Jännebetonipalkin puristusmurtokestävyys

Samankaltaiset tiedostot
PUHDAS, SUORA TAIVUTUS

Palkki ja laatta toimivat yhdessä siten, että laatta toimii kenttämomentille palkin puristuspintana ja vetoteräkset sijaitsevat palkin alaosassa.

TAVOITTEET Määrittää taivutuksen normaalijännitykset Miten määritetään leikkaus- ja taivutusmomenttijakaumat

BETONITUTKIMUSSEMINAARI 2018

8. Yhdistetyt rasitukset

Jälkijännitetyn rakenteen vaurionsietokyky. Betonitutkimusseminaari, Messukeskus

2. harjoitus - malliratkaisut Tehtävä 3. Tasojännitystilassa olevan kappaleen kaksiakselista rasitustilaa käytetään usein materiaalimalleissa esiintyv

Kantavuudenlaskentamenetelmä jännitetyn sillan turvallisuuden määrittämiseksi punosvaurion tapauksessa

2 LUJUUSOPIN PERUSKÄSITTEET Suoran sauvan veto tai puristus Jännityksen ja venymän välinen yhteys 34

7. Suora leikkaus TAVOITTEET 7. Suora leikkaus SISÄLTÖ

3. SUUNNITTELUPERUSTEET

Betonipaalun käyttäytyminen

2 LUJUUSOPIN PERUSKÄSITTEET Suoran sauvan veto tai puristus Jännityksen ja venymän välinen yhteys

Analysoidaan lämpöjännitysten, jännityskeskittymien, plastisten muodonmuutosten ja jäännösjännityksien vaikutus

Johdatus materiaalimalleihin

NCCI 2 päivitys ja ajankohtaista betonirakenteista

POIKKILEIKKAUSTEN MITOITUS

Laskuharjoitus 3 Ratkaisut

Materiaalien mekaniikka

KJR-C2002 Kontinuumimekaniikan perusteet

KANSALLINEN LIITE (LVM) SFS-EN BETONIRAKENTEIDEN SUUNNITTELU Sillat LIIKENNE- JA VIESTINTÄMINISTERIÖ

1.3 Pilareiden epäkeskisyyksien ja alkukiertymien huomioon ottaminen

Vastaanottaja Helsingin kaupunki. Asiakirjatyyppi Selvitys. Päivämäärä VUOSAAREN SILTA KANTAVUUSSELVITYS

3. SUUNNITTELUPERUSTEET

Stalatube Oy. P u t k i k a n n a k k e e n m a s s o j e n v e r t a i l u. Laskentaraportti

LAPPEENRANNAN TEKNILLINEN YLIOPISTO Teknillinen tiedekunta Konetekniikan koulutusohjelma BK10A0401 Kandidaatintyö ja seminaari

SIPOREX-HARKKOSEINÄÄN TUKEUTUVIEN TERÄSPALKKIEN SUUNNITTELUOHJE

LUJUUSHYPOTEESIT, YLEISTÄ

10. Jännitysten ja muodonmuutosten yhteys; vaurioteoriat

A on sauvan akselia vastaan kohtisuoran leikkauspinnan ala.

Laskuharjoitus 1 Ratkaisut

Harjoitus 6. KJR-C2001 Kiinteän aineen mekaniikan perusteet, IV/2016

OSIITAIN JA YKKIEN LIITOSTEN V AIKUTUS PORTAALIKEHAN VOI MASUUREISIIN. Rakenteiden Mekaniikka, Vol.27 No.3, 1994, s

Materiaali on lineaarinen, jos konstitutiiviset yhtälöt ovat jännitys- ja muodonmuutostilan suureiden välisiä lineaarisia yhtälöitä.

SILTATEKNIIKAN PÄIVÄT

Harjoitus 1. KJR-C2001 Kiinteän aineen mekaniikan perusteet, IV/2016. Tehtävä 1 Selitä käsitteet kohdissa [a), b)] ja laske c) kohdan tehtävä.

ELEMENTTIMENETELMÄN PERUSTEET SESSIO 07: Aksiaalinen sauvaelementti, osa 2.

Suhteellinen puristuskapasiteetti arvioida likimääräisesti kaavalla 1 + Kyseisissä lausekkeissa esiintyvillä suureilla on seuraavat merkitykset:

Laskuharjoitus 2 Ratkaisut

Määritetään vääntökuormitetun sauvan kiertymä kimmoisella kuormitusalueella Tutkitaan staattisesti määräämättömiä vääntösauvoja

Rak BETONIRAKENTEIDEN HARJOITUSTYÖ II syksy op.

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Oheismateriaalin käyttö EI sallittua, mutta laskimen käyttö on sallittua Vastaukset tehtäväpaperiin, joka PALAUTETTAVA (vaikka vastaamattomana)!

Rautatiesilta LIITE 3 1/7

Harjoitus 10. KJR-C2001 Kiinteän aineen mekaniikan perusteet, IV/2016

Tiedolla kohti tehokkaampia betonirakenteita. Betoniteollisuuden kesäkokous Joensuu prof. Anssi Laaksonen

Betonin lujuus ja rakenteiden kantavuus. Betoniteollisuuden kesäkokous Hämeenlinna prof. Anssi Laaksonen

Aksiaalisella tai suoralla leikkauksella kuormitettujen rakenneosien lujuusopillinen analyysi ja suunnittelu

Teräsbetonipaalujen kantavuus

RASITUSKUVIOT. Kuvioiden laatimisen tehostamiseksi kannattaa rasitukset poikkileikkauksissa laskea seuraavassa esitetyllä tavalla:

MITOITUSTEHTÄVÄ: I Rakennemallin muodostaminen 1/16

Mitoitetaan MäkeläAlu Oy:n materiaalivaraston kaksiaukkoinen hyllypalkki.

Ratkaisut 3. KJR-C2001 Kiinteän aineen mekaniikan perusteet, IV/2016

α γ MPa α f γ f cd Mitoitus SFS-EN (EC2) mukaan Betoni

POIKKILEIKKAUSTEN MITOITUS

Oheismateriaalin käyttö EI sallittua, mutta laskimen käyttö on sallittua Vastaukset tehtäväpaperiin, joka PALAUTETTAVA (vaikka vastaamattomana)!

by1030 Käytä desimaalien merkitsemiseen pilkkua. Käytä sivussa olevia painikkeita dokumentin sisällä liikkumiseen.

LUJUUSOPPI. TF00BN90 5op. Sisältö:

CHEM-A1410 Materiaalitieteen perusteet

Tuotelehti suunnittelijan apuna

KJR-C2002 Kontinuumimekaniikan perusteet

SISÄLTÖ Venymän käsite Liukuman käsite Venymä ja liukuma lujuusopin sovelluksissa

JARI PIETILÄ RAUDOITETUN BETONILAATAN TAIVUTUKSEN MALLINTAMI- NEN ANSYS-OHJELMALLA

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Betonirakenneohjeet. Tielaitos. Sillansuunnittelu. Helsinki TIEHALLINTO Siltayksikkö

1. kotitehtäväsarja - Einsteinin summaussääntö ja jännitystila - malliratkaisut

Tuomas Kaira. Ins.tsto Pontek Oy. Tuomas Kaira

Stabiliteetti ja jäykistäminen

Elementtipaalulaatat rautateillä

JÄNNERAUDOITTEET. Sisältö Jännityskorroosio rakenteellinen näkökulma TkT Anssi Laaksonen

KJR-C1001: Statiikka L5 Luento : Palkin normaali- ja leikkausvoima sekä taivutusmomentti

1.5 KIEPAHDUS Yleistä. Kuva. Palkin kiepahdus.

Vaijerilenkit. Betoniteollisuus ry

Kehänurkan raudoitus. Kehän nurkassa voi olla kaksi kuormitustapausta:

SUORAN PALKIN TAIVUTUS

Tasokehät. Kuva. Sauvojen alapuolet merkittyinä.

HYPERSTAATTISET RAKENTEET

Kuitubetonin. taivutuskapasiteettia. kuitutyyppejä käytettäessä Diplomityö Aalto-yliopistossa

Saumattomat betonilattiat suunnittelu ja toteutus. Betonipäivät 2010 Casper Ålander

RIL Sillat suunnittelu, toteutus ja ylläpito

SISÄLTÖ 1. Veto-puristuskoe 2. Jännitys-venymäpiirros 3. Sitkeitten ja hauraitten materiaalien jännitysvenymäkäyttäytyminen

ESIMERKKI 1: NR-ristikoiden kannatuspalkki

Vakiopaaluperustusten laskenta. DI Antti Laitakari

Teräsbetonipaalun mitoitus PO-2016 mukaan

Hämeenkylän koulun voimistelusalin vesikaton liimapuupalkkien kantavuustarkastelu

Murtumismekaniikka III LEFM => EPFM

Seinää vasten olevat liittopilarit tulipalossa

FERROMETAL OY:N BETONIRUUVIEN TARTUNTA- VETOKOKEET JA LEIKKAUSKOKEET - Koetulokset

RIL263 KAIVANTO-OHJE TUETUN KAIVANNON MITOITUS PETRI TYYNELÄ/RAMBOLL FINLAND OY

SUORAN PALKIN RASITUKSET

KT51 Kirkkonummen syvä- ja massastabiloitu koerakenne LIITE 1 LIITTEET

EN : Teräsrakenteiden suunnittelu, Levyrakenteet

Ruuviliitoksen lujuus

Eurokoodien mukainen suunnittelu

Paksuseinäisen betonirakenteen kuntotutkimus yhdistetyllä ainetta rikkomattomalla menetelmällä

BES 2010 Runkorakenteiden valinta ja kantokykykäyrästöt. DI Juha Valjus

KIMMO JALONEN BETONISILTAAN KOHDISTUVAT RASITUKSET PAKOTETUISTA JA ESTETYISTÄ MUODONMUUTOKSISTA. Diplomityö

Palkkien mitoitus. Rak Rakenteiden suunnittelun ja mitoituksen perusteet Harjoitus 7,

Betonirakenteiden materiaaliominaisuudet

Pääraudoituksen ankkurointi. Harjateräksen tartuntalujuus

Transkriptio:

Jännebetonipalkin puristusmurtokestävyys Betonitutkimusseminaari Messukeskus, 31.10.2018 Joonas Tulonen, Tohtorikoulutettava, Tampereen teknillinen yliopisto 31.10.2018 1

Tutkimusongelma, lähtökohdat Tarve: tuntea jännitetyn siltarakenteen väännön, leikkauksen ja taivutuksen yhteisvaikutukset Varsinkin tilanteessa, jossa rakenne on vaurioitunut (jänteitä poikki) Ongelma: Suunnittelumenetelmät (NCCI 2, EN 1992-1-1 & 1992-2) soveltuvat uuden rakenteen suunnitteluun Eivät kuvaa rakenteen todellista toimintaa eri kuormitusasteilla vrt. momentti-käyristymän laskenta taivutuksen osalta Kantavuuslaskennassa/tutkimuksessa tarve olisi tarkemmille menetelmille Tutkitaan: tarkempien menetelmien (CFT, MCFT, RA-STM, SMM-PC, jne..) soveltamista jännitettyjen suomalaisten siltojen analyysissa Taivutusmomentti M [knm] 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 EC [1]: 0 200 400 600 800 Vääntömomenti T [knm] Md/MplRdmax+Td/Tumax = 1 TRd MRd NCCI 2: ENTÄ VÄÄNTÖ+TAIVUTUS? VOIKO KULMAN VALITA AINA? 31.10.2018 2

Toiminta ennen halkeilua Ennen halkeilua TB (ja JB) rakenne toimii homogeenisena poikkileikkauksena ja Saint-Venant teoriaa voidaan hyödyntää Pääjännitykset rakenteen pinnalla voidaan määrittää Mohrin ympyrän avulla Erilaiset betonin materiaalimallit soveltuvat usein vain hauraan murtokriteerin kuvaamiseen (esim Mohr-Coulomb) [3] [2] 31.10.2018 3

ja halkeilun jälkeen [4] Kun päävetojännitys (taivutuksesta, leikkauksesta tai väännöstä) ylittyy jossain rakenteen pinnalla, rakenne halkeaa ja toiminta muuttuu Samalla vapautuu usein myös osa yhteensopivuusehdoista/pakkomomenteista aiheutuvista rasituksista Eräs tapa kuvata rakennetta vääntöhalkeilun jälkeen on muuttaa rakenne laskennallisesti kotelorakenteeksi tai ristikkorakenteeksi Analogia perustuu siihen, että väännön aiheuttamat rasitukset ovat suurimmat rakenteen reunoilla, jossa myös vääntöä vastustava raudoitus sijaitsee ττ = TT 2AA kk tt τ = leikkausjännitys seinämässä T = vääntömomentti Ak = kotelon seinämien keskilinjan rajaama ala t = seinämän vahvuus (yleensä 2xraudoituksen etäisyys pinnasta) 31.10.2018 4

Compression Field Theory [5] Halkeaman avautumisen jälkeen rakenteen jännitystila on monimutkainen ja sen tarkemmaksi tuntemiseksi kehitettiin 70-80 luvuilla otsikon mukainen menetelmä Vaikka betoni halkeaa kantaa se edelleen kuormaa halkeamiin nähden kohtisuorassa Pääjännitysten suunta muuttuu halkeilua edeltävästä suunnasta Pääjännitysten suunta (eli myös halkeamien) suunta muuttuu kuormituksen lisääntyessä Pääoletuksena CFT:ssä on, että päävenymien ja pääjännitysten suunnat ovat samat Asia on osoitettu kokeilla pitävän riittävällä tarkkuudella paikkansa Menetelmässä huomioidaan myös betonin puristuslujuuden heikkeneminen poikittaisen päävenymän vaikuttaessa 31.10.2018 5

Puristettu ja poikittain vedetty betoni Betonin puristuslujuuden ja poikittaisen venymän yhteyttä on tutkittu lukuisilla betonipaneelien leikkauskokeilla ja sen kuvaamiseen on esitetty useita malleja Alunperin Mitchell ja Collinsin mukaan yhteys oli: ff 2mmmmmm = Ja täten materiaalimalli: σσ cc (εε 2 ) = ff 2max 2 εε 2 εε cc εε 2 εε cc 2 Täten betonin jännitys-venymä -yhteys riippuu myös venymien esiintymisjärjestyksestä fff cc 0,8+170εε 1 fff cc [5] 31.10.2018 6

CFT tasapainoyhtälöt Kirjoittamalla haljenneeseen betonipaneelin vaikuttavien ulkoisten kuormien ja sekä sen sisäisten rasitusten tasapainoyhtälöt, sekä Mohrin venymäympyrään perustuva Wagnerin yhtälö, voidaan rakenteen venymätila ja sitä vastaavat sisäiset rasitukset ratkaista Jos materiaalimallit ovat lineaarisia saadaan tasapainoyhtälöt ratkaistua yksinkertaisesti ratkaisemalla yhtälöryhmästä puristusdiagonaalin suuntakulma θpl Epälineaarisia materiaalimalleja käytettäessä täytyy ratkaista vähintään kaksi muuttujaa [6] 31.10.2018 7

Väännön ja taivutuksen yhteisvaikutus Tarkastellaan oheisen kuvan mukaisen poikkileikkauksen puristetun ja vedetyn reunan leikkauskestävyyttä (väännön aiheuttama) eri puristusjännityksen arvoilla Kotelopoikkileikkauksen seinämien keskilinja kulkee pituussuunnan terästen kautta Oletetaan, että pystyseinämät eivät rajoita vääntökestävyyttä Tarkastellaan ylä/alareunaa kuvaavaan betonipaneelin toimintaa eri raudoitussuhteilla Teräksillä bilineaarinen plastinen materiaalimalli (fy = 500 MPa) Betonin materiaalimalli Mitchell&Collins mukainen (f c = 30 MPa) Ei huomioida puristusteräksiä Raudoitusuhteet, kun t=120 mm: - 4 %, vastaa n. T16 k42 / T25 k100-2 %, vastaa n. T16 k85 / T25 k200-1 %, vastaa n. T12 k100 / T16 k170-0,5%, vastaa n. T12 k190 Asmin,pit = n. T20 k200 (n. 1,3 %) Asmin,poik = T12 k200 31.10.2018 8

Väännön ja taivutuksen yhteisvaikutus 1 12 10 Leikkausjännitus [MPa] 8 6 4 2 0-35 -25-15 -5 5 15 25 Aksiaalinen jännitys [MPa] x myötö, 0.04:0.04 y myötö, 0.04:0.04 murto, 0.04:0.04 x myötö, 0.04:0.02 y myötö, 0.04:0.02 murto, 0.04:0.02 x myötö, 0.04:0.01 y myötö, 0.04:0.01 murto, 0.04:0.01 x myötö, 0.04:0.005 y myötö, 0.04:0.005 murto, 0.04:0.005 31.10.2018 9

Väännön ja taivutuksen yhteisvaikutus 2 12 10 Leikkausjännitys [MPa] 8 6 4 2 0-35 -25-15 -5 5 15 25 Aksiaalinen jännitys [MPa] x myötö, 0.02:0.04 y myötö, 0.02:0.04 murto, 0.02:0.04 x myötö, 0.02:0.02 y myötö, 0.02:0.02 murto, 0.02:0.02 x myötö, 0.02:0.01 y myötö, 0.02:0.01 murto, 0.02:0.01 x myötö, 0.02:0.005 y myötö, 0.02:0.005 murto, 0.02:0.005 31.10.2018 10

Väännön ja taivutuksen yhteisvaikutus 3 12 10 Leikkausjännitys [MPa] 8 6 4 2 0-35 -25-15 -5 5 15 25 Aksiaalinen jännitys [MPa] x myötö, 0.01:0.04 y myötö, 0.01:0.04 murto, 0.01:0.04 x myötö, 0.01:0.02 y myötö, 0.01:0.02 murto, 0.01:0.02 x myötö, 0.01:0.01 y myötö, 0.01:0.01 murto, 0.01:0.01 x myötö, 0.01:0.005 y myötö, 0.01:0.005 murto, 0.01:0.005 31.10.2018 11

Puristusdiagonaalin suuntakulma murrossa 80 Puristusdiagonaalin kulma murrossa [deg] 70 60 50 40 30 20 10 0-35 -30-25 -20-15 -10-5 0 5 10 15 Aksiaalinen jännitys [MPa] 0.02:0.04 0.02:0.02 0.02:0.01 0.02:0.005 31.10.2018 12

Paneelien rasitukset palkin voimasuureina Tarkastellaan betonin puristusmurtoa tapauksessa jossa pituussuunnan raudoitussuhde paneelissa on 2 %. Otaksutaan, että rakenteessa on esijännitettyjä jännepunoksia siten, että M Rd = 5000 knm ja M pl,rdmax = 8000 knm Otaksutaan myös, että puristetun reunan puristusjännitys lisääntyy lineaarisesti taivutusmomentin kasvaessa Leikkausjännitystä vastaava vääntömomentti lasketaan: T Rd = τ*2*ak*t = τ*2*1,0 m 2 *0,12 m Verrataan NCCI 2 laskentaan Poikkileikkauksen maksimi vääntökestävyys: T umax = 0,25*f c *W tr = 0,25 * 30 MPa * 2*1,0 m 2 * 0,3*(1,0 m / 2) = 2250 knm (2700 knm, jos hyödynnetään esijännitystä) Raudoitussuhteen (poikittainen haka) funktiona vääntökestävyydet ovat: 0,5 %: 1200 knm (sallittu raudoitusuhde ylittyy) 1 %: 1697 knm 2 %: 2400 knm 4 %: 3394 knm 31.10.2018 13

Paneelien rasitukset palkin voimasuureina vrt. NCCI 2 3000 2500 Vääntömomentti [knm] 2000 1500 1000 500 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 Taivutusmomentti [knm] CFT murto 0.04 CFT murto 0.02 CFT murto 0.01 CFT murto 0.005 CFT myötö 0.01 CFT myötö 0.005 MRd TRd 0.005 TRd 0.01 T/Tumax + M/MplRdmax <1 T/Tumax + M/MplRdmax <1 (esijännitys huomioitu) 31.10.2018 14

CFTstä jatkokehitetyt versiot Modified Compression Field Theory (MCFT) kehitettiin jatkoksi perusteorialle ottamaan huomioon vetojäykistysvaikutus ja halkeamassa vaikuttava leikkausjännitys Tulokset vastasivat tällöin paremmin betonipaneelien kuormituskokeita Rotating-Angle Softened-Truss Model (RA-STM) on lähes vastaava MCFT:n kanssa, mutta raudoitusten jännityksinä käytettiin keskimääräisiä arvoja ja jännitys-muodonmuutos -yhteyttä muokattiin ottamaan tämä huomioon Softened Membrane Model (SMM) ottaa lisäksi huomioon Poisson vakion vaikutuksen ja pyrkii täten ennustamaan tarkemmin murron jälkeistä tilaa Kaikista näistä on myös kehitelty erilaisia refined ja improved malleja tiettyjä käyttötarkoituksia varten [5] 31.10.2018 15

Laskentamallien rajoitteet? Jatkotutkimus [7] Ottaako paneelianalogia riittävästi huomioon palkin betoniytimen jäykistävän vaikutuksen? On havaittu, että samalla tavalla raudoitetuilla ontoilla ja umpinaisilla poikkileikkauksilla saavutetaan erilaisia vääntökestävyyksiä Entä tilanne jännitetyn palkin tapauksessa, neutraaliakseli on usein korkealla, ja iso osa rakenteesta on puristettuna Menetelmässä ei myöskään ole huomioitu (leikkauksen ja väännön tapauksessa) rakenteessa sisempänä olevia leikkaushakoja Tavallinen ratkaisu suomalaisissa siltapalkeissa Ovatko siltojen liikennekuormien aiheuttamat rasitukset kuinka kriittisiä rakenteen puristusmurron kannalta? 31.10.2018 16

KIITOS HUOMIOSTANNE! Kysymyksiä? 31.10.2018 17

Kuvalähteet [1] SFS-EN 1992-1-1 [2] Guo, Zhennai, Principles of Reinforced Conrete, 2014, Elsevier Sciense, Saint Louis [3] Salmi, Virtanen, Materiaalien mekaniikka, 2008, Klingendahl Paino Oy, Tampere [4] Collins, Mitchell, Shear and Torsion Design of Prestressed and Non-Prestressed Concrete Beams, 1980, PCI Journal/September-October [5] ASCE.ACI Commitee 445, Recent Approaches to Shear Design of Structural Concrete, 1998, Journal of Structural Engineering, 124(12): 1375-1417 [6] Pulkkinen, Diplomityö: Betonisen palkin puristusmurtokestävyys yhdistetyillä rasituksilla, 2017, Tampereen teknillinen yliopisto, Tampere [7] Alnuaimi, Al-Jabri, Hago, Comparison between solid and hollow reinforced concrete beams, 2008, Materials and Structures, 41:269-286 31.10.2018 18