ESIJÄNNITETTYJEN BETONIELEMENTTIEN JATKUVUUS - Esiselvitysvaiheen havaintoja. Betonitutkimusseminaari Kantavat betonirakenteet seminaari 1

Transkriptio

1 ESIJÄNNITETTYJEN BETONIELEMENTTIEN JATKUVUUS - Esiselvitysvaiheen havaintoja Betonitutkimusseminaari Kantavat betonirakenteet seminaari 1 DI Ulla Kytölä, prof. TkT Anssi Laaksonen

2 Sisältö 1) Taustaa 2) Elementtipalkkien jatkuvuus jälkikäteen 3) Tukialueen momenttirasituksista prof. Anssi Laaksonen,

3 TAUSTAA

4 Esijännitetyt kantavat elementtirakenteet Suomessa nyt Suomessa laajasti käytössä useita erilaisia kantavia jännitettyjä betonielementtityyppejä Palkit (JK, I, HI, Liitto ) Laatat (Ontelo, Kuori, TT ) Kaikki yleisesti käytössä olevat esijännitetyt elementtityypit ovat yksiaukkoisia Esijännitetyissä rakenteissa jatkuvuuden hyödyntäminen on haastavaa, sillä käytössä on ainoastaan suorat punoskulut Paikallavaluun verrattuna elementtirakenteissa pystytään mitoituksessa paremmin hyödyntämään Korkeammat betonilujuudet Tiukemmat mittatoleranssit Monimuotoiset poikkileikkaukset 4

5 Esijännitettyjen kantavien elementtirakenteiden käytön rajoitteita Betonielementtirakenteiden käyttömahdollisuuksia raskaasti kuormitetuissa pitkän jännevälin rakenteissa rajoittaa elementtien koko ja paino. Tarvittava poikkileikkauskoko kasvaa liian suureksi verrattuna sille varattuun tilaan Yksittäisen elementin paino ja koko kasvaa kuljetus- ja nostoteknisesti mahdottomaksi Osin kaupungistumisen myötä toteutuksessa/suunnittelussa on paljon vaativia hankkeita, joissa elementtirakentamisen hyödyt haluttaisiin paremmin hyödyntää, mutta se ei nykyisin yleisesti käytössä olevilla rakenneratkaisuilla ole aina mahdollista Liikennöidyt pihakannet (kuormitukset raskaita: ajoväylät, ratikat, pelastustiet..) Toriparkit Rakennusten perustaminen pihakansien päälle Ratojen/Moottoriteiden kattaminen Metrorakentaminen 5

6 Esijännitettyjen rakenteiden käyttömahdollisuuksien kasvattaminen jatkuvuuden avulla Suomessa tällä hetkellä tavanomainen tapa on toteuttaa kantavat palkkilinjat esijännitetyillä erillisillä betonipalkeilla huomioimatta pituussuuntaisesta jatkuvuudesta saatavia hyötyjä Jos jälkikäteen aikaansaatu jatkuvuus voitaisiin/osattaisiin hyödyntää, saataisiin siitä etua sekä mitoituksellisesti että suunnitteluteknisesti. Rasitukset tasoittuvat tuelle ja kenttään Kenttämomentit ja taipumat pienenevät Vaadittu poikkileikkauskoko pienenee TAI Vaadittua teräsmäärää/jännevoimaa voidaan pienentää Liikuntasaumojen tarve mahdollisesti vähenee Mahdolliset vuotokohdat vähenevät Liikuntasaumoista aiheutuvat kustannukset vähenevät Parempi toiminta onnettomuusrajatilassa TTY:llä on loppuvuodesta 2015 käynnistetty Suomen Betoniteollisuus Ry:n, Betoniyhdistyksen, Suomen Rakennustuotteiden laatu Ry:n sekä SBK:n rahoittama tutkimushanke, jonka tarkoituksena on tutkia esijännitettyjen elementtien jatkuvuutta ja käyttömahdollisuuksia suomalaisessa betonielementtirakentamisessa 6

7 ELEMENTTIPALKKIEN JATKUVUUS JÄLKIKÄTEEN

8 Elementtipalkkien jatkuvuus jälkikäteen Kun elementtien välille luodaan jatkuvuus jälkikäteen oletetaan yleensä, että rakenne toimii omasta painosta aiheutuville kuormille yksiaukkoisena. Tämän jälkeen työmaaolosuhteissa yksiaukkoisten palkkien välille luodaan jatkosalueelle riittävän luja liitos, mikä tekee rakenteesta jatkuvan. Tämän jälkeen muista hyötykuormista ja muista pysyvistä (ei op) syntyvät rasitukset voidaan olettaa jakautuvan rakenteelle jatkuvan rakennemallin mukaisesti. Jälkikäteen jatkuvaksi tehty rakenne on rasituksiltaan yksiaukkoisen ja jatkuvan rakenteen välimuoto. Omanpainon suuruuden suhde verrattuna muihin kuormiin vaikuttaa siihen, kuinka suuri ero syntyy yksiaukkoisen, jatkuvan ja jälkikäteen jatkuvaksi luodun rakenteen rasitusten välille. 8

9 Kansainvälisesti Elementtipalkkien jatkuvuutta on tutkittu kansainvälisesti paljon. Varhaisimman tiedossa olevan laajamittaisen koesarjan Elementtipalkkien jälkikäteen luodusta jatkuvuudesta on toteuttanut Portland Cement Association Research and Development Laboratories vuosina Tämän jälkeen aiheeseen liittyvää tutkimusta on tehty paljon erityisesti Yhdysvalloissa useissa eri yliopistoissa. Myös Euroopassa rakennetta on tutkittu. Tuoreimmat tiedossa olevat aiheeseen liittyvät tutkimushankkeet ovat luvulta. 9

10 Ohjeet ja kohteet Elementtipalkkien välille jälkikäteen luotu jatkuvuus löytyy myös useiden maiden suunnittelunormeista. Suomessa vastaavaa ohjeistusta ei ole. Elementtipalkkien välille jälkikäteen luotua jatkuvuutta tiedetään hyödynnettävän kansainvälisesti paljon käytännön kohteissa. On tiedossa, että menetelmää on hyödynnetty yksittäisissä kohteissa myös Suomessa Kohteet ovat olleet toriparkki ja pysäköintirakennuksia. Suunnittelutyötä hankaloittaa kuitenkin kansallisen ohjeistuksen puute. 10

11 Päämenetelmät Kansainvälisten lähteiden nojalla jatkuvuus voidaan elementtipalkkien välille luoda kahdella eri pääperiaatteella: 1) Palkkien väliseen liitokseen sekä pintalaattaan lisätään pehmeää raudoitusta 2) Jälkijännittämällä palkit yhdeksi rakenteeksi työmaalla Molempia periaatteita on tutkittu ja niiden tiedetään olevan käytössä. 11

12 Jatkuvuus pehmeällä raudoituksella Esijännitettyjen elementtien välille voidaan aikaansaada jatkuvuutta liittämällä palkit yhteen välituella pehmeän raudoituksen avulla. Hyötykuormista aiheutuu jatkokseen negatiivista momenttia, joka voidaan hoitaa kanteen lisättävällä raudoituksella. Pakkomuodonmuutokset aiheuttavat jatkokseen myös positiivista momenttia, joka tulee huomioida liitoksen suunnittelussa. TOTEUTUS: Esijännitetyt tehdasvalmisteiset yksiaukkoiset palkit asennetaan. Palkkien väliin jätetään tuelle 4-6 tuumaa (= mm) Keksitukien kohdalle tehdään poikittaiset vahvennokset (leveämmät kuin palkkien välinen etäisyys ~250mm) Kansilaatta valetaan ennen kuin poikittaiset vahvennokset ehtivät sitoutua-> Rakenne toimii omalle painolle yksiaukkoisena. Kansilaattaan asennetaan pintalaattaan raudoitus, jolla hoidetaan hyötykuormasta tuelle tuleva tukimomentti 12

13 Positiivisen momentin vastaanottava liitos Positiivisen momentin ottavia liitostapoja on kehitetty useita Taivutetut terästangot Taivutetut punokset Haoitus liitoksessa Palkin upotus liitokseen 13

14 Jatkuvuus jälkijännittämällä Suomessa uudenlainen rakennetyyppi, jossa yhdistetään kaksi jännitysmenetelmää: Jälki- ja esijännittäminen. Hyödynnetään molempien menetelmien hyvät ominaisuudet: Esijännitetty elementtirakenne Betonin korkea lujuus Tehdasolosuhteiden mukaiset mittatoleranssit Elementtirakentamisen hyödyt työmaalla Jälkijännitetty rakenne Rasituksia vastaava kaareva punoskulku Kaarevan punoksen hyödyntäminen leikkausvoimamitoituksessa Moniaukkoisen rakenteen hyödyt > Rasitusten pieneneminen Jälkijännitys työmaavaiheessa Laukaisuvaiheessa rakenteen päällä oman painon lisäksi muuta pysyvää kuormaa Suurempi jännevoima mahdollinen Voidaan hyödyntää jatkuvan rakenteen edut Mahdollisesti pidemmän jännevälin rakenteita elementtivalmisteisesti 14

15 Jatkuvuus jälkijännittämällä Esijännitettyjen elementtien välille luodaan jatkuvuus asentamalla elementtien sisään kaarevat jälkijännityskaapelit. Jälkijännitys toteutetaan työmaalla elementtien asennuksen jälkeen. Esijännitysteräkset hoitavat rakenteen kapasiteetin asennus- ja käsittelytilanteissa. Kapasiteetti Lopullisille kuormille toteutetaan pääosin jälkijännityskaapeleilla. Jänneterästen lisäksi käytetään myös pehmeää raudoitusta jatkosalueella sekä kannessa. Jatkosalue voi sijaita myös muualla kuin tuella Englanninkielessä rakenne tunnetaan nimellä Spliced girder. Myös tässä rakennetyypissä pakkomuodonmuutokset aiheuttavat lisärasituksia. Pakkomuodonmuutosten vaikutus jatkuvuuden menetykseen ei kuitenkaan ole niin voimakasta, kun rakenne pystytään suunnittelemaan isolle osalle kuormista puristetuksi. 15

16 Työjärjestystä, asennusaikaista tuentaa sekä jatkosalueen sijaintia muuttamalla voidaan aikaan saada useita erilaisia rakenneratkaisuja. MAHDOILLISIA RAKENNETYPPEJÄ Asennusaikaisesti yksiaukkoisista esijännitetyistä elementeistä jälkijännittämällä lopputilanteessa jatkuvia rakenne Jatkuva rakenne jaettu useampaan elementtiin momentin nollakohtien mukaan ja liitetty yhdeksi jatkuvaksi rakenteeksi jälkijännittämällä 16

17 TUKIALUEEN MOMENTTIRASITUKSISTA

18 Elementtipalkin viruma ja kutistuma Betonin virumasta ja kutistumasta aiheutuvat muodonmuutokset pääsevät tapahtumaan vapaasti esijännitetyssä palkissa ennen kuin siitä tehdään jatkuva Sen jälkeen kun rakenteesta tehdään jatkuva alkaa palkin betonin viruma ja kutistuma aiheuttaa rakenteeseen pakkovoimia, sillä niistä aiheutuvat muodonmuutokset eivät pääse tapahtumaan vapaasti Virumasta ja kutistumasta aiheutuvat pakkomomentit ovat vastaavia kuin jatkuvien rakenteiden jännevoimasta aiheutuvat pakkomomentit. Elementtipalkin virumasta ja kutistumasta aiheutuvat muodonmuutos aiheuttaa tuelle positiivista momenttia, joka tulee huomioida liitoksen suunnittelussa. Kutistuman ja viruman lisäksi positiivista momenttia tuelle aiheuttaa myös jatkuvan rakenteen liikkuva hyötykuorma Kansainvälisesti on tehty paljon tutkimusta Kuinka suuren positiivisen momentin viruma ja kutistuma tuelle aiheuttavat Miten rasitusten suuruuteen voidaan vaikuttaa > Elementin ikä ennen asennusta Miten positiivisen momentin aiheuttama halkeilu vaikuttaa rakenteen jatkuvuuteen? Millainen positiivisen momentin ottava liitos tulisi olla, jotta jakuvuuden voidaan olettaa säilyvän 18

19 Pintalaatan ja betonipalkin eriaikainen kutistuma Palkin ja sen päälle valettavan laatan eriaikainen kutistuma aiheuttaa myös estettyjä muodonmuutoksia. Palkin kutistuminen käynnistyy heti palkin valmistuksen yhteydessä. Kun laatan kutistuminen käynnistyy, on osa palkin kutistumisesta jo tapahtunut. Kun laatta kutistuu ja palkki pyrkii estämään laatan kutistumista, syntyy pakkovoimia, jotka aiheuttavat palkin jännevälin keskellä yläpintaan puristusta ja alapintaan vetoa. Vapaasti tuetussa rakenteessa tämä ilmiö aiheuttaa rakenteelle taipumaa alaspäin. Kun rakenteesta on tehty jälkikäteen jatkuva, kiertymät tuella estyvät ja siitä aiheutuu tuelle taas negatiivista tukimomenttia. Vaikutus on merkittävimmillään heti laatan valun jälkeisinä viikkoina Tästä pakkomuodonmuutoksesta aiheutuva rasitus on vastakkaismerkkistä verrattuna palkin virumasta ja kutistumasta aiheutuviin rasituksiin. Kansainvälisesti on paljon tutkittu kumpi edellä esitellyistä pakkomuodonmuutoksista on merkittävämpi. Aiheutuuko pakkomuodonmuutoksista todellisuudessa tuen alapintaan vetoa vai puristusta? 19

20 Momentin uudelleen jakaantuminen jälkikäteen jatkuvaksi toteutetuissa rakenteissa Momentin uudelleen jakaantumien Palkkirakenteen kiertymäkyky ja toiminta => sitkeys 20

21 Esiin nousseita tutkimuskysymyksiä: Kuinka jatkosalue toimii? Milloin liitos voidaan olettaa jatkuvaksi? Kuinka jatkuvaksi? Millaisia rasituksia keskituelle/jatkosalueelle muodostuu eri rakennemalleissa? Miten pakkomuodonmuutokset vaikuttavat jatkosalueen toimintaan? Kuinka jatkuvuuden aikaansaamista elementtirakenteiden välille jälkikäteen voitaisiin jatkossa hyödyntää suomalaisessa elementtirakentamisessa? 21