Ulkoisilla jänteillä vahvistaminen

Abstract

Olemassa olevia rakenteita joudutaan usein vahvistamaan rakenteiden suunnittelukuormituksen lisääntyessä. Rakenteiden vahvistamisessa voidaan käyttää useita erilaisia menetelmiä ja materiaaleja vahvistettavasta rakenteesta ja vahvistettavista ominaisuuksista riippuen. Rakenteiden vahvistaminen ulkoisilla jänteillä on yleistyvä menetelmä taivutuskapasiteetin kasvattamisessa. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli tuottaa tietoa rakenteiden vahvistamisesta jälkijännitetyillä ulkoisilla jänteillä. Tutkimuksessa tarkasteltiin teräsbetonisen laattapalkkirakenteen vahvistuksen suunnittelua rakenteen kantokestävyyden arvioinnista lähtien sekä vahvistamisen vaikutuksia käyttö- ja murtorajatilassa. Vahvistuksen suunnittelussa tutkittiin erityisesti materiaaliominaisuuksia, jännevoiman valintaa ja jänteiden jännityslisää murtorajatilassa. Laskentatarkasteluja varten selvitettiin tieteelliseen kirjallisuuteen ja alan suunnitteluohjeisiin perustuen rakennusmateriaalien ominaisuudet, laattapalkin toiminta kuormituksen alaisena ja ulkoisilla jänteillä vahvistetun rakenteen erityisominaisuudet. Näiden avulla pyrittiin löytämään parhaiten vahvistettavan rakenteen toimintaa kuvaava laskentamenetelmä. Laskentamenettely perustuu eurokoodin mukaiseen rakenteiden rajatilamitoitukseen, jossa tarkastellaan myös rakenneosien jännityksiä. Laskentatulokset ovat esitetty liitteissä ja ne ovat toteutettu PTC Mathcad Express –ohjelmalla. Lisäksi selvitettiin jälkijännittämisen vaikutuksia vahvistettavaan rakenteeseen ja siihen liittyviin rakenteisiin. Tässä tutkimuksessa tarkasteltiin rakennuksen yläpohjana toimivan laattapalkkirakenteen kantavuutta ja vahvistamista. Esimerkkirakenteen kantavuutta ja toimintaa tutkittiin vahvistamattomana ja vahvistettuna käyttö- ja murtorajatilassa. Rakenteelle asetettiin käyttörajatilassa raja-arvot rakenneosien jännityksille, taipumalle ja halkeamaleveydelle. Lisäksi rakenteella on oltava riittävä kestävyys murtorajatilassa. Rakenteen vahvistamiseen riittävä jännevoima on vahvasti riippuvainen jänteiden epäkeskisyydestä rakenteeseen nähden. Jänteiden suurin epäkeskisyys ja jännekulku on siten valittava kumoamaan tehokkaasti rakenteeseen kohdistuvia ulkoisia kuormia. Jänteiden epäkeskisyyden mukaan tulisi pyrkiä valitsemaan mahdollisimman pieni jännevoima, jolla rakenteeseen kohdistu- vat vaatimukset täyttyvät. Tällöin on usein kyseessä osittain jännitetty rakenne. Rakenteen vahvistaminen ulkoisilla jänteillä kasvatti huomattavasti rakenteen laskennallista taivutuskestävyyttä murtorajatilassa. Käyttörajatilassa vahvistaminen pienensi eniten rakenteen taipumaa ja halkeamaleveyttä. Myös rakenneosien jännitykset pienenivät vahvistamattomaan rakenteeseen verrattuna. Vahvistus pienensi leikkausvoimaa ja laipan irti leikkautumisen jännitystä uumasta, mutta vahvistamisella ei ollut oleellista vaikutusta leikkauskestävyyteen tai laipan irti leikkautumiseen uumasta. Tutkimuksen tulosten mukaan rakenteen vahvistaminen ulkoisilla jänteillä on kannattavaa, kun on tarpeellista lisätä rakenteen taivutuskestävyyttä tai hallita rakenteen taipumaa sekä halkeamaleveyttä. Vahvistamisen vaikutuksiin vaikuttavat merkittävästi jänteiden jännevoima ja epäkeskisyys sekä jänteiden jännityslisä murtorajatilanteessa.

Existing structures may require strengthening due to increase in design loads. Structural strengthening can be done with different techniques. The technique to be used depends always on structure and property which need strengthening. Structural strengthening with externally post-tensioned tendons are becoming common strengthening method to improve flexural capacity. The aim of this study was to produce and increase knowledge about strengthening with external post-tensioned steel tendons. This study focused on evaluate bending capacity of RC structures, investigate proper design method for external steel tendons and evaluate strengthening effects for structure in service and ultimate limit states. In this study material properties, determining effective tendon stress and additional tendon stress at ultimate limit state were especially studied. For analysis and design, literature review was made to find out proper material properties, structural behavior of beam-slab section and special features of external tendons. The design of strengthening in this study is based on literature review of Eurocode standards and researches of external post-tensioned tendons. Design calculations of strengthening was made with PTC Mathcad Express –software and those can be seen in appendixes. A calculation example in this study is RC beam-slab section that is strengthen with external post-tensioned bars due to increase in design loads. Section analysis was made with unstrengthen and strengthen structure in service and ultimate limit states. In service limit state limit values for stresses in concrete and reinforcing bars were set up. In addition, maximum value of deflection and crack width were limited. Structure must also have sufficient resistance for ultimate limit state actions. Sufficient amount of tendon force to reach all set requirements is highly depended on tendon eccentricity. For this reason, tendon geometry has to be chosen to balance external loading effectively. For chosen tendon geometry, applied tendon force should be as low as possible that fulfil all set requirements. When tendon force is low, there might appear cracks in tension zone. These kind of structures are called partially prestressed. Strengthening with external post-tensioned tendons increased significantly bending capacity in ultimate limit state. In service limit state strengthening decreased deflection and crack width. Also, stresses in concrete and reinforcing bars became lower due to strengthening. Strengthening did not have much impact on shear capacity or shear resistance between web and flange. According results of this study, strengthening with external post-tensioned tendons is useful method when bending capacity has to be increased or for controlling deflection and crack width. Tendon force, tendon eccentricity and additional tendon force in ultimate limit state have high impact on strengthening effects.