Osa A Kantavien teräskuitubetonirakenteiden käytön ohjeistus

1 Yleist

Eurooppalaisen teknisen yhteistyön ryhmässä CEN/TC 250/SC 2/WG 1/TG 2 on käynnissä työ, jossa ollaan laatimassa ohjetta kantavien teräskuitubetonirakenteiden suunnittelusta. Ohje on tarkoitettu sisällytettäväksi seuraavaan Eurokoodi 2:n painokseen. Tällä hetkellä ensimmäiset ehdotusversiot ovat käsiteltävänä WG-ryhmässä. Työn tavoiteaikatauluna on, että kuidut olisivat mukana eurooppalaisessa normistossa vuoteen 2023–2025 mennessä.

Ennen euronormien valmistumista useissa Euroopan maissa on tehty maakohtaisia suunnitteluohjeita kantaville teräskuitubetonirakenteille. Osa näistä ohjeista on maiden virallisen standardin asemassa (mm. Saksassa, Ruotsissa), ja osa on yhdistysten ohjeitten tasolla. Ohjeet toimivat tulevan eurokoodin esitestauksena ja samalla antavat suunnittelijoille mahdollisuuden tutustua ennakkoon tulevaan mitoitusmenettelyyn.

Suomen Betoniyhdistyksessä on laadittu julkaisu by 66 Teräskuitubetonirakenteiden suunnitteluohje 2018. Ohje koskee nimensä mukaan vain teräskuiduilla raudoitettua betonia. Sen ohjeistuksella voidaan mitoittaa kantavia teräskuitubetonirakenteita ja tavanomaisia maanvaraisia lattioita.

2

Ter Skuitubetonirakenteiden Soveltuvuus Erilaisiin Rakenteisiin

Teräskuitubetonin parhaita sovellusalueita ovat maanvaraiset lattiat, paalulaatat, kohtuullisesti kuormitetut kantavat jatkuvat laatastot, pääosin pystykuormitetut seinärakenteet sekä yleisesti pääosin kutistumaraudoitetut rakenteet.

Palkkirakenteissa kantavuus tulee pääosin hoitaa perinteisellä tankoraudoituksella ja kuituja suositellaan käytettäväksi lähinnä leikkausraudoituksena.

Seinärakenteissa kuidut voivat vastaanottaa seinän kutistumajännityksiä ja esimerkiksi maanpaineesta aiheutuvia taivutusrasituksia. Kuidut eivät merkittävästi lisää betonin puristuslujuutta, ellei rakenteen kuitumäärä ole hyvin suuri.

By 66:n ohjeiden mukaan kantavissa laattarakenteissa tarvitaan kuitujen lisäksi aina tavanomaisista raudoitustangoista tehtävä varmistusraudoitus erilaisten onnettomuuskuormien varalta. Nykyisin käytössä olevia kaupallisia teräskuituja käyttäen laattarakenteen maksimikuormankantokyky vastaa noin 1,3 kertaa normien mukaisesti minimiraudoitetun laatan kestävyyttä. Rakenteiden lujuutta voidaan lisätä käyttämällä ”hybridiraudoitusta”, jossa käytetään teräskuitujen lisäksi

BY 66a KANTAVAN TERÄSKUITUBETONIRAKENTEEN LAADUNVALVONTA SEKÄ TYÖMAAN TOIMINTA- JA VALUOHJE

tavanomaista raudoitusta. Molempien raudoituskomponenttien antama lujuus voidaan mitoituksessa laskea yhteen.

Pilarilaattarakenteissa suurimmat taivutusrasitukset syntyvät pilareiden kohdalle laatan yläpintaan. Suurilla kuormilla tai pidemmillä jänneväleillä on näille alueille syytä asentaa tarvittava määrä perinteistä raudoitusta, jottei laatan yläpintaan synny haitallista halkeilua.

Kuidut eivät käytännössä sekoitu koskaan täysin ideaalisen homogeenisesti massaan. Siksi rakenteissakin esiintyy kuitumäärässä hajontaa eri osissa. Jatkuvissa laattarakenteissa tämä kompensoituu sillä, että laatan kantavuus syntyy huomattavan laajan ja leveän laattaosan taivutuslujuudesta. Tällöin kuitumäärän hajonta ei yleensä vaikuta laskennalliseen laatan taivutuskapasiteettiin.

Teräskuitubetonin halkeaman leveyden arvojen laskenta on vaikeaa ja käytännössä tulosten hajonta on niin suuri, ettei laskelmia yleensä ole kannattavaa tehdä. Jos teräskuitubetonirakenteet mitoitetaan oikein, rakenteet pysyvät käyttötilanteessa halkeilemattomassa tilassa. Myöskään tämän perusteella halkeamatarkastelu ei ole mielekästä.

Kantaviin jatkuviin laattarakenteisiin tulee käyttää sellaista kuitutyyppiä ja kuitumäärää, jolla kuormituskokeessa saadaan ensimmäisen halkeaman jälkeen samalle kuormatasolle jäävä kuorma-muodonmuutoskuvaaja tai nouseva eli myötölujittuva käyrä (kuva 3). Tämä kuitumäärä on kuitutyypistä riippuen noin 45–50 kg/betoni-m3 .

Paalulaatoissa, jotka voidaan myös lukea pilarilaatoiksi, voidaan käyttää kuituraudoitusta. Tästä on jo Suomessakin kokemusta. Kuituraudoituksen käyttö soveltuu erityisen hyvin niihin paalulaattoihin, joissa paaluväli on suuruusluokkaa 2,5 m ja kuormat kohtuulliset. Mikäli paaluväli kasvaa merkittävästi ja laatan kuormat ovat suuret, laatan tulee olla riittävän paksu tai kuituraudoituksen ohella on käytettävä paalulinjoilla raudoitustankoja, jottei pilarin kohdalle laatan yläpintaan synny haitallisia halkeamia.

BY 66a KANTAVAN TERÄSKUITUBETONIRAKENTEEN

Käytännön täysmittakaavakokeella on testattu voimasuureiden jakautumista jatkuvassa laattarakenteessa. 1000 x 200 x 5000 mm3:n kokoinen laatta kuormitettiin kolmitukisena eli kaksiaukkoisena jatkuvana rakenteena kentissä olevilla keskeisillä viivakuormilla. Laatassa käytettiin teräskuituja HE 1/50, 50 kg:n annostuksella.

Laatan keskituelle ja kenttiin syntyi maksimimomentin kohdalle useampia halkeamia murtotilassa. Mittausten mukaan voimasuuret laatassa jakaantuivat ja tasaantuivat murtotilassa samalle tasolle kentissä ja jatkuvalla tuella. Kokeen mukaan rakenne voidaan mitoittaa kuten tavanomainen teräsbetonirakenne, kunhan teräskuitumäärä betonissa on riittävän suuri.

Elementtirakenteissa teräskuituja on käytetty jo useita vuosia parvekelaatoissa ja erilaisissa julkisivuelementeissä tai niiden osissa. Näissä rakenteissa käytetään yleensä erikoislujaa betonia. Kuituja on käytetty myös erilaisten erikoiselementtien – kuten tunnelielementtien – raudoitukseen.

Palotilanteissa teräskuidut parantavat betonin kestävyyttä, koska ne estävät betonin pinnan lohkeilua ja siten lämmön nousua syvemmällä rakenteessa. Teräkuidut ovat jakaantuneet tasaisesti koko poikkileikkaukseen, eivätkä ne lämpene rakenteen sisäosissa yhtä nopeasti kuin lähellä pintaa oleva tavanomainen raudoitus.

Kuva 5. Jatkuvan teräskuitubetonilaatan voimasuureiden jakautuminen tuelle ja kenttään kuvan 4 kuormituskokeessa. Kuva on yksi esimerkki koetuloksista.

Kuva 6. Betonin taivutusvetolujuuden aleneminen palotilanteessa.

Taivutusrasitetuissa rakenteissa tarvitaan betonin taivutusvetolujuuden arvoa korkeissa lämpötiloissa. CEN/TC 250 -työryhmässä on ollut esillä professori Marco Di Priscon ehdotus kuvan 6 mukaisesta riippuvuudesta palotilanteessa teräskuitubetonin taivutusvetolujuuden arvoksi, joka on sama kuin Eurokoodi 2:ssa tavallisen betonin vastaava arvo. Tällöin ai ainakaan yliarvioida teräskuitubetonin kantokykyä korkeissa lämpötiloissa. CEN/TC 250 -työryhmässä TG2 kehitetään edelleen teräskuitubetonin palonkesto-ohjetta. Polymeerimikrokuitujen sekoittaminen betoniin lisää rakenteen palonkestoaikaa, koska muovikuidut sulaessaan muodostavat kanavia vesihöyryn poistumiselle.

3 Ter Skuitubetonin Valmistus Betonitehtaalla

Rakennustuoteasetus edellyttää, että rakenteissa käytettävät kuidut ovat CE-merkittyjä. CE-merkintäasiakirjoissa esitetään kuiduista yksityiskohtaiset tuotetiedot sekä kuitujen käyttöalueet. Kuitubetonia valmistettaessa on noudatettava CE-merkissä annettuja ohjeita, kuten ohjetta käytettävästä minimikuitumäärästä, jolla CE-merkinnän mukaiset ominaisuudet kuitubetonissa voidaan saavuttaa.

Kuitubetonin valmistusta varten ei ole olemassa erityistä kuitubetonireseptiä. Monet muut seikat, esimerkiksi säilyvyysohjeet, määrittävät tiettyjä perusperiaatteita reseptin osalta. Teräskuitu on periaatteessa osa kiviainesta, jonka raemuoto on varsin epäedullinen massan viskositeettia ajatellen. Useimmiten kuitujen lisäys edellyttää myös massan lisänotkistuksen, jotta massan työstettävyys pysyy sopivana valua ajatellen. Eniten tuoreen kuitubetonin ominaisuuksiin vaikuttavat betonin rakeisuuskäyrä ja notkeus. Kiviaineskäyrää muokkaamalla voidaan oleellisesti vaikuttaa kuitujen sekoittuvuuteen, pumpattavuuteen ja kuitujen liikkeisiin valussa. Kiviaineksen hienoainespään huolellinen suhteitus vaikuttaa merkittävästi massan ominaisuuksiin. Sopiva määrä hienoainesta helpottaa kuitujen liikkeitä massassa ja säilyttää massan työstettävyyden.

Betonitehtaassa kuidut annostellaan käsin tai yhä yleisemmin prosessiohjattavan kuituannostelijan kautta kiviaineshihnalle. Tällaisen annostelijan tarkkuus on ±1,0 kg/m3. Etenkin kantaviin rakenteisiin toimitettavien kuitubetonien valmistus on sallittua vain hallitussa tehdasprosessissa, jossa kuitujen käyttäytyminen ja sekoittuvuus on testattu. Teräskuitubetonin valmistaminen on mahdollista sekä pakkosekoittimilla että vapaapudotussekoittimilla. Yleensä kuitubetonin valmistaminen vaatii 1,5–2-kertaisen sekoitusajan tavallisen massan sekoitusaikaan verrattuna.

Mikäli lattiaurakoitsija toimii kohteen betonitoimittajana, hänellä on oltava kohteeseen toimitettavasta teräskuitubetonista standardin SFS-EN 14651 + A1:en (Test method for metallic fibre concrete. Measuring the flexural tensile strength (limit of proportionality (LOP), residual)) mukaisesti tehdyt taivutusvetolujuuden testitulokset.

BY 66a KANTAVAN TERÄSKUITUBETONIRAKENTEEN LAADUNVALVONTA SEKÄ TYÖMAAN TOIMINTA- JA VALUOHJE

Teräskuitujen pituus, muoto ja annostelumäärä vaikuttavat merkittävästi kuitumassan ominaisuuksiin. Teoreettisesti pitkät ja hoikat kuidut antavat suuremmat lujuusarvot betonissa. Toisaalta niiden sekoittuminen betonimassaan yli 35 kg:n määrinä saattaa olla hankalaa. Tarvittaessa sekoittuvuutta voidaan parantaa käyttämällä liimakampakuituja. Lyhyempää ja paksumpaa kuitua voidaan taas sekoittaa suurempi määrä betoniin, mikä jossain määrin kompensoi lujuustasoa. Nämä kuidut on myös helpompi sekoittaa prosessissa, ja niillä on hyvät pumpattavuus- ja valuominaisuudet.

Teräskuitubetonitoimituksen kuormakirjassa tulee olla näkyvissä käytettyjen kuitujen tyyppi ja kuitutoimittaja, kuitujen annostelumäärä sekä toimitetun teräskuitubetonin taivutuslujuusarvo ja tunniste.

4

Ter Skuitubetonin Taivutusvetolujuden M Ritt Minen

Teräskuitubetonia toimittavan tehtaan tulee määrittää taivutusvetolujuuden arvot käyttöön tarjoamilleen teräskuitu-betonilaatuyhdistelmille. Testit on tehtävä standardin SFS-EN 14651 + A1:en (Test method for metallic fibre concrete. Measuring the flexural tensile strength (limit of proportionality (LOP), residual)) mukaisella palkkikokeella. Kuvassa 8 on esitetty standardin mukainen koepalkki ja sen kuormitusjärjestely. Kuormitettava palkki on kooltaan 150 x 150 x 550 mm3. Kuormituksen aikana palkista mitataan joko halkeaman leveyttä tai palkin taipumaa. Halkeaman leveyden mittaamiseksi palkkiin sahataan keskelle alapintaa alkuhalkeama, jonka avulla halkeaman levenemistä voidaan seurata mittalaittein. Rakenteiden mitoitusarvoja varten määritetään 0,5 mm:n ja 2,5 mm:n halkeaman leveyksiä vastaavat kuormien arvot. Jos mittaus tehdään palkin taipumamittauksena, standardissa on annettu kaava, jonka avulla kyseisiä halkeamanleveyksiä vastaavat taipuman arvot voidaan määrittää. Kuormitusarvoista määritetään kokeista saatu kyseisen teräskuitubetonin taivutusvetolujuuden ominaisarvo.

Teräskuitubetonin valmistajan tulee tehdä standardin SFS-EN 14651 + A1:en mukainen palkkikoe viiden vuoden välein niistä teräskuitubetonilaaduista, joita toimitetaan ohjeen by 66 mukaisesti mitoitettuihin rakenteisiin. Testausta on tarvittaessa tehtävä myös lyhyemmin välein, mikäli käytettävien teräskuitujen tai kovettuneen betonin ominaisuuksissa tapahtuu oleellisia muutoksia, jotka voivat merkittävästi vaikuttaa laskenta-arvoihin.

Mikäli alkutestauksessa on tutkittu useita teräskuitubetonilaatuja, seuraavissa viiden vuoden välein tehtävissä tarkistuksissa koestetaan testisarjan alin ja ylin lujuus. Jos näiden kokeiden testituloksissa on huomattavia poikkeamia suhteessa ensimmäisen testisarjan vastaaviin koekappaleisiin, on koko alkuperäinen koesarja

BY 66a KANTAVAN TERÄSKUITUBETONIRAKENTEEN LAADUNVALVONTA SEKÄ TYÖMAAN TOIMINTA- JA VALUOHJE

Teräskuitubetonin taivutusvetolujuuden arvo varmistetaan lisäksi vuosittain tehtävillä betonin laadunvalvonnassa käytettävillä palkeilla (100 x 100 x 500 mm3), joille tehdään taivutuskuormitus. Kuormituksen yhteydessä mitataan palkkien taipumaa arvoilla, jotka vastaavat 0,5 mm:n ja 2,5 mm:n halkeaman leveyksiä. Standardin SFS-EN 14651 + A1:en kaavoilla laskettuna nämä taipuman arvot ovat 0,5 mm ja 2 mm.

Vuonna 2019 on teetetty vertailukoesarja, jossa on tarkasteltu näillä pienillä palkeilla tehtyjen koetulosten vastaavuutta standardin SFS-EN 14651 + A1:en mukaisesti tehtyihin koetuloksiin. Näiden koetulosten perusteella pieniä testipalkkeja voidaan käyttää yllä mainittuihin täydentäviin laadunvalvontatestauksiin. Koesarjan tulosten vertailtavuutta standardin mukaisiin testeihin on käsitelty tarkemmin tämän ohjeen osassa b luvussa 4.