Jatkotutkimuksena voisi tutkia, millä kaupallisella FEM-ohjelmistolla voidaan parhaiten hoitaa sekä lämmönsiirtymisanalyysi että rakenteen käyttörajatilan mitoitus pakkovoimien ja mekaanisten kuormien yhdistelmille myös halkeilu, viruma ja kutistuma huomioiden.
Anturoiden varaan valetun laatan ja suoraan paalujen varaan valetun laatan halkeilu olisi hyvä selvittää mittauksin todellisista kohteista ja verratta tuloksia FEM-laskelmiin.
Jatkotutkimuksena olisi hyvä arvioida maan jäykkyyttä elementtimenetelmällä ja kokeelli-sesti sekä ohjeistaa pakkovoima-analyysissä käytettävien maajousien jäykkyyttä työn tulos-ten perusteella.
Paalulaatan jännittämistä ja kuitubetonin käyttöä olisi hyvä selvittää huomioiden pakkovoi-mien ja mekaanisten kuorpakkovoi-mien yhteisvaikutus.
Tutkitun paalulaatan vaihtoehdoksi ehdotetun paalulaatan jännevälin ja korkeuden suhde oli merkittävästi alle eurokoodin laattoja koskevan raja-arvon 5, mikä tarkoittaa, ettei ra-kenteen analysointi ja mitoitus kuoriteorialla ole välttämättä tarkkaa. Jatkotutkimuksena olisi hyvä selvittää lyhyen jänneväli-korkeussuhteen vaikutuksia paalulaattojen mitoituk-sessa.
Kutistuman vaikutusta halkeamaleveyteen tulisi selvittää tarkemmin.
9 Lähdeluettelo
1. Springenschmid, R. Prevention of Thermal Cracking in Concrete at Early Ages. London, UK : Taylor & Francis Routledge, 1998. 350 s. ISBN 0-203-62730-X (sähköinen).
2. Rusch, Hubert;Jungwirth, Dieter ja Hilsdorf, Hubert K. Creep and Shrinkage, Their effect on the behavior of concrete structures. New York, USA : Springer, 1983. 287 s. ISBN-13:
978-1-4612-5424-9 (sähköinen).
3. Zhu, Bofang. Thermal stresses and temperature control of mass concrete. Waltham, USA : Elsevier, 2014. 500 s. ISBN: 978-0-12-407723-2.
4. Al-Gburi, Majid. Restraint effects in early age concrete structures, Doctoral thesis. Luleå, Sweden : Luleå University of Technology, 2015. ISBN 978-91-7583-375-0 (sähköinen).
5. SFS-EN 1992-3. Eurokoodi 2: Betonirakenteiden suunnittelu. Osa 3: Nestesäiliöt ja siilot.
Helsinki : Suomen standardisoimisliitto SFS, 2006. 22 s.
6. Bamfort, P B. Ciria 660 Early-age thermal crack control in concrete. London, UK : CIRIA, 2007. 112 s. ISBN 978-8-86107-660-2.
7. Lochmeyer, Gottfried ja Ebeling, Karsten. Weisse Wannen - einfach und sicher. s.l. : VBT Verlag Bau und Technik, 2013 633 s. ISBN: 978-3-7640-0556-6.
8. Investigation of thermal cracking with the cracking-frame. Materials and Structures.
Breitenbucher. 23, München, Germany : RILEM, 1990, Materials and structures, Osa/vuosik. 1990, ss. 172-177. ISSN: 0025-5432.
9. Bjøntegaard, Øyvind. Basis for and practical approaches to stress calculations and crack risk estimation in hardening concrete structures – State of the art. Oslo, Norway : SINTEF Building and Infrastructure, 2011. 90 s. ISBN 978-82-536-1236-2 (sähköinen).
10. Fairbairn, Eduardo M.R. Thermal cracking of massive concrete structures. Cham, Switzerland : RILEM, 2019. 409 s. ISBN 978-3-319-76617-1 (sähköinen).
11. Mehta, Kumar P ja Monteiro, Paulo J.M. Concrete microstructure, properties and materials. California, USA : McGraw-Hill, 2006. 659 s. DOI:10.1036/0071462899 (sähköinen).
12. Ympäristöministeriö. Suomen rakentamismääräyskokoelma - Rakenteiden lujuus ja vakaus - Rakenteiden kuormat. Helsinki : Ympäristöministeriö, 2019. 37 s.
13. SFS EN 1992-1. Eurokoodi 2: Betonirakenteiden suunnittelu. osa 1-1: Yleiset säännöt ja rakennuksia koskevat säännöt. Helsinki : Suomen standardisoimisliitto, 2015. 221 s.
14. Model Code 2010. Berlin, Germany : International Federation for Structural Concrete, 2010. 494 s. ISBN: 978-3-433-03061-5.
15. CEN . Final Version of PT1-draft prEN 1992-1-1 2018 D3. : CEN, 2018. 293 s.
16. Bamfort, Phil;Denton, Steve ja Shave, Jonathan. The development of a revised unified approach for the design of reinforcement to control cracking in concrete resulting from restrained contraction. : Institution of civil engineers, 2010. 67 s.
17. Barre, Francis. Control of cracking in reinforced concrete structures, Research project CEOS.fr. London, UK : ISTE Ltd, 2016. 223 s. ISBN 978-1-78630-052-2 (sähköinen).
18. The concrete Society. Technical Report 34 Concrete Industrial Ground Floors, A guide to design and construction. Camberley, Surrey, UK : The Concrete Society, 2016. 91 s. ISBN 978-1-904482-77-2 (sähköinen).
19. Frosch, Robert J. Design method for the control of restrained shrinkage cracking. West Lafayette, Indiana : Purdue University, 2006. 227 s.
20. Simpson, Deryk. Cracking in pile-supported ground slabs. : Concrete Society, 2016. 4 s.
21. Rostasy, F S;Krauss, M ja Gutsch, A W. Engineering models for the assessment of restraint of slabs by soil and piles duringearly age of concrete. Braunschweig, Germany : iBMB, 2001. 135 s. ISBN: 91-89580-59-1 (sähköinen).
22. Knapton, John. Ground bearing concrete slabs. London, UK : Thomas Telford Publishing, 2003. 296 s. ISBN 978-0-7277-3186-9.
23. Forth, J P ja Martin, A J. Design of liquid retaining concrete structures. Dunbeath, Scotland, UK : Whittles Publishing, 2014. 168 s. ISBN 978-184995-052-7 (sähköinen).
24. Bergmeister, Konrad;Fingerloos, Frank ja Wörner, Johann-Dietrich. Beton Kalender.
Berlin, Germany : Ernst & Sohn, 2018. 958 s. ISBN 9783433031605.
25. Gilbert, Raymond Ian;Mickleborough, Neil Colin ja Ranzi, Gianluca. Design of prestressed concrete to eurocode 2. Boca Raton : CRC Press, 2017. 665 s. ISBN-13: 978-1-3153-8952-3 (sähköinen).
26. Aeberhard, H U;ym. Post tensioned foundations. Berne, Switzerland : VSL International LTD, 1988.
27. Ympäristöministeriö. Rakenteiden lujuus ja vakaus - Betonirakenteet. Helsinki : Ympäristöministeriö, 2019.
28. Suomen Rakennusinsinöörien liitto RIL. RIL 254-2011 Paalutusohje 2011. Helsinki : Suomen Rakennusinsinöörien liitto RIL, 2011. 263 s.
29. Liikennevirasto. Eurokoodin soveltamisohje- Geotekninen suunnittelu NCCI 7.
Helsinki : Liikennevirasto, 2017. 91 s. 978-952-317-387-3 (sähköinen).
30. Das, Braja M. 2 Lateral Earth Pressure. Geotechnical engineering handbook. Fort Lauderdale, Florida, USA : J.Ross Publishing (sähköinen), 2011.
31. Syrjä, Risto. Sillanrakennustekniikan kaavakokoelma. Espoo : Aalto Yliopisto, 2013. 38 s.
32. Rinne, Norman F. Evaluation of interface friction between cohensionless soil and common construction materials. Vancouver, Canada : University of British Columbia, 1989.
82 s.
33. Suomen Betoniyhdistys ry. By 45 Betonilattiat. Vaasa : Suomen betoniyhdistys ry, 2018.
198 s. ISBN 9789526861999.
34. Tiehallinto. Sillan geotekniset suunnitteluperusteet. Helsinki : Tiehallinto, 2007. 84 s. . 35. Bazant, Zenedik P. ja Jirasek, Milan. Creep and hygrothermal effects in concrete structures. Waterloo, Ontario, Canada : Springer, 2018. 913 s. ISBN 978-4-024-1138-6 (sähköinen).
36. JSCE. Standard specifications for concrete structures. Tokio, Japan : Japan society for civil engineers, 2007. 469 s.
37. Ross, A D ja Bray, J W. The prediction of temperatures in mass concrete by numerical computation. London, UK : University of London: King´s College, 1949. 20 s.
38. Ghali, A;Favre, R ja Elbadry, M. Concrete Structures - Stresses and deformations - Third Edition. London, UK : CRC Press, 2002. 608 s. ISBN 0-203-98752-7 (sähköinen).
39. SFS-EN 1992-2. Eurokoodi 2: Betonirakenteiden suunnittelu. Betonisillat.
Mitoittaminen ja yksityiskohtien suunnittelu. Helsinki : Suomen standardoimisliitto, 2009.
86 s.
40. Cracking caused by early-age deformation of concrete - prediction and control. Gilbert, R I. Modern Building Materials, Structures and Techniques, MBMST 2016, Sydney, Australia : Elsevier Ltd, 2017, Moden Building Materials, Structures and Techniques, MBMST 2016, Osa/vuosik. 2017, ss. 13-22. doi:10.1016/j.proeng.2017.02.012 (sähköinen).
41. Aas-Jakobsen, K ja Grenacher, M. Analysis of Slender Reinforced Concrete Frames.
Zurich, Switzerland : Swiss federal institute of technology, 1974. (sähköinen).
42. Nonlinear Analysis of Reinforced Concrete Frames Subjected to Thermal and Mechanical Loads. Vecchio, Frank J. November-December, : ACI Structural Journal, 1987, ACI structural journal, Osa/vuosik. 1987, ss. 492-501.
43. Smoltczyk, Ulrich;Kempfert, Hans-Georg ja Eigenbrod, Kurt Dieter. 3.2 Pile foundations. [kirjan tekijä] Ulrich Smoltczyk. Geotechnical Engineering Handbook. Berlin, Germany : Ernst & Sohn, 2002, s. 214.
44. Narin, Fabian ja Wiklund, Olle. Design of slabs-on-ground regarding shrinkage cracking, Master of Science Thesis. Göteborg : Chalmers University of Technology, 2012. 124 s.
45. Schütte, Jens. Einfluß der Lagerungsbedingungen auf Zwang in Betonbodenplatten.
Braunschweig, Germany : iBMB, 1997. Osa/vuosik. 1997. ISBN 3-89288-111-1 (sähköinen).
46. CEB-FIB. Practioner´s guide to finite element modelling of reinforced concrete structures. Stuttgart, Germany : CEB-FIB, 2008. 337 s. ISBN 978-88394-085-7.
47. ASE, Sofistik. ASE - General static analysis of Finite Element Structures. : Sofistik, 2016. .
48. Halkeilun hallinta maanvaraisissa betonilattioissa ja pintabetoneissa teräskuitubetonia käyttäen. Mandl, Jürgen ja Matsinen, Martti. 8, : Betoniteollisuus ry, 2015.
Liiteluettelo
Liite 1. Halkeamaleveyksien laskenta käsin Liite 2. Mallinnusmenetelmien arviointia
Liite 3. Palkkilaatta - laatan jännitykset palkin kohdalla
Liite 1. Halkeamaleveyksien laskenta käsin
Rakenteen perustiedot ja minimiraudoituksen laskenta
Raudoitus soveltaen Ciria C660- julkaisua
Raudoitus Eurokoodin mukaisesti
Raudoitus soveltaen ICE - julkaisua
Liite 2. Mallinnusmenetelmien arviointia
Ennen kappaleen 5 laskelmia selvitettiin erilaisia tapoja mallintaa paalulaatta:
• D1: Laatta kuorielementteinä (QUAD), pilarianturat ja palkit solid-elementteinä (BRIC)
• D2: Laatta ja palkit kuorielementteinä (QUAD) ja pilarianturat solid-elementteinä (BRIC)
• D3: Laatta ja pilarianturat kuorielementteinä (QUAD) ja palkit palkkielementteinä (BEAM)
• D4: Laatta, palkit ja pilarianturat solid-elementteinä (BRIC)
Aluksi verrattiin mallinnustapoja D1 ja D4. Tarkoituksena oli selvittää, aiheutuuko kuoriele-menttien ja solid-elekuoriele-menttien käytöstä samassa mallissa (D1) virheitä verrattuna kokonaan solid-elementeistä mallinnettuun rakenteeseen (D4). Tarkastelu suoritettiin asettamalla mo-lemmissa malleissa laatalle -2,8 oC lämpötilanmuutos. Laatan alapinnan suurimmat pääjän-nitykset esitetään kuvassa L2.1 (lineaarinen analyysi). Kuvaajasta havaitaan, että tulosten suuruusluokat ovat samoja ja jännityskuviot samankaltaisia.
Kuva L2.1. Laatan alapinnan suurin päävetojännitys xy-tasossa Vasemmalla: laatta BRIC-elementeistä, Oi-kealla: laatta QUAD-elementeistä (D1). Molemmissa palkit BRIC-elementtejä.
Mallinnustapa D4 poissuljettiin jatkotarkasteluista, sillä BRIC-elementtien käyttö laatassa olisi asettanut liikaa rajoitteita analyyseille.
Mallinnustapoja D1, D2 ja D3 verrattiin keskenään. Kuvassa L2.2 esitetään laatan element-tikohtaisten maksimivetojännitysten keskiarvot jaksottaisella lineaarisella analyysillä lasket-tuna edellä mainitulle kolmelle mallinnustavalla (D1, D2, D3). Tarkastelut suoritettiin ennen kuin perustapauksen kaikki lähtötiedot oli määritetty lopullisesti, joten kuvaajan tarkaste-luissa on eroja muun muassa maajousien jäykkyyksissä, anturoiden kutistumassa ja kuor-missa suhteessa perustapaukseen. Tuloksien perusteella valittiin lineaarisiin jännitystarkas-teluihin menetelmä D1, joka tuotti suurimmat vetojännitykset.
Kuva L2.2 Alustavien tarkastelujen tulokset eri mallinnustavoilla. Kuvaajassa elementtikohtaisten maksimive-tojännitysten keskiarvo tietyllä jaksolla.
Työssä selvitettiin myös, miten palkkien halkeilu vaikuttaa laatan halkeamaleveyksiin mal-lintamalla palkit ensin lineaarisilla ja sitten epälineaarisilla kuorielementeillä (mallinnustapa D2). Näissä malleissa asetettiin kaikki kappaleessa 5.2 esitetyt mekaaniset-, lämpö- ja kutis-tumakuormat samanaikaisesti. Laatalle käytettiin virumalukuna arvoa 0.5. Laatan raudoitus ja muut tiedot on esitetty kappaleessa 5. Palkit jaetiin neljään päällekkäiseen 20 cm korkeaan elementtikerrokseen, joista alimmalle määritettiin palkin alapinnan pääraudoitusta vastaava pitkittäisraudoitus (80,5 cm2/m) molempiin pintoihin, ylemmille kerroksille pystysivujen pitkittäisraudoitus (4 cm2/m) ja pystysuunnassa hakaraudoitusta vastaava raudoitus (9 cm2/m). Palkin yläpinnan pitkittäisraudoitus määritettiin laatalle palkin levyiselle (800 mm) kaistalle palkin pituusakselin suuntaisesti.
Vertaamalla kuvan L.2.3 ylempiä kuvia (lineaariset palkit) ja alempia kuvia (epälineaariset palkit) nähdään, että palkin halkeilun huomioiminen tuottaa vain paikallisia eroja, mutta ko-konaisuudessaan tulokset ovat hyvin samanlaisia. Palkkien halkeilun huomiointi ei vaikuta järin perustellulta, sillä palkkien raudoitustiedon syöttäminen palkeille on ohjelmassa työ-lästä. Vasemmanpuoleisissa kuvissa on esitetty alapinnan halkeamaleveydet ja oikeanpuo-leisissa kuvissa yläpinnan halkeamaleveydet.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5
3 4 5 6 7.5 10 14 28 60 365 18365
Jännitys [MPa)
Jakso
D1 D2 D3
Kuva L2.3. Laatan halkeamaleveydet eri tapauksilla. VY Kuoripalkit lineaarisia ap.wk.max, OY: Kuoripalkit lineaarisia yp.wk.max, VA: Kuoripalkit epälineaarisia ap.wk.max, OA: Kuoripalkit epälineaarisia yp.wk max.
(D2)
Valittujen viruma-askelien ja lämpökuorman asettamistiheyden vaikutusta tutkittiin mallin-tamalla rakenne siten, että jokaisen kuormitusjakson väliin asetettiin kolmen sijasta viisi vi-ruma-askelta. Lisäksi tutkittiin, millainen oli vaikutus, kun lämpökuormat asetettiin kaksi kertaa tiheämmissä askelissa. Tulokset esitetään kuvassa L2.4, josta voidaan nähdä erojen jääneen varsin pieneksi. Tuloksia voidaan tältä osin pitää riittävän tarkkoina
Kuva L2.4. Muutokset elementtikohtaisten suurimpien vetojännitysten arvoissa, kun virumajaksoja lisättiin kolmesta viiteen tai kun lämpökuorma-askelien määrä kaksinkertaistettiin (D1).
Tämän liitteen alustavien tarkastelujen perusteella päädyttiin seuraavaan ratkaisuun: lineaa-risissa analyyseissä käytetään mallinnustapaa D1 ja epälineaalineaa-risissa tarkasteluissa mallin-nustapoja D1 ja D2. Mallinnustapa D2 on otettu mukaan, sillä siihen pystytään sisällyttä-mään palkkien halkeilu tarvittaessa, vaikkakaan pilarianturoiden halkeilua ei pystytä huomi-oimaan. Mallinnustapa D1 puolestaan on halkeiluriskin arvioinnissa varmimmalla puolella, eikä vaikuta yliarvioivan laatan jännityksiä kokonaan BRIC-elementeillä mallinnettuun vaihtoehtoon verrattuna.
Liite 3. Palkkilaatta - laatan jännitykset palkin kohdalla
Kuvassa L3.1 esitetään arinarakenteen laatan alapinnan suurimmat jännitykset 3D FEM-analyysin tuloksena kappaleessa 4.6.3 tarkastellulle arinarakenteelle -28,4 Co lämpökuor-malla. Ylemmissä kuvissa palkit ja laatta on mallinnettu BRIC-elementein ja alemmissa QUAD-elementein (kappaleessa 4.6.3 käytetään vain QUAD-elementtejä laatassa ja BRIC-elementtejä palkeissa). BRIC-mallissa havaitaan selkeästi suurempia jännityksiä palkkien kohdalla. Syynä lienee, että BRIC-palkit aiheuttavat myös poikittaista kiinnitystä laatalle, mistä aiheutuu suuria poikittaisia jännityksiä laatalle. Laatan vaakasuuntaiset jännitykset ovat BRIC-mallissa poikkisuunnassa suurempia kuin palkkien pituussuunnassa. QUAD-mallissa poikittaista kiinnitystä ei ole, koska QUAD-palkin laattaan liittyvät solmut ovat sa-massa rivissä, eikä samanlaisia jännityksiä synny poikkisuunnassa kuin BRIC-mallissa. To-dennäköisesti BRIC-malli yliarvioi jännityksiä, koska lämpöä siirtyy myös laatan yläpin-taan, jolloin kiinnitys jää pienemmäksi, kun palkin yläpinta laajenee ja kutistuu laatan mu-kana palkkien poikkisuunnassa.
Kuva L3.1 Laatan suurimmat vetojännitykset. Vasen ylänurkka: BRIC-mallin yläpinnan jännitykset, Oikea ylä-nurkka: BRIC-malli alapinnan jännitykset, Vasen alaylä-nurkka: QUAD-malli yläpinnan jännitykset, Oikea alanurkka: QUAD-malli alapinnan jännitykset. Oikeanpuoleisiin kuviin laatta on käännetty ylösalaisin ala-pinnan jännityksien esitystä varten.