Liitosten kuormat

Yleistä

Kuormia ja niistä aiheutuvia voimia määritettäessä kuormitusnormeja ja rakenteiden kantavuuden määrittäviä laskentanormeja ja ohjeita ei saa käyttää liitosten suunnittelussa sekaisin, vaan normien suhteen on pysyttävä samassa järjestelmässä. Suomessa siirrytään 1.4.2011 lukien eurokoodien käyttöön rakenteiden suunnittelussa ja mitoituksessa. Tämän jälkeen muiden suunnitteluohjeiden käyttö on sallittu, jos ne eivät ole ristiriidassa eurokoodijärjestelmän kanssa. Tällaisia tilanteita voi tulla, jos tarpeellista ohjeistusta ei ole eurokoodeissa tai niihin liittyvissä määräyksissä esitetty. Tapauskohtaisesti rakennuskohteessa voidaan sallia muiden kuin eurokoodien käyttö, mutta siitä tulee sopia erikseen paikallisen rakennusvalvonnan kanssa. Siirtymäaikana 1.4.2011 saakka voidaan RakMk:n normeja ja tähän järjestelmään liittyviä määräyksiä käyttää vapaasti. Käytettäessä eurokoodeja Suomessa rakennettaviin kohteisiin, tulee rakenteiden suunnittelussa noudattaa ympäristöministeriön vahvistamia kansallisia liitteitä. Tässä esityksessä selvitetään eurokoodin huomioonottamista liitosten kuormien siirrossa. Rakennusten kuormituksia yleisemmin on käsitelty kohdassa suunnitteluperusteet ja kuormitukset.

Liitosten mitoitusperusteet

Liitoksia mitoitettaessa tulee huolehtia siitä, että ne kestävät kaikki todennäköisesti esiintyvät kuormat ja niiden vaikutukset käyttöikänsä ajan, ja että annetut varmuusvaatimukset täyttyvät.

Liitosten vaadittu varmuustaso saavutetaan, kun suunnittelu suoritetaan rakennuskohteessa valitun suunnittelujärjestelmän mukaisesti. Jos liitoksen suunnittelussa on käytössä voimia, jotka on saatu eri suunnittelujärjestelmällä, tulee ne määrittää uudestaan käyttämällä samaa järjestelmää, koska eri suunnittelujärjestelmissä varmuustason hallinta on hyvin erilaista.

Eurokoodeja käytettäessä liitosten varmuustasoon vaikuttavia asioita ovat:

• kuormien laskentamenettely ja kuormien ominaisarvot
• käyttö- ja murtorajatilan kuormayhdistelyt
• kuormien ja kuormayhdistelmien osavarmuusluvut
• seuraamusluokan määrittely ja siitä saatava luotettavuusluokka ja vastaava kuormakerroin
• ulkoisten kuormien kertoimet kuten muoto-, rakenne-, voima-, kitka- ja painekertoimet
• materiaalien osavarmuuskertoimet
• suunniteltu käyttöikä ja säilyvyys
• dynaamisten kuormien huomioiminen liitoksissa käyttöaikana
• tukipintojen mitat
• raudoitusten ankkuroinnit tuki- ja liitosalueilla
• asennus- ja valmistustoleranssien huomioiminen
• rakenteiden vinouden huomioiminen
• rakennuksen jäykistyksen vaikutukset liitosten kuormiin

Liitosten kuormien luokitus ja ominaisarvot

Liitosten kuormien luokitus ja ominaisarvot perustuvat niiden ajasta riippuvaan vaihteluun:

• pysyviä kuormia (G) ovat esim. rakenteiden ja laitteiden oma paino, kutistumisen ja epätasaisen painuman aiheuttama kuormitus sekä rakenteen esijännitys
• muuttuvia kuormia (Q) ovat esim. hyötykuormat, tuulikuormat ja lumikuormat
• onnettomuuskuormia (A) ovat esim. räjähdykset ja ajoneuvojen törmäykset
• pakkosiirtymistä aiheutuva kuorma voi olla joko pysyvää (viruma) tai muuttuvaa (lämpötilavaihtelu)
• väsyttävät kuormat aiheuttavat rakenteeseen väsytystä esim. korkeat ja hoikat tuulelle alttiit rakenteet ja kylmän ja lämpimän rakenteen liitokset, joissa lämpöliike pääsee tapahtumaan kuten parvekeliitokset jne.
  HUOM. Standardeissa EN 1992...EN 1999 esitetään materiaalien ja tuotteiden ominaisuudet sekä niiden mittatiedot, mm miten rakenneosia mitoitettaessa otetaan huomioon epätarkkuudet ja materiaalikohtaiset vaikutukset (esimerkiksi keskimääräisen jännityksen vaikutuksen tai epälineaaristen vaikutusten huomioon ottaminen).
• dynaamiset kuormat huomioidaan tavallisesti siten, että staattiset ominaiskuormat kerrotaan dynaamisella suurennuskertoimella ja mitoitus suoritetaan näin saadulla kuormalla

Materiaalien osavarmuusluvut

Murtorajatilojen materiaaliosavarmuusluvut:

Suomen kansallisen liitteen liitteen A mukaan voidaan materiaalien osavarmuuslukuja pienentää, jos käytetään RakMK B4 rakenneluokkaa 1 vastaavia mittapoikkeamia, arvoihin γC,red1 = 1,35 ja γS,red1 = 1,1.

Kuormien osavarmuusluvut

Murtorajatilassa pysyvän kuorman osavarmuuskerroin γm on 1,15 KFl tai 0,9, kun kuormitusyhdistelmässä on mukana muuttuvia kuormia (kuormitusyhdistelmässä valitaan määräävämpi).

Rakenteen tai rakenneosien kestävyys tarkistetaan myös kuormitusyhdistelmälle, jossa on pelkästään pysyviä kuormia. Tällöin pysyvän kuorman osavarmuuskerroin on 1,35 KFl tai 0,9 (kuormitusyhdistelmässä valitaan määräävämpi).

Murtorajatilassa muuttuvan kuorman osavarmuuskerroin γm on 1,50.

Käyttörajatilassa kuormien osavarmuuskertoimena käytetään yleisesti γm = 1,0.

Liitosten kuormien laskennassa on lisäksi huomioitava seuraamusluokasta riippuva kuormakerroin KFl. Kerrointa KFl ei käytetä väsytys- eikä käyttörajatilatarkasteluissa.

Muuttuvien kuormien yhdistelykertoimet

Muuttuvan kuorman edustavana arvona käytetään arvoa Fk = ψQ, jossa ψ on muuttuvan kuorman yhdistelykerroin. Yhdistelykertoimena käytetään jotakin seuraavista:

a) ψ0 = muuttuvan kuorman yhdistelykerroin mm. ominaisyhdistelmässä (murtorajatila ja palautumaton käyttörajatila)

b) ψ1 = muuttuvan kuorman yhdistelykerroin (onnettomuuskuormia sisältävä murtorajatila ja palautuva käyttörajatila)

c) ψ2 = muuttuvan kuorman pitkäaikaisarvon yhdistelykerroin (onnettomuuskuormia sisältävä murtorajatila ja palautuva käyttörajatila)

*) Ulkotasoilla ja parvekkeilla ψ0 = 0 luokkien A, B, F ja G yhteydessä.
Huom: Mikäli rakennuksessa on eri kuormaluokkia, joita ei voi erotella selviin ryhmiinsä, käytetään ψ-arvoja, jotka antavat epäedullisimman vaikutuksen.

**) Lisätty Suomen kansalliseen liitteeseen.

Kuormien yhdistely

Yhdistelykaavassa käytetyt merkinnät kuormille:

Gk,j pysyvät kuormat (epäedullisen tai edullisen vaikutuksen aiheuttava)

Qk,1 määräävä muuttuva kuorma

Qk,j muut muuttuvat kuormat

ψ yhdistelykerroin taulukon mukaisesti

P esijännitysvoima

Murtorajatilan kuormayhdistelmä

Rakenteen tai rakenneosan kestävyyttä laskettaessa kuormitusyhdistelmä on:

 Kuitenkin vähintään

 Selostus: seuraamusluokka (ja kuormakerroin) huomioiden yhdistetään

• epäedullisen vaikutuksen aiheuttavat pysyvät kuormat (Gk) kerrottuna kertoimella 1,15 KFI
• edullisen vaikutuksen aiheuttavat pysyvät kuormat (Gk) kerrottuna kertoimella 0,9 (huom. ei kerrointa KFI)
• esijännitysvoimat P kerrottuna osavarmuuskertoimella γP (ks. EN 1992…EN 1996 ja EN 1998…EN 1999)
• määräävä muuttuva kuorma Qk,1 kerrottuna kertoimella 1,5KFI
• muiden samanaikaisten muuttuvien kuormien Qk,j yhdistelyarvot (ψ0,iQk,i) kerrottuna kertoimella 1,5KFI
• käytetään rakenteiden mitoituksessa
• yhdistelmää käytetään myös mitoitettaessa rakenneosien kestävyyttä, kun mitoitukseen vaikuttavat geotekniset kuormat ja maapohjan kantavuus.

Käyttörajatilojen kuormayhdistelmät

Kuormitusyhdistelmät valitaan siten, että ne ovat tarkoituksenmukaisia tarkasteltavien käyttökelpoisuusvaatimusten ja toimivuuskriteerien kannalta.

Kuormitusyhdistelmät ovat:

a) Ominaisyhdistelmä

 Selostus:

• tätä ominaisyhdistelmää käytetään tavallisesti palautumattomille rajatiloille
• palautumaton rajatila = rajatila, jossa kaikki käyttökelpoisuusvaatimuksen ylittävät kuormien vaikutukset eivät palaudu, kun kuormat poistetaan (esim. halkeillut poikkileikkaus, muurattujen seinien halkeilu).

b) Tavallinen yhdistelmä

 Selostus:

• tavallista kuormayhdistelmää käytetään tavallisesti palautuville rajatiloille
• palautuva rajatila = käyttörajatila, jossa jokainen käyttökelpoisuusvaatimuksen ylittävä kuormien vaikutus palautuu, kun kuormat poistetaan.

c) Pitkäaikaisyhdistelmä

 Selostus:

• pitkäaikaisyhdistelmää käytetään tavallisesti pitkäaikaisvaikutuksille ja rakenteen ulkonäön kannalta.

Liitosten mitoitustilanteet

Mitoitustilanteet tulee valita ottamalla huomioon olosuhteet, joissa rakenteen edellytetään täyttävän tehtävänsä.

Liitosten mitoitustilanteet ovat:

• normaaleja käyttötilanteita koskevat kuormitustapaukset
• tilapäisiä käyttötilanteita koskevat kuormitustapaukset esim. toteutuksen ja korjauksen aikana
• onnettomuustilanteita koskevat kuormitustapaukset
• maanjäristystilanteita koskevat kuormitustapaukset (vain maanjäristysalueilla)

Valittujen mitoitustilanteiden tulee olla riittävän ankaria ja vaihtelevia, jotta ne käsittävät kaikki tilanteet, joiden voi perustellusti ennakoida esiintyvän rakenteen toteutuksen ja käytön aikana.

Piirustuksissa ja laskelmissa tulee käyttää mitoitusjärjestelmän mukaisia kuorman ominaisarvoja. Koneiden ja laitteiden kuormina käytetään valmistajan ilmoittamia todellisia painoja. Kuormien mahdolliset dynaamiset vaikutukset tulee huomioida.

Liitosta suunniteltaessa tarkistetaan liitoksen kestävyys murto- ja käyttörajatilassa. Murtorajatilassa liitokset mitoitetaan normaaleja kuormien ja materiaalien osavarmuuskertoimia käyttäen. Käyttörajatilassa käytetään käyttörajatilan mukaisia kuormien ja materiaalien osavarmuuskertoimia ja selvitetään, että käyttörajatilat eivät ylity, esim. halkeamaleveys tai taipuma. Onnettomuustilanteita mitoitettaessa käytetään murtorajatilan menetelmiä mutta pienennetään kuormien ja materiaalien osavarmuuskertoimia.

Liitosten mitoituksessa tulee ottaa huomioon vaakakuormat, pystykuormat, betonin viruma, betonin kutistuma, lämpöliike, omapaino, hyötykuorma, onnettomuuskuorma, staattinen kuorma, pysyvä kuorma, muuttuva kuorma, luonnon kuorma, dynaaminen kuorma, väsytyskuorma, painekuorma, iskukuorma, rakenteiden vinous jne. Myös rakenteen käyttöikä, rasitusluokka, palonkestävyys ja äänitekniset vaatimukset tulee ottaa huomioon.

Staattiset kuormat ovat suuruudeltaan ja suunnaltaan tunnettuja, sen sijaan dynaamiset kuormat voivat vaihdella suuruudeltaan ja suunnaltaan ja ne voivat olla rakennetta ja materiaalia väsyttäviä. Liitoksessa vaikuttavat staattisia voimia ovat leikkausvoima, normaalivoima, momentti, vääntömomentti ja näiden yhdistelmät.

Liitoksen dynaamiset kuormitukset korvataan usein staattisilla voimilla ja liitos mitoitetaan niille normaalien mitoitussääntöjen mukaan.

Liitoksessa voi lisäksi vaikuttaa väsyttäviä kuormituksia. Väsyttäviä kuormia määritettäessä tulee huomioida mm. kuormanvaihtoluku ja jännitysten vaihteluväli. Eurokoodin SFS-EN 1990 kohdassa 4.1.4 on tarkemmin esitetty väsyttävien kuormien huomioimisesta liitosten mitoituksessa.

Liitosten suunnittelu

Betonielementtirakenteiden liitosten suunnittelu tapahtuu eurokoodien mukaan (SFS-EN 1992- 1-1). Betonielementtejä ja betonielementtirakenteita koskevat lisäsäännöt ovat ko. standardin luvussa 10. Suunnittelu perustuu laskelmiin ja eurokoodijärjestelmän mukaisesti määritettyihin elementtien välisiin rasituksiin ja voimiin, sekä rakenteen geometriaan.

Elementtien liitoksissa selvitetään:

• liittyvien rakenneosien / elementtien geometriatiedot, tuet ja tukipinnat
• vaikuttavat normaalikuormitukset (omapaino ja hyötykuormat)
• muut rasitukset (lämpötilamuutokset, epäkeskeisyydet, rakenteen vinous)
• erityis- ja onnettomuuskuormat sekä palonkestovaatimus
• rakenteen käyttöikävaatimus, jonka myös liitosten tulee täyttää
• maanjäristyskuormituksen liitoksiin aiheuttamat rasitukset seismisillä alueilla.

Liitoksen määräävät rasitukset

Kuormien yhdistelyssä selvitetään osavarmuuskertoimet, ja määräävä kuormitusyhdistely liitokselle ja sen kullekin rakenneosalle. Liitokset suunnitellaan, sekä asennusaikaisille, että lopullisille kuormituksille.

Liitoksen suurimmat rasitukset ja vastaavat muut kuormituskomponentit ovat:

• suurin normaalivoima N, vastaavat leikkausvoima Q ja taivutusmomentti M
• suurin leikkausvoima Q, vastaavat normaalivoima N ja taivutusmomentti M
• suurin taivutusmomentti M, vastaavat normaalivoima N ja leikkausvoima Q.

Tarkistettavat käyttörajatilaehdot ovat seuraavat:

• sallitut kuormitusten aiheuttamat muodonmuutokset (käyttörajatila) oletetuilla reunaehdoilla
• liitoksen toiminnalliset vaatimukset (nivel, jousto, muodonmuutoskyky)
• muut suunnittelussa huomioitavat ja työmaalla tarkastettavat ominaisuudet (esim. liikevarat ja toleranssit).

Suunnitelmissa osoitetaan rakenteen ja sen osien vakavuus rakennusaikana ja valmiina rakenteena.

Tyypillisiä kitkan aiheuttamia voimia liitospinnoilla

Esimerkkitapauksia liitosten välisen kitkan (lepokitka, liikekitka) aiheuttamista voimista rakenteeseen sekä erilaisten tukipintojen välittämistä voimista (Betonielementtirakenteet RIL 115).

μ1= lepokitkakerroin, μ = liikekitkakerroin