ja saumat on suunniteltava siten, että lämpötilavaihteluiden aiheuttamat muodonmuutokset pääsevät vapaasti tapahtumaan. Metallijulkisivujen lämpöliikkeet voivat aiheuttaa ääniongelmia, jotka tulee ottaa huomioon suunnittelussa.

Saderasitus

Hyvin suunniteltuun julkisivuun kohdistuva saderasitus koostuu pelkästään viistosateesta. Julkisivun reunoille kohdistuva viistosademäärä voi olla huomattavasti suurempi kuin vapaa viistosademäärä. Julkisivun keskiosalla viistosaderasitus on vapaata viistosademäärää pienempi.

Palonkesto

P1-luokan rakennuksissa tulee ulkoseinässä pääosin käyttää vähintään A2-s1, d0-luokan rakennustarvikkeita. YM 848/2017 26 §:n taulukossa 8 on annettu ulkoseinän ulkopinnan ja tuuletusvälin pintojen luokkavaatimukset tarkemmin.

Kuormien arvot, yhdistelykertoimet ja eri rajatilojen kuormitusyhdistelmät valitaan EN 1990 ja EN 1991-1...7 mukaan.

Muita rasituksia

• pakkovoimat
• kuorien kosteuserot, kutistuma ja viruma
• perustusten painumien aiheuttamat pakkovoimat

Muodonmuutokset

Betonisten julkisivujen muodonmuutokset ja ulkokuorien käyristyminen tulee hallita ja ottaa huomioon suunnittelussa. Pääosa kaareutumisesta aiheutuu kutistumaeroista. Betonin kutistuma voidaan jakaa varhaiskutistumaan ja kovettuneen betonin kutistumaan. /Julkisivu 2000

Myös elementin tuentatapa varastoinnin aikana voi aiheuttaa elementtiin muodonmuutoksia.

Varhaiskutistumiseen kuuluvat

• plastinen kutistuminen haihtumisen seurauksena
• hydrataation aiheuttama tilavuuden muutos
• jäähtymiskutistuma

Kovettuneen betonin kutistuma

• kuivumiskutistuminen veden haihtumisen seurauksena
• karbonatisoitumiskutistuminen hiilidioksidin sitoutuessa sementtikiveen

Kuivumiskutistuma on suuruusluokaltaan 0.3…0.6‰. Karbonatisoitumiskutistuma on suurimmillaan n. 30…50% betonin kokonaiskutistumasta.

Eriytetyssä seinärakenteessa on yhtenäisen tuuletusraon vuoksi ulkokuoren ulko- ja sisäpinnassa lähes sama lämpötila. Maksimissaan lämpötilaero voi olla n. 10 C. Tämän vuoksi suurimmat muodonmuutokset syntyvät betonin kosteusvaihtelun seurauksena.

Muodonmuutosten hallinnassa tärkeintä on kiinnittää huomiota betonin koostumukseen ja tasalaatuisuuteen sekä lisäaineiden määriin ja niiden vaikutukseen. Oikea jälkihoito on välttämätöntä pyrittäessä pienentämään kutistumia. Keskeinen kutistumaan vaikuttava tekijä on jälkihoidon lisäksi vesi-sementtisuhde sekä sementtimäärä. Myös sementin karkeudella on vaikutusta, koska hienojakoinen sementti tarvitsee enemmän vettä, jolloin kuivumiskutistuma kasvaa.

Jos julkisivun pinta verhoillaan muulla materiaalilla, kuten tiililaatoilla, vaikuttavat materiaaliominaisuuksien erot poikkileikkauksien jäykkyyksien suhteessa elementin kaareutumiseen.

Vaaleilla väreillä voidaan rajoittaa lämpötilan nousua auringossa.

Pyrittäessä rajoittamaan muodonmuutoksia on kuorielementistä tehtävä paksuussuunnassa mahdollisimman homogeeninen ja kutistuma sekä erityisesti pintojen väliset kutistumaerot on minimoitava.

Halkeilu

Betoniteräkset ovat normaalisti hyvin korroosiolta suojassa betonikerroksen sisässä. Betonin huokosveden korkea alkalisuus muodostaa teräksen pinnalle ohuen oksidikalvon, jolloin teräksen korroosio estyy. Myös betonin alhainen läpäisevyys estää korroosiota aiheuttavien aineiden pääsyn kosketuksiin teräksen kanssa.

Betonin muodonmuutokset voivat aiheuttaa rakenteeseen jännityksiä, jotka puolestaan aiheuttavat halkeamia betonin vetokestävyyden ylittyessä. Betonin muodonmuutosten lisäksi halkeilua voivat aiheuttaa ulkoiset kuormitukset ja pakkovoimat, mikäli muodonmuutokset on estetty.

Betonin vapaan kokonaiskutistuman perusteella betoni ei halkea kutistuman ollessa alle 0.8 mm/m. Kutistuman ollessa 0.8…1.4 mm/m halkeilu on epävarmaa. Halkeilu on todennäköistä kutistuman ollessa yli 1.4 mm/m. Jos kutistuma tapahtuu nopeasti, halkeilua voi esiintyä edellä esitettyjä pienemmillä arvoilla.

Betoni

Betonin lujuus ja muut ominaisuudet sisä- ja ulkokuoressa määräytyvät rakenteelliseen kestävyyteen, tavoitekäyttöikään ja säilyvyyteen liittyvien vaatimusten perusteella.

Kantavaan runkoon kuuluvien sisäkuorien suositeltu tavoitekäyttöikä on 100 v ja ei-kantavan sekä betonisten julkisivujen 50 – 100 v.  

Ympäristöolosuhteisiin liittyvät rasitusluokat on esitetty standardissa SFS-EN 206, sen kansallisessa soveltamisstandardissa SFS 7022 ja ohjeissa by 65 sekä by 68. Säilyvyyttä on käsitelty tarkemmin kohdassa Rakenteellinen toiminta.  

Lämmöneristeet

Ympäristöministeriön asetus uuden rakennuksen energiatehokkuudesta (1010/2017) antaa rakennuksen vaipan osille 24 §:ssä lämpöhäviöiden vertailuarvot. Vaipan lämpöhäviö ei saa ylittää vertailuarvoilla (lämmönläpäisykerroin U) laskettua vaipan lämpöhäviötä. 

Lämpimän tilan vaipan osien vertailuarvot:

Seinä 0.17 W/m²K
Yläpohja 0.09 W/m²K
Tuuletettu alapohja >0.17 W/m²K
Maata vasten oleva rakennusosa 0.16 W/m²K
Ikkuna, kattoikkuna, ovi 1.0 W/m²K

Lisäksi on annettu vaipan osille lämmönläpäisykertoimen enimmäisarvo 0.6 W/m²K. Näin rakennuksen sallittuun lämpöhäviöiden tasoon voidaan päästä monelle eri tavalla. Yksinkertaisuuden vuoksi rakenneratkaisut pyritään vakioimaan. Ks. taulukko 1. 

Lämmöneristeitä valittaessa on tarkistettava eristeille asetetut palotekniset vaatimukset, jotka on annettu YM asetus 848/2017 :ssa.

Ulkoseinissä mahdollisia lämmöneristeitä ovat:  

• mineraalivilla, käyttö mahdollista kaikissa ulkoseinissä
• PUR (polyuretaani) ja PIR (polyisosyanuraatti), käyttö mahdollista sandwich-elementeissä, suojaus tyyppihyväksynnän mukaan
• EPS sammuva laatu, käyttö mahdollista sandwich-elementeissä ja ohutrapatuissa ulkoseinissä, suojaukset tuotehyväksynnän mukaan

Julkisivurakenteen tuuletuksen kannalta eristeen tiiveydellä on ratkaiseva merkitys.

Mineraalivillaeristeiset sandwich-elementit on aina tehtävä tuulettuviksi. Eristeen tulee olla uritettua ja urasuojattua. Uria yhdistävien vaakakanavien ja saumoissa olevien tuuletusputkien tai koteloiden avulla pyritään saamaan koko rakenne tuulettuvaksi.

Ulkoseinien lämmöneristeiden kosteustekninen toiminta on esitetty osassa Lämpö- ja kosteustekniikka.

Aukotus

Julkisivujen ikkunat ja parvekeovet muodostavat aukotusjärjestelmän, jonka rakennesuunnitteluperiaatteita ovat:

• kuormat tuodaan perustuksille suoria reittejä pitkin
• suora reitti on voimien siirtämisen kannalta tehokkain ja taloudellisin
• suunnittelu tehdään materiaalien ehdoilla
• ripustetun ja lämpörapatun julkisivun aukotus vapaampaa kuin tiilimuuratun
• huolehditaan tarpeellisista minimimitoista
• rakenteellinen kestävyys, palo-, valmistus-, kuljetus- ja asennustilanteessa
• vältetään kosteusteknisesti vaurioalttiita saumoja ja liittymiä

Ei-kantavilla seinillä aukotus on melko vapaasti valittavissa. Elementit kannatetaan kerroksittain huoneistojen välisistä seinistä (”puukkokannatus”) tai elementit tukeutuvat sisäkuoren välityksellä alempiin elementteihin.

Huoneistojen välisten seinälinjojen viereen jätetään ruutuelementtiin 300 + 300 mm leveä umpiosa. Kapeissa aukkojen pielissä on huomioitava myös mahdolliset talotekniset varaukset, joilla voi olla vaikutusta pilariosan kantavuuteen.

Mikäli julkisivuverhous on paikalla muurattu, on aukkojen sijoittelussa tapauskohtaisesti huomioitava aukonylityspalkkien, tiilipalkkien ja –pilarien kestävyydet.

Kantavien sisäkuorien palonkesto 

Kantavilla teräsbetoniseinillä katsotaan olevan riittävä palonkestävyys, jos noudatetaan EN-1992-1-2 taulukon 5.4 vähimmäismittoja.

Ikkunapilareiden suunnittelu 

Aukkojen välisiin pilareihin saattaa syntyä suuria rasituksia. Laskennallisen kestävyyden ylittyessä voidaan tarvittava kestävyys saada aikaan:

• muuttamalla aukotusta
• kasvattamalla pielipilarin leveyttä
• käyttämällä ohuempaa lämmöneristettä, jolloin sisäkuorta voi vahventaa

Ansaiden hyödyntäminen kantavan sisäkuoren pilarin mitoituksessa ei ole suositeltavaa, koska ulkokuoren suunnittelukäyttöikä on tavallisesti 50 vuotta, kun kantavalla rungolla se on tavallisesti 100 vuotta. Rakennuksen normaali käyttö tulee hankalaksi ja voi estyä kokonaan tilanteessa, jossa ulkokuori joudutaan uusimaan kokonaan. Mikäli ulkokuorta käytetään sisäkuoren kantavuuden lisäämiseen, on ratkaisu merkittävä piirustuksiin.

Pilariksi tulkitaan pieli, jos sen suuremman poikkileikkausmitan suhde pienempään h/b ≤ 4. (EN 1992-1-1 kohta 9.5.1)

Ikkunanpielien kestävyys on tutkittava myös palotilanteessa. Jos kantava pieli jatkuu vierekkäisessä elementissä, ei yksittäistä pieltä tulkita pilariksi, jos pielien yhteenlaskettu leveys ≥ 4 h. Samoin, jos kantava pieli liittyy jäykistävään seinään, ei pieltä tarvitse vahvistaa pilariksi. Elementtien välinen sauma täytyy tällöin olla vaarnalenkein vahvistettu.

Tärkeää on ymmärtää sisäkuoren pilarimaisten osien toiminta tulipalossa. Teräsbetonipilareiden vähimmäismitat ja terästen keskiöetäisyydet eri palonkestävyysluokissa on esitetty standardissa EN 1992-1-2 taulukot C1-C9.

Ikkunapalkkien suunnittelu 

Ikkunapalkit voidaan mitoittaa tavallisina, usein päistään jäykästi kiinnitettyinä palkkeina. Jos kantokykyä tarvitaan lisää voidaan sisäkuoren paksuutta lisätä samoilla periaatteilla kuin ikkunapilareissa. 

Teräsbetonipalkkien vähimmäismitat ja terästen keskiöetäisyydet eri palonkestoluokissa on esitetty EN 1992-1-2 taulukoissa 5.5 ja 5.6.

Ikkunapalkkien kestävyys on tutkittava myös palotilanteessa.

Julkisivurakenteet

Valmisosaulkoseinä voi rakentua seuraavilla tavoilla:

1. Sandwich-ulkoseinä on rakenne, jossa seinärakenteen osa asennetaan valmiina komponenttina paikoilleen. Sandwich-seinän ulko- ja sisäkuori valmistetaan yleensä samassa tuotantoprosessissa. Ulko- ja sisäkuoren välillä on yhteistoiminta, joka saadaan aikaan ansaiden avulla.
2. Eriytetty rakenne, jossa seinä rakennetaan työmaalla kerroksittain. Ulko- ja sisä kuoren välillä ei ole yhteistoimintaa. Yleensä sisäkuori asennetaan ensin ja varsinainen julkisivu rakennetaan sen jälkeen. Julkisivun eri osissa voi esiintyä julkisivubetonituotteita, betonisia kuorielementtejä, keraamisia suurlaattoja, luonnonkiveä, muurausta jne. Kaikissa on samalla ratkaisulla toteutettu sisäkuori.
3. Yhdistelmärakenteet, joissa ulko- ja sisäkuori ovat eri materiaaleja.

Julkisivujärjestelmää täydentäviä rakenteita ovat mm. parveke-elementit, terassit, erkkerit ja arkadit. 

Betonijulkisivuun liittyy usein muista materiaaleista toteutettuja rakenteita. Näiden liittyessä elementtirakenteisiin tulee ottaa huomioon seuraavat asiat:

• materiaalien tulee olla yhteensopivia
• tuotteiden tulee olla mittatarkkuudeltaan yhteensopivia
• täydentävät rakennusosat eivät saa hidastaa kokonaistoteutetusta
• pakkovoimat ja muodonmuutoksista aiheutuvat liikevarat
• liitosten tulee olla nopeita ja helppoja asentaa
• materiaalien erilainen patinoituminen