Suojaamaton teräs rakennuksissa

Insinööri Gerald Newman

Rakennusmääräykset vaativat usein teräsrakenneosilta palonkestävyyttä. Palonkestävyyden aikaansaamiseksi teräs pitää useimmissa tapauksissa palosuojata. Teräs voidaan palosuojata esim. käyttämällä paloaeristävää levytystä, ruiskutteita tai palosuojamaaleja. Rakennusmääräykset eivät kuitenkaan sinällään vaadi teräkseltä palosuojausta ja palonkestävyys saavutetaan usein ilman erityistä palosuojausta.

Rakennusmääräyksissä palonkestävyyttä vaativien rakenneosien palonkestävyys määritellään yleensä polttokokeen (BS476) perusteella. Englannissa ja Walesissa voidaan vaihtoehtoisesti tehdä toiminnalliseen palomitoitukseen perustuva tarkastelu. BRE:n (Building Research Establishment, Cardington Laboratory, UK) äskettäin tekemiin täysimittaisiin polttokokeisiin perustuvan kehitystyön tulosten perusteella rakennesuunnittelijat voivat käyttää toiminnalliseen palomitoitukseen perustuvaa  lähestymistapaa ilman erityistä paloinsnöörin pätevyyttä.

BRE:ssä vietiin läpi syyskuussa 1996 polttokoeohjelma, jossa tyypillistä useampikerroksista toimistorakennusta edusti 8-kerroksinen liittorunkoinen rakennus. Kokeiden tarkoituksena oli tutkia rakenteen käyttäytymistä todellisessa palotilanteessa ja kerätä tietoa rakenteita palotilanteessa analysoivien tietokoneohjelmien testaamista varten. Cardingtonissa tehtyjen  kokeiden lopullisena tarkoituksena on parantaa ja järkeistää rakenteiden suunnittelua siten, että ne samalla kestävät tulipaloa  ja täyttävät hyväksytyt turvallisuusnormit. Tämän seurauksena erityisen palosuojauksen käyttö tulee melko varmasti vähenemään ja sitä vastoin aktiivisten turvallisuustoimenpiteiden käyttö lisääntymään.


Cardingtonin palokokeiden rakennus rakennusvaiheessa.

Tässä artikkelissa kuvataan lyhyesti joitakin keinoja saavuttaa BS 476 mukainen palonkestävyys ilman erityistä palosuojausta. Lisäksi kerrotaan mitä Cardingtonin kokeissa tapahtui ja kuinka rakennesuunnittelun ohjeistoa kehitetään. Viime kesänä julkaistiin uusi SCI opas ”Teräsrunkoisten rakennusten suunnittelu ilman erityistä palosuojausta”, jossa esitellään monia tapoja saavuttaa palonkestävyys ilman palosuojauksen käyttöä. Lähiaikoina pyritään julkaisemaan ensimmäinen suunnitteluohje, joka perustuu Cardingtonin tutkimuksiin.

Suojaamaton teräs

Monikerroksiseen rakennukseen voidaan usein suunnitella suojaamaton teräsrunko, jonka palonkestävyys on 60 minuuttia. Englannissa ja Walesissa useimmilta kaksikerroksisilta toimistorakennuksilta vaaditaan 30 minuutin palonkestävyyttä kun taas 2-5-kerroksisten rakennusten vastaava vaatimus on 60 minuuttia, joka voidaan vähentää 30 minuuttiin, jos asennetaan sprinklerit.

Markkinoilla on useita erilaisia palkkeja ja pilareita, jotka saavuttavat 60 minuutin palonkeston ilman erityistä palosuojausta. Useissa tapauksissa teräs koteloidaan osittain betonilla tai tiiliverhouksella, jolloin tuloksena on erittäin luja ja kestävä rakenne. Useimmat insinöörit tuntevat epäsymmetrisen palkin ja matalapalkkirakenteen. Osittain koteloituja palkkeja ja pilareita käytetään yleisesti Euroopassa. Betonitäytteiset putkiprofiilit ovat arkkitehtonisesti miellyttäviä ja käyttökelpoisia tilanteissa, joissa  palosuojaus voi vahingoittua. British Steel toimittaa kaikentyyppisten matalapalkkirakenteiden ja betonitäytteisten putkipalkkien suunnitteluohjelmistoja.

Edellä kerrotulla tavalla käytetyn teräksen käyttäytyminen palotilanteessa on erittäin luotettavaa. Teräs käyttäytyy 20 vuoden jälkeenkin palotilanteessa aivan samalla tavalla kuin ensimmäisenä päivänä, koska ei ole käytetty mitään mahdollisesti vaurioituvaa tai poistettavaa palosuojausta.

Cardingtonin palokokeet

Cardingtonin palokokeet tehtiin 8-kerroksisessa toimistorakennuksessa, joka edusti Englannissa yleisesti käytössä olevaa jäykistystapaa  ja normaaleja kuormitustasoja. Rakennuksen mitat olivat 21 m x 45 m ja kokonaiskorkeus 33 m. Palkit oli suunniteltu yksiaukkoisiksi ja vapaasti tuetuiksi ja ne toimivat liittorakenteena 130 mm välipohjan kanssa. Tämäntyyppiseltä rakennukselta vaaditaan yleensä 90 minuutin palonkestoa. Palkkien välisissä liitoksissa käytettiin yksinkertaista levyliitosta ja palkki-pilariliitoksissa joustavia päätylevyjä. Kerroksiin tuodut hiekkasäkit edustivat tyypillistä toimistorakennukseen kohdistuvaa kuormitusta.

Tutkimusohjelma oli kaksiosainen. Toisen projektin rahoittivat British Steel sekä Euroopan Hiili- ja Teräsyhteisö (ECSC) ja toisen projektin Britannian hallitus BRE:n eli Building Research Establishmentin kautta. Hankkeessa mukana olevat organisaatiot olivat British Steel, BRE, Sheffieldin yliopisto, TNO (Alankomaat), CTICM (Ranska) ja Steel Construction Institute. Polttokokeet tehtiin tammikuun 1995 ja heinäkuun 1996 välisenä aikana. Polttokokeet tehtiin eri kerroksissa.

1. polttokoe tehtiin palkki-välipohjarakenteelle, jota kuumennettiin tähän tarkoitukseen rakennetulla kaasu-uunilla. 2. koe tehtiin myös kaasulla ja toteutettiin rakennuksen poikki ulottuvassa tasokehässä kohdistuen yhden kerroksen primääripalkkeihin ja pilareihin. Kokeet 3-5 kohdistettiin eri kokoisiin toimistotiloihin. Näissä kokeissa pilarit oli yleensä suojattu välipohjan alapintaan saakka kun taas palkit ja välipohja olivat suojaamattomia. Joka kokeessa runkoon kohdistettiin luonnollinen palo, joka sytytettiin polttopuilla.  Viimeisessä ja kovimmassa kokeessa käytettiin tyypillisiä nykyaikaisia toimistohuonekaluja.


Viimeisessä kokeessa koetilanne edusti erittäin kovaa paloa.

Cardingtonin tutkimustulosten täydellinen esittely olisi niin pitkä, että tässä artikkelissa keskitytään vain toimistotiloihin kohdistettujen palojen esittelyyn sekä suunnitteluohjeiston kehittämiseen.

Toimistotilojen polttokoe

Tämän kokeen tarkoituksena oli kuvata rakenteen käyttäytymistä todellisessa palotilanteessa. Kooltaan 18 m leveä ja 10 m syvä ja pinta-alaltaan 135 m2 suuruinen toimistotila rakennettiin betoniharkoista. Tämä avokonttoritila käsitti useita työpisteitä, joissa oli nykyaikainen toimistokalustus, tietokoneet ja arkistointijärjestelmät. Koetilanne edusti erittäin kovaa tulipaloa.

Toimistotilassa pilarit sekä palkki-pilariliitokset suojattiin 25 mm keraamisella suojauksella. Sekä primääri- että sekundääripalkit ja kaikki palkkien väliset liitokset jätettiin kokonaan suojaamattomiksi.

Maksimilämpötila toimistotilassa oli 1213°C ja suojaamattoman teräksen lämpötila 1150°C. Maksimisiirtymä pystysuunnassa oli 640 mm. Kaikki toimistotilassa ollut palava materiaali, myös arkistointikaappien sisältö, paloi täydellisesti.


Rungossa ei havaittu mitään vaurioitumisen merkkejä.

Yleisiä huomioita

Kaikissa kokeissa rakenteet käyttäytyivät erittäin hyvin eikä rakenteellista murtumista tapahtunut. Tärkeä lopputulos oli, että rakenne käyttäytyi kokonaisuutena paremmin kuin yksittäisten osien odotettiin käyttäytyvän.

Välipohja

Välipohjat käyttäytyivät hyvin kaikissa palokokeissa ja pystyivät holvi- ja köysivaikutuksen  avulla kantamaan suurimman osan pystykuormista suojaamattomien palkkien menettäessä lujuutensa. Yhdessä paikassa pilarin viereinen välipohja-laatta halkesi pahasti. Tässä tapauksessa verkon limityksen huomattiin olevan puutteellinen. Verkon oikea sijoitus on tärkeää, jos välipohjan oletetaan kantavan suurimman osan  kuormista.

Palkit

Monissa polttokokeissa palkkien havaittiin lommahtaneen paikallisesti liitosten lähellä.  Tämä johtui estetystä lämpölaajenemisesta. Suojaamattomat palkit saavuttivat korkeita lämpötiloja, joissa suurimman osan taivutuskestävyydestä olisi pitänyt hävitä. Esimerkiksi palkit, joiden oletettiin murtuvan 670 C:ssa  saavuttivat yli 1000 C:n lämpötilan. Tämä   osoitti, että välipohjat kantoivat pystykuormat.

Joissakin kokeissa reunapalkit olivat suojaamattomia. Näissä tapauksissa palo-osaston yläpuolisilla tuulisiteillä, jotka tässä tilanteessa saivat vetorasituksia, oli edullinen vaikutus tilanteeseen. Palkkien pystysuuntainen siirtymä jäi siten erittäin pieneksi. Tästä johtuen pysty-suuntaisten tukien (tuulisiteden) reunapalkkien siirtymiä   pienentävä vaikutus ehkäisyssä on otettu huomioon suunnitteluohjeissa.

Pilarit

Myöhemmissä kokeissa pilarit oli suojattu täydellisesti 2. kokeessa tapahtuneesta paikallisesta murtumisesta johtuen. 2. kokeessa pilarien palosuojaus ei ulottunut liitosalueelle. Pilarien suojaaminen koko pituudelta on tärkeää, jos palovahingot halutaan rajoittaa palavaan kerrokseen.

Liitokset

Suoritetuissa polttokokeissa liitokset käyttäytyivät hyvin kuumenemisen aikana.  Jäähtymisvaiheen aikana muutamat liitokset kuitenkin vaurioituivat osittain. Tämä johtui siitä, että palkkeihin syntyi  kuumennusvaiheessa hyvin erilaisia jännityksiä mukaan lukien estetyn lämpölaajenemisen ja negatiivisen taipuman vaikutukset. Joissakin tapauksissa ilmeni jonkin asteista puristuksesta johtuvaa epästabiiliutta, joka johti palkkien lyhenemiseen. Jäähtymisvaiheessa liitoksiin kohdistui siten vetovoimia, joista aiheutui erilaisia vikoja. Vähiten sitkeät liitokset kärsivät eniten. Erityisesti pultit leikkautuivat irti joissakin yksinkertaisissa levyliitoksissa ja jotkut puolikorkeat päätylevyt leikkautuivat toiselta sivultaan. Kaikissa tapauksissa leikkauskestävyys kuitenkin säilyi joko liitoksen jäännöslujuuden tai välipohjan leikkauskestävyyden ansiosta. Liitosten palon jäähtymisvaiheessa havaitun käyttäytymisen perusteella voidaan todeta, että on suositeltavaa suunnitella liitokset erittäin joustaviksi, jotta niiden leikkaantumiskestävyys  säilyy myös, kun liitoksiin kohdistuu suuria vetovoimia. Suunnitteluohje-ehdotuksessa on otettu huomioon, että päätylevyliitokset ovat tässä suhteessa luotettavampia kuin yksinkertaiset levyliitokset, joiden käytölle on siksi asetettu joitakin rajoituksia.


Monissa polttokokeissa palkkien havaittiin lommahtaneen paikallisesti liitosten lähellä.

Väliseinät

Polttokokeissa 4 ja 5 sisäseinissä käytettiin teräsrankaa ja paloa kestävää levyä. Kokeessa 4 väliseinä asennettiin palosuojaamattomien palkkien kohdalle. Seinän suojaavan vaikutuksen ansiosta näiden palkkien pystysuuntainen taipuma jäi erittäin pieneksi ja väliseinärakenteen tiiviys säilyi.  Kokeessa 5 väliseinää ei asennettu  palkkien kohdalle, jolloin välipohjan taipuma aiheutti väliseinärakenteen tiiviysvaurion. Sen tähden on suositeltavaa, mikäli mahdollista, asentaa väliseinät palkkien kohdalle, mikä kuten koe 4 osoitti, pitää palkkien taipumat varsin pieninä.  Osastoivien rakenteiden eristävyysvaatimus on kuitenkin polttokoestandardeissa märitelty siten, että em. palkit olisivat käytännössä palosuojattuja osastoivan seinän yhteydessä, mikä edelleen lisää turvallisuutta.

Suunnitteluohjeiston kehittäminen

Cardingtonin palokokeiden jälkeen on käynnistetty jatkotutkimuksia, joiden tavoitteena on oppia ymmärtämään polttokokeissa havaittua rakenteiden käyttäytymistä ja kehittää suunnitteluohjeistoa.

Suunnitteluohjeisto kehitetään kahdessa osassa. Ensimmäisessä vaiheessa  selvitetään tarkoin, mitä palokokeissa tapahtui. Tässä pääasiassa havaintoihin perustuvassa vaiheessa esitetään ohjeita ja rajoitetusti suosituksia (taso 1).

Kattavan suunnitteluohjeiston kehittäminen (taso 2) edellyttää kehittyneiden elementtimenetelmien käyttöön perustuvaa tutkimusta, jota tehdään Edinburgin ja Sheffieldin yliopistoissa sekä British Steel´in  tutkimuskeskuksessa.

Tason 1 suunnitteluohjeet

Suosituksia valmistellaan 30 tai 60 minuutin palonkestoa vaativille rakennuksille. Englannissa noin 80 %:ssa monikerroksisissa rakennuksissa vaaditaan 30 tai 60 minuutin palonkestoa.

Ehdotettuja suunnittelusuosituksia tehtäessä on otettu huomioon seuraavaa:

  1. Palomiesten sekä talossa ja sen läheisyydessä olevien ihmisten turvallisuus ei saa alittaa rakennussäädöksissä/1/ edellytettyä tasoa .
  2. Rakennuksissa, joiden rakenteilta edellytetään 60 minuutin palonkestoa vaurioiden tulee rajoittua palo-osastoon, jolloin ne ovat korjattavissa. Rakennuksissa, joiden rakennusosilta vaaditaan 30 minuutin palonkestoa, korjaus ei useinkaan ole kannattavaa tai mahdollista, mutta täydellistä sortumista ei saa tapahtua.
  3. Välipohjan muodonmuutokset eivät saa aiheuttaa osastoinnin pettämistä eli palon on pysyttävä osastossa, jossa se on saanut alkunsa eikä se  saa levitä vaakasuunnassa.

Taulukossa 1 on yhteenveto suosituksista, jotka koskevat Cardingtonissa testattuja liittorakenteisia, sivusiirtymättömiä, teräsrunkoisia rakennuksia. Rungon tulee olla vähintään kaksiaukkoinen molemmissa suunnissa.

Yhteenveto

Tulevaisuudessa toivotaan, että teräsrakenteiden palosuojausta voitaisiin vähentää kahdella edellä kuvatulla tavalla. Ensimmäinen menettelytapa, jonka mukaan teräsrakenteilla  voidaan osoittaa olevan vaadittava palonkestävyys on valmiina ja heti käytettävissä. Toisen Cardingtonin palokokeisiin perustuvan menettelytavan pitäisi olla käytettävissä tämän vuoden aikana. Jotta Cardingtonista saaduilla tuloksilla kuitenkaan olisi mitään vaikutusta, teollisuuden täytyy saada rakennevalintojen tekijät ja viranomaiset  vakuuttuneiksi siitä, että turvallisuustaso säilyy entisellään ja että uudella käytännöllä saavutetaan jonkin asteista taloudellista hyötyä. On mahdollista, että poliittiset esteet osoittautuvat yhtä vaikeasti ylitettäviksi kuin teknillisetkin.

Aiheeseen liittyviä julkaisuja

  1. The Building Regulations Approved Document B, Fire safety Department of the Environment and the Welsh Office
  2. The Behaviour of Multi-Storey Steel Framed Buildings in Fire-A European Joint Research Programme British Steel, Swinden Technology Centre, 1999
  3. Bailey C G, Newman G M, Simms W I, The design of steel framed buildings without applied fire protection, The Steel Construction Institute, P 186, 1999


Takaisin sisältöluetteloon
Back to FCSA front page !