Paaluryhmän jäykkyyden vaikutus rungon suunnittelussa
Yli-Pietilä, Arttu (2019)
2019
Rakennustekniikan DI-tutkinto-ohjelma
Rakennetun ympäristön tiedekunta - Faculty of Built Environment
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2019-10-18
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-201910163906
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-201910163906
Tiivistelmä
Paaluperustusta käsitellään tavallisesti rungon rakennesuunnittelussa joko täysin jäykkänä tai nivelellisenä liitoksena. Todellisuudessa paalutuksen joustavuuden seurauksena paalutetun perustuksen rakennemalli on täysin jäykän ja nivelellisen liitoksen välimuoto. Tässä tutkimuksessa selvitetään millaisia vaikutuksia paaluryhmän jäykkyyden huomioon ottaminen tuo kehärakenteisen rungon rakennesuunnitteluun. Työ koostuu kirjallisuustutkimuksesta sekä laskennallisesta osuudesta. Kirjallisuuskatsauksessa tarkastellaan tukipaaluperustusten suunnittelun periaatteita sekä paaluryhmän jäykkyyden määrittämistä siirtymämenetelmään perustuen. Kirjallisuuskatsauksessa käsitellään myös paaluperustuksen vaikutuksia rakennusrungolle aikaisempiin tutkimuksiin perustuen. Työn laskennallisessa osuudessa tarkastellaan paaluperustuksen jäykkyyden vaikutusta tavanomaisen teräsrakenteisen turbiinihallin pääkehän suunnittelussa. Paalutuksen jäykkyyden vaikutuksia tutkitaan jäykkäkantaisen ja -nurkkaisen teräspilareista ja ristikosta muodostuvan kehän sisäisten rasitusten, stabiliteetin ja siirtymän suhteen.
Tutkimuksessa paaluperustuksen jäykkyyttä kuvataan rakenteellisten jousien tavoin. Tukipaalutusta käsitellään työssä ristikkorakenteena, jossa nivelellisesti päistään tuettuina sauvoina tarkasteltuihin paaluihin syntyy perustukseen kohdistuvien rasitusten seurauksena aksiaalisuuntainen muodonmuutos. 2D-tasossa tarkastellun paalutuksen jousivakiot määritetään paaluanturan liiketilan perusteella, kun tunnetaan paalutusta rasittavat voimat sekä niiden aiheuttamat siirtymät ja kiertymä. Näin selvitetyt jousivakiot mallinnetaan FEM-laskentaohjelmassa perustusliitoksen vapautuksiksi kehän pysty- ja vaakasuunnassa sekä kiertymän suhteen, jolloin joustavan ja täysin jäykän perustustuennan eroavaisuuksia rungon rakennemallissa voidaan vertailla. Tasopaalutuksen yksinkertaistettua jousina kuvattua mallinnustapaa verrataan myös rakennemalliin, jossa paaluperustus on mallinnettu kokonaisuudessaan aksiaalijäykkyyttään vastaavina jousina kytkettynä laattana mallinnetun anturan välityksellä tasokehän pilarien perustusliitokseen.
Tutkimuksen perusteella vino- ja pystypaaluista koostuvalle paaluryhmälle ei yleensä voida määrittää vakiojäykkyyksiä perustusliitoksessa, koska paaluanturan liiketila on voimakkaasti riippuvainen taivutusmomentin ja leikkausvoiman vuorovaikutuksesta, mikäli tarkastelutaso poikkeaa paalutuksen kiertokeskiöstä. Näin ollen tasopaalutuksen kuvaaminen kolmella jousella havaittiin käytännön suunnittelun kannalta melko epäkäytännölliseksi mallinnustavaksi, koska näin määriteltynä paalutuksen jäykkyys muuttuu kuormitusyhdistelmäkohtaisesti. Tällöin paalutuksen kokonaisvaltainen mallintaminen on rungon rakenneanalyysin kannalta käyttökelpoisempi menetelmä paaluryhmän jäykkyyden huomioon ottamiseksi.
Tutkimuksen mukaan paaluperustuksen jäykkyyden huomioon ottaminen johtaa rungon sisäisten rasitusten uudelleenjakautumiseen. Tarkasteltaessa kattotasoltaan tuettua jäykkäkantaista ja -nurkkaista kehää havaitaan rungon rasitusjakauman siirtyvän enemmän kehän yläosan jäykille nurkille sekä kattotason jäykistysjärjestelmälle paaluperustuksen joustavuuden seurauksena. Tällöin perustusta rasittavan taivutusmomentin ja leikkausvoiman havaitaan pienenevän. Tutkimuksessa tarkasteltujen paalutusten joustavuuden seurauksena kehän pilareiden perustusliitoksessa vaikuttavan taivutusmomentin havaittiin pienenevän n. 1-10% ja pilarien yläpään maksimitaivutusmomenttien ristikon alapaarteen tasossa havaittiin kasvavan n. 1-5% verrattuna täysin jäykkien perustusliitosten mukaiseen rakennemalliin.
Tutkimuksen perusteella paaluperustuksen joustavuuden havaitaan kasvattavan pilarin nurjahduspituutta. Tarkasteltujen paalutuksien joustavuuden seurauksena pilarin nurjahduspituuden havaittiin kasvavan n. 1-3%. Paaluperustuksen joustavuuden havaittiin myös korostavan runkoon muodostuvia siirtymiä. Tutkittujen paalutuksien joustavuuden vaikutuksesta kehän vaakasuuntaisen siirtymän havaittiin kasvavan n. 1-6%. Tutkittaessa eri jäykkyyden omaavia paalutuksia havaittiin paaluperustuksen joustavuuden epälineaarinen vaikutus tutkituille suureille. Tutkimuksen perusteella voidaan todeta, että suhteessa alhaisemman jäykkyyden omaavilla paalutuksilla jäykkyyden muuttuminen saa aikaan verrattain suuremman vaikutuksen rungossa kuin jäykemmillä paalutuksilla.
Tutkimuksessa paaluperustuksen jäykkyyttä kuvataan rakenteellisten jousien tavoin. Tukipaalutusta käsitellään työssä ristikkorakenteena, jossa nivelellisesti päistään tuettuina sauvoina tarkasteltuihin paaluihin syntyy perustukseen kohdistuvien rasitusten seurauksena aksiaalisuuntainen muodonmuutos. 2D-tasossa tarkastellun paalutuksen jousivakiot määritetään paaluanturan liiketilan perusteella, kun tunnetaan paalutusta rasittavat voimat sekä niiden aiheuttamat siirtymät ja kiertymä. Näin selvitetyt jousivakiot mallinnetaan FEM-laskentaohjelmassa perustusliitoksen vapautuksiksi kehän pysty- ja vaakasuunnassa sekä kiertymän suhteen, jolloin joustavan ja täysin jäykän perustustuennan eroavaisuuksia rungon rakennemallissa voidaan vertailla. Tasopaalutuksen yksinkertaistettua jousina kuvattua mallinnustapaa verrataan myös rakennemalliin, jossa paaluperustus on mallinnettu kokonaisuudessaan aksiaalijäykkyyttään vastaavina jousina kytkettynä laattana mallinnetun anturan välityksellä tasokehän pilarien perustusliitokseen.
Tutkimuksen perusteella vino- ja pystypaaluista koostuvalle paaluryhmälle ei yleensä voida määrittää vakiojäykkyyksiä perustusliitoksessa, koska paaluanturan liiketila on voimakkaasti riippuvainen taivutusmomentin ja leikkausvoiman vuorovaikutuksesta, mikäli tarkastelutaso poikkeaa paalutuksen kiertokeskiöstä. Näin ollen tasopaalutuksen kuvaaminen kolmella jousella havaittiin käytännön suunnittelun kannalta melko epäkäytännölliseksi mallinnustavaksi, koska näin määriteltynä paalutuksen jäykkyys muuttuu kuormitusyhdistelmäkohtaisesti. Tällöin paalutuksen kokonaisvaltainen mallintaminen on rungon rakenneanalyysin kannalta käyttökelpoisempi menetelmä paaluryhmän jäykkyyden huomioon ottamiseksi.
Tutkimuksen mukaan paaluperustuksen jäykkyyden huomioon ottaminen johtaa rungon sisäisten rasitusten uudelleenjakautumiseen. Tarkasteltaessa kattotasoltaan tuettua jäykkäkantaista ja -nurkkaista kehää havaitaan rungon rasitusjakauman siirtyvän enemmän kehän yläosan jäykille nurkille sekä kattotason jäykistysjärjestelmälle paaluperustuksen joustavuuden seurauksena. Tällöin perustusta rasittavan taivutusmomentin ja leikkausvoiman havaitaan pienenevän. Tutkimuksessa tarkasteltujen paalutusten joustavuuden seurauksena kehän pilareiden perustusliitoksessa vaikuttavan taivutusmomentin havaittiin pienenevän n. 1-10% ja pilarien yläpään maksimitaivutusmomenttien ristikon alapaarteen tasossa havaittiin kasvavan n. 1-5% verrattuna täysin jäykkien perustusliitosten mukaiseen rakennemalliin.
Tutkimuksen perusteella paaluperustuksen joustavuuden havaitaan kasvattavan pilarin nurjahduspituutta. Tarkasteltujen paalutuksien joustavuuden seurauksena pilarin nurjahduspituuden havaittiin kasvavan n. 1-3%. Paaluperustuksen joustavuuden havaittiin myös korostavan runkoon muodostuvia siirtymiä. Tutkittujen paalutuksien joustavuuden vaikutuksesta kehän vaakasuuntaisen siirtymän havaittiin kasvavan n. 1-6%. Tutkittaessa eri jäykkyyden omaavia paalutuksia havaittiin paaluperustuksen joustavuuden epälineaarinen vaikutus tutkituille suureille. Tutkimuksen perusteella voidaan todeta, että suhteessa alhaisemman jäykkyyden omaavilla paalutuksilla jäykkyyden muuttuminen saa aikaan verrattain suuremman vaikutuksen rungossa kuin jäykemmillä paalutuksilla.