Putkiston lämpöliikkeen hallinta - Liukupisteet

Putkiston lämpölaajeneminen tulee olla kontrolloitua ja ennustettavissa, jotta rakennuksen käytön aikaisilta ongelmilta vältytään. Jos lämpölaajenemista ei huomioida suunnittelussa, saattaa seurauksena olla kannakkeen pettäminen, rakenteen vahingoittuminen laajenemisen seurauksena tai putken taipuminen. Yleisesti ottaen lämpölaajenemisen vaikutuksia tulisi tarkastella pitkissä putkilinjoissa (>10 m) ja silloin kun putken halkaisija on suurempi kuin DN 65. Lämpölaajenemista hallitaan erilaisilla kiinto- ja ohjauspisteillä.

Kiintopisteet tulee suunnitella ja mitoittaa

Välillä suunnitelmissa näkyy kiintopisteen merkkinä vain raksi eikä sen tarkempaa tietoa tai ohjeistusta minkälaisia kuormituksia syntyy ja miten niitä tulisi hallita. Rakennustiedon julkaisemassa RT-kortissa 103447 Putkistojen ja kanavien kannatusasetetaan vaatimuksia kannatuksille. Kiintopisteiden näkökulmasta kortin ohjeistukset kuormituksen kestosta, lämpölaajenemisen rasituksista, putkien sivuttaisliikkeen estämisestä ja putkien etäisyyden säilyttämisestä tulisi ottaa huomioon kiintopistesuunnittelussa. RT-kortin mukaan kiintopisteillä, liukuelementeillä ja liukukannakkeilla putkistojen liike ohjataan sopivaan paikkaan. Myös yhteiskannatettavien putkien kannakoinnissa tulisi käyttää liukuelementtejä tai erillisiä kannakkeita, mikäli paineiskut, lämpölaajeneminen tai äänen siirtyminen putkesta toiseen on huomattavaa. RT-kortissa ohjeistetaan kiintopisteitä suunnitellessa ja liukuelementtien sijoittelussa konsultoimaan kiintopisteitä perehtynyttä tahoa. Esimerkiksi BuildingSMART Finlandin ja RYTV-hankeohjelman toukokuussa 2024 julkaiseman Tekniikkakannatusten suunnittelu ja mallinnus -käyttötapauskuvauksen mukaan talotekniikkasuunnittelijan tulee määritellä liukukannakkeiden ja kiintopisteiden paikat, mutta kannatussuunnittelijan vastuulla on suunnitella ja mitoittaa valitut kannaketyypit sekä kiintopisteet. Käyttötapauskuvaus ohjeistaa myös, että kannakedetaljeissa tulisi ilmetä mahdolliset kiinto- ja ohjauspisteiden paikat.

Lämpölaajenemisen vaikutusalueet

Lämpölaajenemiseen vaikuttaa putken pituus, materiaali ja lämpötilaero. Mitä pidemmästä putkesta on kyse, sitä suurempi vaikutus lämpötilavaihtelulla on. Toki myös putkien materiaali ja lämpötilaero vaikuttavat siihen miten voimakasta lämpölaajeneminen on ja missä vaiheessa tarvitaan keinoja sen hallintaan. Lämpölaajenemisesta syntyvä liike halutaan sallia tietyssä kohdin putkea tai ohjata suunnitellusti ennalta määritettyihin paikkoihin eli tarvitaan jonkinlainen kompensaatio. Kiintopistesuunnittelussa laajeneminen voidaan jakaa eri vaikutusalueisiin: hiljaiseen alueeseen, laajenemis- ja kompensaatioalueeseen. Kiintopisteen välittömässä läheisyydessä sijaitsevalla hiljaisella alueella lämpöliikkeen vaikutus on pientä. Laajenemisalueella liikettä ohjataan putken suuntaisesti kohti kompensaatiota. Kompensaatioalueella liike ohjataan esimerkiksi luonnolliseen kompensaatioon kuten u:n malliseen paisuntalenkkiin tai 90 asteen käännökseen.

Kannatusratkaisut eri vaikutusalueilla

Hiljaisella alueella nyrkkisääntönä voidaan pitää 4 asteen sääntöä eli lämpöliikkeen aiheuttaman sivusiirtymän ja kannatusetäisyyden välinen kulma on alle 4 astetta. Kannakkeille suunnitellaan ja kohdistetaan vain putken paino ja putki voidaan kannakoida yksittäiskannakkeella, trapetsilla tai kattokiskolla. Jos rakenne tai kannatus suunnitellaan jäykäksi, ei voida hyödyntää 4 asteen taipumasääntöä. Tällöin käytetään liikkeen mahdollistavia kannakkeita.

Laajenemisalueella lämpölaajenemisen vaikutus on tyypillisesti yli 4 astetta. Laajenemisalueen kannatusratkaisuissa huomioidaan lämpölaajenemisen vaikutus erilaisilla putken suuntaisen liikkeen sallivilla kannakkeilla. Esimerkiksi jos lämpölaajenemisen vaikutus jää alle ≤15° voidaan käyttää nivelheilureita yksittäiskannakkeissa tai kattokiskossa. Jos vaikutus puolestaan on >15° tulee käyttää liukukannakkeita. Kannakkeet suunnitellaan ja mitoitetaan putken painolle alaspäin sekä kitkalle putken suuntaan. Kitka vastustaa lämpölaajenemista ja siten kasvattaa kuormaa kiintopisteellä.

Kompensaatioalueella lämpöliike vaikuttaa tasossa useaan suuntaan, mikä tulee huomioida alueen kannatusratkaisuissa. Tyypillisesti liikkeen salliminen useaan suuntaan ratkaistaan ristikkäisillä liukukannakkeilla tai mikäli lämpölaajenemisen vaikutus on välillä 7,5–15° voidaan putket kannakoida yksittäiskannakkeilla nivelheilureita hyödyntäen.

Liukukannakkeet ja niiden merkitys suunnittelussa

”Pienempi kitkakerroin liukukannakkeissa pienentää kiintopisteelle kohdistuvaa kokonaiskuormaa ja yhdelle kannakkeelle aiheutuvaa putken suuntaista kuormaa.”

Liukukannakkeella sallitaan lämpölaajenemisesta syntyvä putken liike. Liukukannakkeen valintaan vaikuttaa kannakkeelta vaadittava kuormituskapasiteetti sekä tarvittava siirtymisvara. Esimerkiksi muoviputkilla lämpölaajenemiskertoimet voivat olla hyvinkin suuria, vaikka kannakkeelta vaadittava kapasiteetti ja kiintopisteen kuormat olisivat maltilliset. Yleensä tämä huomioidaan jo putkien välisissä liitoksissa, mutta esimerkiksi hitsatuissa muoviputkissa lämpölaajenemisesta johtuvat siirtymät olla merkittäviä. Muoviputkille on olemassa tästä syystä liukuelementtejä, joissa siirtymävaraa on tavallista enemmän. Liukuelementin liikevara tulisi huomioida asennusvaiheessa ja käytön aikana niin että liukukannake asemoidaan neutraaliin ”keskiasentoon”, jotta liikevaraa on sekä putken laajentuessa että supistuessa molempiin suuntiin. Jos asennuslämpötila on tiedossa, voidaan se ottaa huomioon liukukannakkeen asemoinnissa ja hyödyntää liukukannakkeen liikevaraa maksimaalisesti.

Kitkakertoimella vaikutus kiintopisteratkaisuihin

Liukukannakkeita on pääasiassa kahdenlaisia: rullaavia ja liukuvia. Rullaavissa liukukannakkeissa (”rollers”) on nimensä mukaisesti sisäänrakennetut rullat, jotka mahdollistavat liikkeen ja niillä on tyypillisesti korkeammat kapasiteetit ja pienempi kitkakerroin kuin liukuperiaatteella toimivissa kannakkeissa (”sliders”). Pienempi kitkakerroin liukukannakkeissa pienentää kiintopisteelle kohdistuvaa kokonaiskuormaa ja yhdelle kannakkeelle aiheutuvaa putken suuntaista kuormaa. PSK standardin mukainen kitkakerroin sisätiloissa teräkselle terästä vasten on 0,3 ja ulkona tai muuten epäedullisissa olosuhteissa 0,5. Hiltin tuotevalikoimasta löytyy erilaisia liukukannakkeita, joiden materiaali, kapasiteetti, liikevara ja kitkakertoimet vaihtelevat. Esimerkiksi rullaava MRG 2,0 kannaketta löytyy niin sähkösinkittynä, kuumasinkittynä kuin ruostumattomasta teräksestä valmistettuna. Sähkösinkityn MRG 2,0 M10/M12 liukukannakkeen kapasiteetti on 2,0 kN, liikevara päästä päähän 80 mm ja kitkakerroin vain 0,08. Vastaavasti tuplakannaketta MRG-D6 löytyy sähkösinkityn lisäksi kuumasinkittynä ja ruostumattomasta teräksestä valmistettuna. Sähkösinkityllä MRG-D6 liukukannakkeella päästään 8 kN kapasiteettiin liikevaran ollessa 116 mm (päästä päähän), kun kitkakerroin on 0,08.

Liukuperiaatteella toimivien MSG kannakkeiden kitkakerroin on tyypillisesti 0,10–0,18. Rullaavien liukukannakkeiden kanssa voidaan siis käyttää kevyempiä kiintopisteitä. Kitkakertoimen minimoimisella on suora vaikutus käytettäviin kiintopisteisiin. Parhaassa tapauksessa myös kannatuksessa käytettävä kiskoprofiili voidaan vaihtaa pienempään. Järkevällä kiintopistesuunnittelulla voidaan näin vaikuttaa ratkaisun ympäristöystävällisyyteen, asennettavuuteen ja kustannuksiin.

Erilaiset liukuelementtiratkaisut

Liukukannakkeita on sekä yksittäisiä että tuplaversioita. Tuplaversioita käytetään yleensä silloin, kun kiertyminen tulee ottaa huomioon kannakkeen valinnassa. Liukukannakkeiden lisäksi voidaan käyttää nivelheilureita, kun lämpöliikkeen vaikutus on alle 15°. Nivelheilurien korkeussäätö on helppoa, ne on suunniteltu kestämään korkeita vetokapasiteetteja ja niillä horisontaalinen liike on mahdollinen kaikkiin suuntiin.

Myös putkenpitimien puolelta löytyy ratkaisuja lämpölaajenemisen hallintaan. Hilti lanseerasi uuden putkenpidin portfolion vuonna 2023, mikä on suunniteltu erityisesti teollisuuden raskaisiin sovelluksiin. MP-PS portfolion putkenpitimet ovat EN1090 mukaiset ja täyttävät PSK standardin vaatimukset. Putkenpitimien arvot perustuvat standardiin 13480-3 ja suunnittelu voidaan tehdä eurokoodipohjaisesti (EC3). Sama tuote toimii sekä liukukannakkeena, että kiintopisteenä, jolloin lämpölaajenemisen hallinta entistä yksinkertaisempaa ja tehokkaampaa.

Kiintopisteiden mitoitus FixPoint-mitoitusohjelmisto

Hiltin FixPoint-mitoitusohjelmisto, joka on maksuton selainpohjainen mitoitusohjelma kiintopisteiden suunnitteluun. Kompensaatiosta riippuen, käyttäjä voi mitoittaa erilaisia sovellustyyppejä syöttämällä tietoa putkityyppistä ja -linjasta ohjelmaan. Kitkasta kiintopisteille kohdistuvat voimat käyttäjä voi itse määritellä tai valita sopivan liukukannakkeen tuoteportfoliosta. Liukukannakkeen asennukseen ohjelmisto tarjoaa oletusasennon (keskiasennon) lisäksi mahdollisuutta ottaa asennuslämpötila huomioon, jolloin voidaan hyödyntää liukukannakkeen maksimisiirtymää. Visuaalinen ilme selkeyttää ohjelman käyttöä ja tekee mitoittamisesta helppoa. Ohjelma tarjoaa käyttäjän määrittämien tietojen perusteella sopivia tuotevaihtoehtoja käyttöasteineen. Valitun ratkaisun perusteella käyttäjä saa automattisesti osalistan ratkaisusta ja voi halutessaan ladata mitoitusraportin, josta käy yksityiskohtaisesti ilmi kiintopisteen mitoituslaskenta. Ohjelmistoon pääset osoitteesta: https://fixpointcalculator.hilti.com/