Betonin halkeilun hallinta tasomaisissa ja vesitiiveissä rakenteissa

Abstract

Tässä tutkimuksessa tarkastellaan betonirakenteiden halkeilua ja halkeilun vaikutusta rakenteen toimintaan. Tutkimuksessa keskitytään pääasiassa teräsbetonirakenteen raudoituksen suunnitteluun ja ennen kaikkea rakenteen halkeilun hallintaan betoniraudoituksen avulla. Tavanomaisia teräsbetonirakenteita suunniteltaessa rakenne suunnitellaan yleensä siten, että suunnittelun pääpaino on rakenteen ulkoisten kuormien hallinnassa, koska rakenteen omapaino, hyötykuorma tai luonnonkuorma ovat niitä kuormia, joihin eri suunnittelunormit pääasiassa keskittyvät. Tämän tutkimuksen pääpaino on betonirakenteen pakkovoimien aiheuttamien halkeamien hallinnassa. Pakkovoimia betonirakenteeseen aiheuttavat esimerkiksi betonin lämpötilan vaihtelut ja betonirakenteen kutistuminen. Ulkoisten kuormien aiheuttamien rasitusten vaikutus betonirakenteen halkeiluun on usein huomattavasti yksiselitteisempää kuin pakkovoimien aiheuttama halkeilu ja sen vuoksi tässä tutkimuksessa selvitetään, että mitkä asiat aiheuttavat rakenteeseen pakkovoimia, miten ne vaikuttavat rakenteen toimintaan ja miten teräsbetonirakenteen raudoitus tulee suunnitella pakkovoimien aiheuttamille rasituksille.

Tutkimuksen teoriaosiossa tarkastellaan ensin betonin materiaaliominaisuuksia, jotka vaikuttavat betonin halkeiluun. Seuraavaksi tutkitaan teräsbetonipoikkileikkauksen halkeilumekanismia ja selvitetään, miten teräsbetonirakenne toimii haljenneessa tilassa. Halkeilumekanismin tutkimisen jälkeen esitellään erilaisia tapauksia, joissa rakenteeseen muodostuu pakkovoimia ja esitellään rakenteen laskennallista toimintatapaa näissä tapauksissa. Lisäksi esitellään erilaisia laskentamalleja, joiden avulla teräsbetonirakenteen raudoitus voidaan suunnitella siten, että pakkovoimien aiheuttama halkeilu erilaisille rakenteille tulee otetuksi huomioon. Pakkovoimien aiheuttaman halkeilun tutkimisen jälkeen esitellään vielä teräsbetonirakenteen yksityiskohtien suunnittelua, jotta rakenteelle pystytään takaamaan esimerkiksi vaadittava vesitiiveys. Tutkimuksen lopussa tarkastellaan teräsbetonista säiliörakennetta, jonka halkeamaleveyksiä on mitattu työmaalla ja verrataan mitattuja tuloksia erilaisiin laskemalla saatuihin tuloksiin. Esimerkkirakennetta tutkittiin myös mallintamalla sitä epälineaarisella elementtimenetelmällä Sofistik-ohjelman avulla.

Käsin laskemalla saatujen tulosten perusteella voidaan todeta, että tulokset vastaavat suuruusluokaltaan esimerkkikohteen todellisia halkeamaleveyksiä. Huomioitavaa kuitenkin on, että riippuen laskentatavasta, tuloksissa on huomattavia eroavaisuuksia, jotka johtuvat pääasiassa siitä, että eri laskentatavoissa on tehty erilaisia oletuksia rakenteen toimintatavasta. FEM-ohjelmalla saadut tulokset vastaavat myös suuruusluokaltaan todellisen rakenteen mitattuja halkeamaleveyksiä.