Pysäköintirakennusten ja tilojen rungon suunnittelu 3. huhtikuuta 2007 Viljami Hovi Stefan Ljunglin Verneri Vulkko
Pysäköintirakennusten ominaisuudet... 3 Yleiset suunnittelulähtökohdat... 4 Kuormitukset... 4 Paloluokitus... 4 Materiaalivaatimukset... 5 Rakennejärjestelmät ja runkovaihtoehdot... 6 Pystyrakenteet... 7 Vaakarakenteet... 7 Paikalla valettu betonirunko... 9 Betonielementtirunko... 10 Teräs- ja liittorakennerunko... 11 Paikallavaletut jälkijännitetyt pysäköintirakennukset... 12 Jälkijännitetyn rakenteen ominaisuudet... 12 Yhteenveto... 13
Pysäköintirakennusten ominaisuudet Ajojärjestelmän asettamia ehtona on että laitoksessa voidaan kiertää mahdollisimman lyhyesti, niin että on mahdollista nähdä kaikki paikat ja valita sopivin vapaa paikka. Kun paikkaa ei löydy pitää päästä kiertämään alkuun tai poistumaan laitoksesta. Poistumiselle on asetettava vaihtoehtoinen reitti, jottei tarvitse kiertää aluetta kokonaan. Yksisuuntaista liikennettä on suosittava, se vähentää konfliktien riskiä, helpottaa pysäköintiä ja vähentää ajokäytävän mitoitustarvetta. Tässä tulee kuitenkin varoa, ettei laitoksen sisäinen liikennesuorite kasva, jolloin 2-suuntainen voi olla parempi vaihtoehto. Ajoa häiritseviä pilareita voidaan minimoida sijoittamalla pilarit pysäköinti rivien väliin. Suunnittelussa on myös hyvä ottaa huomioon että parkkipaikkaa voidaan tulevaisuudessa laajentaa. Kuva 1 Kauppakeskus Sello 3
Yleiset suunnittelulähtökohdat Kuormitukset Autosuojien kuormitukset jaetaan neljään luokkaan pysäköitävien ajoneuvojen massan mukaan. Henkilö ja pakettiautoista aiheutuvia pystysuoria kuormituksia ovat 5kN/m2 pintakuormaa, pistekuorma 20kN ja vaakasuora jarrukuorma 20 kn. Lisäksi on huomioitava rakennuksen sisällä olevat ns. pelastustiet, jotka mitoitetaan luokan 1 mukaisesti, jolloin pintakuorma on 10 kn/m2 ja akselikuorma 50kN, sekä jarrukuorma 100 kn. Pysäköintilaitoksen pilarit ja kantavat seinät mitoitetaan onnettomuusrajatilassa törmäyskuormalle. Kuormaluokassa III törmäyskuorma on 150 kn ja vaikutuskorkeus tason pinnasta 0,75 m. Kuormaluokassa IV törmäyskuorma on 100 kn ja kuorman vaikutuskorkeus tason pinnasta 0,5 m. Törmäyskuorman vaikutuspinnaksi voidaan olettaa 0,6 x 0,6 m2. Kaiteet ja kantamattomat seinät mitoitetaan törmäyskuormille. Kuormaluokassa III vaakakuorma on 10 kn ja kuormaluokassa IV 5 kn. Vaikutuskorkeus tason pinnasta on 1,0 m.[1] Paloluokitus Pysäköintirakennuksen paloluokka riippuu kerrosten lukumäärästä ja kerrosten sijainnista maanpintaan nähden: P1-luokkaiseksi rakennetaan aina yli kaksikerroksinen autosuojarakennus. P2-luokkaiseksi voidaan rakentaa enintään kaksikerroksinen autosuojarakennus. P3-luokkaiseksi voidaan rakentaa yksikerroksinen autosuojarakennus. Taulukko 1 [2] Suojaustasoja on kolme: suojaustaso 1: tavallinen alkusammutuskalusto suojaustaso 2: tavallinen alkusammutuskalusto ja automaattinen paloilmoitin suojaustaso 3: tavallinen alkusammutuskalusto ja automaattinen sammutuslaitteisto. 4
Autosuojan eri kerrokset kuuluvat samaan palo-osastoon, mikäli kerrosten välistä ajoramppia ei osastoida. Kuva 2 Kauppakeskus Sellon sprinkler-tila Kuva 3 Kauppakeskus Sellon Sprinkler putkistoa Materiaalivaatimukset Ympäristöolosuhteiden vaikutus on otettava suunnittelussa huomioon. Kylmien pysäköintitalojen voimakkaasti kloridirasitetut betonirakenteet (esim. sisäänajorampit, suolattavat tasot) suunnitellaan täyttämään ohjeen BY32 ympäristöluokan E3b (vaikeat olosuhteet, suolarasitus) mukaiset vaatimukset. Vähemmän kloridirasitettujen rakenteiden (esim. tasot, joita ei saa suolata, tasojen alapinnat) 5
ympäristöluokkavaatimus on vähintään E2b. Betonin ominaisuuksien vähimmäisarvot näissä ympäristöluokissa on esitetty taulukossa 6. [6] Ympäristöluokka Lujuusluokan K 28 vähimmäisarvot Ilmamääräsuositus [%] Suojahuokossuhde Betonipeite [mm] TB JB 32 16 8 p r TB JB E2b K45 K50 4 4 5 0,17 25 30 E3b K50 K50 4 5 6 0,25 35 40 Taulukko 2 Betonin ominaisuuksien vähimmäisarvot ympäristöluokissa E2b ja E3b [6] Betonipeitevaatimus koskee kaikkea raudoitusta, joka ei ole korroosionkestävää. Betonipeitteen paksuus on tärkein yksittäinen tekijä, joka vaikuttaa raudoituksen säilyvyyteen. Tartunnattomia jännepunoksia ei kuitenkaan luokitella korroosioherkäksi raudoitukseksi. Betonipeitteen paksuutta määritettäessä huokoisten pintalaattojen paksuutta ei voida ottaa huomioon. Pysäköintitaloissa käytetyn betonin on aina oltava veden pitävää ja tasojen vesitiiviitä. Tasojen vesitiiviys edellyttää, ettei tasorakenteessa ole vuotavia saumoja, ettei rakenne halkeile yläpinnasta ja ettei käyttötilan kuormilla rakenteen yläpinnassa esiinny vetojännityksiä. Tasojen pintaveden poistosta on myös huolehdittava ja käytännössä se hoidetaan tasojen riittävällä kallistuksella. Pysäköintirakennuksen betonirakenteen käyttöikää lyhentää oleellisesti vaakapinnoille seisomaan jäänyt klorideita sisältävä vesi. Tästä johtuen sulamis- sade- ja pesuvesien toimiva poisto on rakenteen säilyvyyden kannalta hyvin tärkeää. Veden poiston kannalta suunnittelussa huomioitavia seikkoja ovat mm.: kunnolliset ja selkeät kaadot 1:50...1:80 tasot kallistetaan ulkoseinille päin jolloin avoimista kohdista sisään pääsevä vesi ei valu koko tason yli kaadot toteutetaan kantavassa rakenteessa ts. ei erillistä pintabetonikerrosta kaatoja ei saa suunnata päin saumoja tai pystyrakenteita lattiakaivot tulee mitoittaa riittävän suuriksi ja niitä ei saa asentaa jälkivalun avulla Rakennejärjestelmät ja runkovaihtoehdot Pysäköintitaloissa rakennejärjestelmä on pilaripalkki- tai pilarilaattarunko. Kun runko jäykistetään muutoin kuin mastopilarijäykistyksellä, pilarit mitoitetaan kerroksittain nivelellisesti tuettuina sauvoina. Palkkien ja laattojen jännevälit vaihtelevat 5,0 metristä 17 metriin. Tilamitoitusohjeiden perusteella pysäköintiruutujen ollessa kohtisuorassa ajokaistaan vastaan pilariväliksi muodostuu 5,0 tai 7,5 metriä. Lämpötilan muutokselle alttiiden rakenteiden liikuntasaumaväli ei saisi ylittää 40 metriä. Mikäli liikuntasaumalohkoista kuitenkin joudutaan tekemään pidempiä on vaaka- ja pystyrakenteiden väliset liitokset on suunniteltava (ja toteutettava) siten, että vaakasiirtymät pääsevät tapahtumaan vaurioittamatta rakennetta. Runkoa jäykistävien rakenteiden suunnittelussa on myös huomioitava, että mahdollisten lämpötilan muutosten aiheuttamat muodonmuutokset ovat merkittäviä, mistä syystä jäykistävät 6
rakenteet on sijoitettava siten, että tason liikkeet niiden suhteen ovat pieniä, mikäli jäykistävät rakenteet eivät kestä siirtymiä vaurioitumatta. Pystyrakenteet Pysäköintitaloissa yleisimmin käytetty kantava pystyrakenne on pilarirunko. Jos runko on jäykistetty seinillä tai ristikoilla, pilarit mitoitetaan kerroksittain nivelellisesti tuettuina sauvoina. Tällöin pilari ottaa vastaan ylempien kerrosten keskeisen normaalivoiman, sekä epäkeskisyyttä aiheuttavan tarkasteltavan kerroksen pystykuorman ja palkkien kiinnitysmomentin.[4] Kuva 4 Kauppakeskus Sellon pilareita Vaakarakenteet Vaakarakenteet toteutetaan joko tasavahvana laattana, palkkikaistoin vahvistettuna laattana tai sienilaatalla vahvistettuna laattana. Mikäli laatan alla on palkki, voidaan käyttää huomattavasti pidempiä jännevälejä ja saadaan aikaan avara ja pilariton tila. Palkin jännemitta on tyypillisesti 16 metriä, jolloin pilarit on irrotettu 0,5 metriä seinästä. Autopaikan leveyden perusteella pilarien väliksi muodostuu joko 5 tai 7,5 metriä (kuva 5). Tällaisessa ratkaisussa merkittävä osa laatan kustannuksista muodostuu palkeista ja huonekorkeus lisääntyy palkin korkeudella. 7
Kuva 5 Palkkilaatan pilarijako Kuva 6 Tasavahvan laatan pilarijako Käytettäessä tasavahvaa laattaa on taloudellinen jänneväli 7-10 m, joskin jänneväli voi olla jopa 11 m. Pysäköintijärjestelyä ajatellen tämä laatta on huonosti soveltuva, sillä tiheämpi pilariväli hankaloittaa pysäköintipaikkojen sijoittelua (kuva 2). Toisaalta tasavahvalla laatalla huonekorkeus pysyy matalana. Sienilaatalla vahvistetulla laatalla voi jänneväli olla 10-12 m. Tällöin pilarin ja laatan välissä on sienen tai neliön muotoinen laajennus, joka lisää pilarin lävistyskapasiteettia. Sienilaattakaan ei parhaiten sovellu pysäköintitaloihin ja sen käyttö nykyään on vähäistä, sillä siihen liittyy huomattavia lisäkustannuksia ja sen valmistus on hankalaa. Eräs ratkaisu palkkilaatan vaatimaan huonekorkeuteen ja tasavahvan laatan tiheään pilariväliin on käyttää lävistysvahviketta. Laatan sisään, valumuotin päälle, sijoitetaan kartiomainen teräslevy, jolloin laatan lävistyskestävyys kasvaa sen vaikuttamatta rakennusrungon muotoon tai mittoihin. Tämä mahdollistaa hoikkien pilareiden ja ohuiden laattojen käytön jännevälin pysyessä pitkänä ja huonekorkeuden matala.[4] Pysäköintikulma Pinta-ala / autopaikka 90 21,25 m2 75 22,48 m2 60 24,92 m2 45 30,51 m2 Taulukko 3 Pysäköintikulman vaikutus autopaikan pinta-alatarpeeseen 8
Paikalla valettu betonirunko Paikalla valettu pilarilaattarakenne on pysäköintitaloihin varsin hyvin soveltuva runkovaihtoehto. Pitkillä jänneväleillä paikalla valetuissa laatoissa ja palkeissa käytetään raudoituksena tartunnattomia jälkijännitettyjä jänneteräksiä. Jälkijännitetyn laatan eduiksi voidaan lukea mm. pienet rakennekorkeudet, pienet taipumat, halkeilematon vesitiivis rakenne, pitkät jännevälit, kevyt runko ja yksinkertaiset rakenteet. Yleisimmät laattatyypit paikalla valetuissa pysäköintitalojen betonirungoissa ovat tasavahva massiivinen pilarilaatta, palkkivahvennettu pilarilaatta ja ripalaatasto. Tasavahvan massiivisen pilarilaatan (kuva 7) vaakarakenne on kahteen suuntaan kantava laatta ja sen käyttö on taloudellisinta 7 10m:n jännemitoilla. Pysäköintitalon kuormilla jänneväli-laatanpaksuus (L/h) suhteen käyttöarvo vaihtelee välillä 40 45. Tasavahva pilarilaatta ei kuitenkaan paikalla valetuista laattatyypeistä ole pysäköintitalon rungoksi sopivin, koska optimaalisinta pilaritonta jänneväliä (n. 17m) ei tällä tyypillä voida saavuttaa. Kuva 7 Tasavahva massiivinen pilarilaatta Sen sijaan palkkivahvennettu pilarilaatta (kuva 8) soveltuu erinomaisesti pysäköintitalon rungoksi, koska sillä saadaan suuretkin kuormat siirrettyä verrattain pitkien jännevälien yli kasvattamatta rakennekorkeutta ja sen mukana materiaalimenekkiä ja kustannuksia kohtuuttomasti. Laatan jänneväli on tällä tyypillä vain palkkikaistojen väli. Tässä laattatyypissä sekä laatta että palkkikaistat jännitetään. Palkkikaistojen leveyden voi suunnittelija valita melko vapaasti. 2-5 kn/m 2 :n kuormilla suhteen L/h käyttöarvo on laatalle 48 ja palkkikaistalle 30. Esimerkiksi 17m 7,5m pilarijaolla edellä esitetyillä L/h-suhteilla laatan paksuudeksi saadaan 160mm ja palkkikaistan paksuudeksi 580mm. Kuva 8 Palkkivahvennettu pilarilaatta 9
Ripalaataston (kuva 9) taloudellinen jänneväli on 12 20m, mistä syystä myös ripalaatasto on pysäköintitalon rungoksi sopiva. Pysäköintitalojen kuormilla ripaväliksi muodostuu noin 1,5m ja suhteen L/h käyttöarvoksi rivoille 35. Esimerkiksi siis 16,5m:n jänteellä tason rakennekorkeus on 480mm. Kuva 9 Ripalaatasto Betonielementtirunko Pysäköintitalot on varsin luonteva elementtirungon käyttökohde, koska p-talorunko on liki poikkeuksetta hyvin säännöllinen, jolloin elementtitekniikan käyttö on helppoa ja elementti sarjat kohtuullisen pitkiä. Lisäksi jännitetyillä elementeillä päästään melko matalalla rakennekorkeudella tavoitteelliseen 16 17m:n jännemittaan. Tasojen vesitiiviysvaatimus on elementtitekniikalla kuitenkin hankala täyttää elementtisaumojen osalta. Tästä syystä elementtitasot tehdään yleensä liittorakenteisina valamalla pintavalu paikallavaluna työmaalla laattaelementin päälle, jolloin vesitiiviys saavutetaan pintavalulla. Tämä kuitenkin edellyttää suhteellisen tiheää liikuntasaumaväliä. Tavoiteltu 17m:n jännemitta voidaan saavuttaa niin TT-, ontelo- kuin kuorilaattapalkkiyhdistelmälläkin. Jälkimmäisessä itse kuorilaatan (kuva 10) jännemitta on suuruusluokkaa 4,8 7,2m. Kuva 10 Kuorilaatta 10
Kuva 11 Ontelolaatan pintavaluesimerkki Kuva 12 TT-laatan pintavaluesimerkki Vesitiiviin TT-laatan saumat voidaan tiivistää myös ruostumattomalla peltikaistalla, jolloin pintavalua ei tarvita. Suorakulmaisen pysäköinnin tapauksessa käytettäessä ontelolaattoja jää autopaikan leveydeksi vain 2,4m johtuen laatan 1,2m:n standardileveydestä. TT- ja kuorilaattaa käytettäessä pysäköintiruudun leveyttä ei tarvitse rajoittaa. Teräs- ja liittorakennerunko Yhdistämällä teräs ja betoni liittorakenteeksi aikaan saadaan varsin kilpailukykyinen vaihtoehto pysäköintitalon runkorakenteeksi. Pilarit tehdään pääsääntöisesti liittorakenteisina betonitäytteisinä putkipilareina. Näin pilarit voidaan toteuttaa ulkomitoiltaan pieninä, mikä helpottaa pysäköintitilan käyttöä ja betonitäytteen myötä palosuojaustarve pienenee. Kantava vaakarakenne voi liittorungossa olla joko liittopalkki tai laatta. Palkkien jänneväliksi kannattaa valita 15 17m, jolloin jälleen säästytään pilareilta pysäköintiruudun etukulmassa ja ruutuun ajaminen helpottuu. Liittolaatasto voidaan tehdä kuorilaatan ja betonin tai profiilipellin ja betonin liittorakenteena. Kuorilaatta voidaan tehdä, joko primääri- tai sekundaaripalkkeihin tukeutuvana laattana. Kun primääripalkkien väli on noin 7,5m tai yli on primääripalkkeihin tukeutuvien sekundaaripalkkien käyttö taloudellista. Liittopeltilaattaa voidaan käyttää kuorilaatan tapaan. Lyhyemmillä jänneväleillä liittopeltilaatta toimii myös ilman kantavia palkkeja palkkivahvennettuna liittolaattana. Tällöin palkkivahvennus kantaa pidemmän jänteen yli ja laatta palkkivahvennusta vastaan kohtisuorassa suunnassa. Sekä palkit että laatta on edullista tukea ja tuilla jopa esikorottaa betoniosan valun ajaksi, jolloin valutukien ja esikorotuksen poistaminen saa aikaan esipuristuksen betonikanteen. Tämä betonin alla olevan teräsmuotin kanssa takaa tason vesitiiviyden. 11
Paikallavaletut jälkijännitetyt pysäköintirakennukset Jännitettyjä betonirakenteita on tutkittu 1900-luvun alusta jolloin tavoitteena oli löytää menetelmä, jolla voitaisiin estää teräsbetonirakenteiden halkeilu. 1930-luvulla tunnettiin jo betonirakenteiden jännittämisen periaatteet: tarvitaan tarpeeksi korkealuokkainen teräs joka kestää riittävän esijännittämisen sekä betoni, jonka ajan myötä tapahtuvat muodonmuutokset (viruminen ja kutistuminen) ovat kyllin pienet. Jännitetty betonirakenne toimii periaatteessa samoin kuin teräsbetonirakenne, jota kuormitetaan ulkoisella puristavalla normaalivoimalla. Valitsemalla tämän puristuseli jännevoiman sijainti ja suuruus sopivasti saadaan rakenteeseen esikuormitus, jonka vaikutus on päinvastainen kuin ulkoisen kuorman vaikutus. Tartunnattomissa, eli ns. rasvapunosjänteissä jänteissä jännevoima siirtyy rakenteeseen vain ankkureiden ja jänteen kulmanmuutoksen välityksellä. Koska teräsjänne kulkee rasvassa muovikuoren sisällä punoksen ja betonin välistä tartuntaa ei siis synny. Tartunnattoman punosjänteen pääosat on esitetty kuvassa 13 [3]. Kuva 13 Tartunnattoman punosjänteen osat Tartunnattomilla jänteillä jännitettyjä betonirakenteita on Suomessa käytetty pääasiassa pysäköintirakennuksissa sekä erilaisissa kansirakenteissa. Asuin- ja toimistorakennuksissa käyttö on ollut vähäistä. Suurin tartunnattomin jäntein toteutettu toimistorunko on Sanomatalo Helsingissä, joka on toteutettu 9,4 metrin jännevälillä. Tartunnattomilla punoksilla jännitettyjä rakenteita on myös käytetty erilaisissa vesitiiviyttä vaativissa rakenteissa kuten erilaisissa altaissa, säiliöissä ja siiloissa. Jälkijännitetyn rakenteen ominaisuudet Jälkijännitetyn rakenteen edut perinteiseen paikallavalettuun betonirakenteeseen verrattuna ovat: pidemmät jännevälit hoikemmilla rakenteilla pienemmät lyhyt- ja pitkäaikaistaipumat rakenteessa ei ole vetojännityksiä joten halkeamia ei synny tai ne ovat pieniä edellisestä johtuva rakenteen vesitiiveys jänneteräkset ovat hyvin korroosiosuojatut, jolloin saavutetaan pidempi käyttöikä ja pienempi huollon ja korjausten tarve hyvä kestävyys väsytyskuormituksia vastaan 12
Jälkijännitettyjen rakenteiden käyttöä vähentäviä tekijöitä puolestaan ovat muun muassa: jännitettyjen rakenteiden toteutus vaatii erikoisosaamista työmaalla jännittäminen on erillinen työvaihe, joka on sovitettava muun rakentamisen aikatauluun pienehköissä kohteissa kallis ratkaisu Yhteenveto Pysäköintitalon runko voidaan toteuttaa usealla eri tavalla. Käyttömukavuuden kannalta ratkaisu voi olla helppo, mutta toteutus valitaan yleensä kompromissina hinnan ja käytettävyyden perusteella. Pysäköintitalo voidaan joutua toteuttamaan ahtaisiin olosuhteisiin, eikä tällöin ole taloudellisesti järkevää olla noudattamatta tilan asettelemia reunaehtoja. 13
Lähdeluettelo: [1] RIL 144-2002 Rakenteiden kuormitusohjeet [2] SRMK E4 (2005) Autosuojien paloturvallisuus, ohjeet [3] T. Aho, P. Vuorinen: Paikalla valettu jälkijännitetty pysäköintirakennus. Suomen Betonitieto Oy, Lahti 2000 [4] Suomen Rakennusinsinöörien Liitto RIL ry: Pysäköintilaitosten suunnittelu ja rakentaminen, RIL K147-1992. 1992 [5] Suomen Rakennusinsinöörien Liitto RIL ry: Rakenteellinen paloturvallisuus IV Pysäköintilaitokset, RIL 195-4-1999. 1999 [6] Suomen Betoniyhdistys ry: Betonirakenteiden säilyvyysohjeet ja käyttöikämitoitus, BY32. 1992 14