Teräsbetonipilarin vahvistaminen betonimanttelilla

Abstract

Vanhoja rakenteita joudutaan vahvistamaan lisä- ja muuntorakentamisen seurauksena kasvavien kuormien takia. Tässä työssä tarkasteltiin teräsbetonipilarien vahvistamista betonimanttelilla. Tutkimuksessa keskityttiin suorakaidepoikkileikkaukseen, joka vahvistetaan jokaiselta sivulta. Monet kuormansiirtorakenteisiin, materiaalivalintaan ja poikkileikkauksen mitoitukseen liittyvät periaatteet ovat sovellettavissa muihinkin manttelointitapauksiin. Mantteloinnin kaltaiset rakenteiden vahvistukset ovat hyvin tapauskohtaisia, jolloin oli vaikea luoda kaikkiin tilanteisiin soveltuvia yleispäteviä suunnitteluohjeita. Mantteloimalla vahvistettu pilari on haastava rakenne suunnittelun ja mitoituksen kannalta, koska rakenteessa yhdistyy eri aikaan valetut betonirakenteet, joiden tulisi toimia mahdollisimman yhtenäisenä rakenteena. Uudella betonilla kutistuma ja viruma ovat suuremmat, mikä haittaa kuorman suoraa siirtymistä manttelille ja aiheuttaa betonien rajapintaan leikkausrasituksen. Myös epäsuora kuorman siirtyminen ja pilarin taivutusrasitus lisäävät rajapinnan leikkausrasitusta, joten vanhan betonipinnan käsittely ja rajapinnan toiminta olivat tutkimuksessa keskeisessä roolissa. Pintakäsittelymenetelmistä hiekkapuhallus valikoitui parhaaksi, koska sillä on todettu saavutettavan rajapinnalle korkein tartunta- ja leikkauslujuus vaurioittamatta pintaa haitallisesti. Erityisesti kantaviin rakenteisiin suositellaan aina lisäksi tartuntateräksiä eli leikkausliittimiä, joiden on havaittu lisäävän mantteloitujen pilarien sitkeyttä Toisaalta ne eivät välttämättä lisää vahvistusrakenteen kuormakapasiteettia verrattuna pelkkään vanhan pinnan karhentamiseen. Myös liian voimakasta pinnan käsittelyä tulisi välttää, jotta betoniin ei aiheuteta tartuntaa heikentävää mikrohalkeilua. Betonin korkea lujuus voi merkittävästi hidastaa pinnan käsittelyä ja lisätä kustannuksia, mikä korostuu tulevaisuudessa vahvistettaessa nykyisiä, lujempia betoneja. Manttelibetonin tulisi kutistua mahdollisimman vähän. Pieni kutistuma vähentää monia yhteistoimintaan liittyviä ongelmia ja edesauttaa kuorman suoraa siirtymistä vahvistusrakenteelle. Valua ja sen tiivistämistä hankaloittavat usein melko tiheä raudoitus ja rakenteen kapeus, jolloin valua voidaan helpottaa itsetiivistyvän betonin käytöllä. Manttelin betoni tulisi olla alkuperäistä betonia lujempaa, mikä johtaa monissa tapauksissa melko korkeaan betonin lujuuteen. IT-betonin ja korkealujuusbetonin tapauksessa korostuu osaaminen materiaalien valmistuksesta ja työmaatekniikasta, jotta saavutetaan esimerkiksi maltillinen kutistuma ja vältytään haitalliselta halkeilulta. Manttelin suurimmat hyödyt on sen huomattava kuormakapasiteetin lisäys jo pienillä paksuuksilla, erinomainen palonkesto, hyvä pitkäaikaiskestävyys sekä samalla rakenteelle saavutettava uudenveroinen pinta ja ulkonäkö. Lisäksi se on toteutettavissa kustannustehokkaasti tavanomaisilla materiaaleilla ja laitteistolla ilman erikoisammattitaitoa. Betonimantteloinnin vahvistamisvaikutus muodostuu pääosin rakenteen kasvaneesta poikkileikkauksesta, mutta myös pilarin puristuslujuuden kasvamisesta sulkemisvaikutuksen seurauksena. Sulkemisvaikutuksen hyödyntäminen vaatii neljän sivun manttelointia ja tiheää hakaraudoitusta. Ilman laskennallista hyödyntämistä se tuo jossain määrin lisävarmuutta ja pienentää vanhan pilarin kuormitusastetta. Tutkimuksessa vahvistetun rakenteen kestävyyttä on analysoitu poikkileikkausjännitysten kautta. Mitoituksessa on huomioitu puristettujen terästen lujuuden heikentyminen nurjahtamisen seurauksena. Toisen kertaluvun vaikutusten laskennassa on sovellettu yleisesti käytettyä eurokoodin nimellisen kaarevuuden menetelmää.