1. Mittajärjestelmä
Rakennuksen rungon moduuliverkkona käytetään pilareihin nähden keskistä moduuliverkkoa. Moduulijako valitaan yleensä toimistohuoneen koon kerrannaiseksi, jotta julkisivulinjojen pilarit pystytään sijoittamaan toimistohuoneiden väliseinälinjoille. Tyypillinen moduulijako 2400 mm leveissä toimistohuone ratkaisuissa on 7200 mm tai 8400 mm ja vastaavasti 2700 mm leveissä huoneratkaisuissa 5400 mm tai 8100 mm. Moduuliverkon suositeltava perusmitta on 3M. Jos kerrannaisuudesta halutaan poiketa, on poikkeama helpompi toteuttaa laattojen pituussuunnassa. Vaakarakenteen optimaalisena perusmoduulina on 12M. Pienempää moduulia kuin 6M ei suositella. Kerros- ja huonekorkeudessa otetaan huomioon vapaan huonekorkeuden lisäksi talotekniikan tilavaraukset, esimerkiksi LVI-, sähkö-, tieto-, rakennusautomaatio- sekä tele- ja turvajärjestelmiä varten.
Rakennusten kerroskorkeus vaihtelee tapauskohtaisesti. Korkeuden valintaan vaikuttavat arkkitehtuuri, tilan käyttötarkoitus ja rakenteiden ja tekniikan vaatima tila. Tyypillisesti kerroskorkeus vaihtelee toimistorakennuksissa välillä 3300..3900mm ja liikerakennuksissa välillä 4200...4800 mm, tapauskohtaiset erot käyttötarkoituksesta tms. johtuen ovat kuitenkin suuria.
Pystykuormien keskittäminen seinien päissä oleviin erillisiin pilareihin tai pilastereihin helpottaa seinien käyttöä rakennuksen jäykistyksessä ja vähentää ankkuroinnin tarvetta. Seinän paksuudesta ja palkilta tulevasta kuormasta riippuen, palkki voidaan usein tuoda suoraan seinän päälle. Tällöin tosin palkkien päät jäävät näkyviin, jos kuilua käytetään esimerkiksi porrashuoneena.
2. Toimistorakennusten runkojärjestelmät
Pilari-palkkirunkojärjestelmä
Toimisto- ja liikerakennuksissa pilari-palkki järjestelmä, jossa palkkilinjat ovat rakennuksen pituussuunnassa, on Suomessa yleisin runkotyyppi. Vaakarakenteena käytetään suorakaide- ja leukapalkkeja sekä ontelo- tai kuorilaattoja ja pystyrakenteina betoni tai liittopilareita.
Toimistorakennukset suunnitellaan yleensä hyvin muuntojoustaviksi, jotta esimerkiksi vuokralaisten erilaiset tilantarpeet voidaan huomioida. Tämän johdosta runko suunnitellaan siten, että se rajoittaa sisätilojen tulevia muutoksia mahdollisimman vähän. Tämä ei kuitenkaan saa johtaa siihen, että rakennukseen tulee liian vähän jäykistäviä rakenteita. Liian vähäinen jäykistävien rakenteiden määrä ja niiden virheellinen sijoitus johtaa usein vaikeasti toteutettaviin ja kalliisiin ankkurointirakenteisiin perustuksissa ja itse jäykistävissä rakenneosissa.
Kantavana pystyrunkona pyritään käyttämään pilareita ja kantavien betoniseinien määrä rungon sisällä minimoidaan huomioiden rakenteen stabiliteetti. Jäykistäviä betoniseiniä pyritään sijoittamaan kohtiin, joissa niistä on vähiten haittaa muuntojoustavuudelle ja rakennuksen käytölle. Tällaisia paikkoja ovat yleensä palo-osastojen väliset seinät, porrashuoneiden seinät ja hissikuilut. LVI-kuilujen käyttöä jäykistävinä rakenteina tulee mahdollisuuksien mukaan välttää, sillä niissä on yleensä suuria reikiä, jotka vaikeuttavat jäykistyksestä syntyvien voimien siirtämistä perustuksille.
Betoniseinien vähäisen määrän takia rakennuksen jäykistyksen suunnitteluun on kiinnitettävä riittävästi huomiota jo luonnosvaiheessa ja varmistuttava, että rakennus on riittävän jäykkä ja jäykisteet on oikein sijoitettu. Seinien sijasta voidaan käyttää myös erilaisia jäykistysristikoita, jotka sallivat seiniä suuremman käytönaikaisen muuntelun.
Palkkilinjat ovat toimistotaloissa yleensä käytävän suuntaisia, jolloin käytävällä kulkevalle tekniikalle jää esteetön tila. Kantavia palkkilinjoja on yleensä 2...4 riippuen runkosyvyydestä, käytettävistä vaakarakenteista ja tasojen kuormituksesta.
Pilaripalkkijärjestelmän plussat:
- sisätilojen muuntojoustavuus
- julkisivujen asennustyöt eivät tahdista rungon asennusta
- julkisivujen arkkitehtuurilla enemmän vapauksia
- nopea rungon pystytys
Pilari-palkkijärjestelmän miinukset:
- runko vaatii erillisiä jäykistäviä rakenteita
- asennusaikaiseen stabiliteettiin kiinnitettävä erityistä huomiota
- palkkikaistat vievät tilaa taloteknisiltä installaatioilta
Kantavat julkisivut - runkojärjestelmä
Kantavina pystyrakenteina toimivat julkisivun kantavat seinäelementit sekä kuilujen seinät. Tarvittaessa sijoitetaan rungon sisälle kantava pilari-palkkilinja, jos välipohjarakenteena käytettävän laattarakenteen kapasiteetti ei riitä.
Kantavat julkisivut mahdollistavat erilaisten putki- ja kaapelivetojen kourut pitkin julkisivuelementtien sisäpintaa ilman haitallisia pilari- tai pilasterirakenteita. Toisaalta kantava ulkoseinärakenne rajoittaa ikkuna-aukotusten kokoa ja keskinäisiä linjauksia, koska kantavien pystypielien tulee olla pääsääntöisesti samassa linjassa eri kerroksissa.
Kantavat julkisivut järjestelmän etuja:
- sisätilojen muuntojoustavuus
- mahdollistaa erilaisten putki- ja kaapelivetojen kourut pitkin julkisivuelementtien sisäpintaa ilman haitallisia pilari- tai pilasterirakenteita
- mahdollistaa kohtuullisen kerroskorkeuden
Kantavat julkisivut järjestelmän haittoja:
- julkisivujen arkkitehtuuri on ”sidottua” kantaviin kaistoihin
- rungon asennuksessa paljon tahdistavia tekijöitä
3. Liikerakennusten runkojärjestelmät
Hallimaisten liikerakennusten yläpohjan runkorakenne on yleensä samanlainen kuin teollisuus- ja varastorakennuksissa. Liikerakennusten välipohja- ja alapohjarakenteisiin taas soveltuvat toimistorakennusten rakenneperiaatteet, kun huomioidaan yleensä suuremmat kuormitukset ja erilaiset jännevälit.
Hallityyppiset liikerakennukset ja 1...2 kerroksiset toimistorakennukset jäykistetään useimmiten käyttäen levyseiniä tai mastopilareita. Laatastot sidotaan saumaterästen, liitososien ja -valujen avulla yhtenäisiksi ja jäykiksi levyiksi, joka siirtää kuormitukset jäykistäville rakenneosille.
Liikerakennusten yleisin runkotyyppi on pilari-palkkirunko ja jäykistys levyseinillä.
Suurissa liikekeskuksissa rakennus jäykistetään yleensä porras- ja hissikuilujen avulla, käyttäen erillisiä mastoseiniä ja erityisiä jäykisterakenteita. 1- Ja 2-kerroksisissa ratkaisuissa käytetään myös mastojäykistystä. Suuret liikerakennukset jaetaan usein rakennuslohkoihin ja jokaisen rakennuslohkon stabiliteetti on ratkaistava erikseen, ettei jouduta siirtämään jäykistysvoimia liikuntasaumojen yli.
Rakennuksen jakoon liikuntasauma-alueisiin vaikuttavat esimerkiksi:
- rakennuksen koko
- rakenteiden kutistumisesta aiheutuvat liikkeet
- lämpöliikkeet
- perustamistavat
- rakennuksen muoto
- käytettävät rakennusmateriaalit
- rakentamisjärjestys
Esimerkiksi eri tavalla perustetut rakennuksen osat erotetaan tavallisesti liikuntasaumalla toisistaan, jotta rajakohtaan ei syntyisi mahdollisista perustusten painumaeroista johtuvia haitallisia halkeamia.
4. Toimisto- ja liikerakennusten rakenteet
Perustukset
Rakennuksen kantavat pilarit ja kantavat seinät perustetaan anturoiden varaan. Pilari- palkkijärjestelmässä julkisivu on ei-kantava, jolloin sille ei tehdä erillisiä anturoita , vaan se tuetaan pilareihin tai pilarianturoihin.
Kellarillisessa rakennuksessa maan alla olevaa ulkoseinää kuormittaa myös maanpaine ja tällöin myös ulkoseinälinjat yleensä perustetaan teräsbetoniauroille. Perustusten koko ja tyyppi määräytyvät kuormituksen ja maapohjan kantavuuden mukaan. Anturat tehdään yleensä paikallavaluna, muut perustusten rakenteet toteutetaan elementteinä tai paikallavaluna.
Pystyrakenteet
Toimistorakennuksen kantava pystyrakenne on yleensä pilarirunko, jossa pilarit voivat olla 1...4 kerrosta korkeita. Pilarikoko valitaan pääsääntöisesti eniten kuormitettujen pilarien mukaan. Yleensä tarkastetaan eniten rasitettu keski- sekä reunapilari ja näin määrätään taloudelliset pilarikoot rakennukseen. Tavanomaisissa (3-6 kerrosta) toimisto- ja liikerakennuksissa pilarikoko pyritään pitämään samana ylhäältä alas asti. Poikkeuksena tähän sääntöön on yleensä vain normaalikerrosten alla olevat pysäköintitilat ja maanalaiset kellarikerrokset, joissa voi olla perusteltua muuttaa pilarikokoa. Erisuuruiset kuormitukset otetaan huomioon pilareiden teräsmäärää ja betonin lujuusluokkia muuttamalla.
Korkeammissa rakennuksissa voidaan pilarikokoakin muuttaa, mutta ulkoseinälinjoilla tästä aiheutuu ongelmia esimerkiksi pilarisijoitukseen. Mikäli pilarit sijoitetaan ulkopinnastaan samaan tasoon kaikissa kerroksissa, tulee poikkileikkauksen muutoskohtaan suuri pilarikuorman epäkeskisyydestä aiheutuva momentti. Vastaavasti, jos pilareiden keskiösijainti pidetään samana, muodostuu ulkoseinien liittymistä vaikeita.
Toimisto- ja liikerakennusten alimpien kerrosten pysäköintitiloissa on perusteltua kasvattaa pilarin muotoa vain toiseen suuntaan, jotta pilarit eivät vähentäisi autopaikkojen määrää tai vaikeuttaisi pysäköintiä. Mahdollisuuksien mukaan suuret kuormat alakerrosten pilareissa pyritään hoitamaan raudoitusmäärää lisäämällä ja betonin lujuusluokkaa nostamalla ja säilyttämällä sama poikkileikkaus kuin muuallakin.
Monikerrospilarirunko
Toteutettaessa toimistorunko suorakaidepilarein, tehdään pilarit (kuva 2.3) monikerrospilareina yleensä neljän kerroksen korkuisina. Palkit ovat tällöin 1-aukkoisia ja pilarin ja palkin liitos toteutetaan teräksisillä piilokonsoleilla tai lovipäisillä palkeilla ja pilareiden betonikonsoleilla.
Pilarit mitoitetaan yleensä kerroksittain nivelellisesti tuettuina sauvoina, jos rakennuksen runko on jäykistetty seinillä tai ristikoilla. Tällöin pilariin kohdistuu ylemmistä kerroksista keskeinen normaalivoima ja epäkeskisyyttä tulee vain tarkasteltavan kerroksen pystykuormista. Monikerrospilarit tulee tarkistaa todellisen rakennemallin mukaisina rakenteina, jos niihin kohdistuu momentteja esim. ylemmistä kerroksista. Myös asennusaikaiset rasitukset tulee tarkistaa ja huomioida esimerkiksi pilareiden yläosan toimiminen mastona asennusvaiheessa, jolloin alempiin pilariosiin tulee myös momenttirasituksia ylemmiltä pilariosilta.
Yksikerrospilarirunko
Palkit voidaan tukea myös pilarin päähän, jolloin pilarit tehdään yhden kerroksen korkuisina. Pilarielementtien suunnittelussa on huomioitava erityisesti palkkien liitosten tukipintojen riittävyys. Tarkasteltavia paikkoja ovat myös rungon taitekohdat ja tasoerot, joissa palkkien suunta muuttuu ja yhteen pilariin liittyy useita eri suunnista tulevia palkkeja. Yksikerrospilarirungossa palkit voidaan viedä ulokkeena pilareiden yli ja sijoittaa pilarit vapaammin esimerkiksi 1m etäisyydelle ulkoseinistä tms.
Liitosluettelo
Vaakarakenteet
Pilari-palkkirungossa vaakarunko koostuu palkeista ja palkkeihin tukeutuvista laatoista. Palkit voivat olla jännebetonipalkkeja, teräsbetonipalkkeja, palosuojattuja teräspalkkeja tai teräsliittopalkkeja.
Betonipalkit ovat suorakaiteen muotoisia tai leukapalkkeja. Leukapalkkien leuan korkeus voidaan valita kuvan 4.12 mukaiseksi ja leuan korkeuksina pyritään aina käyttämään suosituskorkeuksia. Pitkillä palkkien jänneväleillä ja matalilla palkeilla on muistettava varmistaa, ettei palkin taipuma muodostu haitallisen suureksi ja aiheuta vaurioita esim. julkisivurakenteisiin. Tyypillinen esimerkki on lasijulkisivu, joka edellyttää hyvin pieniä taipumia kantavalta rakenteelta. Ulkoseinälinjalla on edullista käyttää laatan alapuolisia suorakaidepalkkeja, mikäli käytettävissä oleva tila sallii tämän.
Toimistorakennusten kuormituksilla ja järkevillä jännevälivalinnoilla voidaan käyttää myös matalia betonileukapalkkeja, joissa laatan alapuolelle tulevan leuan korkeus on 80–130 mm palkkien paloluokasta riippuen (kuvat 4.12 ja 4.13). Matalaleukaiset palkit mahdollistavat paremmin talotekniikan putkitukset kuin korkeammat leukapalkit tai suorakaidepalkit.
Alustavassa mitoituksessa määritetään reuna- ja keskipalkin koko eniten rasitettujen palkkien mukaan. Palkkien mitoituksessa tulee erityisesti ottaa huomioon tukipintojen ja raudoituksen ankkuroinnin riittävyys ja jatkuvan sortuman estäminen. Palkit tuetaan useampikerroksisiin pilareihin joko betonikonsolin tai teräspiilokonsolin avulla. Kerrospilarirungossa palkit tuetaan pilarin päähän, jolloin palkin päähän syntyy pystysuuntaista puristusta yläpuoliselta pilarilta. Ylimmän kerroksen palkit voidaan tukea myös suoraan pilarin päähän. Palkkien suunnittelussa on aina otettava huomioon asennusaikaisen kuormituksen epäkeskisyydestä johtuva vääntö ja tarvittaessa suunniteltava tuenta näiden rasitusten vastaanottamiseksi.
Laatat toimisto – ja liikerakennuksissa ovat yleisimmin jännitettyjä ontelolaattoja ja erikoistapauksissa kuorilaattoja. Toimisto- ja liikerakennuksissa suositellaan käytettäväksi 320 mm ontelolaattaa. Mikäli jännevälit ovat pitkiä ja/tai kuormitukset suuria voidaan käyttää myös 400 mm ontelolaattaa. Muita paksuuksia käytetään vain poikkeustapauksissa.
Paksuimpia ontelolaattoja voidaan käyttää noin 17 metrin jänneväliin asti. Laataston kuormitus ja reiät vaikuttavat laatan jännevälin ja korkeuden valintaan. Pitkillä jänneväleillä pilari- ja palkkimäärät ovat pieniä, mutta laataston pitkät jännevälit saattavat vaikeuttaa rakennuksen muunneltavuutta myöhemmin kuormituksen kasvaessa.
Kuorilaattoja käytettäessä laatasto voidaan myös mitoittaa toimimaan yhdessä palkkien kanssa liittorakenteena. Tällöin palkin yläosa valetaan paikalla yhdessä kuorilaatan pintavalun kanssa. Kuorilaattavälipohjassa kuorilaatan paksuudet ovat 100, 120 ja 150 mm. Pintavalun paksuus vaihtelee välillä 100…200 mm. Kuorilaattoja toimisto- ja liikerakennuksissa käytetään lähinnä poikkeustapauksissa.
Ongelmana lattian pintakerrosten halkeamat rakenteiden taipumista johtuen
Yleisesti käytettyjen matalien palkki-laattarakenteiden ongelmaksi on joissakin tapauksissa muodostunut lattian pintarakenteiden hallitsematon halkeilu. Kuvan 4.19 mukaisia halkeamia on havaittu useissa kohteissa. Näiden halkeamien syyksi on usein paljastunut rakenteiden taipuminen ja halkeamien keskittyminen palkki-laatta tai palkki-pilari liitosten kohdalle. Myös liian suuret liikuntasaumavälit pintarakenteissa aiheuttavat pintarakenteiden halkeamia.
Halkeamia esiintyy yleisimmin rakenteissa, joissa on käytetty ohutta tasoitetta tai raudoittamatonta pintabetonia ja pintarakenteen liikuntasaumavälit ovat liian suuria.
Tapoja halkeamien rajoittamiseen ja estämiseen:
- Laatastot mitoitetaan käyttäen raudoitettua pintabetonia ottaen huomioon mahdollisten halkeamien synty ja rajoittaminen raudoituksella riittävän riittävän pieniksi, jotta pintarakenteisiin (laatoitus tms.)ei synny halkeamia.
- Rakenteiden taipumat rajoitetaan tasoon, jolla haitallisia halkeamia ei synny
- Tehdään liikuntasaumat pintakerroksiin halkeamien todennäköisiin esiintymiskohtiin
- Liikuntasaumajako pintarakenteissa riittävän pieneksi, vähintään palkkien kohdille
- Erotetaan pintakerrokset kantavasta rakenteesta ns. uivana rakenteena, jolloin kantavan rakenteen halkeamat eivät välity välittömästi pintarakenteeseen
- Rakennetaan liukukerros pintakerroksen ja kantavan laatan väliin halkeaman todennäköiselle esiintymisalueelle
Pintakerrosten halkeamien syntymismekanismi
Halkeamat syntyvät yleisesti kantavan rakenteen taipuessa kuvan 4.18 mukaisesti, joko palkin taipuessa tai laataston taipuessa
Halkeamien leveyttä voidaan likimäärin arvioida seuraavasti:
S=Θ(hD+hna)
Missä :
Θ=16d/5L
d=rakenteen taipuma
L=rakenteen jännemitta
Pilari-palkkiliitokset
Palkit tuetaan pystyrakenteisiin yleensä konsolien välityksellä. Konsolit voivat olla näkyviä betonikonsoleita (kuva 2.26) tai betonivaluun sijoitettavia teräsrakenteisia piilokonsoleita (kuva 2.9). Teräsosien palosuojauksesta on huolehdittava.
Ylimmän kerroksen palkit voidaan tukea myös suoraan palkin päälle kuvan 2.27 mukaisesti.
Porrashuoneet ja kuilut
Pääsääntöisesti porrashuoneet ja kuilut toteutetaan betonirakenteisina ja ne toimivat yleensä rakennusten jäykistävinä osina. Kuilut pyritään toteuttamaan elementtirakenteisina. Monimutkaisemmissa ratkaisuissa esimerkiksi liikerakennusten pääportaikoissa tai kun rakennuksen jäykistyksestä aiheutuvat kuormat ovat niin suuria, ettei niitä elementtirakentein ole mahdollista järkevästi toteuttaa, voidaan käyttää paikallavalurakenteita.
Porraskuilut jotka eivät toimi rakennusta jäykistävinä elementteinä voidaan toteuttaa myös teräsrakenteisina, mikäli rakenteiden vaadittu palonkesto mahdollistaa tämän.
Portaat ovat yleensä teräsbetonisia porraselementtejä.
Raskaasti kuormitetut hissit ovat yleensä yläkonehissejä ja kevyesti kuormitetut sivukonehissejä. Yläkonehissejä käytettäessä hissikonehuone sijoitetaan katolle.
Julkisivut
Pilari- ja palkkirakenteisten toimisto- ja liikerakennusten julkisivuissa käytetään yleensä ei-kantavia ruutu- ja nauhaelementtejä. Mikäli elementtien sisäkuorta ei suunnitella kantamaan yläpuolisten elementtien painoa tai elementtejä ei voida tukea päällekkäin perustuksiin asti esimerkiksi ensimmäisen kerroksen julkisivuaukotuksesta johtuen, suunnitellaan pilarielementteihin erilliset konsolit julkisivuelementtien kannatusta varten.
Toimisto- ja liikerakennusten julkisivuissa on usein suuria yhtenäisiä ikkunarivejä. Ikkunarivien ylä- ja alapuolella käytetään rungosta kannatettavia nauhaelementtejä. Nauhaelementit kannatetaan yleensä pilareista konsoleilla tai erilaisilla teräsosilla. Pilarivälin ollessa pitkä, voidaan julkisivuelementit kannattaa julkisivulinjalla olevasta palkista jolloin myös palkin taipuma on otettava huomioon kiinnityksen suunnittelussa. Pitkillä jänneväleillä elementit tulee sivusuunnassa kiinnittää myös elementin keskeltä käyristymisen välttämiseksi.
Julkisivut voidaan toteuttaa myös kuorielementeillä. Kuorielementtejä käytettäessä voidaan kuoren paksuutta lisätä helpommin, eikä yksittäisen elementin paino muodostu niin helposti rajoittavaksi tekijäksi kuin sandwich - elementtejä käytettäessä.
Talotekniikka
Toimisto- ja liikerakennuksissa LVIS - teknisten asennusten tilantarve on suuri. Installaatioiden suuren määrän takia niille on varattava tila laatan alapuolelta tai laatan yläpuolelta asennuslattiasta. Laataston onteloita voidaan joissakin tapauksissa käyttää myös ilmakanavina ja talotekniikan installaatiotilana. Pystynousuille varataan tila nousukuiluista. Tekniikan esteettömän sijoituksen ja muunneltavuuden takia rakennusrunko pyritään suunnittelemaan siten, että rakenteet eivät rajoita asennuksia. Tällöin talotekniikassa tehtävät muutokset voidaan toteuttaa ilman rakenteellisia muutoksia. IV-kuilut suunnitellaan usein hissikuilun viereen, jolloin myös IV-konehuoneet tehdään hissikonehuoneiden yhteyteen. Konehuoneet voidaan tehdä betoni- tai kevytrakenteisina. Kevytrakenteisia seiniä käytetään kuormien pienentämiseksi, kun konehuoneen seinät on sijoitettu yläpohjalaataston päälle.
IV-kuiluja ei pitäisi lähtökohtaisesti käyttää rakennuksen rungon jäykistykseen, koska niihin tulee usein isoja varauksia läpimenoille. Kuilujen seinärakenteet tulee pääsääntöisesti suunnitella kevytrakenteisina huomioiden rakenteiden palonkestovaatimukset.