Luento 1: Johdanto betoniin

Transkriptio

1 Luento 1: Johdanto betoniin Käyttökohteet Betonin peruskäsitteitä Historiaa Kestävä kehitys 1

2 LÄHTEET Ydin Betonitekniikan oppikirja BY 201 kappaleet 1-5 (sivuja 188 ) Betonin kiviainekset By 43 ( 57 sivua) Standardit: SFS-EN Täydentävää Finnsementti: Portlandista Plussaan Sata vuotta suomalaista sementtiä: Hyvinkää aikallavalurakentaminen 2

3 Betonin käyttökohteet 3

4 Betonin käyttökohteet Siitä tehdään mm. rakennuksen runkoja ja julkisivuja, siltoja, patoja, teitä ja muita infrarakenteita, pihakiviä, putkia, harkkoja sekä taideteoksia. Betoni on eniten käytetty rakennusmateriaali maailmassa. Maailmassa: n. 13 miljardia m 3 > n.2 m 3 /asukas Suomessa: 5 miljoona m3 Tämän mahdollistaa raakaaineiden hyvä saatavuus ja yksinkertainen valmistusteknologia. Lähde: 4

5 5

6 6

7 Vuonna 2008 rakennusten rungoista oli betonielementtejä: asuinkerrostaloissa 74 % rivitaloissa 22 % toimistorakennuksissa 74 % kaikissa toimitilarakennuksissa yhteensä 46 % teollisuusrakennuksissa 35 % maatalouden rakennuksissa 22 % ja varastorakennuksissa 46 % Kuva 1.22: Mamma betoninen 3,5 metrinen Paula Blåfieldin taideteos Helsingin Arabianrannassa. Kuva Maritta Koivisto. 7

8 Tukimuurinkorjaus ( 2003 kunnia maininnan) Pintakuviointi ja 170 mm kuorivalu Itsetiivistyvä betoni > Ammattitaitoinen suunnittelu ja toteutus 8

9 9

10 10

11 Betonin ja betonirakenteiden peruskäsitteitä Betoni Betonimassa Betonin osa-aineet Runkoaine Sementtiliima Sementtikivi Lähde: By201 sivu

12 Betonin ja betonirakenteiden peruskäsitteitä Betoni on keinotekoinen kivi. Sementtiliima ( vesi ja sementti) liimaa runkoainerakeet yhteen. Sementtiliima kovettuu sementin ja veden kemiallisessa reaktiossa sementtikiveksi. Osa-aineet: Kiviainesta joka on luonnon soraesiintymiä tai murskataan kalliosta kevytsora Sementti Vesi Lisäaineita Seosaineita Runkoaine Lähde: By201 sivu

13 Raudoittamattomat betonirakenteet Raudoitetut betonirakenteet Teräsbetonirakenteet Jännitetyt rakenteet 13

14 Teräsbetonirakenteet Teräsbetonirakenteessa betoni ottaa vastaan puristusta ja raudoitus vetoa. Aineiden lämpölaajenemiskertoimet ovat suurin piirtein samat, jolloin ne muodostavat yhtenäisenä toimivan rakenteen. Miljoona kiloa terästä raudoittaa perustuksia Koska tuulivoimalat pystytetään Torkkolaan loppusyksystä, työmaalla tehdään nyt kiivaasti perustuksia, eli anturoiden raudoitusta ja betonivalua. Urakka ei hiljene kesälläkään, ja välillä töitä tehdään yötä päivää. Joka viikko valmistuvat yhden voimalan perustukset. Kun yhtä perustusta valetaan, seuraava on jo raudoituksessa, kertoo Peikko Finlandin projektipäällikkö Kari Tuominen. Raudoitus toimii suuren betonimäärän tukirunkona. Se vahvistaa anturan rakenteellista lujuutta ja voimien kestoa. Tuulivoimala on rakennelma, joka ulottuu 140 metrin korkeuteen. Vaikka tuulee täysillä, perustuksen on pidettävä se pystyssä. 14

15 15

16 16

17 Jännitetyt rakenteet Kun jännevälit ovat pitkät tai rakenne kuormitetaan raskaasti, raudoitteena käytetään yleensä jänneteräksiä. Jännitetyssä rakenteessa vedettyjen vahvojen teräsjänteiden ja tankojen avulla aiheutetaan puristusvoimia, jotka kompensoivat kuormituksesta betoniin kohdistuvia vetojännityksiä 17

18 Jännitetyt rakenteet 18

19 Betoni Historiaa

20 Pantheonin interiööri 1700-luvulla Panninin kuvaamana. Attika (pylväiden ja kupolin välinen kaistale) on vielä alkuperäinen. Pantheonin kupoli on aina ollut suuren ihmetyksen aihe. Se on valettu eräänlaisesta betonista (opus caementicium), johon on käytetty sintteriä, hohkakiveä ja vulkaanista tuhkaa (pozzolana). Luultavasti rakentajat käyttivät puumuottia valaessaan kupolia [21]. Roomalaiset eivät käyttäneet teräspunoksia betonissaan, vaan tiiliruoteita. Lisäksi kupolin materiaali ohenee ja kevenee ylöspäin mentäessä. Kupolin tarkka materiaalikoostumus ja rakennustapa on kuitenkin edelleen selvittämättä 20

21 Roomalainen betoni (Opus caementicum) ei ollut betonia nykypäivän merkityksessä Sideaineena käytetty potsolaani ei ollut nykyisen kaltaista sementtiä, vaan punertavan hiekan näköistä vulkaanista tuhkaa, joka sisälsi paljon silikaa. Potsolaani keksittiin sattumalta lukujen tienoilla ekr. jolloin ensimmäiset betonivalumuurit tehtiin Campaniaan. Kokemuksen kautta huomattiin, että potsolaanin lisäys laastiin tekee siitä erittäin lujaa ja saa sen kovettumaan myös veden alla. Nimen se sai löytöpaikkansa Pozzuolin kylän mukaan. Potsolaania kaivettiin maasta vulkaanisilla alueilla Latiumin ja Campanian seuduilla. 21

22 Betoni keksitään uudelleen Betonitekninen osaaminen hiipui ja unohtui lopulta kokonaan. Roomalaisen betonirakennetradition viimeinen suuri rakennelma on vuonna 1173 aloitettu Pisan vino torni. Potsolaani alkoi kiinnostaa tutkijoita ja rakentajia 1700-luvulla. > Insinööri John Smeaton lisäsi sitä Eddystonen majakan kiviperustusten muurauslaastiin. Majakka valmistui vuonna Siitä katsotaan nykyaikaisen betonirakentamisen alkaneen. > Englantilainen James Parker patentoi vuonna 1796 sementin, jota kutsuttiin romansementiksi sen punertavan värin mukaan. > Englantilainen Joseph Aspdin alkoi ensimmäisenä valmistaa sementtiä suuressa mittakaavassa vuonna 1824 Smeatonin idean perusteella. Kovettunut sementti oli vaaleaa ja kovaa kuin Portlandin kalkkikivi, siitä sen nimitys. 22

23 Nykyinen sementti Nykyisenkaltaisen portlandsementin keksi vahingossa englantilainen Isaac Johnson liian korkeassa lämpötilassa poltetusta Aspdinsementin susierästä vuonna 1844 ja havaitsi näin sintraantumispisteen merkityksen sementin lujuudelle. Tästä alkoi betonin voittokulku ja suurteollisuuden synty. 23

24 Sementti Suomeen Sementtitehtaita perustettiin ensin Englantiin ja Ranskaan ja sittemmin Saksaan ja Tanskaan, joista sementtiä alettiin tuoda Suomeen vuonna ti.fi/yritys/historia/seme nttia-tynnyreittain-jasakittain Hieman tätä ennen oli jo käytetty jonkinlaista sementtiä Saimaan kanavan muurirakenteissa. Ensimmäinen suomalainen sementtitehdas toimi Saviolla vuosina Sementin laajempi teollinen valmistus alkoi Paraisilla vuonna 1914 ja Lohjalla vuonna Emil Sarlin oli Paraisten Kalkkivuoren patruuna ja visionääri, joka tiukkana liikemiehenä ajoi aina yhtiönsä etua. Hänen ansiostaan Paraisille saatiin maan ensimmäinen sementtiuuni. 24

25 Teräsbetoni keksitään Kivirakenteita on vahvistettu raudoituksin jo kauan ennen sementin keksimistä. Raudoitettu kipsirakenne (rabitz) kehiteltiin 1800-luvun alussa. Raudoituksia alettiin kokeilla myös betoniin 1800-luvun puolivälissä. Rautabetoni-nimitystä siitä käytettiin toiseen maailmansotaan saakka. Rauta- eli teräsbetonin kuuluisin kehittäjä oli ranskalainen puutarhuri Joseph Monier, joka haki patentin vuonna 1855 betonisten kukkaruukkujensa raudoitusmenetelmälle. Monier sovelsi periaatteitaan edelleen putkiin vuonna 1868, seinälevyihin 1869 ja siltoihin Monier ei hallinnut raudoituksen optimaalista suunnittelua, mutta hänen rakennejärjestelmänsä tunnettiin laajalti. 25

26 Teräsbetonin varsinainen läpimurto tapahtui Pariisin maailmannäyttelyssä vuonna 1900, kun François Hennebique esitteli monoliittisena valetun pilaripalkkirakenteen, johon hän oli saanut patentin vuonna

27 Kestävä kehitys ja betoni

28 BETONI JA KESTÄVÄ KEHITYS Kestävä kehitys on jatkuvaa ja ohjattua yhteiskunnallista muutosta lähipiirissämme, alueellisesti ja maailmanlaajuisesti. Sen päämääränä on turvata nykyisille ja tuleville sukupolville mahdollisuudet hyvään elämään. 28

29 Yksi kestävän kehityksen periaatteita on olla rasittamatta luontoa. Luonnon rasitusta vähennetään lainsäädännön kautta sekä ohjaamalla kuluttajien ostopäätöksiä ilmoittamalla tuotteiden ja palveluiden aiheuttamat päästöt tai ympäristövaikutukset. "Vihreiden arvojen" käyttö mainonnassa lisääntyy koko ajan ja kuluttajan on vaikeaa tietää, millä mainostajien väitteillä on luonnon kannalta merkitystä ja millä ei. 29

30 Tuotteiden ympäristövaikutusten arviointiin käytetään elinkaariarviota, josta käytetään lyhennettä LCA:ta (Life Cycle Assessment tai Life Cycle Analysis), joihin erilaiset väitteet tuotteen ympäristövaikutuksista tulisi perustua. 30

31 ELINKAAREN YMPÄRISTÖVAIKUTUKSET Life Cycle Analysis, LCA Ilmaston lämpeneminen Otsonikato Oksidanttien muodostus Happamoituminen Rehevöityminen Ihmisen terveys Resurssien kuluminen Maan käytön seuraukset 31

32 Elinkaarianalyysissä otetaan huomioon materiaalin koko elinkaari ts. 1. Raaka-aineen hankinta 2. Rakennusmateria alin tuotanto 3. Rakentaminen 4. Käyttö ja kuljetus 1. Päästöt maahan, 5. Purku veteen, ilmaan 6. Jätteidenkäsittely 7. Kuljetukset Uusiutuva harvinainen ja rajallinen 2. Luonnonvarojen materiaali kulutus CO2, terveydelle haitalliset aineet, melu 3. Energiakulutus Uusiutuva ja uusiutumaton 32

33 Betonin osa-aineet

34 Mitä betoni on? Betoni on keinokivi, joka valmistetaan Tuore betonimassa kovettuu, kun sementti reagoi kemiallisesti veden kanssa. Tapahtuman nimi tähän 36

35 Betonin osa-aineet 1 m3 betonissa on Kiviainesta/Runkoaine kg Sementtiä kg Vettä kg Tapahtuman nimi tähän 38

36 oeu Runkoaine Tapahtuman nimi tähän 41

37 Runkoaine / Kiviaines Luonnonsora Murskattu kiviaines (kalliomurske tai kivimurske) Seosaineet, kuten lentotuhka ja masuunikuona. Murskattu kierrätysbetoni. Kevytsora. B6E Tapahtuman nimi tähän 42

38 Sementti Sementin pääraaka-aine on kalkkikivi. Sementti reagoi kemiallisesti veden kanssa ja muodostaa sementtikiveä. Useita erilaisia sementtityyppejä. Kovettumisnopeus. Kemiallinen kestävyys. Tapahtuman nimi tähän 43

39 Vesi Suomessa vesi on yleensä erinomaista (=juotavaa) Suolavesi ei kelpaa (teräkset ruostuvat) alle 3.5 % Suovesi ei kelpaa (orgaanista ainesta) Jätevedet eivät kelpaa (erilaisia epäpuhtauksia) Sulfaattipitoisuus alle 0,5 % Ei sokeria Tapahtuman nimi tähän 44

40 Lisäaineet Lisäaineilla muutetaan tuoreen tai kovettuneen betonin ominaisuuksia. Notkeus Vedentarve ja siten lujuus. Pakkasen(sään) kestävyys. Sitoutumisen hidastus. Sitoutumisen kiihdytys. Tapahtuman nimi tähän 45

41 Seosaineet Seosaineilla voidaan korvata runkoainetta ja/tai sideainetta. Vaikuttavat betonin ominaisuuksiin Vaikuttavat betonin hintaan. Lentotuhka (filleri ja sideaine). Masuunikuona (filleri ja sideaine). Silika (tehokas sideaine). Tapahtuman nimi tähän 46

42 Betonin valmistus QmE Tapahtuman nimi tähän 47

43 O4 Betonin valmistus Valmistetaan betonitehtaalla. Raaka-aineet varastoidaan siiloihin. Punnitaan. Sekoitetaan tasalaatuiseksi massaksi. Kuljetetaan työmaalle. Tapahtuman nimi tähän 48