Ductility of a Continuous Concrete Beam Post-tensioned with Unbonded Tendons

Abstract

Paikalla valettuja, tartunnattomin jäntein jälkijännitettyjä betonirakenteita on Suomessa hyödynnetty laajasti erityisesti monikerroksisissa pysäköintitaloissa ja pihakansissa. Kestävän kehityksen ja taloudellisuuden näkökulmasta rakenteet tulee suunnitella materiaalitehokkaasti ja hiilijalanjälki minimoiden, kuitenkaan vaarantamatta rakenteen pitkäaikaiskestävyyttä. Rakenteiden tulee aina toimia sitkeästi murtotilanteessa. Jatkuvissa rakenteissa plastisten nivelten muodostuminen mahdollistaa sisäisten voimien uudelleenjakautumisen, minkä vuoksi kuormitusmallit ja rakenteen jatkuvuus vaikuttavat olennaisesti rakenteen taipumaan ja murtumiskäyttäytymiseen.

Tässä tutkimuksessa tarkastellaan jatkuvien, tartunnattomilla jänteillä jälkijännitettyjen betonipalkkien sitkeyttä lähestyttäessä murtoa kokeellisten testien ja epälineaaristen analyysien avulla. Tutkimuskysymykset keskittyvät jänteen jännitysten kehittymiseen, momenttien uudelleenjakautumiseen ja keskitukialueen kiertymiskapasiteettiin. Tutkimuksessa kehitettyjen epälineaaristen FE-mallien toimivuutta arvioidaan neljän jatkuvan betonipalkin kuormituskokeilla Tampereen Yliopistossa.

Tartunnattomien jänteiden jännitys kasvoi kaikilla testipalkeilla merkittävästi, erityisesti plastisten nivelten muodostumisen jälkeen. Suurilla kuormitustasoilla lähes puolet jänteiden lisävenymästä johtui palkin laajenemisesta, dilataatiosta. Momenttien uudelleenjakautumista havaittiin kaikissa palkeissa sen jälkeen, kun tartunnallinen harjateräsraudoitus myötäsi tuella ja keskikentässä. Vääntö-kuormituksella oli vähäinen vaikutus jänteiden jännityslisän muodostumiseen tai momentin uudelleenjakaantumiseen. Kaikissa palkeissa havaittiin suurta muodonmuutoskykyä, mitattujen kiertymien ylittäessä Eurokoodin arviot plastisesta kiertokyvystä. Keskitukialueen tiheä laajenemista estävä leikkaushaoitus mahdollisti suuret puristusjännitykset tukialueella ilman haurasta murtoa. Puristusraudoitus tuella vähensi hieman kiertymistä, mutta ei heikentänyt testipalkin sitkeyttä.

Tutkimus vahvistaa, että jatkuvat tartunnattomilla jänteillä jälkijännitetyt palkit, joissa on riittävästi tavallista tartunnallista harjateräsraudoitusta, käyttäytyvät sitkeästi murtotilanteessa. Plastisten nivelten muodostuminen edellyttää riittävää venymiskapasiteettia sekä harjateräksissä että jänteissä. Tulokset jänteen jännityslisän kehittymisestä viittaavat siihen, että Eurokoodin suositusarvot jänteen jännityslisälle ovat palkkimaisille rakenteille konservatiivisia. Suunnittelussa käytettävä jännityslisä murtorajatilassa voisi alhaisilla raudoitussuhteilla raudoitetuissa palkkirakenteissa olla suurempi kuin 50 MPa.

Cast-in-situ concrete structures post-tensioned with internal unbonded tendons (UPC structures) have been widely used in Finland, especially in multi-story parking garages and deck structures. From the perspective of sustainable development and economy, structures must be designed to be material-efficient and minimise their carbon footprint without compromising their long-term durability. It is essential that structures exhibit ductile behaviour in the event of failure. In continuous structures, the formation of plastic hinge regions is imperative for the redistribution of internal forces. Load patterns and beam continuity significantly affect deflection and failure behaviour.

This thesis examines the ductility of continuous UPC beams near failure through experimental testing and nonlinear analyses. The examination concentrates on the development of tendon stresses, the moment redistribution, and the rotation capacity of the centre support area. Two nonlinear FE models were developed and validated through large-scale loading tests on four continuous UPC beams at Tampere University.

The results showed significant stress increase in unbonded tendons, often reaching yield strength, especially after the formation of plastic hinges. At high loading levels, almost half of the additional tendon elongation is due to expansion of the beam, denoted as beam dilatation. Moment redistribution was observed in all beams, and it began to form after yielding of non-prestressed reinforcement and contributed to tendon stress increase. Torsional loading had minimal impact on tendon stress or structural behaviour of the tested beams. High deformability was observed in all beams. Measured rotations exceeded Eurocode estimates of the plastic rotation capacity, and confinement near the centre support allowed higher compressive strains without brittle failure. Compression reinforcement slightly reduced rotation of one test beam but did not compromise ductility.

The study confirms that continuous UPC beams with sufficient non-prestressed reinforcement exhibit ductile failure behaviour. The formation of plastic hinges requires adequate strain capacity in both the reinforcing bars and tendons. The observed development of tendon stress increase indicates that the Eurocode's recommended values for tendon stress increase are conservative for beam-like structures. The recommended value of the stress increase used in ULS dimensioning could be greater than 50 MPa in beam structures reinforced with low reinforcement ratios.