Betonirakenteiden säilyvyyssuunnittelu

Betonirakenteen säilyvyyssuunnittelulla tarkoitetaan rakenteen suunnittelukäyttöiän ja rasitusluokkien määrittelyä. Rakenteen suunnittelukäyttöiällä tarkoitetaan koko raken-nukselle tai rakennuksen osalle määriteltyä käyttöiän vaatimusta. Suunnittelukäyttöiän määrittelyssä rakennuksen tai rakenteen käyttöikä määritetään siten, että suunnittelu-käyttöikä saavutetaan 95 %:n varmuudella. Jotta rakenteelle pystytään takaamaan halut-tu suunnittelukäyttöikä, niin rakenteen suunnittelulle ja toteuhalut-tukselle on asetettava eri-laisia vaatimuksia. Näitä vaatimuksia ovat esimerkiksi betonin laatuun liittyvät tekijät.

Betonirakenteen säilyvyyssuunnittelu käsittää seuraavat vaiheet: [25]

1. Suunnittelukäyttöiän ja rasitusluokkien määrittely.

2. Betonin laatuparametrien, halkeamaleveyden, rakennemittojen ja muiden käyt töikään vaikuttavien tekijöiden määrittely siten, että suunnittelukäyttöikään liit-tyvät vaatimukset täytliit-tyvät.

3. Muiden säilyvyysohjeiden ja rakenteen myöhempään käyttöön liittyvien ohjeiden laatiminen.

1.3.1 Rasitusluokat

Betonirakenteiden halkeilun hallinnan kannalta keskeisin säilyvyyssuunnitteluun liitty-vä tekijä on rakenteen rasitusluokka. Rakennesuunnittelijan vastuulla on määrittää ja valita rakenteen rasitusluokka seuraavien rasitustekijöiden mukaan:

1. Betonin karbonatisoitumisen aiheuttama korroosio 2. Kloridien aiheuttama korroosio

3. Merivedessä olevien kloridien aiheuttama korroosio 4. Jäätymis-/sulamisrasitus

5. Kemiallinen rasitus

Rakenteen rasitusluokat on jaettu 18 erilaiseen rasitusluokkaan. Taulukossa 2 on esitetty standardin EN 206-1 mukaiset rakenteen rasitusluokat eri ympäristöolosuhteiden mu-kaisesti. Suomen olosuhteisiin sopiva tarkempi rasitusluokitus on esitetty julkaisussa BY51. Rakenne voi kuulua samanaikaisesti useampaan kuin yhteen rasitusluokkaan.

[25]

Taulukko 2 Ympäristöolosuhteisiin liittyvät rasitusluokat standardin EN 206-1 mukaan.

Karbonatisoitumisen aiheuttama korroosio, XC-luokat

Betonin raudoitusta suojaava vaikutus perustuu betonin emäksisyyteen ja teräksen pin-nalle muodostuvaan oksidikalvoon emäksisessä ympäristössä. Betonin huokosveden ollessa riittävän emäksistä betoniteräs passivoituu, jolloin teräksessä ei pääse tapahtu-maan korroosiota. Kun betonin emäksisyys laskee tarpeeksi matalalle, betoniraudoituk-sessa alkaa tapahtumaan korroosiota. Betonin emäksisyyden lasku ajan myötä johtuu betonin karbonatisoitumisesta. Betonin karbonatisoitumisella tarkoitetaan ilmassa ole-van hiilidioksidin reagoimista betonissa olevien kalsiumyhdisteiden kanssa. Karbonati-soitumisen seurauksena betonin pinta neutraloituu ja sen emäksisyys pienenee. Betonin karbonatisoituminen riippuu ennen kaikkea betonin tiiveydestä ja kalsiumhydroksidipi-toisuudesta. Betonin tiiveydestä riippuu, kuinka helposti ilmassa oleva hiilidioksidi pää-see tunkeutumaan betoniin. Kalsiumhydroksidipitoisuudesta puolestaan riippuu, että kuinka paljon hiilidioksidia on mahdollista sitoutua betoniin. Betonin karbonatisoitumi-nen on nopeinta, kun ympäröivän ilman suhteellikarbonatisoitumi-nen kosteus on noin 50 %. Rasitusluo-kassa XC3 olosuhteet ovat karbonatisoitumisen kannalta pahimmat. [53]

Kloridien aiheuttama korroosio, XD- ja XS-luokat

Mikäli betonirakenne on alttiina kloridirasitukselle, raudoituksen korroosion on mahdol-lista alkaa myös silloin, kun terästen ympärillä on vielä emäksinen ympäristö. Kloridien tunkeutuminen betoniin on useissa tapauksissa merkittävästi betonirakenteen elinikää rajoittava tekijä. Kloridien aiheuttamaa teräskorroosiota voidaan rajoittaa tekemällä betonista mahdollisimman tiivistä ja sijoittamalla betoniteräkset mahdollisimman kau-aksi betonirakenteen pinnasta. Kloridien rasittamalle betonirakenteelle on annettu lisäk-si tiukemmat halkeamaleveysvaatimukset kuin XC-ralisäk-situsluokissa. Klorideja pääsee tunkeutumaan betoniin pääasiassa merivedestä ja jäänsulatusaineista, kuten esimerkiksi tiesuolasta. Klorideille alttiit rakenteet on jaettu kahteen eri rasitusluokkaan riippuen kloridien tyypistä. XD-rasitusluokkaan kuuluvat rakenteet, jotka ovat alttiina muulle kuin merivedestä peräisin olevalle kloridirasitukselle ja XS-rasitusluokkaan kuuluvat meriveden klorideille alttiit rakenteet. Klorideille altteissa rakenteissa tulisi pääsääntöi-sesti välttää ruostumattoman betoniraudoituksen käyttöä, koska siihen pystyy muodos-tumaan teräsjännityksen alaisena pistekorroosiota, joka heikentää raudoitusta nopeasti ja huomaamattomasti. Rasitusluokissa XD3 ja XS3 olosuhteet ovat kloridirasituksen kan-nalta pahimmat. [53]

Jäätymis-sulamisrasitus, XF-luokat

Jäätymis-sulatusrasitus perustuu betonin pakkasrapautumiseen. Pakkasrapautuminen johtuu pääasiassa betonin kapillaarihuokosissa jäätyvästä vedestä. Vaurioituminen il-menee betonin lujuuden menetyksenä, tilavuuden kasvuna, betonin läpäisevyyden li-sääntymisenä ja lopuksi näkyvinä halkeamina ja betonin lohkeamisena. Suolat lisäävät betoniin kohdistuvia pakkasrasituksia. Suolojen heikentävä vaikutus johtuu betonin

ve-delläkyllästymisasteen kasvusta ja suolojen kyvystä alentaa betonin kriittistä kyllästy-misastetta. Koska suolat pitävät betonin sulana alemmissa lämpötiloissa, niin betonin mekaaniset ominaisuudet lisäksi heikkenevät, koska betonin vastustuskyky säröjen muodostumista ja rapautumista vastaan heikkenee. [53]

Kemiallinen rasitus, XA-luokat

Viimeisen rasitusluokan betonille muodostavat kemiallisista yhdisteistä johtuvat rasi-tukset. Rasitusluokka on jaettu kolmeen eri alaluokkaan riippuen kemiallisen rasituksen agressiivisuudesta. Tyypillisiä kemiallisen rasituksen aiheuttamia vaurioita betonille ovat happamien aineiden sementin hydrataatiotuotteita liuottava vaikutus, hydrataa-tiotuotteiden ominaisuuksia heikentävä vaikutus tai hydrataatiotuotteita paisuttava vai-kutus. Tyypillisiä betonille vahingollisia aineita ovat esimerkiksi sulfaatit, hapot ja be-tonin kalsiumyhdisteitä liuottavat yhdisteet. Sulfaatin haitallinen vaikutus perustuu sen kykyyn muodostaa betonin hydrataatiotuotteiden kanssa ettringiittiä, joka paisuttaa be-tonia huomattavan paljon. Ettringiitti lisäksi heikentää betonin pakkasenkestävyyttä.

Happojen betonia heikentävä vaikutus perustuu happojen kykyyn liuottaa sementtiä ja sementin hydrataatiossa syntyviä yhdisteitä. Standardin EN 206-1 kansallisessa liittees-sä on esitetty taulukko, jossa on luokiteltu suuri määrä erilaisia kemiallisia yhdisteitä niiden agressiivisuuden mukaan. [53]

1.3.2 Betoniraudoitteiden suunnittelu

Betonirakenteille on määritetty eri rasitusluokkien mukaiset betonipeitteen vähim-mäisarvovaatimukset. Taulukossa 3 on esitetty standardin SFS-EN 1992-1-1: Eurokoodi 2: Betonirakenteiden suunnittelu Suomen kansallisen liitteen mukaiset betonipeitteen minimivaatimukset.

Taulukko 3 Betonipeitteen vähimmäisarvovaatimukset SFS-EN 1992-1-1 mukaan.

Taulukossa 3 on esitetty ympäristöolosuhteista johtuvat betonipeitteen vähimmäisarvo-vaatimukset. On kuitenkin huomioitava, että betonipeitteen paksuudelle on esitetty standardissa SFS-EN 1992-1-1 muitakin vaatimuksia kuin pelkästään ympäristöolosuh-teista johtuva minimivaatimus. [22][26]

Rakenteen raudoitus suunnitellaan käyttäen betonipeitteen nimellisarvoa. Betonipeitteen nimellisarvo on betonipeitteen vähimmäisarvo lisättynä sallitulla mittapoikkeamalla, jolle käytetään yleensä arvoa 10 mm. Mittapoikkeama voi olla myös pienempi, mutta pienempää mittapoikkeamaa kuin 5 mm ei saa käyttää. Maata vasten valettaessa betoni-peitteen nimellisarvon tulee olla vähintään 50 mm ja mittapoikkeaman vähintään 30 mm. [22][26]

Taulukossa 4 on lisäksi esitetty standardin EN 206-1 Suomen kansallisen liitteen mu-kaiset betonin lujuusluokan vähimmäisarvot eri rasitusluokille.

Taulukko 4 Betonin lujuusluokan vähimmäisarvovaatimukset EN 206-1 NA-FI mukaan.

1.3.3 Halkeamaleveyden hallinta

Betonirakenteen halkeilu tulee rajoittaa siten, että halkeilu ei heikennä betonirakenteen toimintaa eikä vaikuta rakenteen ulkonäköön tavalla, joka ei ole hyväksyttävissä. Beto-nirakenne voidaan suunnitella halkeilemattomana tai vaihtoehtoisesti rakenteelle voi-daan sallia halkeilua siinä määrin kuin rakenteelle asetettu rasitusluokka sen sallii. Be-tonirakenteen halkeilua on normeissa totuttu hallitsemaan asettamalla rakenteen lasken-nalliselle halkeaman leveydelle raja-arvo, joka on riippuvainen ensisijaisesti rakenteen rasitusluokasta. Esimerkiksi vesitiiviissä rakenteessa halkeamaleveyden raja-arvo voi olla huomattavasti tiukempi kuin rasitusluokan mukaan määritetty halkeamaleveys.

Halkeamien muodostuminen voidaan sallia pyrkimättä rajoittamaan sen leveyttä, mikäli halkeamat eivät haittaa rakenteen toimintaa. Taulukossa 5 on esitetty standardin SFS-EN 1992-1-1 Suomen kansallisen liitteen mukaiset rasitusluokista riippuvat laskennalli-sen halkeamaleveyden raja-arvot. [26]

Taulukko 5 Halkeamaleveyden wmax raja-arvot SFS-EN 1992-1-1 mukaan [mm].

Vertailun vuoksi taulukossa 6 on esitetty vanhojen suomalaisten betoninormien BY50 mukaiset halkeamaleveyden raja-arvot.

Taulukko 6 Halkeamaleveyden wk raja-arvot BY50 mukaan [mm].