SEPPO JUSSILA RAUDOITTAMATTOMIEN KUMILEVYLAAKEREIDEN MITOITUS TALONRAKENTAMISESSA

Transkriptio

1 I SEPPO JUSSILA RAUDOITTAMATTOMIEN KUMILEVYLAAKEREIDEN MITOITUS TALONRAKENTAMISESSA Diplomityö Tarkastaja: professori Ralf Lindberg Tarkastaja ja aihe hyväksytty Talouden ja rakentamisen tiedekuntaneuvoston kokouksessa 15. tammikuuta 2014

2

3 i TIIVISTELMÄ TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO Rakennustekniikan koulutusohjelma JUSSILA, SEPPO: Raudoittamattomien kumilevylaakereiden mitoitus talonrakentamisessa Diplomityö, 127 sivua, 22 liitesivua Huhtikuu 2014 Pääaine: Rakennesuunnittelu Tarkastaja: professori Ralf Lindberg Avainsanat: kumilevylaakeri, CR, NR, EPDM, neopreeni Yksikerroksisia kumilevylaakereita käytetään yleisesti betonielementtien liitoksissa tasauslaakereina. Lisäksi tasauslaakeri sallii pienen vaakavoiman ja kiertymän liitoksessa. Hyvin suunnitellussa ja toteutuneessa liitoksessa tukireaktion sijainti ja sen jakautumisala ovat optimaalisia. Yksikerroksisten kumilevylaakereiden mitoituksesta tekee erilaisen monikerroksisiin nähden niiden painumakäyttäytyminen. Puristettuna yksikerroksisen kumilevylaakerin ja kontaktipinnan välillä kitka osittain pettää, jolloin laakeri laajenee sivuille ja sen pinta-ala kasvaa. Lisäksi vaakavoiman rasittamassa liitoksessa tapahtuu myös aina vaakavoimasta leikkausmuodonmuutosta ja kiinnittämättömillä laakereilla luistamista samaan aikaan. Suunniteltaessa tavallista kumilevylaakeriliitosta laakerin koko mitoitetaan rajoittamalla sen painuman suuruutta ja paksuus määräytyy liitoksen vaakavoiman ja kiertymän vaikutuksesta. Mitoitettaessa kumin liukumoduuli on tyypillisesti ainoa merkittävä materiaaliparametri. Tutkimuksessa on selvitetty kumilevylaakerin toimintaa sekä kirjallisuustutkimuksen perusteella, että kokeellisen tutkimuksen perusteella. Materiaaleina kokeissa oli CR ja NR. Kokeellisessa tutkimuksessa määritettiin kumilevylaakerin kimmokertoimet erilaisilla kontaktipinnoilla ja muotokertoimilla, kumilevyn laajeneminen puristettaessa ja kitkakerroin erilaisilla kontaktipinnoilla. Mitattuja puristus-, leikkaus- ja materiaalikokeista saatuja tuloksia verrattiin laskennallisiin mitoituksessa käytettyihin kaavoihin. Tutkimuksen johtopäätöksissä todetaan standardiluonnoksessa pren :2011 ehdotettujen mitoituskaavojen, sekä norjalaisen B18 mitoitusmenetelmän, puristumalle olevan muita realistisempia suurilla puristuman arvoilla. Betonikappaleiden välissä kumin kimmokerroin on suurempi johtuen suuremmasta kitkakertoimesta. Kumilevyn laajenemisen mitoituskaavan todetaan olevan pätevä ainoastaan teräslevyjen välissä, kun taas betonin välissä laajeneminen on huomattavasti, %, pienempää. Kitkakertoimen mitoituskaava on tutkimuksen perusteella valittava kuorman vaikutusnopeuden perusteella. Leskelän mitoituskaava voisi olla mahdollinen korkealla kuormitusnopeudella ja liukumoduuliltaan jäykemmällä kumilla. Esimerkiksi tuulikuormalla kitkakertoimet ovat suurempia, kun taas matalammat kitkakerroinkäyrät sopivat hitaita kuormitusnopeuksia vastaaville pitkäaikaisille, ei kuitenkaan pysyville, kuormille. Mittaustulosten tarkastelussa havaitaan, että laakereiden mitoitukseen on mahdollista määrittää koetulosten perusteella tarkempia painuman ja laajenemisen suunnittelukaavoja, mutta nämäkin olivat CR:lle ja NR:lle erilaisia ja olosuhteita muuttamalla niistä tulisi edelleen erilaisia. Käytännön suunnitteluun tarvitaankin likimääräisiä ja yksinkertaisia suunnittelukaavoja, jotka toimivat riittävän tarkasti.

4 ii ABSTRACT TAMPERE UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Master s Degree Programme in Construction Engineering JUSSILA, SEPPO: Design of Plain Elastomeric Pads Master of Science Thesis, 127 pages, 22 Appendix pages April 2014 Major: Structural Design Examiner: Professor Ralf Lindberg Keywords: Plain elastomeric bearings, plain elastomeric pads, PEP, CR, NR, EPDM, neoprene Plain elastomeric pads are commonly used in precast-concrete connections as compensation pads. Also the compensation pad will allow small lateral force and rotation in the connection. In well-designed and executed connection the location of the reaction and the load bearing area are optimal. Designing plain elastomeric bearings differs from laminated bearings by the deflection behaviour. The friction forces between plain elastomeric pad and the contact surface will determine the amount of the deflection. The bearing will expand to the sides and the bearing area will grow. In addition in connections affected by lateral force, shear deformation will occur, and with non-anchored bearings, slipping will also occur at the same time. When designing normal elastomeric bearing connection, the size of the bearing will be determined by the amount of the deflection, and the thickness will be determined by the rotation. The shear modulus is typically the only material parameter in design. The performance of rubber bearings was examined by literature and experimental research. Materials at tests were CR and NR. Compression moduli, E c, were determined on various contact surfaces and with different shape factors. Measured results from compression, shear and material tests were compared with design values. The research found that proposed design equations in the draft standard pren :2011, as well as in Norwegian B18 design method, are more realistic at high compression strains than previous ones. Compression moduli are higher on concrete than on painted steel due to higher friction on concrete. To conclusion the design equation for lateral expansion is valid only for steel plates; for concrete lateral expansion will be considerably smaller (50 85 %). The design equation for friction coefficient should be chosen by the influence rate of the load. E.g. for wind load friction coefficients are higher while for low shear loading rates low friction coefficients are better. Leskelä's design equation may possibly be adapted for high shear loading rate and with stiffer rubber in shear. In the analysis of the test results it is found that it is possible to find more exact design equations for deflection and lateral expansion but these would be different for CR and NR and furthermore changes in circumstances would affect these equations. However for practical design, approximate, simple and sufficient design equations are needed.

5 iii ALKUSANAT Diplomityö on tehty kumilevylaakereiden suomalaiselle standardointiyöryhmälle, jonka tarkoituksena on olla mukana päivittämässä EN standardia. Tilaajana tästä ryhmästä oli Rakennusteollisuus ry:n Arto Suikka. Työn rahoittajaksi saatiin SBKsäätiö ja Betonia Oy. Työn kokeellinen osuus tehtiin Tampereen Teknillisessä Yliopistossa ja kirjallinen osuus Ramboll Finland Oy:n toimipaikoissa sekä Tampereella, että Espoossa. Työn kulkuun vaikuttaneessa ohjaustyhmässä olivat mukana Arto Suikka Rakennusteollisuus RT ry:stä, Antti Rytkönen Liikennevirastosta, Pertti Kaista Finnmap Consulting Oy:stä, Antti Niemi Teknikum Oy:stä sekä professori Ralf Lindberg Tampereen teknillisestä yliopistosta, joka toimi työn tarkastajana. Teknikum Oy oli mukana toimittamassa laakerimateriaaleja ja he auttoivat myös materiaaliominaisuuksien mittaamisessa. Parhaimmat kiitokset kaikille työn ohjausryhmään kuuluneille henkilöille, joilta sain paljon kommentteja ja neuvoja työhön. Professori Ralf Lindbergille kiitokset työhön liittyvistä kommenteista ja työn tarkastuksesta. Työn kommentoinnista kiitokset professori Matti Leskelälle ja kokeellisen osuuden puolesta TTY:n Jukka Rantalalle ja Teknikum Oy:lle. Työn rahoittajille kuuluvat myös parhaat kiitokset. Lisäksi haluan kiittää Ramboll Finland Oy:n Tapio Ahoa työn järjestämisestä ja häneltä saamistani neuvoista. Opiskelujen aikaisesta tuesta kiitokset vanhemmilleni ja sisaruksilleni. Espoossa Seppo Jussila

6 iv SISÄLLYS 1. Johdanto Tutkimuksen tausta Tutkimuksen tavoitteet Tutkimuksen rajaukset Kumilevylaakereiden materiaaliominaisuudet Kumilaadut Raaka-aineet Prosessointi Lujuusominaisuudet Kestävyys Materiaalimallit Viruma ja viskoosisuus Kumilevylaakerin toiminta ja mitoitus Yleistä Historiallinen katsaus laakerien toimintaan ja mitoitukseen Suomessa Laakerille tulevat kuormat Kuormayhdistelmät Vaakakuormat Kumilevylaakeriliitos Reunaetäisyydet Palkin pään kiertyminen Tukireaktion sijainti Rakentamistoleranssien vaikutus Kumilevylaakerin kiinnitys Laakerin muodonmuutokset ja siirtymät Kokoonpuristuvuus pystykuormasta Ryömiminen, "walking out" ilmiö Leikkausmuodonmuutokset Halkaisuvoimat ja reunan halkeilu Raportin RTL0105 mitoitusmenetelmä Kumilevylaakerin laadunvarmistus EN mukaan Yleistä Tyyppitestit Rutiinitestaus Raaka-aineiden valvonta Tarkastustestaus Suomen lainsäädäntö Kumilevylaakereiden koestukset Aikaisemmin tehdyt koestukset... 47

7 v 5.2. Koestuksen suunnittelu ja toteutus Kokeiden tavoitteet Koekappaleet Materiaaliominaisuuksien mittaukset IRHD kovuus Liukumoduuli Puristuskokeet Yleistä Koelaitteisto k slip kerroin Suorat puristuskokeet Kumilevyn laajeneminen Epäkeskiset puristuskokeet Viruma puristuksessa Kitkan ja liukuman mittaukset Tulosten yhdenmukaisuus aikaisempien tutkimustulosten kanssa Vertailulaskelmia Yhteenveto, johtopäätökset ja suositukset Yhteenveto Koetulosten yhdenmukaisuus standardiluonnoksen pren :2011 kanssa Suositukset Jatkotutkimustarpeet LÄHTEET Liite 1: Koekappaleiden mittaukset Liite 2: Teknikum NR materiaaliominaisuudet Liite 3: Teknikum CR materiaaliominaisuudet Liite 4: Etra CR -materiaaliominaisuudet Liite 5: Liukumoduulimittaukset Liite 6: Teknikum CR-betoni, karhea -kitkakertoimet Liite 7: Teknikum CR-betoni, sileä kitkakertoimet Liite 8: Teknikum CR-teräs kitkakertoimet Liite 9: Standardin EN suomalainen päivitysehdotus: CEN/TC 167/WG 1 N 365

8 vi TERMIT JA NIIDEN MÄÄRITELMÄT IRHD ShA CR EPDM NR SLS ULS International Rubber Hardness Degrees, joka käytännössä vastaa laakereiden kovuusalueella ShoreA kovuutta. ShoreA kovuus Cloroprene Rubber, kloropreeni, "neopreeni" Ethylene Propylene Diene Monomer Natural Rubber, luonnonkumi Serviceability Limit State, käyttörajatila Ultimate Limit State, murtorajatila A A a b G Laakerin kiertymä Liukuma puristusjännityksestä Liukuma leikkausjännityksestä Puristuma Kitkakerroin Puristusjännitys Leikkausjännitys Laakerin pinta-ala Laakerin redusoitu pinta-ala, joko vaakasiirtymästä tai kiertymästä Laakerin pienempi sivumitta Laakerin suurempi sivumitta Bulkkimoduuli Kimmokerroin puristuksessa Liukumoduulin suunnitteluarvo Liukumoduulin mitattu arvo k S t t Muotokerroin, jossa vaihtelevasti otetaan huomioon t tai t Muotokerroin Laakerin tehollinen paksuus t = 1,8t monikerroslaakereiden mitoituskaavoissa Laakerin paksuus u, Suurin vaakasiirtymä liittyvien pintojen välillä mitan a suunnassa kaikista suunnittelukuormista

9 1 1. JOHDANTO 1.1. Tutkimuksen tausta Raudoittamattomia kumilevylaakereita käytetään talonrakentamisessa sekä betonielementtirakenteiden, että teräsrakenteiden pilari-palkki-liitoksissa. Kumilevylaakereiden pullistumiset liitoksessa ovat aiheuttaneet aikaisemmin ongelmia. Professori Matti Leskelä on tutkinut asiaa ja kehittänyt myös päivitetyn mitoitusohjeen kirjallisuustutkimuksen ja kokeiden perusteella Rakennusteollisuus RT ry:n tilauksesta (Leskelä 2009). Raportissa esiteltyä mitoitusmenetelmää ehdotettiin myös päivityksen alla olevaan EN (pren ) standardiin, mutta sitä ei sellaisenaan otettu vastaan. CEN:n työryhmän WG167:n tehtävänä on saada päivitetty versio EN standardista, jonka edellinen versio on julkaistu vuonna Arvioitu julkistus kaikille kahdeksalle EN-1337 sarjan standardeille on vuosi Yksittäisiä saman sarjan standardeja ei julkaista erikseen ennen sitä. Siihen asti voisi olla kansallisesti käytössä tuotteen varmennustodistus, joka vastaa aikaisempaa varmennettua käyttöselostetta Tutkimuksen tavoitteet Tutkimuksen tavoitteena on saada käsitys raudoittamattoman kumilevylaakerin mitoituksesta ja toiminnasta yleisesti talonrakennuksen sovelluksissa. Laadunvalvonnan tehostamistarvetta pohditaan standardin EN asettamien vaatimusten näkökulmasta ja saatujen mittauskokemusten perusteella. Laboratoriomittausten avulla voidaan vahvistaa kumilevylaakerin mitoituksessa käytettäviä kaavoja, tai tarvittaessa sovittaa mittaustuloksia paremmin tai helpommin mitoitukseen sopiviin yhtälöihin. Toisaalta voidaan kehittää mittausmenetelmiä, joita voidaan toistaa ns. nimetyissä laitoksissa. Diplomityön tuloksia voitaneen käyttää sekä kansallisesti julkaistavassa mitoitusohjeessa, tai niillä voidaan perustella ja vahvistaa standardin EN päivitystyössä ehdotettuja muutoksia Tutkimuksen rajaukset Tässä diplomityössä tutkitaan aluksi raudoittamattomien kumilevylaakereiden materiaaliominaisuuksia, toimintaa ja mitoitusta, valmistuksen laadunvalvontaa ja lopuksi tehdään myös teoriaa tukeva kokeellinen osuus. Tässä tutkimuksessa keskitytään vain talonrakentamisen laakereihin, vaikka samoja materiaaleja ja samaa mitoitusmenetelmää voidaankin osittain käyttää myös sillanrakennuksessa.

10 2 2. KUMILEVYLAAKEREIDEN MATERIAALIOMINAISUUDET Luonnonkumin historiasta tiedetään, että kasveista saatua kumimaista nestettä on käytetty jo 2500-luvulta ekr. saakka luvulla kumista valmistettiin jalkineita ja pulloja ja lisäksi sitä käytettiin kankaan pinnoittamiseen vettä hylkiväksi. Tästä lähtien kumin tutkimus tiedemaailmassa on varsinaisesti alkanut. Kumin vulkanoinnin keksi 1839 Charles Goodyear. Synteettiset kumit tulivat markkinoille Saksassa ja Yhdysvalloissa 1930-luvulla ja niiden kehitys jatkuu edelleen luvulla keksittiin myös kloropreenikumi, josta käytettiin ja käytetään kauppanimeä Neoprene. Neopreeni oli alun perin vain tuotenimi DuPontin tuotteelle, mutta sitä käytetään vieläkin jonkin verran yleisterminä kloropreenikumille. (Nokia 1988; Laurila 2007) Kumin ominaisuuksista tärkein on sen joustavuus, eli elastisuus. Myös kumin tärinäneristysominaisuudet ovat hyviä sen viskoosisuuden ansiosta. Lisäksi kumin kitkaominaisuuksia hyödynnetään erilaisissa sovelluksissa Kumilaadut Kumilaadut voidaan jakaa luonnonkumeihin ja synteettisiin kumeihin. Kumilevylaakereissa käytetyt kumilaadut ovat NR (Natural Rubber) ja CR (Cloroprene Rubber), jotka molemmat sisältyvät myös standardiin SFS-EN Rakennelaakerit (pren ). Uusiokäytetyn kumin tai pilalle vulkanoidun kumin käyttö kumilevylaakereissa on kielletty. Kumilevylaakereita valmistetaan myös edullisemmasta EPDM materiaalista (ESZ -brochure ). Natural Rubber - luonnonkumi Luonnonkumista on valmistettu esineitä satojen vuosien ajan. Sen käyttölämpötila-alue on C, joten sillä on hyvät ominaisuudet myös kylmissä olosuhteissa (Davey 1964). Käyttölämpötilarajojen ala- ja ylärajat vaihtelevat jonkin verran, sillä kumi kestää lyhytaikaisesti äärimmäisiä lämpötiloja, mutta pitkäaikaisesti maltillisempia lämpötiloja ja toisaalta luonnonkumin osuudet vaihtelevat käytetyissä kumiseoksissa. Luonnonkumi on hyvin kimmoista. Sillä on suuri venyvyys, sekä hyvä kulumiskestävyys. Murtovenymä voi olla jopa 800 %. Vetolujuus vaihtelee 0-28 MPa välillä. Luonnonkumin suurimman kiteytymisnopeuden lämpötila on -25 C.

11 3 Luonnonkumista valmistettujen tuotteiden kovuudet vaihtelevat välillä BS tai ShA riippuen kovettavien lisäaineiden määrästä seoksessa (Davey 1964). Luonnonkumi ei kestä hapettavia olosuhteita, oljyjä tai liuottimia. Hintatasoltaan luonnonkumi on edullista elastomeerilaatua ja se on myös eniten käytetty elastomeeri maailmassa. Cloroprene Rubber - kloropreenikumi Kloropreenikumi on noin 80 vuotta vanha keksintö. Sen käyttölämpötila-alue on C ja suurimman kiteytymisnopeuden lämpötila on -10 C. Kloropreeni on roiskeöljynkestävää kumia, jolla on myös hyvä otsonin ja säänkestävyys. Kiteytymisilmiö haittaa toimintaa alhaisissa lämpötiloissa. Yleisiä käyttökohteita ovat mm. säänkestävät tiivisteet, kuljetus- ja kiilahihnat, sekä erilaiset tärinäneristimet ja tasauslevyt. (Nokia 1988) Kloropreenikumista valmistettujen tuotteiden kovuudet vaihtelevat välillä BS (Davey 1964). Kloropreenista valmistettujen kumilevylaakereiden hinta on n. 30 % kalliimpaa maaliskuussa 2013, kuin luonnonkumista valmistettujen (Niemi 2013). EPDM EPDM on säänkestävää erikoiskumia, joka on kuitenkin edullista. Happi ja otsoni eivät siihen juuri vaikuta ja siten suojaustarve on vähäisempää Raaka-aineet Polymeerit Yleisin polymeeri kumituotteissa on luonnonkumi. Luonnonkumin raakakumi, kautsu, valmistetaan trooppisten puulajien maitiaisnesteestä, lateksista, ja se on uusiutuvaa raaka-ainetta. Kumipuista (Hevea brasiliens) valutetaan juoksevaa lateksia, joka saostetaan esimerkiksi muurahaishapolla kautsuksi. Maailman suurimmat luonnonkumin tuottajat ovat Thaimaa, Indonesia ja Malesia, jotka yhdessä tuottavat 80 % maailman kulutuksesta. Vuonna 2011 luonnonkumia tuotettiin n. 15,1 miljoonaa tonnia, kun taas synteettisiä kumeja tuotettiin yhteensä n. 11 miljoonaa tonnia. (International Rubber Study Group) Synteettinen kumi keksittiin Saksassa 1900-luvun alkupuolella. Sitä voidaan valmistaa useista erilaisista raaka-aineista ja suosituimmat raaka-aineet ovat maaöljy ja silikonit. Seosaineet Seosaineita käytetään suurina pitoisuuksina ja ne muokkaavat voimakkaasti mekaanisia ominaisuuksia. Tärkeimmät seosaineet ovat täyteaineista noki ja mineraalit, joilla säädellään lujuutta, hintaa ja jäykkyyttä, sekä öljymäiset pehmitinaineet, joilla

12 4 säädellään jäykkyyttä ja hintaa. Lisäksi on muita seosaineita, kuten katkokuituja ja verkkoutusaineita, joilla voidaan säätää jäykkyyttä. (Nokia 1988) Lisäaineet Lisäaineita käytetään pieninä pitoisuuksina ja ne parantavat oleellisesti jotain erikoisominaisuutta. Lisäaineet voidaan jakaa ryhmiin: suoja-aineet kiihdyttimet sekoittumista edistävät välittäjäaineet solustusaineet muut lisäaineet. Suoja-aineilla parannetaan lämmön-, UV-säteilyn-, väsymisen- ja hydrolyysinkestävyyttä. Kiihdyttimillä vaikutetaan kumin verkkoutumiseen ja ketjunkasvuun. (Nokia 1988) 2.3. Prosessointi Kumisekoituksen valmistus tehdään reseptillä, jossa on määritelty tarvittavat raakaaineet ja niiden määrät. Raaka-aineet punnitaan ja sekoitetaan homogeeniseksi massaksi, jonka lämpötila usein nousee sekoituksen kehittäessä lämpöä. Sekoitusvaiheen lopuksi valmis kumisekoitus voidaan muokata levyksi tai nauhaksi. (Laurila 2007) Valmiiksi sekoitettua kumisekoitusta voidaan työstää erilaisilla menetelmillä: suulakepuristus, kalanterointi ja muottiin valaminen. Ohuet kumilevylaakerit, 5 10 mm, voidaan valmistaa kalanteroimalla, jossa 3-6 telaa pyörivät toisiaan vasten ja muokkaavat niiden väliin syötetyn kumisekoituksen tasaiseksi levyksi. Muottitekniikalla kumiseoksesta voidaan valmistaa paksumpia, mm, tuotteita. (Laurila 2007) Vulkanointi on valmistusprosessin osa, jossa kumisekoitusta käsitellään usein lämmön, paineen ja vulkanointiaineen avulla, jolloin kumista saadaan elastista materiaalia siihen muodostuneen kolmiulotteisen verkon avulla. Kemiallisesti molekyylien välille muodostuu ristisiltoja. Kumituotteen ominaisuudet riippuvat elastomeerilaadun lisäksi ristisilloituksen tiheydestä ja laadusta. (Laurila 2007)

13 5 Raaka-aineet Sekoituksen valmistus Työstö Vulkanointi Viimeistely Tuote Kuva2.1.Prosessoinninvaiheet.(Nokia1988) Viimeistelyvaiheessa tuotteesta poistetaan mahdolliset purseet. Kumilevylaakereiden leikkaaminen voidaan tehdä erilaisilla leikkureilla tai puukolla. Puukolla leikatessa sivumittojen leikkaustarkkuus on millimetrejä, mutta tarkemmilla leikkausmenetelmillä, kuten vesileikkauksella, voidaan päästä millimetrin kymmenesosien tarkkuuteen Lujuusominaisuudet Kumin poissonin luku on hieman alle 0,5, mikä tarkoittaa että kumi on lähes kokoonpuristumatonta (fib 2008). Tarkan arvon luonnonkumin poissonin luvulle mittasivat Anderson, Mott et al. (2003) ja he saivat sen arvoksi = 0,4999. Kumin kovuus Kovuuden mittaus tehdään eri menetelmillä, joille on yhteistä, että kumia vasten painetaan neulamaista kärkeä tietyllä voimalla määrätty aika jolloin painuman suuruus kertoo kumin kovuuden. Kumin kovuudella on yhteys sen kimmokertoimeen kumin ollessa täysin elastista ja isotrooppista materiaalia. Vulkanoitu puhdas kumi täyttää lähes nämä vaatimukset ja filleripitoisuuden kasvaessa tämä yhteys heikkenee. (Davey 1964) Kumilevylaakereissa useimmin kumin pintakovuus vaihtelee välillä ShoreA. Kovuus lisääntyy huomattavasti alhaisissa lämpötiloissa, mikä tarkoittaa myös sitä, että kumin liukumoduulikin on erittäin herkkä lämpötilan muuttumiselle (kuva 2.2). (Vinje 1985; Eggert & Kauschke 2002; Sallinen 1965; Design of Neoprene Bearing Pads 1959).

14 6 Kuva2.2.KuminShA-kovuudenriippuvuuslämpötilasta.(Sallinen1965) Kumin liukumoduuli Kumin liukumoduuli on suunnittelun tärkein lujuusparametri, vaikka mikään ei estäisikään käyttää kumin kimmokerrointa ja ottamalla huomioon kimmokertoimen sekä liukumoduulin välinen suhde (E3 4G). Kumiseoksen liukumoduulia voidaan muokata säätämällä täyteaineiden, fillerin, määrää ja suhteita seoksessa. Kumista mitatun liukumoduulin tarkkuus kumin valmistusvaiheessa on mahdollista saada pysymään % tarkkuudessa. EN standardin vaatimus mitatun liukumoduulin vaihteluvälille on 60 IRHD-kovuudelle 16 % tarkkuus, vaatimuksen ollessa = 0,9 ± 0,15, 50 IRHD-kovuudelle = 0,7 ± 0,10 ja 70 IRHD-kovuudelle = 1,15 ± 0,20. Monesti kumin kovuutta pyritään käyttämään kumin teknisenä arvona, koska sen mittaaminen on huomattavasti nopeampaa ja yksinkertaisempaa kuin liukumoduulin. Kahden eri valmistajan valmistamalla kumilla, joilla on sama kovuus, ei kuitenkaan ole samaa liukumoduulin arvoa, sillä liukumoduuli on riippuvainen kumiseoksen kemiallisista yhdisteistä. Lisäksi kumin kovuuden mittauksessa mitatun kovuuden tarkkuus voidaan määrittää noin 5 yksikön tarkkuudella, josta seuraa kumin liukumoduuliin % vaihteluväli. Tämän johdosta kumin teknisenä arvona suositellaan useissa tutkimuksissa käytettäväksi kumin liukumoduulia sen kovuuden sijaan. EN standardissa laakerin kovuudelle annetaan ainoastaan ohjearvo ja varsinaisena lujuusparametrina käytetään liukumoduulia. Liukumoduulin arvo voidaan mitata standardin ISO1827:2011 mukaisesti. (Arditzoglou et al. 1995; pren ) Liukumoduulin suunnittelussa käytetyt arvot vaihtelevat 0,6 2,2 MPa välillä kovuudesta ja lähteestä riippuen. Liukumoduuli vaihtelee kovuudesta riippuen ja niiden

15 7 välille on lähteissä esitetty taulukoita ja kaavoja. (Menderes & Konter 1999) esittää käytettäväksi kaavaa () = 0,086 1,045, (1) (Leskelä 2009) muokkaisi edellistä kaavaa muotoon () = 0,07 1,045, (2) missä on kovuus ShA-asteikolla, josta saadaan laskettua eri kovuuksille liukumoduulin arvot (50) = 0,63, (3) (60) = 0,98, (4) (70) = 1,52. (5) EN :2005 mukaan liukumoduulit vastaavat IRHD kovuuksia vain ohjeellisesti = 0,7 ---> 50 ± 5 IRHD (6) = 0,9 ---> 60 ± 5 IRHD (7) = 1,15 ---> 70 ± 5 IRHD (8) Vaikka suhde esitetäänkin tarkkana kaavoissa (1) ja (2), niin sen vaihteluväli on materiaalin ominaisuuksista riippuva. Kaavan (2) antamat arvot sopivat taulukon 2.1 Leskelän esittämään vaihteluväliin, mutta EN mukaan liukumoduulin arvot ovat 70 ShoreA kovuudella pienempiä kuin kaavalla (2) lasketut. Taulukko2.1.Kuminkovuus,liukumoduulinvaihteluvälijavirumapuristuksessa. (AASHTO2012;Leskelä2009;prEN ) Kumin kovuus (Shore A) Liukumoduuli (MPa), T=20 C (Leskelä 2009) 0,60 0,77 0,85 1,1 1,2 1,8 Liukumoduuli (MPa), T=23 C (AASHTO 2012) 0,66 0,90 0,90 1,4 1,4 2,1 Liukumoduuli (MPa), T=23 C (EN ) 0,60 0,80 0,75 1,1 0,95 1,35 Pitkäaikainen vuotta, % hetkellisestä painumasta 25 % 35 % 45 % Lämpötilan vaikutus liukumoduuliin Liukumoduuli on erittäin riippuvainen lämpötilasta. Kylmissä olosuhteissa kumi kiteytyy, jolloin se jäykistyy voimakkaasti ja tämä kasvattaa liukumoduulia kertaiseksi. Vertailulämpötila liukumoduulille on kuvaajissa 20 C. Esimerkiksi -20 C lämpötilassa kumin liukumoduuli on noin 1,4 -kertainen, sen suunnitteluarvoon verrattuna. (Arditzoglou et al. 1995; Vinje 1985; Rahlwes 1981; B ; Eggert & Kauschke 2002) Lämpötilan vaikutuksesta voidaan laskea seuraava esimerkki (60) = 0,9, (9) (60) 1,4 0,9 = 1,26, (vastaa 68 ShA) (10) (60) 1,7 0,9 = 1,53, (vastaa 72 ShA) (11)

16 8 Kuva2.3.LiukumoduulinriippuvuuslämpötilastaNorjalaisessa mitoitusmenetelmässä.kuvastaluetaanyhteys (B182012, MetricDesignManual1982,Rahlwes1981). Puristusjännityksen vaikutusta liukumoduuliin on tutkittu huomattavasti. Laakereille tehdyissä kuormituskokeissa on todettu, että puristusjännityksen muuttumisella on vähäinen vaikutus liukumoduuliin, kun leikkausmuodonmuutosta pidettiin vakiona. Lisäksi muotokertoimen vaikutusta liukumoduuliin ei kokeellisesti löydetty. (Arditzoglou et al. 1995; E.I. du Pont de Nemours and Company 1983; Porter & Meinecke 1980) Liukumoduulin mittaus standardin mukaisesta koekappaleesta vs. laakerista Yleensä liukumoduulin mittaus tehdään standardin mukaisesta koekappaleesta, mutta leikkausrasitetuiden laakereiden suunnittelussa se on tarkoituksenmukaista määrittää puristusjännityksen alaisesta laakerista mitattuna. Puristusjännityksen alaisena laakerin muodonmuutos ei ole puhdasta leikkausmuodonmuutosta, joten siitä mitattu liukumoduulin arvo poikkeaa standardin ISO 1827 mukaisesta mittauksesta. (pren ) Kuormitusnopeudella on myös vaikutusta liukumoduulin arvoon. Kuitenkin kuormitusnopeuden vaikutuksen todetaan olevan käytännössä vähäinen, sillä kuormituksen taajuus on yleensä vähemmän kuin 3 Hz. (pren ) Kumin kovuuden ja muiden mekaanisten ominaisuuksien riippuvuudet Materiaaliominaisuuksia tutkimalla on löydetty yhteyksiä kumin kovuudelle, kimmokertoimelle ja liukumoduulille. Yleisesti kumin teknisenä arvona ilmoitetaan kumin kovuuden arvo.

17 9 Kumiseoksen filleripitoisuus vaikuttaa sen elastisuuteen. Vähäinen filleripitoisuus tuottaa hyvin elastista, pehmeää, kumia, jolla yhteys E=3G on voimassa. Suuri filleripitoisuus sen sijaan vähentää kumin elastisuutta ja lisää jäykkyyttä, jolloin yhteys E=4G on lähempänä (Arditzoglou et al. 1995). Kumin kimmokerroin on mahdollista määrittää vetokokeella (kuva 2.4) ja suurilla venymillä, mutta puristuskokeessa kumin puristuskimmokerroin on huomattavasti erilainen ja riippuvainen monista tekijöistä EN Annex J: Modulus of Elasticity, E E [MPa] G nom [MPa] Modulus of Elasticity Polyn. (Modulus of Elasticity) y = x x R² = 1 Kuva2.4.Kuminkimmokerroinmonikerroslaakereidenpainumanlaskentaan suhteessaliukumoduuliin(pren ). Kontaktipinnoistaan sidotun kumilevyn puristuskimmokertoimen käyttäytyminen ei ole yksinkertaista. Tarkimmin puristuskimmokerroin voidaan määrittää ympyrän muotoisille laakereille, sillä suorakaiteenmuotoisissa laakereissa nurkista aiheutuu häiriöitä. Käytännössä kumin puristuskimmokerroin on aina riippuvainen sen muotokertoimesta ja jostakin materiaalin lujuusparametrista (liukumoduuli, kimmokerroin, bulkkimoduuli, poissonin luku) (Anderson et al. 2003). Kontaktipinnoissa vapaasti muotoutuvan kumilevyn puristuskimmokerroin on edellistä monimutkaisempi, sillä se riippuu edellisten lisäksi pintojen välisestä kitkakertoimesta ja kontaktipinnassa luistavan alan suhteesta luistamattomaan alaan (Lindley 1979; Kelly & Konstantinidis 2009; Bakirzis & Lindley 1970).

18 Kestävyys Vanhenemisen kestävyys Kumin sallittu maksimikäyttölämpötila määräytyy sen vanhenemisen kestävyyden perusteella. Maksimikäyttölämpötilan yläpuolella kumi kovettuu ja heikentyy ajan myöden. Otsoninkestävyys Ilmakehän otsoni rasittaa kumilevylaakereita ja erityisesti luonnonkumista valmistetut laakerit ovat alttiita otsonin aiheuttamalla hajoamiselle. Tätä ominaisuutta parannetaan sekoittamalla suoja-aineita, vahoja, kumiin sekoitusvaiheessa. (Muscarella & Yura 1995) Luonnonkumin otsoninkestävyys on huomattavasti heikompaa, kuin kloropreenin. Vuonna 1961 AASHO:n ohjeet olettavat luonnonkumin otsoninkestävyyden olevan vain 1/8 kloropreenin kestävyydestä. Luonnonkumin otsoninkestävyyttä parannetaan usein lisäaineilla. Kiteytyminen ja lasittuminen Kylmässä kumin kiteytyminen on erityisesti ongelmallista kloropreenista valmistetuille laakereille, mutta sitä tapahtuu myös luonnonkumista valmistetuille. Kiteytymisen voimakkuus ja nopeus ovat ajasta riippuvia ilmiöitä. Lisäksi kiteytymisnopeus riippuu käytetystä elastomeerista. Standardin EN mukaan sen materiaalivaatimukset täyttävät laakerit ovat käyttökelpoisia suurimmassa osassa Eurooppaa, mutta keskilämpötilan laskiessa alle -10 C yli kuuden viikon ajaksi, tulee tehdä matalan lämpötilan koestuksia tai pyytää asiantuntijalta neuvoa. (pren ) Lasittuminen on ajasta riippumaton ilmiö. Kun lämpötila laskee lasittumislämpötilan, T g, alapuolelle, niin kumin jäykkyys voi olla jopa 1000-kertainen elastiseen tilaan verrattuna (kuva 2.5).

19 11 Kuva2.5.VulkanoidunkumindynaaminenmoduuliE*täydelläviivallapiirrettynä jahäviökerrointankatkoviivallapiirrettynälämpötilanfunktiona.(nokia1988) Kumi palautuu takaisin elastiseksi, kun lämpötila nousee yli lasittumislämpötilan Materiaalimallit Elastisuus ja viskoosisuus Elastisuus on kumin ainutlaatuinen ominaisuus. Käytännössä kumia voi nopeasti venyttää jopa 1000 % ja tämän jälkeen kumi palautuu lähes alkuperäisiin mittoihinsa. Kumin elastisuuden katsotaan johtuvan kolmesta ominaisuudesta: erityisestä molekyylirakenteesta, epäsymmetrisyydestä ja sidosten vapaasta kiertymisestä. Kumissa käytetyn elastomeerin molekyylit ovat pitkiä ketjuja, jotka ovat paikoitellen sidottuja toisiinsa. Siteiden liikkuminen on mahdollista, mutta se on lämpötilariippuvaista. Kylmässä siteiden mahdollinen liike on jäykempää, jolloin elastisuus vähenee. Lisäksi polymeeriketjujen lämpöliikkeet ovat yhteydessä muodonmuutosnopeuteen; nopeassa muodonmuutoksessa kumin molekyyliketjujen lämpöliikkeillä on vähemmän aikaa mukautua uuteen tasapainotilaan, jolloin kumi käyttäytyy jäykemmin, kuin hitaammassa muodonmuutosrasituksessa. Tästä kumin viskoelastisesta luonteesta johtuen kumin kimmokerroinkin (tai liukumoduuli) on ajasta riippuva E(t) (tai G(t)), joka vakiokuormituksella lähenee staattista vakioarvoa E (tai G). (Laurila 2007) Kuvassa 2.6 on kolme erilaista kumin viskoelastisuutta kuvaavaa mallia. Malleista voidaan kirjoittaa konstitutiiviset differentiaaliyhtälöt ja ratkaista ne systeemin reunaehtojen avulla. Differentiaaliyhtälön ratkaisuna saadaan ajasta riippuva jännitysvenymäyhteys systeemille.

20 12 Kuva2.6.Kuminviskoelastisuudenkuvaamisenmallejajousi-mäntä-yhdistelmillä. Kunt=0kappaleeseenaiheutetaanjännitysjahetkit0onjännityksen poistumishetki.kelvininmallissarinnakkainkytkettyjousipalauttaavenymän takaisinkokonaan,kuntaasmaxwellinjaburgerinmalleissasarjaankytketyt männätaiheuttavatlopputilanteeseenpysyvänjäännösvenymän.(laurila2007) Häviökerroin Häviökerroin kuvaa vaimennuksen määrää kuormituksen vasteessa. Häviökerrointa kuvataan mallilla, jossa kumia rasitetaan siniaallon muotoisella kuormituksella ja piirtämällä voima ja siirtymä samaan kuvaajaan amplitudit yhtä suuriksi skaalattuina. Kuvaajat ovat samanmuotoisia, mutta niiden välillä on vaihe-ero, jota kutsutaan häviökulmaksi (kuva 2.7). Häviökulman tangenttia, tan (), kutsutaan häviökertoimeksi (kuva 2.8.). Kuva2.7.Voimanjasiirtymänvaihe-eroakutsutaanhäviökulmaksi.(Laurila2007) Kuva2.8.HäviökulmahäviömoduuliG'',dynaaminenmoduuliG*ja varastomoduulig'.häviökertoimeksisanotaansuurettatang''/g'.(laurila 2007)

21 13 Häviökertoimen suuruus kuvaa viskoosisuuden määrää. Muodonmuutosnopeudella on sitä suurempi vaikutus kumin käyttäytymiseen, mitä suurempi häviökerroin kumilla on Viruma ja viskoosisuus Kumin materiaaliominaisuuksien mittaamiseen kuuluu "Compression set"-mittaus. Sitä mitataan juuri viskoosisuuden takia. Kumi puristuu pysyvästi kasaan puristettaessa vakiojännityksellä. Viskoosisuuden suuruuteen vaikuttavia tekijöitä ovat sekoituksen ominaisuudet, puristusjännitys, lämpötila ja kappaleen muoto. Compression setmittauksessa EN :n mukaan tulee käyttää ISO 815-standardin menetelmää, jossa standardisoitua sylinterimäistä = 29 koekappaletta pidetään 2470:ssa. Tämän jälkeen 30 minuutin kuluttua mitataan koekappaleen paksuuden kokoonpuristuma, jolle on asetettu rajoiksi Luonnonkumi on siis selvästi viskoosisempaa kuin kloropreeni. DuPont on tutkinut 1959 kumin virumaa kokeellisesti 10 vuoden mittauksella. Kokeen johtopäätöksissä todettiin, että käytännössä koko viruma on jo muodostunut ensimmäisten 100 päivän aikana ja suurin osa virumasta on muodostunut jo ensimmäisten 10 päivän aikana. Puristusjännityksen maksimiarvona on käytetty 7 MPa. (Design of Neoprene Bearing Pads 1959) Kuva2.9.Painumalisävirumastakymmenessävuodessa(DesignofNeoprene BearingPads1959).SamojaarvojakäytetäänedelleenYhdysvalloissasiinä tapauksessa,ettävirumaaeiolekyseiselleseokselleerikseenmääritetty(taulukko 2.1). Saksalainen laakerivalmistaja ESZ ilmoittaa CR:sta valmistamalleen ESZ Type ShA laakerille virumaluvuksi vain 8,6 %, kun DuPontin kokeellisesti samalle kovuudelle mitattiin % painumalisä virumasta. Ero johtuu todennäköisesti erilaisesta kuormitustavasta.

22 14 AASHTO:n (2012) mitoitusmenetelmän mukaan kumin viruma otetaan huomioon joko valmistajan ilmoittaman virumaluvun avulla, ja jos sitä ei ole saatavilla, niin sitten voidaan käyttää taulukon 2.1 arvoja. AASHTO:n (2012) puristusjännityksen maksimiarvona käytetään kokonaiskuormille min(1,00; 5,5). AASHTO:n (2012) mukaan pitkäaikaisen pystysuuntaisen kokoonpuristuman huomiointi, jossa viruma on mukana, saadaan pysyville kuormille painumaksi = +, (12) missä on pysyvien kuormien aiheuttama kokoonpuristuma on viruman aiheuttama kokoonpuristuma jaettuna pysyvien kuormien aiheuttamalla hetkellisellä kokoonpuristumalla. :n arvot saadaan mittaustulosten puuttuessa taulukosta 2.1. EN :2005:ssä ei ole otettu virumaa huomioon virumaluvun avulla. Siinä on kuitenkin jäännöspuristumalle (Compression set) vaatimus, joka rajoittaa standarditestauksessa vanhennetun koekappaleen puristuman 15 % CR /30 % NR. Koska viruma vaikuttaa painuman suuruuteen, niin sen voisi myös sisällyttää suoraan pitkäaikaisen painuman laskentakaavaan liukumoduulin yhteyteen kaavalla ;, = 2,5,, (13) + 2,0, missä on virumaluku.

23 15 3. KUMILEVYLAAKERIN TOIMINTA JA MITOITUS 3.1. Yleistä Kumilevylaakeri toimii liitoksessa tasauslevynä, eli se pienentää jännityshuippuja liitettävien osien väleillä. Ohut kumilevylaakeri (t=5mm) pienentää jännityshuippuja ja sallii mitoituksessa hyvin suuria puristusjännityksen arvoja. Sen sijaan ohuen laakerin kiertymäkyky ja vaakavoimien välityskyky on rajoitettua verrattuna paksumpiin laakereihin. Laakerin paksuuden kasvaessa sen kuormankantokyky pienenee puristuman kasvaessa ja kiertymäkyky kasvaa. Myös laakerin a-mitalla, joka on mitta tuettavan rakenteen pituussuunnassa, on suuri vaikutus laakerin kiertymäkykyyn. Kumilevylaakerin suositeltavat paksuudet ovat yleensä 6 10 mm välillä. (B ; Leskelä 2009; Vinje 1985) Valinta luonnonkumin ja kloropreenin väliltä Kumilevylaakereiden valmistajat suosittelevat luonnonkumilaakereita seismisiin, dynaamisiin ja matalan lämpötilan olosuhteisiin. Kloropreenistä valmistetuilla laakereilla on sen sijaan paremmat vanhenemisenkesto-ominaisuudet. Kloropreenin ja luonnonkumin parhaat ominaisuudet yhdistyvät laakerissa, jossa laakerin runko on tehty luonnonkumista ja uloin kerros on kloropreenistä, mutta ne tulisi myös vulkanoida samaan aikaan. (pren ; Niemi 2013) 3.2. Historiallinen katsaus laakerien toimintaan ja mitoitukseen Suomessa Kumilevylaakereihin liittyvät ongelmat ovat olleet Suomessa vähäisiä. Sekä CR- että NR-laakereita on Suomessa käytetty ja lisäksi EPDM:stä valmistettuja, joissa on edullisempi hinta. Kloropreenista valmistetut ovat kalleimpia. Kumia myyvät jälleenmyyntiliikkeet tarjoavat vain halvempia kumisekoituksia, missä on SBR:ää sekoitettu kloropreeniin tai luonnonkumiin. Tällaiset sekoitukset eivät täyttäneet kaikkia EN Taulukon 1 vaatimuksia, usein juuri vetolujuuden ja viruman suhteen. Laakereiden toimimattomuutta on esiintynyt tapauksissa, joissa jännitetty rakenne on suunniteltu mitoituskuormalle, jota ei todellisuudessa ole pitkäaikaisessa käytössä tullut jolloin tuettava rakenne on taipunut ylöspäin niin paljon, että alla oleva kumilevylaakeri on paljastunut ja kontaktipinta on siirtynyt jopa kokonaan pois laakerin päältä. Myös

24 16 "kulutuskumin" tai "rautakauppakumin" käytöstä ilmeneviä ongelmia on tapahtunut liittyen kumin huonoon vanhenemisen kestoon ja varsinkin ulkotiloissa tapahtuneeseen kumin jäykistymiseen ja siitä seuranneeseen murtumiseen. TVH 1979 Tie- ja vesirakennushallituksen julkaisema päivitetty Kumilevylaakerien suunnitteluohje julkaistiin Ohjeessa käsitellään sillanrakennuksessa käytettyjä raudoitettujen kumilevylaakereiden mitoitusta ja niille asetettavia vaatimuksia. Sallitut jännitykset ohjeen mukaan esitetään taulukossa 3.1 ja kitkakertoimen arvot taulukossa 3.2. Taulukko3.1.Keskimääräisenpuristusjännityksensallitutarvot (Kumilevylaakeriensuunnittelu1979). Laakerin pienempi sivumitta a [mm] sall [MN/m 2 ] Taulukko3.2.Sallitutkitkakertoimienarvot(Kumilevylaakeriensuunnittelu1979). Kuormayhdistelmän muodostavat kuormat: Jarru-, keskipako-, sivusysäysja tuulikuormat µ =2 =10 =14 MN/m 2 MN/m 2 MN/m 2 0,30 0,14 0,10 Kaikki mahdolliset kuormat 0,46 0,30 0,22 Väliarvot suoraviivaisella interpoloinnilla. Runko-BES 1992 Runko-BES:n mukaisessa mitoituksessa (SBK 1992) puristusjännityksen arvo rajoitettiin 10 MPa:n jännitykseen kumilaadusta ja kovuudesta riippumatta. Kokoonpuristuvaa rajoitettiin 15 %:iin. Runko-BES:n mukaisessa mitoituksessa käytetään lähteen (Rejcha 1964) mukaan kokoonpuristumalle ja leikkausjännitykselle kontaktipinnoistaan sidotun laakerin mitoituskaavoja (laminated bearing, monikerroslaakeri). Rejcha johtaa Fourier-sarjojen avulla laakerin mitoituksessa käytetyt yhtälöt niiden tasapainoyhtälöistä. Raudoittamattomille kumilevylaakereille on Rejchan mukaan syytä käyttää matalia jännitystasoja (n. 7 MPa) ja ohutta kerrospaksuutta luistamisen ja kumin leikkausjännitysten pienentämiseksi.

25 17 Kuva3.1.Runko-BES:nmukaanmitoitettaessakuormaarajoittavatsuoratsall=10 MPajamax=15onpiirrettykuvaan. Taulukko3.3.Kitkakertoimen(betoni-kumi)arvot(SBK1992). kuormitus [MPa] jarruvoima, tuuli, lämpöliik. 0,30 0,26 0,22 0,19 0,15 edelliset + esijänn. kutist. viruma 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 EN :2005 Uusin EN :2005 standardi rajoittaa jännityksiä kumilaadusta riippuen, mutta sen sallimat jännitykset ovat huomattavan konservatiivisia. Tämä standardi on tehty sillanrakennuksen sovelluksiin, joissa esiintyy dynaamisia kuormia. Esimerkiksi 60 ShA kovuuden kumille sallitaan SLS:ssa puristusjännitystä 4,5 MPa. Näin matalasta jännitystasosta aiheutuu mitoituksessa merkittäviä ongelmia, koska se johtaa tukipintojen kasvattamiseen.

26 18 Kuva3.2.EN vs.2011mitoituksenerot.Kuormaarajoittavatsuorat onpiirrettykuvaan. BY ja 2008 BY210:n mitoitusohjeesta julkaistiin kaksi versiota. Ensimmäinen 2005, joka perustui kontaktipinnoistaan sidottujen kumilevyjen painumakäyttäytymiseen. Tämä oletus oli väärin ja johti mitoituksessa liian paksujen kumilevyjen käyttöön, jotka eivät todellisuudessa olleet riittävän jäykkiä kontaktipinnassa tapahtuneen luistamisen takia. Toinen vuonna 2008 ilmestynyt mitoitusohje perustui osittain Runko-BES:n lähteeseen (Rejcha 1964) ja osittain kokeelliseen tutkimukseen ja se korjasi edellisen mitoitusohjeen menetelmän. Raportti RTL ja 2009 Vuodesta 2008 laakereiden mitoituksessa on ollut käytössä kansallinen RTL raporttiin perustuva mitoitusmenetelmä, jossa on ensimmäistä kertaa otettu huomioon laakerin kiertymän vaikutus sen kantokykyyn. Kiertymän vaikutus laakerin kantokykyyn on melko herkkä, mutta sen mitoitusperusteet ja kokeelliset vahvistukset mitoituskaavan toimivuudeksi tulisi pyrkiä selvittämään. Niitä käsitellään tämän työn kokeellisessa osuudessa. Reunaetäisyydet Reunaetäisyyksien laiminlyönneistä aiheutuneet ongelmat eivät ole olleet suuria. Mahdollisesti tämä on johtunut siitä, että jännitystasot ovat olleet alhaisia. Tähän asiaan on syytä kiinnittää huomiota suunnittelussa, jos jännitystasoja merkittävästi kasvatetaan.

27 19 Kuva3.3Reunaetäisyyksilläotetaanhuomioonkuminlaajenemista.Tässäkuvassa parkkihallinpilari-palkki-liitoksessaeihavaittulaajenemista,mutteimyöskään reunaetäisyyttä.reunojenhalkeiluaeisiltiesiintynyt Laakerille tulevat kuormat Talonrakennuksen sovelluksissa kuormat ovat pääasiassa staattisia. Staattisten kuormien ja dynaamisten kuormien erilaiset vaikutukset kumin jäykkyyteen ovat huomattavia. Kumin dynaaminen liukumoduuli on noin 1,5 2,5 kertaa staattisen liukumoduulin arvo. (Eggert & Kauschke 2002; Leskelä 2009) Kuormayhdistelmät Murtorajatilassa hyötykuormien osavarmuuskertoimet ja kuormitusyhdistelmät saadaan mitoituskaavasta (14). Kaavan (14) ilmaisu tarkoittaa, että kuormien yhdistelmänä käytetään epäedullisempaa kahdesta lausekkeesta. (SFS-EN A1 + AC + NA 2006). 1,15, + 0,9, + 1,5, + 1,5,, 1,35, + 0,9, (14) Käyttörajatilassa EN :ssä on kolme erilaista kuormitusyhdistelmää: ominaisyhdistelmä, tavallinen yhdistelmä ja pitkäaikaisyhdistelmä. Ominaisyhdistelmä on käyttörajatilan yhdistelmistä varmimmalla puolella ja antaa suurimman mitoituskuorman kaavasta G, + P + Q, +, Q,. (15)

28 20 Ominaisyhdistelmän ja tavallisen yhdistelmän erona on niiden rajatilojen palautumattomuus tai palautuvuus kuorman poistuessa. Kumilevylaakerin käyttökelpoisuusvaatimus perustuu sen puristumaan, joka on palautuvaa, jos liimautumista ei tapahdu. Käyttörajatilan yhdistelmänä voisi silloin käyttää tavallista yhdistelmää, + +,, +,,. (16) Pitkäaikaisyhdistelmässä muuttuvan kuorman pitkäaikaisuus otetaan kuormitusyhdistelmässä huomioon yhdistelykertoimella, jonka arvot vaihtelevat välillä 0 0,8 kuormaluokasta riippuen (taulukko 3.4)., + +,,. (17) Taulukko3.4Kertoimien suositusarvotrakennuksille(sfs-en1990a1ac NA2006)TaulukkoA1.1). Kumilevylaakereiden mitoituslaskelmat tehdään yleensä käyttörajatilassa ominaisyhdistelmällä. Pitkäaikaisyhdistelmää voisi käyttää pitkäaikaisen painuman laskennassa Vaakakuormat Vaakakuormia kumilevylaakeriliitokseen aiheuttavat liittyvien rakenteiden pakkovoimat kuten lämpöliike, kutistuma, viruma ja taipuma. Kumilevylaakeriliitos siirtää vaakavoimia kitkavoiman avulla.

29 21 Runko-BES:n mukaan kumilevylaakeriliitoksen voidaan olettaa pilarin ja palkin välisessä juottamattomassa tappiliitoksessa (betoni - CR) siirtää vaakavoimaa 0,15, missä on lepokitkan arvo 0,5 kerrottu pienennyskertoimella 0,3 voimia siirrettäessä, jolloin kerroin 0,15 on saatu. Onnettomuuskuormia ei Runko-BES:n mukaan siirretä kitkavoimalla, vaan vaarnatapin välityksellä. Runko-BES:n mukainen vaakavoima elementtirakenteiden kumilevylaakeri-liitoksessa pilarin tai konsolin terästen mitoitukseen on H = 0,2F, (18) missä on kuormittavan pystyvoiman laskenta-arvo. Betoninormikortti 23:ssa (2012) käsitellään liitosten mitoitusta onnettomuuskuormille SFS-EN Yleiset kuormat, Onnettomuuskuormat standardin mukaan. Betoninormikortti 23:ssa käsitellään vaatimuksia elementtien välisille liitoksille, joista erityisesti kohdassa "Elementtien putoamisen estäminen" annetaan kumilevylaakeriliitoksen mitoitukseen kaava (18) H = 0,2F, (18) missä F on kuormittavan pystyvoiman ominaisarvo. Betonirakenteiden eurokoodin mukaan leikkausvoimia elementtirakenteiden puristetuissa liitoksissa ei tarvitse ottaa huomioon, jos leikkausvoimat ovat pienempiä kuin 10 % puristusvoimasta. (SFS-EN ) Lämpöliikkeen suuruus betonirakenteissa otetaan huomioon pituuden lämpötilakertoimella = Lämpötilaerona voidaan Leskelän (2009) mukaan käyttää 40, ellei tarkempaa arvoa ole saatavilla, jolloin lämpöpitenemäksi voidaan olettaa 0,4/. Siirtymästä aiheutuva vaakavoima, kun laakeri ei luista, saadaan lausekkeesta (Kumilevylaakerien suunnittelu 1979) missä, G u H =, (19) ovat laakerin leveys ja pituus on laakerin paksuus on liukumoduuli on vaakasiirtymä.

30 Kumilevylaakeriliitos Kumilevylaakereita käytetään yleisesti betonielementtien erilaisissa liitoksissa. Suositelluin kumin kovuus on 60 ShA, mutta myös 50 ja 70 ShA kovuudet ovat tarvittaessa käytettävissä. Suurilla kuormilla voi olla edullista käyttää kovia 70 ShA kovuuksia tukipintojen ollessa pieniä, mutta silloin betonin paikallisen puristuskapasiteetin tulee myös olla riittävä. Laakerin tehtäviin betonielementtien liitoksessa kuuluvat (kuva 3.4.): Pystykuorman asianmukainen jakaminen (kuorman keskittäminen ja jännityshuippujen tasoittaminen). Laakerin tulee sijaita riittävän etäällä rakenteen reunoista halkeilun estämiseksi. Sallia tuettavan rakenteen kiertymä tuella; estää liittyvien rakenteiden haitalliset kontaktit. Vaakavoimien asianmukainen välittäminen. Kuva 3.4. Kumilevylaakerin käyttämisessä huomioitavaa. (fib 2008; Vinje 1985)

31 23 Kuorman keskittämiseksi laakerin mitoitus olisi suositeltavaa tehdä niin, että sen koko olisi mahdollisimman pieni, jolloin tukireaktio kohdistuu mahdollisimman tarkasti oikealle kohdalle. Kumilevylaakeriliitoksia on tyypillisesti kuvassa 3.5. a) ja b) pulttiliitokset, joissa näkyy myös vedenpoistoura laakerissa. Hyvin suurta kapasiteettia tarvittaessa on kuvassa 3.5 b) käytetty teräslevyä liitoksessa. Kuva3.5.Kumilevylaakeriliitoksetkuvissaa)jac),kuvassab)pilarinjapalkin päissäteräslevyt,joidenväliinasennetaanteräslevy,jokahitsataanpilariin.(fib 2008) Myös ontelolaataston alla käytetään tarvittaessa kumilevylaakerinauhaa (kuva 3.6.) jännityksiä tasaamaan (kuva 3.6). Nauhalaakerit laataston tuella kantavat tyypillisesti kuormaa suuruusluokaltaan 3 10 kn/m. Suomalaisessa ontelolaatastojen suunnitteluohjeessa leukapalkin päällä käytetään myös 20 mm x 10 mm neopreeninauhaa, mutta tehollinen tukipinta mitoitetaan neopreenin reunasta alkavalle juotosbetonille. (fib 2008; Ontelolaataston suunnitteluohje 2012) Kuva3.6.a)Ontelolaatastonallanauhalaakerib)jac)TT-laatanrivanalla ankkuroituteräslevy.(fib2008)

32 24 TT-laattojen rivan alla on suomalaisen TT-laataston suunnitteluohjeen (TT-laatastojen suunnitteluohje 2008) mukaan tehtaalla liimattu 10 mm neopreeni, jonka koko tarkastetaan puristusjännityksen sekä vaakasiirtymien mukaan. Norjalaisen Vinjen (1985) esimerkissä on myös kumilevylaakeri, mutta fib:n esimerkissä käytetään teräslevyä sen sijaan (kuva 3.6. b)) Reunaetäisyydet Hyvin oleellista kumilevylaakeriliitoksen suunnittelussa otetaan huomioon riittävät reunaetäisyydet, etenkin jos vielä käytetään erikoiskovia tasauslevyjä. EC 2:ssa esitetään ohje reunaetäisyyksien määrittämiseen (kuva 3.7). Kuva3.7.ReunaetäisyydetEC2:nmukaan(SFS-EN ) EC 2:ssa annetaan tukipinnan pituudelle a 1 vähimmäisarvo erilaisille liitoksen suhteellisille tukipaineen arvoille (taulukko 3.5). Taulukko3.5.Tukipinnanpituusa[mm].(SFS-EN ) Suhteellinen tukipaine, Ed /f cd 0,15 0,15 0,4 > 0,4 Viivamaiset tuet (väli- ja yläpohjat) Ripavälipohjat ja katto-orret Pistemäiset tuet (palkit) Etäisyydelle a 2, joka on etäisyys tukena olevan rakenneosan ulkoreunasta, on EC 2:ssa taulukkoarvot, jotka riippuvat tukena olevasta materiaalista ja tyypistä, sekä suhteellisesta tukipaineesta (taulukko 3.6).

33 25 Taulukko3.6.Tukipinnantehotonpituusa2[mm].(SFS-EN ) Tukimateriaali ja -tyyppi Ed /f cd 0,15 0,15 0,4 > 0,4 Teräs viivamainen pistemäinen Teräsbetoni C30 viivamainen pistemäinen Raudoittamaton betoni ja viivamainen teräsbetoni < C30 pistemäinen Muurattu rakenne viivamainen pistemäinen Tuettavan rakenteen päässä oleva tehoton etäisyys mitoitetaan taulukkomitoituksella raudoituksen yksityiskohtien perusteella (taulukko 3.7). Taulukko3.7.Tukipinnantehotonpituusa[mm].(SFS-EN ) Raudoituksen yksityiskohdat Tuki Viivamainen Pistemäinen Tuelle jatkuvat tangot (liikerajoitus tai vapaa liike) 0 0 Suorat tangot, vaakatason lenkit, 5 15, mutta vähintään c nom rakenneosan pään lähellä Jänneteräkset tai suorat tangot, jotka ulottuvat 5 15 rakenneosan päähän Pystytason lenkkiraudoitus 15 betonipeite + taivutuksen sisäsäde Lisäksi tuen pituuden suunnittelussa otetaan huomioon edellä määritettyjen tehottomien tukipituuksien mittapoikkeamat, mitkä saadaan suhteessa tuettavan rakenneosan pituuteen. Taulukko3.8.Tukipinnana2mittapoikkeamaa[mm].onjännemitta.(SFS-EN ) Tukimateriaali a 2 Teräs tai betonielementti 10l/ mm Muurattu rakenne tai paikalla valettu betoni 15l/ mm Mittapoikkeama a 3 saadaan tuettavan rakenneosan pituuden, l n, suhteen a 3 =l n /2500. Tukipaineen kestävyys kumilevylaakeriliitoksessa EC 2:n mukaan saadaan kaavasta = 0,85, (20) missä on tasausaineen mitoituslujuus (laakerin mitoituslujuus) on pienempi tuettavan ja tukevan rakenteen puristuslujuuksista.

34 26 Taulukko3.9.Tukipinnanpuristuslujuudet,fRd,max=0,85fcdmuillekuinkuiville liitoksilleec2:nmukaanosavarmuusluvullac=1,5. Betoni f ck [MPa] f cd [MPa] f Rd,max [MPa] C12/15 (K-15) 12 6,8 5,8 C16/20 (K-20) 16 9,1 7,7 C20/25 (K-25) 20 11,3 9,6 C25/30 (K-30) 25 14,2 12,0 C28/35 (K-35) 28 15,9 13,5 C30/37 (K-37) 30 17,0 14,5 C32/40 (K-40) 32 18,1 15,4 C35/45 (K-45) 35 19,8 16,9 C40/50 (K-50) 40 22,7 19,3 C45/55 (K-55) 45 25,5 21,7 C50/60 (K-60) 50 28,3 24,1 Reunaetäisyyden määrittäminen on tärkeää liitoksessa olevien terästen ankkuroitumisen kannalta (kuva 3.8.). Terästen ankkuroitumisen kannalta kumilevylaakerin reunaetäisyyksien tulisi olla riittävän suuria. Puristusjännityksen oletetaan jakautuvan laakerin reunasta kaltevuudella 1:2, jolloin terästen ankkurointi tulisi olla kuvassa 3.8 esitettyjen tapausten mukainen. Kuva3.8.Terästenankkuroinninhuomioiminenreunaetäisyyksissä.(Bindseil 1998) Kun kumilevylaakeri mitoitetaan mahdollisimman pieneksi, myös tukireaktion sijainti pysyy paremmin hallittavissa. Toisaalta ongelmana liian pienten laakereiden käytössä on niistä johtuva reunan halkeilu kuva (3.4) Palkin pään kiertyminen Betonirakenteisten vapaasti tuettujen palkkien ja laattojen tuella tapahtuvan kiertymän laskemiseksi on aikaisemmissa tutkimuksissa esitetty yksinkertaisia kaavoja. Kuvan 3.9 yksinkertaistetun menetelmän mukaan palkin kiertymä tuella vastaa palkin keskellä kaksinkertaista taipuman, y, arvoa.