Esijännitetyn betonipilarin suunnittelu ja tuotantotekniikka

Abstract

Esijännitetty betonipilari ei ole ollut Suomessa yleinen rakenneratkaisu vielä, koska niiden käyttäytymistä ei tunneta yhtä hyvin kuin teräsbetonipilarin sekä jännepilarin suunnitteluun ei ole luotu yhtä vakiintunutta mitoitusmenetelmää tai kansallista ohjetta. Jännepilarilla on rakenneominaisuuksiltaan ja tuotantoteknisten syiden takia potentiaalia tarjota kilpailukykyinen, taloudellinen ja tehokas rakenneratkaisu. Esijännittämisellä rakenteeseen tuotetaan keinotekoinen puristusjännitystila, joka tekee siitä paremmin vetojännityksiä kestävän ja tätä kautta jännepilari pysyy halkeilemattomana suuremmilla kuormilla kuin teräsbetonipilari. Halkeilemattomuus kasvattaa jännepilarin taivutusjäykkyyttä, joka johtaa pienempiin toisen kertaluvun vaikutuksiin, joilla on olennainen merkitys erityisesti hoikkien pilarien mitoituksessa. Esijännityksen mahdollistamalla hoikkuudella rakenteista tulee tehokkaampia ja saavutetaan merkittäviä materiaalisäästöjä. Jännepilarin yleisyyden kasvattamista varten julkaistiin Betoninormikortti 30EC, joka sisältää uuden siirtymäperusteiseen laskentaan perustuvan mitoitusmenetelmän jännepilarille ja tässä työssä kyseistä menetelmää on analysoitu ja verrattu FEM-laskentaohjelman mitoitusmenetelmään, jota käytetään tällä hetkellä teräsbetonipilarien mitoituksessa. Tarkoituksena tässä työssä on ollut selvittää näistä mitoitusmenetelmistä se, joka antaa parempia normaalivoimakapasiteetteja nurjahdusmurtoa vastaan, sillä se on hoikilla pilareilla todennäköisin murtotapa. Tutkimusta suoritettiin aluksi kirjallisuuskatsauksena esijännitetyn betonirakenteen teoriasta ja eroavaisuuksista teräsbetonirakenteisiin, jonka jälkeen perehdyttiin työssä käytettäviin mitoitusmenetelmiin. Teoriaosuudessa myös käytiin läpi jännepilarien tuotantotekniikkaa ja sen tuomia etuja ajallisesti ja taloudellisesti. Kirjallisuuskatsauksen jälkeen tutkimusta mitoitusmenetelmien välillä tehtiin hakemalla normaalivoimakapasiteetit kolmelle esimerkkipilarille ja tulosten välisiä eroja analysoitiin. Mitoitusmenetelmien vertailun lisäksi haastattelun ja kirjallisuuden avulla kartoitettiin ideaalisia käyttökohteita jännepilarille sen rakenteellisten ominaisuuksien sekä tuotannollisten hyötyjen perusteella. Mitoitusmenetelmien välisestä analysoinnista voidaan todeta kummankin työssä tutkitun menetelmän tuovan johdonmukaisia, toisiaan vastaavia ja hyviä tuloksia normaalivoimakapasiteeteille. Normikortissa mallin varmuuden tuoma k_d-kerroin vaikuttaa kapasiteettiin hieman enemmän kuin FEM-laskentaohjelmassa eurokoodin yleisessä menetelmässä käytettävät materiaaliosavarmuusluvut. Oleellinen ero menetelmien välille tuli kuitenkin viruman huomioimisessa. Normikortti antoi merkittävästi suurempia normaalivoimakapasiteetteja, kun virumaluku ja sen vaikutukset lisättiin malleihin. Näiden perusteella tässä työssä voidaan todeta normikortin olevan tällä hetkellä parempi ja luotettavampi mitoitusmenetelmä jännepilareille, sillä se mahdollistaa tehokkaampia poikkileikkauksia. Tämän työn tutkimuksista myös ilmenee, että jännepilareille ideaalisimmat käyttökohteet ovat korkeita ja paljon vapaata lattiatilaa vaativia varasto- ja logistiikkahalleja. Tämä perustuu jännepilarien mahdollisuudesta tehdä ne hoikkina mastopilareina ja näissä kohteissa on tarvetta monelle samankaltaiselle pilarille, jolloin jännepilarista tulee myös taloudellisempi vaihtoehto sen tuotannon tehokkuuden takia.

Prestressed concrete column have not yet been a common structural solution in Finland because their structural behaviour is not as well-known as that of reinforced concrete columns, and due to the lack of established design methods or national guidelines for prestressed concrete columns. However, due to its structural characteristics and production advantages, prestressed column has the potential to provide an economical, efficient and competitive structural solution. Prestressing introduces an artificial state of compression to the structure, making it more resistant to tensile stresses and thus prestressed concrete column remains crack-free under higher loads than reinforced concrete columns. The non-cracking behaviour increases the flexural stiffness of the prestressed column, leading to smaller second-order effects, which are essential in the design process of slender columns. By enabling greater slenderness, prestressing allows concrete columns to be more efficient and to gain significant material savings. To increase the use of prestressed concrete columns, Betoninormikortti 30EC was published, which includes a new design method for prestressed concrete columns that is based on displacement-based analysis. In this study this method has been analysed and compared with a design method in a finite element method (FEM) analysis software, which is currently being used in the design of reinforced concrete columns. One of the main goals of this study was to determine which of these design methods would provide better axial load capacities considering buckling failure as the failure mode, as this is the most likely case for slender columns. The study was initially conducted as a literature review on the basic theory of prestressed concrete and the structural differences compared to reinforced concrete, followed by detailed examination of the used design methods in this study. In the theoretical section also the production techniques of prestressed concrete columns were reviewed and the time and cost advantages they provide. After the literature review, the comparison of design methods was carried out by determining the maximum axial force capacities for three example columns and the differences between the results were analysed. In addition to the comparison of design methods, ideal applications for prestressed concrete columns were recognized considering their structural properties and advantages in production through conducting an interview and researching literature. From the analysis of the results of design methods, it can be concluded that both methods in this study provide consistent, comparable and good results for axial load capacities. In the Betoninormikortti method, the safety factor k_d influenced the capacity slightly more than the material partial safety factors used in the general method in the FEM design method. However, an essential difference between the results came when creep was added to the design models. Betoninormikortti gave significantly higher capacities in situations where creep was considered, and its effects were incorporated to the methods. Based on these results, this study can conclude that the method in Betoninormikortti currently is a better and more reliable design method for prestressed concrete columns, as it enables more efficient cross-sections. The research in this study also shows that the most ideal applications for prestressed concrete columns are tall warehouses and logistics centres that requires a lot of floor space. This is based on the ability of prestressed concrete columns to be made as slender cantilever columns, which are often used in these types of buildings. Additionally in these sorts of buildings, there are need for multiple similar columns, which makes prestressed columns a more economical option compared to reinforced concrete columns due to the production efficiency of prestressed structures.