Hoikan esijännitetyn pilarin rakenteellinen toiminta: nurjahduskoe ja siirtymäperustainen laskenta
Filatoff, Antti (2020)
2020
Rakennustekniikan DI-tutkinto-ohjelma - Degree Programme in Civil Engineering, MSc (Tech)
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
2020-04-27
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202004213487
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202004213487
Tiivistelmä
Hoikan pilarin normaalivoimakestävyyteen vaikuttaa olennaisesti kuormituksesta pilariin aiheutuva taipuma. Taipuma on sitä pienempi mitä jäykempi pilari on. Teräsbetonipilari on halkeilemattomana selkeästi jäykempi kuin halkeilleena. Halkeilukestävyyttä voidaan parantaa esijännittämällä pilari.
Esijännitettyjen pilarirakenteiden toiminnasta kuormitettaessa on olemassa hyvin vähän mittaustietoa. Rakennetyypin mitoittamiseen ei ole Suomessa vakioitunutta mitoitusmenetelmää. Tämän työn tavoitteena on ollut järjestää nurjahduskoe hoikalle esijännitetylle betonipilarille ja kerätä mittaustietoa pilarin toiminnasta nurjahdukseen kuormitettaessa, tulkita saatuja koetuloksia ja verrata niitä esijännitetyn pilarin mitoittamiseen kehitteillä olevalla siirtymäperustaisella laskentamenetelmällä saataviin tuloksiin.
Nurjahduskokeessa kuormitettiin yhteensä 8 hoikkaa esijännitettyä pilaria ja 8 hoikkaa teräsbetonipilaria. Pilarit olivat poikkilaikkaukseltaan 280x280 mm2 ja pituudeltaan 10 m. Pilarien hoikkuusluku λ oli noin 125. Puolet kummastakin pilarityypistä oli yksimittaisia ja puolet jatkoksellisia. Jatkos oli pilarin keskellä ja se toteutettiin pilarikengillä. Pilareita kuormitettiin päistään nivelellisesti tuettuina lisäämällä 20 mm epäkeskistä normaalivoimaa, kunnes pilari nurjahti. Puoleen pilareista lisättiin 3,9 kN pistemäinen vaakakuorma pilarin keskelle. Pilarit kuormitettiin vaaka-asennossa. Niiden omapaino vaikutti tasaisena vaakakuormana. Kuormituksen aikana pilareista mitattiin taipuman ja venymien kehittymistä useassa mittauspisteessä.
Yksimittaiset esijännitetyt pilarit toimivat jäykemmin kuin jatkokselliset esijännitetyt pilarit, ja niiden nurjahduskuorma oli suurempi. Kasvatettaessa pilarien taivutusmomenttirasitusta lisäämällä pilareihin vaakakuorma, pilarien nurjahduskuormat alenivat ja yksimittaisten pilarien ja jatkettujen pilarien nurjahduskuormat olivat saman suuruiset.
Teräsbetonipilareilla liitos paransi pilarin normaalivoimakestävyyttä. Pilarikenkien liitosruuvien koko oli teräsbetonipilarien pääterästen luokkaa. Liitosalueen teräsmäärä oli pilarikenkien ankkurointiterästen takia kuitenkin isompi ja halkeilu jäi liitosalueella pienemmäksi. Liitosalue toimi kokonaisuutena jäykemmin.
Siirtymäperustainen laskenta soveltui hyvin pilarien nurjahduskuorman laskentaan. Laskennalla saadut tulokset olivat erittäin lähellä nurjahduskokeen mitattuja tuloksia. Laskennan tulokseen vaikuttaa pilarin taipuman ja poikkileikkauksen käyristymän välisen yhteyden valinta. Bending affects greatly on normal force capacity of slender column. The stiffer the column is the less it bends. Reinforced concrete column is distinctly stiffer as uncracked than cracked. After cracking develops effective cross section reduces and stiffness decreases. Prestressing the column enhances its resistance to cracking.
There is not much research done to understand the behavior of prestressed concrete column under loading and in Finland there does not exist a widely used design method for prestressed concrete columns. The aim of this thesis has been to organize buckling test for slender prestressed column to collect information from the column and its behavior as loaded to buckling, to analyze the results and compare them with calculative results of displacement-based calculation method for column that is being developed.
In buckling test there were 8 slender prestressed concrete columns and 8 slender reinforced concrete columns loaded to buckling. The columns were 280x280 mm2 in cross section and 10 m in length. Slenderness λ was approximately 125. Half of both column types were one length and half were extended. The extension joint of the extended columns was carried out with steel column shoe products. Columns were freely supported at both ends and the loading was carried out adding 20 mm eccentric axial load to the column until it buckled. On half of the column types there were added 3,9 kN horizontal point load in the middle span of the column. The columns were lying horizontally in the buckling test. The self-weight of the column affected as even horizontal load. During the loading there were measured bending and strain of the column in many separate points.
The one length prestressed concrete columns behaved stiffer than the extended columns and the buckling load was bigger. When the bending moment stress was increased by adding the horizontal point load to the column the buckling loads decreased and the one length columns and extended columns buckled on the same load.
The extension joint increased buckling load of the reinforced concrete column. The bolt size of the column shoes was comparable to the main bars of the column. The cross section of reinforcement is bigger on the joint area of extended column due to the anchor bars of the column shoes and the cracking was smaller compared to cracking of the middle part of the one length columns.
Displacement-based calculation method applied well to calculate the buckling of slender columns in the buckling test. Choosing the connection between bending and strain of the cross section has noticeable effect on the result of the calculation.
Esijännitettyjen pilarirakenteiden toiminnasta kuormitettaessa on olemassa hyvin vähän mittaustietoa. Rakennetyypin mitoittamiseen ei ole Suomessa vakioitunutta mitoitusmenetelmää. Tämän työn tavoitteena on ollut järjestää nurjahduskoe hoikalle esijännitetylle betonipilarille ja kerätä mittaustietoa pilarin toiminnasta nurjahdukseen kuormitettaessa, tulkita saatuja koetuloksia ja verrata niitä esijännitetyn pilarin mitoittamiseen kehitteillä olevalla siirtymäperustaisella laskentamenetelmällä saataviin tuloksiin.
Nurjahduskokeessa kuormitettiin yhteensä 8 hoikkaa esijännitettyä pilaria ja 8 hoikkaa teräsbetonipilaria. Pilarit olivat poikkilaikkaukseltaan 280x280 mm2 ja pituudeltaan 10 m. Pilarien hoikkuusluku λ oli noin 125. Puolet kummastakin pilarityypistä oli yksimittaisia ja puolet jatkoksellisia. Jatkos oli pilarin keskellä ja se toteutettiin pilarikengillä. Pilareita kuormitettiin päistään nivelellisesti tuettuina lisäämällä 20 mm epäkeskistä normaalivoimaa, kunnes pilari nurjahti. Puoleen pilareista lisättiin 3,9 kN pistemäinen vaakakuorma pilarin keskelle. Pilarit kuormitettiin vaaka-asennossa. Niiden omapaino vaikutti tasaisena vaakakuormana. Kuormituksen aikana pilareista mitattiin taipuman ja venymien kehittymistä useassa mittauspisteessä.
Yksimittaiset esijännitetyt pilarit toimivat jäykemmin kuin jatkokselliset esijännitetyt pilarit, ja niiden nurjahduskuorma oli suurempi. Kasvatettaessa pilarien taivutusmomenttirasitusta lisäämällä pilareihin vaakakuorma, pilarien nurjahduskuormat alenivat ja yksimittaisten pilarien ja jatkettujen pilarien nurjahduskuormat olivat saman suuruiset.
Teräsbetonipilareilla liitos paransi pilarin normaalivoimakestävyyttä. Pilarikenkien liitosruuvien koko oli teräsbetonipilarien pääterästen luokkaa. Liitosalueen teräsmäärä oli pilarikenkien ankkurointiterästen takia kuitenkin isompi ja halkeilu jäi liitosalueella pienemmäksi. Liitosalue toimi kokonaisuutena jäykemmin.
Siirtymäperustainen laskenta soveltui hyvin pilarien nurjahduskuorman laskentaan. Laskennalla saadut tulokset olivat erittäin lähellä nurjahduskokeen mitattuja tuloksia. Laskennan tulokseen vaikuttaa pilarin taipuman ja poikkileikkauksen käyristymän välisen yhteyden valinta.
There is not much research done to understand the behavior of prestressed concrete column under loading and in Finland there does not exist a widely used design method for prestressed concrete columns. The aim of this thesis has been to organize buckling test for slender prestressed column to collect information from the column and its behavior as loaded to buckling, to analyze the results and compare them with calculative results of displacement-based calculation method for column that is being developed.
In buckling test there were 8 slender prestressed concrete columns and 8 slender reinforced concrete columns loaded to buckling. The columns were 280x280 mm2 in cross section and 10 m in length. Slenderness λ was approximately 125. Half of both column types were one length and half were extended. The extension joint of the extended columns was carried out with steel column shoe products. Columns were freely supported at both ends and the loading was carried out adding 20 mm eccentric axial load to the column until it buckled. On half of the column types there were added 3,9 kN horizontal point load in the middle span of the column. The columns were lying horizontally in the buckling test. The self-weight of the column affected as even horizontal load. During the loading there were measured bending and strain of the column in many separate points.
The one length prestressed concrete columns behaved stiffer than the extended columns and the buckling load was bigger. When the bending moment stress was increased by adding the horizontal point load to the column the buckling loads decreased and the one length columns and extended columns buckled on the same load.
The extension joint increased buckling load of the reinforced concrete column. The bolt size of the column shoes was comparable to the main bars of the column. The cross section of reinforcement is bigger on the joint area of extended column due to the anchor bars of the column shoes and the cracking was smaller compared to cracking of the middle part of the one length columns.
Displacement-based calculation method applied well to calculate the buckling of slender columns in the buckling test. Choosing the connection between bending and strain of the cross section has noticeable effect on the result of the calculation.