Betonipaalujen lyöntikokeet Iskurasituksen vaikutus betonin lujuusominaisuuksiin Betoniteollisuuden paaluseminaari 17.11.2016 Jukka Haavisto, TTY Teräsbetonipaalujen rakenteellinen tutkimus TTY:llä Teräsbetonipaalujen rakenteellisen mitoitustutkimuksen esiselvitysvaihe suoritettiin 2015 Tämän pohjalta kaksi osiota varsinaiseen tutkimusvaiheeseen: Mekaanisen mitoitusmallin laatiminen kärjeltään kantavalle teräsbetonipaalulle (rakenteellinen kantavuus) Iskurasituksen vaikutus betonin lujuusominaisuuksiin kuormituskokeiden avulla Rahoittajina RTL-säätiö, Betoniteollisuus ry:n paalujaos sekä Liikennevirasto 2 1
Tutkimuksen lyöntikoeosuus Heikentääkö asennusvaihe merkittävästi paalun betonia ja tulisiko se ottaa suunnittelussa huomioon? Kestääkö erittäin nuori betonipaalu lyöntien aiheuttamat rasitukset? Koepaaluja lyötiin yhteensä 15 kpl, joista yhteensä 52 poranäytettä Lyöntikokeet tuloksineen osana diplomityötä Toni Kujala: Betonin puristuslujuus erilaisten rasitustilojen jälkeen Työssä kuormitetaan betoninäytteitä myös staattisesti ja hitaammilla toistoilla Työ suunnilleen puolessa välissä 3 Koepaalut Vastaa perusrakenteeltaan TB300b paalua Valettiin HTM Yhtiöiden paalutehtaalla Ryttylässä Lyönnit 3 vrk ja 14 vrk ikäisinä 4 2
Lyöntipaikka HTM Yhtiöiden piha-alueella Ryttylässä Rakenne: Paaluperustainen betonilaatta 100+70 mm teräslevyt n. 0,8 m murskekerros 5 Lyöntilaite Pirkan Rakentajapalvelu Oy:n Junttan PM 20 LC SHK-3 kiihdytetty hydraulijärkäle Iskutyynynä n.15 cm pyökki Iskutyynyn paksuutta seurattiin paalujen ja lyöntisarjojen välillä Tarpeen mukaan vaihto Ensimmäinen koepaalu lyötiin pesään jääneellä koivulla (12 cm) 6 3
Lyöntimäärien suunnittelua Haettiin karkeaa arviota tyypillisistä lyöntimääristä paalutustietokoneiden keräämistä datoista Koostetussa datassa yli 5 000 osapaalua Paalutustietokoneiden käyttö vielä melko uutta ja kehittyy yhä, lisäksi otos melko suppea Kriittinen suhtautuminen dataan 30,0 % 25,0 % 20,0 % 15,0 % 10,0 % 5,0 % 0,0 % 0-100 100-200 200-300 300-400 400-500 500-600 600-700 700-800 800-900 900-1000 1000-1100 1100-1200 1200-1300 1300-1400 1400-1500 1500-1600 1600-1700 1700-1800 1800-1900 2000-2100 2200-2300 2300-2400 2400-2500 Osapaalun lyöntimäärä [kpl] 7 Lyöntijännitysten suunnittelua Lyöntijännitykset tietyssä suhteessa betonin testattuun puristuslujuuteen Paalubetonin puristuslujuus testattiin lyöntikoeaamuna kolmesta D150x300 olosuhdekoekappaleesta Yhtenä kiinnostavana jännitystasona maata syrjäyttävien paalujen toteutusstandardin jännitysraja 0,8 x f ck Lisäksi lyöntijännityksiä tämän ylä- ja alapuolelta Lopullinen säätö ensimmäisten lyöntikokeiden perusteella 8 4
Lyöntijännitysten seuranta PDA-mittaus Inspecta Oy:n toimesta Mittaus kahdesta tasosta Venymä jokaiselta sivulta Lisäksi kiihtyvyysanturit Venymät jännityksiksi EC2:n mukaan lasketulla kimmokertoimella Paalutuskoneen pudotuskorkeutta säädettiin reaaliaikaisten mittausten perusteella PDA-mittaus ei rekisteröi kaikkia lyöntejä Lyöntimäärä paalutuskoneen laskurista 4 venymää + 1 kiihtyvyys 4 venymää + 1 kiihtyvyys 9 Lyöntijännitykset ja -määrät (toteutuneet, alustava) 60 Lyöntien keskimääräinen jännitys alapäässä, σ cm [MPa] 50 40 30 20 10 EN 12794: Jatkoksen testaus, luokka A EN 12794: Luokka B EN 12794: Luokka C ja D D A B C f cm 90 % 80 % f cm 70 % 90 % 60 % 80 % 70 % 60 % 50 % 0 10 100 1 000 10 000 Lyöntimäärä, n [kpl] 10 5
Poranäytteet Lyöntien jälkeen paalut katkaistiin PDA-anturien mittaustasolta Ø100 mm näytteiden poraus aksiaalisesti Kaksi näytettä / katkaisukohta Näytteet katkaistiin lopulliseen koepituuteen (200 mm) laboratoriossa Puristuslujuusnäytteille lisäksi päiden hionta Alle 200 mm pituiset näytteet halkaisuvetokokeeseen 11 Havaintoja lyönneistä Paalut kestivät jo 3 vuorokauden ikäisenäkin erittäin suuria lyöntijännityksiä Murtoon asti lyödyissä paaluissa murto tapahtui aina alapäästä Määritetyt jännitykset paalun alapäässä keskimäärin n. 9 % korkeampia kuin yläpäässä Max. reunajännitykset keskimäärin n. 17 % korkeampia kuin paalun keskimääräinen jännitys 0 10 20 30 40 50 60 Lyöntien jännitykset [MPa] CSX CSI 12 6
Lujuusmääritykset Betonin puristuslujuusstandardit SFS-EN 12390-3 ja SFS-EN 12504-1 Betonin halkaisuvetolujuusstandardi SFS-EN 12390-6 13 Puristuslujuustulokset 50,0 Lyöntirasitus 14vrk-paalut Puristuslujuuskokeen tulokset Koekappaleen puristuslujuus, f c [MPa] 45,0 40,0 35,0 f cm 90 % 80 % 30,0 10 100 1 000 10 000 Toistomäärä, n [kpl] 0,6*fcm lyöntijännitys (0,56-0,64) 0,7*fcm lyöntijännitys (0,67-0,74) 0,8*fcm lyöntijännitys (0,76-0,85) Referenssi, ei lyöntirasitusta 14 7
Halkaisuvetolujuustulokset 4,00 Lyöntirasitus 14vrk-paalut Halkaisuvetokokeen tulokset Koekappaleen halkaisuvetolujuus, f ct [MPa] 3,50 3,00 f ctm 90 % 80 % 70 % 2,50 10 100 1 000 10 000 Toistomäärä, n [kpl] 0,6*fcm lyöntijännitys (0,56-0,64) 0,7*fcm lyöntijännitys (0,67-0,74) 0,8*fcm lyöntijännitys (0,76-0,85) Referenssi, ei lyöntirasitusta 15 Tutkimuksen haasteita Testeissä käytetty betoni oli erittäin nuorta, jolloin betonin lujuuden kehittyminen oli vielä melko nopeaa Kaiken oli tapahduttava hyvin lyhyen ajan sisään lujuuden kehittymisen tuloksiin vaikuttamisen minimoimiseksi Halkaisuvetokokeelle tyypillistä iso hajonta Hajonnan vaikutus tuloksiin suppealla koemäärällä Paalutuksen rytmihäiriöt Lyöntirasituksessa mitattiin venymiä - ei jännityksiä Kimmokertoimen valinta vaikuttaa jännityksiin Upotuslyönneissä jännitystasot erilaisia kuin testitilanteessa Testeissä käytetty koejärjestely paaluille äärimmäisen raju 16 8
Myös Ruotsissa tutkittu vastaavaa G. Holmbergin lisensiaatintyö vuodelta -01 Testeissä 24 koepaalua Puolet korkealujuusbetonista K115 Puolet betonista K60 Kokeiden perusteella korkeammalla betonin lujuudella ei ollut vaikutusta paalun haurauteen Lyöntien jälkeen suunnilleen samanlainen suhteellinen jäännöslujuus sekä normaalilla että korkealujuuksisella betonilla Lisensiaatintyössä esitetty malli jäännöslujuuden määrittämiseksi Ruotsissa paalurakenteen mitoituksessa betonille käytetään aina vähintään 0,9 reduktiokerrointa lyönneistä johtuen 17 Johtopäätöksiä ja lisää tuloksia luvassa Toni Kujalan alkuvuodesta 2017 valmistuvasta diplomityöstä ja myöhemmin julkaistavasta artikkelista 18 9