Kantavien kuitubetonirakenteiden yleistymisen esteenä on ollut yleisesti hyväksyttyjen mitoitusohjeiden puuttuminen. Teräskuitubetonirakenteiden mitoitus on tähän mennessä perustunut lähinnä kuitutoimittajien laatimiin, omilla laskentaohjelmilla tehtyihin tai ulkomaisiin suunnitteluoheisiin perustuviin laskelmiin. Viime vuonna julkaistu by 66 Teräskuitubetonirakenteiden suunnitteluohje 2018 on laadittu SFS-EN 1992-1-1-standardia täydentäväksi teräskuitubetonirakenteiden kansalliseksi suunnitteluohjeeksi vastaamaan alalla esiintyvään tarpeeseen. Ohje perustuu pääosin ruotsalaiseen SS 812310:2014 -standardiin sekä muihin eurooppalaisiin ohjeisiin tai standardeihin.
Kuva 1. Teräskuitubetonirakenteiden suunnitteluohje 2018 [1].
Uusi By 66 -ohje täydentää ja täsmentää ohjeistusta
By 66 -ohje on standardia SFS-EN 1992-1-1 täydentävä, joten suunnittelua on aina tehtävä seuraten molempia asiakirjoja samanaikaisesti. Ohjeessa on käsitelty teräskuitubetonin materiaaliominaisuuksia, suunnittelun perusteita, rakenneanalyysiä sekä murto- ja käyttörajatiloja koskevia edellytyksiä. Kuitumateriaalien osalta ohjeen soveltamisala kattaa vain rakenteelliset teräskuidut, joten muun muassa polymeeri-, lasi- tai muita kuitutyyppejä ei ohjeessa käsitellä. Ohjeen mukaan suunniteltavissa rakenteissa käytettävien kuitujen tulee olla CE-merkittyjä, standardin SFS-EN 14889 ja AVCP-luokan 1 mukaisia rakenteellisia kuituja. Ohjetta voidaan soveltaa kantavien rakenteiden lisäksi myös ei-kantavien teräskuitubetonirakenteiden suunnitteluun.
Aiemmin suunnittelijoilta on usein pyydetty laskelmaa teräskuitubetonirakenteissa tarvittavista kuitumääristä betonikuutiota kohden. Vanhemmassa julkaisussa By 56 Teräskuitubetonirakenteet 2011 on esitetty menetelmä (ns. virtuaalikutuperiaate) kuitumäärän määrittämiseksi. Kuitumäärän tarkka määrittäminen on kuitenkin hankalaa, koska suunnittelijalla ei tyypillisesti ole tiedossa, mitä kuitua rakenteessa lopulta tullaan käyttämään. Lisäksi kuitumäärä riippuu huomattavasti käytettäväksi valitun kuidun ominaisuuksista. Kuidun suorituskyky rakenteessa pystytään todentamaan tarkasti vain koestamalla.
Kuva (yllä): Kuitubetonin laadun tasaisuus; kuidut sekoitetaan betonitehtaan automaattilaittein ja betoni sekoitetaan tehtaan betonimyllyssä. Tehdas mittaa määrävälein betonissa olevan kuitumäärän massanäytteestä. (Kuva: Pentti Lumme, Acvacon Oy)
By 66 -ohjeessa esitettyjen suunnitteluperiaatteiden mukaan suunnittelija ei ota kantaa kuitumäärään tai käytettävään kuituun, vaan ilmoittaa suunnitelmissa teräskuitubetonin vaadittavan jäännöstaivutusvetolujuusluokan, aivan kuten puristuslujuusluokkakin on tähän mennessä ilmoitettu. Teräskuitubetonin toimittaja vastaa siitä, että teräskuitubetonin jäännöstaivutusvetolujuus täyttää vaaditun vaatimuksen valitsemallaan kuidulla. Teräskuitubetonin taivutusvetolujuus on osoitettava standardin SFS-EN 14651 mukaisin taivutuskokein. Samankaltainen lähestymistapa esiintyy yleisesti myös muualla Euroopassa julkaistuissa uusimmissa suunnitteluohjeissa.
Kuva 2. SFS-EN 14651 -standardin mukainen taivutuskoejärjestely teräskuitubetonin jäännöstaivutusvetolujuuden määrittämiseksi [2].
Ohjeen mukaisissa mitoitusmenettelyissä huomioidaan kertoimien avulla kuitujen suuntautuminen betonipoikkileikkauksessa. Kuidut ovat betonirakenteessa satunnaisesti sijoittuneina, mutta pyrkivät kuitenkin suuntautumaan enemmissä määrin valusuuntaan nähden kohtisuorasti. Vaakasuuntaisiin rakenteisiin nähden (mm. laatat) tällä on edullinen vaikutus, mutta pystysuuntaista rakennetta tarkasteltaessa epäedullinen vaikutus. Toinen huomion arvoinen seikka on rakenteen staattisen määräämättömyyden aste, jonka vaikutus huomioidaan myös omalla kertoimella. Tämä tarkoittaa sitä, että suunniteltaessa rakenteita, joilla on suurempi staattisen määräämättömyyden aste, voidaan mitoituksessa käytettävää jäännösvetolujuuden arvoa korottaa ohjeessa esitetyn taulukon mukaan. Esimerkiksi laatoilla on suurempi staattisen määräämättömyyden aste kuin palkeilla eli laatoissa rasitusten uudelleenjakautumiseen on enemmän mahdollisuuksia ja näin mitoituksessa voidaan käyttää suurempaa jäännösvetolujuuden arvoa.
Kuva (yllä): Kuormituskoe, koesarja tehty VTT:lla. Teräskuitubetonilla raudoitettu laatta 5000, 1000x200 mm, 2-aukkoinen, 2x2,4 m:n jänneväli; murtokuorma (viivakuorma) kentässä noin 70 kN. (Kuva: Pentti Lumme, Acvacon Oy)
Kuva (yllä): Rakennekoe, Eindhofen University; 3-aukkoinen kehälaatta, 5 m:n jänneväli, 180 mm:n laatta. (Kuva: Pentti Lumme, Acvacon Oy)
Kuva (yllä): Rakennekoe, Eindhofen University; murtokuorma noin 20 kN/m2. (Kuva: Pentti Lumme, Acvacon Oy)
Kuva (piirros): Sopivasti notkistetussa betonissa kuidut suuntautuvat helpommin vaaka-asentoon laattarakenteissa. (Kuva: Pentti Lumme, Acvacon Oy)
Teräskuitubetonin hyödynnettävyys
Teräskuidut lisäävät mm. rakenteen vetokestävyyttä, leikkauskestävyyttä, sitkeyttä sekä iskunkestävyyttä. Lisäksi teräskuiduilla voidaan parantaa rakenteen halkeiluominaisuuksia, koska kuitujen myötä halkeamat leviävät laajemmalle alueella eli yhden ison halkeaman sijaan muodostuu laajemmalle alueelle useita pienempiä halkeamia. Puristuslujuuteen teräskuiduilla ei ole juurikaan vaikutusta, mutta kuidut parantavat puristetun rakenteen sitkeyttä.
Potentiaalisia sovelluskohteita teräskuitubetonin käytölle ovat maanvaraiset laatat sekä paalulaatat tai kantavat välipohjalaatat. By 66 ohjeen liitteissä on esitetty kaksi esimerkkilaskelmaa, joista ensimmäisessä on esitetty kantavan pilarilaatan mitoittaminen. Toisessa esimerkkilaskelmassa on mitoitettu kerrostalon välipohjalaatta. Ohjeen alussa on esitetty kantaville rakenteille vaativuusluokittelu, jonka mukaan määräytyy mm. tarvitseeko rakenteessa olla onnettomuustilannetta varten tankoraudoitusta. Laattojen mitoittamiseksi ohjeessa on esitetty kaavat onnettomuusraudoituksen määritykseen ja esimerkiksi pilarilaatan tapauksessa tämä tarkoittaa tukilinjoille tulevia jatkuvia harjatankoja, jotka voidaan huomioida myös laatan käyttö- ja murtorajatilan mitoituksessa.
Kuva (yllä): Rakennuskohde Rocca Tower, Tallinna, 16-kerroksinen toimistorakennus; Välipohjat teräskuitubetonia, kuitumäärä 100 kg/bet-m3. Pilarilaatan pilarilinjoilla varmistusraudoitus. (Kuva: Pentti Lumme, Acvacon Oy)
Muita mahdollisia sovelluskohteita ovat pientalorakenteet, elementit sekä törmäysrasitetut rakenteet, joilta vaaditaan iskunkestävyyttä. Suomessa teräskuitubetonista on tähän mennessä valmistettu lähinnä maanvaraisia laattoja tai paalulaattoja. Tallinnassa teräskuitubetonista on valmistettu jopa toimisto- ja asuinrakennusten välipohjia. Teräskuitubetonin käyttö ei rajoitu vain pelkkää teräskuitubetonia sisältäviin rakenteisiin, vaan sen käyttö voi olla järkevää erilaisissa yhdistelmärakenteissa, joissa teräskuitujen lisäksi raudoitteena käytetään tavanomaisia tankoraudoitteita. Tavanomaisia kuitumääriä käytettäessä teräskuitubetonilla voidaan saavuttaa laatoissa suuruusluokaltaan samankaltaisia momenttikapasiteetteja kuin tavanomaisesti raudoitetuilla laatoilla minimiteräsmäärällä. Korkeasti rasitetuissa kohdissa voidaan kapasiteettia lisätä harjatangoilla. Teräskuitubetonin käytöllä voidaan saavuttaa säästöä työkustannuksissa raudoitustyön vähenemisen myötä.
By 66 -ohjeessa ei ole esitetty juurikaan teräskuitubetonirakenteiden toteutusohjeita. Toteutusohjeiden laatimista varten on perustettu työryhmä, joten tarvittavat toteutusohjeet saadaan käyttöön myöhemmin.
Lähteet:
[1] Suomen betoniyhdistys r.y. BY 66 Teräskuitubetonirakenteiden Suunnitteluohje 2018.
[2] SFS-EN 14651 + A1. Test method for metallic fibre concrete. Measuring the flexural tensile strength (limit of proportionality (LOP), residual). Helsinki 2009, Suomen standardisoimisliitto. 18 s.
Mikko Mäntyranta, Ramboll Finland Oy, on toiminut By 66 -julkaisun kirjoittajana.