Yleistä
Toimistorakennuksissa yleisesti käytetty ulkoseinäratkaisu on ei-kantavat, kerroksittain vaakarakenteisiin tuetut ruutu- tai nauhasandwich-elementit.
Sandwich-rakenteen ominaisuuksia:
- korkea esivalmistusaste, nopea rakentamisaika ja kilpailukykyinen hinta
- julkisivun komponentit on siirretty valmistettavaksi säältä suojattuihin olosuhteisiin
- työmaalla tehtävän asennustyön määrä pienenee johtuen kerrosrakenteen yhteensidonnasta
- rakennukseen saadaan lämpö päälle vesikaton asennuksen jälkeen ja kuivatus voi alkaa.
- sisä- ja ulkokuorilla erilaiset suunnittelukäyttöiät
- sandwich-rakenteen sisä- ja ulkokuoren välille syntyy pakkovoimia, jotka on otettava suunnittelussa huomioon
- kuoret sidotaan yhteen ansailla ja pistokkailla, ulkokuori kannatetaan kerroksittain sisäkuoresta
- kosteuden pääsy rakenteen sisälle on estettävä kuljetuksen, varastoinnin ja asennuksen aikana
- rakenne ei ole täysin joustava aukotuksen ja saumojen sijoittelun suhteen
- lämmöneristeenä yleensä uritettu mineraalivilla, voidaan käyttää myös XPS-, EPS- tai PIR- ja PUR -eristeitä.
Tuuletus
Tutkimusten mukaan XPS-, EPS- ja PIR/PUR -eristeisissä sandwichrakenteissa ei tarvita tuuletusuritusta. Tällöin kosteus poistuu rakenteesta diffuusiolla ulkokuoren lävitse. Tuulettuvissa rakenteissa kosteus poistuu diffuusion lisäksi ilmavirtausten avulla tuuletusurista.
Mineraalivillaeristeisillä sandwich-elementeillä käytetään uritettua mineraalivillaa, joka suojataan urasuojalla. Urasuojamateriaalin kosteudenläpäisevyys on oltava suuri verrattuna ulkokuoren kosteudenläpäisevyyteen. Tuuletuksen toimivuuden edellytyksenä on ilman esteetön kulkeminen urien muodostamassa urajärjestelmässä.
Ikkunoiden tehdasasennukset
Sandwich-ulkoseinärakenne on mahdollista toteuttaa siten, että elementteihin on asennettu ikkunat valmiiksi tehtaalla. Kiinnitysosina käytetään kuumasinkittyjä karmikenkiä, jotka eivät ole alttiita kuivumisesta ja kostumisesta tapahtuville muodonmuutoksille kuten puukehykset.
Etuja
- kylmänä vuodenaikana julkisivut saadaan nopeasti umpeen
- ikkuna-aukkojen erillistä työturva- ja sääsuojausta ei tarvita
- nostokapasiteetin tarpeen väheneminen
- ikkunoiden vaakasiirrot holvilla jäävät pois
- ei ikkunoiden välivarastointia työmaalla, varastotilan tarve vähenee
- ikkunakarmien tiivistystyö vähenee, kun tehtaalla tiivistetään ikkunan sivut
Huomioita
- Varmistettava kohdekohtaisesti valmistajalta
- Ikkunoiden koko huomioiden nosto ja kuljetus
- Ikkunoiden suojaus tehtaalla, kuljetuksessa ja työmaalla
Varsinkin korkeissa rakennuksissa ikkunoiden asentaminen tehtaalla on havaittu edulliseksi ratkaisuksi.
Koko ja kuorien paksuudet
Sandwich-elementtien maksimimitat määräytyvät valmistuksen, kuljetuksen ja asentamisen asettamien rajoitusten sekä kuorien välisten kuormitustekijöiden perusteella. Maksimimitat voivat vaihdella eri tehtaiden välillä. Eri kuljetusreiteillä suurin sallittu korkeus vaihtelee, mutta normaalikuljetuksessa elementin maksimikorkeus on yleensä 3600-4200 mm . Maksimikorkeudella tarkoitetaan koko elementin korkeutta huomioiden elementistä ulostulevat tartunnat ym. osat. Korkeammat elementit vaativat erikoiskuljetuksen ja ns. ilmassa tapahtuvan kääntämisen, joka on erikoisnosto ja huomioitava elementtien asennussuunnitelmassa sekä elementin suunnitelmassa. Nostokalusto työmaalla rajoittaa elementin maksimipainon yleensä n.10 tn:iin. Painavampia elementtejä suunniteltaessa on selvitettävä työmaan nostokaluston kapasiteetin riittävyys.
Kantavan sandwichelementin sisäkuoren paksuus on tavallisesti 150mm ja ei-kantavan 80mm. Ulkokuoren paksuus vaihtelee tyypillisesti 70-85mm. Ulkokuoren paksuuteen vaikuttaa haluttu raudoitustyyppi sekä valittu pintamateriaali.
Kun kuorien välinen yhteistoiminta varmistetaan diagonaaliansailla, syntyy ulkokuoreen pakkovoimia, jotka eivät ole kuitenkaan merkittäviä, jos kuoren korkeus ei ylitä 3000 mm. Tätä korkeampiin elementteihin ansaita asennetaan vain osaan elementtiä.
Rakenteellinen toiminta
Sisäkuori toimii sandwich-elementissä kuormaa kantavana, puristettuna ja taivutettuna rakenneosana. Betonikuorien välinen yhteistoiminta saadaan aikaan tavallisesti diagonaaliansailla ja ns. pistokkailla.
Ansaat
- ulkopuolen paarre merkitty värillä
- tasajaolla k 600 – k 1200
- kapeissa pielissä suositellaan käytettäväksi tupla-ansastusta
- aukkojen reunoille pistokkaat
- mikäli ansaat toimivat nostoissa tarvitaan nelinkertainen varmuus
- käännettävissä elementeissä poikittaiset ansaat
- aukkojen päällä mahdolliset palkkiansaat
- Jos kuori on yli 3000 mm korkea, asennetaan diagonaaliansaat vain osaan elementtiä pakkovoimien takia.
Diagonaalit ja pistokkaat toimivat vedettyinä ja puristettuina sauvoina, joiden avulla ulkokuorelta tuleva oma paino ja tuulikuorma sekä elementin kuljetuksesta aiheutuvat kuormat viedään sisäkuorelle. Kova lämmöneriste voi myös siirtää painekuormia sisäkuorelle. Lämmöneristeen vaikutus sandwich-elementin jäykkyyteen on tutkimusten mukaan kuitenkin vähäinen. /TTY 2009.
Ansaiden tehtävänä on ripustaa ulkokuori sisäkuoreen sekä estää ulkokuoren liiallinen kaareutuminen elementin keskikohdalla ja reunoilla. Kaareutuminen on seuraus epätasaisesta kuivumiskutistumasta ja ilman kosteus- ja lämpötilavaihteluista. /Julkisivu 2000.
Kutistumaeroja syntyy ulkokuoren sisä- ja ulkopinnan välille, kun ulkokuori alkaa kuivua joutuessaan alttiiksi suoralle auringon paisteelle. Tällöin nopea kuivuminen ja kutistuminen alkaa ulkokuoren ulkopinnasta sisäpinnan pysyessä vielä lähes kutistumattomana. Ulkokuori alkaa kaareutua keskeltä sisäänpäin.
Betonin materiaaliominaisuuksista kutistumaan vaikuttavat eniten vesi- ja sementtimäärä. Myös betonin lujuus, hienoainesmäärä ja runkoaineen raekokojakauma vaikuttavat kutistuman suuruuteen.
Ulkokuoren kosteuden vaihtelu noudattaa ulkoilman suhteellisen kosteuden vaihteluita. Talvella ulkokuori on kosteimmillaan ja aina keväisin ja kesäisin se kuivuu auringon säteilyn, lämpötilan kohoamisen ja suhteellisen kosteuden alenemisen vaikutuksesta. Ulkokuori kuivuu noin kahdessa vuodessa ympäristön kosteutta vastaavalle tasolle.
Kutistumagradientti ja lämpögradientti ja niiden yhteisvaikutus
Kutistumagradientti
Ulkokuoren ulkopinta kuivuu aluksi ulkoilman suhteellista kosteutta vastaavalle tasolle. Ulkokuoren sisäpinta on vielä kosteampi. Tällöin muodostuu pintojen välille kutistumagradientti eli muodonmuutosero.
Kutistumagradientin suuruus riippuu betonin kuivumiskutistumasta ja eristeen kautta tapahtuvasta kuivumisesta. Jos elementin valmistuksen ja asennuksen välillä on enemmän aikaa, voi ulkokuori kuivua merkittävästi myös eristeen kautta. Ulkokuoren sisäpinnan kuivumista parantaa myös eristeen uritus ja kosteuden poistuminen avoimien saumojen kautta.
Ulkokuoreen syntyy kutistumaeroja myös elementin reunoihin ja aukkojen pieliin, missä reunat kuivuvat sisäosia nopeammin.
Lämpögradientti
Julkisivun lämpötila voi nousta kuumana tuulettomana päivänä lähelle +50 °C (tumma pinta). Kovilla pakkasilla voi ulkokuoren pintalämpötila olla alimmillaan -30 °C.
Lämpögradienttieli lämpötilaero ulkokuoren ulko- ja sisäpinnan välillä voi olla 70 mm
vahvuisessa kuoressa minimissään -12 °C ja maksimissaan +5 °C./Julkisivu 2000.
Lämpötilarasituksiin vaikuttavat
- Betonin lämpölaajenemiskerroin 0.00001 /°C, mikä tarkoittaa, että 10 °C lämpötilan muutosta vastaa 0.1‰ muodonmuutosrasitus.
- Julkisivun pinnan lämpöabsorptiokerroin, joka vaihtelee lähinnä julkisivun pinnan värin mukaan. Tumma pinta absorboi auringon säteilyä vaaleaa pintaa enemmän.
Yhteisvaikutus
Kutistuma- ja lämpötilaerojen maksimit eivät vaikuta samaan aikaan. Kun ulkokuori on kosteuden vaikutuksesta talvella pisimmillään, on lämpötila alhainen ja ulkokuori lyhenee. Kesällä taas lämpö laajentaa ulkokuorta ja alhainen kosteus pyrkii kumoamaan laajenemisen.
Tutkimusten mukaan kutistumasta aiheutuva kaareutuminen on selvästi suurempi kuin lämpötilasta johtuva. Käytännössä tarkasteluun otetaan vain kutistuman aiheuttama kaareutuminen. Ulkokuori pyrkii kaareutumaan keskeltä sisään ja elementin ulkoreunoilta sekä aukkojen reunoilta ulospäin. /TTY 2009
Pakkovoimat
Kutistuma- ja lämpötilaerojen aiheuttamista muodonmuutoksista syntyy ns. pakkovoimia, koska ansaat betonikuorten välillä pyrkivät estämään ulkokuoren liikkeitä. Estetyistä muodonmuutoksista syntyvät jännitykset riippuvat rakenteen jäykkyydestä siten, että mitä suurempi on jäykkyys, sitä suuremmat ovat jännitykset.
Betonirakenteiden jäykkyys voi tunnetusti vaihdella paljonkin halkeilun seurauksena. Jos muodonmuutoksista aiheutuva jännitys saavuttaa betonin vetolujuuden, niin rakenne halkeilee ja jäykkyys pienenee. Tällöin myös jännitykset pienenevät.
Sandwich-elementin ulkokuoren pakkovoimat ovat rakenteen halkeilun kannalta määrääviä. Ulkokuoren tasaisesta pituuden muutoksesta syntyvät rasitukset ovat pieniä, sillä ansaiden jäykkyys on hyvin pieni kuoren aksiaaliseen jäykkyyteen verrattuna. Tästä seuraa, että ansaat joustavat niin paljon, että kuoreen ei synny halkeilua.
Kutistumaerosta aiheutuvat taivutusjännitykset ovat sen sijaan merkittäviä. Ansaat rajoittavat ulkokuoren kaareutumista, jolloin syntyy halkeilua aiheuttavia taivutusjännityksiä.
On todettu, että Suomen oloissa ulkokuoren 0.4‰ kutistumagradientti, joka vastaa 0.6-0.7‰ kokonaiskutistumaa ei ole poikkeuksellinen. Tällöin ulkokuoren pintaan syntyy mikrohalkeilua, koska ulkokuoren halkeilukestävyys ylittyy taivutusrasitusten seurauksena. Halkeilun kannalta betonin suurin sallittu loppukutistuma on 0.6‰. Tätä suurempi kutistuma voi aiheuttaa ulkokuoreen näkyviä halkeamia. /Julkisivu 2000.
Julkisivun saumojen asennusleveys saa olla korkeintaan 30 mm. Tätä leveämmät saumat rasittavat liikaa saumausmassaa ja elementtien reunoja.
Elementin koko ja muoto
Kutistumasta ja lämpötilan muutoksesta johtuvat elementin ulkokuoren pituuden muutokset ja kaareutuma kasvavat elementin koon suurentuessa. Samalla pakkovoimat kasvavat. Halkeiluriskin kannalta yli 6 m pitkiä elementtejä tulisi välttää. Erityisesti, jos elementissä on aukkoja, sillä niiden nurkkiin voi syntyä näkyviä halkeamia. Halkeilua voidaan kuitenkin hallita käyttämällä kapeissa ikkunoiden ja ovien pielissä ns. valesaumoja tai uritusta. /Julkisivu 2000