Vireillä olevassa eurokoodirevisiossa tulisi huomioida havaitut virheet ja puutteet: monimutkaisuus, puuttuva kansainvälinen konsensus, siirtyminen matemaattiseen luotettavuusmalliin ja riippuvaan kuormien yhdistämiseen sekä jäykän normimallin uudistaminen.
Monimutkaisuus johtuu pääosin yhdistelykertoimista, joita on yli 30. Uusi tutkimus osoittaa, että yhdistelykertoimet voidaan poistaa, sillä niiden merkitys on vähäinen. Monimutkaisuus johtuu myös siitä, että kuormavarmuusluvut ovat erisuuria. Ne voidaan asettaa samaksi valitsemalla muuttuvan kuorman ominaisarvo muuttuvaksi ja 10–35 prosenttia suuremmaksi kuin nykyinen 50 vuoden toistumisajan kuorma. Nämä kaksi asiaa ratkaisevat monimutkaisuusongelman. Samalla vähän vaihtelevien muuttuvien kuormien noin 15 prosentin ylivarmuus pääosin häviää.
Puuttuva konsensus liittyy kuormien yhdistämiseen. Eurokoodissa on kolme menetelmää. Yksi niistä on riippuva eli deterministinen, ja muut ovat riippumattomia eli stokastisia. Uusi tutkimus osoittaa, että kuormat on yhdistettävä riippuvasti.
Eurokoodin luotettavuuden laskentamalli on likimääräinen ja vain osittain matemaattinen. Hiljattain kehitetty kokonaan todennäköisyysmatematiikkaan pohjautuva malli on tarkempi. Luotettavuus ja varmuusluvut voidaan laskea kuorma- ja kestävyysjakaumista tarkasti.
Varmuusluvut asetetaan nyt optimoimalla ne keskimäärin tavoiteluotettavuuteen. Tällaisessa laskennassa ali- ja ylivarmoja kuormitustapauksia on yhtä paljon. Optimointitapa on ristiriidassa rakennesuunnittelun perusperiaatteen kanssa, jonka mukaan alivarmuutta ei saa olla. Oikea tapa on, että varmuusluvut asetetaan niin, että tavoiteluotettavuuden alittavia kuormitustapauksia ei ole ja että ylivarmuus minimoidaan.
Eurokoodin ominaisarvot ovat vakioita ja perustuvat lähes vuosisata sitten tehtyihin mielivaltaisiin valintoihin. Tällaisessa mallissa ja nykyisessä luotettavuuden laskentatavassa poikkeamat tavoiteluotettavuudesta ovat suuret. Alivarmuus ja ylivarmuus tavoiteluotettavuuteen nähden on noin 20 prosenttia. Kun luotettavuusmallissa ominaisarvot ovat muuttuvia ja käytetään kokonaan matemaattista mallia, saadaan normi, jossa ei ole lainkaan alivarmuutta ja ylivarmuus on vain noin 7 prosenttia.
Nykyisen normin alivarmuus liittyy erityisesti teräkseen, jonka varmuusluku (1) on ainakin 10 prosenttia liian pieni. Esimerkiksi Suomen teräsnormin 50 vuoden laskennallinen murtumistodennäköisyys on jotakuinkin kaikissa kuormitustapauksissa vain noin 1/150, mutta sen pitäisi olla ainakin 10 kertaa pienempi.
Eurokoodi on monissa tapauksissa huomattavan alivarma (teräs, riippumattomasti yhdistetyt kuormat) ja ylivarma (pysyvät kuormat, vähän vaihtelevat muuttuvat kuormat, puu ja betoni). Normin varmuusluvut ja ominaisarvot voidaan asettaa niin, että alivarmuus häviää ja ylivarmuus vähenee, jolloin saadaan useiden miljardien eurojen säästö Euroopassa ja rakennemateriaaleista aiheutuvat hiilidioksidipäästöt vähenevät.
Eurokoodi tulisi muuttaa näin: luotettavuus lasketaan kokonaan matemaattisella mallilla, ominaisarvot asetetaan muuttuviksi ja asetetaan tavoiteluotettavuuteen nähden niin, että alivarmuutta ei ole, kuormat yhdistetään riippuvasti, varmuusluvut ja yhdistelykertoimet poistetaan sekä tehdään eräitä vähäisempiä korjauksia ja lisäyksiä.
Kun korjaukset ja lisäykset tehdään, normi monipuolistuu, tarkentuu, yksinkertaistuu, laskentatyö vähenee, alivarmuus häviää, kustannukset ja hiilidioksidipäästöt vähenevät.
Muutokset ovat yksinkertaisia ja voidaan toteuttaa vireillä olevassa revisiossa: varmuusluvut ja yhdistelykertoimet poistetaan ja muuttuvien kuormien taulukkoarvoja korotetaan, mitoitusprosessi ja -kaavat säilyvät.
Tätä artikkelia on kommentoitu 10 kertaa
10 vastausta artikkeliin “Eurokoodin toinen sukupolvi”
Olisipa kiintoisa lukea tohtori Poutasen katsauksen tohtori Melan ns. suorasta mitoitusmenetelmästä jota äsken oli Eurokoodiseminaarissa esitetty https://www.eurocodes.fi/eurokoodiseminaari-2024/
En päässyt kuulemaan Melan esitystä, mutta kommentoin hänen kalvojaan.
Nykyiset normit perustuvat heikoimman lenkin periaatteeseen, eli jokaisen rakenneosan kestävyyden on oltava tavoiteluotettavuuden mukainen. Suoran mitoitusmenetelmän perusajatus on, että rakenteen kokonaisluotettavuus ratkaisee, jolloin rakenteen ylivarmat osat voivat kompensoida mahdollisia alivarmoja osia. Tämä lähestymistapa on mahdollinen, jos alivarma kohta on kooltaan pieni.
Näen tämän periaatteen suurimmat edut puurakenteissa, joissa lujuus määräytyy lähes aina vikojen perusteella. Suurissa tilavuuksissa vikoja on enemmän, ja lujuus on siten alhaisempi. Nykyisessä normissa tämä on huomioitu karkeasti siten, että korkeiden palkkien lujuus on pienempi kuin matalien. Sama periaate tulisi huomioida myös palkkien pituudessa.
Teräsrakenteissa suoran mitoituksen edut ovat vähäiset suhteessa siihen, mitä nykyinen normi jo mahdollistaa.
Suorassakin mitoitusmenetelmässä perusperiaatteiden tulee kuitenkin olla oikein:
”Luotettavuusindeksi… saadaan ensimmäisen kertaluvun luotettavuusmenetelmän avulla…” Tätä menetelmää sovelletaan eurokoodissa, se on riippumaton eli stokastinen ja noin 10 % alivarma.
Olen ehdottanut, että yhdistelykertoimet poistettaisiin kolmesta syystä: niistä saatava hyöty on vain noin 2–3 %, ja nykyiset yhdistelykertoimet ovat liian pieniä, sillä ne perustuvat kuormitusyhdistelmiin, joissa kuormat oletetaan yhtä suuriksi ja lisäksi ne perustuvat riippumattomaan kuormien summaukseen
Laskentatyö vähenisi ja normi yksinkertaistuisi huomattavasti, jos kuormien varmuusluvut asetettaisiin samoiksi. Tämä voidaan saavuttaa, kun muuttuvien kuormien taulukkoarvoja korotetaan.
Mela esittää, että kokonaisvarmuus lasketaan jakaumista, joissa varmuusluvut ovat mukana. Varmuuslukujen määrittämiseen liittyy kuitenkin vähintään noin 7 % virhe. Tämän vuoksi olisi parempi poistaa kaikki varmuusluvut ja laskea luotettavuus suoraan jakaumista, jolloin varmuus huomioidaan ominaisarvoissa.
On aiheellista taustoittaa lyhyt blogiteksti ja tuoda esiin viimeisimmät tutkimustulokset.
Nykyisessä eurokoodissa on CEN/TC 250:n puheenjohtajan Steve Dentonin mukaan kaksi ongelmaa: monimutkaisuus ja kansainvälisen yksimielisyyden puute.
Uusi eurokoodiluonnnos ei tuo parannusta kumpaankaan ongelmaan.
Monimutkaisuus johtuu pääosin muuttuvien kuormien yhdistämisestä ja yhdistelykertoimista, joita on yli 30. Artikkelissa https://www.mdpi.com/2076-3417/14/15/6466 selostetaan, että yhdistelykertoimet voidaan poistaa, sillä ne ovat vain likimääräisesti oikeita (-2%…+8%) ja niistä aiheutuva keskimääräinen 2-3% luotettavuuden paraneminen on vähäinen normissa oleviin väistämättömiin noin 7% likimääräisyyksiin ja virheisiin nähden.
Monimutkaisuus johtuu myös siitä, että kuormavarmuusluvut ovat erisuuria gamma-G ≠ gamma-Q, mikä johtuu siitä, että muuttuvan kuorman ominaisarvo on vakio, 50 vuoden toistumisajan kuorma. Artikkelissa https://doi.org/10.3390/app11125474 selostetaan, että kuormavarmuusluvut voidaan asettaa samoiksi esimerkiksi gamma-G = gamma-Q = 1.2 tai mieluummin = 1 valitsemalla muuttuvan kuorman ominaisarvo muuttuvaksi ja 10-35% suuremmaksi kuin nykyinen arvo. Taulukkoarvot ovat vakioita, mutta eivät ole enää 50 vuoden kuormia vaan 100-300 vuoden kuormia riippuen kuorman variaatiokertoimesta. Tällöin normi yksinkertaistuu, laskenta vähenee ja normia voidaan käyttää sekä osavarmuuslukunormina että sallittujen jännitysten normina. Jälkimäinen menetelmä on suositeltava, sillä se on yksinkertaisempi ja laskentatyötä on vähemmän ja sillä saadaan kaikissa normaaleissa tapauksissa sama tulos kuin osavarmuuslukumenetelmällä.
Nämä kaksi asiaa ratkaisevat monimutkaisuusongelman.
Kansainvälisen yksimielisyyden puute liittyy pysyvien ja muuttuvien kuormien yhdistämiseen. Eurokoodissa on kolme menetelmää, (8.12), (8.13,a,b) and (8.14,a,b). Ensimmäinen on riippuva eli deterministinen, jälkimmäiset riippumattomia eli stokastisia. Artikkelissa https://www.mdpi.com/2076-3417/11/10/4434 selostetaan, että kuormat on yhdistettävä riippuvasti. Artikkelissa https://doi.org/10.3389/fbuil.2023.1204877 on seikkaperäinen selostus nykyisistä varmuuslukujen ja luotettavuuden laskentamenetelmistä.
Mitoituksessa lähtökohtana ovat suurimmat kuormat. Riippumaton yhdistäminen perustuu siihen, että yhdistetään satunnainen pysyvä ja satunnainen muuttuva kuorma, mikä vähentää todennäköisyyttä suurimpien kuormien samanaikaiselle esiintymiselle. Tämän vuoksi riippumattomassa yhdistämisessä osa kuormista, noin 10 %, hävitetään. Todellisuudessa kuitenkin suurimmat kuormat esiintyvät sama-aikaisesti: Esimerkiksi, yksi kattopalkkisuunnitelma ja suunnittelun kuormayhdistely käsittää useita kattopalkkeja ja useita todellisia kuormayhdistelyjä. Kattopalkkeihin vaikuttaa tasainen vuosittainen lumikuorma samanlaisena ja sama-aikaisena kaikkiin palkkeihin. Jokaisella palkilla on erilainen omapaino. Yhdessä palkissa on suurin omapaino, johon vaikuttaa myös suurin lumikuorma, koska se vaikuttaa kaikkiin palkkeihin. Tämän vuoksi mitoituksen on perustuttava juuri tähän suurimpaan kuormakombinaatioon. Kuormia ei voida vähentää, vaan nämä suurimmat kuormat on summattava sellaisenaan, eli deterministisesti. Eurokoodin pysyvän kuorman varmuusluku 1,15 johtuu kuormien hävittämisestä. Menetelmä (8.12) on oikea, pysyvän kuorman varmuuslukuja voi olla vain yksi, kuten em. menetelmässä on määritelty eli 1,35.
Tämä ratkaisee Dentonin tarkoittaman toisen ongelman.
Eurokoodissa on muitakin virheitä ja puutteita: luotettavuuden laskenta, varmuuslukujen asettaminen, materiaalivarmuusluvut, koekuoritukset ja vaurio ja ylikuormat.
Luotettavuus ja varmuusluvut lasketaan Eurokoodissa likimääräisesti vain puolittain todennäköisyyteen perustuen. Uusi tutkimus osoittaa, että ne voidaan laskea tarkasti matematiikan kaavoilla https://doi.org/10.3390/app11125474.
Luotettavuus ja varmuusluvut lasketaan Eurokoodissa olettamalla kuormat riippumattomiksi. Ne on kuitenkin laskettava olettamalla kuormat riippuviksi vain tuuli-hyötykuorma voidaan yhdistää riippumattomasti https://www.mdpi.com/2076-3417/14/15/6466. Suomen eurokoodissa kuormien yhdistämiseen ja luotettavuuden laskemiseen liittyy kaksoisvirhe, kuormat yhdistetään ja varmuusluvut lasketaan riippumattomasti, mutta ne on laskettava riippuvasti.
Varmuusluvut asetetaan nyt optimoimalla ne keskimääräiseen tavoiteluotettavuuteen. Varmuusluvut ovat tällöin vain keskimäärin oikein, tavoiteluotettavuuden alittavia ja ylittäviä tapauksia on yhtä paljon. Nykyinen tapa selostetaan artikkelissa 325.pdf (snu.ac.kr) ja päädytään siihen, että normiin jää tavoitteeseen nähden ali- ja ylivarmuutta noin 20%. Tämä menetelmä on ristiriidassa rakennesuunnittelun perusperiaatteen kanssa, jonka mukaan alivarmuutta ei saa olla. Oikea tapa on, että varmuusluvut asetetaan niin, että tavoiteluotettavuuden alittavia arvoja ei ole. Käyttämällä kokonaan matemaattista luotettavuusmallia ja oikeaa varmuuslukujen ja ominaisarvojen asettamistapaa, saadaan normi, jossa alivarmuutta ei ole ja ylivarmuus on vain noin 7% https://doi.org/10.3390/app11125474.
Lisäksi, vain kuormavarmuusluvut ovat nyt optimoinnin kohteena eli ominaisarvot ja materiaalivarmuusluvut ovat kiinteitä eli ne eivät ole optimoinnin piirissä. Tästä aiheutuu noin 10% virhe, sillä nykyiset materiaalivarmuusluvut ovat epätasapainoisia, sillä teräksen varmuusluku on noin 10% liian pieni suhteessa puun ja betonin varmuuslukuihin. Kirjoituksessa https://doi.org/10.3390/app11125474 selostetaan, että ottamalla myös ominaisarvot ja materiaalivarmuusluvut optimoinnin piiriin, saavutetaan seuraavat edut:
1) Kuormavarmuusluvut voidaan asettaa samoiksi gamma-G = gamma-Q ja niiden suuruus voidaan valita vapaasti.
2) Vähän vaihtuvien muuttuvien kuormien luotettavuudessa VQ 0.2 on nyt noin 15% ylivarmuus kuormiin VQ 0.4 nähden. Tämä virhe voidaan em. tavalla poistaa lähes kokonaan.
3) Saadaan tasaisempi luotettavuus, alivarmuus häviää ja ylivarmuus pienenee, mistä aiheutuu noin €5.000 miljoonan vuosisäästö Euroopassa https://doi.org/10.3390/app11125474 ja huomattava CO2-päästöjen väheneminen.
Varmuuslukujen asettamisen pyöristyssäännöstä aiheutuu noin 2% virhe, joka voidaan poistaa niin, että materiaalivarmuusluvut poistetaan asettamalla ominaisarvo vastaamaan tavoiteluotettavuutta.
Eurokoodista puuttuu ohjeet ja kaavat rakenteiden koekuormittamisesta. Artikkelissa https://www.mdpi.com/2076-3417/11/8/3424 on selostettu ohjeet ja kaavat.
Eurokoodista puuttuu ohjeet ja kaavat, miten menetellään ylikuormitus- ja vauriotapauksissa, artikkelissa https://doi.org/10.3389/fbuil.2023.1204877 on selostettu ohjeet ja kaavat.
Eurokoodiin tulisi tehdä seuraavat korjaukset, muutokset ja lisäykset:
1. Luotettavuus, ominaisarvot ja varmuusluvut lasketaan kokonaan matemaattisella menetelmällä laskemalla ne suoraan kuorma ja kestävyysjakaumista.
2. Kuormat yhdistetään riippuvasti, tuuli-hyötykuorma yhdistely on kuitenkin riippumaton.
3. Ominaisarvot asetetaan tavoiteluotettavuuteen beta-0= 4.2 niin, että alivarmuutta ei ole.
4. Kuormavarmuusluvut asetetaan samoiksi, edullisimmin gamma-G = gamma-Q = 1, varmuus huomioidaan ominaisarvoissa.
5. Yhdistelykertoimet poistetaan.
6. Materiaalivarmuusluvut poistetaan, varmuus huomioidaan ominaisarvoissa.
7. Kaavat aikavaikutuksesta korjataan.
8. Ohjeet ja kaavat rakenteiden koekuormituksesta lisätään.
9. Ohjeet ja kaavat rakenteiden vaurioituisesta ja ylikuormituksesta lisätään.
Kun nämä muutokset, korjaukset ja lisäykset tehdään:
• normi monipuolistuu,
• tarkentuu,
• yksinkertaistuu,
• laskentatyö vähenee,
• alivarmuus häviää ja
• saavutetaan noin €5.000 miljoonan vuosisäästö Euroopassa ja huomattava CO2-päästövähennys https://doi.org/10.3390/app11125474.
Uutta tutkimusta ei tarvita. Rivisuunnittelijalle näkyvät muutokset ovat yksinkertaisia: Varmuusluvut ja yhdistelykertoimet poistetaan ja muuttuvien kuormien taulukkoarvoja korotetaan. Mitoituskaavat ja -prosessi säilyvät. Muutokset voidaan toteuttaa vireillä olevassa revisiossa. Toivon, että eurokoodikehittäjät toimivat vastuullisesti ja ottavat ehdotukset käsiteltäväksi.
Tuomo ehdottaa tässä käytännössä takaisin sallittujen jännitysten menetelmään siirtymistä. Nykyinen osavarmuuslukuihin perustuva rajatilamitoitus on tiettävästi kalibroitu siten, että varmuutta kohdistetaan (suurempaa varmuuslukua käyttäen) sinne, missä on mitoituksen suurin epävarmuus. Ainakin idean tasolla tämä järjestelmä on looginen.
Yhdistelykertoimilla on myös paikkansa, sillä jos ominaisarvot on valittu 50 vuoden toistumisjakson mukaan, on hyvin epätodennäköistä että lukuisa joukko eri kuormia vaikuttaisi tällä ääriarvollaan yhtäaikaisesti. Ennemminkin on todennäköistä, että yhden kuorman ollessa ääriarvossaan, muut ovat lähellä keskiarvoaan, kuten Turkstran yhdistelymenetelmä esittää.
Samaa mieltä olen, että teräksen osavarmuusluku ei voi olla 1.0, jos materiaalin ominaisarvo on määritetty 5% fraktiiliin. Jos on niin, kuten Tuomo väittää, että nykynormilla mitoitetuilla teräsrakenteilla 50 vuoden murtumissodennäköisyys on 1/150, (eli noin 100 kertainen normin tasoon nähden) pitäisi meidän nähdä paljon teräsrakenteiden vaurioita. Miksei merkittäviä sortumia ole ollut? Onko vastaus se, että murtorajatila ei ole mitoittanut rakenteita, vaan varmuutta (rakenteen suuremmat dimensiot) on tullut jostain muusta vaatimuksesta esim. käyttörajatila, taipuma tai jokin muu syy. Eli murtotajatilatarkastelu ei olekaan mitoittanut rakennetta.
Tästä päästään myös väitteeseen 5 mrd €:n vuosisäästöstä, jossa oletetaan, että 2/3 koko rakentamisen materiaalivolyymistä määräytyy murtorajatilan perusteella. Tämä vaikuttaa liialliselta kun enenevissä määrin käyttörajatila-, rakennettavuus- ja säilyvyysasiat määrittävät rakenteiden kokoa ja siten materiaalimenekkiä. Jos esitetyn mukaisesti tällaista materiaalisäästöä saavutettaisiin, niin eikö tämä tarkoittaisi että rakenteista tulisi keskimäärin hoikempia, eli siten varmuustaso suuressa kokonaisuudessa keskimäärin laskisi entiseen verrattuna.
Varmuuslukujen yksi idea on, että ne kertoisivat epävarmuuden suuruuden. Nykyinen normin kirjoittaja ei kuitenkaan noudata tätä periaatetta. Muuttuvien kuormien variaatiokertoimet vaihtelevat 0.2…0.4. Eurokoodissa on vain yksi varmuusluku 1.5, joka määräytyy suurimman variaatiokertoimen mukaan ja vähän vaihtelevissa muuttuvissa kuormissa on noin 15% ylivarmuus. Tanskassa tätä ongelmaa yritetään lieventää kahdella varmuusluvulla. Helpompaa ja tarkempaa olisi asettaa ominaisarvot muuttuviksi, jolloin varmuuslukuja ei tarvita.
Materiaalikestävyyksissä varmuusluvun ja variaatiokertoimen korrelaatio pätee puussa ja betonissa, mutta ei teräksessä.
Varmuuslukuja ja osavarmuuslukumenetelmää on perusteltu myös rajatilamitoituksella, mutta sallittujen jännitysten menetelmässä rajatilamitoitusta voidaan soveltaa samalla tavalla kuin osavarmuuslukumenetelmässä.
Varmuuslukujen käyttöönoton ja osavarmuuslukumenetelmään siirtymisen perussyy on riippumaton kuormien yhdistämäinen. Tämä kuormien yhdistely nimittäin edellyttää, että murtotilassa osa kuormista on hävitettävä. Siksi käyttötilamitoitus ja rajatilamitoitus on tässä menetelmässä eriytettävä, murtotilassa kuormia hävitetään, käyttötilassa ei. Kuitenkin rakennesuunnittelussa kuormat yhdistetään tuulikuormien murtotilamitoitusta lukuun ottamatta aina riippuvasti eli deterministisesti ja kuormia hävittämättä.
Varmuuslukuja ja osavarmuuslukumenetelmää perustellaan myös siksi, että murtotilassa kuormat täytyisi korottaa. Kuitenkin tavallisessa rakennemitoituksessa kuormia ei tarvitse murtotilassa korottaa ja eriyttää käyttötilamitoituksesta. Jos kuormitustasoa nostetaan tai lasketaan normissa, tämä ei vaikuta mitoitustulokseen. Eurokoodissa kuitenkin jotkin murtotilan mitoituskaavat erityiseesti betoninormissa sisältävät faktoroituja parametreja, jolloin varmuutta on kolmessa paikassa, parametreissa, varmuusluvuissa ja ominaisarvoissa. Yksinkertaisempaa olisi, että varmuus olisi vain ominaisarvoissa, ja varmuusluvut poistetaan ja mitoituskaavat puhdistetaan faktoroiduista parametreista.
Yhdistelykertoimien tarpeellisuus on selostettu seikkaperäisesti artikkelissa https://www.mdpi.com/2076-3417/14/15/6466 .
Kerrostalon hyötykuormat yhdistetään ilman yhdistelykertoimia, sillä kerroskuormat ovat talon kokonaishyötykuorman osakuormia ja siten korreloivia. Suuret kuormat ovat kaikissa kerroksissa suuria sama-aikaisiaesti. Suurten kuormien limittyminen pienten kanssa ei toteudu. Nykyinen laskenta on ristiriitainen: Jos kaksi samanlaista asuntoa on samassa kerroksessa, kuormat summataan deterministisesti eli sellaisenaan, mutta jos ovat eri kerroksissa summataan stokastisesti ja väärin eli osa kuormista hävitetään ja redusoidaan yhdistelykertoimella. Kokonaiskuorma on sama molemmissa tapauksissa.
Lumikuorman yhdistelykerroin on eurokoodissa 0.7. Tähän lukuun on päädytty olettamalla, että lumikuorma yhdistetään toiseen muuttuvaan kuormaan riippumattomasti. Tämä menetelmä edellyttää, että lumikuorma vaihtuu kunakin vuonaa satunnaisesti päivittäin ja että lumikuorma ja toinen muuttuva kuorma ovat yhtä suuria eli kuormasuhde on 0.5. Kuitenkin, lumikuorma on pitkiä aikoja kunakin vuonna vakio, mikä tekee yhdistelyn riippuvaksi. Kun vakio summataan satunnaismuuttujan kanssa, summaus on deterministinen, suurimmat arvot ovat sama-aikaisia. Jos vakiolumikuorman kesto olisi yksi viikko ja kuormasuhde olisi 0.5 yhdistelykerroin olisi 0.8 ja jos olisi kuukausi, yhdistelykerroin olisi vastaavasti 0.85. Kuormasuhde on kuitenkin keskimäärin noin 0.25, jolloin em. luvut ovat noin 0.95, joten approksimaatio 1 on perusteltu.
Tuulikuorman yhdistelykerroin on nyt 0.6, joka on liian pieni, sillä se perustuu kuormasuhteeseen 0.5. Luku 0.75 on oikeampi. Tämäkin voidaan approksimoida 1:ksi, sillä tämä kuormitustapaus on harvinainen, sillä tätä sovelletaan vain tuuli-hyötykuorma yhdistelyssä.
On useita syitä poistaa kaikki yhdistelykertoimet rakennesuunnittelusta: Yhdistelykertoimista seuraa keskimäärin vain 2%…3% hyöty. Se on vähän, sillä normeissa on väistämätön ainakin noin 7%:n virhe. Jos muuttuvien kuormien yhdistely mallinnetaan nykyiseen tapaan vain yhdellä parametrilla, tällainen mallinnus johtaa usein noin 2%:n alimitoitukseen, sillä yhden parametrin malli laskee hyödyn liian suureksi. Yhdistelykeroimien poistaminen yksinkertaa normia ja vähentää laskentaa huomattavasti.
Teräksen varmuusluku 1 perustuu riippumattomaan kuormien summaukseen. Suomen eurokoodissa teräksen kokonaisvarmuus on noin 20% pienempi kuin Euroopassa yleensä. Artikkelissa https://www.mdpi.com/2076-3417/14/15/6466 on seikkaperäinen selostus Suomen teräseurokoodin luotettavuudesta. Olen ihmetellyt, miksi vaurioista ei ole raportoitu. Toisaalta eurokoodin tavoiteluotettavuus beta-50 = 3.8 on epärealistisen korkea. Eurokoodin tavoiteluotettavuus tuli asettaa tiedeyhteisön suosituksen mukaiseksi beta-50 = 3.2. Suomen teräsrakenteiden murtumistodennäköisyys on tähän nähden10-kertaisesti liian suuri ja beta-50 = 3.8:een nähden 100-kertaisesti liian suuri.
Vaikka eurokoodissa on runsaasti alivarmuutta, ylivarmuutta on vielä enemmän. Julkaisussa https://www.mdpi.com/2076-3417/14/15/6466 selostetaan, että mallintamalla normi paremmin, saavutetaan noin 5.000 miljoonan euron vuosisäästö Euroopassa. Arvio on likimääräinen, laskelma on esitetty vertaisarvioidussa ykköskategorian JUFO-tiedelehdessä eikä laskelmaa ole vasta-argumentoitu.
Rajatilamitoitukseen siirryimme 1970-luvulla. Itsekin olin kouluttamassa siihen suunnittelijoita toimistossa.
Silloin kiinnosti uuden oppiminen. Kun pääsemme osin parempaan lopputulokseen käyttörajatilamitoituksessa, täytyy normiuudistuksessa ottaa tämä seikka huomioon. Tuomon kuvaama mitoitusmenettely on yksinkertaisempi ja kannatettava.
Tuomo Poutanen on jo vuosia jaksanut kiitettävästi ottaa kantaa nykyisen eurokoodin virheisiin ja puutteisiin. Hän suosittaa eurokoodia päivitettäessä siirtymistä yksikertaisempaan ja varmempaan mitoitustapaan. Voitaisiin vallan hyvin palata sallittujen jännitysten kaltaiseen mitoitusmenettelyyn. Koko rakennesuunnittelun muutosprosessin ”laskutikusta funktiolaskinten kautta tietokoneeseen” nähneenä ja kokeneena en pidä lainkaan pahitteeksi pysähtyä miettimään, mihin normien materiaalikertoimien ja kuormakertoimien variaatioiden viidakossa on lopulta päädytty. Välineet ovat mahdollistaneet monimutkaisten mitoitusmenettelyjen viemisen normistoon.
Rakensin vapaa-ajan asunnon, ja alan koulut joskus käyneenä ja alalla työskentelevänä ajattelin, että kyllä minä betonianturat saan itsekin mitoitettua. Kyllä täytyy sanoa, että silmät pyörivät pari iltaa päässä kun katselin nykyisiä suunnitteluohjeita ja nakuttelin exceliin näitä eri arvoja. Sain anturat mitoitettua, mutta kyllä päällimmäisenä tuli mieleen, että kokemattomalla perusinsinöörillä on epäonnistumisen mahdollisuus aivan käsin kosketeltava. Erityisesti maaperän ja rakenteen yhteentoimivuuden osalta.
Pitää herätä siihen seikkaan, että sekä standardikehitystä että pätevyyksien myöntämistä (https://www.rakennuslehti.fi/blogit/evastysta-rakennuslain-muutoksiin-odotetaan-pikaisesti/) ohjaa ensisijaisesti poliittiseen kompromissiin, ja vain toissijaisesti teknisen turvallisuuden seikkoihin perustuva prosessi.
Sosioteknisiin ”viidakon navigoinnin” haasteisiin ja mutkikkaiden menetelmien kuvauksen ja tulkinnan parissa immestyvän , kohonneen inhimmillisen virheen riskin arviointiin ei ole panostettu juurikaan, saatikaa riittävästi. Ohjeistus näille lähtökohtaisesti löytyy Eurokoodityöskentelyn ohjeistuksen arkistojen uumenista, mutta soveltamiseen voisi panostaa nykyistä huomattavan enemmän.
Osallistuminen kummassakin prosessissa on nimellisesti avoin, mutta vaikuttamismahdollisuuksia rajoittaa rahoituksen saatavuus. Vaihtoehtoina siis jonkun maksavan tahon intressien edistäminen tai talkootyö.
Edistän tässä kuvatun aihepiirin parissa kaksi tapaustutkimusta, joihin aiheesta kiinnostuneet ovat tervetulleita.
Ministeriö tiettävästi suunnittelee pysyvän kuorman varmuusluvun 1.15 nostamista 1.2:een.
Tämä muutos ei kohdistu normin suurimpiin ongelmiin eli teräksen alimitoitukseen ja riippumattomaan kuormien summaukseen.
Eurokoodin tavoiteluotettavuus on beta50=3.8, mutta yksikään materiaali ei yllä tähän tavoitteeseen: puu ja betoni pääsevät lähelle, mutta teräs ei likimainkaan. Eurokooditutkijat kuitenkin laskevat virheellisesti, että luotettavuus täyttää tavoitteen, koska he laskevat luotettavuuden riippumattomasti, mikä on väärin, ja määrittävät muuttuvat kuormat vain viiden vuoden ajalle. Eurokoodiluotettavuus vastaa puun ja betonin osalta suunnilleen monien tutkijoiden suositusta beta50=3.2, mutta teräksen osalta ei. Teräksen varmuusluvun, joka nyt on 1.0, tulisi olla muuttuvassa kuormassa, joka on teräsrakenteiden hallitseva kuorma, noin 1.2. Terästeollisuus tiettävästi perustelee alhaista varmuuslukua jälkilujittumisella ja plastisuudella, mutta näistä asioista ei tietääkseni ole esitetty seikkaperäistä argumentaatiota. Toisaalta teräksen lujuusreservi on pieni, keskiarvo on alle 20% suurempi kuin ominaisarvo. Pienikin virhe tai ylikuorma aiheuttaa sortumisen.
Jos luku 1.15 korotetaan 1.2:een, normiin jää edelleen myös varmuusluku 1.35, mikä tarkoittaa, että normissa on kaksi pysyvän kuorman varmuuslukua. Normissa ei kuitenkaan saa olla kahta pysyvän kuorman varmuuslukua, sillä tällöin kuormia summataan murtotilassa riippumattomasti, mikä johtaa osan kuormista häviämiseen ja moniin suoriin ja epäsuoriin virheisiin.
Kirjoituksissani https://www.mdpi.com/2076-3417/11/12/5474 ja https://www.mdpi.com/2076-3417/14/15/6466 esittelen käsitykseni optimaalisesta normista. Ehdotukseni mukaan kuormavarmuusluvut ovat aluksi 1.2, mutta ne poistetaan ajan mittaan (tai mahdollisesti hetikin), jolloin palataan sallittujen jännitysten menetelmään. Muuttuvien kuormien taulukkoarvoja korotetaan 15–32 % variaatiokertoimen mukaan. Materiaalivarmuusluvut poistetaan, ja ominaisarvoksi, joka nykyisin kaikille materiaaleille on fraktiili 0,05, muutetaan vaihtuva arvo, joka perustuu materiaalin variaatiokertoimeen eli ominaisarvot ovat fraktiileissa 0,000476–0,00329. Yhdistelykertoimet poistetaan, sillä niiden hyöty on pieni – vain muutama prosentti – ja yhden yhdistelykertoimen käyttäminen johtaa likimääräisen tuloksen, hyödyn yliarviointiin ja enimmillään noin 2 % alimitoitukseen.
Tällaisessa normissa ei ole alivarmuutta, se on yksinkertaisempi, vähentää laskentatyötä ja CO2-päästöjä ja säästää Euroopassa vuosittain noin 5.000 miljoonaa euroa.