UHPC-laattojen sovellettu suunnittelu

Johdanto

Yli 20 vuoden ajan ultrakorkealujuusbetoniset (UHPC) elementit ovat olleet osa normaalia rakennustoimintaa Tanskassa. Kuitenkin materiaalin erikoisluonteen vuoksi merkittäviä standardeja ei ole vielä muutettu tämä asia huomioon ottaen. Näin ollen suunnitteluohjeisiin on tehty poikkeamia ja tulkintoja, jotka ovat tarpeen UHPC-elementtien hyvän suunnittelun ylläpitämiseksi.

Tässä artikkelissa käsitellään lyhyesti suunnittelurajoja ja esitetään niihin perustuvia viitteitä. Lopuksi esitetään lyhyesti, mitkä materiaaliparametrien parannukset voisivat tehokkaimmin hyödyttää tekemään ohuempia UHPC-laattoja.

Suunnitteluperusteet ja -referenssit

Suunnitellessa elementtejä Tanskan rakennusmarkkinoille on otettava huomioon erilaisia suunnitteluperusteita. Nämä johdetaan Eurokoodista (EC), harmonisoidusta teknisestä standardista, jota sovelletaan Euroopan unionin alueella suunniteltuihin rakenteisiin. Tämän jälkeen ne muokataan Tanskan kansallisilla liitteillä, joukolla poikkeuksia ja lisäyksiä eurokoodiin, jotka on otettava huomioon Tanskassa. (Sama pätee myös Suomessa, käänt. huom.)

Rakentamisen alkuvaiheessa sertifioitu rakennesuunnittelija laatii yksityiskohtaisen dokumentin, jossa kuvataan, mitkä suunnittelurajoista otetaan käyttöön sellaisinaan ja jos joitakin raja-arvoja kiristetään (esimerkiksi pienempi taipuma, suurempi kuormitus) - tai jos uusia rajoja lisätään.

Tämä prosessi räätälöidään kohdekohtaisesti, mutta useimmat lähtötietodokumentit ovat pääosin samankaltaisia kuin edellisen projektin dokumentit. Tämä luotettava tulos voidaan yhdistää Hi-Conin laajaan suunnittelukokemukseen, ja voidaan muodostaa lyhyt luettelo merkityksellisistä suunnittelua ohjaavista perusteista: lopullinen rajatila (ULS), pitkäaikaistaipuma (LT-def.) ja värähtelymukavuus.

Suunnittelurajoitukset lopullisen rajatilan (ULS) perusteella

Kuormien kantavuuden osoittamiseen lopullisessa rajatilassa (ULS) on eurokoodeissa määritetty joukko kuormayhdistelmiä. Kuitenkin tässä artikkelissa laskettujen ja viitattujen suunnittelutapausten osalta kuormat ovat joko 2,5 tai 3 kN/m² ja sitä vahvistetaan edelleen varmuuskertoimella 1,5. Kapasiteetti arvioidaan vastaavasti ominaisuuksiltaan (5 % kvantiili) määritettyjen parametrien perusteella, ja se skaalataan materiaalin ja sovelluksen mukaan vaihtelevilla materiaalivarmuuskertoimilla.

Hi-Conin hiljattain tekemässä projektissa lopullisen rajatilan (ULS) kapasiteetti oli määrittävä tekijä. Oikealla (ylhäällä) kuvassa olevat 45 mm paksut elementit ripustetaan julkisivuille teräsprofiileihin päistään kannatettuna 15-kerroksisessa rakennuksessa, joka on tällä hetkellä rakenteilla Kööpenhaminassa, Tanskassa. Nämä hoikat elementit on suunniteltu 2,0 metrin jännevälille. Tämä jättää hieman suunnittelukapasiteettia, mutta raudoituksia voidaan luonnollisesti muuttaa tämän mukauttamiseksi.

Vaikka ultrakorkealujuusbetonilla on valtava lujuuspotentiaali, usein taloudellisin suunnittelu sisältää kohtuullisen määrän raudoitusta. Tämän laatan lopullisen rajatilan (ULS) taivutusjännitys on lopulta 9 MPa. Vertailun vuoksi poikkileikkauksia, joissa on suuri määrä raudoitusta, on suunniteltu 50 MPa taivutusjännitykselle.

Rajoitukset pitkäaikaistaipuman perusteella

Toisessa esimerkissä 60-80 mm paksuja parvekkeita suunniteltiin ryhmälle 4-kerroksia asuinrakennuksia. Nämä laatat on tuettu 5-7 pisteessä, ja ne kaikki suunniteltiin pitkäaikaistaipuma määräävänä tekijänä.

Pitkäaikaistaipuma lasketaan käyttämällä mitä tahansa luotettavaa menetelmää, kuten Bernoulli-Eulerin teoriaa tai äärellisten elementtien menetelmää. Pitkäaikaistaipumassa otetaan huomioon muuttuvan kuorman osuus, jolla oletetaan olevan lähes pysyvä luonne, käyttäen siihen soveltuvaa kerrointa. Tanskassa asuinrakennuksilla tämä osuus on 20 %. Pitkäaikaistaipuman laskemisessa otetaan lopuksi huomioon kaksi kerrointa: ensimmäinen ottaa huomioon halkeilusta aiheutuvan poikkileikkauksen pienenemisen, ja toinen ottaa huomioon hiipuman. Hiipuma on kerroin, joka vaihtelee riippuen elementin kovettumisasteesta kuormituksen aikaan. Historiallisesti tämä kerroin soveltuu hyvin UHPC-suunnitteluun. Halkeilukerroin puolestaan riippuu ultrakorkealujuusbetonin yksiaksiaallisesta vetojännityksestä, mutta koska tämä kerroin on tarkoitettu käytettäväksi tavallisen betonisuunnittelun yhteydessä, on jäykkyyden aleneminen käytetyssä mallissa ankaraa. Parempi tapa ultrakorkealujuusbetoneille voisi olla käyttää korkeampaa suhteellisuusrajaa. Usein tämä tarkoittaa sitä, että kaikki ultrakorkealujuusbetonilla suunnitellut rakenteet saavat enimmäisjännityksensä kuormituksella omapaino lisättynä 20 % muuttuvasta kuormasta juuri ylitettyään yksiaksiaalisen vetojännityksen tason.

Laskettu taipuma ei saa ylittää asetettua rajaa, joka määrätään joko sertifioidun rakennesuunnittelijan tai eurokoodin ehdottaman enimmäisrajan perusteella - pituus/250. Tämä raja on yksinkertaisesti liian väljä - ja se on varmasti asetettu huomioiden piilossa olevat betonipalkit. Useimmat loppukäyttäjät valittavat näkyvästä taipumasta parvekkeella, ja ongelma korostuu vielä enemmän, kun se sijoitetaan laatoitettuihin julkisivuihin, joissa on rinnakkaisia saumalinjoja. Tämän vuoksi tämä yläraja usein sivuutetaan suunnittelussa ja oletetaan olevan suunnilleen puolet annetusta parametrista.

Suunnittelurajoitukset värähtelymukavuudesta

Pitkiä jännevälejä tarvitaan joskus, kuten eräässä projektissa Odensessa, Tanskassa. Projektissa oli kaksi jänneväliä: 4,3 metriä ja 6,5 metriä. Näihin käytettiin vastaavasti 120 mm ja 150 mm paksuja laattoja. Jotta pystyttiin yltämään 6,5 metrin jänneväliin, valettiin elementit 2 ja 3 aukkoisina hyödyntäen negatiivista momenttia tukien kohdalla. Tämä ratkaisu johti jopa 17,4 metrin pituisiin elementteihin. Keskikäytävillä on vapaasti tuettuja laattoja, joiden jänneväli on 4,3 metriä. Molemmissa suunnittelutapauksissa oli tarpeen huolellisesti arvioida värähtelymukavuus. Molemmat jännepituudet toimivat sekä kävelyreitteinä että katettuina ulkoilualueina.

Näiden pidempien jännevälien suunnittelussa käytetään usein Tanskan kansallista liitettä eurokoodiin (EC 0). Tämä standardi asettaa suositellut vaatimukset massan kiihtyvyyden keskihajonnalle, kun seuraaminen tehdään mallinnettua massaestimointia käyttäen, joka kuvataan samassa mallissa. Valitettavasti ainoa relevantti raja-arvo, joka on annettu, koskee asuinalueita. Tämä raja-arvo on ehdotettu olevan 0,01 m/s², mikä viittaa järjestelmään, jossa keskimääräinen oleskeluaika on useita tunteja - toisin kuin kävelyreitillä. Lisäksi, toisin kuin asuinalueen laattaa tukeva rakenne, kiihtyvä massaa on suhteellisen vähän, koska kävelyreittien ja parvekkeiden leveys on usein noin 1,5 metriä.

Tämän seurauksena tämä yksinkertainen kävelyreitti olisi ollut kolminkertainen paksuudeltaan, jos ko. kriteeri haluttaisiin täyttää. Tätä menetelmää hankaloittaa myös paljon työtä vaativat laskelmat ja simulointi, joita tarvitaan tulosten saavuttamiseksi. Onneksi standardissa ehdotetaan myös vaihtoehtoisia raja-arvoja, todeten, että elementit, joiden ominaistaajuudet ovat yli 8 Hz, "johtavat usein tyydyttävään mukavuuteen". Tämä yksinkertaistettu suunnitteluraja onkin useimmiten käytetty, ja se hyväksytään yleisesti. Valitettavasti tämä ei kuitenkaan anna mahdollisuutta käyttää ultrakorkealujuusbetonin todellista potentiaalia, kuten tilanne olisi, jos käytössä olisi tilanteeseen sopivampi raja-arvo - vastaavanlainen kuin 0,35 m/s², jota Amerikan teräsrakentamisen instituutti suosittelee käytettäväksi ulkokäytävien suunnittelussa.

Vertaileva tutkimus

Tämä lyhyt tutkimus on tehty viidestä yksinkertaisella jänneväliä olevasta laatasta. Tässä yksinkertaistetussa suunnittelumallissa on pitkittäisen suhteellisen raudoitusalan arvoksi asetettu 0,7 %. Muut asiaankuuluvat suunnittelutekijät on otettu parvekesuunnittelutapauksesta - kuten artikkelin osassa 2 on kuvattu.

Sovellettujen suunnitelmien perusteella voidaan nähdä, että vain ohuimmissa raudoitetuissa laatoissa kuormituskantavuus on rajoittava tekijä. Rajoittavaksi tekijäksi vaihtuu sitten vähitellen pitkäaikainen taipuma. Tämän kriteerin vaikutusta tulisi korostaa, sillä määräyksien raja-arvo on joskus kaksinkertainen siihen nähden, mikä saattaisi olla hyväksyttävää loppukäyttäjälle. Jännevälin kasvaessa suunnittelussa joudutaan siirtymään ratkaisuihin, joissa pyritään pitämään rakenteen ominaistaajuus yli 8 Hz:n.

On tärkeää huomata, että nämä yksinkertaistetut suunnittelutekijät koskevat vain tätä kyseistä käyttötapausta ilman lisäkuormituksia. Todelliset rakenteet aina monimutkaistavat asioita. Tutkimustulosta voidaan kuitenkin käyttää yleisten järjestelmien ymmärtämiseen. Viiden suunnitellun laatan jälkeen on tehty herkkyystutkimus. Tässä tutkimuksessa mitataan suhteellista jännevälin lisäystä, kun parametriin tehdään hyödyllinen 10 prosentin muutos. On huomioitava, että näitä muutoksia ei välttämättä ole yhtä helppo toteuttaa.

Päätelmät

Kuvatuista suunnitelmista käy ilmi, että ultrakorkealujuusbetonisten elementtien suunnittelijan on oltava tarkkaavainen eikä sokeasti seurattava annettuja ohjeita - vaikka ne olisivat kansallisen standardin mukaisia. Riippuen laatan jännevälistä ja paksuudesta, erilaiset kriteerit määräävät suunnittelua, joten suunnittelijan tulee ottaa ne kaikki huomioon. Erityisesti käyttökelpoisuusrajoitukset ohjaavat suunnittelua. Niiden pohjalta suunnittelu voi olla monimutkaista, koska annetut rajat voivat olla harhaanjohtavia ja tulokset subjektiivisia loppukäyttäjälle. Herkkyystutkimuksesta käy ilmi, että vaikka monesti ultrakorkealujuusbetonista ilmoitetaan vain sen puristuslujuus, on se harvoin määräävä tekijä laattojen suunnittelussa. Paljon enemmän huomiota voitaisiin kiinnittää niiden paksuuden pienentämiseen tai jäykkyyden parantamiseen - sillä se antaisi suunnittelulle lisää liikkumatilaa suuressa määrin.

Lähteet

DS/EN 1990 DK NA:2021 Nationalt anneks til Eurocode 0: Projekteringsgrundlag for
bærende konstruktioner, danish housing and planning authority, 2021
DS/EN 1990:2007 Structural safety, serviceability and durability, European commission,
2007
DS/EN 1992-1-1:2004/A1:2015 Structural safety, service-ability and durability, European
commission, 2004
Vibrational Response of Structures Exposed to Human-induced Loads, Jonas Syders
Knudsen, 2017
Vibrationskomfort i dækkonstruktioner, Bernt Suikkanen – COWI A/S, 3. revision, June
2020

🔗 https://www.iastatedigitalpress.com/uhpc/article/id/16688/

Käännös englanninkielisestä tekstistä: Jarmo Manninen, Hi-Con ApS