Betonielementtien uudelleenkäytön haasteet ja ratkaisut rakennesuunnittelun näkökulmasta

Abstract

Rakennusala aiheuttaa merkittävän osan vuosittaisista kasvihuonepäästöistä, ja erityisesti betonielementtien valmistus kuluttaa paljon energiaa ja luonnonvaroja. Samaan aikaan Suomessa betonielementtirakennuksia puretaan varsin nuorina eikä siitä syntyvää purkujätettä hyödynnetä riittävästi. Purkamisessa myös elementtien mahdollinen uudelleenkäyttö sivuutetaan täysin, vaikka suunniteltua käyttöikää elementeissä vielä riittäisi. Tällöin vuosittaisen betonijätteen määrä nousee miljooniin tonneihin ja elementtien valmistukseen kulutetut raaka-aineet sekä työ menevät hukkaan. Perinteisen elementtien tuhoamisen sijaan toteutettava uudelleenkäyttö tarjoaa mahdollisuuden vähentää elementtirakentamisesta aiheutuvia ympäristöhaittoja ja samalla auttaa saavuttamaan Euroopan Unionin asettamat ympäristötavoitteet.

Betonielementtien uudelleenkäytön hyödyntäminen on kuitenkin edelleen hyvin vähäistä johtuen sen korkeista kustannuksista ja sen aiheuttamista haasteista suunnitteluprosessiin. Elementtien uudelleenkäytössä suunnitteluprosessi voidaan ajatella kääntyvän päälaelleen, kun optimaalisimmassa tapauksessa uuden käyttötilanteen suunnittelu toteutetaan olemassa olevien elementtien mukaisesti. Tämä aiheuttaa merkittäviä muutoksia perinteiseen toimimiseen, vaikuttaen suunnittelun laajuuteen ja kunkin rakennesuunnittelijan rooliin sekä tarvittavaan yhteistyöhön suunnittelijoiden ja arkkitehtien välillä. Suunnittelussa hyödynnettävät alkuperäiset suunnitelmat ja niiden mahdollinen epäselvyys tai puutteellisuus voi aiheuttaa ongelmia suunnittelutyöhön. Näiden lisäksi uudelleenkäytön haasteet vaihtelevat tarkemmin kullakin elementtityypillä, johtuen rakennusajankohtina käytettävistä ratkaisuista sekä suunnittelustandardien muutoksista.

Tutkimuksen tavoitteena oli tunnistaa betonielementtien uudelleenkäytön haasteet kokonaisuudessaan rakennesuunnittelijan näkökulmasta, jolloin tulevaisuudessa toteutettavissa uudelleenkäyttöä hyödyntävissä projekteissa suunnittelu olisi kustannustehokkaampaa ja suoraviivaisempaa toimintaa. Uudelleenkäytön alkuperäisenä ideana on ollut käyttää elementtejä sellaisenaan uudessa käyttötilanteessa mutta muuttuneiden standardien ja määräysten seurauksena elementtejä on usein muokattava, jotta uudelleenkäyttö onnistuu. Tutkimuksen toisena tavoitteena oli kehittää eri elementtityypeille niiden uudelleenkäyttöpotentiaalia lisääviä ratkaisuja. Tutkimuksessa keskityttiin nykyajan tyypillisiin betonielementtirakennuksiin, joita ei ole suunniteltu uudelleenkäytettäviksi.

Tutkimuksessa toteutetussa kirjallisuuskatsauksessa toteutettiin betonielementtien uudelleenkäytön tarkastelu käsittelemällä sen tavoitteita, reunaehtoja sekä nykytilannetta. Uudelleenkäytön aiheuttamia haasteita tarkasteltiin suunnittelijan näkökulmasta ja niiden todettiin olevan laajoja mutta kuitenkin hallittavissa oikeanlaisella toteutuksella. Haasteiden pohjalta esiteltiin elementtien uudelleenkäyttöpotentiaalia lisääviä ratkaisuja. Tutkimuksen jälkimmäisessä osuudessa tarkasteltiin tapaustutkimuksen avulla pilari-palkkirungossa esiintyviä elementtejä ja niiden ominaisuuksia uudelleenkäytön kannalta. Käsitellyille elementeille kehitettiin uudelleenkäyttöpotentiaalia parantavat ratkaisut ja näille tehtiin laskennallinen tarkastelu kuvitteellisissa tilanteissa. Ratkaisuiksi lopulta valittiin TT-laatan kaventaminen sekä pilarielementin lyhentäminen ja vahvistaminen ulkopuolisella kierretankovahvistuksella. Kehitettyjen ratkaisujen hyödyt havaittiin laskennallisen tarkastelun jälkeen merkittäviksi ja ratkaisut todettiin olevan monistettavia, tietyissä tilanteissa kustannusten kannalta maltillisia sekä käytännön toteutuksen kannalta toteutettavissa.

The construction sector accounts for a significant share of annual greenhouse gas emissions, with the production of precast concrete elements being particularly energy- and resource-intensive. At the same time, precast concrete buildings in Finland are often demolished at a relatively young age, and the resulting demolition waste is insufficiently utilized. In demolition processes, the potential for reusing elements is typically overlooked, even when the elements still have remaining service life. Consequently, the annual volume of concrete waste rises to millions of tons, and the raw materials and labor invested in manufacturing these elements are effectively wasted. Instead of conventional destructive demolition, the reuse of precast elements offers an opportunity to reduce the environmental damages of concrete construction while contributing to the environmental targets set by the European Union.

Despite these benefits, the reuse of precast concrete elements remains very limited due to its high costs and the challenges it introduces to the design process. In reuse scenarios, the design process can be considered inverted, as, in the optimal case, the new application is designed based on the constraints of existing elements. This leads to significant changes in traditional practices, affecting the scope of design, the roles of structural engineers, and the required level of collaboration between engineers and architects. Furthermore, the use of original design documents—often unclear or incomplete—may introduce additional difficulties. The challenges of reuse also vary between element types, reflecting differences in historical design solutions and changes in design standards over time.

The objective of this study was to comprehensively identify the challenges associated with the reuse of precast concrete elements from the perspective of a structural engineer, with the aim of enabling more cost-effective and streamlined design processes in future reuse projects. While the original concept of reuse is to employ elements as such in new applications, changes in standards and regulations often necessitate modifications to ensure feasibility. Therefore, a second objective of the study was to develop solutions that enhance the reuse potential of different element types. The study focused on typical contemporary precast concrete buildings that were not originally designed for reuse.

The literature review conducted in this study examined the objectives, constraints, and current state of precast concrete element reuse. The challenges associated with reuse were analyzed from the designer’s perspective and were found to be extensive but manageable with appropriate implementation strategies and element solutions. Based on the challenges, solutions were presented that increase the reuse potential of elements. In the latter part of the study, a case study was carried out focusing on elements used in a column–beam structural frame and their properties in terms of reuse. For the elements examined, exact solutions were developed to improve their reuse potential, and these were evaluated through computational analyses in hypothetical scenarios. The final solutions selected included reducing the width of a TT slab and shortening and strengthening a column element using external threaded rod reinforcement. The benefits of these solutions were found to be significant based on the analyses, and they were determined to be replicable, reasonably cost-efficient in certain cases, and feasible in practical implementation.