Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten.

Transkriptio

1 Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten. Espoossa Valvoja: Professori Risto Kiviluoma Ohjaaja: DI Jari Louhivirta, TkL Harri Isoherranen

2 Aalto-yliopisto, PL 11000, AALTO Diplomityön tiivistelmä Tekijä Työn nimi Koulutusohjelma Pää-/sivuaine Koodi Työn valvoja Työn ohjaaja(t) Päivämäärä Sivumäärä Kieli Tiivistelmä Avainsanat

3 Aalto University, P.O. BOX 11000, AALTO Abstract of master's thesis Author Title of thesis Degree programme Major/minor Code Thesis supervisor Thesis advisor(s) Date Number of pages Language Abstract Keywords

4 4 Työ on tehty osana diplomi-insinöörin tutkintoa Aalto-yliopiston insinööritieteiden korkeakoululla. Työ tehtiin Sweco Rakennetekniikka Oy:n ja Fira Oy:n toimeksiannosta. Työ suoritettiin osittain Sweco Rakennetekniikka Oy:n toimistolla Ilmalassa. Haluan esittää kiitokset työni ohjaamisesta Jari Louhivirralle Sweco Rakennetekniikka Oy:sta ja Harri Isoherralle Fira Oy:sta, sekä työn valvojalle Risto Kiviluomalle Aalto yliopistosta. Lisäksi haluan kiittää työn järjestämisestä Markus Derryä Sweco Rakennetekniikka Oy:sta, Atte Leppästä Sweco Rakennetekniikka Oy:sta ja Harri Isoherrasta Fira Oy:sta. Suuret kiitokset myös työkavereilleni ja kaikille, jotka haastateltiin työtä varten. Olen myös kiitollinen Sweco Rakennetekniikka Oy:lle, että sain työskennellä Ilmalan toimistolla. Työn rahoitustuesta haluan kiittää Sweco Rakennetekniikka Oy:tä ja Fira Oy:tä. Viimeiseksi haluan kiittää perhettäni ja ystäviäni avusta ja kannustuksesta työn tekemisen aikana. Espoo Andreas Pettersson

5 5 Sisällysluettelo Tiivistelmä Abstract Alkusanat Sisällysluettelo... 5 Lyhenteet Johdanto Työn tausta Työn tavoitteet Tutkimuksen rajaukset Kuitubetonin käyttö kantavissa laattarakenteissa Toteutuneita projekteja Euroopasta Ditton Nams kauppakeskus, Daugavspils (Latvia) LKS toimistorakennus, Mondragon (Espanja) Rocca-Al-Mare-torni, Tallinna (Viro) Swedbank-areenan pilarilaatta Tukholma (Ruotsi) Juhkentali asuinkerrostalo, Tallinna (Viro) Toimisto- ja asuinkerrostalo Kotzebussa, Tallinna (Viro) Kolmiotoimisto, Kotkanpoja 2, Tallinna (Viro) Kuitubetonin käyttö kantavissa laattarakenteissa Suomessa Käyttöä rajoittavat tekijät Rakennusviranomaisten kommentit Esimerkkikohde, kauppakeskus Granin laajennuksen paalulaatta Yleistä Kuitubetonin materiaaliominaisuudet Betonimatriisi Kuidut Kuitupitoisuus ja kuitujen tilavuusosuus Työstettävyys ja Palloutuminen Kuitujen orientaatio ja levittäytyminen Kuitubetonin rakennetekninen toiminta Jännitysten siirtyminen ennen halkeilua Halkeaman eteneminen Raudoittamaton betoni Teräskuitubetoni ja kuitujen silloittava vaikutus (bridging effect) Kuitubetonien luokitus ja kriittisten kuitupitoisuuksien määrittäminen Ulosvetomekanismi Adheesio, kitka ja mekaaninen ankkurointi Kuitujen keskinäinen tartunta Kuitu-matriisitartunnat parantaminen Kuituominaisuudet, jotka parantavat tartuntaa Matriisiominaisuudet, jotka parantavat tartuntaa Kuitujen orientaatio Kuormitusnopeuden valinta laboratoriokokeessa Teräskuitubetonin mekaaniset ominaisuudet Puristus Suora veto... 41

6 4.8.3 Taivutus Lävistys Leikkaus ja vääntö Kutistuma Viruma Eroosio Pakkasraupautumiskestävyys Teräskuitujen korroosio Kimmomoduuli ja poissonin luku Palo-ominaisuudet Täyden mittakaavan kokeet Yhden suuntaan kantavien laattojen täyden mittakaavan kokeet Kuitubetonisen pilarilaatan täyden mittakaavan koe Teräskuitubetonipaalulaatan täyden mittakaavan koe Mitoitusmenetelmät Jäännösvetolujuus Jäännöstaivutusvetolujuuksien määrittäminen SFS-EN mukaisen palkkikokeen avulla Jäännöstaivutusvetolujuuksien määrittäminen ASTM C mukaisen palkkitestin avulla Jäännöstaivutusvetolujuuksien määrittäminen JSCE-SF4 mukaisen palkkitestin avulla Jännitys-muodonmuutosyhteyden määrittäminen Paalulaatan mitoitus BY 56 ohjeen mukaan Momenttikestävyys (MRT) Leikkautuminen (MRT) Lävistyskestävyys (MRT) Käyttörajatila Laskentapohja Uuden kuitubetoniohjeen (BY 66) mukainen pilari- tai paalulaatan mitoitus Materiaaliosavarmuusluvut Vaativuusluokkan määrittäminen Jäännöstaivutusvetolujuuden määrittäminen ja sitkeysvaatimukset Jännitys-muodonmuutosyhteys Taivutuskestävyys (MRT) Onnettomuusraudoitus (MRT) Lävistys Käyttörajatilatarkastelut BY 66 ohjeluonnokseen perustuva Laskentapohja Tutkimustulosten analyysi Kuitubetonisen paalulaatan suunnittelu- ja toteutusprosessi BY 56 mukaan Suunnittelu- ja toteutusprosessi ohjeluonnos BY 66 mukaan Suunnitteluohjeiden todenmukaisuus ja vertaus Taivutuskestävyys (MRT) Lävistyskestävyys (MRT) Käyttörajatilatarkastelut Onnettomuustarkastelut ja sitkeysvaatimukset Palomitoitus Kuitubetonin soveltuvuus Suomeen

7 6.5 Tutkimusehdotukset ja kehitettävää, jotta kuitubetonin yleisempää käyttöä kantavana rakenteena olisi mahdollista Johtopäätökset Lähdeluettelo Liiteluettelo Liitteet 7

8 8 Lyhenteet ACI ASTM BY CMOD CEN DAfStb EN FEM FRC LOP ITZ RILEM SFRC SFS VTT American Concrete Institute American Society for Testing and Materials Suomen Betoniyhdistys crack mouth opening displacement = halkeaman avautuma European Committee for Standarization = eurooppalainen standardisointijärjestö German Committee for Reinforced Concrete European Standards = eurooppalaiset standardit finite element method =elementtimenetelmä fibre reinforced concrete = kuitubetoni limit of proportionality = myötöraja Interfacial transition zone = rajapinnan siirtymävyöhyke International Union of Laboratories and Experts in Construction Materials, Systems and Structures steel fibre reinforced concrete = teräskuitubetoni Suomen Standardisoimisliitto Valtion teknillinen tutkimuskeskus

9 9 1 Johdanto 1.1 Työn tausta Kuitubetonin käytöllä kantavissa laatoissa voidaan mahdollisesti säästää sekä materiaalia, että työaikaa, kun tavanomainen raudoitus jää pois. Kuitubetonin käyttö kantavissa rakenteissa on vielä melko vähäistä, mutta Euroopasta löytyy muutamia toteutuneita kohteita, joissa kuitubetonia on käytetty jopa kantavissa välipohja- ja alapohjalaatoissa. Suomessa sovelluskohteet ovat olleet enimmäkseen maanvaraiset laatat, mutta myöskin paalulaatat [1,2]. Kuitubetonin käyttö kantavana rakenteena Suomessa rajoittaa tällä hetkellä vielä virallisten normien puute sekä rakennusviranomaisten varauksellinen suhtautuminen kantaviin kuitubetonilaattoihin. 1.2 Työn tavoitteet Työn tavoitteena on käydä läpi kantavien kuitubetonilaattojen käytön tämänhetkinen tilanne Suomessa, sekä tutkia kantavien laattarakenteiden toteutusmahdollisuuksia tekniseltä ja viranomaismääräysten näkökulmasta. Viranomaismääräysten näkökulmasta tutkitaan, mitkä ovat ne asiat, jotka estävät kantavien kuitubetonilaattojen yleistä käyttöä Suomessa, sekä yritetään selvittää mitä pitäisi muuttua, jotta kantavien kuitubetonilaattojen yleisempää käyttöä olisi mahdollista. Kuitubetonilaattojen mitoitusta koskevan kirjallisuuden ja suunnitteluohjeiden perusteella selvitetään kuitubetonin rakenneteknistä toimintaa. Tämän lisäksi selvitetään, vastaako Suomen tämän hektiset suunnitteluohjeet alan kirjallisuudesta saatuja tietoja Suunnitteluohjeiden rajoitukset ja puutteet selvitetään ja ehdotetaan mitä pitäisi muuttaa ohjetasolla, jotta kantavien kuitubetonilaattojen yleisempi käyttö olisi mahdollista. Suomessa on työn alla uusi teräskuitubetonirakenteiden suunnitteluohje [3], jonka teoria perustuu lähinnä Ruotsin standardiin SS :2014 [4] ja eurokoodien kuitubetonia koskevaa liitettä laativan standardointiryhmän CEN/TC 250/SC 2/WG 1/TG2 luonnoksiin. Työssä selvitetään myös, miten tilanne mahdollisesti muuttuu, kun uusi ohje ilmestyy. 1.3 Tutkimuksen rajaukset Tutkimuksessa keskitytään kuitubetonista toteutuneihin pilari- ja paalulaattoihin, joissa tavallista tankoraudoitusta on käytetty ainoastaan varmistuksena. Tutkimuksessa keskitytään ainoastaan teräskuiduista valmistettuun kuitubetonirakenteisiin.

10 10 2 Betoni on materiaali, jolla on heikko vetolujuus ja vahva puristuslujuus. Betonirakenteissa käytetään raudoitustankoja vetolujuuden ja sitkeyden parantamiseksi. [5] Kuitubetoni on kuitenkin nousemassa tavanomaisen raudoituksen vaihtoehdoksi, jopa kantavissa rakenteissa. [1] Kuituja lisätään parantamaan esimerkiksi betonin vetolujuutta, kulutuskestävyyttä, palonkestävyyttä ja sitkeyttä. Erityyppisiä kuituja käytetään betonin ominaisuuksien parantamiseen. Nämä ovat esimerkiksi: metalli-pohjaisia (teräs), mineraali-pohjaisia (lasi), synteettisiä (polymeeri, käytetään pääasiassa halkeilun hallitsemiseen), sekä luonnonpohjaisia. Teräskuituja käytetään yleisimmin kantavissa rakenteissa. [5] 2.1 Toteutuneita projekteja Euroopasta Euroopasta löytyy projekteja, joissa kuitubetonia on käytetty kantavissa laatoissa. Esimerkkejä löytyy Baltian maista, Ruotsista ja Espanjasta Ditton Nams kauppakeskus, Daugavspils (Latvia) Teräskuitubetonilaattoja käytettiin Daugavspilsissa, Latviaan rakennetussa kauppakeskuksessa, katso kuva 1. Pohjakerroksen yläpuolella oleva välipohjan pilarilaatta 42,5 m x 24 m on paksuudeltaan 250 mm ja jänneväli on jopa 7 m. Laatta testattiin kovettumisen jälkeen 7kN/m 2 suuruisella kuormalla ja maksimitaipuma oli 1,9 mm. [6] Testiraporttia ei ole julkaistu. Projektia kuvataan myös toisessa artikkelissa [7]. Artikkelin mukaan laatta sisältää 100 kg/m 3 poimutettuja kuituja (1,3 x 50 mm). Laatta, jonka pinta-ala on 1042 m 2, valettiin päivässä, ja tuettiin 6 x 6 m pilariverkostoon. Artikkelissa väitetään, että kyseinen valunopeus ei olisi ollut mahdollista jos kohteessa olisi käytetty tavanomaista tankoraudoitusratkaisua. Terästankoja käytettiin kuitenkin pilarilinjoissa jatkuvan sortuman estämiseksi. Laatta testattiin Riikan teknillisen yliopiston valvonnassa ja kuormitettiin 4 kn/m 2 suuruisella kuormalla ja maksimitaipuma oli 2,8 mm. Laatta käyttäytyi taipuman aikana elastisesti ja palasi testin jälkeen alkuperäiseen muotoonsa. [7] Testiraporttia ei ole julkaistu. Kuva 1. Ditton nams -kauppakeskus. [7] LKS toimistorakennus, Mondragon (Espanja) Teräskuitubetonilaattoja joiden paksuus on 280 mm käytettiin Mondragonissa sijaitsevassa toimistorakennuksessa. Käytetty kuitutyppi ja määrä on 100 kg/m 3 TABIX 1.3 x 50 mm teräskuitu (poimutettu kuitu). Rakennus koostuu viidestä tasosta, joiden pinta-ala on 4000 m 2. Teräskuitubetonilaatta on tuettu 8,3 m x 8,3 m pilariverkostoon. Neljä raudoitustankoa,

11 11 joiden halkaisija on 20 mm, käytettiin kussakin jännevälissä jatkuvan sortuman estämiseksi. Kussakin jännevälissä käytettiin neljää raudoitustankoa, joiden halkaisija on 20 mm, jatku-van sortuman estämiseksi. Tavallista tankoraudoitusta käytettiin myös portaiden ja hissikuilujen ympärillä alapinnassa. Raudoitusverkkoja käytettiin myös varmisteena ulokeparvekkeiden tukien yläpuolella. Projektia ohjasi Bilbaon ammattikorkeakoulu (the Polytechnic University of Bilbao). [6] Rocca-Al-Mare-torni, Tallinna (Viro) Tallinnan Rocca-tornissa käytettiin teräskuitubetonilaattoja, joiden paksuus on 210 mm, katso kuva 2. Käytetyt kuidut olivat TABIX 1,3 x 50 mm ja kunkin kerroksen pinta-ala on noin 550 m2. Pilarien tai seinien jako on jopa 7 m. Tavanomaisen tankoraudoituksen käyttö olisi ollut hankalaa kohteessa rakennuksen erikoisen muodon takia. Vaakavoimien siirron varmistamiseksi käytettiin kuitenkin tavallista verkkoraudoitusta hissikuilujen välissä. Viisi raudoitustankoa, joiden halkaisija on 20 mm, kulkevat molempiin suuntiin tukiseinien ja pilarien välillä, katso kuva 3. Yhtenäisiä laattoja pystyttiin valamaan kerros/viikko -nopeudella. [6] Ulokerakenteissa käytettiin myös tavallista raudoitusta. [8] Peruslaatta oli 1 m paksuinen ja siinä käytettiin teräskuitubetonia ja tavallista tankoraudoitusta. Teräskuitubetonin käyttö mahdollisti laattapaksuuden vähentämisen 20 mm:llä. Urakoitsijan mukaan säästettiin 9 viikkoa rakentamisaikaa käyttämällä teräskuitubetonia tavallisen tankoraudoituksen sijaan. [8] Kuva 2. Rocca-torni, Viro. [2]

12 12 Kuva 3. Rocca-torni, välipohjan verkko ja tankoraudoitus. [8] Swedbank-areenan pilarilaatta Tukholma (Ruotsi) Teräskuitubetonia käytettiin vuonna 2012 rakennetun Swedbank-areenan (nykyinen Friends-arena, jopa asiakasta) paalulaatassa. Teräskuitubetonin käyttö merkitsi lyhempää rakentamisaikaa (yhteenlaskettuna työtuntia, jotka sisältävät tavallisten raudoitustankojen taivuttamisen, katkaisun ja asettamisen), kustannussäästöjä ja materiaalisäästöjä (lähes 2,500 tonnia terästä) verrattuna perinteiseen tankoraudoitukseen. [9] Yleiskatsaus paalusuunnitelmasta on nähtävissä kuvassa 4, jossa nurmialue on väriltään vihreä, tekniset huoneet ovat vaaleanpunaisia, pysäköintialue on oranssinvärinen ja tekniikka-tunneli-alue on keltainen. Kuormitus, paalujen väli ja kuitumäärät vaihtelevat eri alueilla. Alueiden betoniseokset oli suhteutettu pakkasrasitukselle (rasitusluokka XF4). Vesi-sementtisuhde oli w/c< 0,45. Notkistinta käytettiin, jotta betoni ei tarvitsisi tärytystä. Ulkoalueilla käytettiin 425 kg/m3 tyypin I sementtiä, kun taas tyyppiä II käytettiin nurmija teknisellä alueella. Käytetyn runkoaineen maksimiraekoko oli 16 mm ja kuidut lisättiin betoni-seokseen betoniasemalla. [9] Nurmialue (vihreä): Tämän alueen kuormituksena on 600 kn:n suuruinen pistekuormitus kuhunkin paaluneliön keskikohtaan tai 40 kn/m2 tasaisen kuorman. Paaluväli on 3 x 3 m ja laatta on 120 m x 80 m suuruinen. Laatan paksuus on 350 mm ja käytetyn kuidun (HE+ 1/60) kuitumäärä on 45 kg/m3 (vetolujuus 1475 MPa). Nurmialue altistui nosturikuormille (5500 kn) asennuksen aikana, mutta taivutushalkeamia ei huomattu. [9] Tekniikka-alue (vaaleanpunainen): Tekniikka-alueella paaluväli vaihtelee. Tekniikka-alueen kuormituksena on tasainen kuorma (10 kn/m2). Paalujen maksimiväli tälle kuormitukselle on 5,20 m x 5,20 m kun laatan pak-suus on 300 mm. Käytetyn kuidun (HE+ 1/60) kuitumäärä on 50 kg/m3. Tavallista tankoraudoitusta käytettiin laatan ylä- ja alapinnassa pilarien välillä niissä kohdissa, joissa sähkölaitteita on ripustettu laatan alapinnasta (kuormitus 62,5 kn/m). Paaluväli on

13 13 jossakin tekniikka-alueissa 7,22 x 7,22 m, jossa kuormitus on 5 kn/m2. Kuitu tyyppi, määrä ja laattapaksuus pysyvät samana. [9] Ulkopuolinen pysäköintialue (oranssi): Ulkopuolisen pysäköintialueen kuormitus on liikkuvaa kuormaa trukkikuorman 310 kn akselipainolla. Tämän alueen paaluväli on 3,82 x 3,82 m ja laatan paksuus on 300 mm. Kuitumäärä on 45 kg/m3 HE+1/60 (koukkupäisiä kuituja). [9] Tekniikkatunnelin alue (keltainen): Tekniikkatunneli-alueen kuormitus on liikkuva dynaaminen trukin akselikuorma 310 kn. Kuitubetonilaatta on valettu betonisten lankkujen varaan, joiden jänneväli on 3 m. Kuitubetonilaatta on paksuudeltaan 300 mm ja kuitumäärä on 45 kg/m3. Kuituina on käytetty HE+1/60 koukkupäisiä kuituja. [9] Paalujen yläpäät on valmistettu perinteisestä teräsbetonista ja niiden mitat ovat 1,15 m x 1,10 m x 500 mm. Perinteinen tankoraudoitus asennettiin myös alueille, joilla vapaa kutistuminen ja lämpöliikkeet olivat estettyjä. Paikoissa, joissa halkeilua odotettiin esiintyvän, asennettiin 16 mm terästankoja, 200 mm jaolla. Laatassa käytetyt liitostyypit olivat Teratyyppiä. Rakennusaikana havaittiin muutamia kutistumishalkeamia, mikä oli odotettavissa, sillä laatta oli jäykästi kiinni peruspalkeissa ja anturoissa. [9] Kuva 4. Swedbank -areenan paalusuunnitelma. [9] Juhkentali asuinkerrostalo, Tallinna (Viro) Samaa tekniikka, joka käytettiin kolmiotoimiston rakentamisessa, käytettiin myös Tallinnan keskustan lähellä sijaitsevan Juhkentali asuinkerrostalon rakentamisessa. [10]

14 Toimisto- ja asuinkerrostalo Kotzebussa, Tallinna (Viro) Vuonna 2013 Tallinnassa valmistunut 9-kerroksinen rakennus koostuu alakerrassa olevista toimistotiloista ja yläpuolella olevista huoneistoista. Rakennuksen muoto koostuu suorista osista ja kaarevasta päästä, minkä takia kohteen toteuttaminen tavallisella tankoraudoituksella olisi ollut hankalaa. Rakennuksen rakentamisessa käytettiin kahta tekniikkaa. Välikerrosten laattojen kaarevaa osaa tehtiin kuitubetonilla, ja loput tehtiin betonilaatta-elementeillä. Kuitubetonin käytön myötä laattapaksuutta ohennettiin 30 mm ja säästettiin rakennusaikaa. Tavanomaista tankoraudoitusta käytettiin pilarilinjoja pitkin sekä reikien ympärillä, katso kuva 5. [2,8] Kuva 5. Tallinnassa rakennetun kerrostalon välipohjan raudoitus. [8] Kolmiotoimisto, Kotkanpoja 2, Tallinna (Viro) Virossa sijaitseva kolmiotoimisto on rakennettu vuonna 2006 osoitteeseen Kotkanpoja 2, katso kuva 6. Kyseessä on 4-kerroksinen toimistorakennus, jonka tasoissa ei ole yhtään suoraa kulmaa. Tavanomaisen tankoraudoituksen käyttö olisi ollut hankalaa, joten sen sijaan käytettiin teräskuitubetonia. Laattojen paksuus haluttiin myös pitää mahdollisimman pienenä ja teräskuitujen käyttö mahdollistikin 30 mm laattapaksuuden pienentämisen. Laattapaksuus 220 mm ei olisi ollut mahdollista, jos oltaisiin käytetty tavallista raudoitusratkaisua, esimerkiksi talon nurkat olisivat vaatineet paksumman laatan. [8] ArcelorMittal Oy verkko-sivujen mukaan kuitutyyppi oli TABIX 1,3/50, jonka määrä oli 100 kg/m m2:n alueella. [11]

15 15 Kuva 6. Kolmiotoimisto. [8] 2.2 Kuitubetonin käyttö kantavissa laattarakenteissa Suomessa Suomessa kuitubetonin pääasiallinen sovellusalue on ollut maanvaraisissa laatoissa, mutta on myös kohteita, missä kuitubetonia on käytetty kantavana rakenteena paalulaatoissa. [12] Esimerkiksi Helsingissä on muutamia kohteita, arviolta 5 10 kappaletta, missä kuitubetonia on käytetty kantavana rakenteena paalulaatoissa. [13]. Kuitubetonia ei käytetä lainkaan kantavana rakenteena välipohjalaatoissa Suomessa. Tämänhetkinen kuitubetonisen paalulaatan suunnitteluprosessi Suomessa toimii niin, että kohteen rakennesuunnittelija ei mitoita laattaa, vaan kuituvalmistaja hoitaa mitoituksen omien ohjelmiensa avulla ja määrittää tarvittavan kuitumäärän ja betonin koostumuksen. Betonitehdas vastaa siitä, että tarvittava määrä kuituja sekoitetaan betoniin. Urakoitsija vastaa laatan valusta, ja että se suoritetaan tavalla, jolla kuidut levittäytyvät tasaisesti valun aikana. [12] Suomessa on olemassa kuitubetonin suunnittelua käsittelevä ohje, Teräskuitubetonirakenteet 2011, BY 56. [14] Kyseinen ohje sisältää yleisiä ohjeita kuitubetonisen paalulaatan suunnittelusta. Ohjeen esittämä mitoitustapa on yksinkertaistettu, ja tavallinen rakennesuunnittelija pystyy ainoastaan arvioimaan paalulaatan tarvittavaa kuitumäärää. Kuitutoimittaja suorittaa rakenteen lopullisen mitoituksen omien mitoitusmenetelmiensä mukaan Käyttöä rajoittavat tekijät Suurin rajoittava tekijä kuitubetonin käytölle kantavissa laattarakenteissa on tällä hetkellä yleisen ja läpinäkyvän mitoitusmenettelyn puute. Mitoitus tehdään kuituvalmistajien omilla ohjelmistoilla. Tämän vaikuttaa rakennusviranomaisten suhtautumiseen kantaviin kuitubetonisiin laattarakenteisiin, kun ne eivät pääse mitoituksen perusteisiin. Läpinäkyvien mitoitusmenettelyjen puutteen takia rakennesuunnittelijoilla on myös vaikeaa ymmärtää, mihin laskentamenetelmät perustuvat. [15] Tämä johtaa siihen, että urakoitsija tai rakennesuunnittelija ei käytä kyseistä vaihtoehtoa, kun selkeät ohjeet puuttuvat. Toinen käyttöä rajoittava tekijä on myös laadunvarmistuksen vaikeus. Kun käytetään tavallista tankoraudoitusta, voidaan olla varmoja siitä, että tarvittava raudoitusmäärä löytyy rakenteen kriittisistä kohdista, kun raudoitustangot asetetaan tiettyihin kohtiin ja päästään tekemään raudoitustarkastuksia ennen betonivalua. Vastaavaa tapaa tarkistaa raudoitusmäärä kuitubetonirakenteiden kriittisissä poikkileikkauksissa ei ole olemassa, ellei rakenne rikota valun jälkeen. [12]

16 Rakennusviranomaisten kommentit Suomen rakennusviranomaisten näkemys kuitubetonisista laattarakenteista, joissa kuitubetoni toimii kantavana rakenteena, tutkittiin haastattelemalla Espoon rakennusviranomaisista Kari Pajanne (rakennepäällikkö) [16], Helsingin rakennusviranomaisista Risto Levanto (rakenneyksikön päällikkö) [13], Tampereen rakennusviranomaisista Jyrki Ottman (rakennustarkastusinsinööri) [17], Turun rakennusviranomaisista Reima Ojala (rakennusvalvontajohtaja) [18] ja Vantaan rakennusviranomaisista Pasi Timo (tarkastuspäällikkö) [19]. Haastattelut suoritettiin henkilökohtaisesti (Helsinki ja Vantaa) sekä sähköpostitse (Turku, Tampere ja Espoo). Kaupunkien näkemys kuitubetonin käytöstä kantavana rakenteena laattarakenteissa vaihteli paljon, jopa pääkaupunkiseudun sisällä. Espoon ja Turun rakennusviranomaiset eivät hyväksy laattarakenteita, joissa kuitubetoni toimii kantavana rakenteena niin kauan, kun Eurokoodeissa ei ole hyväksyttyjä laskentamenetelmiä niiden mitoittamiseen. Tämä koskee sekä paalulaattoja että välipohjalaattoja. Tavallisten raudoitustankojen sijoittaminen paalu- tai pilarilinjoissa ei muuta asiaa. Helsingin ja Vantaan rakentamisviranomaisilla oli myönteisimmät mielipiteet kuitubetonista. Molemmat hyväksyvät kuitubetonin käytön paalulaatoissa, mutta Vantaa vaatii kuitenkin tavallista tankoraudoitusta paalulinjoissa. Sekä Helsinki että Vantaa eivät salli kuitubetonin käyttöä kantavana rakenteena välipohjalaatoissa. Helsinki voi mahdollisesti sallia kuitubetonin ja tankoraudoituksen yhdistelmän. Kuitubetonin käyttö kantavana rakenteena paalulaatoissa on Tampereella hyväksyttävää, mikäli määräykset antavat siihen mahdollisuuden ja lopputulos vastaa perinteistä tapaa. Tampere ei hyväksy kuitubetonin käyttöä kantavana rakenteena välipohjissa. Kaikki viisi rakennusviranomaista haluaisivat mieluiten, että Eurokooditasolla olisi olemassa laskentaohjeet kuitubetonirakenteiden mitoittamiseen. Espoon ja Turun rakentamisviranomaiset vaativat eurokoodin tasolla olevat laskentaohjeet, mutta Helsinki, Tampere ja Vantaa voivat mahdollisesti hyväksyä muitakin laskentaohjeita. Helsinki ja Vantaa hyväksyvät BY 56 -ohjeen mukaisen paalulaatan suunnittelun. Tampereella ei ole kokemusta BY 56 ohjeen suunnittelutavasta. Kaikki kolme rakennusviranomaista haluavat, että tulevat laskentamenetelmät olisivat selkeitä, ymmärrettäviä ja yleisesti hyväksyttäviä. Helsingin ja Vantaan rakennusviranomaiset haluavat lisäksi, että laskentamenetelmien mitoitustapa validoidaan esimerkiksi VTT:n johdosta. Helsingin ja Vantaan rankennusviranomaisille olisi myös tärkeää, että uuden suunnitteluohjeen mukana tulisivat toteutusnormit, joilla pystytään varmistamaan kuitubetonin laatu. Vantaan rakennusviranomaiset mainitsivat, että laadunvarmistus pitäisi suorittaa tavalla, millä päästään varmennusjärjestelmätasolle 2+. Tämä tarkoittaa käytännössä sitä, että kuitubetonin testaus betonitehtaalla suoritetaan kolmannen osapuolen johdosta. Yhteenveto haastatteluista näkyy taulukossa 1.

17 Taulukko 1. Rakennusviranomaisten kommentit [13,16,17,18,19] 17

18 Esimerkkikohde, kauppakeskus Granin laajennuksen paalulaatta Työn esimerkkikohteena toimii kauppakeskus Granin laajennuksen paalulaattaa Kauniaisentiellä Kauniaisessa. Kohteen urakoitsijana toimi Fira Oy. Kohteessa käytettiin kuitubetonia tavanomaisen raudoitusratkaisun sijaan, koska haluttiin saada kokemusta kuitubetonin käytöstä kantavana rakenteena ja haluttiin myös tutkia, minkälaisiin säästöihin päästään kuitubetonin käytön myötä. Kohteessa käytetty betonityyppi oli C30/37, kuitutyyppi oli HE 1/50 (koukkupäinen kuitu, pituus 50 mm, halkaisija 1 mm, hoikkuusluku 50, vetolujuus 1150 MPa) ja kuitumäärä oli 40 kg/m 3. Laatan paksuus oli riippuen kohdasta, 220 mm, 270 mm (rakennetyyppi esitetty liitteessä 3) ja 300 mm. Paalujen jako oli kentässä 4,8 x 6 m 2 ja reunassa 4 x 6 m 2. [20,21] Laatta on suunniteltu 15,6 kn/m 2 suuruiselle hyötykuormalle kohdissa, jossa laatan paksuus oli 270 mm ja 300 mm. Hyötykuorman suuruus kohdissa, jossa laatan paksuus oli 220 mm oli 6,3 kn/m 2. Suuren kuormituksen takia käytettiin tavallista tankoraudoitusta (3T20) sekä ylä- että alapinnassa ja puolihakoja yläpinnassa T10k300, katso kuva 7 ja 8. Laatan lävistävien pystyrakenteiden kuten pilarien ja kaivojen ympärille laitettiin myös lisäharjateräksiä, katso kuva 7. [21] Kuva 7. Ote laatan raudoituspiirroksesta. [21]

19 19 Kuva 8. Tavallisten raudoitustankojen sijoitus. [20] Paalujen koot olivat 300 x 300 mm 2 ja paaluhattujen koot oli 600 x 600 x 300 mm 3, katso kuva 9. Paaluhatut raudoitettiin lisäksi pelkillä kuiduilla, ja paaluhatun ja laatan väliin laitettiin rakennusmuovia. Rakennusmuovin tarkoitus on vähentää estettyjä rasituksia jotka syntyvät, kun paalut valetaan kiinni laattaan. Estetyt rasitukset voivat aiheuttaa halkeilua laatassa. [21] Kuva 9. Detalji paalujen kohdalla. [21] Laatassa käytetty liikuntasauman tyyppi oli Omega- liikuntasaumaprofiili [22]. Liikuntasauma ja raudoitus on esitetty kuvassa 10.

20 20 Kuva 10. Vasemmalla: Liikuntasauman detalji. Oikealla: Liikuntasauma käytännössä. [20,21] Laatta valun ja kovettumisen jälkeen on esitetty kuvassa 11. Ainoa ongelma valun aikana oli, että valuputken halkaisija oli liian pieni, joten kuidut pääsivät tukkimaan putken, muuten valu sujui hyvin. Lupa hankkeelle saatiin normaalilla tavalla. Ilmoitettiin rakennusviranomaisille, että paalulaatta tulee olemaan kantava kuitubetonilaatta. Kuitutoimittaja suoritti tämän jälkeen kuitubetonilaatan mitoitusta ja rakennesuunnittelija teki piirroksia sen perusteella. Kuitubetonilaattaa varten ei tarvittu erikoislupaa, eikä lisäselvityksiä. Kuitubetoni ohje BY 56 ja ruotsin standardi SS :2014 sovellettiin laatan mitoituksessa. [20,21] Kuva 11. Laatta kovettumisen jälkeen. [20]

21 21 Hankkeessa saavutetut säästöt laatan rakentamisessa kuitubetonin käytön myötä oli yli puolet siitä, mitä kustannus olisi ollut, jos olisi käytetty tavanomaista raudoitusratkaisua. Työ- ja materiaalikustannukset on otettu huomioon säästöjen määrittämisessä. [20] 3 Yleistä 3.1 Kuitubetonin materiaaliominaisuudet Kun kuituja lisätään betoniin, syntyy komposiittimateriaalia betonin kanssa. Kyseinen komposiittimateriaali kutsutaan kuitubetoniksi (FRC, Fiber Reinforced Concrete). Jos kuidut, on valmistettuja teräksestä, käytetään nimitystä teräskuitubetoni (SFRC, Steel Fiber Reinforced Concrete). Komposiitin suorituskykyyn vaikuttavat komponentit ovat: 1) betonimatriisi, 2) kuidut ja 3) kuidun ja betonimatriisin rajapinta. [5,23] Betonimatriisi Betoni on heterogeeninen komposiittimateriaali, joka on valmistettu hydraulisesta sementistä, runkoaineesta, vedestä ja mahdollisista lisäaineista ja seoksista, jotka parantavat työstettävyyttä, puristuslujuutta jne. Itsessään betonia voidaan pitää komposiittimateriaalina, joka koostuu kovettuneesta sementistä ja runkoaineesta. Mekaanisesta näkökulmasta betonia pidetään kolmivaiheisena komposiittina, joka koostuu sementistä, runkoaineesta sekä näiden kahden välisestä rajapinnasta, jota kutsutaan rajapinnan siirtymävyöhykkeeksi (ITZ, interfacial transition zone). Nämä kolme vaikuttavat kovettuneen betonin ominaisuuksiin. Pääosa betonin tilavuudesta (the bulk volume of concrete) koostuu pääasiassa runkoaineesta, jonka koko on mm, ja se muodostaa noin 75% betonin tilavuudesta. Sementti joka sitoo kaiken yhteen, on hauras ja sillä on heikko vetolujuus (2-9 MPa). Sillä on kuitenkin korkea puristuslujuus (20 MPa-150 MPa) ja kimmomoduuli (10-30 GPa). Sementtipohjaisten materiaalien lujuus riippuu mikrorakenteen kehityksestä hydraation ja pozzolaanisten reaktioiden avulla. Hydraatio tapahtuu, kun Portland-sementti reagoi veden kanssa muodostaen kovettuneen sideaineen. Kuitujen lisääminen ei vaikuta tähän prosessiin. [24] Kuidut Kuitujen poikkileikkausmuodot vaihtelevat. On olemassa pyöreitä, suorakulmaisia, puolipyöreitä, epäsäännöllisiä tai vaihtelevia poikkileikkauksia. Kuidut voivat olla suoria, muotoiltuja ja eri pituisia. Tyypillinen parametri, jota käytetään kuitujen geometrian kuvaamiseen, on hoikkuusluku (aspect ratio). Hoikkuusluku kuvaa kuidun pituuden ja halkaisijan välistä suhdetta (l/d). [25] Teräskuituja on käytetty pitkään. Nykyaikaisilla teräskuiduilla on korkeammat hoikkuusluvut ja monimutkaisemmat geometriat, ja ne ovat usein valmistettuja korkealujuusteräksestä. Nykyään on yleistymässä myös synteettisten kuitujen käyttö. Synteettiset kuidut jota on käytetty sementtimatriiseissa ovat esimerkiksi: polyeteeni (PE), polypropeeni (PP), akryylit (PAN), polyvinyyliasetaatti (PVA), polyamidit (PA), aramidipolyesterit (PES) ja hiili. Kuituja käytetään parantamaan sitkeyttä, pienentämään halkeamien leveydet, vähentämään plastisen kutistuman halkeamat sekä välttämään betonin lohkeilua tulipalon aikana. [24]

22 22 Kuitujen perusluokat ovat: metallia (teräs), mineraali (lasi), synteettinen (polymeerinen) (käytetään pääasiassa halkeilun hallitsemiseen) ja luonnonkuitumateriaaleja. [5] Tyypillisiä fysikaalisia ominaisuuksia eri materiaalien kuiduille voidaan nähdä taulukossa 2. Taulukko 2. Kuitujen materiaaliominaisuudet. Suomennettu lähteestä [24] Teräskuidut Teräskuidut voivat olla joko hiiliteräksestä tai ruostumattomasta teräksestä ja niiden vetolujuus voi olla MPa, ja kimmomoduuli on sama kuin tavallisella teräksellä. [24]. SFS EN [26] määrittelee ja jakaa teräskuidut seuraaviin ryhmiin perustuen kuitujen valmistustapaan: Ryhmä I: kylmävedetty lanka (cold-drawn wire) Ryhmä II: leikattu kaistale (cut sheet) Ryhmä III: sulattamalla erotettu (melt extracted) Ryhmä IV: kylmävedetystä teräslangasta höylättyjä (shaved cold drawn wire) Ryhmä V: teräspaloista jauhettu (milled from blocks) [26] Kuidut, joita käytetään teräskuitubetonirakenteissa, on oltava CE-merkittyjä, katso kuva 12. [14]. CE -merkinnässä on ilmoitettava kuidusta seuraavaa: viittaus standardiin, tuotteen kuvaus (ryhmä, pituus, halkaisija, muoto, vetolujuus), vaikutus työstettävyyteen sekä minimikuitumäärä, jolla saavutetaan 1,5 MPa jäännöstaivutusvetolujuus, kun halkeamaleveys on 0,5 mm ja 1,0 MPa jäännöstaivutusvetolujuus, kun halkeamaleveys on 3,5 mm. Valmis-

23 23 tajalla on myös erikseen ilmoitettava toleranssit eri muotoisille kuiduille. Tarvittaessa niputtamisen tyyppi on myös ilmoitettava. Valmistajan on myös annettava suositeltavat sekoitusohjeet, joista ilmenee sekoitusjärjestys. [26] Kuva 12. Esimerkki CE-merkintätiedosta. [26] Kuitujen geometria Kuidut voidaan muotoilla eri muotoihin kuitubetonin mekaanisten ominaisuuksien parantamiseksi. Kuitujen muotoilu kasvattaa pääasiassa kuitubetonin mekaanista tartuntalujuutta (kuitujen mekaanista ankkuroitumista betonimatriisiin) ja ulosvetolujuutta. Kuidut voivat olla pyöreitä, puolipyöreitä, epäsäännöllisiä, kolmiomaisia, monikulmaisia tai suorakulmaisia. Ne voivat myös olla pituussuunnassa muotoiltuja, esim. aaltomainen muotoilu, epätasainen muotoilu, hammastettu muotoilu tai kierretty muotoilu. Kuidun päät voivat olla koukkumaisia tai laajennettuja. Erilaisia kuitumuotoja on esitetty kuvassa 13, ne ovat: a) suora, leikattu kaistale tai lanka b) muotoiltu, leikattu kaistale tai lanka c) koukkupäinen lanka d) leikattu kaistale tai lanka jolla on laajennettu pää e) koneistettu lastu f) sulattamalla erotettu. Kuvassa 13 esitetyillä kuiduilla on suorakulmainen, pyöreä, puolipyöreä tai epäsäännöllinen poikkileikkaus. [24,27,28] Kuidut voivat olla irtonaisia, tai liimattuja nippuihin käsittelyn parantamiseksi (katso kuva 13c). Sekoituksen aikana liima liukenee ja nipussa olevat kuidut irtoavat toisistaan ja leviävät betonimassaan. Teräskuituja valmistetaan esimerkiksi: leikkaamalla lanka, isoista teräspaloista höyläämällä tai jauhamalla, tai sulattamalla. Tavallisimmilla teräskuiduilla on pyö-

24 24 reä poikkileikkaus, tyypillinen pituus on 25 mm 60 mm ja halkaisija 0,2-1,0 mm. Hoikkuusluku on alle 100, tavallisesti välillä Synteettisten kuitujen pituus ja halkaisija vaihtelee paljon verrattuna teräskuituihin. [24,27,28] Kuva 13. Erilaisia kuitumuotoja. Suomennettu lähteestä [27] Kuitujen pituudella tarkoitetaan kuidunpäiden välistä etäisyyttä. Kehittynyt pituus (developed length) tarkoittaa kuidun pituus kuidun suoristamisen jälkeen, ilman poikkileikkauksen muodonmuutosta. [26] Kuitupitoisuus ja kuitujen tilavuusosuus Kuitubetonin mekaaniset ominaisuudet perustuvat kuitujen tilavuusosuuteen. Betonimatriisin kuitupitoisuus, Vf, tarkoittaa kuitujen tilavuusosuus koko komposiitista. Kuidut kuitenkin ostetaan tiheyden mukaan, ja tämä tarkoittaa, että eri kuitumateriaalien tilavuusosuudet riippuvat kuitumateriaalin tiheydestä. Tyypillisesti 1 til-% kuituja normaalipainoisessa betonissa tarkoittaa noin 80 kg/m 3. Kuitujen tilavuusosuus vaikuttaa kuitubetonin suorituskykyyn. Tyypilliset tilavuusosuudet eri kuitubetonityypeille ovat: [28] 1) normaali kuitubetoni (Vf, 2) HPFRCC, High performance fiber reinforced cement composites, Vf<4%), Vf voi olla alle 2%, jos komposiitti on hyvin suunniteltu, 3) Imeytetty kuitumatto SIMCON, Slurry Infiltrated Mat Concrete f ja 4) Imeytetty kuitubetoni SIFCON, Slurry Infiltrated Fiber Concrete f [28] Työstettävyys ja Palloutuminen Teräskuitujen vaikutus työstettävyyteen asettaa rajoituksia käytettävän kuidun hoikkuusluvulle ja määrälle. Suurempi hoikkuusluku ja kuitumäärä tekevät teräskuitubetonista jäykemmän. Tämä näkyy hyvin staattisissa olosuhteissa (esim. painumatesti). Staattisissa olosuhteissa jäykkä teräskuitubetoni saattaa silti olla helposti juoksevaa, kun sitä tärytetään. Tästä syystä kannattaa käyttää dynaamisia työstettävyystestejä, kun teräskuitubetonin työstettävyyttä testataan. Kuitubetonin oikea suhteitus mahdollistaa notkeuden valussa ja kuitu-

25 25 betonin tiivistyksen täryttämällä. Tavoite teräskuitubetonin valmistuksessa on, että kuitumäärän on oltava mahdollisimman suuri, jotta saadaan mahdollisimman paljon irti teräskuitujen vahvistuskyvystä, mutta kuitumäärä on myös pidettävä mahdollisimman pienenä, jotta saavutetaan riittävän hyvä työstettävyys. Notkistimien lisääminen ja kuitujen muotoilu ovat esimerkkejä toimenpiteistä jolla pyritään parantamaan kuitubetonin työstettävyyttä. [29] Toinen mahdollinen ongelma, kun sekoitetaan teräskuituja betoniin, on teräskuitujen palloutuminen. Palloutuminen tapahtuu, kun teräskuidut ruuhkaantuvat jäykäksi kuitupalloksi valmistuksen aikana. Syyt palloutumiseen ovat esimerkiksi: 1) teräskuitujen liian suuri hoikkuusluku, 2) kiviaineksen liian suuri maksimiraekoko, 3) liian suuri kuituannostus tai 4) vääränlainen valmistustapa. [27] Koukkupäisten teräskuitujen maksimiannostuksen riippuvuus hoikkuusluvusta ja maksimiraekoosta, on esitetty taulukossa 3. Maksimiannostus voi vaihdella riippuen betonin koostumuksesta ja kuitutyypistä. Teräskuitubetoni suositellaan sekoitettavaksi betonitehtaalla, mieluiten vapaapudotussekoittimella. Kuidut voivat vaurioitua pakkosekoittimessa, joka lisää palloutumisriskin. Kuitujen pituus on kuitenkin oltava suurempi kuin maksimiraekoon halkaisijaa (tyypillisesti 2-4 kertaa suurempi), jotta kuiduilla olisi positiivinen vaikutus betonin vetolujuuteen. Kuidut sekoittuvat myös paremmin betonimassaan, jos maksimiraekoko on pieni. [14] Teräskuitubetonin käyttö ei yleensä johda ongelmiin pumppauksessa, teräskuitujen pienen pituuden ansiosta. Kuitubetonin pumppaus onnistuu normaalilla kalustolla, mutta teräskuidun pituus saa olla maksimissaan 2/3 pumppausletkun halkaisijasta. Pumppausletkun halkaisija on oltava suurempi, kun teräskuitumäärä on suuri. [14] Taulukko 3. Koukkupäisten teräskuitujen maksimiannostus [14] Kuitujen orientaatio ja levittäytyminen Miten kuidut levittyvät asettuvat betonimatriisissa vaikuttaa suuresti kuitubetonin ominaisuuksiin. Kokeelliset testit ovat osoittaneet, että kuitubetonin mekaaniset ominaisuudet ovat suurelta osin riippuvaisia halkeaman ylittävästä kuitumäärästä. [30] Kuiduilla voi olla joko suunnattu tai satunnainen orientaatio betonimatriisissa. Tämä riippuu pitkälti kuitujen

26 26 tyypistä ja tuotantomenetelmistä. Kuvan 14 a-e:n mukaista kuidun orientaatiota saavutetaan pääasiassa käyttämällä jatkuvia kuituja (filamentteja), verkkoja tai erityisiä tuotantomenetelmiä, kuten SIFCON. Lyhyillä kuiduilla (esim. teräs) voi olla kappale-satunnainen (body-random) (kuva 14f) orientaatio, taso-satunnainen (plane-random) orientaatio (kuva 14e) tai rajoitettu satunnainen (constrained-random) orientaatio. Kappale-satunnainen (body-random) orientaatio tapahtuu, kun kuiduilla on rajoittamaton kolmiulotteinen jakautuminen koko kappaleessa. Taso-satunnainen (plane-random) orientaatio tapahtuu, kun kappaleen paksuus on ohuempi kuin kuidun pituus, mikä aiheuttaa kuitujen rajattoman orientaation kaksiulotteisessa avaruudessa. Tämä tapahtuu esim. levyissä ja laatoissa. Rajoitettu satunnainen orientaatio tapahtuu, kun rakenneosan kaksi geometristä parametria (esim. korkeus ja leveys) on rajoitettu, ja ne rajoittavat kuitujen vapaata orientaatiota. Tämä tapahtuu esim. palkeissa ja laatoissa. Mitä pienempi poikkileikkaus, sitä rajoittavampi ovat kuitujen vapaan orientaation mahdollisuudet. [24] Kuva 14. Kuitujen orientaatio riippuen käytetystä kuidusta ja tuotantomenetelmästä. [24] Kuitujen orientointiin vaikuttavat tekijät ovat: 1) Muotin geometria ja pinta (karkea muotti johtaa satunnaisempaan orientaatioon muottipinnan lähettyvillä, kun taas sileäpintainen pinta johtaa vähemmän satunnaiseen orientaatioon muottipinnan lähettyvillä, 2) valuprosessi, 3) betonin notkeus, 4) kuitutyyppi ja kuitupitoisuus ja 5) mahdollisen tavanomaisen raudoituksen sijoitus. [30] Haluttua 2D orientaatiota voidaan edistää paksuissa komponenteissa täryttämällä. [23] Kuitujen orientoituminen valuvirtauksen mukaan muottipintojen lähettyvillä on esitetty kuvassa 15, jossa näkyy jäykän kuidun mahdoton orientoituminen punaisella värillä ja mahdollinen orientoituminen sinisellä värillä. Kyseinen orientoituminen tapahtuu valuvirtauksen ja muottipintojen kitkan johdosta. [30] Kuva 15. Kuitujen orientoituminen muottipintojen lähettyvillä. [30]

27 27 Kuidut orientoituvat myös valuvirtauksen aiheuttamien leikkausvoimien mukaan, kuten on esitetty kuvassa 16. Valun aikana tämä orientoituminen tapahtuu jo 0,5 5 sekunnin jälkeen riippuen betonin ominaisuuksista. Koska 0,5-5 sekuntia on minimaalinen osa koko valun ajasta, oletetaan että kuitujen orientoituminen tapahtuu välittömästi. [30] Kuva 16. Kuitujen orientoituminen valuvirtauksen aiheuttamien leikkausvoimien mukaan. [30] Valuvirtausnopeus vaikuttaa myös kuitujen orientoitumiseen; suurempi valuvirtausnopeus aiheuttaa kuitujen orientoitumisen valuvirtauksen mukaan. Tätä ilmiötä voidaan edistää käyttämällä suurempaa virtausnopeutta tai alentamalla betonin viskositeettia (esim. käyttämällä notkistimia), jolloin virtaus vaikuttaa kuituihin pidemmällä valupituudella. Itsetiivistyvän betonin käyttö kuitujen yhdessä on tästä syystä suotuisaa koska se edistää kuitujen toivottua orientoitumista ja levittäytymistä. Betonin viskositeetin lisääminen voi myös johtaa siihen, että kuidut kasaantuvat hieman muotin pohjaan, mutta tästä on jopa hyötyä, kun kyseessä on taivutettu poikkileikkaus (esim. laatta), koska se samalla tarkoittaa, että vetopuolella on enemmän kuituja jotka ottavat vastaan vetojännityksiä. [31,32] Kuitujen pituuksien vaikutus orientoitumiseen on häviävän pieni. [32] Valuvirtausnopeuden vaikutus orientaatioon, on esitetty kuvassa 17. Kuvassa valuputki (punainen ympyrä) on sijoitettu laatan kulmaan. Kuidut orientoituvat virtauksen mukaan kulmassa, jossa virtausnopeus on korkeimmillaan, (kohta 1). Mitä pidemmälle liikutaan valuputkesta, virtausnopeus laskee (kohta 2 ja 3) ja valuvirtausnopeuden laskiessa voidaan nähdä, miten kuitu orientoituu kohtisuoraan virtaussuunnan nähden. [30] Kuva 17. Valuvirtausnopeuden vaikutus kuitujen orientaatioon. [30] Valuprosessi on yllä mainituista syistä avainasemassa, jotta saataisiin haluttu kuitujen orientoituminen ja levittäytyminen. Siitä syystä on suositeltavaa, että valuprosessi suunnitellaan niin, että saadaan paras mahdollinen kuitujen levittäytyminen ja orientoituminen.

28 28 Suunnitelmissa tulee esittää mm. valukohdat ja valuvirtausnopeus. Lisäksi on varmistettava, että kuitubetoni sisältää tarvittava määrä kuituja ja että kuidut ovat hyvin sekoittuneita betonimassaan. [30] Yleisimmät menetelmät kuitujen orientaation ja levittäytymisen määrittämiseksi koekappaleissa ovat käsin laskenta, röntgenkuvaus ja numeeriset simulaatiot. Nämä esitetään tarkemmin tanskalaisessa ohjeessa. [30] Työmailla ei ole tällä hetkellä menetelmää jolla voidaan tarkistaa kuitujen orientoituminen ja levittäytyminen kovettuneessa rakenteessa. Jos kuitubetonimassa suunnitellaan oikein ja valetaan oikealla tavalla, saadaan toimiva laatta, jossa kuidut ovat tasaisesti levittyneitä ja hyvin orientoituneita. [12]

29 29 4 Kuitubetonin rakennetekninen toiminta 4.1 Jännitysten siirtyminen ennen halkeilua Jännitysten siirto kuitubetonissa ennen halkeilua on luonteeltaan elastista, ja sitä voidaan pitää elastisena leikkausjännityksen siirtona matriisista kuidun vetojännitykseksi (Shear Lag Theory). Leikkausjännityksiä esiintyy matriisin ja kuidun välisessä rajapinnassa, kun matriisiin upotettua epäjatkuvaa suoraa kuitua kuormitetaan. Maksimi leikkausjännitys,, on kuidun päissä ja putoaa keskellä nollaan. Jännitys, f, siirtyy matriisista kuituun vetojännityksenä. Tämä vetojännitys kasvaa kuitujen päistä ja saavuttaa maksimiarvonsa kuidun keskellä, katso kuva 18. [23] Kuva 18. Jännitysten siirtyminen matriisista kuituun. a) Matriisin muodonmuutos b) Matriisin ja kuidun väliset leikkausjännitykset. [23] Seuraavat yksinkertaistamisoletukset tehdään tämän jännityskentän laskemiseksi: 1) Sekä matriisi että kuitu ovat elastisia materiaaleja, 2) rajapinta on loputtoman ohut, 3) kuidun ja matriisin välisessä rajapinnassa ei tapahdu liukumista, 4) matriisi on isotrooppinen, 5) kuidut ovat samansuuntaisia ja niiden etäisyys toisistaan pysyy samana, 6) matriisin venymä m kohdassa R on yhtä suuri kuin komposiitin venymä c, 7) kuidun päät eivät siirrä jännityksiä ja 8) yhden kuidun jännityskenttä ei vaikuta vieressä oleviin kuituihin. [23] 4.2 Halkeaman eteneminen Halkeaminen tapahtuu betonissa, kun betoni altistuu vetojännityksille. Tämä tapahtuu, koska betoni on heikko ja hauras materiaali vedossa. Kuitujen tarkoitus rakenteellisissa sovelluksissa on pienentää halkeamaleveyksiä, lisätä halkeamien jakautumista ja lisätä sitkeyttä. Tämä merkitsee useita pieniä halkeamia yhden suuren halkeaman sijaan. Jotta voidaan ymmärtää kaikki teräskuitubetonin halkeaman etenemiseen vaikuttavat tekijät, kannattaa ensin tutkia halkeaman etenemistä tavallisessa betonissa.

30 Raudoittamaton betoni Kun tavallinen betoni altistuu vetojännityksille, mikrohalkeamat, jotka ovat jo läsnä betonissa, hydraatioprosessin tai lämpöliikkeiden aiheuttamien sisäisten jännitysten seurauksena, yhdistyvät makro-halkeamiseksi. Murtumisprosessi, joka on kuvattu kuvassa 19, alkaa. Kun betoni altistuu vetojännityksille, halkeamia alkaa muodostua runkoaineen ja sementin välille (A). Lopulta halkeilu etenee sideaineeseen kohdassa (B). Makrohalkeilu alkaa, kun maksimijännitys saavutetaan kohdassa (C). Makrohalkeilun aikana halkeamat yhdistyvät muodostamaan yhden ison halkeaman, joka etenee kappaleen läpi. Kun halkeama etenee kappaleen läpi, jännitys laskee. Runkoaine siirtää jännitykset halkeaman yli (D):n ja (E): välillä, ja tämä selittää jännityskuvaajan pitkä än kuvassa 19. Tämä murtumisprosessi koskee normaalilujuusbetonia (normal strenght concrete). Korkealujuusbetonilla voi olla vieläkin hauraampi murtumisprosessi, kun sideaineen lujuus on korkeampi kuin runkoaineen lujuus. Tämä voi johtaa siihen, että runkoaineesta muodostuu komposiitin heikoin lenkki. Murtumisprosessi tässä tapauksessa voi olla erittäin hauras, kun runkoaine pettää. Matriisin ja runkoaineen välinen tartunta määrää murtumisprosessin laajuuden. [24] Kuva 19. Raudoittamattoman betonin murtumisprosessi suorassa vedossa. Suomennettu lähteestä [24] 4.4 Teräskuitubetoni ja kuitujen silloittava vaikutus (bridging effect) Teräskuitubetonin murtumisprosessi on samanlainen kuin raudoittamattoman betonin murtumisprosessi, mutta teräskuitubetonissa kuidut auttavat, yhdessä runkoaineen kanssa, siirtämään jännitykset halkeamien yli. Murtumisprosessi on samankaltainen (C)-kohtaan asti, katso kuva 20. Jännitys laskee nopeasti (C)-kohdan jälkeen, kun halkeamaleveys on edelleen hyvin pieni (w < 0.1 mm). Jännitystason nopea lasku selittyy kuitujen viivästyneellä vaikutuksella. Kuiduilla ei ole suurta vaikutusta jännitystasoon alle 0.05 mm leveillä halkeamilla. Halkeaman leveys on kasvanut yli 0,05 mm pisteessä (D), ja kuitujen silloittava vaikutus (bridging effect) näkyy pisteiden (D):n ja (E):n välillä. Kuvaajan nousevaa osaa (D)-kohdan jälkeen riippuu kuitutyypistä. Esimerkiksi muotoillulla kuidulla on nouseva kuvaaja (D)-kohdan jälkeen, johtuen useista tekijöistä koskien kuidun ja matriisin välistä tartuntaa sekä kuitujen ulosvetämismekanismista. Käytännössä kuitujen merkittävimmät vaikutukset näkyvät kuitubetonissa vasta matriisin (betonin) halkeilun jälkeen, kun hauraaseen matriisiin levinneet kuidut siirtävät jännitykset halkeamien yli. Jännityksensiirtomekanismeilla, jotka syntyvät kuitujen silloittavan vaikutuksen myötä, on merkittävä vaikutus

31 31 kuitubetonin lopullisiin lujuus- ja muodonmuutosominaisuuksiin sekä murtumismekanismiin. Kuitujen ja matriisin välinen tartunta ja ulosvetämismekanismi ovat äärimmäisen tärkeitä kuitubetonin lujuudelle ja sitkeydelle. Kuvasta 20 näkee, että teräskutuitubetoni sitoo paljon enemmän energiaa ja vetojännitystä kuin raudoittamaton betoni, kun kuidut siirtävät jännitykset halkeaman yli.[23,24] Kuva 20. Kuitubetonin murtumisprosessi ja kuitujen silloittava vaikutus (bridging effect) suorassa vedossa. Suomennettu lähteestä [24] 4.5 Kuitubetonien luokitus ja kriittisten kuitupitoisuuksien määrittäminen Kuitubetoni toimii vedossa ja taivutuksessa joko lujittuvana tai heikkenevänä. Lujittuva käyttäytyminen kuitubetonissa tarkoittaa, että jännitys ja kuorma kasvavat ensimmäisen halkeilun jälkeen. Heikkenevällä käyttäytymisellä tarkoitetaan sitä, että jännitys ja kuorma laskevat ensimmäisen halkeilun jälkeen. Naaman ja Reinhardt [33] ovat esittäneet tavan luokitella kuitubetoni sen veto- ja taivutuskäyttäytymisen perusteella, katso kuva 21. Kuitubetoni voidaan jakaa kahteen pääryhmään; suorassa vedossa lujittuviin tai suorassa vedossa heikkeneviin kuitubetoneihin. Jälkimmäinen ryhmä voidaan lisäksi jakaa taivutuksessa lujittuviin ja taivutuksessa heikkeneviin kuitubetoneihin. Kuitubetoni, jossa on oikea määrä kuituja, voi käyttäytyä taivutuksessa lujittuvasti, vaikka se käyttäytyisi suorassa vedossa heikkenevästi. Kuitubetoni, joka lujittuu taivutuksessa, on hyödyllinen rakenteissa, joissa taivutus on hallitseva (esim. laatoissa ja palkeissa). Kuitubetonille, joka esittää lujittuvaa käyttäytymistä taivutuksessa tai suorassa vedossa, käytetään nimitystä HPFRCC (High Performance Fiber Reinforced Concrete), ja taivutuksessa lujittuville kuitubetonille nimitystä DFRCC (Ductile Fiber Reinforced Cementitious Composite). Ominaista suorassa vedossa lujittuville kuitubetoneille on jyrkkä nousu ennen ensimmäistä halkeilua: piste cc, cc, missä cc, on jännitys jolloin halkeilu alkaa, ja cc, on sitä vastaavan venymän arvo. Tätä seuraa useiden pienten halkeamien synty ja lisääntynyt jännitys pisteeseen pc, pc asti, missä, pc on kuitubetonin maksimijännitys, ja pc on sitä vastaava venymän arvo, katso kuva 21. Tämän jälkeen seuraa heikkenevää käyttäytymistä, jossa jännitys laskee nopeasti kappaleen murtumispisteeseen asti. Taivutuksessa lujittuvat kuitubetonit käyttäytyvät samankaltaisella tavalla kuin suorassa vedossa lujittuvat kuitubetonit. Ominaista taivutuksessa lujittuville kuitubetoneille on jyrkkä nousu jännityksessä ja kuormituksessa ennen ensimmäistä halkeilua; piste fcc, c, missä fcc, on kuorma, jolloin halkeilu alkaa,

32 32 ja c, on sitä vastaava taipuman arvo. Tätä seuraa useiden pienten halkeamien synty ja lisääntynyt jännitys pisteeseen fr, u asti, missä fr on kuitubetonin maksimikuormakapasiteetti, ja u on sitä vastaava taipuman arvo. Tämän jälkeen seuraa heikkenevää käyttäytymistä, jossa jännitys laskee nopeasti kappaleen murtumispisteeseen asti. Suorassa vedossa heikkenevä kuitubetoni ja taivutuksessa heikkenevä kuitubetoni käyttäytyvät samalla tavalla kuin lujittuva kuitubetoni pisteeseen cc, cc asti suoralle vedolle, ja pisteeseen fcc, c astitaivutukselle. Useiden pienten halkeamien sijaan syntyy yksi iso halkeama. Tätä on myös kuvattu kuvassa 21, jossa jännitys ja kuorma laskevat ensimmäisen halkeilun jälkeen murtumispisteeseen asti. [33] Kuva 21. Kuitubetonin luokittelu sen veto- ja taivutuskäyttäytymisen perusteella. Suomennettu lähteestä [33] Kuitujen kriittinen kuitupitoisuus, Vfcri, on kuitutyypistä riippuva määrä, joka betonissa vähintään tulee olla, jotta teräskuitubetonissa syntyy useampia pieniä halkeamia yhden ison halkeaman sijaan, kun kappale kuormitetaan vedossa tai taivutuksessa. Kuitubetoni käyttäytyy lujittuvasti, kun kuitujen määrä ylittää kriittisen kuitupitoisuuden, ja heikkenevästi, kun kuitujen määrä alittaa kriittisen kuitupitoisuuden. Vaadittu kriittinen kuitupitoisuus on erilainen suorassa vedossa ja taivutuksessa, vaikka kuorma pysyisi samana. [33] Suorien kuitujen teoreettinen kriittinen kuitupitoisuus on 0,3% 0,8%, mutta tämän mahdollistamiseksi oletetaan, että kuidut ovat jatkuvia ja suuntautuneet 1-ulotteisesti vetorasitusten suuntaisesti. Käytännössä kriittinen kuitupitoisuus riippuu useista tekijöistä, kuten esimerkiksi 1) orientaatiosta, 2) hoikkuusluvusta ja 3) kuidun muodosta/tyypistä. Kriittinen kuitupitoisuus nousee 3 6-kertaiseksi, kun satunnaissuuntaus otetaan huomioon. Tämä tarkoittaa, että kriittinen kuitupitoisuus on oltava yli 1 3%, mikä on noin 80kg/m kg/m 3. Tämän on hyvin suuri määrä, joka lähestyy enimmäismäärää, mitä voidaan sekoittaa betoniin tavanomaisin keinoin. [23] Kriittistä kuitupitoisuutta voidaan alentaa käyttämällä erilaisia

33 33 muotoiltuja kuituja, esimerkiksi koukkupäisiä kuituja. Bentur ja Mindess [23] ovat analysoineet minkälainen vaikutus suorien kuitujen hoikkuusluvuilla, kuitujen ja matriisin välisellä tartuntalujuudella, matriisin lujuudella, mu, ja suorien orientaatiolla (1D, 2D ja 3D) on kriittiseen kuitupitoisuuteen, katso kuva 22. Kuvassa näkyy, että siirtyminen 1D: stä 2D: een ja 3D-suuntaukseen lisää kriittistä kuitupitoisuutta. Kuiduilla, joilla on korkeampi tartuntalujuus, on alhaisempi kriittinen kuitupitoisuus, kun taas pienempi tartuntalujuus johtaa suurempaan kriittiseen kuitupitoisuuteen. Kuva 22. Suoran kuidun hoikkuusluvun, kuidun orientaation, matriisin lujuuden sekä kuidun ja matriisin välisen tartuntalujuuden vaikutus kriittiseen kuitupitoisuuteen. a) vaihteleva kuidun ja matriisin välinen tartunta mu = 3 MPa ja 2D mu = 5 MPa ja tartuntalujuus= 3MPa Suomennettu lähteestä [23] 4.6 Ulosvetomekanismi Yksi tärkeimmistä parametreista, jotka määrittävät teräskuitubetonin vetolujuutta, on kuitujen ulosvetomekanismi (pull-out mechanism) betonimatriisista, ja jonka voima-liukuma yhteys voidaan mitata. Komposiitin kahden pääosan (kuidun ja betonimatriisin) välinen tartunta on erittäin tärkeä vetolujuuden suhteen. Kuidun ja matriisin välinen tartunta koostuu neljästä pääkomponentista. Ne ovat; 1) Adheesio, 2) Kitka, 3) Mekaaninen ankkurointi, ja 4) kuitujen keskinäinen tartunta. Voima-liukuma yhteys voidaan mitata yhden tai useamman kuidun ulosvetokokeilla, kuitujen suunnassa. Kuitujen käyttäytymistä vedossa on tutkittu laajasti sekä kokeellisesti että analyyttisesti. Tämä antaa perustan teräskuitubetonin halkeilun jälkeisen käyttäytymisen ennustamiseksi, sekä erilaisten kimmoisten ja kitkaisten leikkausjännityskomponenttien suhteellisten osuuksien määrittämiseksi. [23,34]

34 34 Useimmissa analyyttisissä malleissa ja ulosvetokokeissa tehdyt olettamukset ovat, että halkeamien halkeamispinnat ovat sileät, ja että kuitu vedetään normaalisuunnassa halkeamispinnasta. Käytännössä teräskuitubetonin tilanne on paljon monimutkaisempi. Esimerkiksi matriisin ominaisuudet voivat myös vaikuttaa teräskuitubetonin suorituskykyyn; heikko matriisi voi pettää ennen kuidun ulosvetämistä. Toinen asia, jolla on merkittävä vaikutus teräskuitubetonin suorituskykyyn, on kuitujen suuntaus. Käytännössä teräskuitubetoni valmistetaan kuiduilla jotka orientoituvat enemmän tai vähemmän satunnaisesti betonimatriisissa. Tämä johtaa siihen, että kuidut silloittavat (the fibers bridge) halkeamat satunnaisissa kulmissa suhteessa halkeamispintaan. Satunnaisesti suuntautuvien kuitujen ulosvetomekanismit voivat olla hyvin erilaisia, verrattuna kuituihin, jotka vedetään ulos kuidun suunnassa. [23] Adheesio, kitka ja mekaaninen ankkurointi Tartunta, joka syntyy adheesion ja kitkan johdosta kuidun ja matriisin välillä, on suhteellisen heikko, eikä ole itsessään tehokas teräskuitubetonissa. Mekaaninen ankkurointi vaaditaan tehokkaan raudoituksen aikaansaamiseksi, ja tämän vuoksi erimuotoisia kuituja on kehitetty kaupallisesti. Ainoat tapaukset, joissa adheesio- ja kitkatartunnat ovat merkittäviä, on silloin, kun kuiduilla on suuri pinta-ala (esim. ohuet synteettiset hiilikuidut) tai kun sementtimatriisissa on erittäin hieno mikrorakenne ja alhainen huokoisuus (alle 0,3 vesi/sementti suhde). Vesi-sementti suhde on kuitubetonissa tavallisesti 0,4 ja yli, ja kuitujen halkaisija on tavallisesti 0,1 mm. [23] Siirtyminen elastisesta tartunnasta (luku 4.1) adhesiiviseen tartuntaan tapahtuu, kun kuitu vedetään ulos matriisista ja rajapintojen välinen maksimileikkausjännitys, max, ylittää kuitujen ja matriisin välisen leikkauslujuuden, au, katso kuva 23 a. Adhesiivisen tartuntalujuuden ylittäessä, alkaa kuidun ja matriisin irtautuminen, ja kitkajännitykset toimivat irtaantuneessa rajapintavyöhykkeessä. Alkuperäinen kitkatartuntalujuus merkitään, fi, ja maksimikitkatartuntalujuus merkitään fu. Kitkatartunta voi toimia kolmella eri tavalla, kun kinemaattinen kitka alkaa, pisteessä, fi, katso kuva 23 b. Nämä ovat; 1) lujuuden säilyttävä kitkatartunta, 2) heikkenevä kitkatartunta, 3) lujittuva kitkatartunta. Kitkatartunta oletetaan usein vakioksi analyyttisessä mallinnuksessa, mutta käytännössä tartunnan oletetaan heikkenevän, kuidun ja matriisin välisen rajapinnan kulumisen vuoksi. Kuidun ja matriisin rajapinta kuluu, kun kuitu Lujittuva kitkatartunta tapahtuu esimerkiksi silloin, kun matriisi on luja verrattuna kuituun. Tässä tapauksessa kuluminen luo edellytyksiä kitkatartunnan lujittuvalle käyttäytymiselle, jossa maksimikitkatartuntalujuus kasvaa sen sijaan, että se heikkenee tai pysyy vakiona. [23,34]

35 35 Kuva 23. Suoran ja sileän kuidun ja matriisin rajapinnan jännitys liukuma yhteys. a) Adhesiivisen tartunnan vaikutus b) Kitkatartunnan kolme eri tyyppiä. Suomennettu lähteestä [34] Adhesiivinen tartunta ja kitkatartunta voidaan nähdä parhaiten yksittäisen suoran sileän kuidun ulosvetokokeessa, katso kuva 24. Pisteen (O)- oidaan nähdä adheesivisen tartunnan ja staattisen tartunnan yhdistetty vaikutus ulosvetovoimaan. Ulosvetovoimaa nostetaan maksimipisteeseen, Tämän jälkeen adhesiivinen tartunta katoaa, ja pisteessä (C) kinemaattinen kitkatartunta hallitsee tartunnan täydelliseen menetykseen asti. Pinta-ala voima-liukuma käyrien alla, voidaan pitää energiana, jonka tartunta sitoo. [35] Kuva 24. Suoran ja sileän kuidun ulosvetovoima-liukuma yhteys. Suomennettu lähteestä [35] Mekaaninen tartunta saavutetaan kuidun muotoilulla, ja se on erityisesti havaittavissa teräskuiduissa. [34] Tämä voidaan tehdä muotoilemalla kuitujen päät esim., koukkumaiseksi. Toinen vaihtoehto on kuitujen muotoilu pitkin pituutta, esim. aaltomainen muotoilu, epätasainen muotoilu tai kierretty muotoilu. Koukkupäisen kuidun ulosvetokäyttäytyminen on samanlainen kuin suoran ja sileän kuidun pisteiden (0) - (A) välillä, katso kuva 25. Tartunta on täällä luonteeltaan adhesiivinen ja kitkainen. Pisteen (A) jälkeen kuidun koukku muodostaa mekaanisen tartunnan matriisiin (piste (A)-(B)-(C)). ABC-käyrän eri kohdat vastaavat päätykoukun plastista muodonmuutosta, jossa koukku suoritetaan matriisissa ulosvedettävän voiman avulla. Päätykoukun muodonmuutoksen jälkeen, pisteessä (C) ja eteenpäin, tartunta on luonteeltaan kitkainen, kuten suoran kuidun tapauksessa. [35] Verrattaessa kuvan 24 käyrää, kuvan 25 käyrään huomataan, että käyrän alle oleva pintaala on paljon suurempi kuvassa 25 kuin kuvassa 24. Tämä tarkoitta, että kuitu, jossa on mekaaninen ankkurointi (muotoiltu kuitu), sitoo paljon enemmän energiaa kuin suora ja sileä kuitu. Koukkupäinen kuitu saavuttaa myös korkeamman kuormituksen kuin suora kuitu. Tämä tapahtuu kuidun päätykoukun suoristusprosessin seurauksena. [36] Kuva 25. Koukkupäisen kuidun ulosvetovoima-liukuma yhteys. Suomennettu lähteestä [35]

36 36 Päätykoukun suoristus tapahtuu normaali- ja korkealujuusbetonissa ulosvedon aikana. Tämä prosessi on kuvattu yksityiskohtaisesti kuvassa 26. Prosessi alkaa elastisesta vaiheesta, katso luku 4.1, kunnes rajakuorma on saavutettu. Tämän jälkeen tulee irtautumisvaihe, jossa elastiset leikkausjännitykset adheesion ja kitkan johdosta, vastustavat ulosvedettävää voimaa, katso kuva 26 a. Kun kuidun ja matriisin välinen rajapinta on täysin irtautunut, tulee mekaaninen ankkurointivaihe, jossa kaksi plastista niveltä syntyy päätykoukussa, katso kuva 26 b. Mekaanisen ankkurointivaiheen lopussa jää ainoastaan yksi plastinen nivel, kun kuitu vedetään ulos matriisista, katso kuva 26 c. Lopussa tulee kitkainen ulosvetovaihe, jossa kitkainen tartunta vastustaa ulosvetokuorman, katso kuva 26 d. [36] Kuva 26. Koukkupäisen kuidun muodonmuutos ulosvedon aikana. Suomennettu lähteestä [36] Koukkupäisen kuidun muodonmuutos riippuu myös upotuspituudesta. Kuitu-matriisitartunta voi pettää äkillisesti, jos upotettu pituus on alle 6 mm. Tällöin betonimatriisi voi lohkeilla, kun matriisi pettää. Tämä voi tapahtua myös, jos betonimatriisin lujuus on liian alhainen. Liian pienen pituuden tai liian alhaisen matriisilujuuden vaikutus on kuvattu kuvassa 27, jossa lohkeaminen johtaa äkilliseen hauraaseen murtoon pisteiden (A):n ja (B):n välillä. [35]

37 37 Kuva 27. Kuidun upotuspituuden vaikutus ulosvetovoimaan. Suomennettu lähteestä [35] Kierretty Torex-kuitu vaikuttaa lupaavalta Naamanin [35] mukaan. Kuvassa 28 näkyy, miten kierretty Torex kuitu suoriutuu paremmin kuin koukkupäinen ja suora kuitu ulosvetokokeessa. Torex kuitu esittää lujittuvaa tartuntakäyttäytymistä ulosvedossa, kun taas koukkupäinen ja suora kuitu esittää heikkenevää tartuntakäyttäytymistä. [35] Torex-kuitu ei ole kaupallisesti saatavilla, mutta testi osoittaa, että kuitujen muoto ja ominaisuudet voidaan vielä kehittää parempien ulosveto-ominaisuuksien saavuttamiseksi. Kuva 28. Kierretyn kuidun ulosvetovoima-liukuma yhteys. Suomennettu lähteestä [35] Kuitujen keskinäinen tartunta Imeytetty kuitubetoni, SIFCON (Slurry Inflated Fibre Reinforced Concrete) on esimerkki kuitujen keskinäisestä tartunnasta, jossa pitkät ja jäykät teräskuidut niputetaan yhteen muotissa, jossa ne muodostavat jäykän verkon. SIFCON vaatii suuren määrään kuituja (6-13%). [34] 4.7 Kuitu-matriisitartunnat parantaminen Kuitu-matriisitartunnalla on erilaisia parametreja, jotka parantavat ulosvetokokeista saatua voima-liukuma suhdetta. Nämä voivat olla 1) kuitujen ominaisuuksien parantaminen, 2) matriisiominaisuuksien parantaminen, 3) kuitujen orientaatio tai 4) kuormituksen säätö. [34] Kuituominaisuudet, jotka parantavat tartuntaa Kuiduilla on kaksi pääparametria, jotka vaikuttavat voima-liukuma suhteeseen. Nämä ovat: 1) kuitujen geometriset parametrit ja 2) kuitumateriaali. Kuidun geometriset parametrit, jotka merkittävästi muuttavat tartunnan jännitys-liuku suhdetta ovat: 1) kuidun pituus /

38 38 upotettu pituus 2) kuidun halkaisija 3) hoikkuusluku (L/de) 4) kuidun poikkileikkausmuoto. Poikkileikkauksen muoto vaikuttaa tartuntaan, koska se määrittää matriisin kanssa kosketuksessa olevan kuidun pinta-alaa (piirin) poikkileikkausyksikköä kohti, muodostaen tartunnan. Esimerkiksi neliö- ja kolmiomuotoisilla poikkileikkauksilla on suurempi piiri poikkileikkausyksikköä kohti kuin ympyränmuotoisella poikkileikkauksella. Kolmiomuotoisilla poikkileikkauksella on 28% enemmän pinta-alaa kosketuksissa matriisiin kuin saman poikkileikkausalan ympyrämuotoisella poikkileikkauksella. Kuidun muotoilu, esim. säännöllisillä sisennyksillä, kiertämällä tai päätykoukuilla lisää myös kuidun tehokkuutta. Parametreja jotka esiintyvät näiden muodonmuutoksien seurauksena ovat: 1) sisennyksien syvyys ja niiden välinen etäisyys, 2) kierrosten määrä pituusyksikköä kohti ja 3) päätykoukkujen koko ja taivutuksen kulmat päätykoukuissa. [34] Toinen pääparametri, kuitumateriaali vaikuttaa voima-liukuma suhteeseen kuidun pinnan kovuuden ja kuidun jäykkyyden kautta. Tämä vaikuttaa erityisesti silloin, kun kuidun akselin suunta ei ole sama kuin ulosvedettävän kuorman suunta. Kuitujen parametrien modifioinnilla yritetään saavuttaa korkein ulosvetokuorma ilman että kuitu katkeaa, ja myöskin saavuttaa lujittuvaa liukumakäyttäytymistä niin että tartunta sitoo mahdollisimman paljon energiaa. [34] Matriisiominaisuudet, jotka parantavat tartuntaa Matriisin parametrit, jotka voivat vaikuttaa kuitujen ja matriisin väliseen tartuntaan ovat seuraavat: 1) puristuslujuus, 2) tartunta-aine, 3) runkoaineen hienoaineksen raekoko ja 4) matriisin pakkaustiheys. Matriisin puristuslujuuden kasvattaminen johtaa tyypillisen kuidun maksimaalisen ulosvetokuorman kasvattamiseen. [34] Korkeampi matriisilujuus lisää myös ei-toivottua kuitumurtuman riski. [37] Tavoitteena kuitubetonirakenteissa on, että kuitu suoristuu ja vedetään ehjänä ulos betonimatriisista rakenteen murrossa. Tartunta-ainemäärän lisääminen matriisissa on osoitettu parantavan suorien sileiden kuitujen ulosvetokuorma-liuku käyttäytymistä. Se ei kuitenkaan lisää komposiitin vetolujuutta yhtä suuressa määrin. Tartunta-aineen lisäämisen kustannukset komposiitin vetolujuuden parantamiseksi eivät yleensä ole taloudellisesti perusteltuja. Hienoaineksen määrän lisäyksellä on osoitettu olevan parantava vaikutus kuidun maksimaalisen ulosvetokuormaan, jos kaikki muu pysyy samana. [34] Silika-seosaine (amorfinen piidioksidi) tiivistää kuitua ympäröivää rajapinnan siirtymävyöhykettä (ITZ) silikajauheen pienikokoisten hiukkasten vuoksi. Silikajauheen luonne voi myös edistää pozzolaanisia reaktioita kuidun ympäröivässä ITZ:ssa. Silikajauhe voi lisätä tartunnan lujuutta peräti 35 prosentilla. [23] Matriisin pakkaustiheys tarkoittaa matriisin (betonin) ei-reaktiivisten hiukkasten pakkaustiheyttä. Nämä hiukkaset pakataan kuidun ja matriisin väliseen rajapinnan siirtymävyöhykkeeseen (ITZ), ja tämä vaikuttaa tartunnan voima-liukumakäyttäytymiseen. Tähän vaikuttaa myös käytetyn betonin tyyppi. Normaalibetonin pakkaustiheys on noin 64%, kun taas korkealujuusbetonin (Ultra High Performance Concrete, UHPC), jonka puristuslujuus on noin 200 MPa, pakkaustiheys on noin 83%. Testit ovat osoittaneet, että normaalibetoniin upotettujen suorien sileiden teräskuitujen ulosvetovoima-liukuma käyttäytyminen koostuu jyrkästä lineaarisesta osasta maksimivoimaan saakka, jonka jälkeen seuraa nopea liukuheikkenminen, katso kuva 24 luku UHPC toisaalta, verrattuna normaalibetoniin, on osoittanut ainutlaatuista liuku-lujittuvaa käyttäytymistä, matriisin pakkaustiheyden johdosta, myös tartuntalujuus on lisääntynyt, katso kuva 29. [34]

39 39 Kuva 29. Korkealujuusbetonin ulosvetovoima-liukuma yhteys. Suomennettu lähteestä [34] Kuitubetonin tuotantomenetelmä vaikuttaa myös sementtihiukkasten tiheyteen ITZ:ssa. Testit, joissa sementin ja teräskuitujen sekoitus on pitkitetty osoittavat, että pitkitetty sekoitus johtaa vähennettyyn huokoisuuteen ja parannettuun mikrolujuuteen ITZ:ssa. Tämä kannattaa huomioida valittaessa optimaalista tuotantoprosessia. Tämä on myös huomioitava, kun tarkastellaan tartunnan ja ITZ-mikrorakenteen ominaisuuksia, jotka perustuvat koekappaleiden testeihin, joissa kuidut on yksinkertaisesti sijoitettu nestemäisiin matriiseihin. [23] Kuitujen orientaatio Kuitujen orientaatio voi vaikuttaa merkittävästi ulosvetokestävyyteen ja ulosvetovoimaliukukuvaajaan. Tämä johtuu siitä, että kuitu taipuu samalla, kun sitä vedetään johonkin muuhun kuin pituussuuntaan, katso kuva 30. Tämä johtaa lisääntyneeseen ulosvetokestävyyteen ja parannettuun voima-liukumakäyttäytymiseen. [34] Tämä ulosvetokäyttäytyminen ja lisääntynyt kuorma riippuvat kuidun vetokulmasta. Kyseinen lisäys tapahtuu jopa 45 asteeseen saakka, suhteessa teräskuitujen kuormitussuuntaan. Muita tähän vaikuttavia tekijöitä ovat kuidun jäykkyys ja lujuus sekä matriisin lujuus. Heikko matriisi voi johtaa matriisin lohkeamiseen, kun taas heikko kuitu voi johtaa kuidun katkeamiseen, katso kuva 30. [24] Robins ym. [37] suorittamien kokeiden mukaan matriisin lujuus vaikuttaa enimmäkseen 0-10 asteen kuituorientaatioiden ulosvetokäyttäytymiseen, jossa korkeamman matriisilujuuden seurauksena ulosvetokuorma kasvaa. Matriisin lujuudella ei ole suurta vaikutusta kuiduille joiden orientaatio on 30 ja 50 astetta. Testit osoittavat, että kun kuitujen orientaatio kasvaa, sitä enemmän kuitujen ominaisuudet vaikuttavat kuitujen ulosvetokäyttäytymiseen. Tämä johtuu siitä, että taivutus ja muodonmuutos tapahtuvat, kun kuidut suoristuvat ulosvedossa, katso kuva 30. [37]

40 40 Kuva 30. a) Kuidun katkeaminen b) Matriisin lohkeaminen c) Kuidun taivutus ulosvedossa. Suomennettu lähteestä [24] Kaikkien kuitujen orientoituminen kuormitussuunnassa kasvattaa yleensä sekä kuitujen ulosvetolujuutta, että koko komposiitin vetolujuutta. Tämä aiheuttaa kuitenkin ns. ryhmävaikutuksen (group effect), kun useat kuidut vedetään ulos samasta matriisin alueesta. Tämä aiheuttaa yksittäisten kuitujen ulosvetolujuuden pienemisen ja sitä voidaan verrata useiden paalujen kantavuuskestävyyden heikkenemisen perustuksissa. Etuja, joita saadaan kaikista kuitujen orientoitumisesta kuormitussuunnassa, eivät välttämättä ole perusteltuja kustannus-hyötysuhteen vuoksi. [34] Kuormitusnopeuden valinta laboratoriokokeessa Testeissä käytettävään kuormitukseen liittyy kaksi tapausta, jotka vaikuttavat ulosvetokäyttäytymiseen: 1) kuormitusnopeus ja 2) kuormitusikä. Yleisesti katsotaan, että mitä korkeampi kuormitusnopeus, sitä korkeampi havaittu maksimikuormitus on. Tämä pätee kuitenkin vain tiettyyn pisteeseen asti, koska joissakin tapauksissa kuormitusnopeus voi olla niin korkea, että kuitu katkeaa ennen kuin se tulee ulos matriisista. Tätä voi tapahtua esimerkiksi räjähdyksessä ja tulisi välttää suunnittelussa. [34] Kuormitusiällä on melko suuri vaikutus komposiitin voima-ulosvetokäyttäytymiseen. Tämä johtuu siitä, että betonin kovettumisen myötä betonin lujuus lisääntyy. Tartuntalujuus riippuu betonin puristuslujuudesta ja kun se kasvaa ajan myötä, myöskin kuidun tartuntalujuus kasvaa. Testit osoittavat, että kuitujen ulosvetomekanismi muuttuu ajan myötä. [34] Betonin pidempi kovettumisaika lisää rajapinnan siirtymävyöhykkeen (ITZ) mikrorakenteen tiiviyttä ja parantaa tartuntaa. Tämä johtuu enemmin tartunnan ominaisuuksista kuin betonin puristuslujuuden kasvusta. Kovettumisajan lisääminen 14:stä 28 päivään lähes kaksinkertaistaa tartuntalujuuden, kun taas puristuslujuuden kasvu on melko vaatimaton verrattuna tartuntalujuuden kasvuun. Tämä johtuu ITZ:n mikrorakenteesta, joka alussa on paljon huokoisempi ja joka hydraation myötä muuttuu tiheämmäksi kovettumisen aikana. [23] 4.8 Teräskuitubetonin mekaaniset ominaisuudet Teräskuitubetonin tärkein mekaaninen ominaisuus on halkeilun jälkeinen käyttäytyminen vedossa. Tämä käyttäytyminen on erittäin tärkeää määritettäessä jäännöstaivutusvetolujuutta, jota käytetään yleisesti teräskuiturakenteiden suunnittelussa. [38]

41 Puristus Teräskuitujen lisääminen vaikuttaa minimaalisesti betonin puristuslujuuteen, 1%-tilavuusosuuden saakka. [39] Puristuslujuuden kasvu voi olla välillä 0-25% tavanomaiselle tilavuusosuudelle (<2%). [23] Kuvassa 31 voidaan kuitenkin nähdä, että kuidut lisäävät sementtilaastin energia-absorbointikykyä puristuksessa samalla kun jännitys/venymä kasvaa. Kuituraudoittamaton sementtilaastin käyttäytyminen murrossa on äkillinen ja hauras, mikä käy ilmi vertailukappaleen (control) jännitys-muodonmuutoskäyrän jyrkästä laskevasta osuudesta maksimijännityksen jälkeen. Käyrän muoto on loivempi maksimijännityksen jälkeen, ja jatkuu pidemmälle ennen lopullista murtoa, kun teräskuitujen tilavuusfraktiot ovat 1-3%, ts. murtovenymä kasvaa. Kuitujen lisääminen kasvattaa betonin sitkeyttä ja estää betonille tyypillisen äkillisen ja hauraan murron. [40] Kuitujen vaikutus riippuu myös käytettävien kuitujen koosta ja ominaisuuksista sekä matriisin ominaisuuksista. [24] Muita tekijöitä ovat kappaleen geometria, kuormitus- verrattuna valusuunta, kuormitusnopeus ja maksimi runkoainekoko. [41] Kuva 31. Kuitumäärän vaikutus jännitys-puristumakäyrään. Suomennettu lähteestä [40] Wang ym. [42] ovat tutkineet teräskuitujen vaikutusta teräskuitubetonin lujuus- ja sitkeysominaisuuksiin staattisen-dynaamisen puristuksen alaisena. He löysivät huomattavan muutoksen hauraasta käyttäytymisestä sitkeään käyttäytymiseen teräskuitujen lisäämisen seurauksena. Teräskuidut silloittivat halkeamat (the fibers bridge the cracks) ja estivät hauraan murtumisen. [42] Murtopuristuma, cu, jota yleensä käytetään nykyisissä ohjeissa Euroopassa, on , Bencardino ym. [41] on kuitenkin löytänyt useiden lähteiden kokeellisten tietojen perusteella, että lopullinen murtovenymä kuitubetonille saavuttaa suuremmat arvot. Samaa betonipuristuslujuuden ominaisarvoa, fck, jota käytetään raudoittamattomalle betonille, käytetään useimmissa teräskuitubetonin suunnitteluohjeissa. Syynä tähän on kuitujen vähäinen vaikutus betonin puristuslujuuteen Suora veto Satunnaisesti jakautuneiden teräskuitujen sisältävän betonin vetolujuuden kasvu voi olla 0-60 % verrattuna raudoittamattomaan betoniin vetolujuuteen. [43] Kuitujen orientaatio ja

42 42 määrä vaikuttavat vetolujuuden kasvuun. Shah ja Rangan [44] ovat havainneet 133%:n vetolujuuden kasvua betonissa, joka sisältää 5% sileitä kuituja orientoituneita vedon suuntaan. Teräskuiduilla on suurin vaikutus suorassa vedossa kuormitettuun teräskuitubetoniin, ja se näkyy parhaiten halkeilun jälkeisessä käyttäytymisessä, jossa teräskuitubetoni voi esittää joko heikkenevää tai lujittuvaa käyttäytymistä. Suorassa vedossa heikkenevää käyttäytymistä voidaan nähdä kuvan 32 ylemmässä kuvaajassa, jossa teräskuitubetoni kuormitetaan suorassa vedossa murtumispisteen saakka. Kuvaajassa voidaan nähdä kuinka jännitys kasvaa elastisessa osuudessa aina maksimikuormaan asti (piste A), jonka jälkeen halkeilu alkaa. Tyypillistä suorassa vedossa heikkenevälle käyttäytymiselle on yhden ison halkeaman muodostuminen, joka avautuu vähitellen murtumispisteeseen asti (pisteiden B ja C välillä). Kuvaajan alla oleva pinta-ala kuvaa teräskuitubetonin absorboimaa energiaa. [45] Suorassa vedossa lujittuvat teräskuitubetonit käyttäytyvät myös elastisesti halkeilun asti (piste A kuvan 32 alemmassa kuvaajassa). Suorassa vedossa lujittuvissa teräskuitubetoneissa syntyy useita halkeamia, yhden ison halkeaman sijaan. Useiden halkeamien vuoksi kuidut ottavat vastaan yhä enemmän jännityksistä, mikä johtaa suurempaan kuormankantokapasiteettiin. Tämä on kuvattu kuvan 32 alemman kuvaajan lujittuvassa osassa, jossa jännitys kasvaa halkeilujännityksen jälkeen (pisteiden A ja B välillä). Jännitys kasvaa, kunnes saavutetaan halkeilun jälkeinen maksimilujuus (piste B). Tämän jälkeen muodostuu näkyvä halkeama ja teräskuitubetoni on heikkenevä murtumispisteeseen asti (pisteiden B ja C välillä). Suorassa vedossa lujittuvat teräskuitubetonit sitovat enemmän energiaa kuin heikkenevät teräskuitubetonit. Tämä näkyy kuvassa 32, jossa lujittuvan kuvaajan alle jäävän pinta-ala on isompi kuin heikkenevän kuvaajan alle jäävä pinta-ala. [45] Kuitumäärä, jota tarvitaan suorassa vedossa lujittuvan käyttäytymisen saavuttamiseen, käsitellään luvussa 4.5. Kuva 32. Kuitubetonin a) heikkenevää ja b) lujittuvaa käyttäytymistä suorassa vedossa. Suomennettu lähteestä [45]

43 Taivutus Taivutuskäyttäytyminen on teräskuitubetonien tärkein mekaaninen ominaisuus, koska useimmissa sovelluksissa teräskuitubetoni altistuu taivutuskuormille, esim. laatat ja palkit. [5] Teräskuitujen vaikutus taivutuslujuuteen on ilmoitettu olevan jopa 100%. Tämä on paljon suurempi kuin teräskuitujen vaikutus puristuslujuuteen tai vetolujuuteen. [23] Erityyppisten kuitujen tilavuusosuudella ja hoikkuusluvulla on merkittävä vaikutus taivutuslujuuden kasvuun. Kuitujen suurempi hoikkuusluku ja suurempi tilavuusosuus lisäävät teräskuitubetonin taivutuslujuuden kasvua. [5] Kun lisätään teräskuituja betoniin, päätavoitteena ei ole lisätä taivutuslujuutta, vaan teräskuitubetonin energia-absorbointikyvyn (sitkeyden) lisääminen. Taivutuslujuuden lisääminen on toissijaista. Kuten aiemmin on mainittu, tämä energia-absorbointikyky voidaan määritellä kuorma-taipumakäyrän alla olevalla pintaalalla. Kuitubetonin sitkeys taivutuksessa kasvaa kuitujen tilavuusosuudella ja hoikkuusluvulla, kuten taivutuslujuuskin. Kuten on käsitelty luvussa 4.7.1, tähän vaikuttaa myös kuitujen geometria. Esimerkiksi koukkupäiset kuidut antavat teräskuitubetonille suuremman sitkeyden kuin suorat ja sileät kuidut. [5,23] Tämä lisääntynyt taivutussitkeys (flexural toughness) tai energian absorptiokyky on perusta kutibetonirakenteiden analysoinnille. Suunnitteluohjeissa sitä kutsutaan jäännöstaivutuslujuudeksi ja sitä käytetään teräskuitubetonirakenteiden suunnittelussa. Kuten luvussa 4.5 on käsitelty, teräskuitubetoni voi käyttäytyä taivutuksessa joko lujittuvasti tai heikkenevästi. Materiaali, joka osoittaa heikkenevää käyttäytymistä suorassa vedossa voi silti osoittaa lujittuvaa käyttäytymistä taivutuksessa. Taivutuksessa lujittuva käyttäytyminen muistuttaa suorassa vedossa lujittuvaa käyttäytymistä, jossa yhden ison halkeaman sijaan syntyy useampia halkeamia jotka levittävät jännitykset isommalle alueelle. Kuvassa 33 on esitetty myötölujittuvan ja myötöheikkevän kuitubetonin käyttäytymistä vedossa ja taivutuksessa. Useiden pienten halkeamien synty aiheuttaa lujittuvaa käyttäytymistä, joka sitoo enemmän energiaa ja jolla on korkeampi halkeilun jälkeinen maksimilujuus. Kun halkeilun jälkeinen maksimilujuus on saavutettu, alkaa yhden ison näkyvän halkeaman muodostuminen. Teräskuitubetoni heikkenee tämän jälkeen ja halkeama laajenee murtumispisteeseen asti. Materiaalin sitkeys, kappaleen mitat, kuitujen jakautuminen ja kuituorientaatio määräävät, esittääkö kappale taivutuksessa lujittuvaa tai heikkenevää käyttäytymistä. Kuitubetonirakenteen korkeus voi vaikuttaa käyttäytymiseen, esim. ohut palkki voi olla taivutuksessa myötölujittuva, mutta korkeuden kasvaessa se voi olla taivutuksessa myötöheikkenevä. [24]

44 44 Kuva 33. Myötölujittuvan jä myötöheikkenevän kuitubetonin käyttäytymistä suorassa vedossa ja taivutuksessa. Suomennettu lähteestä [24] Taivutetun teräskuitubetonirakenteen (esim. palkki tai laatta) jännitysprofiilia ja sen muutosta kuorma- ja taipumakäyrän mukaan on kuvattu kuvassa 34. Kuvaaja perustuu taipumassa heikkenevään palkkiin, joka on testattu sitkeystestin avulla. Taipuma- ja jännitysprofiilit on jaettu neljään vaiheeseen: Vaihe 1: Jännitysjakauma on suunnilleen lineaarisesti elastinen ja poikkileikkaus on halkeamaton. Vaihe 2: Matriisin vetolujuus ylitetään aiheuttaen mikrohalkeilua palkin vedetyssä pinnassa. Kuidut estävät halkeilua, kunnes maksimi halkeilukuorma saavutetaan. Makrohalkeamia alkaa muodostua ja kuitujen ulosvetomekanismi alkaa. Vaihe 3: Makrohalkeamat laajenevat ja etenevät palkin yläosaan aiheuttaen kuitujen ulosvetoa. Vaihe 4: Kuitujen ulosvetämismekanismi jatkuu, kunnes kuidut vedetään kokonaan ulos ja palkki pettää. Halkeamien laajeneminen ja eteneminen palkin yläosaan aiheuttaa myös neutraaliakselin liikkumista kohti palkin puristettua osaa (yläosa). Tällöin jännitystasapaino ylläpidetään kuitujen ulosvetokestävyydellä. Kuvassa 34 voidaan nähdä, että palkin puristetun yläosan jännitysjakauma on lineaarinen yksinkertaisuuden vuoksi, mutta todellisuudessa se ei ole täysin lineaarinen. [37]

45 45 Kuva 34. Taivutetun teräskuitubetonirakenteen (esim. palkki tai laatta) jännitysprofiilia ja sen muutosta kuorma- ja taipumakäyrän mukaan. Suomennettu lähteestä [37] Kantavia teräskuitubetonilaattojen testeissä on osoitettu niiden käyttäytyvän sitkeästi murrossa, jos myötäämisessä esiintyy tiheää halkeilua ja momentin uudelleenjakoa. [46,47,48] Kuvassa 35 on esitetty raudoitetun teräskuitubetonilaatan taivutusmurtokuvio pistekuorman johdosta. Kuva 35. Raudoitetun teräskuitubetonilaatan taivutusmurtokuvio pistekuorman johdosta. Suomennettu lähteestä [49] Lävistys Lävistys on laattojen ja pilarien/paalujen liitoskohdissa esiintyvä mahdollinen hauras murtumistyyppi, mikä voi aiheuttaa rakennuksen sortumisen. [49] Riittävän iso määrä yläpinnan vetoraudoitusta tarvitaan, jotta lävistysmurtomekanismi kehittyy. Todennäköisesti lävistysmurto ei tapahdu, jos laatalla ei ole riittävästi taivutuslujuutta, jotta diagonaaliset halkeamat muodostuvat. Sen sijaan todennäköisenä murtotyyppinä on taivutusmurto, vaikka kuitumäärä olisi suuri, 1.3 tilavuusprosenttia. [47] Barros ym. [49] ovat tutkineet kuitujen vaikutusta lävistysmurtoon suorittamalla testit keskitetysti kuormitetuilla laatoilla, joiden mitat ovat 2550 x 2550 x 150 mm 3. Laatat sisälsivät tavallista vetoraudoitusta varmistaakseen riittävää vetolujuutta vetovyöhykkeessä lävistysmurron muodostumiseen. Käytetty kuitutyyppi oli koukkupäinen kuitu, jonka pituus on 37 mm, halkaisija 0,55 mm, hoikkuusluku 67 ja vetolujuus 1100 MPa. Neljää eri kuitumääriä

46 46 (0, 60, 75 and 90 kg/m 3 ) ja kahta eri betoniluokkaa (50 ja 70 MPa) tutkittiin. Testaamalla havaittiin, että noin 1%:n teräskuitutilavuus muuttaa murtumismekanismi hauraasta lävistysmurrosta sitkeään taivutusmurtoon. Tutkimuksessa havaittiin myös, että laattojen kuormankantokapasiteetti kasvoi % ja että maksimitaipuma murrossa kasvoi %. Nguyen-Minh ym. [50] ovat myös suorittaneet testejä keskeisesti kuormitetuilla laatoilla. Testeillä tutkittiin koukkupäisten teräskuitujen (Dramix RC-80/60-BN) vaikutusta laattojen lävistyskapasiteettiin. Laattojen mitat olivat 1050 x 1050 x 125 mm 3, 1350 x 1350 x 125 mm 3 ja 1650 x 1650 x 125 mm 3, ja ne sisälsivät myös tavallista vetoraudoitusta vetovyöhykkeessä lävistysmurron varmistamiseksi. Kuitumäärät olivat 0, 30 ja 60 kg/m 3. Kuitujen pituus oli 60 mm, läpimitta 0,75 mm ja hoikkuusluku 80. Betonin puristuslujuus oli 27,1 MPa 31,6 MPa, joka testattiin kuutiomuotoisilla koekappaleilla 150 x 150 x 150 mm 3. Testit osoittivat, että teräskuidut lisäävät laattojen lävistyskapasiteettia 9 39,8%:lla kuitumäärien ollessa kg/m 3. Havaittiin myös, että tämä kasvu on suoraan verrannollinen kuitumäärään. Teräskuidut lisäsivät myös lävistysmurron sitkeyttä verrattuna teräskuituja sisältämättömiin laattoihin, katso kuva 36. Teräskuituja vähensivät myös halkeamien leveyksiä 70,8 %:lla käyttörajatilassa. Kuva 36. Laatan lävistysmurto. Suomennettu lähteestä [50] Teräskuiduilla on suuren tiheytensä vuoksi taipumus kerääntyä laattojen pohjaan ja tämä on vieläkin todennäköisempää, kun betonia tärytetään. Tämän vuoksi lisätään yleisesti tavallista tankoraudoitusta laattojen yläosaan pilarien tai paalujen yläpuolelle. [51,52] Jos rakenteessa ei ole yläpinnan raudoitusta, vähenee taivutuskestävyys negatiivisen momentin alueilla ts. tukialueilla, sillä kuitumäärä on rakenteen alaosassa suurempi. Positiivisen momentin tapauksessa ts. kentissä sillä on taivutuskestävyyttä lisäävä vaikutus. Tämä voi olla ongelma etenkin pilari/paalu-laatta liitoksissa, jossa negatiiviset momentit voivat olla suuria. [49] Michels ym. [47] ovat tutkineet teräskuitubetonilaattoja ilman tavallista tankoraudoitusta, jotka ovat kuormitettuja symmetrisesti pilarien ympäri. Pilarien mitat olivat 350 x 350 mm 2 and 250 x 250 mm 2 ja laatan paksuus oli mm ja teräskuitumäärä oli 100 kg/m 3 tai 1,3 % tilavuusprosenttia. Käytetty kuitutyyppi oli aaltomainen TABIX 1,3/50, jonka pituus on 50 mm, halkaisija 1,3 mm ja hoikkuusluku 39. Vaikka kuitumäärä oli kor-

47 47 kea, testauksen aikana ei havaittu lävistysmurtoa ja koekappale esitti sen sijaan sitkeää taivutusmurtoa. Tämä selitettiin sillä, että vetovyöhykkeellä ei ollut riittävää vetolujuutta lävistyksen mahdollistamiseksi Leikkaus ja vääntö Teräskuidut lisäävät teräskuitubetonin leikkauslujuutta kolmella eri tavalla: 1) kuitujen silloittavalla vaikutuksella (fiber bridging), 2) korkeammalla lukituksella (higher interlocking), 3) kuitujen ulosvetomekanismilla, kun kuidut taipuvat ulosvedossa, katso kuva 37. Barragan [53] havaitsi lisääntynyttä energian absorptiokapasiteettia ja sitkeyttä sekä normaalilujuusbetonissa että korkealujuusbetonissa kun betoniin lisätään teräskuituja. Korkealujuusbetonille tämä kasvu oli korkeampi kuitujen ja betonin välisen paremman tartunnan takia. Barragan havaitsi maksimileikkauslujuuden kasvun olevan noin 30% normaalibetonin (C30) ja 40 kg/m 3 teräskuitujen osalta ja noin 80% korkealujuusbetonin (C70) ja 40 kg/m 3 teräskuitujen osalta. Tulokset perustuvat push-off shear testeihin, joissa käytetty koekappale esitetty kuvassa 38 [53] Kuva 37. Kuitujen vaikutus leikkauksessa. Suomennettu lähteestä [53] Kuva kokeen koekappale. [53] Khanlou ym. [54] havaitsivat FIP-leikkauskokeen avulla, katso kuva 39, että teräskuidut parantavat betoniluokkien C35 ja C60 maksimileikkauskapasiteettia jopa 70 %:lla kuitumäärän ollessa 80 kg/m 3. Leikkauskapasiteetin kasvu oli noin 40% kuituannostuksella 40 kg/m 3. He havaitsivat myös, että kuitujen lisääminen johtaa sitkeään murtumiskäyttäytymiseen. Tämä parannettu sitkeys havaittiin lisäämällä vain 20 kg/m 3 teräskuituja. Merkittävämmät leikkauslujuuden kasvut havaittiin kuitumäärien ollessa yli 40 kg/m 3 sekä normaalibetonille että korkealujuusbetonille. [54]

48 48 Kuva 39. FIP-leikkauskoe. [54] Teräskuitubetonin etuna verrattuna tavanomaiseen leikkausraudoitukseen on kuitujen pienempi etäisyys toisistaan kuitujen satunnaisen jakautumisen seurauksena, joka johtaa pienempiin halkeamiin ja halkeamien jakautumiseen. [27] Kutistuma Kuidut vähenevät kuivumiskutistumisen aiheuttamien halkeamien leveyttä. [55] Vaikutus vapaaseen kutistumiseen on todettu olevan 0 40 prosenttiin. [56,57,58] Kuitujen tärkein vaikutus näkyy estetyssä kutistumisessa, jossa halkeilua on merkittävä ongelma. [23] Kuitujen lisääminen on osoitettu vähentävän estettyä kuivumiskutistumaa prosentilla, kun kuitujen tilavuusosuus on 1%. [59] Teräskuitujen on myös osoitettu vähentävän halkeamien maksimileveyksiä 80 prosentilla ja keskimääräisiä halkeamaleveyksiä 90 prosentilla [60] Viruma Teräskuitubetonilla, jonka kuitutilavuusosuus on alle 1 %, on osoitettu olevan vähäistä vaikutusta virumaan. [27] Kuidut tarvitsevat halkeilua ollakseen tehokkaita ja viruma ei yleensä aiheuta mikrohalkeilua. Tätä pidetään syynä sille, että kuiduilla ei ole suurta vaikutusta virumaan. [57] Eroosio Teräskuidut lisäävät betonin kulumis- ja eroosiokestävyyttä hieman, mutta pienen nopeuden omaavalle veden virtaukselle, joka sisältää (hieno)ainesta, ero ei ole havaittavissa. [61,62] Suurikokoista ainesta, kuten kiviä sisältävien suurnopeusvesivirtauksen aiheuttamaan eroosiota vastaan kestävyys sen sijaan paranee merkittävästi teräskuitujen lisäämisen myötä. [63,64] Pakkasraupautumiskestävyys Teräskuitujen lisääminen betoniin ei vaikuta betonin pakkasrapautumiskestävyyteen. Teräskuidut eivät myöskään lisää kestävyyttä klorideja vastaan. [55]

49 Teräskuitujen korroosio Korroosiota voi esiintyä paikallisesti teräskuitubetonissa, mutta se on italialaisen suunnitteluoppaan mukaan kuitenkin vain esteettinen ongelma. Sitä voidaan estää käyttämällä ruostumattomia kuituja tai sinkkikäsittelyllä. [55] Kimmomoduuli ja poissonin luku ACI raportin [27] mukaan, kun kuitujen tilavuusosuus on alle 2%, käytetään teräskuitubetonille samaa kimmomoduulia ja poissonin lukua kuin tavalliselle betonillekin. Italialaisessa ohjeessa [55] sanotaan, että kuidut eivät yleensä vaikuta kimmomoduulin ja sen voidaan olettaa olevan sama kuin tavalliselle betonille Palo-ominaisuudet Menetelmiä kuitubetonin palomitoitukselle ei ole mukana suomen nykyisessä kuitubetoniohjeessa, BY 56:ssa, Teräskuitubetonirakenteet 2011:ssa, eikä suomen tulevassa teräskuitubetonirakenteiden suunnitteluohjeen luonnoksessa, BY 66:ssa. Palomitoitus on kuitenkin mukana esim. italialaisessa kuitubetoniohjeessa CNR-DT 204/2006. Rakennetekniikan laitoksella italiaisessa ollaan tutkittu kuitubetonin mekaanisia ominaisuuksia (taivutuksessa, puristuksessa ja suorassa vedossa) palossa. Kyseisellä tutkimuksella oli keskeinen rooli italialaisen palomitoitusmenetelmän kehittämisessä ja validoinnissa. [65] Tutkimuksessa verrattiin kuitubetonin nimellislujuus eri halkeamaleveyksille Eurokoodistandardin EN (EC 2) raudoittamattoman betonin nimellislujuuteen eri lämpötiloissa. Taivutuskokeessa havaittiin, että kuitubetoni suoriutuu paremmin palossa kuin raudoittamaton betoni. Lämpötilan korottaminen ei vaikuttanut kuitubetonin ulosvetomekanismiin yhtä paljon kuin mitä se vaikutti raudoittamattomaan betonimatriisiin 400 asteeseen asti. Kuvassa 40 esitetään kuitubetonin halkeilulujuus (betonin vetolujuus) fif, käyttörajatilan jäännöslujuus feq 0-0.6, murtorajatilan jäännöslujuus feq ja raudoittamattoman betonin lujuus fct eurokoodin mukaan. Kuvasta 40 voidaan havaita, että kuitubetonin jäännöslujuuden heikkeneminen on samanlainen kuin betonin lujuuden heikkeneminen 400 asteeseen asti. Murtorajatilan jäännöslujuus pysyy melkein vakiona 400 asteen jälkeen verrattuna raudoittamattomaan betoniin lujuuteen, joka laskee lineaarisesti. [65]

50 50 Kuva 40. Neljän pisteen taivutuskokeet. Nimellislujuuksien heikkenemien lämpötilan mukaan. Suomennettu lähteestä [65] Suorassa vetokokeissa havaittiin samankaltaista käyttäytymistä kuin taivutuskokeissa. Lämpövaurioista heikkenevät sekä kuitubetonin maksimivetolujuus että jäännöslujuus. Kuvassa 41 on kuvattu N peak, kuitubetonin nimellisjännityksen maksimiarvo, N,0.15, keskimääräinen nimellisjännitys 0,15 mm leveille halkeamille ja N,0.9, keskimääräinen nimellisjännitys 0,9 mm leveille halkeamille. Kuvasta 41 voidaan havaita, että kuitubetonin lujuus heikkenee korotetussa lämpötilassa samalla tavalla kuin raudoittamattoman betoni 400 asteeseen asti. Halkeilun jälkeinen vetolujuus ( N,0.9) jopa kasvaa 400 ja 600 asteen välillä. [65] Kuva 41. Suorat vetokokeet. Nimellislujuuksien heikkenemien lämpötilan mukaan. Suomennettu lähteestä [65] Puristuskokeessa havaittiin, että kutujen lisääminen eivät vaikuta betonin puristuslujuuteen palossa. Kuvassa 42 näkyy, kuinka kuitubetonin puristuslujuus laskee lineaarisesti lämpötilan nousun myötä. [65] Kuva 42. Puristuskokeet. Nimellislujuuksien heikkenemien lämpötilan mukaan. Suomennettu lähteestä [65]

51 51 Colombon ym. tutkimus [65] osoittaa että kuitubetonin palonkestävyys on samanlainen kuin raudoittamattoman betonin palonkestävyys. Kuitujen lisääminen vaikuttaisi olevan jopa positiivinen vaikutus palonkestävyyteen taivutuksessa ja suorassa vedossa. Italialaisessa ohjeessa CNR-DT 204/2006 [55] sanotaan että kuitujen pitoisuus ollessa alle 1 til-% voidaan laskea lämpötilanjohtavuus sekä kimmomoduuli pelkän betonin arvoilla ja että kuidut parantavat betonin käyttäytymistä lämpötilan ollessa yli 600 astetta. 4.9 Täyden mittakaavan kokeet Täyden mittakaavan kokeita antavat hyvän kokonaiskuvan teräskuitubetonin käyttäytymisestä rakenteissa, jotka rakennustavoiltaan ja mitoiltaan vastaavat todellisuutta. Luvussa esitetään eri puolella Eurooppaa suoritettuja täyden mittakaavan laattakokeita Yhden suuntaan kantavien laattojen täyden mittakaavan kokeet Kleinman ym. [48] ovat Eindhovenissa 2010 suorittaneet täyden mittakaavan kokeita teräskuitubetonista valmistetuista tunnelimuotoisista laatoista ja seinistä Eindhovenin teknillisessä korkeakoulussa. Kuvassa 43 näkyvä rakenne koostui laatoista, joiden paksuus oli 180 mm, leveys 2,3 m ja joiden jänneväli oli 5,4 m. Seinen paksuus oli 250 mm. Laatat erotettiin toisistaan polystyreeni-vaahdolla. Teräskuitubetoniseos sisälsi 350 kg CEM I ja CEM III ja vesi-sementtisuhde oli alle 0,5 (W/C<0,5). Käytetty kuitutyyppi oli koukkupäinen kuitu, jonka pituus oli 60 mm, halkaisija 0,9 mm ja vetolujuus 1100 MPa. Kuitumäärä oli 50 kg/m 3 [48] Kuva 43. Tunnelimuotoinen koerakenne. [48] Kuormitus koostui tasaisesti jakautuneesta kuormasta, joka koostui erikokoisista betoniharkoista, jotka lisättiin nosturilla murtumispisteeseen asti. Testin aikana laatoissa havaittiin sitkeää käyttäytymistä monikertaisen halkeilun ja momentin uudelleenjakautumisen johdosta, katso kuva 44. Suurin keskimääräinen kuormitus ennen murtumista oli 12,18 kn/m 2, jonka poikkeama oli 1.16 kn/m 2. Suurin keskimääräinen taipuma murtumispisteessä oli 20,83 mm ja keskimääräinen kuormitus halkeilun alkaessa oli 9.25 kn/m 2. [48]

52 52 Kuva 44. Useiden pienten halkeamien synty. [48] Kuitubetonisen pilarilaatan täyden mittakaavan koe Permentier ym. [46] ovat vuonna 2011 Limelette, Belgiassa testanneet pelkällä teräskuidulla raudoitetun pilarilaatan KRT- ja MRT-käyttäytymistä taivutuksessa. Laatta, jonka kokonaispinta-ala oli 18,3x18,3 m 2, tuettiin pyöreillä pilareilla, jonka halkaisija oli 300 mm. Pilarien jako oli 6 m ja laatan paksuus oli 200 mm. Käytetty kuitutyyppi oli koukkupäinen kuitu (HE+ 1/60), jonka vetolujuus on 1450 MPa ja kimmomoduuli on 210 GPa. Kuitujen pituus oli 60 mm, halkaisija on 1 mm ja hoikkuusluku on 60 mm. Teräskuitubetoni valettiin ilman tärytystä, mikä oli mahdollista betoniseoksen ja kuitumäärän ansiosta, joka oli 70 kg/m 3 (Vf=0.89%). Mitattu keskimääräinen kuituannostus oli 68.2 kg/m 3 ja keskihajonta oli 7,4 kg/m 3. Teräskuitubetonimassalla oli 200 mm:n painuma Abramsin painumakokeella (Abrams cone) ja betonin koostumus on esitetty yksityiskohtaisesti taulukossa 4. Betonikuutioiden (150x150x150 mm 3 ) puristuslujuus oli 43,7 MPa 28 päivän jälkeen. [46] Taulukko 4. Betonin koostumus. Suomennettu lähteestä [46] Jäännöslujuus määritettiin EN testillä. Kaikki koekappaleet osoittivat lujittuvaa käyttäytymistä taivutuksessa. Tulokset on esitetty taulukossa 5. Tulosten vaihtelu näkyy taulukossa suluissa (6 25 %). Myötöraja (limit of proportionality) taulukossa 5 tarkoittaa pistettä, jossa halkeilu alkaa, ja minkä jälkeen koekappale esittää joko lujittuvaa tai heikkenevää käyttäytymistä. [46]

53 53 Taulukko 5. Palkkikokeiden tulokset, testien poikkeama annettu suluissa [%] Suomennettu lähteestä [46] KRT-testi suoritettiin asettamalla 6x6 m 2 :n vesisäiliöitä laattaan A ja B, katso kuva 45. Nämä säiliöt täytettiin sen jälkeen vedellä 1 kn/m 2 :n vaiheissa, nopeudella 8000 litraa tunnissa ja taipumat mitattiin mittalaitteella. Kuormituksen kolmesta ensimmäisistä vaiheista voidaan nähdä lineaarinen yhteys kuorman ja taipuman välillä kuvassa 45b. Pienet halkeamat (0,1 mm) ilmestyivät kuorman ollessa 3 kn/m 2. Tämän jälkeen kuormaa nostettiin 4 kn/m 2 :n asti, jonka jälkeen koe pysäytettiin. A-laatan keskimääräinen halkeamaleveys oli 0,4 mm ja taipuma oli 9,4 mm ja C-laatan keskimääräinen halkeamaleveys oli 0,5 mm ja taipuma oli 7,2 mm. Tätä kuormitustasoa pidettiin päivän ajan ja kuorma poistettiin, sen jälkeen taipuma ja halkeamat mitattiin uudelleen. Halkeamat olivat kasvaneet 0,8 mm 1 mm: iin ja taipumat olivat 15 mm ja 13 mm A- ja B-laatoille. [46] Kuva 45. a) Kuormituskohdat b) A ja C laattojen keskitaipuma kuormituksen aikana ja sen jälkeen. [46] ULS-testi suoritettiin kuormituslaitteistolla, joka kiinnitettiin pilareihin. Keski- reuna- ja kulmalaatat (E, H ja I) kuormitettiin sen jälkeen pistekuormalla laattojen keskelle hydraulitunkin avulla. Pilarien ja laattojen liitoskohdissa esiintyvää lävistystä ei tutkittu tällä asetuksella, koska se on mahdotonta, kun kuormituslaitteisto kiinnitetään pilareihin. Tutkijat huomasivat laatoissa plastista käyttäytymispotentiaalia, kun taipumat kasvoivat suuriksi ennen murtokuorman saavuttamista. Tulokset on koottu taulukkoon 6. [46]

54 54 Taulukko 6. MRT-kokeen tulokset. Suomennettu lähteestä [46] 14 päivän kovettumisen jälkeen laatan muotti poistettiin, ja kaksi pitkää halkeamaa (leveys w=0,3 mm) ilmestyi laatan alapintaan, laatan omapainon johdosta, katso kuva 46a. Pienet halkeamat (leveys w=0,06 mm) ilmestyivät myös laatan yläpintaan pilarien yläpuolella, mutta tutkijat totesivat, että nämä halkeamat eivät vaikuta KRT- ja MRT-käyttäytymiseen. KRT-testeistä muodostuvia halkeamia voidaan nähdä kuvassa 46b, jossa pitkä halkeama voidaan nähdä A, B ja C laatoissa sekä pyöreitä halkeamia pilareiden k1 ja k4 ympärillä. Halkeamakuvio MRT-testin jälkeen on esitetty kuvassa 46c. Tutkijat havaitsivat täyden plastisen nivelen muodostamisen laatan yläpintaan pitkin pilareita keskiviivan vasemmalla ja oikealla puolella pohjoisen ja etelän suuntaan. Myös laatan alapintaan muodostui suuri halkeama P-E suunnassa keskiviivalla ja pienempi halkeama L-I (länsi-itä) suunnassa. Säteishalkeamia (radial cracks) sekä suuri pyöreä halkeama joka yhdisti ne, voitiin myös nähdä sisäpuolisten pilareiden ympärillä laatan yläpuolella. Suurin keskimääräinen halkeamaleveys KRT-testin jälkeen oli noin 8,5 mm. Koe suoritettiin kokonaan ilman tavallista raudoitusta, ja kirjoittajat mainitsevat, että tosielämän sovelluksissa jatkuvan sortuman estämiseksi käytettäisiin tankoraudoitusta pilarilinjoissa. [46] Kuva 46. a) Halkeilu laatan omapainon johdosta (alapinnassa) b) Halkeilu KRT-testin johdosta (alapinnassa) c) Halkeilu MRT-testin johdosta. Huom: Pisteviivat tarkoittavat yläpinnan halkeilua [46] Teräskuitubetonipaalulaatan täyden mittakaavan koe Hedebratt [66] on suorittanut teräskuitubetonipaalulaatan täyden mittakaavan kokeen 7 km:n päässä Västeråsin kaupungista Mälaren-järvellä vuonna Kokeen tarkoitus oli tutkia laatan lyhyen aikavälin suorituskykyä, kun se altistuu kasvavaan pistekuormaan laatan keskellä. Paalulaatan paksuus oli 130 mm ja se jaettiin 16 laatalle, jotka tuettiin 25 pilareille (200x200x2700 mm 3 ), joiden jako oli 3m. Laatta oli kolmelta sivulta vapaasti tuettu sandwich-elementeille pilarilinjojen ulkopuolelle simuloimaan suurempaa jatkuvaa laattaa,

55 55 katso kuva 47. Neljäs sivu tuettiin pilareille. Eri laatat raudoitettiin sekä pelkillä kuiduilla että tavallisella tankoraudoituksella ja kuiduilla. Käytetty kuitutyyppi oli koukkupäinen Dramix RC-65/60-BN, jonka pituus on 60 mm, halkaisija 0,9 mm ja hoikkuusluku 66,7. Kuitumäärät olivat 40kg/m 3 ja 80 kg/m 3 ja nämä valittiin siten, että laatat esittäisivät sekä heikkenevää että lujittuvaa käyttäytymistä, jossa fr,3 jäännösvetolujuudet ovat välillä 60 % ja 100 % betonin maksimivetolujuudesta. Betoniluokka oli C30/37, joka sisälsi sementtityyppi CEM II, runkoaine jonka enimmäisraekoko oli 16 mm. Betonin notekusluokka oli S4. Puolet laatasta raudoitettiin tavallisella tankoraudoituksella pilarilinjoissa laatan yläpinnassa (3ø12s100) ja laatan alapinnassa (3ø12s100), katso kuva 47 (a). Maanvarainen laatta ylimitoitettiin, koska se toimi kokeen perustana. Valun aikana teräskuitubetoni, jonka kuitumäärä oli 80 kg/m 3 oli erittäin jäykkä ja se ei ollut optimaalinen tärytykselle, kun kuidut olivat lukittuneet toisiinsa (fibre interlocking), muodostanen jäykän verkon. Laatat kuormitettiin pistemäisesti hydraulisella tunkilla laattojen keskellä, katso kuva 47. Kuva 47. a) Laatan kuormituspisteet (LP), pilarien sijoitus, raudoitetut alueet b) Testijärjestely. [66] Kuorma kasvatettiin 20 kn tai 50 kn välein murtumispisteeseen asti. Valitut 8 kuormituspistettä voidaan nähdä kuvassa 48. [66]

56 56 Kuva 48. Laatan kuormituspisteet ja tukiehdot (a-a ja c-c ovat jäykästi kiinnitettyjä, b-b ja d-d ovat vapaita runoja). [66] Eri laattojen murtokuorma ja taipuma murtumishetkellä voidaan nähdä taulukossa 7. Pilarien välinen kaistaraudoitus lisäsi murtokuormaa 22 32%. Kaikki laatat esittivät taipumassa lujittuvaa käyttäytymistä. [66] Taulukko 7. Murtokuorma ja sitä vastaavaa taipuma. Suomennettu lähteestä [46] Halkeilukuvio murtumispisteen jälkeen voidaan nähdä kuvassa 49. Laattojen murtumistavat olivat taivutusmurto ja lävistysmurto. Testin 3 (LP1) ja testin 4 (LP4) murtumistapa oli taivutusmurto, jonka jälkeen seurasi lävistysmurtoa. Murtumiskuorma ja taipuma olivat korkeammat testissä 4 johtuen isommasta kuitumäärästä ja tankoraudoituksesta pilarilinjoissa. Testi 4 osoitti myös vähempää halkeilua ja suurempaa laatan jäykkyyttä. Testin 3 ja 4 suurempi murtokuorma ja taipuma verrattuna testeihin 7 ja 5 johtui erilaisista tukiolosuhteista. Hedebratt huomauttaa, että seinät olisivat voineet nousta testin aikana, mikä olisi vaikuttanut tuloksiin. Kuvassa 49 voidaan nähdä huomauttavaa halkeilua, joka osoittaa merkittävää jännitysten uudelleenjakautumista kaikissa laatoissa. Enemmän kuituja sisältävät laatat osoittivat lyhyempiä ja ohuempia halkeamia. Laatat, jotka sisälsivät 80 kg/m 3 kuituja, halkeilivat vähemmän laatan yläpinnassa ja syntyi yksi hieno pyöreä halkeama pilarien ympäri yläpinnassa. Levyt, jotka sisälsivät 40 kg/m 3, halkeilivat enemmän ja halkeamat olivat näkyvämpiä. Tankoraudoitus pilarilinjoissa vähensi myös halkeamien pituutta. Kokeen todellinen kuitumäärä lopullisessa rakenteessa oli 31,5-33,8 kg/m 3 alueissa, joissa määrän piti olla 40 kg/m 3 ja 60,9-91,3 kg/m 3 alueissa, joissa määrän piti olla 80 kg/m 3. [66]

57 57 Kuva 49. Laatan halkeilukuvio kokeiden jälkeen. Vasemmalla: halkeilukuvio yläpinnassa. Oikealla: halkeilukuvio alapinnassa [66] Lisätty tankoraudoitus pilarikaistoissa tuntui jäykistävän laattaa jopa 2,2 kertaa verrattuna laattoihin ilman kaistaraudoitusta. Tavallista kaistaraudoitusta jatkuvan sortuman estämiseksi on käytetty useimmissa toteutuneissa teräskuitubetonilaattaprojekteissa, joissa kuitubetoni on käytetty kantavissa laattarakenteissa. [66] Kuitubetonisia paalu- ja välipohjalaattoja toteutetaan yleisesti kaistaraudoitteilla, kuten esim. tämän työn esimerkkikohde, katso luku 2.3.

58 58 5 Yleisemmät teräskuitubetonin eurooppalaiset mitoitusmenetelmät, perustuvat kuitubetonin jännitys- muodonmuutosyhteyteen. [38] Tätä jännitys-muodonmuutosyhteyttä käytetään esimerkiksi Saksan kuitubetoniohjeessa, DAfStb-Richtlinie Stahlfaserbeton [67], Italian kuitubetoniohjeessa CNR-DT 204/2006 Guide for the design and construction of Fiber Reinforced Concrete Structures [55] ja Ruotsin kuitubetoniohjeessa SS [4]. Myös Suomen tulevaa teräskuitubetonirakenteiden suunnitteluohje, BY 66, perustuu kyseiseen jännitys-muodonmuutosyhteyteen. Kuitubetonin jännitys-muodonmuutosyhteys määritetään palkkikokeilla, joista saadaan kuitubetonin kuorma-cmod-suhde (halkeaman avautuma = crack mouth opening displacement). Kuorma-CMOD suhteen avulla määritetään kuitubetonin jäännöstaivutusvetolujuus, joka on teräskuitubetonin tärkeimpiä ominaisuuksia. Kutibetonin jännitys- muodonmuutos muodostetaan muuntamalla palkkikokeista saatuja jäännöstaivutusvetolujuuksia suoriksi vetolujuuksiksi, ja halkeaman avautumia muunnetaan venymiksi. Tapa, miten taivutusvetolujuudet muunnetaan suoriksi vetolujuuksiksi, ja halkeaman avautumat muunnetaan venymiksi, vaihtelee Euroopassa käytössä olevien kuitubetoniohjeiden välillä. Kuorma-CMOD-suhteen sijaan voidaan myös käyttää kuorma-taipuma-suhdetta. [38] 5.1 Jäännösvetolujuus Jäännösvetolujuus on lujuus, jonka teräskuitubetoni säilyttää halkeilun alkamisen jälkeen, kun materiaali on lakannut käyttäytymästä elastisesti. Halkeilun jälkeen teräskuitubetoni voi käyttäytyä joko lujittuvasti tai heikkenevästi, kuten luvussa 4.5 on käsitelty. Raja-arvo, jonka jälkeen materiaalin halkeilu alkaa, kutsutaan myötörajaksi tai suhteellisuusrajaksi (LOP = limit of proportionality), ja tässä vaiheessa, riippuen kuitumäärästä, jännitys joko kasvaa korkeammaksi tai laskee alemmaksi kuin betonin alkuperäinen vetolujuus. [68] On olemassa erilaisia ehdotettuja testejä, joiden avulla jäännösvetolujuus määritetään. Suomen kuitubetoniohjeessa, BY 56, Teräskuitubetonirakenteet 2011, mainitaan Eurokoodistandarditesti SFS-EN [69], amerikkalaisen palkkitesti C ja japanilaisen palkkitesti JSCE SF4 [70]. Suomen uuden kuitubetonirakenteiden suunnitteluohjeen luonnos BY 66 perustuu täysin Eurokoodi-standarditestiin SFS-EN Euroopassa käytetään myös muita testejä, kuten esimerkiksi suora vetokoe ja laattakokeita jäännösvetolujuuden määrittämiseksi, mutta tässä työssä keskitytään Suomen ohjeissa mainitsemisiin testeihin. On olemassa kaksi yleisessä käytössä olevaa tapaa, joiden avulla esitetään jäännöslujuuksien suuruudet. Ensimmäisessä tavassa annetaan suoraan jäännösvetolujuuksien arvot (N/mm 2 ) eri halkeamaleveyksille. Jäännösvetolujuuksien merkinnät vaihtelevat käytetystä testistä ja standardista riippuen. Toinen tapa on käyttää jäännöslujuuskertoimia, R-arvoja. R-arvot ovat prosentuaalisia arvoja, jotka kerrotaan betonin taivutusvetolujuudella jäännöslujuuksien saamiseksi. R-arvojen määrittäminen ja niitten merkinnät vaihtelevat testistä ja standardista riippuen. Jäännöslujuuskerroin kuvaa kuinka paljon betonin taivutusvetolujuudesta on jäljellä määritetyllä taivutuksen arvolla. Eli R=0 kuvaa tilannetta jossa teräskuitubetoni käyttäytyy hauraasti kuin raudoittamaton betoni ja R=100 kuvaa tilannetta jossa teräskuitubetonin taivutusvetolujuus jää samalle tasolle kuin betonin alkuperäinen taivutusvetolujuus.

59 59 Palkkitestien haittapuolena on testitulosten suuri hajonta. [71] Tämä johtuu kuitujen satunnaisesta jakautumisesta ja orientaatiosta verrattuna perinteiseen tankoraudoitukseen, joka sijoitetaan tiettyyn paikkaan. Se johtuu myös koekappaleen pienestä koosta, joka johtaa pienempään halkeama-alueeseen verrattuna sen edustamaan rakenteeseen. [38] Poikkileikkauksen koon suurentaminen on osoittautunut vähentävän hajontaa. [71] Jäännöstaivutusvetolujuuksien määrittäminen SFS-EN mukaisen palkkikokeen avulla Teräskuitubetonille käytettävät arvot puristuslujuudelle, fck, keskimääräiselle vetolujuudelle, fctm, ja kimmomoduulielle, Ecm ovat samat kuin tavalliselle betonille käytettävät arvot. Näitä arvoja käytetään myös suomen uuden teräskuitubetonirakenteiden suunnitteluohjeen luonnoksessa, BY 66. Syyt miksi nämä arvot ovat samat kuin tavalliselle betonille, käsiteltiin luvussa 3.8.1, ja Kuten edellä mainittu, jäännöstaivutusvetolujuuden määritys tehdään Eurokoodin mukaisella standarditestillä SFS-EN A1. Kyseessä on kolmen pisteen taivutustesti, jossa kuormitetaan lovettu palkki, jonka leveys ja syvyys ovat 150 mm ja pituus välillä 550 mm 700 mm, katso kuva 50. Lovi sahataan palkin keskelle ja etäisyys loven yläosasta palkin yläosaan on 125 mm. Tämä testi soveltuu teräskuitubetoniin, jonka maksimirunkoainekoko on 32 mm ja jonka maksimikuitupituus on 60 mm. [69] Kuva 50. SFS-EN mukainen koejärjestely. [69] Halkeaman avautuma laajenee, kun palkki kuormitetaan ja siirtymä mitataan mittalaitteella. Kuormitusarvon suuruus tallennetaan tietyissä halkeamaleveyksien tai taipumien tapauksissa, ja näiden perusteella määritellään teräskuitubetonin myötöraja (LOP) sekä jäännöstaivutusvetolujuusarvoja. Myötörajakuorma, FL, on suurin tallennettu kuormitusarvo halkeamaleveyden välisellä alueella 0 mm 0,05 mm. On olemassa neljä muuta asetettua halkeamaleveyttä (CMOD), joissa kuormat F1-F4 tallennetaan. Nämä ovat: 0,5 mm, 1,5 mm, 2,5 mm ja 3,5 mm. Periaate, miten tämä tehdään, on kuvattu kuvassa 51, jossa testeistä saadusta kaaviosta luetaan kuormitusarvoja tietyissä halkeamaleveyksissä. [69]

60 60 Kuva 51. SFS-EN mukainen kuorma-halkeaman avautuma kuvaaja. [69] Jos taipuma,, mitataan CMOD:n sijaan, käytetään taulukossa 8 esitetyjä taipuma-arvoja. Taulukko 8. Eri CMOD:ien vastaavat koepalkin taipumia [69] Lineaarinen jännitysjakauma oletetaan, kun kuormitusarvot muunnetaan myötörajaksi ja jäännöstaivutuslujuudeksi, vaikka todellinen jännitysjakauma on melko erilainen, katso kuva 52. [69] Kuva 52. 1) Todellinen jännitysjakauma 2) Oletettu jännitysjakauma. [69] Koekappaleen keskikohdassa esiintyvää momenttia [Nmm] lasketaan kaavalla: (1) missä l on koekappaleen jänneväli [mm] ja on voima [N].

61 61 Myötöraja ffct,l lasketaan kaavalla: (2) missä, ML on myötörajan momentti [Nmm], hsp on korkeus loven yläosasta palkin yläosaan [mm], b on koekappaleen leveys [mm], FL on myötörajakuorma [Nmm] Jäännöstaivutusvetolujuudet fr,j (j=1,2,3,4) lasketaan kaavalla: (3) missä Mj on momentti [Nmm], joka on tallennettu kohdassa CMODi tai i [mm], hsp on korkeus loven yläosasta palkin yläosaan [mm], b on koekappaleen leveys [mm] ja FR,i on kuorma [N], joka on tallennettu kohdassa CMODi tai i [mm] Nämä jäännöstaivutusvetolujuudet annetaan 0,1 N/mm 2 :n tarkkuudella. [69] Jäännöstaivutusvetolujuuksien määrittäminen ASTM C mukaisen palkkitestin avulla Amerikkalainen testi ASTM C poistettiin käytöstä Amerikassa vuonna Syy testin poistamiseen oli testitulosten suuri hajonta. [14] Testin sitkeysparametrit eivät olleet kovin hyviä erottamaan eri kuitutyyppejä ja niiden eri geometriaa. Testitulosten tarkkuus vähenee, koska ensihalkeilun määrittäminen oli hankalaa ja eri koelaitteiden käyttö lisäsi testitulosten hajontaa. [23] Suomen kuitubetoniohje, BY 56, Teräskuitubetonirakenteet 2011 käyttää kuitenkin kyseisen standardin mukaista jäännöslujuuskertoimien määritystä. Kyseinen palkkitesti on neljän pisteen taivutuskoe, jossa palkin mitat ovat 150x150x750 mm 3 ja jänneväli on 675 mm. Testi perustuu sitkeysindekseihin, In, jotka määritetään kuorma taipuma kuvaajan alla jäävällä pinta-alalla. Testi suoritetaan seuraavasti: 1) cr kuvassa 53 cr on taipuma jossa halkeaminen alkaa. 2) Palkki kuormitetaan murtumispisteeseen asti. 3) Kuorma taipuma kuvaajan alla jäävästä pinta-alasta lasketaan sitkeysindeksien arvot kuvan 53 mukaan. 4) Sitkeys indeksien perusteella lasketaan sitten jäännöslujuuskertoimien arvot. 5) Jäännöstaivutusvetolujuudet ratkaistaan kertomalla jäännöslujuuskertoimet ensihalkeamalujuudella. [14] Jäännöslujuuskerroin, RX,Y määritellään yleisesti kaavalla: (4) jossa, IY on sitkeysindeksi taipuman -arvosta IX on sitkeysindeksi taipuman -arvosta Lukuarvojen X- ja Y:n suuruudet kuvaavat kuinka pitkälle halkeamatila on edennyt. BY 56:ssa käytetään X- ja Y-arvoina lukuarvoja 10, 20 ja 50 jolloin jäännöslujuuskertoimet ovat R10,20 (maanvaraisille laatoille) ja R 20,50 (paalulaatoille). Muita jäännöslujuuskertoimia käytetään myös, mutta Suomessa käytetään yleisesti R10,20 ja R 20,50. [14]

62 62 Kuva 53. Materiaaliominaisuuksien määrittäminen ASTM C mukaisen palkkitestin avulla. [14] Jäännöstaivutusvetolujuuksien määrittäminen JSCE-SF4 mukaisen palkkitestin avulla Japanilainen testi JSCE SF-4 perustuu, samalla tavalla kuin ASTM C testi, kuorma taipuma kuvaajan alla jäävään pinta-alaan, eli koekappaleen sitkeyteen. Kyseessä on neljän pisteen kuormituskoe, jossa 100 x 100 x 350 mm 3 kokoista palkkia kuormitetaan taivutuksessa taipumaan (L/150) asti. Kuva 54 näyttää esimerkin koejärjestelyn periaatteesta. Palkki kuormitetaan teräsrullien avulla, jotka pystyvät liikkumaan palkin pitkittäissuunnassa. [23,70] Kuva 54. JSCE-SF4 mukaisen palkkikokeen koejärjestely. [23] Testin pohjalta lasketaan sitkeyskerroin fe, joka on keskimääräinen jäännöstaivutusvetolujuus. Se, miten kyseinen sitkeyskerroin lasketaan, on esitetty kuvassa 55. Testin vahvuus on eri koejärjestelmien pienet vaikutukset sitkeysparametreihin. Testin rajoituksia ovat esim.: 1) Sitkeysparametrit eivät ota huomioon kuitubetonin käyttäytymistä ennen halkeilua, eikä halkeilun jälkeen. 2)Eri kuorma-taipumakaavoja voivat antaa samanlaisia sitkeys-

63 63 parametreja. 3) Kuitubetonin sitkeysparametrit riippuvat koekappaleen koosta. 4) Testi lopetetaan kiinteään taipuma-arvoon, mikä johtaa siihen, että testi on vaikeasti mukautettava ottamaan huomioon eri taipumia ja käyttörajatiloja. [23] Kuva 55. Materiaaliominaisuuksien määrittäminen JSCE-SF4 mukaisen palkkikokeen avulla. [23] Jännitys-muodonmuutosyhteyden määrittäminen Kuitubetonin jännitys-muodonmuutosyhteys muodostetaan, kun palkkikokeista saatuja jäännöstaivutusvetolujuuksia muunnetaan suoriksi vetojännityksiksi (jäännösvetolujuuksiksi) ja venymien arvot määritetään halkeaman avautumisen siirtymisestä tai koekappaleen taipumasta. Kuvassa 56 on esitetty kuitubetonin tyypillinen jännitys- ja venymissuhde, jossa 1 on betonin vetolujuus ja sen vastaava maksimivenymä 1. Jännitykset 1,t ja t,2 ovat palkkitestistä (esim. SFS-EN 14651) saatujen jäännöstaivutusvetolujuuksien fr1 ja fr3 avulla lasketut suorat vetojännitykset halkeaman avautuman ollessa 0,5 mm ja 2,5 mm sekä niiden vastaavia venymiä t,1 ja t,2. Suomen tulevassa kuitubetoniohjeessa (ohjeluonnos BY 66) käytetty jännitys- ja venymissuhde on periaatteeltaan saman näköien kuvissa 56 ja 57 esitetty jännitys- ja venymissuhde. [72] Saman näköinen jännitys- ja venymissuhde käytetään myös esimerkiksi Ruotsin ja Saksan kuitubetoniohjeissa. Kuva 56. Kuitubetonin jännitys- ja muodonmuutosyhteys. Muokattu lähteestä [72]

64 64 Kuva 57. jännitys- ja muodonmuutosyhteys poikkileikkauksessa. [72] Menetelmä, jolla palkkitesteistä saatuja jäännöstaivutusvetolujuuksia fl,1 ja fl,2 muunnetaan suoriksi vetojännityksiksi (jäännösvetolujuuksiksi) t1 ja t2, on esitetty kuvassa 58. Jäännöstaivutusvetolujuuksien fr1 ja fr3 laskemiseksi oletetaan jännitysjakauman olevan lineaarisesti elastinen. Todellisuudessa jännitysjakauma on kuitenkin erilainen poikkileikkauksen halkeilun johdosta. Jäännöstaivutusvetolujuuksien arvot muunnetaan kuvassa 58 jäännösvetolujuuksiksi seuraavin oletuksin: 1) vetojännitys t,i on vakio teräskuitubetonin haljenneessa osassa ja 2) halkeaman korkeus on 0,66h kun halkeamaleveys on 0,5mm ja 0,90h kun halkeamaleveys on 2,5mm. [38, 73] Menetelmä, jolla halkeaman avautumat muunnetaan venymiksi, vaihtelee suunnitteluohjeesta riippuen. Venymien arvot määritetään esimerkiksi mitatusta halkeaman avautumisen siirtymisestä, tai koekappaleen taipumasta, jakamalla jompaakumpaa näistä tietyllä ominaispituudella. Ominaispituuden valitseminen ei ole aina helppoa, ja se vaikuttaa suuresti teräskuitubetonin kuormankantokykyyn. [38] Kuva 58. Oletetut jännitysjakaumat. Pienillä halkeamaleveyksillä (0,5 mm) ja suurilla halkeamaleveyksillä (2,5 mm). [38] 5.2 Paalulaatan mitoitus BY 56 ohjeen mukaan Teräskuitubetonirakenteet 2011, BY 56 kirjassa esitetty laskentamenetelmä ei ole varsinainen mitoitustapa vaan alustava mitoitusmenettely, jonka avulla rakennesuunnittelija pystyy arvioimaan tarvittava kuitumäärä maanvaraisille laatoille ja paalulaatoille. BY 56 ei anna menetelmää kuitubetonisten välipohjien mitoittamiselle Menetelmä perustuu ns. virtuaalikuituperiaatteeseen jonka avulla pystytään kirjan mukaan arvioimaan tarvittava kuitumäärä % tarkkuudella. Virtuaalikuitujen kehittämiseen käytettiin vuonna 2009 parhaita käytössä olleiden kuitujen arvot. Kuitubetonirakenteen lopullinen mitoitus hoitaa kuitenkin kuituvalmistaja, jolloin kuidun todelliset arvot käytetään. [14]

65 65 BY 56 esittää kuitubetonin jäännöslujuusarvot samalla tavalla kuin amerikkalainen testi ASTM C , eli R-luvuilla. R-luvut ovat periaatteessa prosenttilukuja jotka kerrotaan betonin taivutusvetolujuudella kuitubetonin jäännöslujuuden saamiseksi. R-luvut saavat yleisesti arvonsa väliltä 0 ja 100 ja R-luvun ollessa 0 kuvaa tilannetta jossa murto tapahtuu hauraasti halkeilun alkaessa. Tätä voidaan verrata betoniin jossa ei olisi kuituja ollenkaan. R-luvun ollessa 100 sen sijaan tarkoittaa, että kuitubetonin taivutusvetolujuus pysyy samana ensihalkeilun jälkeen. R-luvun ylittäessä 100 tarkoittaa lujittuvaa käyttäytymistä, jossa betonin taivutusvetolujuus kasvaa ensihalkeilun jälkeen. R-lukujen alaindeksien arvot kuvailevat kuinka pitkälle halkeamatila on edennyt kuten luvussa selostettiin. Suomessa käytetään yleisesti R10,20 ja R 20,50. Nämä arvot saadaan amerikkalaisen palkkistestin ASTM C avulla. [14] Mitoitus alkaa määrittämällä kuitubetonin R-lukua virtuaalikuitumäärän perusteella. Huomioitavaa on, että virtuaalikuitu ei huomio kuidun pituutta, hoikkuuslukua tai muotoa, vaan kirjassa sanotaan ainoastaan, että virtuaalikuidun arvot perustuvat vuonna 2009 parhaita käytössä olleiden kutujen arvoihin. Virtuaalikuidun jäännöslujuuskerroin R 20,50 lasketaan kaavalla: (5) missä ja on kuitumäärä [ ]; suosituksena Paalulaatan betoniluokka on oltava vähintään C30/37 ja valualusta on pystyttävä kantamaan laatan painon. Paalun upotussyvyys laattaan on oltava vähintään 50 mm. [14] Momenttikestävyys (MRT) Lisäraudoittamattoman kuitubetonin lasketaan kuvan 59 mukaisella jännitysjakaumalla. Kyseinen menetelmä käyttää yksinkertaistettua jännitysjakaumaa joka kuvaa tilannetta ennen halkeamien muodostamista. Kirjassa sanotaan, että taivutusvetolujuus on tällöin suurimmillaan. [14] Kuva 59. Yksinkertaistettu jännitysjakauma. Halkeamaton poikkileikkaus [14] Lisäraudoittamattoman teräskuitubetonin momenttikestävyys lasketaan kaavalla: missä, on laatan korkeus [mm] ja on kuitubetonin taivutusvetolujuuden laskentaarvo [MPa] joka lasketaan kaavalla: (6)

66 66 (7) missä, on betonin taivutusvetolujuuden laskenta-arvo [MPa] ja on jäännöslujuuskerroin, joka määritetään luvun esittämällä palkkikokeella. Haljenneen teräskuitubetonipoikkileikkauksen yksinkertaistettu jännitysjakauma ja sen perusteella kehitetty momenttikestävyyskaava on myös esitetty BY 56 ohjeen liitteissä. Jäännöslujuuskertoimet momenttikestävyyslaskentaa varten saadaan japanilaisesta palkkitestistä JCI-SF4. Mutta kyseisen jännitysjakauman yhteydessä huomioidaan, että sitä ei käytetä BY 56 ohjeen mukaisessa laatan mitoituksessa ja tästä syystä sitä ei ole huomioitu tässä työssä. [14] Lisäraudoitetun teräskuitubetonin momenttikestävyyslaskennassa otetaan huomioon sekä tankoraudoituksen että kuitubetonin antamat kestävyydet (esimerkiksi paalukaistojen kestävyys, jos kaistoilla on käytetty tavallista tankoraudoitusta). Kyseinen momenttikestävyys perustuu kuvan 60 mukaiseen jännitysjakaumaan, joka kuvaa tilannetta jossa poikkileikkaus on huomattavasti halkeillut. [14] Kuva 60. Yksinkertaistettu jännitysjakauma. Haljennut poikkileikkaus [14] Kuvan 60 mukaisen jännitysjakauman perusteella lasketaan momenttikestävyyskaavalla: (8) missä, on lisäraudoituksen voimaresultantti [N] lasketaan kaavalla: missä, [MPa] on lisäraudoituksen vetolujuus ja on lisäraudoituksen poikkipinta-ala [mm 2 ]. Kaavassa (8) on kuitubetonin voimaresultantti [N] ja lasketaan kaavalla: (9) Neutraaliakselin korkeusasema ratkaistaan aksiaalisesta tasapainotilasta. [14] (10) Leikkautuminen (MRT) Leikkauskestävyyden määrittämiseen otetaan huomioon sekä betonin kestävyys, että raudoituksen kestävyys. Leikkauskestävyyteen vaikuttavat myös betonin lujuus, paalun hal-

67 67 kaisija ja laatan paksuus. Esimerkiksi paalun halkaisijan tai laatan paksuuden kasvattamalla voidaan kasvattaa laatan läpileikkautumiskestävyyttä. Ohjeessa (BY 56) huomioidaan että poikkileikkaus on oltava lisäraudoitettu koska lisäraudoittamattoman kuitubetonin leikkauskestävyyden määrittämiseen ei ole olemassa yleisesti hyväksyttyjä menetelmiä. Suomen tulevan kuitubetoniohjeen (BY 66) luonnoksessa on esitetty kaava lisäraudoittamattoman kuitubetonisen maanvaraisen laatan ja paalulaatan leikkauskestävyyden määrittämiseen. Kuitubetonin leikkauskestäyys lasketaan kaavalla: [14] missä, c, ja on kerroin, joka lasketaan kaavalla: missä, on tehollinen korkeus [mm]. Kaavassa (11) on kerroin, joka huomioi vetoraudoituksen suhde pinta-alasta ja lasketaan kaavalla: missä on vetoraudoituksen pinta-ala [mm 2 ], on poikkileikkauksen vedetyn alueen pienin leveys [mm], on tehollinen korkeus [mm]. Kaavassa (11) on betonin lieriölujuuden ominaisarvo [MPa], on suure, jonka arvo esitetään kansallisessa liitteessä; suositusarvo on Termi [MPa]lasketaan kaavalla: missä, on kuormituksen aiheuttama poikkileikkauksen normaalivoima [N], on betonipoikkileikkauksen pinta-ala [mm 2 ]. Kuitujen vaikutus leikkauskestävyyteen kaavassa (11) lasketaan kaavalla: missä on kerroin, joka ottaa huomioon laipan tuen T-poikkileikkauksessa ja lasketaan kaavalla: (11) (12) (13) (14) (15) (16) missä lasketaan kaavalla: (17) missä on laipan leveys [mm], on laipan korkeus [mm]. Teräskuitujen kasvattama leikkauskestävyyden laskenta-arvo kaavassa (15) lasketaan kaavalla:

68 68 missä, on raudoittamattoman betonin taivutusvetolujuuden ominaisarvo [MPa] ja lasketaan kaavalla: (18) (19) missä betonin vetolujuuden ominaisarvo [MPa]. Ilman kunnollista testituloksia ei saa olla suurempi kuin kaavassa, ellei suuretta ole jätetty huomioimatta. [14] Lävistyskestävyys (MRT) BY 56 ohjeen mukaan kannattaa valita laatan paksuus niin suureksi, että lävistyskestävyys täyttää vaatimukset ilman tavallista leikkausraudoitusta. Tämä johtuu siitä, että tavallisten leikkausraudoitusten käyttö vaikeuttaa laatan valua. Halkeaminen syntyminen on kuitenkin estettävä riittävällä raudoituksella ja tästä syystä voidaan joutua käyttämään vetoraudoitusta. Leikkauskestävyys tarkistetaan eurokoodin mukaisesti piirissä 2d kuormitusalueen reunasta, katso kuva 61. [14] Kuva 61. Piiri leikkauskestävyyden määrittämiselle [73] BY 56 -ohjeen lävistyskaava on saman näköinen kuin kaava (7). Laatan lävistyskestävyys [MPa] lasketaan kaavalla: [14] (20) Käyttörajatila BY 56 ohjeen mukaisessa mitoituksessa ei usein huomioida käyttörajatilaatarkasteluja kuten halkeilutarkastelu ja taipumatarkastelu. Halkeilua ei ole sallittua ja laatta suunnitellaan murtorajatilassa halkeilurajatilan mukaan, jossa tarkastetaan, että momentti käyttörajati-

69 69 lassa (mk) on pienempi tai yhtä suuri kun halkeilurajatilan momentti (mr). BY 56: n mukaan leikkausraudoittamattoman teräskuitubetonin halkeamaleveyksiä ei voida arvioida laskelmin luotettavasti ja erityisesti paalulaatan halkeamaleveyksiä ei ole mahdollista arvioida luotettavasti. Halkeamaleveyksien yhdistäminen kimmoteorian mukaisiin jännityksiin ei onnistu, kun poikkileikkauksen kestävyys ylitetään ja kuormankestävyys laskee. Paalurakenteissa halkeilu tapahtuu erityisesti paalujen päällä, jossa leikkaus ja taivutusjännitykset ovat suurimmillaan. [14] Kuitubetonisen poikkileikkauksen taipuma voidaan laskea kimmoteorian mukaan, kun oletetaan että poikkileikkaus pysyy halkeamattomana, esimerkiksi FEM-ohjelmalla. Tällöin käytetään tehollista kimmomoduulia ja otetaan huomioon viruman vaikutusta. BY 56 mainitsee että lisäraudoittamattoman teräskuitubetonin taipuma voidaan ratkaista epälineaarisella analyysillä, mutta ei anna siihen selkeää menetelmää Laskentapohja Osana diplomityötä kehitettiin BY 56 ohjeeseen perustuvaa laskentapohjaa. Laskentapohjassa voidaan nähdä, miten mitoitus suoritetaan BY 56 ohjeen mukaan, katso liite 1. Laskentapohjassa keskitytään murtorajatilatarkasteluihin. Voimasuureet määritetään lineaarisella analyysillä FEM-mallin avulla. 5.3 Uuden kuitubetoniohjeen (BY 66) mukainen pilari- tai paalulaatan mitoitus HUOM tämän luvun tiedot perustuvat kuitubetonioppaan luonnokseen versio Kuitubetonioppaan lopullinen versiota on aina seurattava, kun suunnitellaan teräskuitubetonirakenteita. Tämä luku esittää kuitubetonioppaan kaavat ja laskentamenetelmät, jota tarvitaan, kun suunnitellaan pilari- tai paalulaattoja. Opas perustuu lähinnä ruotsalaiseen standardiin SS (Fibre Concrete-Design of Fibre Concrete Structures) sekä eurokoodien kuitubetonia koskevaa liitettä laativan standardointiryhmän CEN/TC 250/SC 2/WG 1/TG2 luonnoksiin, sekä muutamia muita lähteitä soveltuvin osin. Käytettyjä lähteitä on pyritty soveltamaan suomalaisiin käytäntöihin, määräyksiin ja ohjeisiin. Ohje on tarkoitus julkaista Betoniyhdistys ry:n julkaisusarjassa. [15] Materiaaliosavarmuusluvut Teräskuitubetonirakenteiden suunnitteluohjeessa (BY 66) käytetään teräskuitubetonille samoja osavarmuuslukuja kuin tavalliselle betonille, katso taulukko 9. Tämä johtuu EN A1 standardin mukaisen palkkitestin testitulosten suuresta hajonnasta sekä siitä, että teräskuitubetonin ominaisuudet ovat suuressa määrin riippuvaisia betonin ominaisuuksista, katso luku 4.6. Taulukko 9. BY 66 ohjeluonnoksen materiaaliosavarmuusluvut [3]

70 Vaativuusluokkan määrittäminen Mitoituksen alussa määritetään rakenteen vaativuusluokka. Tässä työssä käsitellään ainoastaan paalu- ja pilarilaattoja, joten vaativuusluokka tulee tässä tapauksessa olemaan joko 2a tai 2b. Huomauttavaa on, että sekä luokassa 2a, että 2b vaaditaan tavallista tankoraudoitusta onnettomuusraudoituksena. Taulukossa 10 esitetään myös eri vaativuusluokkien sitkeysvaatimukset, esim. vaativuusluokan 2a:n sitkeysluokka tulee olla välillä b-e. Teräskuitubetonirakenteiden suunnitteluoppaassa vaaditaan sitkeysluokka d tai e, kun kuitubetonipoikkileikkauksessa käytetään pelkkiä kuituja. Sitkeysluokat näkyvät taulukossa 10. Taulukko 10. Vaativuusluokan määrittäminen BY 66 ohjeluonnoksen mukaan [3] Jäännöstaivutusvetolujuuden määrittäminen ja sitkeysvaatimukset Taulukossa 11 määritetään jäännöstaivutusvetolujuuksien luokat, jotka perustuvat SFS-EN mukaisen palkkitestiin, katso luku Taulukossa näkyvät kuitubetonin jäännöstaivutuslujuuksien fr,1 :n ja fr,3 :n minimiarvot sekä näiden välinen suhde, joka kuvaa rakenteen sitkeysluokkaa (a-e). Jäännöstaivutusvetolujuus-luokkien valinnassa kannattaa olla tarkkana koska ne vaikuttavat suureesti teräskuitubetonin lopulliseen kestävyyteen. Lihavoidulla merkityt luokat ovat saatavuuden kannalta suositeltavat luokat ja ne on suunnitteluohjeen mukaan valittu siten, että taivutusvetolujuudet voidaan saavuttaa normaaleilla betonin lujuusluokilla ja kuitumäärällä (30-50 kg/m3). Tämä riippuu kuitutyypistä ja sen ominaisuuksista. Kuitubetonin luokittelu esitetään seuraavasti: C30/37-R13,0/R33,3-d [3]

71 71 Taulukko 11. Kuitubetonin ohjeelliset jäännöstaivutusvetolujuudet BY 66 ohjeluonnoksen mukaan [3] Kuvassa 62 näkyy esimerkki standardin SFS-EN mukaisen palkkitestin saaduista kuvaajista ja ero sitkeysluokkien välillä. Kuva 62. Kuitubetonin käyttäytyminen standardin SFS-EN mukaisen palkkitestin perusteella [3] Seuraavat ehdot ovat täytettävä, teräskuitubetonin minimisitkeyden varmistamiseksi: (21) (22) missä on betonin vetolujuuden ominaisarvo, on jäännösvetolujuuskerroin. Seuraavat sitkeysehdot on myös täytettävä, jos raudoituksena käytetään pelkkää kuitua:

72 72 (23) (24) näillä ehdoilla varmistetaan kuitubetonin minimisitkeys, ja ne ovat voimassa rakenneosille joiden nimellispaksuus on enintään 400 mm Kuitubetonin ominaisjäännösvetolujuus [MPa] lasketaan kaavoilla: Kertoimien 0,45 ja 0,37 alkuperää on selitetty luvussa Mitoitusjäännösvetolujuudet [MPa] lasketaan seuraavasti: Murtorajatilassa: (25) (26) (27) (28) Käyttörajatilassa: (29) missä on kerroin, jonka avulla otetaan huomioon kuidun suuntautuminen =1,0 vaakasuoraan valettujen betonirakenteiden tapauksessa (leveys > 5 x paksuus) ja 0,5 < f muiden betonirakenteiden tapauksessa Kuitujen suuntautumisesta ja sen vaikutuksesta teräskuitubetonikapasiteettiin on selitetty luvuissa ja Pilari- ja paalulaatoille käytetään f =1,0 on muuntokerroin, jonka avulla otetaan huomioon staattisen määräämättömyyden asteen vaikutus jäännöslujuuden arvoon, katso taulukko 12. Kertoimella otetaan huomioon rasitusten uudelleenjakautuminen staattisesti määrättömissä rakenteissa. Rasitusten uudelleenjakautumisen mahdollisuus on suurempi laattarakenteilla kuin palkkirakenteilla. Rasitusten uudelleenjakautuminen teräskuitubetonilaatoissa on havaittu täyden mittakaavan kokeissa, katso luku 4.9. det arvoja BY 66 ohje- Taulukko 12. luonnoksen mukaa [3]

73 Jännitys-muodonmuutosyhteys Uudessa teräskuitubetonirakenteiden suunnitteluohjeessa (BY 66) käytettävä jännityskuvaaja voi olla joko laskevaa tai nousevaa riippuen siitä, onko teräskuitubetoni myötölujittuva tai myötöheikkenevä. Kuvaaja perustuu luvussa esitettyyn kuvaajaan pienin muutoksin. Suurin ero näkyy kohdassa ct, fctd ct, fftd,r1, jossa jännitys laskee suoraan alas sen sijaan että se laskisi lineaarisesti kuten kuvassa luvussa esitetyssä kuvaajassa. Luvussa selitetään yleisesti, miten jännitys-muodonmuutosyhteys muodostetaan ja mihin se perustuu. Kuva 63. Periaatekuva jännitys-muodonmuutosyhteydestä, jossa vetojännitys laskee lineaarisesti [3] missä pelkän betonin puristuslujuuden mitoitusarvo [MPa] pelkän betonin vetolujuuden mitoitusarvo [MPa] Luokan R1 kuitubetonin jäännösvetolujuuden mitoitusarvo [MPa]

74 74 Luokan R3 kuitubetonin jäännösvetolujuuden mitoitusarvo [MPa] Pelkän betonin murtopuristuma = 0,0035 Betonin puristuslujuutta fc vastaava puristuma kuitubetonin venymä, lasketaan kaavalla: (30) Kaava perustuu siihen, että kuitubetoni käyttäytyy kimmoisesti, kunnes jännitys ylittää betonin vetolujuutta, katso luku 4.1. on kuitubetonin kimmomoduuli. kuitubetonin murtovenymä lasketaan kaavalla: (31) missä 2,5 mm [3] karakteristinen pituus, joka kuvaa halkeaman häiriöalueen pituutta. Pituusmitta on sekavasti määritetty ohjeessa: konservatiivisena yksinkertaistuksena. joissa yksi halkeama dominoi käyttäytymistä, oletuksena on lcs = y = h (kuitubetonirakenteella taivutushalkeaman korkeus voi ulottua lähes poikkileikkauksen puristettuun reunaan asti, koska puristuspinnan korkeus voi kuitubetonirakenteella olla hyvin pieni). Sama oletus pätee laattojen kohdalla [3] Taivutuskestävyys (MRT) Ohjeluonnos BY 66 esittää kolme muodonmuutos-jännitysjakaumaa, kuitubetonileikkauksen taivutuskestävyyden määrittämiseksi, katso kuva 64. Kun taivutuskestävyys määritetään, aloitetaan valitsemalla sopivaa muodonmuutos- ja jännitysjakaumaa kolmesta eri vaihtoehdoista jotka ovat esitettyjä kuvassa 64: [3] a) Yleinen jännitysjakauma, jossa huomioidaan sekä fftd,r1 ja fftd,r3 sekä mahdollinen tavanomainen tankoraudoitus b) Yksinkertaistettu menetelmä jossa huomioidaan sekä fftd,r1 ja fftd,r3 sekä mahdollinen tavanomainen tankoraudoitus c) Yksinkertaistettu menetelmä jossa huomioidaan ainoastaan fftd,r3 sekä mahdollinen tavanomainen tankoraudoitus Yleinen jännitys jakauma kattaa myös tilanteen, jossa poikkileikkaus on raudoitettu ainoastaan kuiduilla, Ast on tällöin 0. Tarkempia laskuja varteen käytetään jännitysjakauma a, ja laskujen tarkkuus laskee, kun käytetään jännitysjakauma b tai c. Esimerkiksi jännitysjakauma c jättää korkeamman fftd,r1 arvon hyödyttämättä. Teräskuitubetonin venymä ft tulee

75 75 näissä menetelmissä rajoittaa arvoon ftu (kuitubetonin murtovenymä). Kertoimet ja määritetään eurokoodin SFS-EN mukaan. Tässä työssä lasketaan jännitysjakama a:n mukaan. [3] Kuva 64. Eri muodonmuutos- ja jännitysjakaumat halkeilleiden betonipoikkileikkausten suunnitteluun. a) yleinen jännitysjakauma sekä b) ja c) yksinkertaistettu jännitysjakauma [3] missä on tankoraudoituksessa vaikuttava voima [N] ja lasketaan kaavalla: missä on tankoraudoituksessa vaikuttava jännitys [MPa], on tankoraudoituksen pinta-ala [mm 2 ]. Tankoraudoituksen venymä lasketaan kaavalla: ja maksimivetolujuus vetoalueen uloimmassa kuidussa [MPa] lasketaan kaavalla: (32) (33) (34) Kuvassa 65 esitetään tarkemmin jännitysten ja venymien korkeus poikkileikkauksessa. Kuva 65. Tankoraudoittamattoman kuitubetonin muodonmuutos- ja jännitysjakauma [3]

76 76 Kyseisestä muodonmuutos- ja jännitysjakaumasta ratkaistaan poikkileikkauksen taivutuskestävyys voimaresultanttien avulla seuraavalla tavalla: 1) Puristuspuolen puristava voima (betoni) [N] lasketaan kaavalla: (35) missä betonin vaikuttava jännitys [MPa] lasketaan kaavalla: (36) ja betonin puristuma lasketaan kaavalla: (37) 2) Vetopuolen voimat ja (kuitubetoni) [N] sekä (mahdollinen tavallinen raudoitus) [N] lasketaan kaavoilla: (38) (39) missä venymä lasketaan kaavalla: (40) (41), on poikkileikkauksessa vaikuttava normaalivoima 3) Puristusvyöhykkeen korkeus ratkaistaan iteroimalla, jotta vaakavoimat saadaan tasapainoon ( 4) Kun vaakavoimat ovat tasapainossa ratkaistaan poikkileikkauksen taivutuskestävyys [Nmm] seuraavalla kaavalla: Koska laskentamenetelmä vaatii iterointia, kehitettiin osana työtä Excel-laskentapohja joka automaattisesti iteroi solver -funktion avulla. Laskentapohja on esitetty liitteessä 2. Tämän jälkeen on vielä varmistettava, että kuitubetoni sisältää minimiraudoitusmäärän riittävän taivutussitkeyden varmistamiseksi ja se tarkistetaan seuraavalla kaavalla: (42) (43)

77 77 missä on poikkileikkauksen vedetyn osan taivutuksessa [mm 2 ] ja vedetyn osan korkeus [mm] lasketaan kaavalla: Kaavassa (43) on kerroin, jonka avulla otetaan huomioon jännitysten jakauma poikkileikkauksessa välittömästi ennen halkeilua ja sisäisen momenttivarren muutos, eurokoodi kohta SFS-EN $ Pelkkien kuitujen käyttö onnistuu, jos seuraava ehto täyttyy: (44) [3] (45) Onnettomuusraudoitus (MRT) BY 66 ohjeluonnoksessa vaaditaan, että onnettomuusteräkset (tavallinen tankoraudoitus) sijoitetaan laattojen alapintaan täydellä jatkospituudella jatkuvan sortuman estämiseksi. Tämä koskee pilarilaattoja ja muita kantavia teräkuitubetonilaattoja. Vaadittu onnettomuusteräsmäärä [mm 2 ] määritetään kaavalla: (46) missä on onnettomuusterästen poikkileikkausala [mm 2 ] kunkin jänteen suunnassa ja on laatalta tuelle tulevan kuorman mitoitusarvo [N]. Minimionnettomuusraudoitus pilarilaatalle on 3-T16 pilaria kohden kunkin jänteen suunnassa. [3] Lävistys BY 66:n luonnos sisältää kaksi kaavaa lävistyskestävyyden määrittämiseksi. Ensimmäinen kaava käytetään kuitubetonilaatoille ja -pilarianturoille jotka sisältävät kuitubetonin lisäksi tavanomaista tankoraudoitusta: (47) missä on pyöreän pilarin halkaisija [mm]. Suorakaidepilarin tapauksessa, jossa ja ovat pilarin sivumittoja Kaava perustuu eurokoodin kaavaan leikkausraudoittamattomalle rakenteille (kohta SFS-EN ). Ainoa ero eurokoodin kaavalle on, joka huomioi kuitujen vaikutuksen. BY 66 luonnoksen toista kaavaa lävistyskestävyydelle käytetään kuitubetonisille maanvaraisille laatoille ja pilarianturoille, jotka eivät sisällä tavanomaista tankoraudoitusta: