Kahdessa osassa valetun massiivisen betonilaatan toiminta liittorakenteena

Abstract

Tarve valaa massiivilaattoja kahdessa osassa siten, että laatan yläosa valetaan kovettuneelle alalaatalle, tulee kyseeseen esimerkiksi hybridirakennuksien siirtorakenteissa. Vaikka vaakasuuntaisen työsauman sisältävien massiivisten betonilaattojen rakenteellista toimintaa on niukasti tutkittu, tällaisia laattoja sisältäviä hankkeita on viime vuosina ollut Suomessa kasvavissa määrin, joten tarve kyseisten rakenteiden toiminnan yksityiskohtaisemmalle ymmärrykselle on ilmeinen.

Kahdessa osassa valetun laatan suunnitteluun ja toimintaan perehdyttiin kirjallisuustutkimuksessa, jonka tuloksia syvennettiin numeeriseen laskentaan perustuvalla tapaustutkimuksella. Työssä selvitettiin sementin hydrataatiolämmön vaikutuksia laattojen yhteistoimintaan, laattojen ikäerosta aiheutuvan epäyhtenäisen kutistuman ja viruman aiheuttamien rasitusten merkittävyyttä sekä jälkijännitysvoiman siirtymisen vaikutuksia rasituksiin laattojen rajapinnalla. Työn tapaustutkimusosuuden numeerinen laskenta suoritettiin COMSOL Multiphysics- ja Dlubal RFEM-ohjelmistoilla.

Kahdessa osassa valetuista massiivisista laattarakenteista ei löydetty kirjallisuudesta suoraa aiempaa tutkimusta eikä suunnittelustandardeista löydetty niille suoraa ohjeistusta. Laskentaosuudessa havaittiin hydrataatiolämmön aiheuttavan paikoin alalaattaan betonin vetolujuuden ylittäviä jännityksiä sekä tavanomaisen sementtipohjaisen betonimassan olevan sopimatonta massiivirakenteiden toteutukseen. Laattojen valujen välinen aikaero tunnistettiin keskeiseksi parametriksi laattojen rajapinnalle kutistumasta ja virumasta aiheutuville rasituksille. Rasitusten suuruudet jäivät kuitenkin merkityksettömiksi kaikilla tutkituilla aikaeroilla. Jälkijännitysvoiman aiheuttaman vaakasuuntaisen leikkausvoiman havaittiin keskittyvän laatan reuna-alueille siten, että jopa 99 % vaakasuuntaisesta kokonaisleikkausvoimasta siirtyy ensimmäisen 20 % matkalla suorakaiteen muotoisen laatan sivumitasta.

The need to construct a massive slab in two parts by casting the second part on the hardened slab may arise with transfer structures of hybrid buildings. Albeit scarce research of the topic, the number of projects with such slabs have increased in Finland in recent years, so the need for more detailed understanding of behavior of these structures is obvious.

The research included a literature review, the results of which were utilized and deepened by a case study. The commercial FEA software COMSOL Multiphysics and Dlubal RFEM were used for the numerical analyses in the case study. The effects of the heat release by of cement hydration, the stresses caused by the non-uniform shrinkage and creep due to the time difference between the cast of the slab parts and the force caused by the transfer of the post-tensioning force at the interface of the slabs on the composite behavior of the slab were evaluated.

The literature review brought out neither any research with focus on the massive slabs cast in two shifts nor any design standards with explicit guidelines for these kinds of massive slabs. In the case study, it was found that in the lower slab the heat released by cement hydration causes stresses that exceed the tensile strength of concrete, and that a conventional cement-based concrete mix is unsuitable for implementation of massive concrete structures. The time interval between the casts of the slab parts was found to have a significant effect on the magnitude of the stresses caused by non-uniform shrinkage and creep. However, these stresses were insignificantly small with all the time intervals studied. The horizontal shear stresses caused by the post-tensioning force was found to be concentrated at the edge regions of the slab in such a way that up to 99 % of the total horizontal shear force is transferred within a distance of 20 % of the side length of the slab.