Eurokoodin EN 1997 mukainen tukiseinämitoitus - epävarmuustekijät mitoituksessa ja varmuuden kohdentaminen
Knuuti, Mika (2015)
Knuuti, Mika
2015
Rakennustekniikan koulutusohjelma
Talouden ja rakentamisen tiedekunta - Faculty of Business and Built Environment
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2015-10-07
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201509241619
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201509241619
Tiivistelmä
Suomessa tukiseinien mitoittaminen toteutetaan Eurokoodin SFS- EN 1997-1 mukaisella mitoitusmenetelmällä DA2. Mitoitusmenetelmässä DA2 osavarmuudet kohdennetaan kuormiin tai niiden vaikutuksiin sekä maan kestävyyteen. Kansalliset valinnat kuormitusyhdistelmien ja osavarmuuslukujen osalta perustuvat suppeisiin vertailulaskelmiin, joilla pyrittiin mahdollisimman samaan tulokseen, kuin aiemmin käytetyllä kokonaisvarmuusmenetelmällä. Sittemmin on osoittautunut, että tässä ei ole onnistuttu.
Kuormien laskemiseen käytetään SFS-EN 1990 kansallisen liitteen (YM (2007); LVM(2010)) mukaisia kuormitusyhdistelmiä 6.10a ja 6.10b. Näiden kuormitusyhdistelyiden käyttäminen tukiseinälaskennassa on johtanut joissakin tapauksissa tukiseinärakenteiden liian alhaiseen varmuuteen. Lisäksi on todistettu, että nykyisillä osavarmuusluvuilla ei pystytä huomioimaan maanpaineen laskemiseen liittyvää todellista epävarmuutta. Näiden lisäksi nykyisen mitoitusmenetelmän soveltamista numeerisessa laskennassa hankaloittaa pysyvän ja muuttuvan kuorman osavarmuuslukujen erisuuruus.
Työ jakaantuu kolmeen kokonaisuuteen. Ensimmäisessä osassa käydään läpi tukiseinämitoituksessa esiintyviin maaparametreihin ja kuormiin liittyviä epävarmuustekijöitä sekä pohjatutkimusten merkitystä suunnittelussa. Maaparametreihin liittyvää epävarmuutta käydään läpi lähinnä Phoon et al tekemiin kirjallisuusselvityksiin pohjautuen. Toisessa osassa esitellään Eurokoodi EN 1997 mukaiset mitoitusmenetelmät, sekä Suomen, Ruotsin ja Tanskan tekemät kansalliset valinnat. Lisäksi eri mitoitusmenetelmiin liittyvää kritiikkiä esitetään Simpson (2007), Schuppener et al (2008) ja Schweiger (2013) kirjoituksiin perustuen. Kolmannessa ja tärkeimmässä osassa esitellään tässä tutkimuksessa käytetyt laskentaesimerkit, niiden käytännön mitoitus sekä laskentatulokset.
Laskentaesimerkkien tulosten perusteella nykyisestä tukiseinälaskennasta löydettiin useita puutteita. Nykyisten kahden kuormitusyhdistelmän 6.10a ja 6.10b käyttämisellä tukiseinien mitoituksessa ei saavuteta juurikaan hyötyä. Sitä vastoin ne lisäävät työtä ja hankaloittavat numeerista laskentaa. Lisäksi maan kestävyyteen kohdennettavalla osavarmuusluvulla ei ole aina merkitystä, vaan osavarmuusluku tulisi kohdentaa suoraan lujuusparametriin, jossa epävarmuus on. Tulosten perusteella ehdotettiin erilaisia menetelmiä, kuinka tukiseinien mitoituksesta saataisiin selkeää ja johdonmukaista ja kuinka siihen liittyvät epävarmuudet voitaisiin huomioida paremmin. In Finland retaining walls are designed by using design approach 2 according to SFS-EN 1997. In design approach 2, partial factors are applied to loads or their effects and to earth resistance. National choices for load combinations and for partial factors have been made based on limited number of comparison calculations. The aim was to end up having the same safety level as with the total factor of safety approach. Recently, it has been acknowledged, that this has not been achieved.
For loads, the load combinations 6.10a and 6.10b are used. These are given in National Annexes of SFS-EN 1990 (YM (2007) and LVM (2010)). It has been proven that by using these two load combinations the total factor of safety can, in certain cases, be really low. Moreover, it has been proven that currently used partial factors cannot take into account the real uncertainty related to earth pressure calculation. Also the unequal partial factors for permanent and transient loads are complicated to use in numerical analysis.
This study can be divided in to three separate sections. In the first section uncertainties related to determination of characteristic soil parameters and loads are presented. Moreover, the significance of ground investigations is discussed. The uncertainties related to the soil parameters are discussed mainly based on the studies done by Phoon et al. In the second section design approaches given in EN 1997 are presented together with the national decisions made in Finland, Sweden and Denmark. Furthermore, criticism against the design approaches is discussed based on Simpson (2009), Schuppener (1998) and Schweiger (2013). In the third and the most important part, the calculation examples used in this study, design procedure and calculation results are presented.
Various flaws were found in the current retaining wall design. By using the current load combinations 6.10a and 6.10b, no additional benefit was gained to the design. On the contrary, this just increased the amount of work and complicated numerical calculations. Moreover, the importance of partial factor adpplied to earth resistance (γR,e) was sometimes negligible. It would be better to apply the safety straight to the strength parameters, where the real uncertainty is. Based on obtained calculation results, methods both for increasing the clarity and the coherence of the retaining wall design and dealing the uncertainties better were proposed.
Kuormien laskemiseen käytetään SFS-EN 1990 kansallisen liitteen (YM (2007); LVM(2010)) mukaisia kuormitusyhdistelmiä 6.10a ja 6.10b. Näiden kuormitusyhdistelyiden käyttäminen tukiseinälaskennassa on johtanut joissakin tapauksissa tukiseinärakenteiden liian alhaiseen varmuuteen. Lisäksi on todistettu, että nykyisillä osavarmuusluvuilla ei pystytä huomioimaan maanpaineen laskemiseen liittyvää todellista epävarmuutta. Näiden lisäksi nykyisen mitoitusmenetelmän soveltamista numeerisessa laskennassa hankaloittaa pysyvän ja muuttuvan kuorman osavarmuuslukujen erisuuruus.
Työ jakaantuu kolmeen kokonaisuuteen. Ensimmäisessä osassa käydään läpi tukiseinämitoituksessa esiintyviin maaparametreihin ja kuormiin liittyviä epävarmuustekijöitä sekä pohjatutkimusten merkitystä suunnittelussa. Maaparametreihin liittyvää epävarmuutta käydään läpi lähinnä Phoon et al tekemiin kirjallisuusselvityksiin pohjautuen. Toisessa osassa esitellään Eurokoodi EN 1997 mukaiset mitoitusmenetelmät, sekä Suomen, Ruotsin ja Tanskan tekemät kansalliset valinnat. Lisäksi eri mitoitusmenetelmiin liittyvää kritiikkiä esitetään Simpson (2007), Schuppener et al (2008) ja Schweiger (2013) kirjoituksiin perustuen. Kolmannessa ja tärkeimmässä osassa esitellään tässä tutkimuksessa käytetyt laskentaesimerkit, niiden käytännön mitoitus sekä laskentatulokset.
Laskentaesimerkkien tulosten perusteella nykyisestä tukiseinälaskennasta löydettiin useita puutteita. Nykyisten kahden kuormitusyhdistelmän 6.10a ja 6.10b käyttämisellä tukiseinien mitoituksessa ei saavuteta juurikaan hyötyä. Sitä vastoin ne lisäävät työtä ja hankaloittavat numeerista laskentaa. Lisäksi maan kestävyyteen kohdennettavalla osavarmuusluvulla ei ole aina merkitystä, vaan osavarmuusluku tulisi kohdentaa suoraan lujuusparametriin, jossa epävarmuus on. Tulosten perusteella ehdotettiin erilaisia menetelmiä, kuinka tukiseinien mitoituksesta saataisiin selkeää ja johdonmukaista ja kuinka siihen liittyvät epävarmuudet voitaisiin huomioida paremmin.
For loads, the load combinations 6.10a and 6.10b are used. These are given in National Annexes of SFS-EN 1990 (YM (2007) and LVM (2010)). It has been proven that by using these two load combinations the total factor of safety can, in certain cases, be really low. Moreover, it has been proven that currently used partial factors cannot take into account the real uncertainty related to earth pressure calculation. Also the unequal partial factors for permanent and transient loads are complicated to use in numerical analysis.
This study can be divided in to three separate sections. In the first section uncertainties related to determination of characteristic soil parameters and loads are presented. Moreover, the significance of ground investigations is discussed. The uncertainties related to the soil parameters are discussed mainly based on the studies done by Phoon et al. In the second section design approaches given in EN 1997 are presented together with the national decisions made in Finland, Sweden and Denmark. Furthermore, criticism against the design approaches is discussed based on Simpson (2009), Schuppener (1998) and Schweiger (2013). In the third and the most important part, the calculation examples used in this study, design procedure and calculation results are presented.
Various flaws were found in the current retaining wall design. By using the current load combinations 6.10a and 6.10b, no additional benefit was gained to the design. On the contrary, this just increased the amount of work and complicated numerical calculations. Moreover, the importance of partial factor adpplied to earth resistance (γR,e) was sometimes negligible. It would be better to apply the safety straight to the strength parameters, where the real uncertainty is. Based on obtained calculation results, methods both for increasing the clarity and the coherence of the retaining wall design and dealing the uncertainties better were proposed.