Source: http://docplayer.fi/17824604-Konsta-rosvall-betonirakenteiden-palomitoitus-rakennustekniikan-koulutusohjelma-2015.html
Timestamp: 2017-11-22 13:07:49+00:00
Document Index: 9611862

Matched Legal Cases: ['kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ']

Konsta Rosvall BETONIRAKENTEIDEN PALOMITOITUS. Rakennustekniikan koulutusohjelma PDF
Download "Konsta Rosvall BETONIRAKENTEIDEN PALOMITOITUS. Rakennustekniikan koulutusohjelma 2015"
1 Konsta Rosvall BETONIRAKENTEIDEN PALOMITOITUS Rakennustekniikan koulutusohjelma 2015
2 BETONIRAKENTEIDEN PALOMITOITUS Rosvall, Konsta Satakunnan ammattikorkeakoulu Rakennustekniikan koulutusohjelma Syyskuu 2015 Ohjaaja: Sandberg, Rauno Sivumäärä: 47 Liitteitä: 1 Asiasanat: teräsbetonirakenteet, palomitoitus, standardipalo, Eurokoodi Tämä insinöörityö tehtiin A-Insinöörit Oy:lle. Insinöörityön tarkoituksena oli luoda A-Insinöörit Oy:lle jokapäiväiseen betonirakenteiden suunnittelu- ja tarkastustyöhön työkalu, jolla suunnittelija helpottaa työskentelyään. Insinöörityön osana tehtiin helppokäyttöinen asiakirja, josta löytyy betonirakenteiden palomitoitukseen tarvittavat tiedot. Asiakirjassa on lueteltuna betonirakenteiden minimi paksuudet ja keskiöetäisyydet. Tähän työhön on sisälletty myös palomitoitusta koskevat määräykset ja ohjeet, palotilan lämpötilan kehityksen määrittämisperiaatteet ja paloturvallisuusvaatimukset. Työssä perehdyttiin syvällisemmin teräsbetonirakenteiden palomitoitukseen standardipalossa Eurokoodien osan SFS-EN mukaan. Työssä todettiin että eurokoodien tulkitseminen on todella työtä vaativaa jos niihin ei ole ketään apuna. Sekä jo poistuneet Suomen Rakentamismääräyskokoelman B osien mitoitusmenetelmiä voi käyttää toistaiseksi. Insinöörityö soveltuu hyvin teräsbetonirakenteiden palomitoituksen opetus- ja perehdyttämismateriaalina myös A-Insinöörit Oy:lle.
3 CONCRETE STRUCTURAL FIRE DESIGN Rosvall, Konsta Satakunnan ammattikorkeakoulu, Satakunta University of Applied Sciences Degree Programme in Construction Engineering September 2015 Supervisor: Sandberg, Rauno Number of pages: 47 Appendices: 1 Keywords: reinforced concrete structures, fire design, standard fire, Eurocodes This thesis was made for A-Insinöörit Oy. The purpose of thesis was to create for A- Insinöörit Oy for everyday concrete structural planning and audit tool that allows the designer to facilitate its work. Easy-to-use document, where you will find the necessary concrete structures fire design details were made as part of the thesis. The document are listed of concrete structures, a minimum thicknesses and steel center distance. This work is also contained within the regulations concerning fire design and instructions, the combustion chamber temperature and determining the development of fire safety. Thesis were studied accurate reinforced concrete structures fire designing with standard fire according to the part of the Eurocode SFS-EN It was noticed that the Eurocodes Interpreting is really labor intensive if they have no one to open. Already allayed Finnish Code of Building Regulations B - methods for the design of parts may be used until further notice. Final Project is well suited for reinforced concrete structures fire design educational and introductory material for A-Insinöörit Oy.
4 SISÄLLYS 1 JOHDANTO LAINSÄÄDÄNTÖ, MÄÄRÄYKSET JA OHJEET Pelastuslaki Maankäyttö- ja rakennuslaki ja asetus Rakentamismääräyskokoelma Eurokoodi MITOITUKSEN KULKU Paloturvallisuusvaatimusten täyttäminen Mitoitusmenettelyt Palotilan lämpötilan kehitys Standardipalo TERÄSBETONIN PALONKESTÄVYYS Yleistä Betonin termomekaaniset ja termiset ominaisuudet Lujuusominaisuudet Muodonmuutos ominaisuudet Lohkeilu Betoniterästen termomekaaniset ominaisuudet Lujuus ja kimmokerroin BETONIRAKENTEIDEN PALOMITOITUS Pilarit Seinät Ei-kantavat osastoivat seinät Kantavat umpiseinät Palomuurit Palkit Vapaasti tuetut palkit Jatkuvat palkit Kaikilta sivuilta altistuva palkki Laatat Vapaasti tuetut umpilaatat Jatkuvat umpilaatat Pilarilaatat Ripalaatat... 43
5 6 YHTEENVETO LÄHTEET LIITTEET Liite 1. Betonirakenteiden palomitoitus -opas
6 6 1 JOHDANTO Tämän insinöörityön tarkoituksena oli tehdä A-Insinöörit Suunnittelu Oy:lle palomitoitusta ja tarkastustyötä helpottavat ohjeet jokapäiväiseen työhön. Työn päätarkoituksena on tehdä nykyisten monimutkaisten eurokoodien mukaan tiivistelmä joka helpottaa suunnittelijaa löytämään palomitoitukseen liittyvät tekniset asiakirjat helposti. Insinöörityön laajuus rajattiin teräsbetonirakenteiden palomitoitukseen. Koska teräsbetonirakenteiden palomitoitus on mitoitettu eurokoodeissa jo taulukkomuotoon, niin betonirakenteista tehdään ohjeet jolla suunnittelija pystyy nopeasti palomitoituksen kannalta suunnittelemaan ja tarkastamaan rakenteet. Työhön sisälletään lähdeviitteet mistä löytää kyseisen teknisen asiakirjan. Palomitoitus tapahtuu yleisimmällä lämpötilankehityskäyrällä, eli standardipalokäyrällä. Kun käytetään standardipalokäyrää, se johtaa aina rakenteiden mitoituksen varmalle puolelle. Siinä lämpötilankehitys on aluksi jyrkkä ja nousee n. 700 C jonka jälkeen lämpökehitys jatkaa nousua maltillisemmin. Työssä keskitytään rakentamisessa yleisimpiin rakenteisiin, eli pilareihin, palkkeihin, seiniin, sekä laatastoihin. Teräsbetonirakenteiden palonkestävyysluokkia käsitellään EI ja R(EI) Taulukot eivät päde korkealujuusbetoneille, eli C55/67 C100/115.
7 7 2 LAINSÄÄDÄNTÖ, MÄÄRÄYKSET JA OHJEET Suomessa on rakentamiseen liittyviä määräyksiä ja ohjeita aina lakipykälistä rakentamista koskeviin teknisiin asiakirjoihin saakka. Tämän luvun tarkoituksena on selventää betonirakenteita koskevia lakipykäliä ja teknisiä asiakirjojen sisällöltään ja hierarkialtaan. Tämän insinöörityön keskeiset rakentamista ohjaavat lait ja määräykset koskevat pääosin palotilanteen turvallisuutta ja paloturvallisuuden täyttämistä. Pelastuslaissa ja maankäyttö- ja rakennuslaissa ja asetuksissa määrätään paloturvallisuuteen minimi ehdot jotka rakentamisessa täytyy täyttyä. Rakentamismääräyskokoelmissa on ohjeet ja määräykset miten lain määräämät ehdot täytetään. Eurokoodeissa määrätään rakenteiden palomitoitusmenetelmät, sekä rakenteiden varmuuskertoimet ja kuormitukset. Olemme vielä rakentamismääräyskokoelmien B-osan ja eurokoodien siirtymisvaiheessa, joka tuo toisia vertaillessa ristiriitaisia tuloksia. Tässä insinöörityössä ei oteta siirtymävaiheen ristiriitaisiin tuloksiin kantaa. Suomessa tapahtuu kaikkiaan noin tulipaloa vuosittain. Näistä rakennuspaloja on noin 3 500, eli noin 10 rakennuspaloa päivittäin. Tulipalossa menehtyy vuosittain keskimäärin 100 henkeä /1/. Jonka johdosta rakennuksen paloturvallisuus on hyvin tärkeätä ottaa huomioon. Seuraavaksi kerrotaan tarkemmin tämän insinöörityön paloturvallisuuteen vaikuttavista laista ja ohjeista. 2.1 Pelastuslaki Ylin rakennusten palomitoitusta ja palosuunnittelua ohjaava määräys on pelastuslaki. Maankäyttö- ja rakennuslaki ja asetus ohjeineen ja määräyksineen tarkentavat sitä. Sitä sovelletaan tulipalojen ja muiden suurten onnettomuuksien ehkäisyyn, väestönsuojeluun ja pelastustoimintaan. Pelastuslaissa määrätään seuraavaa:
8 8 Rakennuksen omistajan ja haltijan sekä toiminnanharjoittajan on osaltaan huolehdittava siitä, että rakennus, rakennelma ja sen ympäristö pidetään sellaisessa kunnossa, että rakennuksessa olevat henkilöt pystyvät tulipalossa poistumaan rakennuksesta tai heidät voidadaan pelastaa muulla tavoin ja pelastustoiminta on tulipalon tai muun onnettomuuden sattuessa mahdollista, sekä pelastushenkilöstön turvallisuus on otettu huomioon /2, 9 /. 2.2 Maankäyttö- ja rakennuslaki ja asetus Maankäyttö- ja rakennuslaissa ja asetuksissa sisältävät määräyksiä koskien muun muassa kaavoitusta, tonttijakoa, kuntien rakennusjärjestystä, ranta-alueiden suunnittelua ja rakentamista, yhdyskuntarakentamiseen liittyvästä lunastamisista, rakentamiseen liittyvistä luvista ja valvonnasta. Laki koskee siis alueiden käyttöä, rakennusten suunnittelua ja rakentamista. Maankäyttö- ja rakennuslaissa ei sisällä palosuunnitteluun liittyviä määräyksiä. Maankäyttö- ja rakennuslaissa määrätään seuraavaa: Ympäristöministeriön asetuksella voidaan antaa uuden rakennuksen rakentamista, rakennuksen korjaus- ja muutostyötä sekä rakennuksen käyttötarkoituksen muutosta varten tarvittavia tarkempia säännöksiä rakennuksen kantavien rakenteiden suunnittelusta ja mitoituksesta /3, 117a /. Ympäristöministeriö on asettanut asetuksen kantavista rakenteista (477/2014), jossa määrätään seuraavan laisesti: Rakennuksen kantavia ja jäykistäviä rakenteita koskevat olennaiset tekniset vaatimukset täyttyvät, kun rakenteet suunnitellaan ja toteutetaan eurokoodien sekä niitä koskevien ympäristöministeriön asetuksina annettujen kansallisten valintojen mukaan. Rakennuspaikan olosuhteet tulee ottaa huomioon suunnittelussa /4, 3 /. Rakennushankkeeseen ryhtyvän henkilön on huolehdittava, että rakennus suunnitellaan ja rakennetaan sen käyttötarkoituksen edellyttämällä tavalla paloturvalliseksi. Palon syttymisen vaaraa on rajoitettava erin laisilla ratkaisuilla. Rakennuksen kantavien rakenteiden on oltava sellaiset, että ne palon sattuessa kestävät vähimmäisajan
9 9 ottaen huomioon rakennuksen sortuminen, rakennuksesta poistumisen turvaaminen, henkilöiden pelastustoiminta ja palon hallintaan saaminen. Palon ja savun kehittymistä ja leviämistä rakennuksessa sekä palon leviämistä lähistöllä oleviin rakennuksiin on rajoitettava. Rakennuksen rakentamisessa on käytettävä paloturvallisuuden kannalta soveltuvia rakennustuotteita ja teknisiä laitteistoja, joista lisää kerrotaan Suomen RakMK E1 osassa /3, 117b / Toisin sanoen laki määrää että rakenteet suunnitellaan kestämään tietyn ajan paloa, niin että rakenteiden rasitus ei ylitä niiden kapasiteettia palon aikana. Kapasiteetin säilyttämiseksi rakenteita voidaan myös palosuojata. 2.3 Rakentamismääräyskokoelma Rakentamismääräyskokoelma (RakMK) on kokoelma ohjeita ja määräyksiä, jotka pohjautuvat maankäyttö- ja rakentamislakiin. Niiden avulla pyritään varmistamaan rakentamisen riittävä laatu ja turvallisuustaso. Asetuksena annetut ja Suomen rakentamismääräyskokoelmissa olevat rakentamista koskevat säännökset ovat velvoittavia. Sekä ministeriön antamat ohjeet ovat nimensä mukaan ohjeellisia. Uuden rakennuksen rakentaessa, RakMK määräykset koskevat kyseistä rakennusta. Korjaus- ja muutostyössä määräyksiä on sovellettu vain siltä osin kuin toimenpiteen laatu ja laajuus sekä rakennuksen tai sen osan mahdollisesti muutettava käyttötapa ovat edellyttäneet (ellei määräyksissä ole toisin määrätty). Rakentamista koskevien määräykset ovat tehty joustavaksi siten kuin se rakennuksen erityispiirteet ja ominaisuudet huomioon ottaen on mahdollista /5/ tulivat ympäristöministeriön asetukset rakennuksen kantavista rakenteista ja pohjarakenteista voimaan. Asetus kumosi samalla kantavien rakenteiden suunnittelua koskevat rakentamismääräyskokoelman B-osat, jotka oli annettu ministeriön asetuksella /5/. Tällä hetkellä voimassa olevat eurokoodien kansalliset liitteet, jotka on annettu ministeriön asetuksen tai asetuksen muutoksen liitteinä, ovat voimassa kunnes asian-
10 10 omainen kansallinen liite päivitetään. Voimassa olevissa kansallisissa liitteissä on eräiltä osin viitattu nyt kumottuihin rakentamismääräyskokoelman B-osiin. Käytännössä viittauksia voidaan soveltaa, kunnes kansallinen liite päivitetään /5/. Rakennusten paloturvallisuutta käsitellään RakMK E-sarjassa (Rakenteellinen paloturvallisuus). Rakenteiden palomitoitus toteutetaan eurokoodien avulla. Rakentamismääräyskokoelmissa rakennukset jaetaan kolmeen eri paloluokkaan, P1, P2 ja P3. P1 paloluokkaan kuuluvan rakennuksen kantavien rakenteiden tulee kestää palotilanne sortumatta. P1-luokan rakennuksessa ei ole asetettu kokoa tai henkilömäärää rajoittavia vaatimuksia. Paloluokkaan P2 kuuluvan rakennuksen paloturvallisuus saavutetaan asettamalla vaatimuksia käytettäville pintamateriaaleille, lisäksi rajoittamalla kerroslukua ja henkilömäärää käyttötavasta riippuen. Paloluokkaan P2 rakennukselle asetetut vaatimukset kantavien rakenteiden kestävyyden suhteen ovat matalampia kuin paloluokan P1 rakennuksessa. P3-luokan rakennukselle ei aseteta vaatimuksia kantavien rakenteiden palonkeston suhteen, vaan riittävä turvallisuustaso saavutetaan rajoittamalla kerroslukua ja henkilömäärää käyttötavasta riippuen /6, s. 10/. Rakennuksen paloluokka vaikuttaa myös edellä mainittujen seikkojen lisäksi myös palo-osastointiin käyttötavasta riippuen, jonka avulla palon leviämistä rajoitetaan eri osiin rakennuksessa /6, s. 12/. Kantavien rakenteiden rakennusosan vaatimukset ilmaistaan paloluokkavaatimuksella, kuten esimerkiksi R60, missä R merkitsee kantavuusvaatimusta ja lukuarvot ilmaisevat palonkestävyysajan minuuteissa. Jos kantavalta rakenteelta vaaditaan tiiviyden E ja eristävyyden I suhteen pidempää palonkestoaikaa kuin kantavuuden R suhteen, niin käytetään pidempää palonkestävyysaikaa kantavuusvaatimuksessa myös. Kantavan rakenteen mitoitus voi perustua joko standardoituun lämpötilaaikakäyrään (standartipalo) perustuvaan luokitukseen tai oletetun palonkehityksen mukaisiin rasituksiin /6, s. 15/.
11 Eurokoodi Kantavien rakenteiden suunnittelua koskevia eurooppalaisia standardeja kutsutaan Eurokoodeiksi. Ne on laatinut Eurooppalainen standardisoimisjärjestö CEN Euroopan komission toimeksiannosta. Eurokoodit on kehitetty eurooppalaisen rakennusteollisuuden kilpailun ja kilpailukyvyn parantamiseksi sekä Euroopan Unionin alueella sekä muualla maailmassa. Yhteisillä määräyksillä pyritään poistamaan kaupan teknisiä esteitä ja edesauttamaan Euroopan Unionin integraatiota sekä parantamaan sisämarkkinoiden toimintaa /7/. Eurokoodit kattavat varmuuden määrittämisperiaatteet, erilaiset kuormat kuten hyöty-, lumi- ja tuuli-, lämpö-, onnettomuus- ja nosturikuormat. Rakennusmateriaaleille on omat yksityiskohtaiset suunnitteluohjeet. Eurokoodisarja sisältää 58 erillistä osaa tällä hetkellä. Standardien soveltaminen eri maissa vaatii kansallisten liitteiden (NA) laatimista. Suomessa näiden kansallisten liitteiden laatimisesta vastaa Ympäristöministeriö. Eurokoodeja voidaan siis käyttää vain yhdessä kansallisten liitteiden kanssa /7/. Tähän insinöörityöhön liittyy seuraavat eurokoodit: rakenteiden palorasituksia käsitellään eurokoodin osassa EN (Palolle altistettujen rakenteiden rasitukset) sekä betonirakenteiden palomitoitus eurokoodien osassa EN , (Rakenteiden palomitoitus) /7/. Kuva 1. Eurokoodien rakenne /7/
12 12 3 MITOITUKSEN KULKU 3.1 Paloturvallisuusvaatimusten täyttäminen Suomen rakentamismääräyskokoelmassa E1 on esitetty rakennuksen paloturvallisuusvaatimukset, mitä laki määrää maankäyttö- ja rakentamislaissa. Osan E1 mukaan kantavien rakenteiden tulee kestää palon sattuessa niille asetetun vähimmäisajan. Muut paloturvallisuutta koskevat vaatimukset liittyvät henkilöturvallisuuteen, palon leviämisen rajoittamiseen, pelastustoiminnan mahdollistamiseen ja turvaamiseen sekä aineellisten tuhojen minimointiin. Seuraavassa on lueteltu olennaiset rakentamismääräyskokoelmassa esitettyjä vaatimukset /6, s. 8/: Rakennuksen kantavat rakenteet tulee kestämään niille asetetut vähimmäisajat rakenteen sortumatta. Savun ja palon kehittymisen ja leviämisen rakennuksessa tulee olla rajoitettua. Rakennuksen lähirakennuksiin palon leviäminen on rajoitettu. Henkilöiden tulee päästä poistumaan rakennuksesta palon sattuessa, tai heidät voidaan pelastaa muulla tavalla. Sekä pelastushenkilöstön turvallisuus on taattu rakentamisessa. Mikäli rakennus suunnitellaan ja rakennetaan noudattaen RakMK E1 mukaisia määräyksiä ja ohjeita koskien paloluokkia ja lukuarvoja, niin se katsotaan täyttävän paloturvallisuusvaatimukset. Suunnittelussa käytetään menetelmiä, joiden kelpoisuus on osoitettu. Koe- ja laskentamenetelmien voidaan olettaa myös täyttävän kelpoisuusvaatimukset eurooppalaisten (EN) ja kansainvälisten (ISO) standardien mukaisina, mikäli sovellus on ko. menetelmän pätevyysalueella /6, s. 8/. Rakenteiden palomitoitus menetelmä määrätään eurokoodeissa. Standardin osassa EN esitetään palolle altistettujen rakennusten rakennesuunnittelua varten lämpörasitukset ja mekaaniset kuormat /8, s. 10/.
13 13 Eurokoodi standardin EN 1992 osa 1-2 koskee betonirakenteiden suunnittelua tulipalosta aiheutuvassa onnettomuustilanteessa. Standardin osa on tarkoitettu käytettäväksi yhdessä standardien EN (Palolle altistettujen rakenteiden rasitukset) ja EN (Betonirakenteiden suunnittelu) kanssa /8, s. 10/. 3.2 Mitoitusmenettelyt Rakenteen täydellisessä laskennallisessa palomitoituksessa otetaan huomioon rakennejärjestelmän toiminta korkeissa lämpötiloissa, mahdollinen lämmölle altistuminen sekä aktiivisten ja passiivisten palosuojausjärjestelmien edulliset vaikutukset samoin kuin näihin kolmeen tekijään liittyvät epävarmuudet ja rakenteen merkitys /9, s. 12/. Tällä hetkellä voidaan riittävän toimivuuden määrittämiseen käyttää menettelytapaa, jonka avulla otetaan huomioon eräitä, ellei jopa kaikkia, näistä parametreista ja osoitetaan, että rakenteella tai sen osilla on riittävä toimivuus rakennuksen todellisessa palossa. Jos menettelytapa perustuu nimellispaloon (standardipaloon), niin luokitusjärjestelmässä, jonka avulla selvitetään tietyn palonkestävyysajan saavuttaminen, on otettu kuitenkin huomioon edellä esitetyt tekijät ja epävarmuudet /9, s. 12/. Seuraavassa esitetään standardin EN 1991 osan 1-2 soveltuminen kaaviona. Kaaviossa käsittelytavat jaetaan kahteen ryhmään, joita ovat yksityiskohtaisiin sääntöihin perustuva käsittelytapa ja toimivuuteen perustuva käsittelytapa. Yksityiskohtaisiin sääntöihin perustuvassa käsittelytavassa käytetään nimellispaloa lämpörasitusten selvittämiseen. Toimivuuteen perustuvassa käsittelytavassa, jossa käytetään apuna paloturvallisuussuunnittelua, lämpörasitukset määritetään fysikaalisten ja kemiallisten parametrien perusteella /9, s. 12/
14 14 Kuva 2. Vaihtoehtoiset mitoitusmenettelyt /8, s. 9/ 3.3 Palotilan lämpötilan kehitys Kaikkien rakennusmateriaalien lujuusominaisuudet heikkenevät, joita käytetään rakentamisessa lämpötilan noustessa. Lujuuden heikentyminen tulee huomioida rakenteiden kantavuuden mitoituksessa. Rakenteen lämpötilan nousuun vaikuttaa voimakkaasti palotilan lämpötilan kehitys. Osastoivien seinien ja välipohjien tulee estää liekkien ja kuumien kaasujen läpäisy ja palonvastaisten pintojen liiallinen lämpötilan nousu. Lämpötilan oletetaan kehittyvän joko nimellisen lämpötilakäyrän (standardipalokäyrä) tai toiminnallisen palomitoituksen perusteella saadun oletetun lämpötilan kehityksen mukaisesti arvioitaessa rakenteiden palonkestävyysaikaa. Hiilivetykäyrää voidaan tarvita esimerkiksi tunnelirakenteiden palomitoituksessa. Korotettua hiilivetykäyrää on käytössä Keski-Euroopassa /9, s /.
15 15 Erilaisia nimellisiä mitoituspalokäyriä ovat standardipalokäyrä, ulkopuolisen palon käyrä ja hiilivetykäyrä /9, s /. 3.4 Standardipalo Mitoituspaloista standardipalolla tarkoitetaan erityisesti rakennusaineiden ja rakenteiden paloluokittelua ja testausta varten kehitettyä aika-lämpötilakäyrää. Todellisella tulipalolla on ominaisuuksia, joita standardipalokäyrässä ei oteta huomioon. Standardipalokäyrässä lämpötila nousee jyrkästi hyvin korkeaksi koko palotilassa jonka jälkeen se jatkaa hitaampaa nousua aina tarkastelun lopettamiseen saakka. Standardipalossa ei oteta huomioon palotilan geometriaa, palokuorman tyyppiä, määrää ja sijaintia, palon saamaa hapen määrää, eikä palon hiipumisvaihetta huomioon. Standardipaloa käyttäessä palomitoituksessa oletetaan että palo vaikuttaa koko tilassa riippumatta tilan koosta eikä tulipalon oleteta loppuvan koskaan. Standardipaloa käyttö mitoituspalona johtaakin usein rakenteiden kantavuuden varmalle puolelle, eli ylimitoitetaan rakenne. Ylimitoitus aiheutuu siitä, että standardipalon tulee kattaa rasituksiltaan kaikki palotilanteiden variaatiot. Se soveltuu parhaiten pienten ja tavanomaisten tilojen palomitoitukseen. Toiminnalliseen palonkehitykseen perustuvan palomitoituksen tehdessä, voidaan säästää kustannuksissa rakennusmateriaaleissa. Mutta toiminnallisen palonkehitykseen perustuvaan laskenta on hyvin vaikea suorittaa ja edellyttää kehittyneiden tietokoneohjelmistojen käyttöä. Siksi tavanomaisten ja helppojen tilojen palomitoitus tehdään käyttäen standardipaloskenaariota /9/. Standardilämpötila-aikakäyrä ISO-834 lasketaan kaavasta 1 /10, s. 190/: = (8 + 1) (1) jossa g kaasun lämpötila palotilassa [ C] 20 alkulämpötila [ C] (normaali huonelämpötila) t aika [min]
16 Kuva 3. ISO-834 standardin mukainen lämpötila-aikakäyrä /10, s. 109/ 16
17 17 4 TERÄSBETONIN PALONKESTÄVYYS 4.1 Yleistä Kun arvioidaan betonin käyttäytymistä tulipalotilanteessa, on tarkasteltava koko teräsbetonirakennetta, eikä vain pelkkää betonia. Betonirakenteen muotoilu, mitat, liitokset ja materiaaliominaisuudet määräävät rakenteen käyttäytymisen palotilanteessa suurimmaksi osaksi. Pitkäkestoisessa tulipalossa betonirakenteet voivat menettää kantavuutensa (R) kuormia vastaan tai osastoivuutensa (EI) palon leviämisen estämiseksi /10, s. 108/. Palotilan lyhytaikainen korkea kuumuus ei vaikuta merkittävästi betonirakenteiden kapasiteettiin, mikäli betonirakenteessa ei tapahdu räjähdysmäistä tuhoisaa lohkeilua, sillä betonirakenteen sisäosa lämpiää verrattain hitaasti. Tulipalon kestäessä pitkään, niin betonipoikkileikkaus ehtii kuumentua myös sisäosastaan, jolloin raudoitteiden ja betonin lujuuden heikkeneminen voi johtaa teräsbetonirakenteen kantokyvyn menetykseen /10, s. 108/. Pitkään kestäneen tulipalon jälkeen betonille ja betonirakenteen raudoitteen väliselle tartunnalle on ominaista rakenteen jäähtymisen jälkeen, että niiden lujuudet ovat vielä pienemmät kuin tulipalon aikana rakenteen ollessa kuumentuneet. Teräsbetonin raudoitteiden lujuudet eivät sen sijaan laske tulipalon aikaisesta lujuudesta, mutta voivat tulipalon jälkeen laskea /10, s. 109/. Esimerkiksi teräsrakenteiden palosuojauksessa käytetään betonia sen suuren lämpökapasiteetin johdosta. Betonilla voidaan verhoilla teräs tai teräsputkipilareiden sisään voidaan valaa teräsbetonirakenne palonkesto-ominaisuuksien parantamiseksi. Tällaiset liittorakenteet ovat yleistyneet rakennusten rungoissa juuri siksi, että betonin palosuojavaikutus palotilanteessa voidaan hyödyntää hyvin. Teräksen ja betonin lämpölaajenemiskerroin on lähes samansuuruinen, joten lämpötilan muuttuessa betonin ja teräksen muodostama liittorakenne toimii hyvin /10, s. 109/.
18 18 Kuvassa 4 on esitetty matalien välipohjarakenteiden liittopalkkijärjestelmä, kuvassa on Delttapalkki ja ontelolaatasto. Kuvassa 5 on esitetty betonin ja betoniteräksen käyttöä teräspilarin palonkestoajan kasvattamisessa. Kuva 4. Liittorakenne delttapalkista sekä ontelolaatastosta /12/ Kuva 5. Esimerkki teräspilarin palosuojauksesta, teräspilari jonka sisällä on betonitäyttö ja betoniteräkset
19 19 Betonirakenteet säilyttävät lämpökapasiteettinsa ansiosta kuumina melko pitkäänkin varsinaisen tulipalon jäähtymisvaiheen jälkeen. Kun palotilan lämpötila alkaa laskea, niin betonirakenne jopa kuumenee sisäosistaan vielä jonkin aikaa. Jos kuumia betonirakenteita jäähdytetään kylmällä vesisuihkulla, voivat betonirakenteet lohkeilla vaarallisen syvältä tulipalon jäähtymisvaiheessa, koska kuumat betonirakenteet ovat herkkiä halkeilemaan kun sitä jäähdytetään nopeasti kylmällä vesisuihkulla /10, s. 110/. 4.2 Betonin termomekaaniset ja termiset ominaisuudet Korkean lämpötilan vaikutus betonin ominaisuuksiin eri ilmiöiden kautta voidaan jaotella seuraavasti: 1. Kemialliset ja fysikaaliset muutokset kiviaineksessa ja sementtiliimassa (taulukko 1). Kalkkikiven käyttö runkoaineen joukossa parantaa betonin palonkestävyyttä, koska se on stabiili tulipalossa. Kvartsipitoinen kiviaines taas heikentää betonin lujuusominaisuuksia korkeissa lämpötiloissa. Sulamispisteenä voidaan pitää betonilla C runkoaineksen laadusta riippuen /10, s.110/. 2. Kiviaineksen ja sementtiliiman terminen yhteensopimattomuus aiheuttaa sisäisiä jännityksiä: koska betonina kiviaineksella ja sementtikivellä on erilaiset lämpölaajenemiskertoimet, aiheuttavat suuret lämpötilamuutokset sisäisiä jännityksiä, jopa suuria halkeamia /10, s.111/. 3. Sisäisiä jännityksiä aiheuttaa myös lämpötilan epätasainen jakautuminen /10, s.111/. Lämpötila-alue C Vallitseva reaktio Huokosveden poistuminen Adsorboituneen veden poistuminen Kalsiumhydroksidin hajoaminen Kvartsin kiderakenteen muutos -dikalsiumsilikaatin muodostuminen Taulukko 1. Betonissa tapahtuvat reaktiot eri lämpötiloissa /10, s.110/ Reaktiotyyppi Veden poistuminen Veden poistuminen Hajoaminen Muutos Hajoaminen
20 Lujuusominaisuudet Rakenteen tulee myös tulipalotilanteessa kantaa siihen kohdistuvat kuormitukset, jonka vuoksi paloteknisessä suunnittelussa on huomioitava betonin lujuuden heikkeneminen lämpötilan kohotessa. Kuvissa 6 ja 7 on esitetty betonin puristus- ja vetolujuuden lämpötilariippuvuudet /10, s.111/. Kuva 6. Lämpötilan vaikutus betonin puristuslujuuteen /10, s.111/ Jossa, 1a tavallinen betoni, kuormitusaste 0 % kuutiolujuudesta +20 C:ssa 1b tavallinen betoni, kuormitusaste 30 % kuutiolujuudesta +20 C:ssa 2 kevytsorabetoni, kuormitusaste 0 30 % kuutiolujuudesta +20 C:ssa fct fc20 betonin puristuslujuus lämpötilassa T betonin puristuslujuus +20 C:ssa
21 21 Kuva 7. Lämpötilan vaikutus tavallisen betonin vetolujuuteen /10, s.112/ Jossa, fctt betonin vetolujuus lämpötilassa T fct20 betonin vetolujuus +20 C:ssa Kun betoni kuumenee, siitä pyrkii poistumaan kosteus, sen kiviaines laajenee, mutta samalla sen sementtikivi kutistuu. On aivan ilmeistä, ettei tällainen epähomogeeninen materiaali voi säilyä ehjänä, vaan siihen muodostuu ainakin mikrohalkeamia. Tulipalossa kuumentunut betoni voi olla paljon lujempaa tulipalon alkuvaiheessa kuin ennen tulipaloa. Sen sijaan betonin lujuus laskee tulipalon aikaisesta lujuudesta kun se viilentyy käyttölämpötilaansa. Tulipalon jälkeiseen lujuuteen vaikuttavat mm. kiviaines, sementin ja kiviaineksen sekoitussuhde, sementti, olosuhteet betonin viilentymisen jälkeen ja viilentymisnopeus. Rakenteen lämmittäminen kertaalleen noin 200 C lämpötilaan ja tämän jälkeinen hidas jäähdytys alentaa loppulujuutta noin 25 %. Alhaisen lujuuden (C25/30 C50/60) omaavilla betoneilla tapahtuu suhteellisesti vähemmän lujuuden alentumista korkeissa lämpötiloissa kuin korkealujuuksisilla betoneilla (C55/67 C100/115) /10, s.112/. Tulipalon jälkeen voidaan tulipalonaikaista betonin lämpötilaa päätellä sen värin perusteella taulukon 2 mukaisesti /10, s.112/.
22 22 Betonin lämpötila Betonin väri > 300 C punertava > 600 C harmahtava > 900 C ruskehtava, kellertävä Taulukko 2. Tulipalon lämpötilan arviointi betonin väristä /10, s.112/ Muodonmuutos ominaisuudet Muodonmuutoksien takia rakenteet tulee suunnitella niin, että muodonmuutokset eivät kasva liian suuriksi tulipalotilanteessa. Lämpölaajeneminen teräsbetonirakenteissa on varsin voimakasta korkeissa lämpötiloissa. Lämpölaajenemisilmiö otetaan huomioon suunnittelemalla rakenteisiin sopivat liikuntasaumat. Lämpötilan betonissa noustessa sen viruma kasvaa ja voi tulla merkittäväksi erittäin korkeissa lämpötiloissa /10, s.113/ Lohkeilu Kantavissa rakenteissa teräksiä suojaa betonipeite liian suurelta lämpötilanousulta. Jotta betonipeite voi suojata raudoitusta, täytyisi sen pysyä paikoillaan vahingoittumattomana. Lämpötilan kohotessa nopeasti betonissa, niin sillä on taipumusta lohkeilla voimakkaasti. Joten lohkeilu aiheuttaa oleellisen vaaran kantaville rakenteille palotilanteessa. Monista maailmanlaajuisista polttokokeista huolimatta täysin aukotonta teoriaa lohkeilun syihin ei ole pystytty johtamaan. Lohkeilu voi edetä asteittain tai se voi tapahtua räjähdysmäisesti /10, s. 113/. Kosteuspitoisuutta pidetään päätekijänä palon alkuvaiheessa tapahtuvaan lohkeiluun betonissa. Mikäli betonissa oleva kosteus ei pääse riittävästi kulkeutumaan betonirakenteen sisäosien kylmempiin huokosiin, niin veden lämpötila nousee niin korkeaksi että se höyrystyy. Höyryn lämpölaajeneminen on estetty, niin syntyy nopeasti kasvava höyrynpaine. Kuumentuneen pintakerroksen ja vesihöyryllä kyllästetyn kerroksen väliin syntyy jännitystila, joka aiheuttaa kuumentuneen kuivan kerroksen irtoamisen räjähdysmäisesti ja aiheuttaen voimakkaan äänen. Ohuilla betonirakenteilla, joissa
23 23 tuli pääsee vaikuttamaan molemmilta puolilta, syntyvä räjähdysmäinen lohkeilu on voimakasta./10, s /. Betonista valmistettujen palkkirakenteiden pintalohkeilua voidaan vähentää käyttämällä kuvan 8 mukaista lisäraudoitusta, kun suojabetonipaksuus ylittää 50 mm. Kuva 8. Lohkeilun estäminen. Jos rakenteen pintaa lähinnä olevan raudoituksen betonipeitteen paksuus on suurempi kuin 50 mm, on käytettävä lohkeilua vähentävää lisäraudoitusta. Lisäraudoitus sijoitetaan mm:n etäisyydelle rakenteen pinnasta. Lisäraudoituksena voidaan käyttää teräsverkkoa tai ristiin asetettua raudoitusta, jonka lankapaksuus on vähintään 2,5 mm ja jakoväli 50x50 150x150mm. /10, s. 114/ Lohkeilua lisäävästi vaikuttavat tekijät: - Suuri kosteuspitoisuus - lämpölaajenemiserot kuuman pintakerroksen ja kylmän sisäkerroksen välillä - suuri puristusjännitys - ohut poikkileikkaus ja äkilliset poikkileikkauksen muutokset - palolle alttiiden pintojen osuus poikkileikkauksen piiristä - nopea palotilan lämpötilan nousu - tiheä raudoitus helpottaa halkeamapinnan muodostumista - kvartsipitoinen kiviaines - alhainen huokoisuus
24 Betoniterästen termomekaaniset ominaisuudet Lujuus ja kimmokerroin Teräksen lujuus ja kimmokerroin heikkenevät lämpötilan noustessa. Kuvissa 9 ja 10 on esitetty betoni- ja jänneterästen mekaanisten ominaisuuksien riippuvuus lämpötilasta. Teräksen lämpötila pyritään pitämään kantavissa rakenteissa yleisesti alle 500 C. Ainoa keino estää raudoitteiden lämpötilanousua, on sijoittaa ne etäälle palolle alttiista betonipinnasta /10, s /. Kuva 9. Lämpötilan vaikutus betoniteräksen lujuuteen /10, s.116/ Jossa FyT betoniteräksen lujuus lämpötilassa T Fyk betoniteräksen ominaislujuus, joka on myötölujuus tai 0,2-rajaa vastaava lujuus +20 C:ssa
25 25 Kuva 10. Lämpötilan vaikutus betoniteräksen (1) ja jänneteräksen (2) kimmomoduuliin /10, s.116/ Jossa ET teräksen kimmokerroin lämpötilassa T E20 teräksen kimmokerroin +20 C:ssa
26 26 5 BETONIRAKENTEIDEN PALOMITOITUS Tulipalotilanteen korkealla lämpötilalla on haitallisia vaikutuksia betonirakenteeseen. Se aiheuttaa raudoituksen ja betonin kimmokertoimen ja lujuuden alenemisen ja betonin lohkeamisriskin. Betonirakenteille on käytössä useita palomitoitusmenetelmiä, joista taulukkomitoitus on yksinkertaisin. Taulukoissa esitettävät keskiöetäisyyden vähimmäisarvot (a, kaava 2 ja kuva 11) tarkoittavat pääraudoituksen keskipisteen etäisyyttä lähimmäistä palolle alttiista betonipinnasta. Keskiöetäisyys määritetään rakenteessa nimellisten mittojen perusteella ja sen määrittelyssä otetaan huomioon betonipeitteen (cnom), hakaraudoituksen (Øhaka) ja mahdollisen asennus raudoituksen (Øtyötanko) ottama tila /11, s /. + ( )+ + ää (2) Kuva 11. Rakenneosien poikkileikkauksia, joista näkyy nimellinen keskiöetäisyys a /11, s. 37/. Palkeille ja pilareille asetetaan vain luokan R mukaisia kantavuusvaatimuksia. Seinille ja laatoille voidaan asettaa myös REI mukaisia kantavuusvaatimuksia. Kestoaika tarkoittaa rakenteen kykyä hoitaa vaadittu tehtävä standardipalotilanteessa. Kestoajat asetetaan tavallisesti puolen tunnin välein 30, 60, 90, 120, 180 ja 240min /11, s. 65/. Tulipalo on onnettomuustilanne, jossa kuormitus (Ed,fi) on mitoitussääntöjen mukaan pienempi kuin normaalitilanteen kuormitus (ER,d). Kuormien suhde eli ns. mitoitus-
27 27 kuormatason pienennyskerroin on enintään fi = 0,7. Tämä arvo on varmalla puolella ja sitä on käytetty mitoitustaulukkojen laatimisessa /11, s. 66/. =, 0,7 (3) Mitoitustaulukoihin on lisäksi laskettu arvoja alhaisemmalla kuormitustasolla, joka on ilmaistu suhdeluvulla fi (=hyväksikäyttöaste palotilanteessa). Seuraavassa yhtälössä suhde NEd/NRd on rakenteen käyttöaste normaalilämpötilassa /11, s. 66/. =, = (4) 5.1 Pilarit Eurokoodeissa pilareille on kaksi erin laista palonkestävyyden taulukkomitoitusmenetelmää, menetelmät A ja B. Insinöörityössä käsitellään vain taulukkomitoitusmenetelmää A ja sen ehtoja. Taulukkomitoituksessa A soveltuu vain jäykistettyjen teräsbetoni- ja jännebetonipilareiden palomitoitukseen, jotka ovat pääasiallisesti puristuksen alaisena. Taulukossa 3 on esitetty menetelmän A mukaiset pilarin vähimmäismitat bmin ja keskiöetäisyyden a vähimmäisarvot. Pilarin poikkileikkaus voi olla suorakaide tai pyöreä. Taulukkomitoitusmenetelmän A käytön ehtoina ovat /8, s. 38/: nurjahduspituus L0,fi 3,0 m kuormituksen epäkeskisyys palotilanteessa e 0,4 h raudoituksen määrä As < 0,04 Ac jossa h pilarin suurempi sivumitta Ac pilarin poikkileikkauspinta-ala
28 28 Jäykistetyissä rakennuksissa, joissa vaadittava standardipaloaltistus on yli 30 minuuttia, voidaan nurjahduspituutena l0,fi käyttää 0,5*l välikerroksissa ja ylimmässä kerroksessa 0,5*l l0,fi 0,7*l. Kaavassa l on pilarin todellinen pituus keskeltä keskelle /8, s. 38/. Standardipalonkestävyys Vähimmäismitat (mm) Pilarin leveys b min / päätankojen keskiöetäisyys a Pilarin altistus useammalta kuin yhdeltä sivulta Altistus yhdeltä sivulta fi = 0,2 fi = 0,5 fi = 0,7 fi = 0, R /25 200/25 200/32 155/25 300/27 R /25 200/36 250/46 155/25 300/31 350/40 R /31 300/45 350/53 155/25 300/25 400/38 450/40* R /40 350/45* 350/57* 175/35 350/35 450/40* 450/51* R /45* 350/63* 450/70 230/55 R /61* 450/75* - 295/70 * Vähintään 8 tankoa Jännitetyille pilareilla keskiöetäisyyttä suurennetaan stanndardin SFS-EN AC kohdan 5.2(5) mukaisesti. Taulukko 3. Pilarin vähimmäismitat ja keskiöetäisyyden vähimmäisarvot /8, s. 39/
29 Seinät Ei-kantavat osastoivat seinät Kun seinän palonkestävyydeltä vaaditaan vain eristävyyskriteerin I tai tiiviyskriteerin E täyttäminen tai molempien täyttämistä, niin edellytetään seinän vähimmäispaksuus olevan taulukon 4 mukainen. Seinän raudoitteen keskiöetäisyyteen ei ole määrääviä tekijöitä. Jos käytetään kalkkipitoisia kiviaineksia, voidaan taulukon 4 mukaisia vähimmäispaksuuksia pienentää 10 % /8, s. 41/. Seinän vapaan korkeuden suhde seinän paksuuteen on rajoitettu arvoon 40, jotta lämmön aiheuttaman liiallisen muodonmuutoksen ja siitä seuraavan laatan ja seinän välisen tiiviyden menettämisen välttämiseksi /8, s. 41/. Standardipalonkestävyys Seinän vähimmäispaksuus (mm) 1 2 EI EI EI EI EI EI Taulukko 4. Ei-kantavien seinien (osastoivien seinien) vähimmäispaksuus /8, s. 42/ Kantavat umpiseinät Kantavilla teräsbetoniseinille voidaan katsoa olevan riittävä palonkestävyys, jos noudatetaan taulukon 5 arvoja /8, s. 42/. Kohdan ei-kantavien seinien ehdot koskevat myös kantavia umpiseiniä.
30 30 Seinän vapaan korkeuden suhde seinän paksuuteen on rajoitettu arvoon 40, jotta lämmön aiheuttaman liiallisen muodonmuutoksen ja siitä seuraavan laatan ja seinän välisen tiiviyden menettämisen välttämiseksi /8, s. 41/. Taulukon 5 mukaisia seinien vähimmäispaksuuksia voidaan käyttää myös raudoittamattomien betoniseinien kohdalla EN luvun 12 mukaan /8, s. 42/ Standardipalonkestävyys Taulukko 5. Kantavien betoniseinien vähimmäismitat ja keskiöetäisyyden vähimmäisarvot /8, s.42/ Vähimmäismitat (mm) Seinän paksuus / keskiöetäisyys fi = 0,35 fi = 0,7 altistus toiselta puolelta altistus molemmilta puolin altistus toiselta puolelta altistus molemmilta puolin REI /10* 120/10* 120/10* 120/10* REI /10* 120/10* 130/10* 140/10* REI /20* 140/10* 140/25 170/25 REI /25 160/25 160/35 220/35 REI /40 200/45 210/50 270/55 REI /55 250/55 270/60 350/60 * Tavallisesti standardin SFS-EN edellyttämä betonipeitteen paksuus on määräävä Palomuurit Palomuuri on pystysuora rakenneosa jolle asetetaan standardin EN 1363 osan 2 mukainen kestävyys. Silloin kun pystysuoralle osastoivalle kantavalle tai ei-kantavalle rakenneosalle asetetaan iskunkestävyysvaatimus M kohtien ja lisäksi, edellytetään normaalibetonilta vähintään seuraavia vähimmäispaksuuksia /8, s. 43/: 200 mm raudoittamaton seinä 140 mm raudoitettu kantava seinä 120 mm raudoitettu ei-kantava seinä Sekä kantavan palomuurin raudoituksen keskiöetäisyyden edellytetään olevan vähintään 25 mm /8, s. 43/.
31 Palkit Teräsbetoni- ja jännebetonipalkkien vähimmäismitat on esitetty taulukoissa 6 ja 7. Taulukko 6 on laadittu vapaasti tuetuille yksiaukkoisille palkeille ja taulukko 7 on laadittu jatkuville palkeille. Taulukot 6 ja 7 soveltuvat palkeille, joka voi altistua kolmelta eri sivulta ja on kuvan 12 mukainen poikkileikkaus. Eli yläpinnan eristeenä ovat laatat tai muut rakenneosat, joiden eristävyys jatkuu koko palonkestävyysajan. Kaikilta sivuilta altistuva palkki käsitellään luvussa /8, s. 43/. Palkin vähimmäismitat on esitetty kuvassa 12 seuraavilla mitoilla: palkin leveydelle palkin uuman leveydelle palkin raudoituksen keskiöetäisyydelle Kuva 12. Erityyppisten palkkipoikkileikkausten mittojen määrittely /8, s.43/ Mahdolliset palkin uuman lävistävät reiät eivät vaikuta palonkestävyyteen, mikäli palkin jäännöspoikkileikkaus ala on kaavan 5 mukainen /8, s. 44/: = 2 (5) jossa Ac palkin vetoalueelle jäljelle jäävä poikkileikkauksen ala bmin vähimmäisleveys taulukosta 6
32 32 Palkeilla joilla on muuttuva poikkileikkaus, niin leveyden vähimmäisarvo b viittaa vetoraudoituksen painopisteeseen kuva 12b. I-palkin alalaipan tehollinen korkeus deff kuvan 12 ja kaavan 6 mukaan on vähintään /8, s. 43/: + 0,5 (6) jossa bmin taulukon 6 ja 7 mukainen palkin leveyden vähimmäisarvo Tätä sääntöä ei tarvitse soveltaa, jos todellisen poikkileikkauksen sisään voidaan piirtää kuvitteellinen poikkileikkaus, kuten kuvassa 13 on esitetty, joka täyttää palonkestävyyden vähimmäisvaatimukset ja jonka sisällä on koko raudoitus /8, s. 43/. Kuva 13. Kuvitteellisen poikkileikkauksen vaatimukset täyttävä I-palkki, jolla on muuttuva uuman paksuus bw /8, s. 44/ Kun alalaipan todellinen leveys b on suurempi kuin 1,4bw (bw merkitsee uuman todellista leveyttä) ja b*deff < 2*b 2 min, raudoituksen tai jänneteräksen keskiöetäisyyttä suurennetaan kaavalla 7 arvoon /8, s. 44/: 1,85 (7) jossa deff I-palkin alalaipan tehollinen korkeus, kaava 6 bmin I-palkin vähimmäisleveys taulukon 6 tai 7 mukaan
33 33 Näiden lisäksi on esitetty vaatimus nurkkatankojen (tai jänteen tai langan) keskiöetäisyydelle asd, kun raudoitus on yhdessä kerroksessa. Koska lämpötilakeskittymiä syntyy palkkien alanurkkiin. Palkin leveyden bmin ollessa taulukossa 6 sarakkeen 4 ja taulukossa 7 sarakkeen 3 mukaista arvoa suurempi ei keskiöetäisyyttä asd tarvitse suurentaa. Muuten asd = a +10 mm /8, s. 44/. Eurokoodejen palkkien taulukkomitoituksessa on annettu uuman paksuus WA, WB ja WC luokissa. Kussakin maassa käytettävän luokan valinta voidaan esittää kansallisessa liitteessä /8, s. 43/. Suomen kansallisessa liitteessä on valittu luokaksi WC /13/.
34 Vapaasti tuetut palkit Taulukosta 6 saadaan vapaasti tuettujen palkkien keskiöetäisyyden vähimmäisarvot alapintaan ja sivuihin sekä palkin leveyden vähimmäisarvot standardipalokestävyyden ollessa välillä R30... R240. Standardipalonkestävyys Vähimmäismitat (mm) Keskimääräisen keskiöetäisyyden a ja palkin leveyden b min mahdolliset yhdistelmät Uuman paksuus b w R 30 b min = a = * 15* R 60 b min = a = R 90 b min = a = R 120 b min = a = R 180 b min = a = R 240 b min = a = a sd = a + 10 a sd on nurkkatankojen (tai -jänteen tai -langan) keskiöetäisyys palkin sivuilta, kun raudoitus on yhdessä kerroksessa. Palkin leveyden b min ollessa sarakkeen 4 mukaista arvoa suurempi ei keskiöetäisyyttä a sd tarvitse suurentaa. Jännebetonipalkeissa otetaan huomioon keskiöetäisyydensuurentaminen standardin SFS-EN AC kohdan 5.2(5) mukaisesti. * Tavallisesti standardin SFS-EN edellyttämä betonipeitteen paksuus on määräävä. Taulukko 6. Vapaasti tuettujen teräsbetoni- ja jännebetonipalkkien vähimmäismitat ja keskiöetäisyyden vähimmäisarvot /8, s.46/
35 Jatkuvat palkit Taulukosta 7 saadaan jatkuvien palkkien keskiöetäisyyden vähimmäisarvot alapintaan ja sivuihin sekä palkin leveyden vähimmäisarvot standardipalokestävyyden ollessa välillä R30...R240. Kun palonkestävyys vaatimus on vähintään R90, edellytetään yläpinnan raudoituksen poikkileikkausalan olevan jokaisen välituen kohdalla tuen keskiviivalta etäisyyteen 0,3*leff asti (standardin SFS-EN luvun 5 mukaisesti määritettynä) vähintään kaavan 8 mukainen (kuva 14) /8, s. 44/:, ( ) =, (0) 2,5 (8) jossa x etäisyys tarkasteltavasta poikkileikkauksesta tuen As,req(0) As,req(x) leff keskiviivalle, kun x 0,3*leff tuen kohdalla tarvittava yläpinnan raudoituksen poikkileikkausala standardin SFS-EN mukaisesti tarkasteltavan tuen keskiviivalta etäisyydellä (x) vaadittava yläpinnan raudoituksen vähimmäisala, mutta vähintään standardin SFS-EN mukaan vaadittu As(x) tehollinen jännemitta, jos viereisten jänteiden tehollinen jännemitta on suurempi, käytetään tätä arvoa
36 36 Kuva 14. Tukien lähellä vaadittavan kestävyyden määrittämiseen käytettävä minimija maksimimomenttipintojen yhdistelmä palotilanteessa /8, s. 45/ Selite: 1. Taivutusmomenttipinta palotilanteessa hetkellä t = 0 vaikuttaville kuormille 2. Minimi- ja maksimimomenttipintojen yhdistelmä, jonka perusteella taivutuksen edellyttämä vetoraudoitus mitoitetaan standardin SFS-EN mukaisesti 3. Taivutusmomenttipinta palotilanteessa 4. Kaavan 8 edellyttämä minimimomenttipinta, jonka perusteella yläpinnan vähimmäisraudoitus tuen lähellä mitoitetaan.
37 37 Standardipalonkestävyys Vähimmäismitat (mm) Keskimääräisen keskiöetäisyyden a ja palkin leveyden b min mahdolliset yhdistelmät Uuman paksuus b w R 30 b min = a = 15* 12* R 60 b min = a = 25 12* R 90 b min = a = R 120 b min = a = R 180 b min = a = R 240 b min = a = a sd = a + 10 a sd on nurkkatankojen (tai -jänteen tai -langan) keskiöetäisyys palkin sivuilta, kun raudoitus on yhdessä kerroksessa. Palkin leveyden b min ollessa sarakkeen 3 mukaista arvoa suurempi ei keskiöetäisyyttä a sd tarvitse suurentaa. Jännebetonipalkeissa otetaan huomioon keskiöetäisyydensuurentaminen standardin SFS-EN AC kohdan 5.2(5) mukaisesti. * Tavallisesti standardin SFS-EN edellyttämä betonipeitteen paksuus on määräävä. Taulukko 7. Jatkuvien teräsbetoni- tai jännebetonipalkkien vähimmäismitat ja keskiöetäisyyden vähimmäisarvot /8, s. 47/ Jatkuvan teräsbetonisen palkin leveyttä ja uuman paksuutta tulee leventää ensimmäisellä välituella standardipalonkestävyyksillä R120 R240 taulukon 8 mukaisesti betonin puristus- ja leikkausmurron estämiseksi, jos kumpikin seuraavan sivun ehdoista pätee /8, s. 48/:
38 38 1) Reunatuella ei ole taivutuskestävyyttä joko liitoksessa tai palkissa 2) Ved > 2/3VRd,max ensimmäisellä välituella, kun VEd on leikkausvoiman mitoitusarvo normaalilämpötilassa ja VRd,max on ristikkomallin puristussauvojen leikkauskestävyyden mitoitusarvo standardin EN luvun 6 mukaan. Palkin vähimmäisleveys b min (mm) ja Standardipalonkestävyys uuman vähimmäispaksuus b w (mm) 1 2 R 120 R 180 R Taulukko 8. Teräsbetoniset ja jännebetoniset jatkuvat I-palkit; suurennettu palkin leveys ja uuman paksuus /8, s. 48/ Kaikilta sivuilta altistuva palkki Taulukoita 6, 7 ja 8 voidaan käyttää seuraavin ehdoin /8, s. 48/: palkin korkeuden edellytetään olevan vähintään vastaava palonkestävyyden perusteella vaadittava vähimmäisleveys palkin poikkileikkauksen pinta-alaksi Ac edellytetään vähintään olevan kaavan 9 mukainen Ac = 2 bmin 2 (9) jossa bmin taulukoiden 6, 7 ja 8 mukainen
39 Laatat Taulukoissa 9-12 on esitetty laatan paksuuden hs vähimmäisarvot sekä raudoituksen keskiöetäisyydet a erikseen yhteen suuntaan kantavalle ja ristiin kantavalle laatalle. Ristiin kantavalle laatalle keskiöetäisyydet on annettu kahdelle jännemittojen suhteen alueelle. Ristiin kantavissa laatoissa keskiöetäisyys a määritetään pintaa lähempänä olevan raudoituksen mukaan. Taulukoiden mukainen vähimmäispaksuus hs takaa riittävän osastoivuuden (kriteerit E ja I). Jos vaaditaan vain kantavuutta (kriteeri R), voidaan käyttää standardin SFS-EN mukaisen mitoituksen edellyttämää laatan paksuutta /8, s. 48/. T-palkkien ja TT-laattojen laippoihin koskee myös kohtien ja ehdot /8, s. 48/. Laattojen paksuudessa otetaan huomioon kantavan laatan lisäksi palamattomat pintakerrokset kuvan 15 ja kaavan 10 mukaisesti. Kuva 15. Betonilaatta ja lattian pintakerrokset. Kuvassa 1 on betonilaatta, 2 on pintakerros (palamaton) ja 3 on ääneneristys (mahdollisesti palavaa) /8, s. 49/ (10) Jossa hs taulukon 9-12 mukainen laatan paksuus h1 h2 betonilaatta palamaton pintakerros
40 Vapaasti tuetut umpilaatat Taulukossa 9 on esitetty laatan paksuuden hs vähimmäisarvot, sekä raudoituksen keskiöetäisyyden a vapaasti tuetun laatan alapinnasta standardipalonkestävyyden ollessa välillä R30 R240. Ristiin kantavissa laatoissa a merkitsee raudoituksen alemman kerroksen keskiöetäisyyttä. Standardipalonkestävyys Vähimmäismitat (mm) Laatan paksuus h s (mm) Yhteen suuntaan kantava Keskiöetäisyys a Ristiin kantava l y / l x 1,5 1,5 < l y / l x 2 Taulukko 9. Vapaasti tuettujen, yhteen suuntaan kantavien ja ristiin kantavien teräsbetoni- ja jännebetonilaattojen vähimmäismitat ja keskiöetäisyyksien vähimmäisarvot /8, s. 49/ REI * 10* 10* REI * 15* REI * 20 REI REI REI l y ja l x ovat ristiin kantavan laatan jännemitat (kaksi toisiaan vastaan kohtisuoraa suuntaa) missä l y on pitempi jännemitta. Sarakkeiden 4 ja 5 mukainen keskiöetäisyys a ristiin kantavissa laatoissa koskee kaikilta neljältä reunalta tuettuja laattoja. Muita laattoja käsitellään yhteen suuntaan kantavina laattoina. * Tavallisesti standardin SFS-EN edellyttämä betonipeitteen paksuus on määräävä. Jännebetonipalkeissa otetaan huomioon keskiöetäisyydensuurentaminen standardin SFS- EN AC kohdan 5.2(5) mukaisesti.
41 Jatkuvat umpilaatat Taulukon 9 sarakkeiden 2 ja 4 arvoja sovelletaan myös yhteen suuntaan kantaviin ja ristiin kantaviin jatkuviin laattoihin. Taulukkoa 9 ja seuraavia sääntöjä sovelletaan laatoille, kun momentin uudelleen jakautuminen on normaalilämpötilamitoituksessa enintään 15 %. Ellei momentin uudelleen jakautumista lasketa tarkemmin ja jos uudelleen jakautuminen ylittää 15 % tai jos yksityiskohtien suunnittelussa ei noudateta edellisiä sääntöjä, käsitellään jokaista jatkuvan laatan jännettä vapaasti tuettuna laattana käyttämällä taulukon 9 sarakkeita 2, 3, 4 tai 5 /8, s. 50/. Kun palonkestävyys vaatimus on vähintään R90, edellytetään yläpinnan raudoituksen poikkileikkausalan olevan jokaisen välituen kohdalla tuen keskiviivalta etäisyyteen 0,3*leff asti (standardin SFS-EN luvun 5 mukaisesti määritettynä) vähintään kaavan 8 mukainen (kuva 14, s. 36) /8, s. 44/: Välituen kohdalla on yläpinnan vähimmäisraudoitus oltava kaavan 11 mukainen, jos jokin seuraavista ehdoista on voimassa /8, s. 50/: 1) Käytetään kylmämuokattua raudoitusta. 2) Kaksiaukkoiset jatkuvat laatat pääsevät vapaasti kiertymään reunatuilla standardin EN mitoitussääntöjen mukaan tai asianmukaisten yksityiskohtien suunnittelua koskevien ohjeiden mukaisesti (ks. esim. standardin EN lukua 9). 3) Kuormien vaikutukset eivät pääse jakautumaan uudelleen jännemitan suuntaa vastaan kohtisuorassa suunnassa kuten esim. poikittaisille seinille tai muille jänteen suuntaisille tuille, joita ei ole otettu huomioon suunnittelussa. (ks. kuva 16) As 0,005 Ac (11) jossa As yläpinnan vähimmäisraudoitus betonin poikkileikkausala Ac
42 42 Kuva 16. Laatastoja, joissa edellytetään edellisen kaavan 11 mukaista vähimmäisraudoitusta /8, s. 50/ Pilarilaatat Taulukossa 10 on esitetty pilarilaatan paksuuden hs vähimmäisarvot, sekä raudoituksen keskiöetäisyyden a laatan alapintaa lähempänä olevaa raudoitetta standardipalonkestävyyden ollessa välillä R30 R240. Kun standardipalonkestävyys on REI 90 tai suurempi, edellytetään, että vähintään 20 % standardin EN edellyttämästä yläpinnan kokonaisraudoituksesta välitukien kohdalla kummassakin suunnassa jatkuu koko jännemitan pituudella. Tämä raudoitus sijoitetaan pilarikaistalle /8, s. 50/. Edellä mainittua sääntö koskee pilarilaattoja, joissa momentin uudelleen jakautuminen standardin EN luvun 5 mukaisesti on enintään 15 %. Muuten keskiöetäisyyksien vähimmäisarvoina käytetään yhteen suuntaan kantavan laatan arvoja (taulukon 9 sarake 3) ja vähimmäispaksuuksia taulukon 10 arvoja /8, s. 50/. Laatan vähimmäispaksuuksia ei pienennetä (esim. ottamalla lattian pintakerroksia huomioon.) /8, s. 50/.
43 43 Standardipalonkestävyys 1 REI 30 REI 60 REI 90 REI 120 REI 180 REI 240 Vähimmäismitat (mm) Laatan paksuus h s Keskiöetäisyys a * * * Tavallisesti standardin SFS-EN edellyttämä betonipeitteen paksuus on määräävä. Taulukko 10. Teräsbetoni- tai jännebetonipilarilaatan vähimmäismitat ja keskiöetäisyyden vähimmäisarvot /8, s.51/ Ripalaatat Yhteen suuntaan kantavan teräsbetoni- tai jännebetoniripalaatan palonkestävyyden määrittämisessä noudatetaan kohtia ja ripojen osalta, sekä kohdan ja taulukon 9 sarakkeita 2 ja 5 laippojen osalta. Ripalaatoille, joiden raudoitus sijoittuu useaan kerrokseen, noudatetaan eurokoodin SFS kohtaa 5.2 (15) /8, s. 51/. Ristiin kantavalla teräsbetoni- tai jännebetoniripalaatalla voidaan katsoa olevan riittävä palonkestävyys, jos käytetään taulukoiden 11 ja 12 arvoja. Jatkuvissa ripalaatoissa yläpinnan raudoitus sijoitetaan laipan yläpuoliskoon. Taulukot 11 ja 12 arvot ovat voimassa ripalaatoille, joihin kohdistuu pääasiassa tasaisesti jakautunutta kuormaa.