Yhden omakotitalon tuulikuormaa tarkasteltiin kahdella tavalla. Ensin nopeammalla voimakerroinmenetelmällä, sitten pintapaineisiin perustuvalla menetelmällä. Sama rakennus, sama standardi. Jäykistäville rakenteille tuleva tuulikuorma oli pintapainetarkastelussa noin 31 % pienempi määräävässä suunnassa.

Turvallisuustaso ei muuttunut. Ero syntyy siitä, että pintapainemenetelmä kuvaa tuulen jakautumista rakennuksen eri pinnoille tarkemmin kuin koko rakennusta kuvaava voimakerroin.

Miksi tuulikuorma vaikuttaa puurakenteiden jäykistykseen

Rakennuksen pitää kestää sitä rasittavat tuulikuormat. Tuulikuorman määrä vaikuttaa jäykistävien seinien määrään ja sijoitteluun, liitosten kestävyyteen ja seinien kiinnitykseen perustuksiin. Käytännössä se vaikuttaa myös arkkitehdin liikkumavaraan pohjaratkaisuissa.

Jos tuulikuorma yliarvioidaan, jäykistystä joutuu lisäämään turhaan. Ylimääräinen jäykistävä seinä, kalliimpi rakennuslevy tai räätälöity liitos näkyvät asiakkaalle kustannuksina ja vaikuttaa pohjaratkaisuun. Kuorman aliarviointi ei tule kysymykseen, koska rakenteellisesta turvallisuudesta ei tingitä. Tavoitteena on tarkka mitoitus, ei pienempi.

Eurokoodi sallii kaksi tapaa

Standardi SFS-EN 1991-1-4 antaa tuulikuorman mitoitukseen kaksi vaihtoehtoa. Molemmissa tarkastelutavoissa selvitetään ensin rakennuspaikan tuuliolosuhteet: maastoluokka, nopeuspaine ja rakennuksen mitat. Ero syntyy vasta sen jälkeen.

Voimakerroinmenetelmässä (c_f) kuorma määritetään koko rakennukselle yhdellä voimakertoimella:

F_w = c_sc_d · c_f · q_p(h) · A_ref

Voimakerroin c_f kuvaa koko rakennuksen tuulivaikutusta yhdellä kertoimella. Siksi menetelmä on nopea, mutta tietyissä kohteissa myös varovaisempi kuin pintapaineisiin perustuva tarkastelu. Se sopii hyvin yksinkertaisen muotoisiin kohteisiin tai silloin, kun lopullinen rakenneratkaisu ei muutu sen mukaan, kuinka tarkasti tuulikuorma määritetään.

Pintapainemenetelmässä (c_pe + c_pi) sama lähtötieto jaetaan rakennuksen eri pinnoille, vyöhykkeille ja tuulensuunnille. Kokonaisvoima saadaan lausekkeella:

F_w = γ_e · F_w,e + F_w,i + F_fr

Missä komponentit ovat:

F_w,e = c_sc_d · Σ w_e · A_ref — ulkopuolinen kuorma

F_w,i = Σ w_i · A_ref — sisäpuolinen kuorma

F_fr = c_fr · q_p(z) · A_ref — kitkakuorma

A_ref on yksittäisen pinnan tuulenpaineen vaikutusala (b·h), jossa b on rakennuksen leveys tuuleen nähden kohtisuorasti ja h rakennuksen korkeus. c_sc_d on rakennekerroin, jona voidaan käyttää arvoa 1 alle 15 metriä korkeissa rakennuksissa.

Kertoimen γ_e avulla otetaan huomioon se, että rakennuksen etu- ja takapuolella esiintyvien paine- ja imuvoimien huippuarvot eivät esiinny samaan aikaan (EN 1991-1-4). Tämä efekti ei sisälly rakennekertoimeen c_sc_d.

Molemmat menetelmät on hyväksyttäviä ja oikein ja turvallisia. Tarkempi menetelmä ei tarkoita suurempaa riskiä, vaan sitä, että kuorman jakautuminen rakennuksen eri pinnoille mallinnetaan tarkemmin.

Mitä pintapainemenetelmässä otetaan huomioon

Tarkempi menetelmä edellyttää useiden tekijöiden huomioimista:

ulkoiset painekertoimet pystyseinien sivualueille (D ja E)
ulkoiset painekertoimet katon vyöhykkeille — F räystäsnurkat, G räystäskeskialueet, H tuulen puoli, I ja J suojan puoli
sisäpuoliset painekertoimet c_pi ja aukkojen vaikutus
h/d-suhde ja sen vaikutus painekertoimiin
katon kaltevuus ja mittasuhteet
tuulen suunnat (0°, 90°, 180°, ja 270°) ja määräävien yhdistelmien valinta
räystäiden, katosten ja ulokkeiden paikalliset paineet
pintojen kuormien yhteenlasku eri tarkastelusuunnille
eri vaihtoehtojen yhdistelyt — määräävät valitaan

Listaa ei ole tarpeen avata enempää, huomioitavaa on, että jokainen näistä vaikuttaa lopputulokseen, ja niiden hallinta vaatii standardin tuntemusta ja järjestelmällisen laskentatavan.

Esimerkkikohde

Kohteena oli yksikerroksinen omakotitalo, jossa ullakko on hyödynnetty asuintilaksi.

päämitat 19,0 × 10,1 m
kokonaiskorkeus 6,93 m (rungon korkeus 2,70 m, ullakon harjakorkeus 3,73 m räystäästä harjaan)
harjakatto, jonka harja on epäkeskinen — kattokaltevuudet 37,5° ja 22,6°
päädyssä kahden auton autokatos, tasakatto, pituus 6 m
maastoluokka II

Rakennus on pitkä ja kohtuullisen kapea (suhde noin 1,9:1), ja sen katto on epäsymmetrinen. Tällaisessa kohteessa kahden menetelmän ero alkaa näkyä selvästi.

Vertailu — luvut

Vertailu koskee nimenomaan tuulikuormaa, ei kaikkia jäykistystarkastelussa huomioitavia vaakavoimia. Luvut ovat kN ja näyttävät jäykistäville rakenteille tulevan kuorman.

Tuulen suunta	c_f-menetelmä	Pintapainemenetelmä	Ero
Tuuli lyhyen sivun suuntaan (0°)	130,61 kN	89,70 kN	−31 %
Tuuli pitkän sivun suuntaan (90°)	34,28 kN	29,30 kN	−14 %

Tuulenpuoleinen kuormituskuvaaja rakennuksesta. Seinä D ja katon vyöhykkeet F (räystäsnurkat), G (räystäskeskialueet) ja H (tuulenpuoleinen lape) on värjätty lämpimillä sävyillä (paine). Päädyssä oleva autokatos saa voimakkaamman paineen lisäkertoimensa vuoksi. — Tuulenpuoleinen kuormituskuvaaja. Seinä D ja katon vyöhykkeet F (räystäsnurkat), G (räystäskeskialue) ja H (tuulenpuoleinen lape) ovat paineen alaisia (lämpimät sävyt). Päädyssä oleva autokatos saa lisäkertoimensa vuoksi voimakkaamman nettopaineen kuin viereinen seinä. Tämä esittää yhden tuulen suunnan (0°) painekertoimet. Sama tarkastelu tehdään myös tuulen suunnalle 90°, 180°, ja 270° ja vyöhykkeiden eri arvoille, sama vyöhyke voi samasta tuulensuunnasta saada paineen sijasta myös imua tai päinvastoin. Määräävä yhdistelmä valitaan kaikkien tarkastelujen joukosta.

Suojanpuoleinen kuormituskuvaaja rakennuksesta. Seinä E ja katon vyöhykkeet I (suojanpuoleinen lape) ja J (räystäs lähellä harjaa) on värjätty viileillä sävyillä (imu). Päädyssä oleva autokatos saa voimakkaamman imun lisäkertoimensa vuoksi. Alaosassa värilegenda. — Suojanpuoleinen kuormituskuvaaja. Seinä E ja katon vyöhykkeet I ja J ovat imun alaisia (viileät sävyt). Pintojen kuormat lasketaan yhteen rakennuksen vaakavaikutukseen.

Määräävä on pitemmälle sivulle kohdistuva tuuli 180° suunnasta. Pintapainemenetelmä antoi noin 31 % pienemmän kuorman verrattuna voimakerroin menetelmällä saatuun tulokseen. Kapeamman päädyn suunnassa ero on pienempi.

Mistä ero syntyi?

Sivuseinän E suojan puolen imupaine (c_pe = −0,42) tulee huomioiduksi oikealla suunnalla
Kattojen kuormitus tulee laskettua vyöhykkeittäin, ei yhdellä kertoimella
Katon vyöhykkeiden vaakakomponentit lasketaan eriytetysti lappeittain

Pystykuormien epäkeskisyydestä syntyvä vaakakuorma on erillinen lisävaikutus jäykistystarkastelussa. Se ei kuulu tähän tuulikuormien vertailuun. Kokonaisjäykistystarkastelussa se lisätään molempiin menetelmiin samalla tavalla.

Mitä tämä tarkoitti rakenteille

Pelkän kuormaluvun pienentyminen ei vielä tarkoita asiakkaalle mitään. Hyöty syntyy siitä, mitä ei tarvinnut tehdä.

Erillistä jäykistävää väliseinää ei tarvittu

Pohjaratkaisussa ei ollut montaa luontevaa paikkaa jäykistäjäseinälle. Voimakerroinmenetelmän mitoituskuorma olisi vaatinut yhden erillisen väliseinän jäykistämään rakennusta, ja sen mukana:

erilliset perustukset kyseiselle väliseinälle, tai
alapohjan vahvistuksen seinän alle,
erityisen yläpohjaliitoksen, jossa kattorakenteen painuma sallitaan mutta vaakaliike estetään ja
kaikkien näiden suunnittelun ja rakentamisen

Pintapainemenetelmän pienempi vaakakuorma jakautui olemassa olevien rakenteiden kesken — päätyseinien tuulensuojalevy ulkopuolella ja sisälevytys sisäpuolella. Ratkaisu tehtiin samoilla rakennekerroksilla jotka muutenkin olisi rakennettu, ainoastaan kiinnikejakoa tihentämällä.

Päätyseiniin ei tarvittu erikoislevyjä

Voimakerroinmenetelmän kuormalla päätyseinien jäykistyskestävyys ei olisi täyttynyt tavanomaisella erikoiskovalla kipsilevyllä. Olisi pitänyt vaihtaa rakenteellisesti vahvempaan jäykistyslevyyn (esim. Gyproc Habito). Pelkkien levyjen kappalehintaero on suuruusluokaltaan noin 70 euroa per levy (STARK-verkkokaupan listahinnoilla Habito ~99 €/kpl, erikoiskova kipsilevy ~31 €/kpl). Yhden seinän mittakaavassa voidaan puhua sadoista euroista, koko rakennuksessa ero voi kasvaa merkittäväksi, kun mukaan lasketaan myös työ, liitokset ja mahdolliset lisärakenteet.

Mitä asiakas sai

yksi jäykistävä väliseinä jäi rakentamatta, ja sen pystytys, perustus, alapohjan vahvistus ja yläpohjaliitoksen erityisratkaisu
päätyseinien rakennuslevyt vakiotuotteena
vapaampi pohjaratkaisu, koska yksi kantava väliseinä jäi pois

Suunnittelun puolelta hyöty oli sekin konkreettinen: lopullinen rakenneratkaisu syntyi ilman ylimääräisiä iteraatioita.

Milloin tarkempi tarkastelu kannattaa

Pintapainemenetelmä vie aikaa. Sekä laskenta että lähtötietojen kokoaminen ovat monin verroin työläämpiä kuin voimakerroinmenetelmässä. Laskenta vaatii enemmän matematiikkaa kuten interpolointia niin lineaarisesti kuin logaritmisesti, sekä monen eri painetapauksen yhtäaikaista tutkimista ja määräävien yhdistelmien löytämistä. Mutta erityisesti rakennuksissa, joissa on vähän yhtenäisiä seiniä tai suuria ikkuna-aukkoja, kannattaa tuulikuormien tarkempi tarkastelu.

Standardit ja vastuu

Molemmat menetelmät tehdään SFS-EN 1991-1-4:n ja Suomen kansallisen liitteen mukaisesti. Mitoittavat kuormat määräytyvät RIL 201-1-2017 -ohjeen mukaan. Rakennesuunnitelmat ovat rakennusvalvonnan hyväksyttävissä molemmilla menetelmillä. Pintapainemenetelmä ei ole vaihtoehtoinen tulkinta, se on standardin nimenomaisesti sallima ja kuvaama laskentatapa.

Studio Aittakummun käytäntö

Studio Aittakummussa tuulikuormat lasketaan lähtökohtaisesti aina pintapaineisiin perustuvalla menetelmällä myös pientalokohteissa. Menetelmä on työläämpi kuin kokonaisvoimakertoimeen perustuva tarkastelu, mutta se antaa tarkemman kuvan siitä, miten tuuli kuormittaa rakennuksen eri pintoja.

Tarkempi laskenta on erityisen hyödyllinen silloin, kun jäykistävien seinien sijoittelu on hankalaa, rakennuksessa on suuria aukkoja tai rakenneratkaisu halutaan pitää mahdollisimman tarkoituksenmukaisena ilman ylimääräisiä jäykistäviä rakenteita.

Heikki Aittakumpu
Insinööri (AMK), rakennustekniikka