Lämpökuormien ja betonin kutistumisen aiheuttamien rasitusten laskenta FEM-ohjelmilla ja niiden vaikutus betonisen allasrakenteen mitoitukseen

Abstract

Tämä tutkimus keskittyy tutkimaan lämpökuormista ja kutistumisesta aiheutuvia pakkovoimia teräsbetonialtaissa. Tutkimuksen alussa käsitellään lämpökuormista aiheutuvien pakkovoimien teoriaa ja perehdytään Eurokoodin ja ACI:n esittämiin menetelmiin ja säädöksiin lämpökuormista aiheutuvien pakkovoimien huomioimiseksi suunnittelussa. Seuraavaksi tutkitaan poikkileikkaukseen kohdistuvien lämpökuormien aiheuttamia lämpötilajakaumia altaan eri rakennetyypeissä ja pyritään määrittämään niistä aiheutuvia tehollisia lämpötilagradientteja. Lisäksi tutkitaan myös halkeilun ja viruman vaikutusta poikkileikkauksen taivutusjäykkyyteen ja sitä kautta pakkovoimien suuruuteen. Tämän jälkeen perehdytään kutistumapakkovoimiin, missä keskitytään altaan pohjalaatan ja seinän kutistumaeron aiheuttamiin pakkovoimiin. Lopuksi tutkitaan pakkovoimien mallintamista FEM-ohjelmilla.

Teräsbetonirakenteita suunniteltaessa lämpökuormista ja kutistumista aiheutuvat pakkovoimat tulee ottaa mekaanisten kuormien lisäksi huomioon. Pakkovoimat aiheuttavat rakenteisiin käytännössä aina halkeilua, jonka vaikutuksesta poikkileikkausten taivutusjäykkyydet laskevat. Saatujen tulosten perusteella halkeilulla ja virumalla onkin merkittävät vaikutukset rakenteiden taivutusjäykkyyksiin ja siten myös muodostuvien pakkovoimien suuruuksiin. Betonin halkeillessa ja viruessa rakenteiden taivutusjäykkyydet laskevat. Ilman halkeilun huomioimista rakenteiden rasitukset muodostuvatkin epärealistisen kokoisiksi ja siksi raudoitusmäärät kasvavat sopimattoman suuriksi. Rakenteisiin kohdistuvien lämpötilajakaumien tutkiminen osoitti, että tehollisten lämpötilagradienttien määrittäminen on kannattavaa, koska näin saadaan selkeästi pienempiä lämpötilagradientin arvoja kuin olettamalla se konservatiivisesti pintojen välisen lämpötilaeron suuruiseksi.

Altaan pohjalaatan ja seinän kutistumaeroista aiheutuvia pakkovoimia tarkasteltaessa oleelliseksi seikaksi osoittautui kutistumaeron realistinen arvioiminen. Monista puutteistaan huolimatta Robot Structural Analysis – ohjelma osoittautui käyttökelpoiseksi työkaluksi lämpö- ja kutistumapakkovoimien analysoimisessa.