Vaakakuormitetut paaluperustukset: Siirtymien hallinta ja paalun rakenteellinen kestävyys

Abstract

Paaluperustuksien käyttö rakentamisessa on yleistynyt, kun parhaat rakennuspaikat on käytetty ja samalla rakennusten koko on kasvanut. Rakennusten koon kasvamisen myötä niiden perustuksiin kohdistuvat vaakakuormat ovat aiempaa suurempia. Paalujen päätehtävä on puristettuna rakenteena välittää pystysuuntaiset rasitukset maaperään. Vaakakuormat voidaan huomioida käyttämällä vinopaaluja. Yhä yleisempää on kuitenkin halu hyödyntää myös paaluja ympäröivän maan antama sivuttaistuki. Suunnittelua ohjaavissa standardeissa ja ohjeissa ei kuitenkaan ole esitetty tähän selkeitä toimintapoja. Paalun sivuvastuksen laskeminen ja mallintaminen on varsin yksinkertaista, mutta sivuvastusta hyödyntäessä tulee huomioida, että paalu on tällöin puristettu ja taivutettu rakenne. Tällöin paalun rakenteellinen kestävyys on tarkastettava erikseen, mihin ei ole yleisesti käytettyä menetelmää.

Työn tavoitteena oli perehtyä vaakakuormitettujen paaluperustusten suunnitteluun liittyviin laskentateorioihin ja laskentaesimerkkien avulla tutkia eri suunnitteluperiaatteiden vaikutuksia paaluperustusten toimintaan ja paalun kestävyyteen. Lisäksi tavoitteena oli koostaa menetelmä vaakakuormitetun paaluperustuksen laskennallisen analyysin suorittamiseen.

Diplomityön ensimmäisessä vaiheessa tutustuttiin aiheeseen liittyvään kirjallisuuteen. Paalun sivuvastuksen hyödyntämistä käsittelevää kirjallisuutta löytyi hyvin sekä kotimaisista että ulkomaisista lähteistä. Etenkin Bengt B Bromsin 1960-luvulla kirjoittamat artikkelit käsittelivät asiaa hyvin kattavasti. Sen sijaan paalun rakenteellisesta mitoituksesta ei juuri löytynyt tietoa. Tehdyissä esimerkkilaskelmissa paalun toisen kertaluvun rasitukset laskettiin pilareille käytetyllä menetelmällä. Tästä johtuen toisen kertaluvun vaikutukset olivat todennäköisesti yliarvioituja.

Työn laskennallisessa osuudessa käytiin läpi tyypillisten paaluperustusten mitoituksen kulkua siirtymien ja paalun rakenteellisen kestävyyden kautta. Samoja rakenteita varioitiin käyttämällä vaakakuormien ottamiseen joko vinopaaluja, paalujen sivuvastusta tai anturan sivuvastusta sekä näiden yhdistelmiä. Laskennassa havaittiin sivuvastuksen käytössä selkeä hyöty siirtymiä ja normaalivoimia tarkastellessa. Vaakakuormien ottaminen sivuvastuksella kuitenkin aiheuttaa paalulle taivutusrasitusta, jolle valmistaja ei ole sitä suunnitellut. Sivuvastuksen hyödyntäminen lisää tarpeen tarkastella paalun kestävyys yhdistetylle puristus- ja taivutusrasitukselle. Tähän ei ole olemassa paaluille tarkoittua ohjeistusta.

Työtä tehdessä heräsi paljon kysymyksiä ja jatkotutkimusehdotuksia liittyen etenkin paalun rakenteelliseen mitoitukseen ja suunnittelijan vastuuseen eri mallinnusmenetelmien hyödyntämisessä.

The use of pile foundations in construction has become more common as the best building sites have been used up and at the same time the size of buildings has increased. The growing size of buildings has increased the lateral loads of their pile foundations. The primary function of piles is to transfer vertical loads to the ground as a compressed structure. lateral loads can be addressed by using inclined piles. However, it is becoming increasingly common to seek to utilize the lateral support provided by the surrounding soil. The standards and guidelines that govern design do not provide clear procedures for this. Calculating and modeling the lateral resistance of piles is relatively simple, but when using lateral resistance, it must be considered that the pile is then a structure subject to both compression and bending. In such cases, the structural capacity of the pile must be verified separately, for which there is no widely used method.

The aim of this thesis was to research the calculation theories related to the design of laterally loaded pile foundations and, through calculation examples, examine the effects of different design principles on the behaviour of pile foundations and the capacity of piles. Another objective was to compile a method for performing the structural analysis of laterally loaded pile foundations.

In the first phase of the thesis, relevant literature on the subject was reviewed. There was a sufficient amount of literature available on the utilization of the lateral resistance of piles, both from domestic and foreign sources. In particular, articles written by Bengt B. Broms in the 1960s addressed the issue comprehensively. However, little information was found on the structural design of piles. In the example calculations conducted, the second-order stresses on the pile were calculated using a method typically applied to columns. As a result, the second-order effects were likely overestimated.

In the computational part of the thesis, the design process of typical pile foundations was done focusing on deformations and the structural capacity of the pile. The same structures were varied by using inclined piles, lateral resistance of piles, or lateral resistance of the footing, as well as combinations of these, to account for lateral loads. The calculations showed a clear benefit to using lateral resistance when examining deformations and normal forces. However, using lateral resistance to address lateral loads causes a bending stress on the pile, which the manufacturer has not designed it for. Utilizing lateral resistance creates the need to verify the pile’s structural capacity under combined compression and bending stresses, for which no specific guidelines for piles currently exist.

During the process arose many questions and suggestions for further research, particularly related to the structural design of piles and the designer's responsibility in utilizing different modeling methods.