Paalulaatan pakkovoimien ja niiden vaikutusten arviointi

Abstract

Tässä työssä tutkittiin aiemmin valettujen anturoiden varaan valetun paalulaatan halkeilua mekaanisten kuormien ja pakkomuodonmuutoskuormien vaikutuksista. Työn päällimmäisenä tavoitteena oli mitoittaa tapaustutkimuksen kohteeksi valittu paalulaatta käyttörajatilassa 0,2 mm:n halkeamaleveysrajaan 50 vuoden käyttöiälle. Mekaanisissa kuormissa huomioitiin laattaan suoraan kohdistuvat pintakuormat sekä pilareiden kautta välittyvät pystykuormat. Pakkomuodonmuutoskuormissa huomioitiin laatan betonin varhaisvaiheen hydrataatiolämmöstä aiheutuvat muodonmuutokset, autogeeninen kutistuma, kuivumiskutistuma ja viruma.

Halkeiluriskiä ja halkeilua tutkittiin laskennallisesti elementtimenetelmällä (FEM) Sofistik-ohjelmalla, ja työ toteutettiin tapaustutkimuksena. Laskelmien ensimmäisessä vaiheessa selvitettiin yksinkertaisia, käsinlaskuihin ja Exceliin ohjelmointiin soveltuvia menetelmiä, joilla voidaan arvioida pakkomuodonmuutoskuormia ja rakenteen kiinnitysastetta. Seuraavassa vaiheessa kohteesta luotiin symmetriseksi yksinkertaistettu rakenne (perustapaus), josta arvioitiin lineaarisilla ja epälineaarisilla jaksottaisilla FEM-analyyseillä merkittävimmät pakkovoimiin vaikuttavat tekijät kiinnitysasteen ja muodonmuutoskuormien osalta, sekä raudoitus halkeamaleveysvaatimusten täyttämiseksi. Valualueen mitat olivat kolmekymmentä metriä molemmissa suunnissa.

Perustapausta ei pystytty mitoittamaan 0,2 mm:n halkeamaleveysrajaan muuttamatta merkittävästi lähtötietoina käytettyjä otaksumia. Merkittävimmäksi laatan liikettä estäväksi tekijäksi todettiin anturat, joiden seurauksena laattaan syntyi hyvin suuri kiinnitysaste, eikä halkeamaleveyttä saatu rajoitettua alle raja-arvon edes suurilla raudoitusmäärillä. Hoikkien paalujen sivuttaisjäykkyyden tuottama kiinnitysaste oli hyvin pieni. Anturoiden varaan valetussa laatassa uloimpiin paaluihin syntyi vetoa laatan kutistuessa, mistä aiheutui laattaan vetovoimia paalujen estäessä koko rakenteen käyristymistä. Myös anturoita ympäröivän maan vaikutus oli merkityksellinen. Tulosten perusteella on suositeltavaa välttää ennalta valettujen anturoiden ja laatan välisiä jatkuvia kiinnityksiä.

Anturoiden varaan valettava laatta muokattiin kiinnitysastetarkastelujen perusteella tasapaksuksi pilarilaataksi, joka saatiin mitoitettua 0,2 mm:n halkeamaleveysrajaan. Maan ja laatan välinen kitka muodostui pilarilaatassa merkittäväksi vetojännitysten aiheuttajaksi laatan kutistuessa. Neliön muotoisen valualueen sivumittoja yritettiin kasvattaa kolmestakymmenestä metristä kuuteenkymmeneen ja yhdeksäänkymmeneen metriin, mutta tällöin maan ja laatan välistä kitkakerrointa täytyi pienentää selvästi alle yhden, mikä edellyttää laakerikerroksen suunnittelua. Lopuksi tarkasteltiin tutkimuskohteen paalulaattaa, joka tässä työssä muutettiin laskelmien perusteella anturoiden varaan valetusta laatasta pilarilaataksi, joka saatiin mitoitettua 0,2 mm:n halkeamaleveyteen, kun paalumäärää kasvatettiin alkuperäiseen nähden.

This master’s thesis studied the cracking of a pile slab due to combined imposed deformation loads and mechanical loads. The method of the thesis was the numerical analysis based on a case study and the subject was a base slab cast on top of previously cast pile caps and beams. The main objective of the thesis was to design the slab in serviceability limit state for maximum crack width of 0,2 mm. Mechanical loads included vertical loads imposed directly to the slab or indirectly through columns. Loads caused by imposed deformations included the effect of cement hydration on concrete temperature, concrete shrinkage and creep.

The cracking of the slab was studied by finite element analysis (FEA) using Sofistik software. First, simple hand calculation methods for evaluating the loads from forced deformation and restraint factors were established through literature review and calculations. In the next stage, the case slab was simplified to a geometrically symmetric 30 m * 30 m square slab, which was analysed for stresses and crack widths with linear and non-linear stepwise analyses, using the finite element method (FEM). The most significant factors affecting restraint degree were recognized by linear-elastic analysis.

The symmetric simplified slab was designed to comply with the crack width requirement, but the results were unsuccessful. The most significant source of restraint was found to be the beams and pile caps, which provided continuous restraints for the slab. The beams and pile caps resisting the deformation of the slab, induced stresses into the slab that led to very large crack widths, even with high reinforcement ratios. The restraining effect of overall horizontal stiffness of piles was low. The piles restrained the curvature of the structure which caused tensile normal forces in the outer piles and relatively large normal forces in the slab. The ground surrounding the pile caps and beams also restrained the deformations enough to be considered and the effect grew larger when the slab area was increased. Overall, it was found that it is most important to reduce the continuous restraint provided by the beams and pile caps.

Based on the observations of the preceding analysis, a simplified symmetric beam-slab structure was modified to a flat slab structure and was successfully designed in serviceability limit state for the maximum crack width of 0,2 mm. Friction between the slab and its base caused relatively large restraint in to the slab. When the sides of the square shaped single-cast area of the slab were increased up to 60 meters and 90 meters, the coefficient of friction initially taken equal to one, needed to be reduced with sliding layers to keep the reinforcement limiting the crack width on a reasonable level. In the last stage, the actual case study slab was analysed and modified to a flat slab with additional piles. The results of FEM-analyses pointed out that the modified version met the crack width requirements.