FI70444C - Fribaerande byggelement - Google Patents

Description

1 70444

Vapaastikannattava rakennuselementti Teknillinen alue

Keksintö koskee rakennuselementtiä, nk. kerroslevyelement-tiä, joka koostuu peitemateriaalina olevista ohuista metallilevyistä sekä niiden välissä olevasta vaahtobetonis-ta. Tarkoituksena on aikaansaada rakennuselementti,joka voi ottaa vastaan suhteellisen suuria taivutus- ja leikkaus-kuormituksia sekä myös pistekuormia, mutta jolla kuitenkin on alhainen tilavuuspaino ja suuri lämmönsiirtovastus. Ensisijaiset käyttökohteet ovat pienten ja keskisuurten talojen katto- ja seinäelementit, mutta tietysti voidaan ajatella myös muita käyttöalueita, joilla yllämainittuja ominaisuuksia arvostetaan.

Teknillinen tausta

Pienten ja keskisuurten talojen rakentamisessa on edullista käyttää rakennuselementtejä. Tämä johtuu ensisijaisesti ehkä taloudellisista syistä. Rakennuselementit esivalmistetaan erikoistehtaissa ja sovitetaan sitten rakennuspaikalla rakennukseen. Vaatimus, että näiden rakennuselementtien tulee olla mahdollisimman suuressa määrässä vapaastikannat-tavia, aiheutuu tietysti siitä, että elementtien tukemisesta aiheutuvat kustannukset tulee voida alentaa niin paljon kuin mahdollista.

Rakennuselementit joutuvat toisaalta yhä useammin alttiiksi tuulen ja lumen paineen aiheuttamille voimille ja toisaalta pienemmille aloille kohdistuville voimille, jotka aiheutuvat kolhauksista ja iskuista tai elementtien päälle nousevien henkilöiden painosta. Kun elementit ovat useimmiten tuetut alta vain päädyistään, voidaan näitä elementtejä rinnastaa palkkiin, jossa puristus- ja vetovoimat ovat keskittyneet ylä- ja alapintaan ja jossa näiden pintojen välissä olevaan materiaaliin kohdistuu ennen kaikkea leikkausvoi- 2 70444 mia. Rakennuselementtien tulee myös olla lämpöä ja ääntä eristäviä sekä mikäli mahdollista, palamattomia tai niistä ei saa syntyä ainakaan liian haitallista savua mahdollisissa tulipalo-onnettomuuksissa. Näiden rakenneosien kohdalla tulee myös huolehtia siitä, että ei synny selviä kylmäsil-toja kaikkine haittoineen.

Nykyään on olemassa useita rakennuselementtirakenteita. Tavallisin on tehty toisistaan välin päässä olevista pit-kittäispalkeista, jotka on molemmilta sivuilta peitetty paneeleilla. Elementin välitila on täytetty jollakin eristävällä aineella. Palkkien ollessa valmistetut teräksestä syntyy kylmäsilloista ongelmia. Käytettäessä sen sijaan puuta aiheutuu kostean puun elämisestä haittoja. Yksinkertaiset puusidokset eivät aina anna tarpeeksi tilaa hyvälle eristykselle ja ristikkäisiä puusidoksia käytettäessä tulee rakenteesta kallis. Palkkirakenteisiin tulee myös järjestää erikoiskosteussulut, jolleivät paneelit voi muodostaa kos-teussulkua. Ei ole tavallista, että itse eristysmateriaali on kosteuden tunkeutumista estävää.

Niin kutsutut kerroslevyrakenteet koostuvat vain paneeleista, joiden välissä oleva kterros on eristysmateriaalia. Tällä hetkellä on markkinoilla monia eri rakenteita eikä niistä mikään ole osoittautunut erkoisen sopivaksi. Suurin ongelma näyttää olevan saada paneelien väliin sopiva materiaali, joka täyttää hyvälle eristykselle asetetut vaatimukset samalla kun sillä on sellaiset lujuusominaisuudet, jotka vaaditaan itsensäkannattavalta rakennuselementiltä. Usein käytetyllä polyuretaanivaahdolla on tosin hyvä eris-tyskyky, mutta hyvin alhainen puristus- ja leikkauslujuus ja sitäpaitsi siitä kehittyy vaarallista savua tulipalossa. Tämän materiaalin käytön ehtona on siten se, että ulkopa-neelimateriaali käytännöllisesti katsoen kokonaan ottaa vastaan kaiken puristus- tai vetokuormituksen. Jos esimerkiksi metallilevyä käytetään, ei polyuretaanivaahto voi täysin estää levyn pullistumista puristuskuormituksen vai-

«I

3 70444 kuttaessa levyn tasossa ja levymateriaalin lujuusominaisuuksia ei voida siten käyttää täysin hyödyksi. Muuta, paremmilla lujuusominaisuuksilla varustettua materiaalia on myös kokeiltu, mutta silloin on osoittautunut, että se sen sijaan ei täytä riittävässä määrin lämmöneristysvaatimuksia. CH-patenttijulkaisussa 446 670 mainitaan täyteaineena betoni, mutta toisaalta sen lämmöneristyskyky ei ole riittävä elementissä, jolle asetetaan vaatimuksia pienestä lämmönläpäi-sykertoimesta, toisaalta elementit tulevat kohtuuttoman painaviksi. Ehdotetaan myös kevytklinkkeribetonia, esimerkiksi "Leca-betonia", mutta sen lujuusominaisuudet ovat liian huonoja. Sitäpaitsi on ollut problemaattista saada aikaan liitos pintamateriaalin ja täyteaineen välille. Liitoksen aikaansaaminen on mm. sen takia välttämätöntä, että voidaan käyttää hyväksi täyteaineen leikkauslujuutta mm. rakennuselementin taipumis-kuormituksissa. Eräs tapa on ollut, kuten DE-patenttijulkaisussa 875 403, varustaa kuori urilla, joita täydentävät viereisessä levyssä olevat ulkonemat tai sen tapaiset, esimerkiksi uran ja ruoteen tapaan. Tämä tekee kuitenkin rakenteen tarpeettoman paljon kalliimmaksi ja tietenkin eristyskyky pienenee.

Eräs toinen tapa on ollut käyttää liimaa. Liima on kuitenkin herkkä ryömintädeformaatiolle. Toinen tapa on ollut leikata levymateriaalista kielekkeitä sen reunoilta ja taivuttaa ne välitilan sisään. Jotta sen lisäksi saataisiin aikaan tehokkaampi jäykkyys elementissä, on kielekkeet tehty niin pitkiksi, että ne on voitu hitsata yhteen vastakkaisen paneelin kielekkeiden kanssa. Systeemi ei kuitenkaan ole taloudellisista syistä sopiva. SE-patenttihakemuksen 7 706 023-4 mukaan on siltoja stanssattu peitelevyistä ja vedetty vastapäiselle puolelle stabiilimman rakennuselementin aikaansaamiseksi. Myös tämä on taloudellisesti epäedullista ja sitäpaitsi syntyy kylmäsiltoja.

Yhteenveto keksinnöstä

Yllättäen on osoittautunut olevan mahdollista valmistaa hyvin luja ja taloudelliselta kannalta edullinen rakennuselementti, jolla on nykypäivän vaatimuksia vastaavat eristysominaisuudet 4 70444 siten, että rakennuselementin molemmilla sivuilla olevina paneeleina käytetään metallilevyä ja tällöin ennenkaikkea teräslevyä ja että näiden levyjen välinen tila täytetään vaahtobetonilla, joka on valmistettu vedestä, puhtaasta sementistä ja kaksi komponenttia käsittävästä vaahdonmuo-dostajasta. Keksintö määritellään lähemmin oheisissa patenttivaatimuksissa ja keksintöä kuvataan tarkemmin alla olevassa selityksessä.

II

9 5 70444

Tarkempi selitys keksinnöstä

Rakennuselementin pituus voi vaihdella. Jos mahdollista, toivotaan esimerkiksi elementtipituuden kattavan koko matkan katonharjalta räystäälle, tai koko sivuseinän korkeuden. Samalla tavoin halutaan usein käyttää niin leveitä elementtejä kuin mahdollista. Rajoitukset johtuvat tietysti valmistuksessa ja rakennuspaikalla käytössä olevista käsittelymahdollisuuksista sekä kuljetusmahdollisuuksista. Koska keksinnön mukainen rakennuselementti tulee olemaan suhteellisesti kevyempi kuin normaalisti käytössä olevat elementit, lienee suuruus varmasti ratkaisevin rajoittava tekijä. Pituus tulee tuskin ylittämään 12 m, 4-6 m ollessa normaali ja leveys ei tule ylittämään 2,4 m, n. 1,2 m ollessa normaali .

Molemmille puolille tuleva paneelilevy on normaalisti kokonaan sileä, mutta voi ulkonäkösyistä tms. olla hiukan profiloitu. Levypaksuus voi vaihdella 0,4 mm ja 2,5 mm välillä. Alarajan määräävät suureksi osaksi valmistustekniset syyt. On epätaloudellista valssata esimerkiksi teräslevyä ohuempiin mittoihin. Yläraja teräslevylle on normaalisti 1,5 mm. Lujuussyistä ei tätä paksumpia tarvitse käyttää ja rakenteesta tulee silloin liian painava ja kallis. Alumiinia käytettäessä voidaan olla sitävastoin pakotettuja käyttämään 2,5 mm paksuja levyjä, sillä käsittelyn aikana levy helposti muuttaa muotoaan iskuista ja kolhauksista.

Lämmönsiirtokerroin ei modernissa rakennuselementissä saa 3 nousta yli 0,10 W/(m ·Κ), koska muussa tapauksessa elementit joko täytyy tehdä ylipaksuiksi tai täytyy käyttää lisäeristystä. Käytettäessä kahdesta komponentista koostuvaa vaahdotusainetta vaahtobetonin valmistuksessa voidaan vaikeuksitta lämmönsiirtokerroin laskea arvoon 0,06 W/(in *K) valmiiksipalaneen vaahtobetonin tiheyden ollessa 200 kg/m^. Tämä on mm. käytännössä kokeiltu toimintakelpoisessa vaah-tobetonilaitoksessa käyttäen markkinoilla olevaa kaksikom-ponentti vaahdotusainetta Cellex. Vaahtobetonin valmistus 6 70444 suoritettiin erikoiskoneessa, mihin lisättiin ensin vesi, sementti ja toinen komponentti vaahdotusainetta, jonka jälkeen suoritettiin seoksen voimakas sekoitus. Tämän jälkeen lisättiin samalla sekoittaen ja ilmaa tuoden myös toinen komponentti. Vaahtomassa pumpattiin sitten letkuja pitkin teräspaneelien väliin. Mitään painotäytettä ei lisätty.

Muuttamalla valmistusparametrejä voidaan vaahtobetonin ti- 3 heyttä nostaa arvosta 200 kg/m ylöspäin. Valmistettaessa keksinnön mukainen elementti on tiheyden yläraja asetettu 3 arvoon 600 kg/m . Tosin vaahtobetonin lujuusominaisuudet paranevat tiheyden noustessa, mutta toisaalta lisääntyy lämmönsiirtokerroin myös tiheyden mukana ja tiheysarvossa 3 3 600 kg/m voi haluttu maksimi 0,10 W/(m -K) olla vaarassa tulla ylitetyksi. Tiheysalueella 200-600 kg/m^ ovat suoritetut kokeet osoittaneet, että seuraavia vaahtobetonin lu-juusarvoja ei ollut alitettu: puristuslujuus 0,3 MPa kimmomoduuli 500 MPa leikkausmoduuli 250 MPa

Metallipinnan ja kaksikomponentti vaahtobetonin välinen tartunta osoittautui täydelliseksi. Kokeissa osoittautui nimittäin, että murtumisia leikkauskuormituksessa syntyi vaahtobetonikerroksessa eikä vaahtobetonin ja metallilevyjen välisessä rajapinnassa. Tämän ja vaahtobetonin hyvien lujuusominaisuuksien perusteella on osoittautunut, että elementit voivat kestää suuria kuormituksia.

Vaahtobetoni estää kuhmuilun syntymistä teräslevyihin, niin että niiden materiaalilujuusominaisuudet voidaan käyttää täysin hyväksi. Suhteellisen korkean puristuslujuutensa johdosta vaahtobetoni muodostaa hyvät edellytykset sallia suuria pistekuormituksia elementille. Koska vaahtobetoni sitäpaitsi on huokosbetonia suljettuine huokosineen, ei myöskään tarvita mitään ylimääräistä kosteus- tai tuulisulkua.

Il 7 70444 Tällä metallilevyjen ja kaksikomponentti vaahtobetonin yhdistelmällä on saatu aikaan rakennuselementti, jolla on ylivoimaiset lujuus- ja rakennusfysikaaliset ominaisuudet, kilpailukykyiseen hintaan.

r. ·.. · -,

Claims (3)

8 70444

1. Palamaton, höyry- ja vesitiivis vapaastikannattava ra-kennuselementti, jonka lämmönsiirtokerroin on 0,06 - 0,10 W/(m ·Κ), joka muodostuu kahdesta yhdensuuntaisesta metalli-peitelevystä ja välitilan ollessa täytetty kevytbetonilla, tunnettu siitä, että näiden levyjen välinen tila on täytetty vaahtobetonilla, jonka huokoset ovat suljettuja ja joka on valmistettu sementistä, vedestä ja kaksikomponentti-sesta vaahdonmuodostajasta, ja että valmiiksipalaneen vaahto-betonin kimmomoduuli on vähintään 500 MPa, leikkausmoduuli vähintään 250 MPa, puristuslujuus vähintään 0,3 MPa ja tiheys 200 - 600 kg/m3.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen palamaton, höyry- ja vesitiivis vapaastikannattava rakennuselementti, tunnettu siitä, että peitelevyt ovat terästä, jonka paksuus on 0,4 - 1,5 mm.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen palamaton, höyry- ja vesitiivis vapaastikannattava rakennuselementti, tunnettu siitä, että peitelevyt ovat alumiinia, jonka paksuus on 0,6 - 2,5 mm.