Liitosten kuormat

Yleistä

Liitokset suunnitellaan ja toteutetaan eurokoodien sekä niitä koskevien ympäristöministeriön asetuksina annettujen kansallisten liitteiden mukaan.

Sovellettaessa muuta suunnittelu- ja toteutusjärjestelmää, tulee rakennushankkeeseen ryhtyvän osoittaa rakennusvalvontaviranomaiselle rakennusvalvontaviranomaisen niin edellyttäessä, että suunnittelu- ja toteutus johtaa rakenteiden lujuuden ja vakauden, käyttökelpoisuuden ja käyttöiän kannalta olennaisten teknisten vaatimusten täyttymiseen (Ympäristöministeriön asetus (477/2014) kantavista rakenteista).

Kuormia ja niistä aiheutuvia voimia määritettäessä kuormitusnormeja ja rakenteiden kantavuuden määrittäviä laskentanormeja ja ohjeita ei saa käyttää liitosten suunnittelussa sekaisin, vaan normien suhteen on pysyttävä aina samassa järjestelmässä.

Tässä esityksessä selvitetään eurokoodin huomioonottamista liitosten kuormien siirrossa. Rakennusten kuormituksia yleisemmin on käsitelty kohdassa suunnitteluperusteet ja kuormitukset.

Liitosten mitoitusperusteet

Liitoksia mitoitettaessa tulee huolehtia siitä, että ne kestävät kaikki todennäköisesti esiintyvät kuormat ja niiden vaikutukset käyttöikänsä ajan, ja että annetut varmuusvaatimukset täyttyvät.

Liitosten vaadittu varmuustaso saavutetaan, kun suunnittelu suoritetaan rakennuskohteessa valitun suunnittelujärjestelmän mukaisesti. Jos liitoksen suunnittelussa on käytössä voimia, jotka on saatu eri suunnittelujärjestelmällä, tulee ne määrittää uudestaan käyttämällä samaa järjestelmää, koska eri suunnittelujärjestelmissä varmuustason hallinta on hyvin erilaista.

Eurokoodeja käytettäessä liitosten varmuustasoon vaikuttavia asioita ovat:

• kuormien laskentamenettely ja kuormien ominaisarvot
• käyttö- ja murtorajatilan kuormayhdistelyt
• kuormien ja kuormayhdistelmien osavarmuusluvut
• seuraamusluokan määrittely ja siitä saatava luotettavuusluokka ja vastaava kuormakerroin
• ulkoisten kuormien kertoimet kuten muoto-, rakenne-, voima-, kitka- ja painekertoimet
• materiaalien osavarmuuskertoimet
• suunniteltu käyttöikä ja säilyvyys
• dynaamisten kuormien huomioiminen liitoksissa käyttöaikana
• tukipintojen mitat
• raudoitusten ankkuroinnit tuki- ja liitosalueilla
• asennus- ja valmistustoleranssien huomioiminen
• rakenteiden vinouden huomioiminen
• rakennuksen jäykistyksen vaikutukset liitosten kuormiin

Liitosten kuormien luokitus ja ominaisarvot

Liitosten kuormien luokitus ja ominaisarvot perustuvat niiden ajasta riippuvaan vaihteluun:

• pysyviä kuormia (G) ovat esim. rakenteiden ja laitteiden oma paino, kutistumisen ja epätasaisen painuman aiheuttama kuormitus sekä rakenteen esijännitys
• muuttuvia kuormia (Q) ovat esim. hyötykuormat, tuulikuormat, lumikuormat ja lämpötilakuormat
• onnettomuuskuormia (A) ovat esim. räjähdykset ja ajoneuvojen törmäykset
• pakkosiirtymistä aiheutuva kuorma voi olla esimerkiksi viruma tai lämpötilavaihtelu
• väsyttävät kuormat aiheuttavat rakenteeseen väsytystä, esim. korkeat ja hoikat tuulelle alttiit rakenteet ja kylmän ja lämpimän rakenteen liitokset, joissa lämpöliike pääsee tapahtumaan kuten parvekeliitokset jne.
  HUOM. Standardeissa SFS-EN 1992...EN 1999 esitetään materiaalien ja tuotteiden ominaisuudet sekä niiden mittatiedot, mm miten rakenneosia mitoitettaessa otetaan huomioon epätarkkuudet ja materiaalikohtaiset vaikutukset (esimerkiksi keskimääräisen jännityksen vaikutuksen tai epälineaaristen vaikutusten huomioon ottaminen).
• dynaamiset kuormat huomioidaan tavallisesti siten, että staattiset ominaiskuormat kerrotaan dynaamisella suurennuskertoimella ja mitoitus suoritetaan näin saadulla kuormalla

Liitosten mitoitustilanteet

Mitoitustilanteet tulee valita ottamalla huomioon olosuhteet, joissa rakenteen edellytetään täyttävän tehtävänsä.

Seuraavat mitoitustilanteet voivat tulla kyseeseen (RIL 201-1-2017):

• normaalisti vallitsevat mitoitustilanteet, jotka koskevat normaaleja käyttötilanteita
• tilapäiset mitoitustilanteet, esim. tilanteet toteutuksen ja korjaamisen aikana
• onnettomuusmitoitustilanteet (esim. tulipalot, räjähdys, törmäys ja paikallinen vaurio)
• maanjäristystilanteita koskevat kuormitustapaukset (vain maanjäristysalueilla)

Valittujen mitoitustilanteiden tulee olla riittävän ankaria ja vaihtelevia, jotta ne käsittävät kaikki tilanteet, joiden voi perustellusti ennakoida esiintyvän rakenteen toteutuksen ja käytön aikana. Mitoitustilanteissa käytettävät kuormien ja materiaalien osavarmuuskertoimet määritellään Eurokoodien ja kansallisten liitteiden ja ohjeiden mukaisesti. Liitosten suunnittelussa huomioitava täydentävät ohjeet mitkä on esitetty betoninormikorteissa tai RIL-julkaisuissa (esim. RIL 201-4-2017 Rakenteiden vaurionsietokyvyn varmistaminen onnettomuustilanteessa).

Liitosta suunniteltaessa tarkistetaan liitoksen kestävyys murto- ja käyttörajatilassa. Murtorajatilassa liitokset mitoitetaan normaaleja kuormien ja materiaalien osavarmuuskertoimia käyttäen. Käyttörajatilassa käytetään käyttörajatilan mukaisia kuormien ja materiaalien osavarmuuskertoimia ja selvitetään, että käyttörajatilat eivät ylity, esim. halkeamaleveys tai taipuma. Onnettomuustilanteita mitoitettaessa käytetään murtorajatilan menetelmiä mutta pienennetään kuormien ja materiaalien osavarmuuskertoimia.

Liitosten mitoituksessa tulee ottaa huomioon vaakakuormat, pystykuormat, betonin viruma, betonin kutistuma, lämpöliike, omapaino, hyötykuorma, onnettomuuskuorma, staattinen kuorma, pysyvä kuorma, muuttuva kuorma, luonnon kuorma, dynaaminen kuorma, väsytyskuorma, painekuorma, iskukuorma, rakenteiden vinous jne. Myös rakenteen käyttöikä, rasitusluokka, palonkestävyys ja äänitekniset vaatimukset tulee ottaa huomioon.

Staattiset kuormat ovat suuruudeltaan ja suunnaltaan tunnettuja, sen sijaan dynaamiset kuormat voivat vaihdella suuruudeltaan ja suunnaltaan ja ne voivat olla rakennetta ja materiaalia väsyttäviä. Liitoksessa vaikuttavat staattisia voimia ovat leikkausvoima, normaalivoima, momentti, vääntömomentti ja näiden yhdistelmät.

Liitoksen dynaamiset kuormitukset korvataan usein staattisilla voimilla ja liitos mitoitetaan niille normaalien mitoitussääntöjen mukaan. Koneiden ja laitteiden kuormina käytetään valmistajan ilmoittamia todellisia painoja. Kuormien mahdolliset dynaamiset vaikutukset tulee huomioida.

Liitoksessa voi lisäksi vaikuttaa väsyttäviä kuormituksia. Väsyttäviä kuormia määritettäessä tulee huomioida mm. kuormanvaihtoluku ja jännitysten vaihteluväli. Eurokoodin SFS-EN 1990 kohdassa 4.1.4 on tarkemmin esitetty väsyttävien kuormien huomioimisesta liitosten mitoituksessa.

Liitosten suunnittelu

Betonielementtirakenteiden liitosten suunnittelu tapahtuu eurokoodien mukaan (SFS-EN 1992- 1-1). Betonielementtejä ja betonielementtirakenteita koskevat lisäsäännöt ovat ko. standardin luvussa 10. Suunnittelu perustuu laskelmiin ja eurokoodijärjestelmän mukaisesti määritettyihin elementtien välisiin rasituksiin ja voimiin, sekä rakenteen geometriaan.

Elementtien liitoksissa selvitetään:

• liittyvien rakenneosien / elementtien geometriatiedot, tuet ja tukipinnat
• vaikuttavat normaalikuormitukset (omapaino ja hyötykuormat)
• muut rasitukset (lämpötilamuutokset, epäkeskeisyydet, rakenteen vinous)
• erityis- ja onnettomuuskuormat sekä palonkestovaatimus
• rakenteen käyttöikävaatimus, jonka myös liitosten tulee täyttää
• maanjäristyskuormituksen liitoksiin aiheuttamat rasitukset seismisillä alueilla.

Liitoksen vauriosietokyvyn kannalta tulisi onnettomuustilanteen mitoituksessa huomioida tarvittaessa myös liitoksen muodonmuutoskyky esimerkiksi RIL 201-4-2017 liitteessä 5 annettujen ohjeiden mukaisesti.

Liitoksen määräävät rasitukset

Kuormien yhdistelyssä selvitetään osavarmuuskertoimet, ja määräävä kuormitusyhdistely liitokselle ja sen kullekin rakenneosalle. Liitokset suunnitellaan, sekä asennusaikaisille, että lopullisille kuormituksille.

Tarkistettavat käyttörajatilaehdot ovat seuraavat:

• sallitut kuormitusten aiheuttamat muodonmuutokset (käyttörajatila) oletetuilla reunaehdoilla
• liitoksen toiminnalliset vaatimukset (nivel, jousto, muodonmuutoskyky)
• muut suunnittelussa huomioitavat ja työmaalla tarkastettavat ominaisuudet (esim. liikevarat ja toleranssit)
• liitoksen pitkäaikaiskestävyys

Suunnitelmissa osoitetaan rakenteen ja sen osien vakavuus rakennusaikana ja valmiina rakenteena.

Tyypillisiä kitkan aiheuttamia voimia liitospinnoilla

Esimerkkitapauksia liitosten välisen kitkan (lepokitka, liikekitka) aiheuttamista voimista rakenteeseen sekä erilaisten tukipintojen välittämistä voimista (Betonielementtirakenteet RIL 115).

μ1= lepokitkakerroin, μ = liikekitkakerroin

Lepokitka vaikuttaa, kun tukipintojen välissä ei ole tapahtunut liukumista, liikekitka vaikuttaa kun liitoksessa on tapahtunut liukuma.

Kitkakertoimista μ on saatavilla tutkimustuloksia. Kitkakertoimen arvo riippuu tutkimusten mukaan esim. terä-teräs liitoksessa hyvin paljon teräksen pintakäsittelystä (µ=0,2…0,7) ja betoni-betoni liitoksessa pinnan karheudesta (elementtien välissä usein µ=0,4). Neopreeni-liitoksessa kitkakerroin riippuu myöskin kuormituksesta. Rakennesuunnittelijan tulee arvioida sopiva kitkakerroin tapauksen mukaan.