Kuormitukset ja jatkuvan sortuman estäminen

Kuormitukset ja jatkuvan sortuman estäminen EC4 Liittorakenteet 28.-29.9.2016 Mikko Malaska Rakennustekniikan laitos

Sisältö EN 1990 Suunnitteluperusteet Rajatilamitoitus ja osavarmuuslukutarkastelu Kuormitusyhdistely EN 1991 Hyötykuormat ja niiden vähennykset Lumikuorma Tuulikuorma EN 1991-1-7 Onnettomuusmitoitustilanteet Määriteltävissä olevat onnettomuuskuormat Paikallisen vaurion laajuuden rajoittaminen 2

Kansalliset liitteet Kansallisessa liitteessä esitetään Suomea koskevat valinnat liittyen esimerkiksi suunnitteluparametreihin ja mitoitusmenetelmiin. Lähde: Ote Taulukosta A1.1 / SFS-EN 1990 Tarkastellaan esimerkkinä kokoontumistiloille annettuja muuttuvan kuorman pitkäaikaisarvon yhdistelykertoimia. Lähde: Ote Taulukosta A1.1 / NA-SFS-EN 1990 SFS-EN 1990 esittää 0,6 NA SFS-EN 1990 esittää 0,3 Suunnittelijan tulee siis aina tarkastaa, että käytetyt suunnitteluparametrit ja mitoituskäytännöt vastaavat kyseisen maan kansallisessa liitteessä esitettyjä valintoja! 3

Rakenteiden suunnitteluperusteet SFS-EN 1990 EC4 Liittorakenteet / Mikko Malaska 19.9.2016 4

SFS-EN 1990 Yleiset oletukset Kohta 1.3 / SFS-EN 1990 Hyvä rakennustapa Riittävän pätevät ja kokeneet henkilöt valitsevat rakennejärjestelmän ja suunnittelevat rakenteen Riittävän ammattitaitoiset ja kokeneet henkilöt rakentavat kohteen Käytetään riittävää valvontaa ja ylläpidetään laadunvalvontaa suunnittelussa sekä työn toteutuksessa niin tuotantolaitoksissa kuin työmaillakin Rakennusmateriaaleja ja tuotteita käytetään standardien mukaisesti (EN, rakennustyö, rakennusmateriaalit ja tuotteet) Rakennetta pidetään kunnossa asianmukaisesti Rakennetta käytetään suunnitteluoletusten mukaisesti 5

EN 1990..EN 1999 Perusvaatimukset Luku 2 / SFS-EN 1990 Rakenne tulee suunnitella ja toteuttaa siten, että se toimii suunnitellun käyttöikänsä ajan tarvittavan luotettavuustasonsa säilyttäen ja taloudellisesti Rakenne suunnitellaan siten, että sillä on riittävä kestävyys, käyttökelpoisuus ja säilyvyys Riittävä kestävyys tulipalotilanteessa Rakenne tulee suunnitella ja toteuttaa siten, että esimerkiksi räjähdys, törmäys tai inhimillinen erehdys ei vaurioita sitä alkuperäiseen syyhyn nähden suhteettoman paljon (EN 1991-1-7) Riskien arviointi Suunnittelija sopii toimintaperiaatteet tilaajan ja viranomaisten kanssa heti suunnittelun alussa 6

Suunniteltu käyttöikä Kohta 2.3 / SFS-EN 1990 SFS-EN 1990 antaa viitteellisiä suunnittelussa sovellettavia käyttöikiä. Talonrakennukset 50 vuotta Sillat 100 vuotta Lähde: Taulukko 2.1 / SFS-EN 1990 7

Rajatilamitoitus Luku 3 / SFS-EN 1990 Murtorajatila (MRT) Kohta 6.4 / SFS-EN 1990 EQU STR GEO FAT Rakenteen staattisen tasapainon menetys (JÄYKISTYSRAKENTEEN KAATUMISTARKASTELU) Rakenteen ja rakenneosien sisäinen vaurioituminen tai liian suuri siirtymätila (POIKKILEIKKAUKSEN LUJUUSTARKASTELU) Maaperän kantavuus ja stabiilius Rakenteen väsymismurtuminen Käyttörajatila (KRT) Kohta 6.5 / SFS-EN 1990 Siirtymät Värähtelyt (ulkonäkö, rakenteen toimivuus) (materiaalin väsyminen, ihmisten mukavuus) Vauriot, jotka vaikuttavat todennäköisesti kielteisesti ulkonäköön, säilyvyyteen ja toimivuuteen (halkeilu) Rajatilamitoitukselle asetetut vaatimukset täyttyvät kun: (Kohta 3.5 / SFS-EN 1990) Käytetään osavarmuuslukumenetelmää tai Mitoitetaan suoraan tilastollisten menetelmien perusteella 8

Erilaiset mitoitusmenetelmät Deterministiset ja tilastolliset menetelmät osavarmuuslukuja sisältävien (rajatila-) mitoitusyhtälöiden määrittämiseen (Kappale C4 /SFS-EN 1990) Kokeellinen mitoitus Kohta 5.2 / SFS-EN 1990 Aina mahdollinen vaihtoehto Voi perustua kokeiden ja laskelmien yhdistämiseen Menetelmä a Eurokoodien ensisijainen perusta Menetelmä b Oikeat vastaukset luotettavuusongelmaan Tilastotietoja ei kuitenkaan usein ole käytetään harvoin Eurokoodien kehitykseen Lähde: Kuva C1/ SFS-EN 1990 9

Luotettavuus - Tason II menetelmät Kappale C4 / SFS-EN 1990 Vaikka tason II menetelmissä käytetään tiettyja aproksimaatioita päästään sillä tuloksiin, joita useimmissa tapauksissa voidaan pitää riittävän tarkkoina Rakenteen luotettavuuden mittana käytetään kestämistodennäköisyyttä P s = (1-P f ) P f on tarkasteltavan vaurioitumistavan vaurioitumistodennäköisyys tietyn tarkastelujakson aikana Jos laskettu vaurioitumistodennäköisyys on suurempi kuin asetettu tavoitearvo P f > P 0, niin rakennetta pidetään epävarmana. 10

Luotettavuusindeksi Kappale C5 / SFS-EN 1990 Tason II menettelytavoissa määritellään perinteisesti vaihtoehtoiseksi luotettavuuden mitaksi luotettavuusindeksi β, jonka yhteys vaurioitumistodennäköisyyteen P f on: P t = Φ(-β) missä Φ on standardinormaalijakauman kertymäfunktio. 11

Luotettavuusluokka (RC) Kohta B3.2 / SFS-EN 1990 Luotettavuusluokat voidaan määritellä luotettavuusindeksin β avulla. Suunniteltaessa standardin EN 1990 mukaan käyttämällä standardien EN 1991...EN 1999 mukaisia osavarmuuslukuja katsotaan yleensä saavutettavan rakenne, jonka β-arvo on 50 vuoden tarkastelujaksoa käytettäessä yli 3.8. Tämä vastaa normaalijakautuneilla suureilla noin 1/10 000 vaurioitumisen todennäköisyyttä Lähde: Taulukko B2 / SFS-EN 1990 12

Seuraamusluokka (CC) Kohta B3.1 / SFS-EN 1990 Luotettavuusluokat on kytketty vaurioiden seuraamusluokkiin, joita on kolme: CC3 vaativin, CC1 vähiten vaativa Lähde: Taulukko B1 / SFS-EN 1990 13

Seuraamusluokat Suomen NA:n mukaisesti Kohta B3.1 / NA-SFS-EN 1990 Suomen kansallisen liitteen mukainen määrittely Yli 8 kerroksiset rakennukset kuuluvat seuraamusluokkaan CC3. Lähde: Taulukko B1 / NA-SFS-EN 1990 14

Osavarmuuslukumenetelmä Luku 6 / SFS-EN 1990 Osavarmuuslukumenetelmää käytettäessä tulee osoittaa, että mitään rajatilaa ei ylitetä missään kyseeseen tulevassa mitoitustilanteessa: Kuormien tai kuormien vaikutusten mitoitusarvot E d Kestävyyksien mitoitusarvot R d Mitoitusarvo = ominaisarvo x osavarmuusluku x muut kertoimet Mitoitusehdon tulee olla voimassa normissa esitetyllä vaurioitumisen todennäkoisyydellä: E d R d (STR ja GEO) 15

Kuormien mitoitusarvot - MRT Murtorajatila, Liite a1.3 / NA-SFS-EN 1990 Rakenteen tai rakenneosien sisäinen vaurioituminen - STR Pysyvät kuormat G Muuttuvat kuormat Q Ominaisarvo,indeksi k Lähde: Taulukko A1.2(B) / NA-SFS-EN 1990 HUOM: Nämä yhtälöt eivät ota huomioon geoteknisiä kuormia. 16

Kuormakerroin K fi K FI riippuu luotettavuusluokasta seuraavasti: Seuraamusluokka Kuvaus Luotettavuusluokka CC1 CC2 CC3 Vähäiset seuraamukset ihmishenkien menetysten tai pienten tai merkityksettömien taloudellisten, sosiaalisten tai ympäristövahinkojen takia. Keskisuuret seuraamukset Ihmishenkien menetysten tai merkittävien taloudellisten, sosiallisten tai ympäristövahinkojen takia Suuret seuraamukset ihmishenkien menetysten tai hyvin suurten taloudellisten, sosiaalisten tai ympäristövahinkojen takia. RC1 K FI = 0,9 RC2 K FI = 1,0 RC3 K FI = 1,1 17

Kuormien mitoitusarvot - MRT Liite a1.3 / NA-SFS-EN 1990 Staattisen tasapainon menetys - EQU Lähde: Taulukko A1.2(A) / NA-SFS-EN 1990 18

Esimerkki MRT Omapaino + hyötykuorma Toimistorakennuksen 1-aukkoista palkkia kuormittaa: Omapaino G k + hyötykuorma Q k : F d F d = 1,15 G k + 1,5 Q k 1,35 G k L Lähde: Taulukko A1.2(B) / NA-SFS-EN 1990 19

Useampi samanaikainen muuttuva kuorma Kaksi tai useampi muuttuvaa kuormaa yhdistetään kuormien yhdistelykertoimella ψ 0 Riipuen määrävästä muuttuvasta kuormasta kuormille annetaan erilaisia yhdistelykertoimen arvoja Yhdistelykertoimet ovat samat murto- ja käyttörajatilassa Lähde: Taulukko A1.1 / NA-SFS-EN 1990 20

Esimerkki MRT Omapaino + hyötykuorma + Lumi Toimistorakennuksen palkkia kuormittaa: Omapaino G k + hyötykuorma Q k + lumi Q k,lumi F d a) Hyötykuorma määräävä L F d = 1,15 G k + 1,5 Q k + 1,5 0,7 Q k,lumi 1,35 G k b) Lumikuorma määräävä F d = 1,15 G k + 1,5 Q k,lumi + 1,5 0,7 Q k 1,35 G k 21

Käyttörajatila Kuormien osavarmuusluvut = 1,0 (ellei standardit EN 1991...EN 1999 toisin edellytä) Tarkemmat ohjeet materiaalikohtaisissa standardeissa EC2 EC9. Yhdistelykertoimet Lähde: Taulukko A1.4 / SFS-EN 1990 Ominaisyhdistelmä: Tavallinen yhdistelmä: palautumattomat rajatilat - kuormien vaikutukset eivät palaudu, kun kuorma poistetaan palautuvat rajatilat - kuormien vaikutukset palautuvat 22

Onnettomuusmitoitustilanteen kuormat Esim. palomitoitus ψ 2 Q k on muuttuvan kuorman pitkäaikaisarvo Lähde: Taulukko A1.3 / NA-SFS-EN 1990 23

Esimerkki KRT ja tulipalo Toimistorakennuksen palkkia kuormittaa: Omapaino G k + hyötykuorma Q k : F d Käyttörajatila (ominaisyhdistelmä) L F d = G k + Q k Palomitoitus F d = G k + 0,3 Q k 24

Rakenteiden kuormat SFS-EN 1991 EC4 Liittorakenteet / Mikko Malaska 19.9.2016 25

Normin SFS-EN 1991 osat EN 1991 Rakenteiden kuormat EN 1991-1-1 Tilavuuspainot, oma paino ja rakennusten hyötykuormat EN 1991-1-2 Palolle altistettujen rakenteiden rasitukset EN 1991-1-3 Lumikuorma EN 1991-1-4 Tuulikuorma EN 1991-1-5 Lämpötilakuormat EN 1991-1-6 Toteuttamisen aikaiset kuormat EN 1991-1-7 Onnettomuuskuormat EN 1991-2 EN 1991-3 EN 1991-4 Siltojen liikennekuormat Nostureiden ja muista koneista aiheutuvat kuormat Siilot ja säiliöt 26

Hyötykuorma Luku 6 / SFS-EN 1991-1-1 Hyötykuormat aiheutuvat tilojen käytöstä ja sisältävät mm. Normaalin henkilökäytön Huonekalut ja siirrettävät kohteet esim. Siirrettävät väliseinät Varastoitava tavara Säiliöiden sisällöt Ajoneuvot Odotettavissa olevat harvinaiset tapahtumat Henkilöiden kokoontuminen Huonekalujen kasautuminen Tavaroiden siirtäminen ja pinoaminen 27

Tilojen Käyttöluokat Kohta 6.3 / SFS-EN 1991-1-1 Hyötykuormien määrittämistä varten rakennusten väli- ja yläpohjien alat jaetaan niiden käyttötarkoituksen mukaisiin käyttöluokkiin. Luokka Käyttötarkoitus A Asuin- ja majoitustilat B Toimistotilat C Tilat, joihin ihmiset voivat kokoontua D Myymälätilat E Varasto- ja tuotantotilat FL Haarukkatrukeista aiheutuvat kuormat F, G Liikennöintialueet H, I, K Vesikatot HC Helikopterit 28

Hyötykuorman ominaisarvot Kohta 6.3 / SFS-EN 1991-1-1 Lähde: Taulukko 6.2 / NA-SFS-EN 1991-1-1 Lähde: Taulukko 6.2 / SFS-EN 1991-1-1 29

Hyötykuormien pinta-alavähennys Kaava 6.1 / NA-SFS-EN 1991-1-1 Pienennystekijä palkki- ja laattarakenteiden kuormitukseen Luokissa A D A 0 = 10 m 2 Luokissa A - D α A 0,8 ψ 0 on kuormien yhdistelykerroin Merkitään suunnitteluasiakirjoihin ja ilmoitetaan asiakkaalle Esimerkki: 6 m pitkä toimistorakennuksen välipohjapalkki tukee 10 m pitkää ontelolaatastoa. Kuorman pienennystekijä: α A = 5/7 0,7 + 10/(6*10) = 0,67 < 0,8 A α A 0 1 20 1 40 0,8 60 0,8 80 0,8 30

Hyötykuormien Kerrosvähennys Kaava 6.2 / NA-SFS-EN 1991-1-1 Luokissa A D useasta kerroksesta pilareille tai seinille tuleva kokonaishyötykuorma voidaan kertoa pienennyskertoimella α n n on kuormitettujen kantavien osien yläpuolella olevien samaan luokkaan kuuluvien kerrosten lukumäärä A α n Esimerkki: 5 kerroksisen toimistorakennuksen 1. kerroksen pilarin kuormitukseen sallittu vähennys: α n = [2+(5-2) 0,7]/5 = 0,82 3 0,9 4 0,85 5 0,82 10 0,76 20 0,73 31

Lumikuorma SFS-EN 1991-1-3 Soveltamisala: Standardissa esitetyt lumikuormat ovat voimassa, kun rakennus sijaitsee alle 1500 m merenpinnan yläpuolella voidaan soveltaa koko Suomessa Rakenteet mitoitetaan lumikuormalle s, joka lasketaan maan pinnalla vaikuttavan peruslumikuorman s k perusteella. Normaali mitoitustilanne s = μ i C e C t s k μ i on lumikuorman muotokerroin (0 2,5) C e on tuulensuojaisuuskerroin (1,0 tai 0,8) C t on lämpökerroin (tavallisesti 1,0) 32

Lumikuorman perusarvo SFS-EN 1991-1-3 NA EN 1991-1-3 33

SFS-EN 1991-1-3 sisältö Luku 1 Yleistä Luku 2 Kuormien luokitus Luku 3 Mitoitustilanteet Luku 4 Maanpinnan lumikuorma Luku 5 Kattojen lumikuorma Luku 6 Paikalliset vaikutukset Liitteet A E Yhteensä 83 sivua 5.3 Muotokertoimet μ Tasakatto 0,8 Pulpettikatto (0 0,8) Harjakatto (0 0,8) Sahakatto (0 1,6) Kaarikatot (0 2,0) Kinostuminen (0,8 2,5) 34

Tuulikuorma SFS-EN 1991-1-4 Mahdollistaa erittäin täsmällisen tuulikuormituksen määrittelyn rakenteille. Soveltamisala: Rakennukset sekä maa- ja vesirakennuskohteet, joiden korkeus on alle 200 m. Sillat, joiden jänneväli on alle 200 m. Mitoitustilanteet: Jos suunnitelmassa oletetaan, että ikkunat ja ovet ovat kiinni kovalla tuulella tai myrskyllä, niin vaikutusta, joka syntyy näiden ollessa auki, pidetään onnettomuusmitoitustilanteena. 35

SFS-EN 1991-1-4 sisältö Luku 1 Yleistä Luku 2 Mitoitustilanteet Luku 3 Tuulikuormien mallintaminen Luku 4 Tuulennopeus ja nopeuspaine Luku 5 Tuulikuormat Luku 6 Rakennekerroin c s c d Luku 7 Paine- ja voimakertoimet Luku 8 Siltojen tuulikuormat Liitteet A F Yhteensä n. 250 sivua MÄÄRITÄ PUUSKANOPEUSPAINE q p Luku 4 Maastoluokka, pinnan muodon vaikutus Luku 7 Nopeuspainekorkeus z e LASKE TUULENPAINE w = q p c p Luku 7 Painekertoimet c pi, c pe Luku 5.2 Tuulenpaineet w e, w i Rakenneosat, verhous, kiinnikkeet LASKE KOKONAISTUULIVOIMA F w Luku 6 Rakennekerroin c s c d Luku 7 Voimakerroin c f Luku 5.3 Tuulikuorma F w Jäykistävän rungon mitoitus, perustukset 36

Kokonaistuulivoima Rakennuksen kokonaistuulivoima voidaan määrittää kahdella tavalla: 1) Laskemalla voimakertoimien c f avulla (Kaava 5.4 / SFS-EN 1991-1-4) 2) Laskemalla voimat painekertoimien c pe ja c pi avulla ja rakenteeseen vaikuttavien ulkoisten ja sisäisten pintapaineiden summana (Kaavat 5.5 ja 5.6 / SFS-EN 1991-1-4) + 37

Onnettomuuskuormat SFS-EN 1991-1-7 EC4 Liittorakenteet / Mikko Malaska 19.9.2016 38

Ennakoimaton onnettomuustilanne Järvenpää 2010 Virheellisesti suunnitellun teräsrakenteisen kattoristikon pettäminen aiheutti hallin keskiosan katon äkillisen romahtamisen. Parin pääkannattajakehän ristikkopilarit vaurioituivat paikallisesti, mikä johti yhden pääkannattajakehän uumasauvan irtoamiseen. Kehä menetti kantavuuttaan ja alkoi taipua. Rakenteellisesti heikot katon lohkojen saumat pettivät äkillisesti. Kuvien lähde: Onnettomuustutkintakeskuksen raportti B 1/2010 Y 39

Ratsastusmaneesin sortuminen Laukaa 13.2.2013 Koko maneesirakennus sortui kerralla, äkillisesti ja varoittamatta. Vaurio alkoi kolminivelkehän yläulkonurkan kainaloliitoksesta Jatkuvaa sortumista ei ollut estetty!! Teräskehän pettäminen johti aina seuraavan kehän pettämiseen Kuvien lähde: Onnettomuustutkintakeskuksen raportti Y2013-01 JATKUVA SORTUMA - tilanne, missä rakenteen yhden osan myötääminen tai sortuma aiheuttaa jatkuvan vaurioitumis- ja sortumisilmiön. 40

Onnettomuustilanteet Onnettomuustilanteiden mitoituksessa tulee tarkastella poikkeuksellisten tapahtumien esiintymistä ja niitä vastaavia kuormavaikutuksia yhdessä pysyvien ja muuttuvien kuormien vaikutusten kanssa. Onnettomuustilanteiden kuormavaikutusten Esiintymisen todennäköisyys on yleensä pieni Ne ovat kestoltaan lyhyitä Niillä on vakavia seurauksia 41

Onnettomuustarkastelujen laajuus Onnettomuustilanteiden käsittelyn laajuus riippuu onnettomuuden seurausten vakavuudesta. Seurausten arviointiperusteena voidaan käyttää: Onnettomuuden aiheuttamien henkilövahinkojen ja kuolonuhrien määrää Ympäristölle aiheutuvia haittavaikutuksia Yhteiskunnalle aiheutuvia huomattavia taloudellisia menetyksiä Turvallisuustoimenpiteiden kustannuksia jne. 42

Onnettomuustarkastelujen toimintaperiaatteet Onnettomuusmitoitustilanteisiin sovellettavat toimintaperiaatteet jaetaan kahteen ryhmään riippuen siitä, voidaanko onnettomuuskuorman arvoa määrittää. A. Suunnitellaan rakenteet määriteltävissä oleville onnettomuuskuormille Kaikki tunnetut onnettomuustilanteet ja tapahtumat, joiden tapahtumaketju tunnetaan kohtuullisen hyvin (tulipalo, törmäys, räjähdys, tulva tms.) B. Paikallisen vaurion laajuuden rajoittaminen (kuorman arvoa ei tunneta) Vauriot voivat aiheutua myös ennakoimattomista onnettomuuksista, jotka tapahtuvat ilman ulkoista syytä ja joista saattaa aiheutua sortuma tai muu rakennevaurio. Näihin tapahtumiin ei suoraan liity mitään erikoiskuormaa. 43

A MÄÄRITELTÄVISSÄ OLEVAT ONNETTOMUUSKUORMAT 44

Määriteltävissä olevat onnettomuuskuormat Onnettomuuskuormien aiheuttamat paikalliset vauriot voidaan hyväksyä sillä edellytyksellä, että Ne eivät ole vaaraksi koko rakenteelle tai että Rakenteen kantokyky säilyy välttämättömien hätätoimenpiteiden ajan, kuten esimerkiksi evakuoitaessa rakennusta ja sen lähiympäristöä. 45

Onnettomuuskuormien vaikutusten pienentäminen Onnettomuuskuormien vaikutuksia voidaan pienentää suunnittelun avulla: Eliminoidaan onnettomuuskuorma tai pienennetään sen todennäköisyyttä ja/tai voimakkuutta. Rakennuksen ulkoseinissä voidaan esimerkiksi käyttää osia, jotka hajoavat räjähdyksen tapahtuessa ja mahdollistavat näin paineen purkautumisen. Suojataan rakenne esim. betoniporsailla. Suunnitellaan rakenteet niin, että vahingoittunut alue voidaan kannattaa vaihtoehtoisella rakenteella. Suunnitellaan rakenteet kestämään onnettomuuskuorman vaikutukset. 46

Ajoneuvojen törmäyskuormat Ajoväylän yläpuolella tai vieressä olevia rakenteita tukeviin rakenneosiin ajonauvon törmäyksestä aiheutuvat ohjeelliset mitoituskuormat talorakenteille: F dx ja F dy eivät vaikuta samanaikaisesti. Kuorman vaikutusalue on määritelty standardin SFS-EN 1991-1-7 kohdassa 4.3.1(3). Ajoneuvojen törmäystä ei tarvitse tarkastella seuraamusluokkassa CC1. 47

Ajoneuvon törmäyskuorma Lähde: Taulukko 4.1 (FI) / NA-SFS-EN 1991-1-7. Lähde: Kuva 4.1 (FI) / NA-SFS-EN 1991-1-7. Luokan Taajamien tiet ja kadut arvoja voidaan pienentää pienennyskertoimella. d on rakenneosan etäisyys lähimmän kaistan keskilinjalta. 48

Räjähdyskuorma Rakenneosat ja rakenteet joissa poltetaan, varastoidaan tai kuljetetaan räjähtäviä nesteitä ja kaasuja tulee suunnitella räjähdyskuormasta aiheutuville rasituksille. Räjähdyksestä aiheutuva painekuorma vaikuttaa samanaikaisesti kaikissa suunnissa. Räjähdyksestä aiheutuville kuormille on annettu mitoitusarvoja standardin SFS-EN 1991-1-7 liitteessä D. Räjähdyskuorma kn/m 2 Rakennuksen leikkaus 49

KUORMITUSYHDISTELY ONNETTOMUUSTARKASTELUT Kappale 6.4.3.3 / SFS-EN 1990 Lähde: Taulukko A1.3 / NA-SFS-EN 1990 50

B PAIKALLISEN VAURION LAAJUUDEN RAJOITTAMINEN 51

Paikallisen vaurion laajuuden rajoittaminen Jatkuva sortuman estäminen voidaan toteuttaa joko estämällä alkusortuma tai rajoittamalla paikallisen vaurion laajeneminen. Standardin SFS-EN 1991-1-7 luvun 3 mukaan on hyväksyttävää suunnitella rakenne siten, että onnettomuustilanteessa voi syntyä paikallisia vaurioita. Paikallinen vaurio ei saa kuitenkaan aiheuttaa koko rakennuksen tai sen merkittävän osan sortumista. Rakennuksella on oltava riittävä vaurionsietokyky, jotta rakennus ei sorru erityyppisten määrittelemättömien onnettomuuskuormien vaikutuksesta. 52

Suunnitteluohjeet Standardin SFS-EN 1991-1-7 Liitteessä A (opastava) esitetään rakennusten suunnittelua varten sääntöjä ja menetelmiä, joilla estetään sortuman eteneminen suhteettoman laajalle. Suomen kansallinen liite ei käytä standardin Liitettä A! Kansallisen liitteen suunnitteluperiaatteet on esitetty kansallisen liitteen jäljessä olevassa ristiriidattomassa asiakirjassa: Rakennusten suunnittelu määrittelemättömästä syystä aiheutuvan paikallisen vaurion seuraamusten varalta. 53

Vaurioitumisen hyväksyttävät rajat Luku 9.1 / NA-SFS-EN 1991-1-7 On hyväksyttävää, että onnettomuustilanteessa syntyy paikallisia vaurioita. Paikallisen vaurioitumisen hyväksyttävä raja riippuu rakennetyypistä. Monikerroksiset rakennukset Paikallisen vaurion laajuus yhdessä kerroksessa on enintään 15% kyseisen kerroksen lattiapinta-alasta ja enintään 100 m 2 /krs. Vaurio saa tapahtua kahdessa päällekkäisessä kerroksessa. 15% tai 100 m 2 per kerros Vastaa SFS-EN 1991-1-7 suositusarvoa. 54

Vaurioitumisen hyväksyttävät rajat Luku 9.2 / NA-SFS-EN 1991-1-7 (Tätä ei SFS-EN 1991-1-7:ssä) Hallimaiset rakennukset Paikallisen vaurion laajuus saa olla pääkannattajan tai pilarin vaurioituessa pilariin tukeutuvien pääkannattajien pituus kertaa pääkannattajien väli kerrottuna kahdella. Pääkannattajien ollessa ulkoseinälinjalla hyväksyttävän vaurioalueen laajuus saa olla puolet edellä mainitusta pinta-alasta. Vaurio saa tapahtua vain yhdessä kerroksessa. Lähde: Kuva 5 / NA-SFS-EN 1991-1-7 55

Rakenteiden seuraamusluokat Eurokoodi esittää neljä vaihtoehtoista toimintaperiaatetta paikallisen vaurion laajentumisen rajoittamiseksi. Kulloinkin sovellettavat periaatteet määräytyvät onnettomuusmitoitusta varten laaditun rakennusten seuraamusluokituksen perusteella. Tämä luokitus liittyy standardissa 1990 esitettyihin seuraamusluokkiin CC1, CC2 ja CC3 Suomen kansallisessa liitteessä esitetty seuraamusluokkiin jaottelu poikkeaa standardissa SFS-EN 1991-1-7 esitetystä jaosta. 56

Seuraamusluokat SFS-EN 1991-1-7 Eurokodin mukainen määrittely Alle 15 kerroksiset rakennukset seuraamusluokassa 2b 57

Seuraamusluokat NA-SFS-EN 1991-1-7 Suomen kansallisen liitteen mukainen määrittely 9-15 kerroksiset rakennukset kuuluvat seuraamusluokkaan 3a. Luokan 3a rakenteille sovelletaan luokan 2b toimintaperiaatteita. 58

Vaurion laajentumisen rajoittaminen Eurokoodi esittää neljä vaihtoehtoista toimintaperiaatetta paikallisen vaurion laajentumisen rajoittamiseksi. 1) Sidotaan rakennuksen osat toisiinsa vaaka- ja pystysuunnassa siten että ne paikallisen sortuman tapahtuessa pystyvät kannattelemaan rakennuksen kuormat vaurioituneen alueen yli. 2) Rakenne voidaan suunnitella niin, että yhden rakenneosan kantokyvyn menetys ei vaaranna koko rakenteen vakavuutta eikä vaurioituminen ylitä hyväksyttäviä rajoja. 3) Kun rakenneosan kantokyvyn menetyksestä seuraisi hyväksyttävän rajan ylittävä vaurio, niin tällainen osa tulee suunnitella "avainasemassa olevana rakenneosana". 4) Riskianalyysi. 59

1) Vaaka- ja pystysiteet Rakennuksen pilarit, palkit ja seinät sidotaan toisiinsa niin että yhden rakenneosan pettäessä tämän tukemat rakenteet voidaan kannattaa ( roikottaa ) vaurioitumattomasta rakennusrungosta. Vaakasiteet Vaakasiteet Pystysiteet Vaakasiteet voivat olla: Pilarin menetys paikallisen vaurion Valssattuja teräsprofiileja seurauksena Betonilaatoissa olevia betoniteräksiä Teräsverkkoraudoitteen muodonmuutoskyvyn riittävyys?! 60

Liitosten suunnittelu Kaikki rakennuksen liitokset suunnitellaan kestämään a) Sekä normaalitilanteen rasitukset b) Että onnettomuustilanteen sidevoimat Normaalitilanteen kuormat eivät kuitenkaan vaikuta samanaikaisesti sidevoimien kanssa. Sidevoimien arvot eri seuraamusluokissa voidaan määrittää kansallisen liitteen NA-SFS-EN 1991-1-7 täydentävän asiakirjan kappaleiden 5 ja 6 avulla. Eurokoodissa SFS-EN 1991-1-7 sidevoimat on annettu Liitteessä A. 61

2) Yhden rakenneosan kantokyvyn menetys Paikallisen vaurion tarkastaminen Sellaisen rakenneosan kohdalla johon sidevoimia ei voida soveltaa, tutkitaan voidaanko osaa ympäröivä rakenne suunnitella niin, että kun rakenneosa ajatellaan poistetuksi, rakennus pysyy vakaana eikä paikallinen vaurioituminen ylitä annettua raja-arvoa. Yleensä riittää kun voidaan osoittaa, että rakenneosan kantokyvyn menetyksen jälkeen ympäröivä rakenne kantaa siihen kohdistuneet lisäkuormat korvaavan rakennesysteemin avulla. 62

Paikallisen vaurion tarkastaminen Esimerkki Jos merkitty kattokannattaja murtuu onnettomuustilanteessa, on katon rakenneosat suunniteltava niin, että kattorakenne kykenee kantamaan onnettomuustilanteen kuormat ilman tuhoutuneeksi ajateltua osaa. Kuvan lähde: Puuhallin suunnittelu, Puuinfo 63

3) Avainasemassa oleva rakenneosa Kun ajatellusta rakenneosan poistamisesta seuraa hyväksyttävän rajan ylittävä vaurio, on tällainen rakenneosa suunniteltava "avainasemassa olevana rakenneosana. Nämä rakenneosat sekä niitä tukevat rakenteet tulee mitoittaa kestämään Eurokoodissa määritelty onnettomuuskuorma. Kuvan lähde: Puuhallin suunnittelu, Puuinfo 64

Onnettomuuskuorma Standardin SFS-EN 1991-1-7 kohdan 3.3(1)P mukaisesti talonrakenteiden avainasemassa olevan rakenneosan tulee kestää onnettomuusmitoituskuorma A d. Kansallisessa liitteessä kuorman mitoitusarvoksi on määritelty 50 kn ja kuorman oletetaan vaikuttavan vaakasuunnassa vapaan kerroskorkeuden puolessa välissä. Tämä mitoituskuorma poikkeaa Eurokoodin mukaisesta (suositusarvo 34 kn/m 2 painekuorma kaikkiin suuntiin). Pilareissa käytettään 50 kn pistekuormaa Seinissä kuorma jaetaan viivakuormaksi 3 metrin leveydelle Onnettomuuskuorma kuuluu hetkelliseen aikaluokkaan. 65

4) Riskianalyysi Riskianalyysiä edellytetään tyypillisesti silloin kun rakenne on vaativa ja vaurion seuraukset ovat suuret. Analyysissä otetaan huomioon sekä ennakoitavissa olevat että ennakoimattomat vaaratilanteet. Rakenteet suojataan potentiaalisilta riskeiltä tai ne suunnitellaan kestämään vaaratilanteista aiheutuvat kuormitukset. Ohjeita riskianalyysin laatimiseksi on esitetty standardin SFS-EN 1991-1-7 liitteessä B. 66

Toimintaperiaatteet vaurion laajenemisen rajoittamiseksi Seuraamusluokka / Rakennustyyppi Luokka 1 (vähäiset vaurion seuraamukset) Asuinrakennukset, joissa on korkeintaan kaksi maanpäällistä kerrosta 1- ja 2-kerroksiset rakennukset, joissa vain tilapäisesti oleskelee ihmisiä Luokka 2A (melko pienen riskin ryhmän) Korkeintaan neljä maanpäällistä kerrosta Korkeus maanpinnasta enintään 16 m Luokka 2B (melko suuren riskin ryhmän) Kaikki muut rakennukset, jotka eivät kuulu seuraamusluokkiin 1, 2A tai 3 Luokka 3A 9-15 kerroksiset asuin-, toimisto- ja liikerakennukset Luokka 3B (suuret vaurion seuraamukset) Muut yli 8-kerroksiset rakennukset Konserttisalit, teatterit, urheilu- ja näyttelyhallit, katsomot (yli 1000 henkeä) Raskaasti kuormitetut tai suuria jännevälejä sisältävät rakennukset Toiminperiaatteet Onnettomustilanteen erityistarkastelua ei tarvita Vaakasiteet tai Välipohjat ankkuroidaan seiniin Vaaka- ja pystysiteet tai Paikallisen vaurion tarkastaminen tai Suunnittelu "avainasemassa olevina rakenneosina" Samat vaatimukset kuin luokassa 2B Riskiarviointi Riskiarvioinnin tuloksesta riippumatta tulee myös tarkistaapaikallisenvaurion seuraukset sekä avainasemassa olevat rakenneosat 67

Sidevoimien laskeminen Vaakasiteet Kappale 5 / NA SFS-EN 1991-1-7 68

Sidevoimien laskeminen Vaakasiteet Kuva 1 / NA SFS-EN 1991-1-7 69

Sidevoimien laskeminen Vaakasiteet Kuva 2A / NA SFS-EN 1991-1-7 Sidevoimat pilaripalkki-rungossa (Seuraamusluokka 3a) 73

Sidevoimien laskeminen Pystysiteet Kappale 6 / NA SFS-EN 1991-1-7 YM 74

EN 1991-1-7 mukaiset sidevoimat Suomen kansallisen liitteen mukainen menetelmä ei ole voimassa silloin, kun rakennetta suunnitellaan ulkomaille. Tällöin sidevoimat tulee laskea eurokoodin tai kohdemaan kansallisten ohjeiden mukaisesti. Seuraamusluokkien määrittelyissä on eroavaisuuksia. Eurokoodista puuttuu ryhmä 3a. Kaava (A.1) / SFS-EN 1991-1-7 Jokaiselta jatkuvalta sisäpuoliselta siteeltä ja sen päätyankkuroinneilta edellytetään, että ne pystyvät siirtämään onnettomuusrajatilassa vetokuorman: T i = 0,8 (g k + ψ q k ) s L 75 kn 75

Kansallisen liitteen ja Eurokoodin mukaiset voimat VERTAILU Lasketaan kuvassa esitetylle palkille (a) sekä kansallisen liitteen että eurokoodin SFS-EN 1991-1-7 mukaiset sidevoimat. Palkin jänneväli on 6 m. 6 kerrosta. Pysyvä kuorma g k = 3,0 kn/m 2 Muuttuva kuorma q k = 5,0 kn/m 2 (pitkäaikaisosuus Ψ = 0,5) 76

Kansallisen liitteen ja Eurokoodin mukaiset voimat Eurokoodi T = 0,8*(3,0+0,5*5,0)(3+2)/2*6 = 66 kn => T = 75 kn NA Seuraamusluokka 2 s = (3+2)/2 = 2,5 m T = 2,5*20 = 50 kn => T = 70 kn NA Seuraamusluokka 3 F t = 16 + 2,1*6 = 28,6 kn/m s = (3+2)/2 = 2,5 m z = 6 m T = 28,6*0,8*(3,0+0,5*5,0)*6*2,5/(6*5) = 63,0 kn T = 28,6*2,5 = 71,5 kn => T = 71,5 kn 77

Rungon ja liitosten mitoitus sidevoimille Liittorakenteinen runko toimii rakennusrungon vaadittavina siteinä ja sen liitokset siirtävät sidevoimat rakenneosalta toiselle. Eurokoodin osa SFS-EN 1993-1-8 ei kuitenkaan anna ohjeita siitä, miten liitokset mitoitetaan sidevoimille. 78

Liitosten mitoitusohjeita Access-Steel (NCCI) on julkaissut ohjeita päätylevy- ja levyliitosten mitoitukseen. Ohjeet ovat ladattavissa mm. Steelbiz-sivustojen kautta, edellyttää rekisteröitymistä: http://www.steelbiz.org/home/ SN018a-EN-EU: Tying resistance of a fin plate connection SN015a-EN-EU: Tying resistance of a simple end plate connections SX020a-EN-EU: Tying and the avoidance of disproportionate collapse 79

Päätylevyliitoksen mitoitus Lähde: Access Steel: Tying resistance of a simple end plate connection 80

Sivulevyliitoksen mitoitus Lähde: Access Steel: Tying resistance of a fin plate connection 81

Päätylevyliitoksen taulukkomitoitus Lähde: Joints in steel construction Simple connections, SCI P212, 2002 82

Kiitos mielenkiinnosta Mikko Malaska Professori, Rakenteiden suunnittelu Rakennustekniikan laitos Tampereen teknillinen yliopisto mikko.malaska@tut.fi +350 50 301 5658