Perusratkaisuja MAANPAINE

Transkriptio

1 28/11/2018 MAANPAINE Kevyt täyttömateriaali soveltuu parhaiten maanpaineongelmien ratkaisuun. Kevyt paino vähentää maapainetta jopa 80 %:lla verrattuna perinteisillä materiaaleilla täyttämisellä. Tämä voi vähentää tukevien rakennuselementtien poikkileikkausta ja tuoda suuria säästöjä. Käytettäessä kevytmateriaaleja maapaineen vähentämiseen tulee ottaa huomioon seuraavat asiat: Onko olemassa oleva luiska stabiili, kun materiaaleja siirretään rakentamisen aikana? Voiko rakenteisiin kertyä vesipainetta? Minkä on täytemateriaalin kuormitustilanne? Onko täytemateriaalin kuormitus passiivista vai aktiivista? Miten pohjavesitaso vaikuttaa kevytsoran tiheyteen ajan kuluessa? Onko olemassa riski, että Leca-kevytsora nousee? Perusratkaisuja Käytettäessä kevytmateriaaleja maapaineen vähentämiseen tulee ottaa huomioon seuraavat asiat: Alla olevat kuvat esittävät perusratkaisuja, joissa Leca-kevytsoraa käytetään rakenteisiin kohdistuvaa vaakatason maapainetta. Kaivanto ja rinteen vakaus On tärkeää painottaa, että ratkaisut vaativat, että rakenteiden takana olemassa oleva luiska on stabiili. Jos olemassa oleva luiska ei ole stabiili tai vaadittava kaivaminen johtaa epävakaaseen luiskaan, on pakollista lisätä stabiliteettia käyttämällä perinteisiä täyttömateriaaleja (soraa/kivisoraa) täytön alaosassa (katso kuva 25). Kallio ja ponttiseinä Joskus täytön takaosa ei muodostu luiskasta vaan kalliosta tai ponttiseinästä. Kalliotapauksessa

2 maapaine voidaan laskea kevytsoran tiheysominaisuuksien ja maapainekertoimen (0,4, katso laskentaesimerkki) perusteella. Ponttiseinän ja muun rakenteen väliin tulevien täyttöjen yhteydessä voi vaakatasoisten kuormitusten määritteleminen olla vaikeampaa. Jos ponttiseinä tullaan poistamaan myöhemmässä vaiheessa, tulee tulevan takarinteen stabiliteetti ottaa huomioon laskelmassa. Huomioi, että sama koskee tilanteita, joissa ponttiseinän rakennetta tai tukemista aiotaan muuttaa. Maanpaine maanalaista muuria vasten Kuva 24 Kuvassa 24 esitetään maapaine maanalaista muuria vasten käytettäessä Leca-kevytsoraa täyteaineena ja ilman kevytsoratäyttöä. Kuvassa näkyy merkittävä muuriin kohdistuvan maapaineen pieneneminen. Tämä pieneneminen vähentää murtumien tai muiden rakenteen vaurioiden riskiä Maapaine tukimuuria vasten Jos tukimuuri on ositettu, se voi reagoida eri tavalla siihen kohdistuviin kuormituksiin. Ositettu muuri voi myötää alaosistaan ositetun rakenteen takia. Yhdistelmä Leca-kevytsoraa maavahvistuksen kanssa antaa hyvän ratkaisun kevyelle vastatäytölle. Tämä mahdollistaa korkeammat rakenteet ilman puutteita turvallisuudessa.

3 Kuva 25 Kuvassa 25 esitetään maapaine tukimuuria vasten käytettäessä Leca-kevytsoraa täyteaineena ja ilman kevytsoratäyttöä. Esitetty maapaineen pieneneminen on merkitsevä perinteisiin täytemateriaaleihin verrattuna. Tämä mahdollistaa kevyemmän rakentamisen ja tekee siitä kustannustehokasta. Maapaine siltarakenteita ja pilareita vasten Kuva 26 Kuvassa 26 esitetään maapaine siltarakenteita ja pilareita vasten käytettäessä Leca-kevytsoraa täyteaineena ja ilman kevytsoratäyttöä.

4 RAKENNE-ESIMERKKEJÄ Maapaineelle altistuvien rakenteiden rakentamisessa on tärkeää, että rakenteiden suhteellinen liike otetaan huomioon. Maapainelaskelmissa on kolme merkitsevää vaihetta riippuen rakenteen tyypistä ja liikkeestä: Maan lepopaine,?0 Aktiivinen maapaine,?a Passiivinen maapaine,?p Talot ja muut suuret rakennelmat, joiden suhteellinen liike on yhtä kuin 0 altistuvat maan lepopaineelle. Pienemmät rakenteet, kuten esim. tukimuurit, voivat liikkua suhteessa ympäröivään maa-ainekseen. Aktiivinen maanpaine

5 Kuva 27 Kuvassa 27 esitetään tukimuuri, joka liikkuu poispäin ympäröivästä maa-aineksesta. Tämä saa aikaan muuriin kohdistuvan maapaineen vähentymisen, ja sitä kutsutaan aktiiviseksi maapaineeksi. Passiivinen maanpaine

6 Kuva 28 Kuvassa 28 esitetään tukimuuri, joka liikkuu ympäröivää maa-ainesta vastaan. Tämä saa aikaan muuriin kohdistuvan maapaineen nousemisen, ja sitä kutsutaan passiiviseksi maapaineeksi. Maapainekertoimet riippuvat karkeudesta r ja liikettä aiheuttavasta kitkakulmasta tan?. Karkeus riippuu maan ja muuriin kohdistuvista leikkausjännitteistä, joten sileän muurin r = 0. Liikettä aiheuttava kitkakulma määritellään seuraavasti: On myös tavallista käyttää materiaalitekijöitä merkitsevien rakenteiden rakentamisen yhteydessä. Näissä esimerkeissä käytetään kuitenkin varmuuskerrointa materiaalitekijöiden sijaan. Näiden esimerkkien päätavoite on esittää ero maapaineessa käytettäessä perinteistä täyttömateriaalia ja Leca-kevytsoran tapaista kevytmateriaalia. Esimerkki 1: Täyttö maanalaista muuria vasten - maan lepopaine Vastatäyttö suoritetaan syvää kellaria vasten (kaksikerroksinen). Alkuperäinen ympäröivä materiaali on savea. Tämä vaatii jonkinlaisen veden poiston muurin takana noston ehkäisemiseksi, mikä voi nostaa maapainetta. Aiheutuva maapaine muuria vastaan lasketaan siksi kahdelle eri ratkaisulle: Täyttö soraa sisältävällä hiekalla Täyttö Leca-kevytsoralla Molemmat materiaalit mahdollistavat veden poiston muurin takana

7 Materiaaliominaisuudet Paino pohjavedenpinnan yläpuolella Materiaali Sora Soraa sisältävä hiekka Leca-kevytsora 8 20 mm Paino pohjavedenpinnan alapuolella Maanpainekerroin K0'?? [kn/m³] [kn/m³] , , ,4 Ratkaisu 1: Täyttö soraa sisältävällä hiekalla Kuvassa 29 esitetään täyttö soraa sisältävällä hiekalla. On tärkeää painottaa, että olemassa oleva rinne (savessa) on stabiili. Laske maanpaine eri syvyydessä

8 Syvyys 0?v =? 0 + q = = 10 kn/m2 u = 0??'v =?v = 10 kn/m2 Vaakasuora paine:? h = K 0? v = 0,5 10 = 5 kn/m2 u = 0??'h =?h = 5 kn/m2 Syvyys -5 m?v =? 5 + q = = 110 kn/m2 u = 0??v =? v = 110 kn/m2 Vaakasuora paine:? h = K 0? v = 0,5 110 = 55 kn/m2 u = 0??h =? h = 55 kn/m2 Kuvassa 30 esitetään maapaine maanalaista seinää vasten täytöstä johtuen täyteaineen ollessa soraa sisältävää hiekkaa. Enimmäispaine vaakatasossa on 55 kn/m².

9 Ratkaisu 2: Täyttö Leca -kevytsoralla Kuvassa 31 esitetään mahdollinen täyttöratkaisu käyttäen Leca-kevytsoraa. Riittävänä pidetään 0,8 m peruskerrosta soraa. Laske maanpaine eri syvyydessä Syvyys 0?v =? 0 + q = = 10 kn/m2 u = 0??'v =?v = 10 kn/m2 Vaakasuora paine:? h = K 0? v = 0,4 10 = 4 kn/m2 u = 0??h =? h = 4 kn/m2 Syvyys -0,6 m

10 Soralla ja kevytsoralla on sama K 0, mikä aiheuttaa saman vaakatason paineen tässä tasossa molemmissa suunnissa.?v =? H1 + q = 20 0, = 25,2 kn/m2 u = 0?? v =?v = 25,2 kn/m2 Vaakasuora paine:? h = K 0? v = 0,4 25,2 = 10,1 kn/m2 u = 0??h =? h = 10,1 kn/m2 Syvyys -5 m?v =?v, syvyys -0,3 +? H2 = 25, ,2 = 42 kn/m2 u = 0?? v =?v = 42 kn/m2 Vaakasuora paine:? h = K 0? v = 0,4 42 = 16,8 kn/m2 u = 0??h =? h = 16,8 kn/m2 Kuvassa 32 esitetään maapaine maanalaista seinää vasten täytöstä johtuen täyteaineen ollessa Leca -kevytsora. Enimmäispaine vaakatasossa on 16,8 kn/m². Maanpaine maanalaista muuria vastaan pienenee Leca-kevytsoraa käytettäessä n. 69 %.

11 Esimerkki 2: Täyttö tukimuuria vasten Kalteva maasto tasataan 5 m korkealla tukimuurilla ja täytöllä. Täyttöä tullaan käyttämään pysäköintipaikkana, joten siihen sovelletaan 10 kn/m2 kuormitusta. Koko rakenteella täytyy olla riittävä stabiliteetti. Tässä esimerkissä keskitytään tukimuuriin kohdistuvaan maapaineeseen. Tämä rakenne aiheuttaa aktiivisen maapaineen tukimuuria vasten ja laskelmat suoritetaan kahdelle eri täytteelle: Täyttö soraa sisältävällä hiekalla Täyttö Leca-kevytsoralla Oletus: molemmat ratkaisut tarjoavat vettä poistavat olosuhteet muurin takana, joten muuriin ei kohdistu vesipainetta. Karheus r = 0 (sileä muuri) Tässä esimerkissä rakenteeseen sovelletaan varmuuskerrointa F = 1,5. Materiaaliominaisuudet Materiaali Paino pohjavedenpinnan yläpuolella Kitkakulma? Tan? tan? = tan? / F Maanpainekerroin KA? [kn/m³] Soraa sisältävä hiekka Leca-kevytsora 8-20 mm ,75 0,5 0, ,81 0,54 - Ratkaisu 1 Täyttö soraa sisältävällä hiekalla

12 Kuvassa 33 esitetään ensimmäinen ratkaisu eli täyttö soraa sisältävällä hiekalla. Laske maanpaine eri syvyydellä Syvyys 0 m?v =? 0 + q = = 10 kn/m2 Vaakasuora paine?h = KA?v = 0,38 0 = 3,8 kn/m² Syvyys -5 m?v =? H1 + q = = 110 kn/m2 Vaakasuora paine:?h = KA?v = 0, = 41,8 kn/m2

13 Kuvassa 34 esitetään maapaine tukimuuria vasten täytöstä johtuen täyteaineen ollessa soraa sisältävää hiekkaa. Enimmäispaine vaakatasossa on 41,8 kn/m². Ratkaisu 2: Täyttö Leca-kevytsoralla Kuvassa 35 esitetään mahdollinen täyttöratkaisu käyttäen Leca-kevytsoraa. Soraa sisältävää hiekkaa käytetään peruskerroksena ja lisätukena maata myöten. Laske maanpaine eri syvyydellä

14 Syvyys 0 m?v =? 0 + q = = 10 kn/m2 Vaakasuora paine?h = KA?v = 0,38 0 = 3,8 kn/m² Syvyys -0,8 m (soraa sisältävä hiekka)?v =? H1 + q = 20 0, = 26 kn/m2 Vaakasuora paine:?v =?h = KA?v = 0,38 26 = 9,9 kn/m2 Syvyys -0,8 m (Leca-kevytsora) tällä syvyydellä pystysuorat jännitteet vastaavat soraa sisältävän hiekan ja kevytsorakerroksen vastaavia.?v = 26 kn/m2 Vaakasuora paine:?h = KA?v = 0,36 26 = 9,4 kn/m2 Syvyys -4,4 m?v =?v, djup -0,8 +? H2 = ,6 = 40,4 kn/m2 Vaakasuora paine:?h = KA?v = 0,36 40,4 = 14,5 kn/m2 Syvyys -5 m?v =?v, syvyys -4,4? H3 = 40, ,6 = 52,4 kn/m2 Vaakasuora paine:?h = KA?v = 0,36 52,4 = 18,9 kn/m2

15 Kuvassa 36 esitetään maapaine tukimuuria vasten täytöstä johtuen täyteaineen ollessa Lecakevytsora. Enimmäispaine vaakatasossa on 18,9 kn/m². Maanpaine tukimuuria vastaan pienenee Leca-kevytsoraa käytettäessä n. 55 %. Esimerkki 3: Ponttiseinä Ponttiseinät ovat tyypillisiä rakenteita, joihin kohdistuu sekä passiivista että aktiivista maanpainetta. Tässä esimerkissä näytetään kaivanto hiekassa ankkuroimattomalla kielekkäällä. Esimerkki keskittyy kahteen ratkaisuun: Alkuperäinen materiaali ponttiseinän takana Vaihtoehtoinen ratkaisu vaihdetulla materiaalilla ponttiseinän takana, jossa hiekka vaihdetaan Leca-kevytsoraan Tämän esimerkin päätarkoitus on hakea ponttiseinän enimmäismomentti ja tarvittava syvyys kaivannon pohjakerroksen alapuolella kahden ratkaisun kohdalla. Tämä lasketaan syntyvän seinämän maanpaineen (Pr = PP PA) perusteella (katso kuva 37). Oletus: Tukematon, jäykkä muuri Klassinen maapaine Koko muuri sijoitetaan pohjavesitason yläpuolelle Karkeus r = 0,5

16 Tässä esimerkissä rakenteeseen sovelletaan varmuuskerrointa F = 1,5. Materiaaliominaisuudet Materiaali Paino pohjavedenpinnan yläpuolella Maanpainekerroin Kitkakulma? Tan? tan? = tan? / F? Aktiivinen KA/ Passiivinen KP [kn/m³] Hiekka Leca-kevytsora 8-20 mm?hiekka = ,81 0,54 0,3/4?LWA = ,81 0,54 0,3/4 Tarvittava alustussyvyys kaivannon pohjatason alapuolella lasketaan perinteisen maapaineteorian mukaisesti. Kuvassa 37 annetaan arvioidut paineolosuhteet hiekassa olevan, tukemattoman muurin yhteydessä. Kohdat m ja o merkitsevät enimmäismomentin ja kiertokeskuksen. Aktiivinen ja passiivinen paine vaihtaa puolta kohdassa o. Tämän kohdan yläpuolella on aktiivinen puoli vasemmalla ja passiivinen oikealla, sen alapuolella tilanne on päinvastoin. Tätä käytetään syvyyden laskemiseen kaivannon pohjan alapuolella sekä enimmäismomentin yhteydessä. Kuva 37

17 Ratkaisu 1: Alkuperäismateriaali ponttiseinän takana Kuvassa 38 esitetään ratkaisun 1 profiili, jossa ponttiseinän takana on alkuperäismateriaali. Laske maanpaine eri syvyyksissä Syvyys 0 (m) Laskelma: P A (q +? hiekka 0) Tulos: 3 kn/m2 Syvyys 0 (m) Laskelma: P A (q +? hiekka 0,8) Tulos: 7,32 kn/m2 Syvyys 5 + Dm (m) Laskelma:

18 P m = P P - P A = K P? hiekka Dm - K A? hiekka (H + Dm) Tulos: 66,6 Dm - 30 kn/m2 Syvyys 5 + Dm + D1 (m) Laskelma: P r0 = P P - P A = K P? hiekka(h + Dm + D1) K A? hiekka (Dm + D1) Tulos: 66,6 (Dm + D1) kn/m2 Laskelma D0: K A[q +?hiekka(h + D0)] = K P?hiekka D0 => D0 = 0,45 Pisteen m enimmäismomentti (Mmax) aiheuttaa samaan pisteeseen vääntövoiman (q) 0. Tämä antaa tulokseksi Dm (katso kuva 39), jonka avulla voidaan laskea Mmax: Q1 = Q2 => Dm =2,09 => Mmax = 285,5 knm/m Kuva 39 D1 ja D2 lasketaan seuraavasti:

19 P rm D1 = P r0 D2 P rm D1 1/2 (D1+ D2) = Mmax D1 = 2,12 m ja D2 = 0,36 m Tulos: D = Dm + D1 + D2 = 2,09 + 2,12 + 0,36 = 4,57 m Ratkaisu 2: Leca-kevytsoraa ponttiseinän takana Kuva 40 esittää vaihtoehtoisen ratkaisun, jossa ponttiseinän takana on Leca-kevytsoraa. Alkuperäistä hiekkakerrosta käytetään peruskerroksena myös tässä. Laske maanpaine eri syvyydessä Syvyys 0 (m) Laskelma: P A (q +? hiekka 0) Tulos: 3 kn/m2

20 Syvyys 0 (m) Laskelma: P A (q +? hiekka 0,8) Tulos: 7,32 kn/m2 Syvyys 5 (m) Laskelma: P A = 7,32 + K A?LWA 4,2 Tulos: 12,36 kn/m2 Syvyys 5 + Dm (m) Laskelma: P rm = P P - P A = K P? Dm- K A (q +?hiekka 0,8 +?LWA 4,2 +?hiekka Dm) Tulos: 66,6 Dm - 12,36 kn/m2 Syvyys 5 + Dm + D1(m) Laskelma: P r0 = P P - P A = K P (10 +?hiekka 0,8 +?LWA 4,2 +?hiekka (Dm + D1)) K A?hiekka (Dm + D 1) Tulos: 66,6 (Dm+D1) + 164,8 kn/m2 Laskelma D0: K A [q +?hiekka 0,8 +?LWA 4,2 +?hiekka D0] = K P?hiekka D0 => D0 = 0,45 Q1 = Q2 => Dm = 1,44 => Mmax = 135,9 knm/m

21 Kuva 41 D1 ja D2 lasketaan seuraavasti: P rm D1 = P r0 D2 P rm D1 1/2 (D1+ D2) = Mmax D1 = 1,63 m ja D2 = 0,38 m Tulos: D = Dm + D1 + D2 = 1,44 + 1,63 + 0,38 = 3,45 m Ratkaisu Leca-kevytsoralla vähentää alakerroksen syvyyttä 1,12 m ja enimmäismomenttia 50 %.