SILTATEKNIIKAN PÄIVÄT 24. - 25.1.2017 Betonin lujuus lähtökohdista rakenteisiin 25.1.2017 prof. Anssi Laaksonen Sisältö 1) Taustaa 2) Lujuuden lähtökohdat suunnittelussa 3) Lujuuden vaikutus rakenteen kestävyyteen 4) Rakennekoekappaleet 5) Yhteenveto 1
BETONIMATERIAALISTA Taustaa - Betoni on keraamin tavoin käyttäytyvä materiaali, puristuslujuus on ~10-kertaa vetolujuutta parempi - Betoni on valmistettu runkoaineksesta, vedestä, sementistä ja lisäaineista - Materiaalin lujuuteen ja jäykkyyteen vaikuttavat runkoaineen ja muodostuvan sementtikiven ominaisuudet Suunnittelustandardeissa ominaisuudet ovat monelta osin vakioitu, jotta työ olisi pragmaattista Monessa asiassa nimenomaan betonin lujuus on kriteerinä, esim. kimmokerroin tai pitkäaikaiskestävyyteen liittyvät asiat 2
Betonimateriaalin käyttäytyminen f ck 0.6 f ck 0.45 f ck A C B D ~2.0 ~3.5 E ] A. Stabiilin mikrohalkeilun alue Betoni ei murru toistuvassa rasituksessa. (0.45 f ck asti eli noin K/3) B. Viruma siirtyy epälineaariselle alueelle ja mikrohalkeilu kasvaa (0.6 f ck asti eli noin K/2) C. Epästabiilin mikrohalkeilun alue (0.6 0.8 f ck ). Raerajoissa halkeilun kehittymistä D. Epästabiilin makrohalkeilun alue (0.8 1.0 f ck ). Halkeamat yhdistyvät toisiinsa. E. Betoni murtuu Useampiakselinen jännitystila - Edellä nähtiin, että betonin murtuessa siihen muodostuu pääsuunnan jännitystä 1 vastaan kohtisuoraan halkeamia - Jos kaksiaksiaalisessa tilanteessa samanaikaisesti kohdistetaan toisen akselin suuntaista jännitystä 2 = f ck, kestää materiaali täyden lujuuden f ck myös suunnassa 1 - Jos kolmiaksiaalisessa tilanteessa materiaaliin kohdistetaan jännitykset 1 ja 2 = 2, niin materiaalin kestää jopa moninkertaisen lujuuden suunnassa 3 - Esim. paikallisen puristuslujuuden arvioinnissa ja nk. Confinement raudoituksen yhteydessä hyödynnetään tätä 3
Poikittaisen venymän vaikutus - Kun betoniin kohdistetaan pääsuuntaa vastaan kohtisuoraan venymää, kestävyys alenee - Leikkaustarkastelun yhteydessä käytetään redusointia = 0.6 Muut tekijät - Betonin lujuuden kehitys, aika on luonnollisesti otettava huomioon sementtityyppi, lämpötila. Ajan suhteen referenssinä käytetään normaalisti 28 vuorokautta. Myös hitaammin kehittyviä käytetään, joiden referenssi on aina 91 vuorokauteen asti - Aika vaikuttaa betonimateriaaliin myös käänteisesti, betoni ei kestä lyhytaikaista täyttää lujuutta pitkäkestoisessa kuormituksessa 4
LUJUUDEN LÄHTÖKOHDAT SUUNNITTELUSSA Yleistä - Käytettävät mitoitusmenettelyt ovat esitetty ohjeissa ja standardeissa - Suunnittelussa otaksutaan että vaadittu lujuus täyttyy - Lujuus 150x300 mm lieriölle on suunnittelun perusta, f ck - Betonimateriaaliin ja sen lujuuteen liittyy selvästi luontaista hajontaa. Tämän johdosta betonin osavarmuusluku on melko korkea 1.5 tai 1.35. - Betonimateriaalin lujuusluokan valinta päällysrakenteessa tehdään saavutettavissa olevan kriittisten poikkileikkausten rakenteellisen kestävyyden ja käyttöikäkysymysten tarpeista - Kunkin rakenneosan matkalle valitaan normaalisti sama betoni - Näin materiaalin täysi lujuustarve rakenteellisen kestävyyden näkökulmasta ei vallitse kaikkialla rakenteessa - Vain kestävyyden tarkastelun lisäksi tulee ottaa huomioon koko mitoitusprosessi, esimerkiksi kuormat mille rakenne suunnitellaan 5
Murtorajatila - Betonin osavarmuuslukuun 1.3 päädytään, kun otaksutaan hajonnat: - Betonin lujuus 15 % - Geometrinen tekijä 5 % - Rakennemallin epävarmuus 5 % - Näiden lisäksi on otettu huomioon kerroin 1.15 kattamaan epävarmuus ja hajonta betonista tehtyjen standandikoekappaleiden ja todellisen rakenteen (rakennekoekappaleet) välillä - Säilytyksen olosuhteet, kosteus ja lämpötila - Valutyöhön liittyvät epävarmuustekijät - Kerroin 1/1.15 85 % on sama, jota käytetään vaatimuksena rakennekoekappaleiden yhteydessä - Näin saadaan osavarmuusluku: C = 1.3 1.15 = 1.5 - Jos edellä mainitusta poiketen betonin lujuuden hajonta on 10 % ja käytetään osavarmuuslukua C = 1.35, muodostuu lujuuden vaatimustasoksi rakennekoekappaleista 90 % Käyttörajatila - Betonin jännityksiä rajataan käyttörajatilassa - Ominaisyhdistelmä, kerran, korkeintaan kertoja, sillan elinkaaren aikana esiintyvä tilanne, 0.6 f ck Jotta materiaali ei hajoaisi tai muodostuisi haitallisia muodonmuutoksia - Pitkäaikaisyhdistelmä, usein mahdollinen tilanne, 0.45 f ck Jotta virumien vaikutus ei kasvaisi haitalliseksi (taipumat) Ei murru toistuvassa rasituksessa - Yleisesti jännitykset ovat isoja rakenneosissa missä - on suhteellisesti paljon pysyvää kuormaa verrattuna muuttuvaan - Jännitetyissä rakenteissa 6
LUJUUDEN VAIKUTUS RAKENTEEN KESTÄVYYTEEN Taivutuskestävyys - Otaksutaan 15 % vaje betonin puristuslujuuteen ja lasketaan taivutuskestävyyden vaje M [%] jatkuvan jälkijännitetyn palkkisillan kentässä(vasen) ja tuella(oikea) - Kuvista nähdään että kenttäalueella vaikutus on pieni - Tukialueella vaikutus on ~5 % kun raudoitusmäärä on iso - Kuvissa punaiset viivat ovat yliraudoitetulla alueella 7
Pilari - Otaksutaan 15 % vaje betonin puristuslujuuteen ja lasketaan karkeasti taivutuskestävyyden vaje M [%] ja normaalivoimakapasiteetin vaje N [%] - Laskenta on laadittu karkeasti poikkileikkaustasossa otaksuen pilarille tavanomainen N ja M yhdistelmä - Kuvasta nähdään että normaalivoimakapasiteetti laskee samassa suhteessa ja taivutuskapasiteetti ~5 % - Lisäksi tulee huomata että toinen kertaluku kasvaa, jolloin taivutuksen muutos kasvaa ajatellen koko pilarin kapasiteettia Muut kysymykset - Jälkijännitetyissä rakenteissa ankkurialueella valitsee korkeita jännityksiä - Ankkurikappaleiden yhteydessä hyödynnetään aiemmin esiteltyä kolmiaksiaalista jännitystilaa ja nk. confinement raudoitusta - Näitä ei suunnittelussa mitoiteta, vaan niihin liittyvät testit on laadittu ja vaatimukset on esitelty niiden ETA-dokumenteissa - Jännitystaso/kuorma on todellinen ja varmasti esiintyvä - Mikäli keskiöetäisyyksien valinnan kautta betonin lujuus on määräävä, tai muutoinkin, niin lujuuden alittuessa ankkurilla on riski rikkoa rakenne - Onnistuneen jänteiden jälki-injektoinnin ja häviöiden jälkeen tilanne helpottuu, mikäli confiment raudoite on riittävä kattamaan kuormituksen keston aiheuttaman vaikutuksen materiaaliin (vrt. kuormituksen keston vaikutus) 8
RAKENNEKOEKAPPALEET Menetelmä - Lujuuden selvittämiseksi rakenteesta voidaan porata rakennekoekappaleita - Rakennekoekappale on luotettavin menetelmä lujuuden selvittämiseksi valmiista rakenteesta - Muita menetelmiä voidaan käyttää tämän tukena - Saavutettava lujuus voi vaihdella mistä näyte otetaan, esimerkiksi pilarin yläosa vs. alaosa - Esimerkiksi tähän on varauduttu 15 % lisävarmuudella, eli 85 % vaatimustasolla rakennekoekappaleissa 9
Porattavan näytteen mitat - Lieriön pituuden ja halkaisijan suhde, erilainen murtotapa - Näytteen halkaisijalla on vaikutus saavutettavaan lujuuteen - Otettava huomioon kuinka iso näyte voidaan porata Porattavan näytteen mitat - Pienemmillä näytteillä lujuuden osalta hajonta kasvaa - Materiaalin epähomogeenisuus, paikalliset virhealueet korostuvat - Lujuus määritetään koekappaleista tilastollisena tarkasteluna. Mitä suurempi määrä on näytteitä, sitä luotettavampi arvio lujuudelle saadaan. 10
Muut tekijät - Myös porauksen jälkeinen säilytys vaikuttaa tulokseen - Tutkimuksissa on esitetty veden paineen kasvavan betonin huokosissa kuormituksen saaden aikaan sisäisiä jännityksiä - Itse näytteen kuormitukseen liittyy myös lukuisia tekijöitä, esimerkiksi näytteen päiden hionnat/rikitys, laitteen toiminta, murtolujuuden arviointikriteeri YHTEENVETO 11
Johtopäätökset 1 - Betonimateriaalin lujuuteen liittyy lukuisia tekijöitä ja hajontaa - 85 % vaatimustaso rakennekoekappaleista on toimiva myös osavarmuuslukua 1.35 käytettäessä, kun mitoitusprosessi on laaditti konservatiiviseksi ja riittävästä laatutasosta varmistutaan koko ketjun aikana - 15 % vara ennalta on perusteltu, koska toteutuvaan lujuuteen vaikuttaa lukuisia tekijöitä, mutta sitä ei ole tarkoitettu käytettäväksi ennalta - Siellä missä lujuutta tarvitaan täysimääräisesti, sen puutetta ei voi perustella. Johtopäätökset 2 - Yleisesti pieni lujuuden alitus ei saa aikaan lähellekään uudelle sillalle kantavuuden rajoitusta ajoneuvoasetuksen ajoneuvoille. - Kantavuuden arvioinnissa ja sillan korjaamisessa lujuuden vajeella on merkitystä - On tunnistettava alueita rakenteista mitkä ovat kriittisiä rakenteen kantokyvyn suhteen (ja vastaavasti muut alueet) - Silloista on tunnistettavissa paikkoja, missä lujuudella on suurempi merkitys, lähinnä missä todelliset jännitykset ovat korkeat: - Jännebetonirakenteet - pilarit missä pysyvän kuorman osuus on suuri 12
KIITOS TARKKAAVAISUUDESTA, KYSYMYKSIÄ? 13