Betonielementtirakenteisen kehärungon jatkuvan sortuman hallinta vaihtoehtoisilla kuormansiirtoreiteillä

Abstract

Eurokoodin käyttöönotto on lisännyt vaatimuksia jatkuvan sortuman estämisen suhteen. Eurokoodissa sideraudoitukseen perustuva menetelmä on ensisijainen keino jatkuvan sortuman estämiseen alemmissa seuraamusluokissa. Eurokoodin kansallisen liitteen mukaisissa korkeammissa seuraamusluokissa 2b ja 3a jatkuvan sortuman estämiseen esitetään vaihtoehtona menetelmä, jossa rakennuksesta ajatellaan poistettavaksi mikä tahansa kantavan rungon osa, jolloin rakennus ei saa menettää stabiliteettiaan eikä paikallinen vaurioituminen saa ylittää hyväksyttävää rajaa. Korkeimmassa seuraamusluokassa 3b tämä menetelmä on ainoa vaihtoehto. Jotta sortuminen voidaan tässä tapauksessa estää, tulee rakenteen kyetä muodostamaan vaihtoehtoinen kuormansiirtoreitti.

Vaihtoehtoisen kuormansiirtoreitin käyttöön perustuviin tarkasteluihin ei kuitenkaan eurokoodissa anneta ohjeistusta eikä analyysin käytettäville menetelmille aseteta vaatimuksia. Työssä käsitellään jatkuvan sortuman analysointiin kehitettyjä ohjeita, analyysimenetelmiä ja arvioidaan erilaisten rakenneratkaisujen toimintaa mitoitustilanteessa, jossa rakennuksesta ajatellaan poistettavan pilari.

Työssä analysoitiin tyypillisen 9-kerroksisen elementtirakenteisen toimistorakennuksen rungon toimintaa tilanteessa, jossa alimman kerroksen pilari poistetaan äkillisesti. Analyysi suoritettiin kahdelle eri runkovaihtoehdolle, joista toisessa esijännitetyt betonipalkit ovat yksiaukkoisia ja toisessa jatkuvia. Verrattaessa palkkeihin syntyviä normaalivoimia eurokoodin mukaisiin vaatimuksiin sideraudoitukselle, olivat normaalivoimien arvot yksiaukkoisilla palkeilla moninkertaiset verrattuna sideraudoitukselle esitettyihin vaatimuksiin. Jatkuvilla palkeilla rakenne kykeni kantamaan kuormat taivutettuna rakenteena, kun rakenteeseen annettiin syntyä plastisia niveliä. Lisäksi arvioitiin välipohjalaataston vaikutusta rakenteen toimintaan. Analyysin perusteella raudoitettu pintalaatta joka toimii onnettomuustilanteessa vedettynä rakenteena, kantoi osan kuormasta ja näin pienensi palkkien rasituksia sekä rakenteen taipumaa. Analyysin perusteella yksiaukkoisista palkeista koostuvan rakenteen vaurionsietokyky on kyseenalainen ja vaurionsietokykyä pystytään tehokkaimmin parantamaan lisäämällä rakenteellista jatkuvuutta.

Implementation of Eurocodes in Finland has increased demands for the prevention of progressive collapse. According to Eurocode 1, the primary method for the prevention of progressive collapse in the lower consequence classes is the tie force method. Although, in the higher consequence classes the recommended method is the alternate load path method. This requires that upon a notional removal of any column or beam, the building should remain stable and local damage should not exceed a certain limit.

Despite the recommendation to use the alternate load path method, no guidance or requirements are being given for carrying out the analysis. This thesis studies guidance and methods for analysing the progressive collapse of precast concrete framed structures using the alternate path method.

A case study using the alternate path method was conducted for a 9-storey office building. Effects of a sudden removal of the ground storey column were studied for two different frame systems. The first system was based on multi-storey columns and singlespan precast beams and the second consisted of single-storey columns and continuous precast beams. When comparing the axial forces on the joint between single-span beams with the tie force requirements of Eurocodes national annex, it was found that the forces were multiple times greater than the tie force requirement. The structure with continuous beams was able to carry the load when plastic hinges were allowed to form in the beams. The effects of the floor system to the collapse resistance were also studied. Reinforced concrete topping capable of membrane behaviour improved the resistance of the structure reducing the required tie forces and deflection of the damaged structure. Analysis showed that the collapse resistance of single-span beam systems fulfilling only the minimum tie force requirements is questionable. Increasing structural continuity by using continuous beams and reinforced topping on the precast floors seemed to be the most efficient way to improve collapse resistance.