Asuinkerrostalon vaurionsietokyky korotusrakentamisen yhteydessä: Jatkuvan sortuman estäminen
Porri, Juho (2021)
Porri, Juho
2021
Rakennustekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Civil Engineering
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
2021-09-13
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202108046436
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202108046436
Tiivistelmä
Asuinkerrostaloon rakennettaessa uusia lisäkerroksia sen jo olemassa oleviin rakenteisiin muodostuu uusia kuormituksia. Erityisesti rakennuksen alimmissa kerroksissa sijaitsevien rakenteiden toiminnasta on varmistuttava kuorman lisääntyessä, jotta esimerkiksi yhden kantavan rakenneosan vaurioituessa jatkuvaa sortumaa ei pääse tapahtumaan. Tässä työssä keskityttiin rakenneosien pystykuorman lisäykseen, mutta todellisuudessa rakennuksen tuulikuorman lisäys ja koko stabiilius on tarkastettava. Rakennuksen perustusten toiminnan tutkiminen kuorman lisäyksen jälkeen jätettiin työn ulkopuolelle.
Jatkuvalla sortumalla tarkoitetaan tilannetta, jossa merkittävä osa rakennuksesta sortuu. Samalla sortumasta voi aiheutua koko rakennuksen stabiiliuden menetys. Jatkuva sortuma saa alkunsa paikallisesta vauriosta, jonka syynä voi olla esimerkiksi ajoneuvon törmäys. Paikallisen vaurion laajuuden rajoittamiseen ja vaurionsietokyvyn parantamiseen ensisijaisena menetelmänä rakennuksissa käytetään sidevoimamenetelmää, jonka ideana on parantaa rakenteiden sitkeyttä ja yhteistoimintaa onnettomuustilanteessa lisäämällä erityisesti rakenteiden välisiin liitoksiin vetovoimaa kestäviä raudoitteita. Vaihtoehtoisten kuormansiirtoreittien menetelmässä rakennuksesta poistetaan jokin kantava rakenneosa, kuten pilari tai palkki. Ympärillä olevien rakenteiden on kyettävä tällaisessa tilanteessa muodostamaan kuormille uusi reitti perustuksiin asti jatkuvan sortuman estämiseksi. Viimeiseksi rakenneosa voidaan mitoittaa avainasemassa olevana, jolloin rakenteen ehjänä säilymisen todennäköisyys onnettomuustilanteessa kasvaa. Rakenneosan mitoittaminen avainasemassa parantaa yleisesti koko rakennuksen vaurionsietokykyä, mutta taloudellisista ja käytännön syistä kaikkia rakenneosia ei tule mitoittaa avainasemassa olevina.
Eurokoodin kansallinen liite edellyttää seuraamusluokan CC3b rakennuksille suoritettavaksi riskinarvioinnin, jossa tulee huomioida sekä ennakoivissa, että ennakoimattomissa olevat vaaratilanteet. Riskinarvioinnin tavoitteena on selvittää riskirakenteiden sijainti sekä toimenpiteet, joilla riskiä voidaan alentaa. Mikäli todetaan, että riski vaurioille on hyväksyttyä riskitasoa suurempi, on riskiä pienentäviin toimenpiteisiin ryhdyttävä.
Rakenteiden vahvistamista edeltää niiden kuntotutkimus, jonka tavoitteena on selvittää rakenteiden nykyinen kunto ja olemassa olevat vauriot. Vahvistamisella pyritään kasvattamaan rakenteen kuormankantokykyä silloin, kun rakenteeseen kohdistuvan kuorman voidaan odottaa kasvavan. Vahvistamismenetelmän valintaan vaikuttavat esimerkiksi työskentelytilan asettamat rajoitteet ja vahvistuksen vaikutukset muihin rakenteisiin. Teräsbetonirakenteissa tyypillinen ratkaisu on lisätä rakenteen poikkipinta-alaa mantteloimalla rakenne, sillä esimerkiksi rakenteen betonin lujuuden kasvattaminen lujemmalla betonilla on usein mahdotonta.
Vaihtoehtoisten kuormansiirtoreittien analyysiin on olemassa monia menetelmiä, mutta tyypillinen jako tapahtuu niiden jakaminen lineaarisiin ja epälineaarisiin, sekä staattisiin ja dynaamisiin menetelmiin. Epälineaarisissa menetelmissä rakenteen materiaalin toiminta on asetettu epälineaariseksi, jolloin rakenteen toiminta muuttuu sen saavutettua oman myötölujuutensa. Staattisissa menetelmissä rakenneosan poistosta seuraavia dynaamisia liikehdintöjä jäljitellään kasvattamalla kuormia erikseen määritetyllä kertoimella. Dynaamiset menetelmät taas ottavat suoraan huomioon tällaiset dynaamiset liikehdinnät. Tästä syystä dynaamiset menetelmät tuottavat tarkempia tuloksia, mutta ovat myös työläämpiä ja vaativampia toteuttaa. New loads are applied to existing structures when additional floors are built to a multi-storey building. Especially the proper working of structures located in the lowest floors of the building must be ensured so progressive collapse cannot take place after one supporting structure is damaged. In this thesis the main focus was on the vertical load increase but in reality the whole buildings wind load and stability must be checked. The working of the building’s foundation was also left out of this thesis.
Progressive collapse is a situation where significant part of the building collapses. At the same time the loss of stability of the entire building may occur. Progressive collapse begins from a local damage which can be caused by an impact of a vehicle for example. The main method for limiting the area of local damage and improving the robustness of the building is the tying force method. The idea of the method is to improve the ductility and united operation of the structures by adding tension reinforcement to the structure joints. In the alternative load path method a supporting structure, such as a column or a beam, is removed from the building. The surrounding structures must be able to create a new path for the redistributed loads all the way to the footing of the building so the progressive collapse would not happen. The last option is to design the structure as a key element which improves the likelihood of the structure staying intact in a hazard event. Designing the structure as a key element improves the robustness of the entire building but for economical and practical reasons all structures should not be designed as key elements.
Eurocode’s National Annex demands the executing of a risk assessment for buildings in consequence class CC3b, which must consider both defined and undefined hazards. The aim of the risk assessment is to find out the location of risky structures and the actions that the risk can be lowered with. If the risk for local damages is greater than the allowed level of risk, actions to lower the risk must be taken.
Inspection the current condition of the structures is done before strengthening any structures. The aim of the inspection is to examine the structures and locate all the damages that have already happened. The aim of strengthening is to improve the carrying capacity of the structures in a situation where loads are expected to increase. The selection of a proper strengthening method is affected by the limits set by the working space and effects to the surrounding structures for example. For reinforced concrete structures a typical solution is to increase the cross-section area by creating a concrete jacket because improving the strength of the existing concrete is usually impossible.
There are many different procedures for the alternative load path analysis but typical division is to divide them to linear and nonlinear and to static and dynamic methods. In nonlinear methods the material model is set to work as nonlinear so the operation of the structure changes when the yield strength is reached. In static procedures the dynamic effects resulted from the removal of a supporting element are imitated by a dynamic load factor. The dynamic procedures take these dynamic effects into account in the analysis itself. For this reason the dynamic procedures lead to more accurate results but are also arduous and challenging to execute.
Jatkuvalla sortumalla tarkoitetaan tilannetta, jossa merkittävä osa rakennuksesta sortuu. Samalla sortumasta voi aiheutua koko rakennuksen stabiiliuden menetys. Jatkuva sortuma saa alkunsa paikallisesta vauriosta, jonka syynä voi olla esimerkiksi ajoneuvon törmäys. Paikallisen vaurion laajuuden rajoittamiseen ja vaurionsietokyvyn parantamiseen ensisijaisena menetelmänä rakennuksissa käytetään sidevoimamenetelmää, jonka ideana on parantaa rakenteiden sitkeyttä ja yhteistoimintaa onnettomuustilanteessa lisäämällä erityisesti rakenteiden välisiin liitoksiin vetovoimaa kestäviä raudoitteita. Vaihtoehtoisten kuormansiirtoreittien menetelmässä rakennuksesta poistetaan jokin kantava rakenneosa, kuten pilari tai palkki. Ympärillä olevien rakenteiden on kyettävä tällaisessa tilanteessa muodostamaan kuormille uusi reitti perustuksiin asti jatkuvan sortuman estämiseksi. Viimeiseksi rakenneosa voidaan mitoittaa avainasemassa olevana, jolloin rakenteen ehjänä säilymisen todennäköisyys onnettomuustilanteessa kasvaa. Rakenneosan mitoittaminen avainasemassa parantaa yleisesti koko rakennuksen vaurionsietokykyä, mutta taloudellisista ja käytännön syistä kaikkia rakenneosia ei tule mitoittaa avainasemassa olevina.
Eurokoodin kansallinen liite edellyttää seuraamusluokan CC3b rakennuksille suoritettavaksi riskinarvioinnin, jossa tulee huomioida sekä ennakoivissa, että ennakoimattomissa olevat vaaratilanteet. Riskinarvioinnin tavoitteena on selvittää riskirakenteiden sijainti sekä toimenpiteet, joilla riskiä voidaan alentaa. Mikäli todetaan, että riski vaurioille on hyväksyttyä riskitasoa suurempi, on riskiä pienentäviin toimenpiteisiin ryhdyttävä.
Rakenteiden vahvistamista edeltää niiden kuntotutkimus, jonka tavoitteena on selvittää rakenteiden nykyinen kunto ja olemassa olevat vauriot. Vahvistamisella pyritään kasvattamaan rakenteen kuormankantokykyä silloin, kun rakenteeseen kohdistuvan kuorman voidaan odottaa kasvavan. Vahvistamismenetelmän valintaan vaikuttavat esimerkiksi työskentelytilan asettamat rajoitteet ja vahvistuksen vaikutukset muihin rakenteisiin. Teräsbetonirakenteissa tyypillinen ratkaisu on lisätä rakenteen poikkipinta-alaa mantteloimalla rakenne, sillä esimerkiksi rakenteen betonin lujuuden kasvattaminen lujemmalla betonilla on usein mahdotonta.
Vaihtoehtoisten kuormansiirtoreittien analyysiin on olemassa monia menetelmiä, mutta tyypillinen jako tapahtuu niiden jakaminen lineaarisiin ja epälineaarisiin, sekä staattisiin ja dynaamisiin menetelmiin. Epälineaarisissa menetelmissä rakenteen materiaalin toiminta on asetettu epälineaariseksi, jolloin rakenteen toiminta muuttuu sen saavutettua oman myötölujuutensa. Staattisissa menetelmissä rakenneosan poistosta seuraavia dynaamisia liikehdintöjä jäljitellään kasvattamalla kuormia erikseen määritetyllä kertoimella. Dynaamiset menetelmät taas ottavat suoraan huomioon tällaiset dynaamiset liikehdinnät. Tästä syystä dynaamiset menetelmät tuottavat tarkempia tuloksia, mutta ovat myös työläämpiä ja vaativampia toteuttaa.
Progressive collapse is a situation where significant part of the building collapses. At the same time the loss of stability of the entire building may occur. Progressive collapse begins from a local damage which can be caused by an impact of a vehicle for example. The main method for limiting the area of local damage and improving the robustness of the building is the tying force method. The idea of the method is to improve the ductility and united operation of the structures by adding tension reinforcement to the structure joints. In the alternative load path method a supporting structure, such as a column or a beam, is removed from the building. The surrounding structures must be able to create a new path for the redistributed loads all the way to the footing of the building so the progressive collapse would not happen. The last option is to design the structure as a key element which improves the likelihood of the structure staying intact in a hazard event. Designing the structure as a key element improves the robustness of the entire building but for economical and practical reasons all structures should not be designed as key elements.
Eurocode’s National Annex demands the executing of a risk assessment for buildings in consequence class CC3b, which must consider both defined and undefined hazards. The aim of the risk assessment is to find out the location of risky structures and the actions that the risk can be lowered with. If the risk for local damages is greater than the allowed level of risk, actions to lower the risk must be taken.
Inspection the current condition of the structures is done before strengthening any structures. The aim of the inspection is to examine the structures and locate all the damages that have already happened. The aim of strengthening is to improve the carrying capacity of the structures in a situation where loads are expected to increase. The selection of a proper strengthening method is affected by the limits set by the working space and effects to the surrounding structures for example. For reinforced concrete structures a typical solution is to increase the cross-section area by creating a concrete jacket because improving the strength of the existing concrete is usually impossible.
There are many different procedures for the alternative load path analysis but typical division is to divide them to linear and nonlinear and to static and dynamic methods. In nonlinear methods the material model is set to work as nonlinear so the operation of the structure changes when the yield strength is reached. In static procedures the dynamic effects resulted from the removal of a supporting element are imitated by a dynamic load factor. The dynamic procedures take these dynamic effects into account in the analysis itself. For this reason the dynamic procedures lead to more accurate results but are also arduous and challenging to execute.