Pystysuuntaisten kuormituslinjojen alapuolelle paalutetun paalulaatan mitoitus

Abstract

Tässä työssä tutkittiin teräsbetonisia paalulaattoja, joissa paalut ovat suunniteltu vertikaalisten kuormalinjojen kohdille seinien ja pilareiden alle. Kun paalut ovat kuormalinjojen kohdilla, ei laattaan aiheudu momentteja, jolloin laatasta voidaan suunnitella kevytrakenteisempi. Paalujen sijainnin poikkeaminen suunnitellusta sijainnista kuitenkin aiheuttaa laattaan taivutusta, jonka aiheuttamat vetorasitukset täytyy ottaa teräksillä kiinni. Tämä on merkittävä laatan paksuutta ja teräsmäärää mitoittava tekijä etenkin laatan reunoilla, missä laatan jatkuvuus katkeaa. Työssä pyrittiin selvittämään kyseisestä momentista aktivoituvien tehollisten teräksien osuutta, joita voidaan laskennallisesti hyödyntää mitoituksessa. Miltä etäisyydeltä paalusta terästen voidaan olettaa osallistuvan tehokkaasti momentista aiheutuvien vetovoimien kantamiseen? Tutkimuslähteinä käytettiin eri standardeja ja suunnitteluohjeita, joissa esitettyjä asioita pyrittiin soveltamaan tähän erikoistapaukseen. Lisäksi tapausta laskettiin LS-DYNA-ohjelmiston eksplisiittisellä ratkaisijalla. Analyysiä varten tutkittiin ja vertailtiin betonin materiaalimalleja, joista tarkempaan tarkasteluun ja analyysissä käytettäväksi materiaalimalliksi valittiin Karagozian & Case Concrete-materiaalimallia.

Mittapoikkeaman numeerinen analyysi paljasti laatan kriittisen paikan olevan laatan reunalla ulokejatkoksen yläpinnassa, johon aiheutui laatan reunan suuntaista taivutusta. Tämä oli odottamaton tulos, jota ei ole vielä osattu ottaa huomioon paalulaattojen suunnittelussa. Tässä työssä esitetään standardeihin ja suunnitteluohjeisiin perustuvia laskentaperiaatteita, joilla mitoittavaa momenttia sekä tarvittavaa vetoteräsmäärää ja tehollisten terästen osuutta voidaan arvioida.

Paalulaatat voivat olla hyvin massiivisia rakenteita, jolloin niihin aiheutuu pakkomuodonmuutoksia. Betonin kovettumisreaktiosta syntyvä hydrataatiolämpö voi aiheuttaa halkeilua betoniin, mikäli lämpötilaerot rakenteessa kasvavat liian suuriksi. Työssä tutkittiin, kuinka betonipoikkileikkauksen lämpötiloja eri ajanhetkillä voidaan arvioida. Lisäksi työssä käsiteltiin viruman ja kutistuman aiheuttamia pakkomuodonmuutoksia ja niiden vaikutuksia teräsbetonirakenteeseen.

Sekä paalun sijaintipoikkeama että pakkovoimat aiheuttavat paalulaattaan jännityksiä, jotka betonin vetolujuuden ylittäessään aiheuttavat betonin halkeilua. Työssä selvitettiin halkeilun syntymekanismeja ja halkeilun vaikutuksia teräsbetonirakenteeseen. Halkeilua rajoitetaan rajoittamalla halkeamaleveyttä, jonka hyväksyttävään suuruuteen vaikuttaa paalulaatoissa pääasiassa betonin säilyvyysvaatimukset. Työssä tutkittiin standardien määräämiä sallittuja halkeamaleveyksien arvoja sekä niissä esitettyjä tapoja laskea halkeamaleveyksiä.

Paalulaatta perustustapana mahdollistaa tarvittaessa alapohjan suunnittelun vesitiiviiksi suhteellisen helposti. Teräsbetonirakenteen suunnittelu vesitiiviiksi perustuu rakenteen yksityiskohtien suunnitteluun, halkeilun rajoittamiseen ja betonilaadun valintaan. Työssä tutkittiin teräsbetonirakenteiden vesitiiveys luokkia ja niiden vaatimuksia, joita Eurokoodeissa on esitetty. Lisäksi työssä sivuttiin myös lyhyesti vesieristeiden käyttöä ja vesitiiviin betonirakenteen yksityiskohtien suunnittelua ja huomioon otettavia muuttujia.

Työstä saatuja tutkimustuloksia pystytään hyödyntämään sekä paalulaatoissa että muissakin samankaltaisissa teräsbetonirakenteissa. Vaikka tarkasteltavana näkökohtana oli nimenomaan paalulaatat, joissa paalut ovat sijoitettuna kuormalinjojen kohdille, voidaan pakkomuodonmuutoksia, hydrataatiolämmön kehitystä, halkeilumitoitusta ja vesitiiveyttä koskevia mitoitusperiaatteita hyödyntää lähes kaikissa teräsbetonirakenteiden suunnittelussa.

This master thesis studies reinforced concrete pile-slabs where piles are designed to align with the vertical load paths under walls and columns. By placing the piles directly under walls and columns, no bending moments are generated in the slab, allowing for a lighter design. However, deviation of pile location from its intended position can generate bending moment in the slab, which must be reinforced to resist the resulting tensile stresses. This moment is significant factor in designing thickness of the slab and its reinforcement ratio, especially at slab edges where the continuity of the slab is interrupted.

This study aims to determine the effective area in the slab near the deviated pile, in which reinforcement bars can be used to carry the moment in the design calculations. LS-DYNA explicit solver was employed for numerical analysis. Different concrete material models were compared, and Karagozian & Case Concrete model was selected for the study.

The numerical analysis reveals that the critical location of the pile-slab is at the edge of the slab where the projection part goes little over last pile. At the edge of the slab upper surface experience bending moment in the direction of the edge. This unexpected finding has not yet been considered in the design of pile-slabs. This thesis presents calculation principles based on standards and design guidelines for evaluating the design moment and effective area which reinforcement bars can be taken account for calculations.

Pile-slabs can be massive structures, leading to significant internal forces. Hydration heat from the concrete hardening reaction can cause cracking in concrete if temperature differences in the structure become too large. This study examines the estimation of the temperature distribution across the concrete cross-section as a function of the time and its effect on early-age cracking. In addition, the research studies the restrained strain caused by shrinkage and creep and their impact on reinforced concrete structures.

Both deviations of pile locations and internal forces causes tensile stresses in the slab that can cause cracking in concrete when its tensile strength is exceeded. This thesis studied the mechanism of crack formation and their effect on reinforced concrete structures. Cracking is restricted with limiting the width of cracks. The allowable crack width in pile-slab is mainly determined by the durability requirements of the structure. This study explores allowable crack widths and the calculation methods presented in the standards.

Pile-slab foundation allow for relatively easy design of waterproof substructures in needed. The watertightness of reinforced concrete is based on the watertightness of the structure itself and the concrete mass. In this thesis there is studied watertightness classes and their requirements for reinforced concrete presented in Eurocodes. Also, the use of waterproof membranes and details of the construction of waterproof concrete structures is briefly touched.