Lahdensivu, Jukka

Pakkala, Toni

Trepo - Institutional Repository of Tampere University

Julkisivujen pitkäaikaisestävyyden rasitusolosuhteetToni Pakkala1 ja Jukka Lahdensivu11 Tampereen yliopisto, Rakenteiden korjaaminen ja elinkaaritekniikkaTiivistelmäYmpäristöministeriö on käynnistänyt hankkeen Rakentamisen mitoitussäät (RAMI), jossaTampereen yliopisto, Aalto-yliopisto ja Ilmatieteen laitos selvittävät yhdessä rakentamisenmitoitusperusteita ja -aineistoa rakenteiden rakennusfysikaalista mitoitusta ja rakennustensisäolosuhteita varten. Yksi Tampereen yliopiston osa-alueista hankkeessa onjulkisivurakenteiden pitkäaikaiskestävyyden kannalta kriittisten rasitusolosuhteidentunnistaminen ja kyseisten olosuhteiden muuttuminen tulevaisuuden ilmastossa.Julkisivurakenteisiin liittyvässä tutkimusosiossa selvitetään olemassa olevan rakennuskannanvaurioitumisen ja säärasituksen tason laskennallisten tarkastelujen pohjalta kriittiset vuotuisetrasitusolosuhteet huokoisten kiviainespohjaisten materiaalien pakkasrasituksen jabetoniraudoitteiden korroosion kannalta. Tarkastelut tehdään RASMI-aineiston kolmelle eripäästöskenaarion tilanteelle. Tuloksena saadaan arvioitua tulevaisuuden sääolosuhteidenrankkuutta olemassa olevaan rakennuskantaan sekä sen vaikutusta korjausten sekäuudisrakentamisen suunnitteluun. Tämän artikkelin kirjoitusaikaan on laskettu sateen jälkeisetjäätymis-sulamissyklit sekä sademäärät ennen syklejä kolmella eri skenaariolla Vantaalla 2050 ja2080 sekä Jokioisilla 2080.1. JohdantoKiviainespohjaisten säälle alttiiden rakenteiden vaurioitumiselle kriittisiksi vauriomekanismeiksion aiemmissa tutkimuksissa todettu pakkasrapautuminen ja betonilla raudoitteiden korroosio [1,2]. Erityisesti viistosademäärällä on havaittu erittäin suuri merkitys molempiinvauriomekanismeihin. Lahdensivu [1] havaitsi väitöstutkimuksessaan, että julkisivu- japarvekebetonista irrotetuissa näytelieriöissä alkavaa pakkasrapautumista havaittiin n. 80 sateenjälkeistä jäätymis-sulamissykliä aiemmin rannikolla (keskimäärin 307 sykliä) kuin sisämaassa(keskimäärin 388 sykliä). Pakkala et al. [3, 4] on havainnut tarkasteluissaan, että todennäköisinsyy rannikolla tapahtuneella nopeammalle vaurioitumiselle on selkeästi suurempiviistosademäärä sisämaahan nähden. Lisäksi Pakkala et al. [4] havaitsi, että pitkälle edennyttäpakkasrapautumista on havaittu julkisivu- ja parvekerakenteissa tiettyjen ilmansuuntien puolellalähes samassa suhteessa niille ennen jäätymis-sulamissyklejä satavan viistosademäärän kanssa.Nykyilmastossa (tutkimuksen aikaan 1980–2009) selvästi suurin osuus jäätymis-sulamissyklejäedeltävästä viistosademäärästä (78 %) on tullut länsi-kaakko-suuntaisilta ilmansuunnilta, japuolestaan ennen vuotta 1995 rakennetuilla betonijulkisivuilla 81 % pitkälle edenneestäpakkasrapautumasta on havaittu kyseisten ilmansuuntien julkisivuilla. Molempien osuus onsuurempi rannikolla ja vähenee sisämaata ja Lappia kohden.Betoniterästen korroosiovaurioituminen voidaan jakaa kahteen osaan: käynnistymisvaihe, jonkaaikana betonin karbonatisoitumisrintama saavuttaa terässyvyyden ja siten menettää terästäsuojaavan alkalisuutensa sekä aktiivisen korroosion vaihe, jolloin teräs alkaa ruostua ja lopultaaiheuttaa halkeaman tai lohkeaman betonin pintaan. Kyseisten vaiheiden pituus riippuu rakenteenominaisuuksien, kuten betonin peitepaksuuden lisäksi merkittävästi rakenteen suojaisuudesta,sillä kosteus hidastaa karbonatisoitumista, mutta nopeuttaa itse korroosiota. Jos rakenne onsuojassa viistosateelta, kuten parvekelaatan alapinta, käynnistymisvaihe voi olla melko lyhyt jaaktiivisen korroosion vaihe pitkä. Jos rakenne on altis viistosateelle, kuten parvekepieli,käynnistymisvaihe voi olla melko pitkä, mutta aktiivisen korroosion vaihe hyvin lyhyt. Köliömallinsi väitöskirjassaan [5], että esimerkiksi rannikko-olosuhteissa nykyilmastossaeteläjulkisivulla sijaitsevan parvekelaatan alapinnan korroosion käynnistymisvaihe on n. 10vuotta, pielellä n. 12 vuotta ja julkisivulla 25 vuotta. Aktiivisen korroosion vaiheen kestopuolestaan olisi vastaavilla rakenteilla 80 vuotta, 2 vuotta ja 3 vuotta.Tässä artikkelissa esiteltävän tutkimuksen pakkasrapautumisen rasitustason arviointi tehdäänrasitustasoa kuvaavan jäätymis-sulamissyklien määrän avulla, määrittäen nämä uudelleIlmatieteen laitoksen tuottamalle 30 vuoden tuntiaineistolle nyky- ja tulevaisuuden ilmastosta(RASMI-aineisto) ottaen huomioon myös viistosateen määrän erisuuntaisille julkisivupinnoille.Raudoitteiden korroosiotarkasteluissa hyödynnetään laskennallisen karbonatisoitumisen yleisiälaskennallisia malleja sekä Tampereen yliopiston Rakenteiden korjaamisen ja elinkaaritekniikantutkimusryhmässä kehitettyä ja aikaisempaa kattavampaa aktiivisen korroosion laskentamallia.Tarkastelut tehdään RASMI-aineiston kolmelle eri päästöskenaarion tilanteelle ja tuloksiaverrataan aiemman FRAME-hankkeen tuloksiin. Tuloksena saadaan arvioitua tulevaisuudensääolosuhteiden rankkuutta olemassa olevaan rakennuskantaan sekä sen vaikutusta korjaustensekä uudisrakentamisen suunnitteluun.2. Tutkimusmenetelmät2.1 PakkasrapautuminenKiviainespohjaisten, säälle alttiiden julkisivurakenteiden, kuten betoni, tiili ja rappaus,pakkasrapautuminen perustuu materiaalien altistumiseen jäätymis-sulamisrasitukselle silloin, kunniiden huokosverkostossa on riittävä määrä vettä. Varsinaiseen pakkasrapautumisen mekanismiinon useita erilaisia teorioita [6], mutta yksinkertaistetusti yleensä käytetään hydraulisen paineenteoriaa [7], jonka mukaan huokosverkostossa jäätyvän veden laajeneminen aiheuttaa hydraulisenpaineen huokosverkostoon, mikä aiheuttaa sisäisiä jännityksiä ja voi lopulta johtaa halkeamansyntyyn. Mitä pienemmistä huokosista puhutaan sitä matalampi on huokosverkostossa vapaanaolevan veden jäätymislämpötila. Käytännössä kapillaarihuokosten tapauksessa jäätymislämpötilaon noin -5…-10 °C [8]. Pakkasrapautumiselta voidaan suojautua mm. lisähuokostuksella, jossahuokoiseen materiaaliin saadaan sopivan kokoisia suojahuokosia sopivalle etäisyydelle toisistaan,jolloin jäätymisen aiheuttama huokospaine pääsee purkautumaan niihin. Kuten Lahdensivu [1] onesittänyt, olemassa olevassa rakennuskannassa suojahuokostus on ollut kuitenkin useinpuutteellista vielä nykymääräyksiä vastaavilla vaatimuksella tehdyissä betonirakennuksissa.Pakkasrapautumisen mallintamiseen tai sen riskin laskennalliseen tarkasteluun ei olemaailmanlaajuisestikaan kehitetty käytännöllisiä menetelmiä [9]. Norjassa Lisø et al. [10]esittelivät yhdistelmän, jossa tarkastellaan erikseen jäätymis-sulamissyklien vuosittaista määrääsekä niitä edeltävän sademäärän vuosisummaa. Pakkala [9] arvioi väitöskirjassaan, että tarkasteluon puutteellinen mm. siksi, että jäätymis-sulamissykleissä on tarkastelu kaikkia syklejä eikäsyklejä, joita on edeltänyt vesi- tai räntäsade. Aiemmin Pakkala et al. [4] oli esittänyt, ettäviistosademäärällä ennen jäätymis-sulamissyklejä on hyvin selkeä yhteys havaittuihinrapautumavaurioihin. Tässä tutkimuksessa hyödynnetään kyseisiä havaintoja ja tarkastellaanerityisesti julkisivulle satavaa viistosademäärää maksimissaan 72 tuntia ennen -5 °C:een alitusta.Viistosademäärän laskenta on toteutettu standardin SFS-EN ISO 15927-3 [11] mukaisesti vapaanviistosateen kaavalla:(1)missä v  = tuulennopeuden tuntikeskiarvo [m/s]r  = tunnittainen kokonaissademäärä [mm]D  = tunnittainen tuulen suunnan keskiarvo [°]θ = seinän suunta suhteessa pohjoiseen [°]N  = tarkasteltavan aineiston vuosien määräKaavan (1) summa lasketaan kaikilta tunneilta, jolloin lause  on positiivinen. Koskastandardi ei ota huomioon, tuleeko sade vetenä, räntänä vai lumena, laskennan lisämääreeksi onotettu vaatimus, että sadehetkellä ilman lämpötila on yli 0 °C. Laskenta on toteutettu sekä vuodenkokonaissademääränä ennen jäätymis-sulamissyklejä että keskimääräisenä sademääränä ennenyksittäistä jäätymis-sulamissykliä.Tutkimusmateriaalina on käytetty Ilmatieteen laitoksen tuottamaa RASMI-aineistoanykyilmastolle (vuosien 1989–2019 tunnittainen mittausdata) sekä kolmelle eriilmastonmuutosennusteille (RCP2.6, RCP4.5 sekä RCP8.5) vuosille 2050 ja 2080.Ilmastonmuutosennusteista RCP2.6 on optimistisin teollisuuden vuoksi ilmaan päätyvänhiilidioksidimäärän suhteen ja RCP8.5 pessimistisin. Tämän artikkelin tekovaiheessa kyseisettarkastelut on tehty rannikkoilmastoa kuvaavan Helsinki-Vantaan säähavaintoasemalle sekäeteläistä sisämaata kuvaavalle Jokioisen säähavaintoasemalle.2.2 Raudoitteiden korroosioTutkimuksessa tullaan selvittämään myös raudoitteiden korroosion käynnistymisvaiheen jaaktiivisen korroosion vaiheen mallinnusta. Koska laskenta ei artikkelia kirjoittaessa ole vieläkäynnistynyt, laskentamenetelmiä ei esitellä tässä artikkelissa.3. Tulokset3.1 Jäätymis-sulamissyklit sateen jälkeenJäätymis-sulamissyklien määrä vetenä tai räntänä tulleen sateen jälkeen on laskettu tutkimuksentässä vaiheessa rannikkoilmastoa kuvaavan Helsinki-Vantaan säähavaintoasemalle sekä eteläistäsisämaata kuvaavalle Jokioisen säähavaintoasemalle nykyilmastossa sekä vuosien 2050 ja 2080ilmastonmuutosennusteilla. Laskennan tulokset Helsinki-Vantaalle on esitetty kuvassa 1 jaJokioiselle kuvassa 2.Kuten kuvaajista nähdään, jäätymis-sulamissyklien määrä sateen jälkeen tulee ennusteistariippuen vähenemään melko maltillisesti riippumatta siitä, tarkastellaanko rannikkoa vai eteläistäsisämaata. Merkittävin eroavaisuus tulee esiin vasta ennusteen RCP8.5 kohdalla vuonna 2080,jossa rannikolla syklimäärä putoaa 58 %:iin nykytilanteesta. Eteläisessä sisämaassa puolestaankyseisen ennusteen mukaan määrä nousee vuoden 2050 tilanteesta takaisin lähemmäsnykytilannetta.Kuva 1. Jäätymis-sulamissyklien määrä maksimissaan 72 tuntia vetenä tai räntänä tulleen sateenjälkeen Helsinki-Vantaalla nykyilmastossa sekä eri ennusteilla vuosien 2050 ja 2080 ilmastoissa.Kuva 2. Jäätymis-sulamissyklien määrä maksimissaan 72 tuntia vetenä tai räntänä tulleen sateenjälkeen Jokioisilla nykyilmastossa sekä eri ennusteilla vuosien 2050 ja 2080 ilmastoissa.Lahdensivun väitöskirjassaan [2] esittämän, nykyilmastossa rannikolla alkavaanpakkasrapautumiseen vaadittu sateen jälkeinen jäätymis-sulamissyklimäärä (307 kpl)saavutettaisiin laskennan mukaan nopeimmin, n. 31 vuodessa, ennusteen RCP2.6 vuoden 2050ilmastossa länsijulkisivulla. Hitaimmin, n. 64 vuodessa, se saavutettaisiin niin ikäänlänsijulkisivulla ennusteen RCP8.5 vuoden 2080 ilmastossa. Sisämaassa nykyilmastossa alkavaanpakkasrapautumiseen vaadittu jäätymis-sulamissyklimäärä (388 kpl) saavutettaisiin nopeimmin,n. 32 vuodessa, länsijulkisivulla ennusteen RCP2.6 vuoden 2050 ilmastossa ja hitaimmin, n. 63vuodessa, ennusteen RCP4.5 vuoden 2080 ilmastossa. Sisämaatarkastelu on kuitenkin aiemmintehty Jyväskylän sääaineiston perusteella eikä siten ole suoraan vertailukelpoinen.3.2 Viistosademäärä jäätymis-sulamissyklien jälkeenVuotuinen viistosademäärä ennen jäätymis-sulamissyklejä rannikolla ja eteläisessä sisämaassa onesitelty kuvissa 3 ja 4.Kuva 3. Maksimissaan 72 h ennen jäätymis-sulamissyklejä vetenä tai räntänä tulleen viistosateenvuosisumma Helsinki-Vantaalla nykyilmastossa sekä eri ennusteilla vuosien 2050 ja 2080ilmastoissa.Kuva 4. Maksimissaan 72 h ennen jäätymis-sulamissyklejä vetenä tai räntänä tulleen viistosateenvuosisumma Jokioisilla nykyilmastossa sekä eri ennusteilla vuosien 2050 ja 2080 ilmastoissa.Toisin kuin sateen jälkeisissä sykleissä, viistosademäärässä ennen kyseisiä syklejä voiennusteesta riippuen tapahtua jopa kasvua. Rannikolla kasvua tapahtuu ennusteella RCP2.6 niin2050 kuin 2080 ennusteellakin. Sen sijaan ennusteella RCP8.5 syklejä edeltävä viistosademääräputoaa jo 2050 ja merkittävästi (46 %) vuonna 2080. Jokioisilla erot nykytilanteeseen ovat hyvinvähäisiä ja määrät ovat myös huomattavasti rannikkoa pienemmät kaikilla ennusteilla paitsiRCP8.5 vuonna 2080. Kaikissa tapauksissa tapahtuu pudotusta nykyilmastossa rankimminrasitetuilla etelä- ja länsijulkisivuilla. Erityisesti itäjulkisivuilla puolestaan tapahtuu kasvua.Tarkasteltaessa yksittäisen jäätymis-sulamissyklin intensiteettiä eli viistosadesademäärää ennenyksittäistä sykliä, tapahtuu kasvua rannikolla kasvua nykyilmastoon nähden kaikilla ennusteilla.Eteläisessä sisämaassa kasvua tapahtuu ennusteella RCP4.5 2050 ja 2080 ilmastoissa sekäennusteella RCP2.6 2050 ilmastossa. Suurin kasvu (15 %) tapahtuu rannikon 2050 ilmastossaennusteella RCP4.5.4. YhteenvetoTämän artikkelin kirjoittamisen hetkeen mennessä tehdyistä laskelmista on selvinnyt, ettäkiviainespohjaisten julkisivumateriaalien pakkasrasituksessa ilmastonmuutoksen myötä tapahtuvamuutos riippuu merkittävästi sijainnin lisäksi käytetystä ennusteesta. Rannikolla sateen jälkeistenjäätymis-sulamissyklien määrä tulee kaikilla ennusteilla vähenemään nykyilmastoon nähden.Aiemmissa tutkimuksissa on kuitenkin havaittu jäätymis-sulamissyklejä edeltävän viistosateenmäärän merkittävä vaikutus ja sen muutos riippuu hyvin paljon käytetystä ennusteesta. Ilmanhiilidioksidipitoisuuden kannalta pessimistisimmällä RCP8.5 ennusteella pakkasrasitus tuleehelpottamaan huomattavasti 2080 vuoden ilmastossa, mutta optimisimmalla ennusteella RCP2.6puolestaan kasvamaan. Eteläisessä sisämaassa ennusteen vaikutus on huomattavasti vähäisempieikä rasitus tule merkittävästi muuttumaan nykytilanteesta.Tutkimuksen seuraavassa vaiheessa selvitetään aineistosta testivuosia. Testivuosien valintatoteutetaan rakennusfysikaalisen laskennan testivuosien tapaan valitsemalla aineistosta vuodet,joita rankempaa rasitusta on enintään kerran 10 vuodessa.Lähdeluettelo[1] Lahdensivu, J., Varjonen, S. ja Köliö, A. 2010. Betonijulkisivujen ja -parvekkeidenkorjausstrategiat. Tampereen teknillinen yliopisto, rakennustekniikan laitos.Tutkimusraportti 148.[2] Lahdensivu, J. 2012. Durability Properties and Actual Deterioration of Finnish ConcreteFacades and Balconies. Tampere University of Technology. Väitöskirja. TUT Publ. 1028.117 s.[3] Pakkala, T. A., Köliö, A. Lahdensivu J. ja Kiviste M. 2014. Durability demands related tofrost attack for Finnish concrete buildings in changing climate. Building and Environment,82 (2014). Pp. 27–41.[4] Pakkala, T. A., Lahdensivu, J. Huuhka, P., Kivioja, H. ja Lemberg, A.-M. 2019. Freeze-thaw Damage Dependence on Wind-driven Rain of Outdoor Exposed Concrete – A CaseStudy. Nordic Concrete Research, Publication no. 61, 2/2019. Pp. 91–106.[5] Köliö, A. 2016. Propagation of Carbonation Induced Reinforcement Corrosion in ExistingConcrete Facades Exposed to the Finnish Climate. Tampereen teknillinen yliopisto.Väitöskirja. TUT Publ. 1399. 147 s.[6] Kuosa, H. ja Vesikari, E. 2000. Betonin pakkasenkestävyyden varmistaminen. Osa 1:Perusteet ja käyttöikämitoitus. VTT. VTT Tiedotteita 2056. 141 s.[7] Powers, T. C. 1949. The air requirement of frost-resistant concrete. Chicago: PortlandCement Association, Research and Development laboratories, Development Department.Bulletin 33.[8] Pigeon, M. ja Pleau, R. 1995. Durability of concrete in cold climates. London. E & FNSpon. 244 s.[9] Pakkala, T. 2020. Assessment of Climate Change Effects on Finnish Concrete Facades andBalconies. Tampere University Dissertations 204. 98 s. 23 liites.[10] Lisø, K.R., Kvande, T., Hygen, H.O., Thue, J.V. ja Harstveit, K. 2007. A frost decayexposure index for porous, mineral building materials. Building and Environment, 42(10),Pp. 3547–3555.[11] SFS-EN ISO 15927-3. 2009. Hygrothermal performance of buildings. Calculation andpresentation of climatic data. Part 3: Calculation of a driving rain index for vertical surfacesfrom hourly wind and rain data. Suomen Standardisoimisliitto SFS ry, Helsinki. 31 s.

Julkisivujen pitkäaikaisestävyyden rasitusolosuhteet

https://trepo.tuni.fi/bitstream/10024/145825/1/Julkisivurakenteiden_pitk_aikaiskest_vyyden_rasitusolosuhteet_Pakkala_RF2021_korjattu.pdf

Julkisivujen pitkäaikaisestävyyden rasitusolosuhteet

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Trepo - Institutional Repository of Tampere University