Huomioita Rakennustekniikka lehden (no 5/2003) artikkelista: Tekn. lis. Ismo Tawast: Joensuun monitoimihallin tekniset uutuudet

Transkriptio

1 Huomioita Rakennustekniikka lehden (no 5/003) artikkelista: Tekn. lis. Ismo Tawast: Joensuun monitoimihallin tekniset uutuudet Artikkelissa tarkasteltiin Suomen suurimman puurakenteen, Joensuun monitoimihallin rakenneteknisiä ratkaisuja: perustamista, rakennejärjestelmää, 3D tuotemallia sekä rungon liitoksia. Artikkelin alussa todettiin, että kysymyksessä oli poikkeuksellisen vaativa suunnittelutehtävä. Näin varmasti on ja jo pelkästään se, että kysymyksessä on halli, jonka jännemitta on huomattavasti suurempi kuin minkään muun Suomessa toteutetun puuhallin, velvoittaa suunnittelijan suhtautumaan tehtäväänsä äärimmäisellä huolellisuudella. Toivoa sopii, että näin onkin tapahtunut ja hallia voidaan turvallisesti käyttää kaikissa olosuhteissa koko sen käyttöiän. Tässä esitetään joitain kommentteja ainoastaan artikkelin perustuksia käsittelevään osaan. Tarkoitus ei ole arvioida itse hallin suunnitelmia, koska käytettävissä ei ole ollut rakennuksen suunnitteluasiakirjoja. Kritiikki kohdistuu pelkästään siihen mielikuvaan minkä artikkelin huolellinen lukija voi hallin perustusten suunnittelusta saada. Hyvältä tekniseltä artikkelilta edellytetään, että lukijalle annetaan niin paljon informaatiota, että lukija voi halutessaan toistaa siinä esitettyjä laskelmia ja siten varmistua esitettyjen ratkaisujen luotettavuudesta. Tämän artikkelin tapauksessa näyttää käyvän päinvastoin, annetun informaation perusteella lukijan luottamus esitettyjen rakenneratkaisujen luotettavuuteen heikkenee. Koska artikkeli on tarkoitettu selvästikin tekniseksi artikkeliksi, pitäisi siinä selostaa rakenteita ja niiden toimintaa sekä suunnittelun perusteena käytettyjä otaksumia täsmällisesti. Artikkelin perustuksia käsittelevä osa ei täytä näitä vaatimuksia. Siinä ei ole selkeästi kuvattu perustusten rakennemallia, se sisältää useita epätäsmällisyyksiä, jopa virheitä ja terminologia on myös puutteellista. Yksityiskohtaiset kommentit: ( A = artikkeli, K = kommentti). A.: Pääkaarten tukireaktioiden sekä pysty- että vaakakomponentit ovat ominaisarvoltaan noin,5 MN:n suuruiset, ja etenkin vaakakomponenttien siirtäminen puisten pääkaarten nivelellisistä tyvipisteistä noin 5 m alempana oleville perustuksille edellytti tukiseiniin täysin jäykästi kiinnitettyjä paaluanturoita K: Sekä pysty ja vaakakomponentit ovat suuria (50 tonnia). Näin suurten kuormien vieminen perustuksille edellyttää erittäin huolellista suunnittelua ja rakentamista. Artikkelissa ei mainita sanaakaan siitä että hallin reunoilla kiertäisi rengaspalkki, jolla otettaisiin osa vaakakomponentista. Kuvista voi päätellä sellainen voisi siellä olla, mutta tekstissä ei ole siitä mitään mainintaa. Siinä puhutaan vaakakomponenttien siirtämisestä perustuksille. A.: Paaluista uloimmat vinopaalut ovat Rautaruukin vibrattuja terästukipaaluja, jotka ottavat kaarten resultoivien tukireaktioiden vaakakomponentit. K.: Sanonta vibrattu terästukipaalu herättää kysymyksiä. Tarkoitetaanko tässä paalua tärisyttämällä maahan pakotettuja teräspaaluja tai kenties teräsputki-paaluja, jotka on lyöty maahan, täytetty betonilla ja betoni sitten tärytetty? (Työmaaslangia ei pitäisi käyttää teknisessä kirjoituksessa). Sanonta: resultoivien tukireaktioiden vaakakomponentit on sekava. Tällä ilmeisesti tarkoitetaan kuormitusyhdistelyn jälkeen kaaren niveleen kohdistuvan tukireaktion vaakakomponenttia. Miksiköhän näin pienessä paalutuksessa tarvitaan kahta erityyppistä paalua? Teräsbetoniset B luokan tukipaalut (300x300) sekä teräspaalut, joiden tyyppiä ja kokoa ei ole artikkelissa mainittu. Lyöntipaalutusohjeiden [] mukaan (kohta 3.) samassa kohteessa olisi syytä pyrkiä käyttämään samaa paalutyyppiä.

2 3 A: Vinopaalujen maksimi paalukuorma on noin, MN ja vinous pystytasoon nähden noin 45 astetta. K.: Artikkelin yhteydessä esitetystä piirustuksesta nähdään, että vinopaalujen tulee kantaa koko nivelestä tulevan tukireaktion vaakakomponentti. Jos vaakakomponentin suuruus on,5 MN (ks. kohta ) on yhden 45 o kulmassa olevan vinopaalun kuorma (ottamatta huomioon vähäistä 3 o sivukaltevuutta),5/=,77 MN eli n.,5 -kertainen artikkelissa mainittuun arvoon nähden. Paalujen rajakaltevuuksista on mainittu LPO-87 [] kohdassa Siinä mainitaan mm. pystykaltevuuksista, että kaltevampaa paalua kuin 3: tulisi välttää. Miksi tässä kohteessa piti käyttää 45 o kulmassa olevat paaluja, joiden kaltevuus (:) ylittää roimasti em. rajaarvon? Itsestään selvää on, että näin kaltevat tukipaalut edellyttävät kalliokärkien käyttöä, mutta näistä ei ole artikkelissa mainittu. Näin suuren kaltevuuskulman omaavien paalujen yläpuolella olevat maamassat kuormittavat paaluja poikittaisesti aiheuttaen niihin taivutusta (LPO-87 [], kohta 3.543) ja paalut olisi siten mitoitettava myös taivutukselle. Koska lisäksi paalujen normaalivoima on suuri, olisi tässä suoritettava myös nurjahdustarkastelu sekä arvioitava samalla paalua kuormittava sivukuorma. (Paalujen pituutta ei artikkelissa ole mainittu, mutta artikkelissa esitetystä FEM -rakennemallikuvasta voi niiden päätellä olevan erittäin hoikkia). 4 A.: Paalujen vinous pääkaaren akselin suuntaisen sektorilinjan vaaka-projektioon nähden on noin 3 astetta. Molemmat vinoudet on valittu siten, että perustusrakenteen stabiliteetti on kaikissa mahdollisissa kuormitustilanteissa riittävä, jolloin paalut anturoiden alla muistuttavat lapsuudesta tuttuja käpylehmiä vinoon asetettuine jalkoineen. K.: 3 o vaatimus sivukaltevuudesta tuntuu turhalta, kun sitä verrataan LPO-87:ssa [] annettuihin toleransseihin. Siellä mainitaan näin (kohta ): Kaltevien paalujen horisontaalisuunta saa poiketa korkeintaan ±0 o suunnitelmissa esitetystä suunnasta. Eli vinopaalujen horisontaalisuunta voi ohjeen mukaan tässä vaihdella välillä -7 o +3 o. Stabiliteetti on kaikissa mahdollisissa kuormitustilanteissa riittävä ( stabiliteetti = stabiilius). Mitähän tällä lauseella halutaan sanoa? Vinopaalujen 45 o kaltevuudella kaaren tasossa ja 3 o sivukaltevuudella ei todellakaan esitetyn paalutuksen stabiiliutta paranneta. Lauseen osa: muistuttavat lapsuudesta tuttuja käpylehmiä vinoon asetettuine jalkoineen on kait tarkoitettu kevennykseksi, mutta tässä kohdassa olisi kaivattu faktaa tai sitten kevennyksen jatko siitä, mitä tapahtuu, jos käpylehmän päälle asetetaan kuormaksi painava kivi ja yksi jaloista katkeaa? 5. A: Kaaren voiman vinoudesta sekä paalujen sijoituksesta johtuen kaarten paaluanturat ovat staattisesti epämääräisiä, joten paalukuormia, mitoitusta tai paalutoleranssien vaikutuksia ei voitu arvioida analyyttisin menetelmin. K.: Paaluperustuksen piirustuksista voi välittömästi huomata, että paalutus on kaaren tasossa vaikuttaville kuormille staattisesti määrätty (edellyttäen, että yksittäisen paalun rakennemalli on nivelpäinen ristikkosauva, kuten yleensä tukipaalutusta laskettaessa otaksutaan). Rakenne on staattisesti määräämätön (= staattisesti epämääräinen ), jos sen tukireaktioita (paaluvoimia) ei voida määrittää pelkästään tasapainoehtoja käyttäen. Kaaren voimalla tai sen vinoudella ei todellakaan ole mitään tekemistä rakenteen staattiseen määräämättömyysasteen kanssa. Myös perustamista koskevan kappaleen viimeinen lause herättää kummastusta, sillä kaaren tason suuntaisille kuormille paaluvoimat voidaan käden käänteessä laskea käsin käyttäen hyväksi statiikasta tuttua kolmea tasapainoyhtälöä. (ks. liitteenä oleva tenttitehtävä ja sen ratkaisu). Jos paalukuormia, mitoitusta ja paalutoleranssien vaikutusta paaluvoimiin ei ole voitu varmistaa analyyttisin menetelmin, kuten artikkelissa kirjoitetaan, on kyllä todella syytä olla huolissaan tämän rakenteen varmuustasosta.

3 Kommentit artikkelissa esitetyn perustusrakenteen toimintakelpoisuudesta:. Paalutuksen staattinen toiminta avaruuspaalutuksena: 3 Artikkelissa annettujen tietojen perusteella hallin jokainen kaari näyttää olevan perustettu erilliselle paaluperustukselle, joka käsittää paaluanturan ja viisi tukipaalua. Kolme paaluista on pystysuoria teräbetonipaaluja ja kaksi (teräksistä?) vinopaalua. Avaruus-tapauksena tarkasteltuna tällainen paalutus on aina mekanismi eli paaluryhmällä löytyy kiertoakseli, jonka suhteen sillä ei ole lainkaan jäykkyyttä. Ollakseen staattisesti määrätty tulisi avaruuspaaluryhmässä olla tasan 6 paalua ja vielä siten sijoitettuina, että sillä olisi jäykkyyttä kaikkien avaruustapauksen 6 kuormakomponentin suhteen. Jos avaruuspaaluryhmässä on useampia paaluja kuin 6 kpl on se staattisesti määräämätön. Tässä tapauksessa esitetyllä paalutuksella ei ole jäykkyyttä paaluanturan yläpinnan tasoa vastaan kohtisuoran akselin ympäri vaikuttavaa vääntömomenttia vastaan. Ts. jos perustusta kuormittaisi sen horisontaalisuunnassa epäkeskeinen vaakavoima, ei mikään estäisi vaakatasossa tapahtuvaa kiertymistä (paitsi ympäröivän maa-aineksen sivupaine). Jos kuormakomponentit paalutuksen 0- jäykkyyssuuntaan olisivat hyvin pieniä, kuten tässä voitaisiin ajatella, ko. jäykkyyttä ei välttämättä tarvitsisi paaluilla perustukseen järjestääkään. Kuitenkin pitäisi osoittaa, että nämäkin kuormat viedään jollain tavoin maahan. Esimerkiksi talonrakennuksessa käytetyissä perustuksissa voidaan usein käyttää pelkkiä pystysuoria paaluja siksi, että tuulen aiheuttamat vaakavoimat ovat yleensä pieniä ja siirtyvät maahan maan alla olevien perustusten pintojen ja maanvälisen kitkan tai maanpaineiden avulla.. Paalutuksen staattinen toiminta kaaren tasossa (tasopaalutus): Jos perustuksen vaakaliike kaaren tasoa vastaan kohtisuorassa suunnassa on estetty esimerkiksi ns. rengaspalkilla, voidaan paalutus käsitellä tasotapauksena. Tällöin paaluryhmä on staattisesti määrätty ja paaluvoimat voidaan laskea kolmen tasapainoyhtälön avulla, kuten liitteessä on esitetty. Laskelman tuloksesta näkyy, että paaluihin tulee annetusta kuormituksesta vetoa 0,5 MN. LPO-87 kohdan 3.45 [] mukaan paaluille voidaan sallia vetoa ainoastaan paalun tehollisen painon verran eli paljon vähemmän. Lisäksi vetopaalut toimiakseen tulisi ankkuroida peruslaattaan. Kalteviin teräspaaluihin tulee puristusta vähintään,77 MN, joka on huolestuttavan suuri arvo, oli sallittu paalukuorma mikä tahansa (artikkelissa sitä ei ole annettu) Laskelman perusteella paalutus ei olisi näille kuormille hyväksyttävissä. 3. Paalutuksen herkkyys rakennevirheille: Erityisen huolestuttavaksi esitetyn paalutuksen tekee sen herkkyys pienille rakennevirheille. Jos yksikin paalu muuttuu jostain syystä toimimattomaksi, paalu katkeaa, vinopaalun kärki luistaa, paalu on lyöty väärään paikkaan (vaikkakin LPO-87:n toleranssien puitteissa), muuttuu paalutus mekanismiksi. Esimerkiksi jos oikeanpuoleinen pystysuora paalu (ks. liite ) ei toimi, mikään ei estä perustuksen kiertymistä pääkuormitustasoa (= kaaren tasoa) vastaan kohtisuoran akselin ympäri. Vielä vaarallisempi on tapaus, jossa join muu paalu pettää. Tai, jos paalu on lyöty esim. sivusuunnassa väärään paikkaan. Tällöin rakenne muuttuu myös mekanismiksi, koska alkuperäinen symmetrisyys kaaren tason suhteen häviää. Tässä tapauksessa paalutuksesta tulee ns. degeneroitunut paaluryhmä, josta F. Schiel [] eräässä alan perusteoksessa (s.6-33) varoittaa. Paalutukseen kohdistuisi tuolloin suuri epäkeskeinen horisontaalivoima, josta seurauksena on vääntömomentti horisontaalitasossa (pystyakselin ympäri). Tätä vastaan paalutuksella ei ole jäykkyyttä, kuten edellä selvitettiin.

4 4 Loppumietteet Artikkeli antaa käsityksen, että perustukset on hatarin perustein mitoitettu ja esitetyille huomattavan suurille kuormille suorastaan vaarallinen. Jos rakenne tukeutuu ns. rengaspalkkiin, joka kiertää katkeamattomana ympäri koko rakenteen voi tilanne olla toinen. Suunnittelijan tulisi kuitenkin tällöinkin esittää, mitä tapahtuu, jos joku perustuksista pettää. Ilmeisenä vaarana tässä on jopa jatkuva sortuma. Artikkelista antaa myös mielikuvan, että rakenne olisi paaluryhmät mukaan lukien mallinnettu kokonaisuutena ja laskettu FEM-ohjelmalla. Näihin tuloksiin olisi sitten luotettu sokeasti, suorittamatta varmistusta siitä, että tasapainoehdot toteutuvat ja systeemiin ei synny mekanismeja missään kuormitusolosuhteissa. Lähteet: Espoossa Lauri Salokangas, DI Teknillinen korkeakoulu Sillanrakennustekniikan lab.ins. [] Lyöntipaalutusohjeet (LPO-87), Rakentajain kustannus Oy [] F. Schiel: Statik der Pfahlwerke, Springer Verlag, Berlin Liite : Paaluvoimien laskenta kaaren tason suuntaisille voimille.

5 JOENSUUN PUISEN MONITOIMIHALLIN PERUSTUKSET (Ollut kurssin Sillat ja perustukset tenttitehtävänä ) 4. Joensuussa parhaillaan (v.004) rakenteilla oleva moni-toimihalli tulee valmistuttuaan olemaan Suomen suurin puurakennus. Hallin rungon muodostavat puiset ristikkokaaret, joiden alapäässä on nivel. Kaaren nivelestä kuormat välittyvät jäykän kolmionmuotoisen seinämän avulla paaluperustukselle, joka on likimäärin oheisen kuvan mukainen. Pystysuorat paalut (3 kpl) ovat teräsbetonisia tukipaaluja ja vinot paalut ( kpl) ovat teräspaaluja, joiden kaltevuuskulma on 45 o. Laske paaluvoimat, kun Fx = Fz =,5 MN. (4) Paaluvoimien laskenta: kn:= 000 N MN := 000 kn MNm:= MN m F x :=.5 MN h := ( ) mm Fz Fx F z :=.5 MN h = 6.5m L := 5.9 m e := 0.8 m + h = 650 Paalutus staattisesti määrätty => paaluvoimat määräytyy tasapainoyhtälöistä: N 3 ΣFx= 0 N + N + ΣFz = 0 => ( ) F x L e + (3) ==> N := L F x () ==> N 3 := N 3 N := N () ==> Paaluvoimat: N 3 + F x = 0 () + F x = 0 () F z h F x e = 80 L = 5900 M kk := F z ( h h kk ) F x 3 L e M kk =.9 MNm N N N 3 Kiertokeskiö ja momentti kk:n suhteen: ΣM = 0 N L + F x ( L e ) F z h = 0 (3) h kk := 3 L h kk = 3.93 m N = 0.5 MN (Vetoa!) N psall := MN Sallittu puristusjännitys - luokan tb-paaluille: N σpsall = 9 MN/m (LPO-87) = 0.49 MN (Puristusta!) N psall = 0.8 MN σvsall =?? N 3 =.77 MN (Puristusta!) N psall Sallittu puristusjännitys -lk teräspaaluille??? 45 o Paaluvoimien TSP-tarkistus: N + N + N 3 =.5 MN (= -Fx, ok) N 3 =.5 MN (= -Fz ok) N e N ( L e ) + N 3 h N 3 L e ( ) = 0 MNm (ok)