Kokeile kuukausi maksutta

Mikä on rakenteiden luotettavuuden hinta?

Tietoa kirjoittajasta Auli Lastunen
Eurokoodiasiantuntija, Rakennustuoteteollisuus
Kaikki kirjoittajan kirjoitukset

Kaikkien tavoitteena ovat kestävät rakenteet. Toisaalta kestäviin rakenteisiin käytetään luonnonvaroja enemmän ja ne aiheuttavat suuremman hiilijalanjäljen. Kestävyyden rinnalla voidaan puhua myös luotettavuudesta ja tavoiteluotettavuudesta. Oikean luotettavuustason löytyminen on alan keskeinen tavoite, mutta millä hinnalla se tehdään.

Rakenteiden luotettavuuteen vaikuttavat monenlaiset seikat. Mitoituksessa tartutaan erityisesti materiaalien, geometrian ja kuormien epävarmuuteen. Materiaalien ja rakenneosien geometrista epävarmuutta hallitaan materiaaliosavarmuusluvuilla. Kuormat määritellään yhdessä sovittujen pelisääntöjen mukaan ja niiden yhdistelyssä kuormien arvoja korotetaan sen mukaan, kuinka paljon epävarmuutta niihin liittyy. Onhan ihan loogista, että tarkkaan säädelty erikoiskuorma silloilla voidaan huomioida pienemmällä varmuusluvulla kuin lumi kerrostalon katolla. Lisäksi kuormien yhdistelyssä huomioidaan vaurioiden vakavuus niiden seuraamusten (hengenmenetys, taloudellinen, sosiaalinen, ympäristövahinko) kannalta sekä rakennuksen käyttöikä.

Varmuusluvut ja seuraamukset eivät ole kuitenkaan ainoat konstit kestävyyden parantamiseen. Rakenteissa on monenlaista ”piilovarmuutta”, jota ei voi ottaa huomioon suunnittelussa. Sen merkitys voi olla hyvin erilainen eri kohteissa.

Rakenteiden mitoituksessa käytetään yleensä yksinkertaistettuja materiaalimalleja, jotka on määritelty konservatiivisesti, eli siis materiaali kestää enemmän kuin laskennassa oletetaan. Joskus voidaan käyttää myös selkeästi konservatiivista lujuusarvoa (myötölujuus vs. murtolujuus).

Kuormien kohdalla ajatellaan usein, että kuorma on jakautunut koko alueelle tasan ja kuorman arvo on määritelty keskimääräistä arvoa suuremmaksi. Todellisuudessa näin on kuitenkin harvoin, eli esimerkiksi välipohjan kuorma ei kohdistu koko alueelle, vaikka kuorman arvo sinällään olisikin oikea.

Edellä luetellut asiat yleensä lisäävät rakenteiden varmuutta, vaikka niiden huomioon ottaminen on käytännössä mahdotonta.

Pelkästään yksittäisten rakenneosien kestävyyden parantaminen ei välttämättä lisää rakenteiden luotettavuutta. Niin kutsuttu onnettomuustarkastelu, jossa tutkitaan, ovatko liitokset riittävän sitkeitä ja löytyykö kuormille vaihtoehtoisia reittejä, vaikuttaa koko rakennuksen kestävyyteen ja erityisesti siihen, onko rakennuksesta mahdollista poistua turvallisesti ennen rakennuksen luhistumista kokonaan. Onnettomuustarkastelu nykymuodossaan on ollut pakollista jo kymmenisen vuotta, ja sen kehittäminen edelleen on yksi keino parantaa rakennusten vaurionsietokykyä.

Rakennesuunnittelu ja tuotanto ovat muuttuneet merkittävästi viime vuosikymmeninä. Laatuun kiinnitetään huomiota ja sitä myös varmistetaan monin tavoin. Silti yksi konsti luotettavuuden parantamiseen voisi olla laadunvalvontajärjestelmien kehittäminen edelleen. Myös työn kuormittavuuteen tulee kiinnittää huomiota. Väsyneinä teemme enemmän virheitä.

Onnettomuuksia on nähty Suomessa suhteellisen vähän, eikä tietääkseni yhdenkään syynä ole olleet liian pienet varmuusluvut. Jokaisessa tapauksessa on ollut kyse laiminlyönneistä suunnittelussa tai tuotannossa. Tavoiteluotettavuuteen pääseminen pitääkin hoitaa muulla tavalla kuin varmuuslukuja korottamalla. Niitä korottamalla päädytään vain käyttämään enemmän materiaaleja ja kasvattamaan rakentamisen ympäristövaikutuksia.

Panostamalla suunnittelijoiden ja tekijöiden jatkuvaan oppimiseen ja virheistä opiksi ottamiseen saadaan aikaan luotettavampia rakenteita resurssiviisaasti.

Tätä artikkelia on kommentoitu kerran

Yksi vastaus artikkeliin “Mikä on rakenteiden luotettavuuden hinta?”

  1. Kirjoitus ei anna numeroarvoja luotettavuuden hinnalle. Tiedejulkaisuissa, mm. Köhler, Dalsgard, Baravalle: Calibration of existing semi-probabilistic design codes, ICASP13, 2019, http://rmseura.tkk.fi/rmlehti/2012/nro4/RakMek_45_4_2012_2.pdf ja Applied Sciences | Free Full-Text | Code Calibration of the Eurocodes (mdpi.com) esitetään numeroja ja selostetaan, että nykyisten normien ongelmana on suuri vaihtelu tavoiteluotettavuuteen nähden -20%…+50%. Julkaisun https://www.mdpi.com/2076-3417/11/12/5474 mukaan vaihtelu voidaan pienentää kymmenenteen osaan, 0…+5%, kustannussäästö olisi Euroopassa noin 5 mrd euroa vuodessa (Suomessa noin 50 milj euroa) samalla teräsrakenteiden alimitoitus häviäisi, normi yksinkertaistuisi ja laskentatyö vähenisi.
    Nykyisten normien luotettavuusvaihtelu johtuu pääasiassa riippumattomasta kuormien summauksesta, joka on väärä, sillä se on ristiriidassa deterministisen mekaniikan ja fysiikan kanssa:
    • Kun pysyvään kuormaan 1 lisätään muuttuva kuorma 0.1 mitoituskuorma ei kasva.
    • Kun pysyvä kuorma on 1 ja muuttuva 1, summakuorma on 1.86, mutta pitää olla 2.
    • Kuorman vaikutus rakenteessa on erilainen toisen kuorman kanssa kuin ilman. Kun palkin taipuma pysyvästä kuormasta A on v, ja kun palkille lisätään muuttuvaa kuormaa, pysyvän kuorman taipuma v pienenee mekaniikan sääntöjen vastaisesti.
    • Kun pysyvä kuorma on A ja muuttuva B, riippumaton summakuorma ei ole koskaan A+B, sillä osa kuormista häviää. Eurokoodissa kuormien häviäminen on toteutettu niin, että pysyvällä kuormalla on kaksi varmuuslukua, G=1.15 ja G=1.35.
    • Riippumattomassa kuormien summauksessa muuttuva kuorman luotettavuus lasketaan viiden vuoden kuormille, mutta pitää laskea 50 vuoden kuormille. Pääasiassa juuri tästä syystä johtuu suuri luotettavuusvaihtelu, muuttuvan kuorman luotettavuus on noin 20% pienempi kuin pysyvän.
    On muitakin syitä siihen, että kuormat eivät ole riippumattomia: Kuormaparit pysyvä kuorma ja muuttuva kuorma eivät ole riippumattomia, sillä todellisissa rakenteissa vierekkäisissä rakenteissa on sama muuttuva kuorma. Esimerkiksi kattopalkeissa on sama lumikuorma, mistä aiheutuu jakaumien välille korrelaatio.
    Suunnittelunormien korjaus olisi yksinkertainen: vain varmuusluvut ja osa ominaisarvoista (osa muuttuvien kuormien kuormataulukoista) täytyisi muuttaa. Kaikki muu säilyisi.
    Tuomo Poutanen

Vastaa

Viimeisimmät näkökulmat