Betonirakenteisen CC3b-luokan asuinrakennuksen vaihtoehtoiset kuormansiirtoreitit

Abstract

Korkean betonirakenteisen asuinrakennuksen vaurionsietokyvyn määrittämiseksi on hyvin vähän suomenkielistä ohjeistusta. Kun rakennus kuuluu seuraamusluokkaan CC3b, sen vaurionsietokyvyn varmistamiseksi käytetään yleensä sidejärjestelmän ohella vaihtoehtoisten kuormansiirtoreittien menetelmää, jolla huomioidaan ennalta määrittelemättömät onnettomuustilanteet. Kuormansiirtoreittien teoreettinen toiminta on esitelty suunnitteluohjeissa pinnallisesti, mutta käytännön ohjeistus vaatii täydennystä ja selvennystä. Tässä työssä esitellään vaihtoehtoisten kuormansiirtoreittien toiminnan kannalta oleelliset seikat, miten rakenteen sitkeyttä voidaan parantaa. Tutkittava rakenne on vähintään 16-kerroksinen asuinrakennus, jonka välipohja on paikallavalettu teräsbetonilaatta. Vaihtoehtoisten kuormansiirtoreittien menetelmässä rakenteesta poistetaan yksi kerrallaan kantavia rakenneosia, minkä jälkeen rakenteen tulee kestää uusi kuormitustapaus ilman lisäsortumien muodostumista. Poistopaikat määritetään riskinarviossa korkeimpien käyttöasteiden mukaan. Muut tavanomaiset poistopaikat ovat rakennuksen nurkka, nurkan viereinen rakenneosa, molempien ulkosivujen keskialue, toiseksi viimeinen nurkka, toiseksi viimeisen kantavan linjan keskialue ja rakennuksen sisäalue. Kuormitustilanteen tarkasteluun voi hyödyntää 3D-laskentamallia, mutta sen tuloksiin tulee suhtautua kriittisesti ja tehdä tarkistuslaskelmat riittävän monesta kohdasta. Staattisissa analyyseissä vaurioalueen yläpuolisia kuormia tulee kertoa dynaamisella kuormakertoimella, jonka arvo vaihtelee rakenteesta riippuen 1,05…2,0. Arvo 2,0 on varman puolen arvio, joka olettaa rakenteen olevan täysin vaimentamaton. Määrittämällä dynaamisen kuorman aiheuttamaa taipumaa vastaava staattinen kuorma, voidaan dynaamisen ja staattisen kuorman suhteella määrittää tarkka kuormakerroin. Välipohjalaatan poikkileikkaustietojen perusteella voidaan määrittää plastisen nivelen suurin kiertymä, jonka avulla voidaan ratkaista sitä vastaava laatan suurin pystysuuntainen siirtymä. Myötöviivateorian ja energiaperiaatteen avulla voidaan ratkaista rajakuorma, joka vaaditaan kyseisen siirtymän aikaansaamiseksi. Tämän jälkeen rajakuormaa voi verrata alkuperäiseen kuormitukseen. Rakenneosan sitkeys kuvaa samalla sen vaurionsietokykyä ja vastaavasti plastisen nivelen kiertymiskyky kuvaa sitkeyttä. Plastisen nivelen kiertymiskykyä parantavat puristusterästen lisääminen, betonin lujuuden korottaminen, terästen sitkeyden korottaminen ja suurempien tankokokojen käyttäminen. Teräksen ja betonin materiaaliparametrit vaikuttavat nivelen kiertymiskykyyn. Koska kyseessä on onnettomuustilanne, voidaan tapauskohtaisesti ja harkiten käyttää materiaalien lujuusominaisuuksille standardeista poikkeavia arvoja, jos onnettomuusskenaarion todennäköisyyden ja tuotteiden valmistustoleranssien puitteissa saadaan sovittua jokin riskitaso. Onnettomuusskenaarioiden tarkka määrittäminen on myös oleellinen osa vaurionsietokyvyn varmistamista.

There is limited amount of Finnish guidance for determining the robustness of high-rise concrete residential buildings against accidental loads. When the building is classified to the consequence class CC3b, the alternate load path method is commonly used in addition to the tie system to ensure its robustness against unforeseen accident scenarios. The theoretical guidance of the alternate load path method is introduced lightly, and practical instructions need further elaboration and clarification. In this study the essential aspects for the alternate load path method are introduced, how to ensure the robustness against accidental loads by using the alternate load path method. This study is focused on at least 16 story buildings with cast-in-place reinforced concrete intermediate slab. In the method of alternate load paths, load-bearing structural elements are sequentially removed from the structure. After each removal, the structure must withstand a new load case without additional collapses. The removal locations are determined based on risk assessment and the highest demand capacity ratios. Other typical removal locations include the building's corner, edges and near edges of both exterior sides, penultimate and near penultimate and internal area of the building. A 3D model can be used to analyze load situations, but its results should be critically evaluated, and verification calculations should be done from critical locations. In static analyses, dynamic load factors should be applied to loads above the damage area, with values from 1.05 to 2.0 depending on the structure. A value of 2.0 is a conservative estimate assuming the structure damping to zero. By determining a static load equivalent to the deflection caused by the dynamic load, an accurate load factor can be calculated. Based on the slab cross-section, the maximum rotation of the plastic hinge can be determined. With the rotation the corresponding maximum vertical displacement of the slab can be solved. Using the yield line theory and energy principle, the critical load required to make that displacement can be determined. This critical load can then be compared with the original load. The stiffness of a structural component corresponds to its robustness, and the rotational capacity of a plastic hinge represents stiffness. To improve the rotational capacity of a plastic hinge there are the following actions: adding compression rebars, increasing concrete strength, improving rebar stiffness, and using larger rebar diameters. Material parameters of rebar and concrete affect the rotational capacity. In an accident scenario, deviations from standard material strength properties can be used with caution, if a certain risk level can be agreed based on the probability of the accident scenario and product manufacturing tolerances. Realistic accident scenarios are also an important part of ensuring the structure robustness.