Betonipalkin manttelointi teollisuuskohteissa

Abstract

Manttelointi on yleinen ja tehokas tapa betonipalkin kapasiteetin kasvattamiseksi. Mantteloinnissa rakenteen ympärille valetaan uusi kerros raudoitettua betonia. Tässä työssä tutkitaan betonipalkin mantteloinnin toteutusta ja suunnittelua teollisuuskohteissa. Työ keskittyy tyypillisiin teollisuusympäristössä esiintyviin taivutus- ja leikkausrasitettuihin teräsbetonipalkkeihin. Vahvistamista tarkastellaan kuormien kasvun seurauksena riittämättömän kapasiteetin vuoksi.

Mantteloinnissa rakenne koostuu eri aikaan valetuista betoneista. Rakenteen toiminnan kannalta oleellista on riittävä tartuntalujuus betonien välillä. Rajapintaan kohdistuu merkittävää leikkausrasitusta taivutuksen ja betonin muodonmuutosten takia. Työssä tarkastellaan kirjallisuuskatsauksen avulla rajapinnan lujuuteen vaikuttavia tekijöitä. Rajapinnan lujuuden kannalta tärkeiksi tekijöiksi osoittautuvat alustan onnistunut esikäsittely sekä päällystebetonin huolellinen tiivistäminen ja jälkihoito. Rajapintaa ei kuitenkaan saa suunnitella pelkästään betonien välisen tartunnan varaan, vaan rajapintaan tulee sijoittaa erillisiä leikkausliittimiä.

Manttelin betonin tulee lujuudeltaan olla hieman alustan lujuutta suurempi. Rajapinnan leikkausrasituksen minimoiseksi betonin tulee olla mahdollisimman vähän kutistuvaa. Työssä tutkitaan myös itsetiivistyvän betonin, kuitubetonin, korkealujuusbetonin ja ruiskubetonin soveltuvuutta manttelivaluihin. Kaikkien betonien todetaan soveltuvan manttelivaluihin. Itsetiivistyvällä betonilla ja ruiskubetonilla helpotetaan manttelin valamista, kun taas korkealujuus- ja kuitubetonilla voidaan parantaa manttelin ominaisuuksia.

Mitoitusosiossa perehdytään mantteloidun poikkileikkauksen taivutus- ja leikkauskestävyyden määrittämiseen murtorajatilassa. Käyttörajatilassa perehdytään poikkileikkauksen jännitysrajojen laskemiseen. Lisäksi tarkastellaan rajapinnan leikkausrasituksen ja -kestävyyden määrittämistä sekä injektoitavien harjaterästartuntojen sijoittelua ja ankkurointia.

Työn tutkivassa osuudessa tarkastellaan vertailulaskelmien avulla kolmen eri muotoisen manttelin taivutuskestävyyttä ja poikkileikkauksen jännityksiä. Tarkasteltavat manttelit ovat alapuolinen mantteli, sivujen mantteli ja U-mantteli. Poikkileikkauksen jännitysten osalta tarkastellaan manttelin betonin viruman vaikutusta jännityksiin sekä eroja jännitysten jakautumisessa aktiivisen ja passiivisen vahvistamisen välillä. Sekä taivutuskestävyyden että jännitysrajojen osalta alapuolinen mantteli osoittautuu parhaaksi vaihtoehdoksi. Siinä taivutuskapasiteettia saadaan kasvatettua tehokkaimmin suhteessa materiaalimenekkiin ja työmäärään. Betonin virumisella todetaan olevan merkittävä vaikutus poikkileikkauksen jännityksiin. Suurin vaikutus kohdistuu manttelin betoniin, jossa jännitys voi laskea jopa kolmasosaansa alkuperäisestä jännitystasostaan. Myös aktiivisen ja passiivisen vahvistamismenetelmän välillä havaitaan olevan merkittävä vaikutus poikkileikkauksen jännityksiin. Passiivisessa vahvistamisessa mantteli osallistuu ainoastaan vahvistamisen jälkeisten kuormien kantamiseen. Aktiivisessa vahvistamisessa alkuperäiseltä rakenteelta poistetaan jännityksiä esimerkiksi tunkkaamalla, ja rakenne tuetaan vahvistamisen ajaksi. Näin voidaan pienentää tehokkaasti alkuperäisen rakenteen jännityksiä.

Jacketing is a common and effective method for increasing the capacity of a concrete beam. In jacketing, a new layer of reinforced concrete is cast around the structure. This thesis examines the execution and design of reinforced concrete beam jacketing in industrial environments. The study focuses on typical reinforced concrete beams subjected to bending and shear stresses in industrial environments. Strengthening is considered in situations where the existing capacity is insufficient due to an increased loading.

In jacketing, the structure consists of concretes cast at different times. Sufficient bond strength between the concretes is essential for the structural performance. Significant shear stress develops at the interface due to bending and the deformations of concrete. This work examines the factors affecting interface strength through a literature review. Successful surface preparation of the substrate as well as careful compaction and curing of the overlay concrete are found to be important factors affecting interface strength. However, the interface must not be designed based only on the bond between concretes; instead, separate shear connectors must be placed at the interface.

The concrete used for the jacket must have a compressive strength slightly higher than that of the substrate. To minimize shear stress at the interface, the concrete should exhibit as little shrinkage as possible. The study also examines the suitability of self-compacting concrete, fibre-reinforced concrete, high-strength concrete, and shotcrete for jacketing. All of these concrete types are found to be suitable for jacketing. Self-compacting concrete and shotcrete facilitate the casting of the jacket, whereas high-strength and fibre-reinforced concretes can be used to improve the properties of the jacket.

In the design section, the determination of the flexural and shear resistance of the jacketed cross-section in the ultimate limit state is examined. In the serviceability limit state, the calculation of stress limitations in the cross-section is examined. In addition, the determination of the interface shear stress and shear resistance, as well as the placement and anchorage of post-installed reinforcing bars are also investigated.

In the research section of the work, comparative calculations are used to examine the flexural resistance and cross-sectional stresses of three differently shaped jackets. The jackets considered are a bottom jacket, a side jacket, and a U-jacket. With respect to cross-sectional stresses, the effect of creep in the jacket concrete on stresses is examined, as well as the differences in stress distribution between active and passive strengthening. In terms of both flexural resistance and stress limitations, the bottom jacket is found to be the best option. It provides the most efficient increase in flexural capacity relative to material consumption and construction effort. Concrete creep is found to have a significant effect on cross-sectional stresses. The greatest effect occurs in the jacket concrete, where the stress can decrease to as little as one third of its initial value. Significant differences in cross-sectional stresses are also observed between active and passive strengthening methods. In passive strengthening, the jacket participates only in carrying loads applied after strengthening. In active strengthening, stresses are relieved from the original structure, for example by jacking, and the structure is supported during the strengthening. In this way, the stresses in the original structure can be effectively reduced.