EC7 Kuormien osavarmuusluvut geoteknisessä suunnittelussa, vaihtoehtoja nykyarvoille Tim Länsivaara TTY EUROKOODI 2014 SEMINAARI
Sisältö 1. Johdanto 2. Kuormien osavarmuusluvut stabiliteettitarkastelussa 3. Kuormien osavarmuusluvut tukiseinän mitoituksessa 4. Johtopäätökset EUROKOODI 2014 SEMINAARI 10.12.2014 2
1. Johdanto Kuormien osavarmuusluvut on määrätty pitkälti rakenteellisen mitoituksen ja siinä esiintyvien kuormien hajonnan perusteella. Pohjarakentamisessa näitä sovelletaan miettimättä lainkaan kuormiin liittyviä todellisia epävarmuuksia. Seuraamus; vaaditaan korkeampaa luotettavuusluokkaa ja sovelletaan kuormakertoimia KFI toimiiko kuorman kohottaminen aina pohjarakenteissa? Tarkastellaan asiaa stabiliteettilaskennan ja tukiseinien mitoituksen kautta EUROKOODI 2014 SEMINAARI 10.12.2014 3
2.1. Miten varmuus tulisi kohdistaa kuormiin stabiliteettilaskennassa? Pysyvien kuormien osavarmuusluku on stabiliteetinlaskennassa 1,0 ja muuttuvien 1,3 onko oikein? Asuintalo γ Q = 1.0 Malmijuna γ G = 1.3 Mitkä ovat seuraukset jos sortuma sattuu? EUROKOODI 2014 SEMINAARI 10.12.2014 4
2.2. Miten luotettavuuden tasoluokitus tulisi ottaa huomioon stabiliteettilaskennassa? Eurokoodeissa käytetään kuormakertoimia KFI kun vaaditaan korkeampaa luotettavuusluokkaa. Stabiliteettilaskennassa kuorman korottamisella on kuitenkin täysin satunnainen vaikutus. Vilja siilo, ei ihmisiä γ M = 1.25, K FI = 1.0, ODF = 1.04 Kerrostalo, 100 asukasta γ M = 1.25, K FI = 1.1, ODF = 1.03 Vaikutuksen tulisi kohdentua maan lujuuteen! EUROKOODI 2014 SEMINAARI 10.12.2014 5
2.3. Entä maan lujuuden epävarmuus? EN 1997-1: γ M (c -φ) = 1,25 γ M (s u ) = 1,4 (FI NA 1,4/1,5) Karkearakeisilla maalajeilla kitkakulma määritetään yleensä epäsuorasti kairausten avulla Suljetun leikkauslujuuden hajonta voi olla hyvin suuri (esim. COV = 0,3), riippuu kuitenkin paljon tutkimusmenetelmästä. Tehokkailla lujuusparametreilla voi tehdä myös suljetun tilan laskennan jolloin epävarmuus on huokosvedenpaineessa! Tulisiko osavarmuusluvun valinnassa käyttää enemmän harkintaa ja arvioida todellista epävarmuutta EUROKOODI 2014 SEMINAARI 10.12.2014 6
2.4. Luotettavuuslaskentaan perustuvat osavarmuusluvut Oletukset: Maan lujuus COV M = 0,1-0,2 0,3 log normaali (+ normaali) jakauma Kuormat COV Q = 0,4 + COV Q = 0,25, COV G = 0,1 normaali jakauma, yhdistetty riippuvasti Lisäksi voidaan ottaa huomioon Yleinen epäluotettavuus COV = 0,1, normaali jakauma Tavoite luotettavuustaso (CC/RC) β 50 = 4,3 (RC3), β 50 = 3,8 (RC2) ja β 50 = 3,2 (RC1) EUROKOODI 2014 SEMINAARI 10.12.2014 7
2.4. Luotettavuuslaskentaan perustuvat osavarmuusluvut EN 1997-1 Kuormat; γ G = 1,0 γ Q = 1,3 COV G = 0,1 COV Q = 0,4 Material factor γ M ( log normal ) Material factor γ M ( normal ) load proportion Q/(G+Q) [%] load proportion Q/(G+Q) [%] Musta COV M = 0,1 Punainen COV M = 0,2 Sininen COV M = 0,3 Yhtenäiset viivat: Mukana myös yleinen epäluotettavuus EUROKOODI 2014 SEMINAARI 10.12.2014 8
2.4. Luotettavuuslaskentaan perustuvat osavarmuusluvut Vaihtoehtoinen menetelmä Musta COV M = 0,1 Punainen COV M = 0,2 Sininen COV M = 0,3 Kaikki epävarmuus lujuuteen Kuormat; γ G = 1,0 γ Q = 1,0 COV G = 0,1 COV Q = 0,25 β 50 = 3,2 β 50 = 3,8 Yhtenäiset viivat: Mukana myös yleinen epäluotettavuus COV = 0,1 (liian suuri?) β 50 = 4,3 EUROKOODI 2014 SEMINAARI 10.12.2014 9
2.4. Luotettavuuslaskentaan perustuvat osavarmuusluvut, esimerkki Tavarajuna asumattomalla alueella β 50 = 3,2 (RC1) Huonot pohjatutkimukset( tai suuri luonnollinen hajonta) COV M = 0,3 γ M = 1,65 Hyvät pohjatutkimukset (tai Tilaajalle pienempi selkeä luonnollinen hyöty hajonta) COV M = 0,2 γ M = 1,45 paremmista Erinomaiset pohjatutkimukset( ja hyvin pieni pohjatutkimuksista luonnollinen hajonta) COV M = 0,1 γ M = 1,3 EUROKOODI 2014 SEMINAARI Jos taloudellinen riski suuri, voi tilaaja vaatia suurempaa seuraamusluokkaa 10
2.4. Luotettavuuslaskentaan perustuvat osavarmuusluvut, esimerkki Asuintalo β 50 = 3,8 (RC2) Seuraamusluokkaa vaikuttaa suoraan vaadittuun varmuuteen Huonot pohjatutkimukset COV M = 0,3 γ M = 2,02 Hyvät pohjatutkimukset COV M = 0,2 γ M = 1,65 Erinomaiset pohjatutkimukset COV M = 0,1 γ M = 1,4 EUROKOODI 2014 SEMINAARI 11
3.1. Miten varmuus tulisi kohdistaa tukiseinien mitoituksessa? Nykytilanne Suomessa valittu DA2; varmuus kuormiin (tai niiden vaikutuksiin) ja kestävyyteen (passiivimaanpaine). Lisäksi Suomessa valittu kuormayhdistelmät 6.10 a) ja b) 6.10 b) kaavan pysyvän kuorman osavarmuusluku 1,15 voi olla riittävä ottamaan huomioon palkin omapainoon liittyvän epävarmuuden. Tukiseinämitoituksessa pysyvä kuorma on Aktiivinen maanpaine sen epävarmuus on huomattavasti suurempi Tukiseinien mitoituksessa ollaan usein tällä alueella EUROKOODI 2014 SEMINAARI 10.12.2014 12
3.1. Miten varmuus tulisi kohdistaa tukiseinien mitoituksessa? Nykytilanne Suomessa on korotettu kestävyyden osavarmuuslukua koska kuormien kautta varmuutta tulee vähemmän kuin suositusarvoissa, tämä ei kuitenkaan aina auta. Esim.: Teräksien tukiseinä, kaivu kallioon asti, ei passiivipainetta. Teräksen osavarmuusluku 1,0 varmuus seinälle ja vaakapalkille ainoastaan kuormien kautta Suomessa ollaan otettu käyttöön mallikerroin nostamaan varmuutta, tätä ei käytetä esijännitetyille ankkureille, joille on eurokoodeissa oma osavarmuuslukunsa Hieman sekavaa EUROKOODI 2014 SEMINAARI 10.12.2014 13
3.2. Mitkä ovat kuormien epävarmuudet? Tukiseinien mitoituksessa kuormana on aktiivimaanpaine Onko pysyvän kuorman aiheuttaman aktiivimaanpaineen epävarmuus pienempi kuin muuttuvan kuorman Asuintalo γ Q = 1,15 Autonosturi γ G = 1,5 Kuva;Arkkitehtuurimuseo Kuorman epävarmuus + (Maan tilavuuspaino?) Maan lujuus? Maanpainekerroin? Laskentamalli? = Aktiivimaanpaineen epävarmuus Kuorman epävarmuus + Maan lujuus? Maanpainekerroin? Laskentamalli? = Aktiivimaanpaineen epävarmuus EUROKOODI 2014 SEMINAARI 10.12.2014 14
3.2. Miten varmuus tulisi kohdentaa? Kuorman epävarmuus + Maan lujuus? Maanpainekerroin? Laskentamalli? Aktiivimaanpaine Taivutusmomentti Tukivoimat.. Epälineaarinen muunnos Epälineaarinen numeerinen laskenta Kattaako varmuuden kohdentaminen kuormaan (tai sen vaikutukseen) kaikki tilanteet? Ei välttämättä jos lujuus on suuri! Toimisiko sitten varmuuden kohdentaminen lujuuteen? Ei kun lujuus on pieni! Paras ratkaisu tukiseinillä olisi tarkistaa molemmat kuten EN 1997-1 DA1 EUROKOODI 2014 SEMINAARI 10.12.2014 15
4. Johtopäätökset Osavarmuusluvut tulisi perustua todelliseen epävarmuuteen Rakennepuolen kuormien osavarmuudet eivät aina toimi pohjarakentamisessa Stabiliteettilaskennassa varmuus ja luotettavuustaso tulisi kohdentaa (vain) lujuuden kautta: γ M = f(cov M )K MI Vain näin vaadittu luotettavuustaso vaikuttaa suoraan varmuustasoon / murtumistodennäköisyyteen Paremmista pohjatutkimuksista selkeä (taloudellinen) hyöty samalla kun epävarmuus pienenee EUROKOODI 2014 SEMINAARI 10.12.2014 16
4. Johtopäätökset Tukiseinien mitoituksessa tehdään nyt kaksi murtorajatilatarkastelua kaavoilla 6.10 a) ja b). Nämä eivät kuitenkaan kuvaa mitoitukseen liittyvää epävarmuutta / paranna luotettavuutta Ehdotus tukiseinien mitoitukseen Tarkistus 1: γ G = γ Q ( 1,5K FI ) (maan lujuus ominaisarvoilla.) Tarkistus 2: γ M = f(cov M )K MI (kuormat ominaisarvoina) Kummassakin lisäksi rakenteen materiaalin osavarmuusluvut Näin mitoitus yksinkertaistuisi ja kattaisi paremmin siihen liittyvä epävarmuudet EUROKOODI 2014 SEMINAARI 10.12.2014 17
Kiitos mielenkiinnosta! 18