Jännebetonipalkin ylisuuret reiät ja palkin kestävyys jännevoiman siirron yhteydessä

1. Virhe

Eräässä liikerakennuksessa jouduttiin vahvistamaan systeemirei’illä varustetut jännitetyt harjapalkit, koska reikien koot ylittivät selvästi suositukset ja suuret reiät olivat lähellä toisiaan.

Tapaukseen liittyy kaksi tarkasteltavaa ongelmaa: Palkin kestävyys jännevoiman siirron yhtey­dessä reikien kohdilla ja palkin leikkausvoiman kestävyys reikien alueella (RVP-S-BE-3). Tässä kortissa tarkastellaan palkin kestävyyttä jännevoiman siirron yhteydessä.

2. Virheestä aiheutuvat ongelmat

Jännebetonirakenteessa aiheutetaan rakenteelle ylimääräinen voima, jännevoima, joka saadaan aikaan jänneraudoituksella. Tavanomainen jännebetonirakenne on kriittinen kah­dessa vaiheessa. Siirron yhteydessä jännevoima ei saa olla liian suuri, kun alaspäin vaikut­tavaa kuormitusta syntyy vain rakenteen omasta painosta. Tässä tilanteessa on kriittinen rakenteen alapinnan puristus, kun betoni ei ole saavuttanut vielä lopullista lujuuttaan. Vastaavasti yläpintaan aiheutuu vetojännityksiä, jotka eivät saa kasvaa liian suuriksi.

Kaikkien kuormien vaikuttaessa lopputilanteessa jännevoiman on oltava riittävä, jotta se auttaa kompensoimaan alaspäin vaikuttavien kuormien vaikutusta. Jännevoiman siirron ja lopputilanteen välillä jännevoima pienenee jännityshäviöiden vaikutuksesta. Rakenteen ylä­pinta on puristettu ja rakenteen alapinta on lähellä jännityksetöntä tilaa.

Jännevoima määritetään nk. jännitysrajatilan perusteella. Jännevoima on erittäin suuri, joten jännitysrajatilassa mitoitus tehdään yleensä ominaiskuormilla sijoittamalla kaikki varmuus materiaaliominaisuuksiin (sallittujen jännitysten menetelmä). Selvää on, että betonin rasitukset eivät saa nousta kovin suuriksi. Ennen eurokoodien käyttöönottoa Suomen normeissa ei ollut annettu selkeitä raja-arvoja jännitysrajatilan materiaaliominaisuuksille.

Yleisesti on käytetty rakenteen alapinnan kriteerinä jännevoiman siirron yhteydessä puristuslujuustasoa 0,6 x C (sylinterilujuus), mikä vastaa karkeasti tasoa 0,4…0,5 x K (kuutiolujuus). On täysin selvää, että rasituksen rajan tulee olla paljon pienempi kuin betonin lujuus.

Jännevoiman siirron yhteydessä käytetyt rajat eivät ole suunnittelijoille täysin selvät. Suomessa on ollut useita tapauksia, jossa edellä olevat rajat on ylitetty reilusti. Oleellista on myös, että suunnittelu tehdään yleensä sellaiselle rakenteelle, jossa ei ole reikiä. Reikien jännitystilaa kasvattavaa vaikutusta ei yleensä oteta huomioon.

Eräässä tapauksessa jännebetonisten harjapalkkien alapinnan jännitys lähellä mitoittavaa leikkausta (jännevälin kolmannespiste) on suunnitelmista saatavan tiedon perusteella luokkaa 27 MPa, kun laukaisuvaiheen betonin lujuusluokaksi on valittu K35. Tämä on selvästi suurempi kuin yleisesti käytetty raja. Sallittu taso on luokkaa 14…17 MPa (kuva 1). Rajan ylityksestä ei tosin ole haitallisia seurauksia, mutta betonin käyttötilaa vastaava rasitus on nk. epästabiilin mikrohalkeilun alueella, joka on betonin materiaaliominaisuuksien kannalta liian korkea. Halkeilu korjaantuu itsestään sementin myöhemmän hydrataation seurauksena ja betonin lujuus palautuu myöhemmin. Kokonaiskuormien vaikuttaessa alapinnan suuri puristus vähenee ja ongelma poistuu itsestään.

Kuva 1 Jännitysrajatila ehjässä palkissa. Alareunan puristusjännitys on noin 27 MPa, kun reikiä ei oteta huomioon. Sallittu jännitystaso on noin 17 MPa.

Samoihin palkkeihin tehtiin tavanomaista suuremmat reiät. Reiän korkeus oli lähes sama kuin palkin kapean uuman korkeus. Kun laukaisuvaiheen tarkastelu tehdään reiän keskikohdalla, nousee puristetun alapinnan jännitys tasolle 37 MPa, mikä jo ylittää betonin laukaisuvaiheen puristuslujuuden (kuva 2). Jännityksen kasvu on noin 40 %. Kasvu on niin merkittävä, että se on otettava huomioon. Seurauksena on betonin plastinen puristuma tässä kohdassa, mitä ei voida pitää sallittavana. Myöhemmin muiden kuormien vaikuttaessa tilanne helpottuu ala­pinnan puristuksen vähetessä.

Kuva 2 Jännitystila reiän kohdalla. Alareunan puristusjännitys reiän kohdalla on noin 37 MPa. Tämä ylittää laukaisuvaiheen betonin lujuuden K35.

3. Virheen korjaaminen

Alareunan ylijännityksestä vaurioituneen palkin korjaamisesta on tehtävä erillinen suun­ni­telma.

4. Hyvän rakentamistavan mukainen ratkaisu

Suunnittelussa tulee ottaa huomioon betonin materiaaliominaisuudet laukaisuvaiheessa ja myös reikien jännitystilaa kasvattava vaikutus.

Eurokoodissa on esitetty yksityiskohtaiset ohjeet jännitysrajatilojen tarkasteluun. Ohjeita on esitetty useissa eurokoodin luvuissa ja joihinkin ohjeisiin on esitetty poikkeamia Suomen kansallisessa liitteessä. Tähän on koottu tärkeimmät ohjeet.

Jännevoima määritetään jännitysrajatilojen perusteella. Jännevoiman osavarmuuslukuna (g_pfav) käytetään yleensä arvoa 1,0. Poikkeustapauksissa voidaan käyttää edulliselle ja epäedulliselle jännevoimalle arvoja 0,9 ja 1,1 (kts. RakMk. Rakenteiden lujuus ja vakaus, Betonirakenteet).

Jännittämishetkellä betonin puristusjännitys ominaiskuormien yhdistelmällä ei saa ylittää arvoa 0,6 f_ck(t) (SFS-EN 1992-1-1 luku 5.10.) Jänneterästen jännitys jännittämishetkellä ei saa ylittää arvoja 0,75 f_pk ja 0,85 f_p0,1k (SFS-EN 1992-1-1 luku 5.10.3). Yläpinna halkeilutarkastelun voi tehdä ominaiskuormilla ja tarkasteluhetken ominaislujuuksilla.

Käyttörajatilassa jännevoimien suunnitteluun vaikuttavat betonin puristusjännityksen rajat sekä vetojännityksen ja halkeamaleveyden rajat. Betonin puristusjännitystä rajoitetaan rasitusluokissa XD, XF ja XS sekä viruman rajoittamisen takia (SFS-EN 1992-1-1, 7.2). Vetojännitystä ja halkeamaleveyttä rajoitetaan rakenteen pitkäaikaiskestävyyden takia (SFS-EN 1992-1-1 luku 7.3).

5. Muuta