Source: http://docplayer.fi/54594717-Kulmatukimuurin-geotekninen-mitoitus-eurokoodin-mukaan.html
Timestamp: 2019-11-21 07:53:27+00:00
Document Index: 8852244

Matched Legal Cases: ['Hd ', 'KKO ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ']

KULMATUKIMUURIN GEOTEKNINEN MITOITUS EUROKOODIN MUKAAN - PDF Ilmainen lataus
Download "KULMATUKIMUURIN GEOTEKNINEN MITOITUS EUROKOODIN MUKAAN"
1 KULMATUKIMUURIN GEOTEKNINEN MITOITUS EUROKOODIN MUKAAN Jari Kolkka Opinnäytetyö Tammikuu 2013 Rakennustekniikan koulutusohjelma Yhdyskuntatekniikan suuntautumis- vaihtoehto
2 TIIVISTELMÄ Tampereen ammattikorkeakoulu Rakennustekniikan koulutusohjelma Yhdyskuntatekniikan suuntautumisvaihtoehto JARI KOLKKA Kulmatukimuurin geotekninen mitoitus Eurokoodin mukaan Opinnäytetyö 93 sivua, josta liitteitä 10 sivua Tammikuu 2013 Kun maata, murskattua kallioainesta tai muuta täyttömateriaalia pitää saada pysymään jyrkemmässä luiskakaltevuudessa kuin mihin se luonnostaan asettuisi, on tukimuuri usein käyttökelpoinen ratkaisu. Kulmatukimuurin toiminta perustuu tuettavan materiaalin pohjalaatan päällä olevan painon aiheuttaman pystyssä pitävään vaikutukseen. Kulmatukimuurin pohjalaatan päällä olevan materiaalin ominaisuuksilla on suuri merkitys kulmatukimuurin staattisen tasapainotilan saavuttamisessa. Kulmatukimuuriin vaikuttaa tuettavan materiaalin aiheuttama maanpaine. Liikkumattomaan seinään vaikuttava maanpaine tulee laskea lepopaineena. Mikäli tukirakenteelle sallitaan liikettä, muuttuu lepopaine liikkeen suunnasta riippuen joko aktiivipaineeksi tai passiivipaineeksi. Ulkoisten kuormien aiheuttamat maanpaineet ovat usein merkittäviä ja vaikuttavat kulmatukimuurin mitoitukseen. Tyypillisiä ulkoisia kuormia ovat liikennekuormat, anturakuormat, erilaiset materiaalipinojen aiheuttamat kuormat sekä kaivu- ja täyttömaaainesten aiheuttamat kuormat. Kulmatukimuurin geoteknisessä mitoituksessa perustukselle iteroidaan riittävän suuret dimensiot, jotta perustuksen alapuolisen maan kantokestävyys ei ylity, perustuksen pohjaa pitkin tapahtuvaa liukumismurtumista ei pääse tapahtumaan, tai että tukimuuri ei kaadu. Lisäksi on tarkasteltava tukimuurin kokonaisvakavuus sekä se, ettei sallittua painumaa ylitetä tai ettei painuma ole liian epätasaista. Kulmatukimuurin geotekninen mitoitus tässä opinnäytetyössä perustuu eurokoodien osavarmuuslukumenettelyyn ja analyyttiseen laskentaan. Kulmatukimuurin rakenneteknistä mitoitusta varten ratkaistaan pystymuurin ja pohjalaatan momenttikuvio murto- ja käyttörajatilassa ja leikkausvoimakuvio käyttörajatilassa sekä pystymuurin juuressa vaikuttavan momentin ja leikkausvoiman murtorajatilan maksimiarvot. Asiasanat: kulmatukimuuri, geotekninen mitoitus, eurokoodi
3 ABSTRACT Tampereen ammattikorkeakoulu Tampere University of Applied Sciences Construction Engineering Civil Engineering JARI KOLKKA Geotechnical design of cantilever retaining wall in Eurocodes Bachelor's thesis 93 pages, appendices 10 pages January 2013 Retaining walls are applicable when restrains material are needed to maintain a different elevation. A cantilever T-type reinforced concrete wall consists of a concrete stem and base slab which form an inverted T. The weight of restrains material over the base slab helps cantilever wall stay up. There is great impact of backfill materials specifications to the wall. Backfill materials cause earth pressure to the wall. If no wall movement occurs, the lateral pressure condition is termed the at-rest pressure. If the wall moves earth pressures are named active earth pressure and passive earth pressure depending direction of the wall movement. Horizontal pressure increases due external surcharges are significant. Examples of surcharge loads are streets or highways, construction machinery or material stockpiles, adjacent buildings or structures and railroads. In geotechnical design of cantilever wall main aspect in determine dimensions of base slab that there are sufficient bearing capacity, sliding resistance and overturning stability. In this thesis is geotechnical calculations are based on Eurocodes. For structural design purposes maximum bending moment and shear force at bottom of wall are solved. Key words: retaining wall, geotechnical design, Eurocodes
4 4 ALKUSANAT Tämän opinnäytetyön tekeminen on ollut vaativa tehtävä sen kaksiosaisuuden vuoksi. Työn pääosiona oli A-Insinöörit Suunnittelu Oy:n käyttöön tehty kulmatukimuurin geotekninen laskentapohja. Lisäksi tässä kirjallisessa osiossa on selvitetty laskentapohjaan vaikuttavia Eurokoodin mukaisia suunnitteluperusteita sekä ulkoisten kuormien aiheuttamien maanpaineiden mallintamista. Tämän opinnäytetyön myötä olen ymmärtänyt miten tärkeää rakentamisessa on eri ammattilaisten välinen yhteistyö ja miten tärkeää on ymmärtää rakenteen toiminnan kokonaisuus. Eurokoodien myötä rakentamisen eri osa-alueille tarvitaan vahvoja erikoisosaajia, joilla on hyvä käsitys kokonaisuuksista. Ensiksi haluan kiittää tämän opinnäytetyön ohjaajia, yliopettaja, TkL Olli Saarista, TkT Anssi Laaksosta ja DI Jori Lehtikangasta arvokkaista asiantuntijakommenteista sekä työni tarkastamisesta sekä DI Kari Niemeä tämän opinnäytetyön aiheesta. Lisäksi haluan kiittää niitä A-Insinöörit Suunnittelu Oy:n henkilöitä joilta olen saanut asiantuntijaohjeistusta ja neuvoja tämän opinnäytetyön tekemiseen: DI Jari Nousiaista geoteknisestä ohjauksesta sekä DI Olli Aspia ja DI Markus Ryynästä rakenneteknisestä ohjauksesta. Suuri kiitos kuuluu myös perheelleni ja läheisilleni. Ilman heidän apuaan ja myötävaikutustaan ei kokopäivätyön ohella suoritettuja insinööriopintoja olisi ollut mahdollista tehdä. Lopuksi vielä muutama sana lapsilleni Saralle ja Roopelle: No nyt iskä ehtii vähän leikkiin!. Kangasalla Jari Kolkka
5 5 SISÄLLYS 1 JOHDANTO Työn tausta Työn tavoitteet Työn rajaukset EUROKOODIT Eurokoodien historiaa lyhyesti Eurokoodit nyt Suomen kansalliset liitteet EUROKOODIN MUKAINEN RAJATILAMITOITUS Yleistä Murtorajatila Käyttörajatila OSAVARMUUSLUKUMENETTELY Kuorman mitoitusarvo Kuormien vaikutusten mitoitusarvo Kestävyyden mitoitusarvot Eurokoodin mukaiset mitoitustavat (Design Approach) Mitoitustapa 2 (DA2 tai DA2*) Mitoitustapa 3 (DA3) KUORMIEN YHDISTELY Kuormayhdistelmät OSAVARMUUSLUVUT Osavarmuusluvut staattisen tasapainotilan (EQU) osoittamiseksi Kuormien osavarmuusluvut (γ F ) talonrakennuskohteissa Kuormien osavarmuusluvut (γ F ) infrarakenteissa Maaparametrien osavarmuusluvut (γ M ) talonrakennuskohteissa Maaparametrien osavarmuusluvut (γ M ) infrarakenteissa Osavarmuusluvut rakenteellisen (STR) ja geoteknisten (GEO) rajatilojen osoittamiseksi Kuormien (γ F ) tai kuormien vaikutusten (γ E ) osavarmuusluvut talonrakennuskohteissa Kuormien (γ F ) tai kuormien vaikutusten (γ E ) osavarmuusluvut infrarakenteissa Maaparametrien osavarmuusluvut (γ M ) talonrakennuskohteissa Maaparametrien osavarmuusluvut (γ M ) infrarakenteissa Kestävyyden osavarmuusluvut (γ R ) Kuormakerroin K FI MAANPAINEET Maanpaine Maan lepopainearvot Maanpaineen raja-arvot Lepopaineen laskenta Tiivistyksen vaikutus KUORMAT Pysyvät kuormat Muuttuvat kuormat Onnettomuuskuormat ULKOISET KUORMAT Pistekuorma Pistekuorman aiheuttama maanpaine... 46
6 9.1.2 Pistekuorman jakautuminen tasolla Viivakuorma Viivakuorman aiheuttama maanpaine Nauhakuorma Nauhakuorman aiheuttama maanpaine Aluekuorma Aluekuorman aiheuttama maanpaine Tasainen, laaja-alainen pintakuorma Tasaisen pintakuorman aiheuttama maanpaine TUKIMUURIN GEOTEKNINEN MITOITUS Murtorajatilamitoitus Kantokestävyys Kantokestävyyden mitoitusarvo suljetuissa olosuhteissa Kantokestävyyden mitoitusarvo avoimissa olosuhteissa Epäkeskisyys ja perustuksen tehokas ala Voimakkaasti epäkeskiset kuormat Liukumiskestävyys Kaatuminen Stabiliteetti, MRT Käyttörajatilamitoitus Painuma Stabiliteetti, KRT KULMATUKIMUURIN GEOTEKNINEN LASKENTAPOHJA Laskentaesimerkit POHDINTA Ulkoisten kuormien mallintamiseen liittyviä ongelmia Rakennetekninen mitoitus Jatkotoimenpiteitä LÄHTEET LIITTEET Liite 1. Maanvaraisen kulmatukimuurin mitoitustulosesimerkki Liite 2. Kallionvaraisen kulmatukimuurin mitoitustulosesimerkki Liite 3. LM1 vertailutulokset, maanvarainen kulmatukimuuri Liite 4. LM1 vertailutulokset, kallionvarainen kulmatukimuuri
7 7 LYHENTEET JA TERMIT Latinalaiset kirjaimet A perustuksen tehokas pohjan ala (A = B L ) B perustuksen leveys B perustuksen tehokas leveys c koheesio c tehokas koheesio cu cu;d D E suljettu leikkauslujuus suljetun leikkauslujuuden mitoitusarvo perustamissyvyys kuormien aiheuttama vaikutus rakenneosiin tai vaikutus koko rakenteeseen Ed Estb;d Edst;d F Fd Fk G Gdst;d Gstb;d G stb;d H kuormien vaikutuksen mitoitusarvo vakauttavien kuormien vaikutuksen mitoitusarvo kaatavien kuormien vaikutuksen mitoitusarvo a) rakenteeseen vaikuttavien kuormien yhdistelmä (välitön kuormitus) b) rakenteeseen syntyvä pakkosiirtymä-, pakkomuodonmuutos- tai kiihtyvyystila, jonka aiheuttaa esimerkiksi lämpötilan muutos, kosteuden vaihtelu, epätasainen painuma tai maanjäristys (välillinen kuormitus) kuorman mitoitusarvo kuorman ominaisarvo, joka edustaa kuormaa ensisijaisesti pysyvä kuorma eli kuorma, joka vaikuttaa koko tarkastelujakson ajan ja jonka suuruuden vaihtelu ajan myötä on merkityksetöntä tai jonka muutos tapahtuu aina monotonisesti, kunnes kuorma saavuttaa tietyn raja-arvon kaatavien pysyvien kuormien mitoitusarvo nosteelle mitoitettaessa vakauttavien pysyvien pystysuorien kuormien mitoitusarvo nosteelle mitoitettaessa vakauttavien pysyvien pystysuorien kuormien mitoitusarvo maan hydraulista nousua vastaan mitoitettaessa (paino vedessä) vaakasuora kuorma tai kokonaiskuorman komponentti, joka vaikuttaa perustustason suunnassa
8 8 Hd H:n mitoitusarvo h K0 seinän korkeus maan lepopainekerroin K0; β maan lepopainekerroin, kun tuettu maanpinta on kulmassa β vaakatason suhteen k L suhde δd /φcv;d perustuksen pituus L perustuksen tehokas pituus Q muuttuva kuorma, jonka suuruuden vaihtelu ajan myötä ei ole merkityksetön eikä monotoninen Qdst;d Rd Rp;d s u udst;d V Vd V d Vdst;d Vdst;k X k z kaatavien muuttuvien pystysuorien kuormien mitoitusarvo nosteelle mitoitettaessa kestävyyden mitoitusarvo perustuksen sivuun kohdistuvasta maanpaineesta aiheutuvan vastustavan voiman mitoitusarvo painuma huokosvedenpaine kaatavan kokonaishuokosvedenpaineen mitoitusarvo pystysuora kuorma tai se kokonaiskuorman komponentti, joka vaikuttaa kohtisuoraan perustuksen pohjaa vastaan V:n mitoitusarvo tehokkaan V:n mitoitusarvo rakenteeseen kohdistuvan kaatavan pystysuoran kuorman mitoitusarvo rakenteeseen kohdistuvan kaatavan pystysuoran kuorman ominaisarvo materiaaliominaisuuden ominaisarvo pystysuora etäisyys
9 9 Kreikkalaiset kirjaimet α β δ δ d γ γ f perustuksen pohjan kaltevuus vaakatason suhteen seinän takana oleva maan kaltevuuskulma, joka on ylöspäin positiivinen rakenteen ja maan välinen kitkakulma δ:n mitoitusarvo osavarmuusluku (murto- tai käyttörajatilassa) kuormien osavarmuusluku, jossa otetaan huomioon kuormien arvojen mahdollisuus poiketa epäedulliseen suuntaan edustavasta arvosta γ G γ Q ψ 0 ψ 1 ψ 2 γ tehokas tilavuuspaino γ w ψ σstb;d σ h;0 σ(z) τ(z) pysyvän kuorman osavarmuusluku muuttuvan kuorman osavarmuusluku muuttuvan kuorman yhdistelykerroin (mm. ominaisyhdistelmä) muuttuvan kuorman tavallisen arvon yhdistelykerroin muuttuvan kuorman pitkäaikaisarvon yhdistelykerroin veden tilavuuspaino kerroin ominaisarvon muuntamiseksi edustavaksi arvoksi vakauttavan pystysuoran kokonaisjännityksen mitoitusarvo maan tehokkaan lepopaineen vaakasuora komponentti jännitys kohtisuoraan seinää vastaan syvyydellä z seinän tangentin suuntainen jännitys syvyydellä z φ leikkauskestävyyskulma tehokkaiden jännitysten perusteella φ cv φ cv;d φ d φ :n mitoitusarvo kriittisen tilan leikkauskestävyyskulma ( kitkakulma ) φ cv :n mitoitusarvo
10 10 1 JOHDANTO 1.1 Työn tausta Tämän opinnäytetyön aiheen sain pitkäaikaiselta työnantajaltani A-Insinöörit Suunnittelu Oy:tä. Eurokoodien myötä vanhojen laskentapohjien päivittäminen tai uusien tekeminen on tullut välttämättömäksi monessa konsulttitoimistossa, niin myös A- Insinööreillä. A-Insinöörien silta- ja taitorakenteet yksikön yksikönjohtaja Kari Niemi ehdotti työn aiheeksi kulmatukimuurin eurokoodin mukaisen mitoituspohjan tekoa A- Insinöörit Suunnittelu Oy:n käyttöön. 1.2 Työn tavoitteet Tämän opinnäytetyön tavoitteena oli tuottaa A-Insinöörit Suunnittelu Oy:n käyttöön kulmatukimuurin eurokoodin mukainen mitoituspohja sekä talonrakennus- että infrarakennuskohteita varten. Mitoituspohjan avulla mitoitetaan kulmatukimuurin perustukselle riittävät dimensiot, jotta perustuksen alapuolisen maapohjan kantokestävyys ei ylity, perustuksen pohjaa pitkin tapahtuvaa liukumismurtumista vastaan varmuus on riittävä ja että tukimuuri ei kaadu. Kulmatukimuurin rakennemitoitusta varten ratkaistaan leikkausvoiman ja taivutusmomentin maksimiarvo pystymuurin juuressa. Pohjalaatan ja pystymuurin momenttikuviot ratkaistaan murto- ja käyttörajatiloissa ja leikkausvoimakuviot vain murtorajatilassa. Tässä opinnäytetyössä on lisäksi esitetty rakennuskaivanto-ohjeen mukaiselle viivakuorman ja keskitetyn kuormituksen aiheuttaman maanpaineen laskentatavalle vaihtoehtoisia tapoja. Lisäksi on esitetty pistekuorman, nauhakuorman ja aluekuorman aiheuttaman maanpaineen laskentaan laskentamenetelmät. Tämän kirjallisen osuuden tarkoituksena on selvittää niitä eurokoodin mukaisia määräyksiä, mitoitustilanteita ja kuormitusyhdistelmiä, jotka vaikuttavat kulmatukimuurin geotekniseen mitoitukseen.
11 Työn rajaukset Tästä opinnäytetyöstä on rajattu pois hydraulisen murtuman ja nosteen mukaiset mitoitustilanteet, painuma- ja kokonaisvakavuuslaskelmat sekä onnettomuustilanteet. Kulmatukimuurin perustamistavoista vain maan- ja kallionvarainen perustaminen on käsitelty. Paaluperustukset on rajattu pois tästä opinnäytetyöstä. Kulmatukimuurin rakenteellisista vaihtoehdoista ns. takasiivellinen vaihtoehto rajattiin pois sen rakenteellisen mallin erilaisuuden vuoksi. Lisäksi ankkurointi sekä liukumisvarmuutta kasvattava kalliotapitus on rajattu pois. Tämän työn ja geoteknisen mitoituksen kannalta oleellinen olettamus on pohjaveden taso, joka oletetaan olevan kaikissa mitoitustilanteissa korkeintaan perustamistasossa. Oletuksena on myös perustusten alapuolisen kuivatuksen toimiminen. Tukimuurin taustatäyttö oletetaan routimattomaksi, jotta haitalliselta routapaineelta vältyttäisiin. Lisäksi oletuksena on, että taustatäyttöön mahdollisesti pääsevä vesi johdetaan sieltä pois, jolloin vedenpaineen vaikutusta ei tarvitse huomioida.
12 12 2 EUROKOODIT 2.1 Eurokoodien historiaa lyhyesti Vuonna 1975 Euroopan yhteisön komissio päätti toimintaohjelmasta, jonka tarkoituksena oli poistaa kaupan tekniset esteet rakennusalalla. Tässä ohjelmassa komissio ryhtyi toimenpiteisiin, joissa laadittiin ensin rakennusten sekä maa- ja vesirakenteiden suunnitteluun yhdenmukaiset tekniset säännöt. Näiden teknisten sääntöjen oli tarkoitus aluksi toimia silloisten jäsenvaltioiden kansallisille valinnoille vaihtoehtona ja lopulta korvata ne (SFS-EN s.8). Vuonna 1984 julkaistiin ensimmäiset eurokoodit. Vuonna 1989 Eurokoodien valmistelu ja laadinta annettiin CENin, European Committee for Standardization, Euroopan standardointikomitean tehtäväksi. CENn ja komissio sopivat, että Eurokoodien tulisi toimia suunnitteludokumenttien pohjana koko Euroopassa ja niitä tulisi käyttää - suunniteltaessa rakenteiden mekaanista lujuutta ja vakautta - suunniteltaessa rakenteiden turvallisuutta tulipalotilanteissa - rakennusalan sopimusten pohjana - rakennusmateriaalien teknisten ominaisuuksien yhtenäistämisessä. CEN julkaisi vuosina ensimmäiset 62 Eurokoodia ns. esistandardeina (ENV). Nämä esistandardit sisälsivät ns. laatikkoarvoja, joihin kukin silloinen jäsenmaa sai valita omat kansalliset arvonsa, rakentamismenetelmät, suojauksen tason sekä valita huomioitavat maantieteelliset ja ilmastolliset olosuhteet. Eurokoodien maakohtaiset suunnitteluvalinnat esitettiin Kansallisessa soveltamisasiakirjassa NAD (National Application documents) usein kansallisen esistandardin yhteydessä (SFS-EN s.8). Vuonna 1997 aloitettiin esistandardien (ENV) muuttaminen vähitellen täysiksi standardeiksi (EN), jotka sisälsivät esistandardeihin tarvitut tekniset muutokset ja korjaukset. Eurokoodien EN-standardit julkaistiin vuosina EN-standardeihin jätettiin kansallisesti valittavia arvoja NDP (Nationally Determined Parameters)(SFS-EN s.8). Suomessa Eurokoodien julkaisusta vastaa Suomen Standardisoimisliitto SFS ry.
13 Eurokoodit nyt Eurokoodit koostuu kymmenestä eri ryhmästä jotka sisältävät yhteensä 58 osaa ( päivitetyn tilanteen mukaan). Pääryhmät ja niiden eri osien määrät on esitetty taulukossa 1. TAULUKKO 1: Eurokoodin eri ryhmät ja niiden osien määrä Ryhmä Eurokoodi 0 EN 1990 Suunnitteluperusteet 1 Eurokoodi 1 EN 1991 Rakenteiden kuormat 10 Eurokoodi 2 EN 1992 Betonirakenteet 4 Eurokoodi 3 EN 1993 Teräsrakenteet 20 Eurokoodi 4 EN 1994 Betoni-teräs liittorakenteet 3 Eurokoodi 5 EN 1995 Puurakenteet 3 Eurokoodi 6 EN 1996 Muuratut rakenteet 4 Eurokoodi 7 EN 1997 Geotekninen suunnittelu 2 Eurokoodi 8 EN 1998 Maanjäristysmitoitus 6 Eurokoodi 9 EN 1999 Alumiinirakenteet 5 Osat (kpl) Aikaisemmin Eurokoodeissa olleet kansalliset suunnitteluvalinnat NAD on nyt korvattu Eurokoodien kansallisella liitteellä NA (National Annex), jossa esitetään kansallisesti käytettävät arvot NPD (Nationally Determined Parameter) ja jonka avulla maakohtaisessa suunnittelussa voidaan ottaa huomioon alueellisia erityispiirteitä. Eurokoodissa on kansallisille valinnoille suositusarvoja, mikäli kansallista valintaa ei ole tehty. 2.3 Suomen kansalliset liitteet Suomessa talonrakentamiseen liittyviä kansallisia liitteitä vahvistaa Ympäristöministeriö ja liikenneväyliin liittyviä Liikenne- ja viestintäministeriö. Kansallisissa liitteissä on esitetty Suomen kansalliset valinnat, jotka koskevat mm. mitoitustapaa, kuormia, kuormien osavarmuuslukuja ja kuormien yhdistelykertoimia.
14 14 Suomessa ensimmäiset kansalliset liitteet vahvisti Ympäristöministeriö vuonna Ympäristöministeriö on päivitetyn tilanteen mukaan vahvistanut kansallisen liitteen koskemaan Eurokoodin 45 eri osaa ja Liikenne- ja Viestintäministeriö on vahvistanut omat kansalliset liitteensä, jotka koskevat Eurokoodin 12 eri osaa ( Tässä opinnäytetyössä käsitellään vain kulmatukimuurin mitoittamisen kannalta oleellisia kansallisia liitteitä ja Liikenneviraston kansallisia soveltamisohjeita, Eurokoodin soveltamisohje, Siltojen kuormat ja suunnitteluperusteet NCCI 1 sekä Eurokoodin soveltamisohje, Geotekninen suunnittelu NCCI 7.
15 15 3 EUROKOODIN MUKAINEN RAJATILAMITOITUS 3.1 Yleistä Eurokoodin mukaisessa mitoituksessa laskenta perustuu eri rajatiloissa tehtävään mitoitustilanteeseen. Rajatila on tila, jonka ylittämisen jälkeen rakenne ei enää täytä asianomaista mitoituskriteeriä. Eurokoodin mukaiset rajatilat ovat murtorajatila ja käyttörajatila. Eurokoodeissa tietty rajatila määrää käytettävien osavarmuuslukujen valinnan. Jokaisen rajatilan osavarmuusluvut voidaan esittää kansallisissa liitteissä (NA). 3.2 Murtorajatila Eurokoodissa murtorajatiloiksi luokitellaan ihmisten turvallisuuteen, rakenteen varmuuteen tai varastoitavan tavaran tai aineen suojaamiseen liittyvät rajatilat. Eurokoodin mukaan myös rakenteen sortumista edeltävät tilat voidaan luokitella murtorajatiloiksi. Yksinkertaisuuden vuoksi tarkastellaan tilaa ennen sortumista itse sortuman sijaan (SFS- EN 1990 s. 46). Eurokoodin (SFS-EN s. 26) mukaiset murtorajatilat ovat: EQU [equilibrium] Rakenteen tai maapohjan tasapainotilan menettäminen, kun sitä tarkastellaan jäykkänä kappaleena, jossa rakennusmateriaalien ja maapohjan lujuudet ovat merkityksettömiä lujuuden aikaansaamisessa. STR [strength] Rakenteen tai rakenteellisten osien sisäinen murtuminen tai liiallinen muodonmuutos, mukaan lukien esimerkiksi perustukset, paalut, tai kellarinseinät, joissa rakennemateriaalien lujuus on merkittävä kestävyyden aikaansaamisessa. GEO [geotechnical] Rakennuspohjan murtuminen tai liiallinen muodonmuutos, joissa maan tai kallion lujuus on merkittävä kestävyyden aikaansaamisessa.
16 16 UPL [uplift] Vedenpaineen aiheuttamasta nosteesta tai muista pystysuuntaisista kuormista johtuva rakenteen tai maapohjan tasapainotilan menettäminen. HYD [hydraulic] Hydraulisten gradienttien aiheuttama hydraulinen maapohjan nousu, sisäinen eroosio ja sisäinen putkieroosio (piping) maassa. 3.3 Käyttörajatila Eurokoodeissa käyttörajatiloiksi luokitellaan ihmisten mukavuuteen, rakennusten ulkonäköön sekä rakenteen tai rakenneosan toimintaan normaalissa käytössä liittyvät rajatilat. Ulkonäköön vaikuttavia tekijöitä on esimerkiksi liiallinen taipuma tai halkeilu. Käyttörajatilamitoitukseen kuuluu myös liiallisten siirtymien, painumien, vaurioiden sekä värähtelyn estämisen (SFS-EN 1990 s. 48). Kulmatukimuurin geoteknisessä suunnittelussa merkittävin käyttörajatilamitoitus on painumalaskenta. Lisäksi käyttörajatilassa tulee tarvittaessa tarkastaa kokonaisstabiliteetti.
17 17 4 OSAVARMUUSLUKUMENETTELY Eurokoodissa osavarmuuslukumenetelmää käyttäessä tulee osoittaa, ettei mikään rajatila ylity kyseisessä mitoitustilanteessa, kun käytetään kuormien tai kuormien vaikutusten ja kestävyyksien mitoitusarvoja (SFS-EN 1990 s.64). Huomioon tulee ottaa sekä murtoettä käyttörajatilat. Geoteknisessä mitoituksessa murtorajatilassa tulee osoittaa, että maapohjalla ja rakenteilla on riittävä varmuus murtumista vastaan rakentamisen ja käytön aikana. Käyttörajatilassa on osoitettava, että rakenteiden ulkonäköön ja käyttömukavuuteen vaikuttavat tekijät, kuten sallitut painumat, painumaerot, siirtymät, kiertymät ja muodonmuutokset eivät ylitä sallittuja arvoja (SFS-EN 1990). Eurokoodissa valitun mitoitustilanteen ja siihen kuuluvien rajatilojen tarkastelussa määräävien kuormitustapausten erilliset kuormat yhdistellään yhteiseksi kuormavaikutukseksi osavarmuuslukujen γ ja kuormien yhdistelykertoimien ψ avulla. Kuormitusyhdistelmässä ei kuitenkaan tarkastella samanaikaisesti vaikuttavina kuormina sellaisia kuormia, joiden on fysikaalisesti mahdotonta esiintyä samanaikaisesti (SFS-EN 1990). Eurokoodin mukaan osavarmuuslukumenettelyssä tulee mitoituksessa käyttää kuorman tai sen vaikutuksen mitoitusarvoa, joka saadaan käyttämällä joko ominaisarvoa tai muita edustavia arvoja (SFS-EN 1990 s.64). 4.1 Kuorman mitoitusarvo Kuorman F mitoitusarvo F d voidaan esittää yleisessä muodossa standardin SFS-EN 1990 mukaan seuraavasti: (1) missä: F rep = ψf k (2)
18 18 missä: F k F rep γ f on kuorman ominaisarvo on kuorman edustava arvo on kuorman osavarmuusluku, jossa otetaan huomioon kuorman arvojen mahdollinen poikkeaminen edustavista arvoista ψ on joko 1,00 tai ψ 0, ψ 1 tai ψ Kuormien vaikutusten mitoitusarvo Tietylle kuormitustapaukselle kuormien vaikutusten mitoitusarvot E d voivaan ilmaista yleisessä muodossa standardin SFS-EN 1990 mukaan seuraavasti:,, ; 1 missä: a d γ Sd F rep γ f on mittasuureen mitoitusarvo on osavarmuusluku, jolla otetaan huomioon epävarmuudet: - kuormien vaikutusten mallintamisessa - joissakin tapauksissa kuormien mallintamisessa on kuorman edustava arvo on kuorman osavarmuusluku, jossa otetaan huomioon kuorman arvojen mahdollinen poikkeaminen edustavista arvoista (3) Geoteknisten kuormien ollessa kyseessä, kunkin kuorman vaikutus voidaan kertoa osavarmuusluvulla γ F, i tai kertoa koko rakenteen osalta osavarmuusluvuilla kerrottujen kuormien yhdistelmän vaikutus nimenomaisella kertoimella γ F (SFS-EN 1990 s. 66). Eurokoodi edellyttää kahden erisuuruisen osavarmuusluvun käyttöä, mikäli pysyvän kuorman edulliselle ja epäedulliselle vaikutukselle on tehtävä ero. Nämä osavarmuusluvut ovat edullisen kuorman osalta γ G,inf ja epäedullisen kuorman osalta γ G,sup (SFS-EN 1990 s.66).
19 Kestävyyden mitoitusarvot Standardin SFS-EN mukaisesti osavarmuusluvut voidaan kohdistaa joko maan ominaisuuksiin (X) tai kestävyyteen (R) tai molempiin seuraavasti: ; ; tai (4) ; ; / tai (5) ; ; / missä: R d a d γ F γ M γ R F rep X k on kestävyyden mitoitusarvo on mittatiedon mitoitusarvo on kuorman osavarmuusluku on maaparametrin osavarmuusluku on kestävyyden osavarmuusluku on kuorman edustava arvo on materiaaliominaisuuden ominaisarvo (6) 4.4 Eurokoodin mukaiset mitoitustavat (Design Approach) Eurokoodissa on käytössä kolme eri mitoitustapaa (design approach). Mitoitustapa määrittelee osavarmuuslukujen yhdistelmän. Osavarmuuslukuja käytetään kuormille tai kuormien vaikutuksille (A), maaparametreille (M) sekä kestävyydelle (R). Suomessa on Ympäristöministeriön sekä Liikenne- ja viestintäministeriön kansallisissa liitteissä valittu geoteknisessä mitoituksessa käytettäväksi mitoitustapoja 2 ja 3.
20 Mitoitustapa 2 (DA2 tai DA2*) Mitoitustavassa 2 tulee osoittaa, että murtorajatilaa tai liiallista muodonmuutosta ei esiinny seuraavalla osavarmuuslukujen yhdistelmällä: A1 + M1 + R2 Osavarmuuslukujen yhdistelmä tarkoittaa sitä, että kyseiset osavarmuusluvut kuormille tai niiden vaikutuksille valitaan kyseessä olevan rajatilan sarjasta A1, maaparametreille sarjasta M1 ja kestävyydelle sarjasta R2. Mitoitustavan 2 osavarmuusmenettelyssä osavarmuusluvut kohdistetaan kuormiin tai kuormien vaikutuksiin ja maan kestävyyteen (SFS-EN s. 29). Mitoitustapaa 2 käytetään geoteknisessä mitoituksessa: - antura- ja laattaperustuksille - paaluperustuksille - ankkureille ja tukirakenteille Mitoitustapaa 2 voidaan soveltaa kahdella eri tapaa. Näistä käytetään merkintää DA2 ja DA2*. Käytettäessä mitoitustapaa DA2 kuormien ominaisarvot kerrotaan heti laskennan alussa osavarmuusluvuilla ja laskenta tehdään mitoitusarvoilla. Mitoitustavassa DA2* laskenta tehdään käyttäen kuormien ominaisarvoja ja osavarmuuslukuja käytetään vasta laskennan lopussa tarkasteltaessa murtorajatilaehtoja (RIL ).
21 Mitoitustapa 3 (DA3) Mitoitustavassa 3 tulee osoittaa, että murtorajatilaa tai liiallista muodonmuutosta ei esiinny seuraavalla osavarmuuslukujen yhdistelmällä: (A1 * tai A2 ) + M2 + R3 missä: * rakenteellisiin kuormiin geoteknisiin kuormiin Mitoitustavan 3 osavarmuusmenettelyssä osavarmuus kohdistetaan kuormiin tai rakenteesta aiheutuvien kuormien vaikutuksiin ja maan lujuusparametreihin (SFS-EN s. 29). Suomessa on sovittu käytettäväksi geoteknisessä mitoituksessa mitoitustapaa 3 luiskille ja kokonaisvakavuudelle.
22 22 5 KUORMIEN YHDISTELY 5.1 Kuormayhdistelmät Eurokoodin mukaisessa mitoituksessa pysyvät, muuttuvat sekä onnettomuuskuormat yhdistellään yhteiseksi kuormavaikutukseksi osavarmuuslukujen γ ja yhdistelykertoimien ψ avulla. Kuormayhdistelmistä haetaan rakenteen kestävyyden sekä vakavuuden kannalta mitoittavin yhdistelmä. Kuormitusyhdistelmissä ei kuitenkaan tarkastella samanaikaisesti vaikuttavina kuormina sellaisia kuormia, joiden on fysikaalisesti mahdotonta esiintyä samanaikaisesti (SFS-EN 1990). Standardin SFS-EN 1990:n mukaiset murtorajatilan kuormitusyhdistelmät ovat seuraavat lausekkeet 6.10, 6.10a ja 6.10b. Lauseke 6.10,, """ # $""" %,& ',& """ %, ( ), ', +& *& Lauseke 6.10a,, """ # $""" %,& ( ),& ',& """ %, ( ), ', +& *& Lauseke 6.10b,,, """ # $""" %,& ',& """ %, ( ), ', +& *& missä: γ G G k γ Q Q k on pysyvän kuorman osavarmuusluku on pysyvän kuorman ominaisarvo on muuttuvan kuorman osavarmuusluku on muuttuvan kuorman ominaisarvo + tarkoittaa kuormavaikutuksen yhdistämistä Σ ξ on suureiden yhdistetty vaikutus on epäedullisten pysyvien kuormien pienennyskerroin
23 23 γ P P ψ 0 on esijännitysvoimien osavarmuusluku on esijännitysvoiman kyseeseen tuleva edustava arvo on muuttuvan kuorman yhdistelykerroin Luiskien ja kokonaisvakavuuden mitoituksessa käytetään mitoitustapaa 3 ja kuormitusyhdistelmää Kuormitusyhdistelmiä 6.10a ja 6.10b käytetään mitoitettaessa mitoitustavalla 2 anturaja laattaperustuksia, paaluperustuksia sekä ankkureita ja tukirakenteita. Mitoitettaessa maan kantokestävyyttä on pystykuorman vaihtelulla ja vaakakuorman suuruudella suuri merkitys. Vaakakuorma pidetään aina maksimissaan, koska se lisää kuormitusresultantin vinoutta ja siten pienentää perustuksen pohjan tehokasta alaa. Molemmilla kuormitusyhdistelmällä 6.10a ja 6.10b tulee tarkastaa tilanteet, joissa vaakakuorma on maksimissa ja pystykuorman minimissään tai maksimissaan Näitä kuormitustilanteita merkitään: V max,h max V min,h max missä: V H on pystykuorma (vertikaalinen) on vaakakuorma (horisontaalinen)
24 24 6 OSAVARMUUSLUVUT Eurokoodin mukaan osavarmuuslukuja käytetään kuormiin tai niiden vaikutuksiin (A), maaparametreihin (M) ja kestävyyteen (R). Murtorajatilojen osavarmuusluvut on käytössä vain normaalisti vallitsevissa ja tilapäisissä tilanteissa (SFS-EN liite A) Seuraavissa taulukoissa on esitetty osavarmuusluvut niiden kansallisten valintojen mukaisesti, kun niihin on voinut maakohtaisesti tehdä valintoja. 6.1 Osavarmuusluvut staattisen tasapainotilan (EQU) osoittamiseksi Seuraavassa on esitetty kuormien osavarmuusluvut EQU rajatilassa Ympäristöministeriön kansallisten liitteiden mukaisesti talonrakennuskohteissa ja Liikenne- ja viestintäministeriön kansallisten liitteiden mukaisesti infrarakenteissa Kuormien osavarmuusluvut (γ F ) talonrakennuskohteissa Taulukossa 2 on esitetty Ympäristöministeriön kansallisten liitteiden mukaiset kuormien osavarmuusluvut EQU rajatilassa. Taulukko 2: Kuormien osavarmuusluvut EQU rajatilassa talonrakennuskohteissa (Taulukko A.1(FI), Ympäristöministeriö 2007) Kuorma Merkintä Arvo Pysyvä: Epäedullinen (kaatava kuorma) γ G,dst 1,1 K FI Edullinen (vakauttava kuorma) γ G,stb 0,9 Muuttuva: Epäedullinen (kaatava kuorma) γ Q,dst 1,5 K FI Edullinen (vakauttava kuorma) γ Q,stb 0 Ympäristöministeriön kansallisen liitteen mukaisesti tukimuuriin kohdistuva maanpaine lasketaan tässä rajatilassa lepopaineena.
25 Kuormien osavarmuusluvut (γ F ) infrarakenteissa Taulukossa 3 on esitetty Liikenne- ja viestintäministeriön kansallisten liitteiden mukaiset kuormien osavarmuusluvut EQU rajatilassa silloin, kun määräävänä muuttuvana kuormana on tieliikenne-, kevyenliikenteen-, tai rautatieliikennekuorma. Taulukossa 4 on esitetty kuormien osavarmuusluvut silloin, kun määräävänä muuttuvana kuormana on jokin muu muuttuva kuorma kuin tieliikenne-, kevyenliikenteen-, tai rautatieliikenteen kuorma. Taulukko 3: Kuormien osavarmuusluvut EQU rajatilassa infrarakenteissa, kun määräävä muuttuva kuorma on liikennekuorma (Taulukko A.1(FI), LVM 2010) Kuorma Merkintä Arvo Pysyvä: Esijännitys: Määräävä muuttuva: Epäedullinen γ G,dst 1,1 K FI Edullinen γ G,stb 0,9 Epäedullinen γ P,dst 1,1 K FI Edullinen γ P,stb 0,9 Epäedullinen γ Q,1,dst 1,35 K FI tieliikennekuorma 1,35 K FI kevyenliikenteenkuorma 1,45 K FI rautatieliikennekuorma Edullinen γ Q,1,stb 0 Muut samanaikaiset muuttuvat: Epäedullinen γ Q,i,dst 1,5 K FI ψ 0 muut muuttuvat kuormat Edullinen γ Q,i,stb 0 tai
26 26 Taulukko 4: Kuormien osavarmuusluvut EQU rajatilassa infrarakenteissa, kun määräävä muuttuva kuorma on muu muuttuva kuorma (Taulukko A.1(FI)) (LVM 2010) Kuorma Merkintä Arvo Pysyvä: Esijännitys: Määräävä muuttuva: Epäedullinen γ G,dst 1,1 K FI Edullinen γ G,stb 0,9 Epäedullinen γ P,dst 1,1 K FI Edullinen γ P,stb 0,9 Epäedullinen γ Q,1,dst 1,5 K FI muu määräävä kuorma Edullinen γ Q,1,stb 0 Muut samanaikaiset muuttuvat: Epäedullinen γ Q,i,dst 1,35 K FI ψ 0 tieliikennekuorma Edullinen γ Q,i,stb 0 1,35 K FI ψ 0 kevyenliikenteenkuorma 1,45 K FI ψ 0 rautatieliikennekuorma Taulukoiden 3 ja 4 esijännityskuorma koskee vain rakenteen sisäisten jännitystilojen muuttamista jännittämällä (esim. sillan päällysrakenne), mutta ei perustusten ankkurointia (SFS-EN Kansallinen liite LVM).
27 Maaparametrien osavarmuusluvut (γ M ) talonrakennuskohteissa Taulukossa 5 on esitetty Ympäristöministeriön kansallisten liitteiden mukaiset maaparametrien osavarmuusluvut EQU rajatilassa. Taulukko 5: Maaparametrien osavarmuusluvut EQU rajatilassa talonrakennuskohteissa (Taulukko A.2(FI) (Ympäristöministeriö 2007) Maaparametri Merkintä Arvo Leikkauskestävyyskulma ( kitkakulma ) * γ φ 1,25 Tehokas koheesio γ c 1,25 Suljettu leikkauslujuus γ cu 1,5 Yksiaalinen puristuslujuus γ qu 1,5 Tilavuuspaino γ γ 1,0 * Tällä varmuusluvulla jaetaan tanφ Maaparametrien osavarmuusluvut (γ M ) infrarakenteissa Taulukossa 6 on esitetty maaparametrien osavarmuusluvut Liikenne- ja viestintäministeriön kansallisen liitteen mukaisesti, joita käytetään infrarakenteissa. Taulukko 6: Maaparametrien osavarmuusluvut EQU rajatilassa infrarakenteissa (Taulukko A.2(FI) (LVM 2010) Maaparametri Merkintä Arvo Leikkauskestävyyskulma ( kitkakulma ) * γ φ 1,25 Tehokas koheesio γ c 1,25 Suljettu leikkauslujuus γ cu 1,4 Yksiaalinen puristuslujuus γ qu 1,4 Tilavuuspaino γ γ 1,0 * Tällä varmuusluvulla jaetaan tanφ
28 Osavarmuusluvut rakenteellisen (STR) ja geoteknisten (GEO) rajatilojen osoittamiseksi Kuormien (γ F ) tai kuormien vaikutusten (γ E ) osavarmuusluvut talonrakennuskohteissa Taulukossa 7 on esitetty Ympäristöministeriön kansallisten liitteiden mukaiset kuormien tai kuormien vaikutusten osavarmuusluvut STR ja GEO rajatiloissa. Taulukko 7: Kuormien tai kuormien vaikutusten osavarmuusluvut STR/GEO rajatiloissa (Taulukko A.3(FI)) (Ympäristöministeriö 2007) Kuorma Merkintä Sarja A1 A2 Pysyvä: Epäedullinen (kaatava kuorma) (Yht. 6.10a) (Yht. 6.10b) (Yht. 6.10) Edullinen (vakauttava kuorma) Muuttuva: γ Gkj;sup (Yht. 6.10a) 0,9 (Yht. 6.10b) γ Gkj;inf 0,9 1,35 K FI 1,15 K FI (Yht. 6.10) 1,0 Epäedullinen (Yht. 6.10b) (Yht. 6.10) γ Q 1,5 K FI Edullinen 0 0 1,0 K FI 1,3 K FI
29 Kuormien (γ F ) tai kuormien vaikutusten (γ E ) osavarmuusluvut infrarakenteissa Taulukossa 8 on esitetty Liikenne- ja viestintäministeriön kansallisten liitteiden mukaiset kuormien tai kuormien vaikutusten osavarmuusluvut STR ja GEO rajatiloissa. Taulukko 8: Kuormien tai kuormien vaikutusten osavarmuusluvut STR/GEO rajatiloissa liikennekuorman ollessa määräävä muuttuva kuorma (Taulukko A.3a(FI), LVM 2010) Kuorma Merkintä Arvo Pysyvä: Epäedullinen (Yht. 6.10a) (Yht. 6.10b) Edullinen Esijännitys: (Yht. 6.10a) γ G,dst γ G,stb 1,35 K FI 1,15 K FI 0,9 (Yht. 6.10b) 0,9 Epäedullinen (Yht. 6.10a) (Yht. 6.10b) Edullinen (Yht. 6.10a) γ P,dst γ P,stb 1,1 K FI 1,1 K FI 0,9 (Yht. 6.10b) 0,9 Määräävä muuttuva: Epäedullinen (Yht. 6.10b) γ Q,1,dst 1,35 K FI tieliikennekuorma 1,35 K FI kevyenliikenteenkuorma 1,45/1,2 K FI rautatieliikennekuorma * Edullinen γ Q,1,stb 0 Muut samanaikaiset muuttuvat: Epäedullinen γ Q,i,dst 1,5 K FI ψ 0 muut muuttuvat kuormat Edullinen γ Q,i,stb 0 * Osavarmuuslukua 1,2 käytetään rautatieliikenteen kuormakaavion SW/2 yhteydessä Taulukossa 9 on esitetty osavarmuusluvut silloin, kun määräävänä muuttuvana kuormana on muu muuttuva kuorma.
30 30 Taulukko 9: Kuormien tai kuormien vaikutusten osavarmuusluvut STR/GEO rajatiloissa muun muuttuvan kuorman ollessa määräävä (Taulukko A.3a(FI)) (LVM 2010) Kuorma Merkintä Arvo Pysyvä: Epäedullinen (Yht. 6.10a) (Yht. 6.10b) Edullinen Esijännitys: (Yht. 6.10a) γ G,dst γ G,stb 1,35 K FI 1,15 K FI 0,9 (Yht. 6.10b) 0,9 Epäedullinen (Yht. 6.10a) (Yht. 6.10b) Edullinen (Yht. 6.10a) γ P,dst γ P,stb 1,1 K FI 1,1 K FI 0,9 (Yht. 6.10b) 0,9 Määräävä muuttuva: Epäedullinen γ Q,1,dst 1,5 K FI muu muuttuva kuorma Edullinen γ Q,1,stb 0 Muut samanaikaiset muuttuvat: Epäedullinen γ Q,i,dst 1,35 K FI ψ 0 tieliikennekuorma Edullinen γ Q,i,stb 0 1,35 K FI ψ 0 kevyenliikenteenkuorma 1,45/1,2 K FI ψ 0 rautatieliikennekuorma * * Osavarmuuslukua 1,2 käytetään rautatieliikenteen kuormakaavion SW/2 yhteydessä
31 Maaparametrien osavarmuusluvut (γ M ) talonrakennuskohteissa Taulukossa 10 on esitetty maaparametrien (γ M ) osavarmuusluvut STR/GEO rajatiloissa Ympäristöministeriön kansallisten liitteiden mukaisesti, joita käytetään talonrakennuskohteissa. Taulukko 10: Maaparametrien osavarmuusluvut STR/GEO rajatilassa talonrakennuskohteissa (Taulukko A.4(FI), Ympäristöministeriö 2007) Maaparametri Merkintä Sarja M1 Sarja M2 Leikkauskestävyyskulma ( kitkakulma ) * γ φ 1,0 1,25 Tehokas koheesio γ c 1,0 1,25 Suljettu leikkauslujuus γ cu 1,0 1,5 Yksiaalinen puristuslujuus γ qu 1,0 1,5 Tilavuuspaino γ γ 1,0 1,0 * Tällä varmuusluvulla jaetaan tanφ Maaparametrien osavarmuusluvut (γ M ) infrarakenteissa Taulukossa 11 on esitetty maaparametrien osavarmuusluvut Liikenne- ja viestintäministeriön kansallisen liitteen mukaisesti, joita käytetään infrarakenteissa. Taulukko 11: Maaparametrien osavarmuusluvut STR/GEO rajatilassa infrarakenteissa (Taulukko A.4(FI), LVM 2010) Maaparametri Merkintä Sarja M1 Sarja M2 Leikkauskestävyyskulma ( kitkakulma ) * γ φ 1,0 1,25 Tehokas koheesio γ c 1,0 1,25 Suljettu leikkauslujuus γ cu 1,0 1,4 Yksiaalinen puristuslujuus γ qu 1,0 1,4 Tilavuuspaino γ γ 1,0 1,0 * Tällä varmuusluvulla jaetaan tanφ
32 Kestävyyden osavarmuusluvut (γ R ) Kestävyyden (γ R ) osavarmuusluvut on esitetty kootusti tässä luvussa. Ympäristöministeriön sekä Liikenne- ja viestintäministeriön kansallisten liitteiden mukaiset osavarmuusluvut on eritelty vain, mikäli ne poikkeavat toisistaan. Antura- ja laattaperustusten osavarmuusluvut kestävyydelle on esitetty taulukossa 12, luiskien ja kokonaisvakavuuden kestävyyden osavarmuusluvut on esitetty taulukossa 13 ja taulukossa 14 on esitetty tukirakenteiden kestävyyden osavarmuusluvut. Taulukko 12: Kestävyyden osavarmuusluvut antura- ja laattaperustuksille (SFS-EN Taulukko A.5(FI), Kansalliset liitteet) Kestävyys Merkintä Sarja R2 Kantokestävyys γ R;v 1,55 Liukuminen γ R;h 1,10 Taulukko 13: Kestävyyden osavarmuusluvut tukirakenteille (SFS-EN Taulukko A.13 (FI), Kansalliset liitteet) Kestävyys Merkintä Sarja R2 Kantokestävyys γ R;v 1,55 Liukumiskestävyys γ R;h 1,10 Maan kestävyys γ R;e 1,50 Taulukko 14: Kestävyyden osavarmuusluvut luiskille ja kokonaisvakavuudelle (SFS- EN Taulukko A.14(FI), Kansalliset liitteet) Kestävyys Merkintä Sarja R3 Maan kestävyys γ R;e 1,0 Tästä opinnäytetyöstä on rajattu pois nostetta ja hydraulista murtumaa käsittelevät kohdat.
33 Kuormakerroin K FI Eurokoodissa epäedullisten kuormien tai kuormien vaikutuksien maakohtaisena kuormakertoimena käytettävä kuormakerroin K FI :n arvo riippuu luotettavuusluokasta RC (Reliability class). Luotettavuusluokan määrittämistä varten eurokoodissa on määritetty 3 eri seuraamusluokkaa CC (consequences class). Seuraamusluokka voidaan määrittää tarkastelemalla rakenteen vaurion tai vian seuraamusta (SFS-EN 1990). Taulukossa 15 on esitetty standardin mukainen seuraamusluokkien määritys. Taulukko 15: Seuraamusluokkien määrittely (SFS-EN 1990) Seuraa- Kuvaus Rakennuksia sekä maamusluokka ja vesirakennuskohteita koskevia esimerkkejä CC3 Suuret seuraamukset hengenmenetysten tai hyvin suurten taloudellisten, sosiaalisten tai ympäristövahinkojen takia Pääkatsomot; julkiset rakennukset, joissa vaurion seuraamukset ovat suuret CC2 CC1 Keskisuuret seuraamukset hengenmenetysten tai merkittävien taloudellisten, sosiaalisten tai ympäristövahinkojen takia Vähäiset seuraamukset hengenmenetysten tai pienten tai merkityksettömien taloudellisten, sosiaalisten tai ympäristövahinkojen takia (esim. konserttitalo) Asuin- ja liikerakennukset; julkiset rakennukset, joissa vaurion seuraamukset ovat keskisuuret (esim. toimistorakennus) Seuraamusluokkiin CC1, CC2 ja CC3 voidaan siis liittää kolme luotettavuusluokkaa RC1, RC2 ja RC3. Luotettavuuden tasoluokitus voidaan eurokoodin mukaan tehdä joko käyttämällä luotettavuusindeksiä β tai osavarmuuslukujen avulla. Tämä edellyttää, että mitoituksen valvonnan ja toteuttamisen tarkastustasot säilyvät samoina. Tällöin voidaan saavuttaa luotettavuuden riittävä taso kertomalla osavarmuusluvut taulukon 16 mukaisilla kuormakertoimilla K FI (SFS-EN 1990). Taulukko 16: Kuormakertoimen KFI arvot luotettavuusluokan mukaan (SFS-EN 1990) Kuormakerroin K FI Luotettavuusluokka RC1 RC2 RC3 K FI 0,9 1,0 1,1
34 34 7 MAANPAINEET 7.1 Maanpaine Tukimuurin rakenteen kannalta merkittäviä rakennetta rasittavia voimia on tuettavasta materiaalista aiheutuva maanpaine sekä ulkoisista kuormista aiheutuva maanpainelisä. Tukimuurin vaikuttavien maanpaineiden laskemiseksi tarvitaan tieto alkutilanteessa vallitsevasta lepopaineesta sekä tarvittavat mitoitusparametrit jokaisesta maakerroksesta, jotka maanpaineen laskemisessa ovat maan irtotilavuuspaino γ, koheesio c ja leikkauskestävyyskulma φ (SFS-EN ). Pohjavedenpinnan alapuolella olevan maan aiheuttama maanpaine lasketaan tehokasta tilavuuspainoa γ käyttäen. 7.2 Maan lepopainearvot Kun tarkastellaan tilannetta, jossa tukimuurin ei sallita liikkua suhteessa maapohjaan, on maanpaine laskettava lepojännitystilasta. Lepopainetta määritettäessä tulee ottaa huomioon maan jännityshistoria (SFS-EN s.89). Tukimuurin takana olevan maan oletetaan olevan normaalikonsolidoitunutta kun tukimuurin siirtymä on pienempi kuin h, jossa h on se tukimuurin seinän korkeus, mille osalle maanpaine kohdistuu (SFS-EN s.89). Vaakasuuntaisen maanpinnan lepopainekerroin K 0 määritetään standardin SFS-EN mukaan kaavasta: - ).1/sin φ (7) Kaavaa ei kuitenkaan tule käyttää erittäin korkeilla ylikonsolidoitumisuhteen, eli OCRarvoilla.
35 35 Tilanteessa, jossa maapohja viettää tukimuurin taustan puolella ylöspäin kulmassa β φ, tehokkaan maanpaineen vaakasuuntainen komponentti σ h;0 voidaan johtaa kuormittavan maakerroksen aiheuttamasta pystysuorasta tehokkaasta paineesta q kertoimella K 0;β (SFS-EN s. 89). Kerroin K 0;β saadaan kaavasta: - );: - ) ;.1/sin<5 (8) 7.3 Maanpaineen raja-arvot Mikäli tukimuurille sallitaan liikettä suhteessa maahan, tulee tukimuuriin kohdistuva maanpaine käsitellä maanpaineen raja-arvoja käyttäen. Maanpaineiden raja-arvoja määritettäessä tulee ottaa huomioon maan ja tukirakenteen suhteellinen siirtymä murtotilassa ja tätä liikettä vastaavan murtopinnan muoto (SFS-EN s. 89). Kun rakenne liikkuu kaivantoon päin, tukimuuriin kohdistuva maanpaine saa minimiarvonsa, jota sanotaan aktiivipaineeksi, σ a. Vastaavasti liike, joka kohdistuu vasten maamassaa saa aikaan maanpaineen maksimiarvon, jota kutsutaan passiivipaineeksi σ p. Maanpaineiden raja-arvojen muodostumiseen tarvitaan siis maan ja tukirakenteen suhteellinen siirtymä murtotilassa. Taulukoissa 17 ja 18 on esitetty eurokoodin 7:n mukaiset kitkamaassa aktiivisen maanpaineen sekä passiivisen maanpaineen kehittymiseen tarvittavat suhteelliset siirtymät.
36 36 Taulukko 17: Aktiivisen maanpaineen kehittymiseen kitkamaassa tarvittava siirtymä (SFS-EN ) Tukirakenteen liikkeen tyyppi a) b) c) d) V a /h [%] löyhä maa 0,4 0,5 0,2 0,8 1,0 0,4 0,5 tiivis maa 0,1 0,2 0,05 0,1 0,2 0,5 0,1 0,2 V a h aktiivisen maanpaineen mobilisoiva tukirakenteen liike seinän korkeus Taulukko 18: Passiivisen maanpaineen kehittymiseen kitkamaassa tarvittava siirtymä (SFS-EN ) Tukirakenteen liikkeen tyyppi a) b) c) V p /h [%] Täyden passiivisen maanpaineen mobilisoituminen löyhä maa tiivis maa Passiivipaineen raja-arvon ½ saavuttamiseen vaadittu siirtymä löyhä maa 1,5 4,0 0,9 1,5 1,0 1,5 tiivis maa 1,1 2,0 0,5 1,0 0,5 1,3 V p h passiivisen maanpaineen mobilisoiva tukirakenteen liike seinän korkeus
37 37 Eurokoodi 7 korjausliitteessä EN :2004/AC:2009 on esitetty kaavat aktiivi- ja passiivipaineen laskemiseen. Aktiivinen rajatila: = >.?5 - D/F- >G (9) - >G 2 I- > J1" F K (10) K ac :n arvo on kuitenkin rajoitettu maksimissaan 2,56 L- > Passiivinen rajatila: =.?5 D/F- G (11) - G 2 I- J1" F K (12) K pc :n arvo on kuitenkin rajoitettu maksimissaan 2,56 L- missä: a c K a K p q z β u γ on seinän ja maan välinen adheesio on tuettavan maan koheesio on aktiivipainekerroin on passiivipainekerroin on koko passiivipaineen kehittymisen aikainen pystysuuntainen pintakuorma on tarkastelusyvyys rakenteen yläpäästä mitattuna on maanpinnan kaltevuuskulma rakenteen takana, positiivinen ylöspäin on huokosvedenpaine on tuetun maan kokonaistilavuuspaino (märkätilavuus)
38 38 σ a (z) σ p (z) on kokonaisjännitys kohtisuoraan seinää vastaan syvyydellä z (aktiivinen rajatila) on kokonaisjännitys kohtisuoraan seinää vastaan syvyydellä z (passiivinen rajatila) Aktiivi- ja passiivipaineiden laskemiseen tarvittavat tehokkaat aktiivi- ja passiivimaanpainekertoimet K a ja K p voidaan määrittää analyyttisesti, tai eurokoodi 7 korjausliitteen EN :2004/AC:2009 kuvien C.1.1 C.1.4 sekä C.2.1 C.2.4 avulla. Tästä opinnäytetyöstä on aktiivi- ja passiivimaanpaineiden laskeminen rajattu pois.
39 Lepopaineen laskenta Tuettavasta materiaalista aiheutuvan lepopaineen kokonaisresultantin ominaisarvo voidaan laskea kaavalla: )MN - );: O 4 O P Q O 0,5 missä, E 0gh K 0;β on maanpaineen kokonaisresultantin ominaisarvo on lepopainekerroin γ on tuettavan materiaalin tehokas tilavuuspaino h on seinän korkeus johon maanpaine kohdistuu (13) Kuvassa 1 on esitetty tukimuuriin kohdistuvan maanpaineen intensiteettikuvio, kun taustatäyttö on tehty kokonaisuudessaan samasta maamateriaalista ja pohjavedenpinta on perustamistason alapuolella. Kuva 1: Tukimuuriin kohdistuvan maanpaineen intensiteettikuvio
40 Tiivistyksen vaikutus Tukimuurin takana vaikuttavien maanpaineita määritettäessä tulee ottaa huomioon taustatäytön tiivistämisestä aiheutuva lisäpaine ja tiivistysmenetelmä. Suunnittelijan tulee määritellä tiivistysmenetelmät, jotta vältyttäisiin ylisuurilta lisämaanpaineilta, jotka voisivat aiheuttaa rakenteen liian suuria siirtymiä (SFS-EN s.89). Kuvassa 2 on esitetty tukirakenteen takana olevan täyttömaan tiivistyksestä eri painoisilla tiivistyskoneilla aiheutuva lisämaanpaineen suuruus. Lisämaanpainetta voidaan pitää pysyvänä kuormana. Tukimuurin oletetaan olevan siirtymätön (RIL s.108). Kuva 2: Tiivistyksen aiheuttama lisämaanpaine (Kuva: RIL )
41 41 8 KUORMAT Eurokoodin mukaan kuormalla (F) tarkoitetaan rakenteeseen välittömästi vaikuttavien voimien tai kuormien yhdistelmää, sekä esimerkiksi lämpötilan muutoksesta, kosteuden vaihtelusta, epätasaisista painumista tai maanjäristyksistä johtuvia rakenteeseen syntyviä pakkovoimia, kuten siirtymät, muodonmuutokset. Rakennetta kuormittavat voimat voivat olla vaaka- tai pystysuuntaisia tai momenttikuormia (SFS-EN 1990 s. 26). Kuormien vaikutuksella (E) tarkoitetaan esimerkiksi kunkin poikkileikkauksen voimasuureiden, voiman ja momentin tai jännityksen ja muodonmuutoksen vaikutusta rakenteeseen. Tällaisia vaikutuksia on esim. taipuma tai kiertymä (SFS-EN 1990 s. 26) Standardin EN 1990 mukaan kuormat tulee luokitella niiden aikariippuvuuden perusteella seuraavasti: - pysyviin kuormiin - muuttuviin kuormiin - onnettomuuskuormiin Geoteknisessä mitoituksessa tulee ottaa huomioon seuraavat kuormiin sisällytettävät tekijät standardin SFS-EN mukaisesti: - maan, kallion ja veden paino - jännitykset maapohjassa - maanpaineet ja pohjavedenpaine - vapaan veden paineet, mukaan lukien aallon aiheuttamat paineet - suotovirtauksesta aiheutuvat voimat - pysyvät ja hyötykuormat rakenteista - pintakuormat - ankkurointivoimat - kuorman poistuminen tai maan kaivu - liikennekuormat - kaivostoiminnasta tai muusta luolan tai tunnelin rakentamisesta aiheutuvat liikkeet
42 42 - kasvillisuuden, ilmaston tai kosteusvaihtelujen aiheuttama paisuminen ja kutistuminen - maamassojen virumisen, liukumisen tai painumisen aiheuttamat siirtymät - hajoamisesta, hajaantumisesta, maatumisesta, itsetiivistymisestä ja liukenemisesta aiheutuvat siirtymät - maanjäristyksistä, räjäytyksistä, tärinästä tai dynaamisesta kuormituksesta aiheutuvat siirtymät ja kiihtyvyydet - lämpötilan vaikutukset, mukaan luettuna routanousu - jääkuormat - maa-ankkurien ja tukien esijännitys - negatiivinen vaippahankaus (-kitka) 8.1 Pysyvät kuormat Eurokoodin mukaan pysyvällä kuormalla (G) tarkoitetaan sellaista kuormaa, joka todennäköisesti vaikuttaa koko tarkasteluajan ja jonka suuruuden vaihtelu on tarkasteluajanjakson aikana merkityksetöntä tai jonka muutos tapahtuu monotonisesti, eli aina samaan suuntaan kunnes se saavuttaa tietyn raja-arvon (SFS-EN 1990 s. 26). Tällaisia kuormia ovat esim. rakenteen tai rakenneosan oma paino, kutistumisesta aiheutuvat pakkovoimat sekä epätasaisen painuman aiheuttamat välilliset kuormat (SFS-EN 1990 s. 52). 8.2 Muuttuvat kuormat Eurokoodin mukaan muuttuvalla kuormalla (Q) tarkoitetaan kuormaa, jonka suuruuden vaihtelu ajan myötä ei ole merkityksetöntä tai monotonista. Tällaisia kuormia ovat esimerkiksi rakennusten välipohjiin, palkkeihin ja vesikattoon kohdistuvat hyöty-, tuuli- ja lumikuormat (SFS-EN 1990). Muuttuvia kuormia ovat myös esimerkiksi liikennekuormat, nosturikuormat, rautatiekuormat, erilaisten materiaalien varastoinnista tai kasauksesta aiheutuvat kuormat sekä erilaiset työkoneista aiheutuvat kuormat.
43 Onnettomuuskuormat Eurokoodin mukaan onnettomuuskuormia (A) ovat esimerkiksi räjähdyksestä tai ajoneuvon törmäyksestä aiheutuvat kuormat. Lumikuorma ja maanjäristyskuorma voi olla tietyissä tapauksissa joko onnettomuuskuormaa tai muuttuvaa kuormaa riippuen rakennuskohteen sijainnista (SFS-EN 1990 s. 52). Esimerkiksi Suomessa lumikuorma on muuttuvaa kuormaa, mutta maanjäristys luokitellaan onnettomuuskuormaksi. Tämän opinnäytetyön mitoituslaskelmissa ei käsitellä lumikuormia eikä onnettomuuskuormia.
44 44 9 ULKOISET KUORMAT Ulkoisilla kuormilla tarkoitetaan niitä kuormia, jotka vaikuttavat maanpinnalla niin lähellä tukimuuria, tukiseinää tai rakennuskaivantoa, että niiden maanpainetta lisäävä vaikutus tulee ottaa huomioon. Vaikka vedenpaine aiheuttaa myös lisäpainetta, ei sitä kuitenkaan pidetä ulkoisena kuorma. Ulkoisia kuormia on useita eri tyyppejä, jotka ovat luonteeltaan erilaisia. Ulkoiset kuormat voidaan jakaa kahteen eri päätyyppiin, jotka ovat: - Tasainen, laaja-alainen kuorma - Keskitetyt kuormat, joita ovat: o pistekuormat o viivakuormat o nauhakuormat o aluekuormat Geotechnical Control Office:n julkaisemassa tukirakenteiden suunnitteluohjeessa (Geoguide 1, Guide to Retaining Wall Design) on esitetty kaavat mm. piste-, viiva-, nauhakuorman sekä keskitetyn kuorman aiheuttaman maanpaineen laskemiseen. Kaavat, jotka koskevat pistekuorman ja viivakuorman sekä nauhakuorman aiheuttamaa maanpainetta, perustuvat Boussinesq:n teoriaan kuorman jakautumisesta isotrooppisessa kimmoisessa puoliavaruudessa. Kaavoja on muokattu Terzaghin (1943, 1953) ja Spangler & Handyn (1984) tutkimustulosten perusteella. Tutkimustulokset perustuvat olettamukseen, että tukirakenne, johon maanpaine ulkoisista kuormista kohdistuu, on jäykkä ja myötäämätön.
45 45 Boussinesq:n teoriaan perustuvat piste- viiva- ja nauhakuorman aiheuttaman maanpaineen laskentakaavat löytyvät myös mm. Yhdysvaltojen laivaston suunnitteluohjeesta Soil Mechanics, NAVFAC DM-7.1, United States Steel Corporationin Steel Sheet Piling Desing Manual, Yhdysvaltojen armeijan pioneerijoukkojen pato- ja tukirakenteiden suunnitteluoppaasta Retaining and Floodwalls sekä usean Yhdysvaltalaisen osavaltin liikenneväyliin liittyvien tukirakenteiden suunnitteluoppaista mm. Kalifornian osavaltion Trenching and Shoring Manual. Suomessa infrarakenteisiin liittyvissä tukimuureissa mitoituksessa käytettäviä liikennekuormia ja kuormakaavioita on käsitelty tarkemmin Liikenneviraston ohjeissa, Eurokoodin soveltamisohje, Siltojen kuormat ja suunnitteluperusteet NCCI 1 sekä Eurokoodin soveltamisohje, Geotekninen suunnittelu NCCI 7. Kappaleissa on esitetty eri ulkoisten kuormien aiheuttaman maanpaineen laskentaan vaihtoehtoiset laskentakaavat. Näitä kappaleissa esitettäviä kaavoja ei ole esitetty Eurokoodissa, sillä Eurokoodi ei suoraan ohjeista ulkoisten kuormien maanpaineiden laskentaa. Laskentakaavoilla on tässä opinnäytetyössä mallinnettu laskelmissa Eurokoodin liikennekuormakaavion LM1 akseli- ja tasaisen kuorman maanpaineita. Tässä opinnäytetyössä on tehty vertailulaskelmia LM1 eri mallinnusvariaatioiden vaikutuksesta kulmatukimuurin perustuksen leveyteen kun tukimuuri on perustettu maan- tai kallionvaraisesti. Näissä yhdessä variaatiossa LM1:n akselikuorman aiheuttama maanpaine on mallinnettu kappaleessa 9.1 esitetyllä pistekuorman laskentakaavalla ja tasainen pintakuorman aiheuttama maanpaine kappaleessa 9.3 esitetyllä nauhakuorman laskentakaavalla. Toisessa variaatiossa akselikuormat on korvattu aluekuormilla, jotka on esitetty Liikenneviraston soveltamisohjeessa NCCI7. Lisäksi on vertailtu 20 KPa tasaisen, laaja-alaisen pintakuorman vaikutusta perustuksen leveyteen.
46 Pistekuorma Pistekuorma on tyypillisesti pienelle alalle vaikuttava keskeinen, pistemäinen kuorma tai voima. Tällaisia kuormia ovat tyypillisesti ajoneuvojen pyöräkuormat, nostureiden tukijalkojen kuormat, trukkien pyöräkuormat, erilaisten vaunujen, konttien yms. tukijalkojen kuormat tai yläpuolisten rakenteiden kuormat, kuten esim. pilarikuormat Pistekuorman aiheuttama maanpaine Pystysuorasta pistekuormasta aiheutuvan vaakasuuntaisen maanpaineen intensiteetti myötäämätöntä rakennetta vastaan Geoguide 1:n mukaan voidaan laskea kaavoilla: σ U V HQ Q Y Z 0.28n Q.0.16"n Q 5^,kun m b0.4 (14) ja σ U V HQ Q Y Z 1.77mQ n Q.m Q "n Q 5^,kun m e0.4 (15) missä: σ H H Q P m n X Z on paineen intensiteetti tarkastelusyvyydellä on muurin korkeus on maanpinnalla vaikuttava pistekuorma on X/H on Z/H on pistekuorman etäisyys muurista on tarkastelusyvyys Kuvassa 3 on esitetty pistekuorman aiheuttaman maanpaineen intensiteettikuvio (Geoguide 1).
47 47 Kuva 3: Pistekuorman aiheuttama maanpaineen intensiteetti (Geoguide 1). Pystysuuntaisen pistekuorman aiheuttaman maanpaineen vaakasuuntaisen resultantin P H etäisyys R pohjalaatan yläpinnasta on likimäärin: 0.58 H, kun m = H, kun m = H, kun m = 0.6 Painekuvion muoto riippuu kuorman etäisyyden suhteesta muurin korkeuteen sekä tarkastelusyvyyden suhteesta koko muurin korkeuteen. Tämä on selvästi havaittavissa Terzaghin (1953) painekuvioista. Kuvassa 4 on esitetty pistekuorman aiheuttamat maanpainekuviot pistekuorman eri etäisyyksien ja muurin korkeuden suhteen.
48 48 Kuva 4: Vaakasuuntainen painejakauma pystysuorasta pistekuormasta Q P (Terzaghi, 1953) Pistekuorman jakautuminen tasolla Pystysuorasta pistekuormasta aiheutuvan maanpaineen intensiteetin jakautuminen tasolla Geoguide 1:n mukaan voidaan laskea kaavalla: σ Uf σ U cos Q.1.1θ5 (16) missä: σ Hθ σ H θ on paineen intensiteetti tarkasteluetäisyydellä on paineen intensiteetti tarkastelusyvyydellä on tarkastelupisteen ja kuorman muuria kohti kohtisuoran välinen kulma Kuvassa 5 on esitetty pistekuorman jakautuminen tarkastelusyvyydellä (Geoguide 1).
49 Kuva 5: Leikkaus A-A, pistekuorman jakautuminen tasolla (Geoguide 1). 49
50 Viivakuorma Viivakuorma on kuorma, jonka leveys on hyvin pieni tai merkityksetön, mutta pituussuunnassa kuorma voidaan monesti olettaa äärettömän pitkäksi. Tällaisia kuormia on tyypillisesti esimerkiksi nostureiden kiskokuormat, kapeat nauha-anturat, erilaiset seinämäiset rakenteet, kuten meluseinät ja muurit sekä muut kiskokuormat Viivakuorman aiheuttama maanpaine Pystysuorasta, muurin kanssa samansuuntaisesta viivakuormasta aiheutuvan vaakasuuntaisen maanpaineen lisän intensiteetti myötäämätöntä rakennetta vastaan Geoguide 1:n mukaan voidaan laskea kaavoilla: σ U j H Q k l 0.20n.0.16"n Q 5 Q,kun m b0.4 (17) σ U j H Q k l 1.28m Q n.m Q "n Q 5 Q,kun me0.4 (18) missä: σ H H Q L m n X Z on paineen intensiteetti tarkastelusyvyydellä on muurin korkeus on maanpinnalla vaikuttava viivakuorma / m on X/H on Z/H on viivakuorman etäisyys muurista on tarkastelusyvyys Kuvassa 6 on esitetty pystysuuntaisen viivakuorman aiheuttaman maanpaineen intensiteettikuvio (Geoguide 1).
51 51 Kuva 6: Viivakuorman aiheuttama maanpaineen intensiteetti (Geoguide 1). Pystysuuntaisen viivakuorman aiheuttaman maanpaineen vaakasuuntaisen resultantin P H etäisyys R pohjalaatan yläpinnasta on likimäärin: 0.61 H, kun m = H, kun m = H, kun m = H, kun m = 0.7 Pystysuorasta viivakuormasta aiheutuvan maanpaineen vaakasuuntainen resultantti P H voidaan laskea likimääräisesti kaavalla:
52 52 P U 0,55Q k,kun m b0,4 ja (19) P U 0,64Q k.1"m Q 5,kun m e0,4 (20) Kuvassa 7 on esitetty pystysuuntaisen viivakuorman aiheuttaman vaakasuuntaisen painejakauman muoto viivakuorman eri etäisyyksien ja tukimuurin korkeuden suhteen. Kuva 7: Vaakasuuntainen painejakauma pystysuorasta viivakuormasta Q L (Terzaghi, 1953).
53 Nauhakuorma Nauhakuorma on kuorma, joka oletetaan usein pituussuunnassa äärettömän pitkäksi, mutta toisin kuin viivakuormalla on nauhakuorman leveydellä merkitystä. Tällaisia nauhamaisia kuormia on tyypillisesti esimerkiksi anturakuormat, liikennekuormat ja rautatiekuormat Nauhakuorman aiheuttama maanpaine Pystysuorasta, muurin kanssa samansuuntaisesta nauhakuormasta aiheutuvan vaakasuuntaisen maanpaineen lisän intensiteetti myötäämätöntä rakennetta vastaan Geoguide 1:n mukaan voidaan laskea kaavalla: = n 2C o.</pq<frp2s5 (21) missä: σ H on paineen intensiteetti tarkastelusyvyydellä q on nauhakuorma /m 2 α β on nauhakuorman keskilinjan vaikutussuoran ja muurin välinen kulma on nauhakuorman etureuna ja takareunan vaikutussuorien välinen kulma (radiaaneina) Kulma β voidaan ratkaista kaavalla: < tq u& J v Q? K/ tqu& J v &? K (22) ja kulma α kaavalla: s tq u& j v Q" v & l 2? (23)
54 54 missä: x 1 x 2 z on nauhakuorman lähemmän reunan etäisyys muurin takareunasta mitattuna on nauhakuorman kauemman reunan etäisyys muurin takareunasta mitattuna on tarkastelusyvyys muurin yläreunasta mitattuna Kuvassa 8 on esitetty nauhakuorman aiheuttaman vaakasuuntaisen maanpaineen intensiteettikuvio (Geoguide 1). Kuva 8: Nauhakuorman vaikutussuorien kulmat ja kuorman etäisyysmitat 9.4 Aluekuorma Aluekuorma on kuorma, joka vaikuttaa rajallisella alalla. Kuormaa ei voi rinnastaa laaja-alaiseen kuormaan, jonka ajatellaan vaikuttavan äärettömän laajalla alueella. Aluekuorman tyypillisiä esimerkkejä ovat materiaalipinot ja kasat, ajoneuvokuormat tai rakennusten perustuskuormat.
55 Aluekuorman aiheuttama maanpaine Yhdysvaltojen laivaston maarakenteiden suunnitteluohjeessa Foundation & Earth structures, NAVFAC DM on esitetty aluekuorman vaakasuuntaisen maanpaineen suuruuden laskemiseen myötäämätöntä rakennetta vastaan kaavaa. Kuvassa 9 on esitetty aluekuorman pituus ja leveyssuureet sekä kuorman oletussijainti suhteessa tukimuuriin. Aluekuormasta aiheuttuva vaakapaine saadaan ratkaistua kertomalla aluekuorma kertoimella I p, joka saadaan kuvassa 10 esitetyltä käyrästöltä luettua apusuureiden n ja m avulla. Kuva 9: Aluekuorma (NAVFAC 1986) Mitta B on kuorman kohtisuora etäisyys muurista ja mitta L on kuorman muurin suuntainen pituus. Aluekuorman oletetaan rajoittuvan tukimuuriin.
56 56 Käyrästö perustuu muokattuun Boussinesq:n teoriaan ja olettaa Poissonin luvuksi ν = 0,5. Kuva 10: Käyrästö aluekuorman aiheuttaman maanpaineen kertoimien määrittämiseen (NAVFAC 1986) q w? (24) x y? (25) missä, n m on kuorma-alueen pituuden suhde muurin korkeuteen on kuorma-alueen leveyden suhde muurin korkeuteen Vaakapaineen resultantti saadaan laskettua kaavalla: $C O z (26) missä, P q I p on vaakapaineen resultantti on maanpinnalla vaikuttava aluekuorma on käyrästöltä saatu kerroin
57 Tasainen, laaja-alainen pintakuorma Tasaisen, laaja-alaisen kuorman ajatellaan vaikuttavan maan päällä äärettömän laajasti. Tasaisella, laaja-alaisella pintakuormalla on yleisesti mallinnettu monia eri ulkoista tekijöistä aiheutuvia kuormia sen yksinkertaisuuden takia Tasaisen pintakuorman aiheuttama maanpaine Tasaisen, laaja-alaisen pintakuorman aiheuttama maanpaine voidaan yleisesti ajatella maanpäällä olevaksi samansuuruiseksi maakerrokseksi. Tästä voidaan ratkaista maanpaine, kun tiedetään maanpainekerroin K a, K p, tai K 0. Tasaisen, laaja-alaisen pintakuorman aiheuttaman maanpaineen oletetaan alkavan täydellä arvollaan heti tukimuurin yläreunasta alkaen. Tasaisen, laaja-alaisen pintakuorman aiheuttama maanpaineen intensiteetti on siten: P H = K q, (27) missä: K on maanpainekerroin q on tasainen pintakuorma kn/ m 2 Kuvassa 11 on esitetty tasaisesta, laaja-alaisesta pintakuormasta aiheutuvan maanpaineen intensiteettikuvio, kun tukimuurin taustatäyttö on kokonaisuudessaan tehty samalla maa-aineksella, jolloin maanpainekerroin K pysyy samana.
58 Kuva 11: Tasaisen, laaja-alaisen pintakuorman aiheuttaman maanpaineen intensiteettikuvio 58
59 59 10 TUKIMUURIN GEOTEKNINEN MITOITUS Tukimuuri on rakenne, jota käytetään kun tuettava materiaali tulisi saada pysymään jyrkemmässä kulmassa kuin mitä se luonnollisesti pysyisi. Tällaiset tuettavat materiaalit koostuvat yleisimmin maasta, murskatusta kalliosta tai erilaisista täyttömateriaaleista (SFS-EN s.83). Tukimuuri on yleisimmin kivi-, betoni-, tai teräsbetoninen seinä jossa voi olla ulkoneva reuna, kanta tai tuki. Tukimuurin omapaino sekä vakauttavat maa-, kallio- tai täyttömaamassat ovat tukimuurin toimintaperiaatteen kannalta merkittäviä (SFS-EN s.83). Tämä korostuu erityisesti kulmatukimuurissa, jossa pohjalaatan päällä olevan maamateriaalin omapainolla on suuri merkitys tukimuuri staattisen tasapainon saavuttamisessa. Kulmatukimuurissa pohjalaatan päällä olevalla maamassalla on muuria tukeva vaikutus, mutta maanpainosta aiheutuu maanpainetta, joka pyrkii kaatamaan tukimuurin. Maanpainosta pohjalaatan päällä on hyötyä kun tarkastellaan kulmatukimuurin varmuutta liukumista vastaan, mutta kantokestävyyden kannalta kaikki paino pohjalaatan päällä on epäedullista. Tukimuurin mitoittaminen edellyttää usein samanlaisten mitoitusongelmien ratkaisemista kuin antura- ja laattaperustusten, penkereiden ja luiskien mitoituksessa. Tällaisia mitoitusongelmia ovat esimerkiksi kulmatukimuurin pohjalaatan alapuolisen maan kantokestävyyden laskeminen ja pohjalaatan alapintaa pitkin tapahtuvan liukumiskestävyyden ratkaiseminen (SFS-EN ). Kulmatukimuuriin vaikuttaa monenlaisia voimia, jotka vaikuttavat edullisesti tai epäedullisesti tarkasteltavasta rajatilasta riippuen. Kuvassa 12 on esitetty havainnollisesti niitä eri kuormia joita on mitoituksessa otattava huomioon.
60 60 Kuva 12: Kulmatukimuuriin vaikuttavia kuormia (Bond & Harris 2008) Murtorajatilamitoitus Kantokestävyys Eurokoodin mukaan kantokestävyys voidaan määrittää analyyttistä menetelmää, puolikokeellista menetelmää tai ohjeellista, kantokestävyyden otaksuttua menetelmää käyttäen. Näistä puolikokeellista menetelmää on kuvattu standardin SFS-EN liitteessä E ja ohjeellista menetelmää liitteessä G. Tässä opinnäytetyössä esitetään analyyttinen menetelmä. Kantokestävyystarkastelussa seuraavan epäyhtälön tulee olla voimassa kaikissa rajatiloissa: { b (28)
61 61 missä, V d R d on perustuksen pohjaa kohtisuoraan vaikuttavan pystykuorman mitoitusarvo on kantokestävyyden mitoitusarvo V d tulee sisältää perustuksen omapaino, täyttömateriaalin paino, edulliset ja epäedulliset maanpaineet sekä ne vedenpaineet joita perustuskuorma ei aiheuta (SFS-EN s.58). Kantokestävyyden mitoitusarvoa määritettäessä seuraavien tekijöiden vaikutukset tulee ottaa huomioon: - maapohjan lujuus, yleensä esitettynä parametrien c u, c ja φ mitoitusarvoilla - mitoituskuormien epäkeskisyys ja kaltevuus - perustuksen muoto, syvyys ja kaltevuus - maanpinnan kaltevuus - pohjavedenpaineet ja hydrauliset gradientit - maapohjan vaihtelevuus, erityisesti kerroksellisuus Kappaleessa on esitetty suljetun tilan ja kappaleessa avoimen tilan kantokestävyyden laskenta maanvaraisessa perustamisessa standardin SFS-EN mukaisesti. Kun kulmatukimuuri perustetaan kallionvaraisesti, voidaan kantokestävyystarkastelussa Liikenneviraston soveltamisohjeen NCCI7 mukaan kallion kestävyyden ominaisarvona ilman erillistä tutkimusta käyttää 8,0 MPa. Kun kulmatukimuuri perustetaan 0,5 m arinan välityksellä kalliolle, on lineaarisen pohjapaineen jännitysjakauman mukaisesti lasketun perustuksen nurkkajännityksen mitoitusarvon ilman erillistä selvitystä oltava 0,75 MPa (NCCI7).
62 Kantokestävyyden mitoitusarvo suljetuissa olosuhteissa Maanvaraisen perustuksen kantokestävyys lasketaan suljetun tilan kaavoilla, silloin kun pohjamaa on koheesiomaata. Kantokestävyyden mitoitusarvo voidaan laskea kaavasta: }.o"25 F ~ G p G G " C (29) jossa yksiköttömät kertoimet ovat: - perustuksen pohjan kaltevuudelle: 1/2s/.o"25 (30) - perustuksen muodolle (suorakaide): p G 1"0,2.y } w } 5 (31) p G 1,2 - perustuksen muodolle (neliö tai ympyrä): - vaakakuorman H aiheuttamalle kuorman kaltevuudelle: G 1/2 1" 1/ ƒ 4 F ~ (32) jolloin on oltava voimassa epäyhtälö H A c u
63 Kantokestävyyden mitoitusarvo avoimissa olosuhteissa Maanvaraiselle perustukselle avoimen tilan mitoituskaavoja käytetään silloin, kun maa on kitkamaata. Laskennassa käytetään maakerrosten tehokkaita ominaisuuksia. Kantokestävyyden mitoitusarvo voidaan laskea kaavasta: } F } G G p G G "C } p "0,5 4 y4 p jossa yksiköttömät kertoimet ovat: (33) - kantokestävyydelle: ˆ Š> Œ} tq².45 " } 25 (34) G / 1 Frt 4 (35) 2 / 1 tq 4, (36) missä maan rakenteen ja maan välinen kitkakulma δ φ /2 (karhea pohja) - perustuksen pohjan kaltevuudelle: G /.1/ 5/. G tq } 5 (37).1/ s tq } 5 Q (38) - perustuksen muodolle: p 1".y } w } 5 pq 4 suorakaiteelle (39) p 1"pq 4 neliölle tai ympyrälle (40) p 1/0,3.y } w } 5 suorakaiteelle (41) p 0,7 neliölle tai ympyrälle (42) p G.p / 15/. / 15 suorakaiteelle, neliölle tai ympyrälle (43)
64 64 - vaakakuorman H aiheuttamalle kuorman kaltevuudelle: G /.1/ 5/. G tq } 5 (44) 1/ƒ/.{" } F} Frt } 5 (45) 1/ƒ/.{" } F} Frt } 5 & (46) missä, x x 2".y } w } 5 / 1".y } w } 5 kun H vaikuttaa B :n suunnassa (47) x x 2".w } y } 5 / 1".w } y45 kun H vaikuttaa L :n suunnassa (48) Tapauksissa, joissa kuorman vaakakomponentti vaikuttaa sellaisessa suunnassa, että se muodostaa kulman θ perustuksen tehokkaan pituuden L :n suunnassa, voidaan m laskea kaavalla: x x x Frp Q š" x pq Q š (49)
65 Epäkeskisyys ja perustuksen tehokas ala Vaakakuorman aiheuttamalla epäkeskisyydellä on suuri merkitys anturan alapuolisen maan kantokestävyydelle. Vaakakuorman aiheuttama kuormituksen epäkeskisyys pienentää anturan tehokkaan pinta-alan dimensioita, jolloin se kantavan maapohjan pintaala, jonka on kestettävä yläpuoliset pystykuormat, pienenee myös. Perustuksen tehokkaaksi alaksi tarkoitetaan sitä pinta-alaa, joka muodostuu epäkeskisesti kuormitetun anturan kokonaisresultantin vaikutuspisteen suhteen symmetriseksi vaikutusalaksi. Kuorman epäkeskisyys perustuksen leveyden ja pituuden suunnassa lasketaan anturan alapintaan vaikuttavan momentin ja anturan pohjaa kohtisuoraan vaikuttavan pystykuorman suhteena. Suorakulmaisen perustuksen tehokkaiden dimensioiden laskenta on esitetty seuraavassa. Epäkeskisyys anturan pituuden L suunnassa: ˆ { sekä leveyden B suunnassa (50) ˆ { missä: e M V (51) on epäkeskisyys tarkastelusuunnassa on vaikutussuunnassa laskettu momentti perustuksen keskipisteen suhteen on perustukseen vaikuttava pystykuorma tai sen vaikutusresultantti
66 66 Anturan tehokkaiksi dimensioiksi saadaan siten: L = L 2 e L (52) ja B = B 2 e B (53) Kuvassa 13 on esitetty suorakulmaisen perustuksen tehokkaat mitat suhteessa perustuksen kokonaismittoihin. Kuva 13: Perustuksen tehokkaat dimensiot (RIL ) Perustuksen tehokas ala saadaan tehokkaiden dimensioiden L ja B tulona: A = L B (54)
67 Voimakkaasti epäkeskiset kuormat Mikäli perustukseen vaikuttavan kuormituksen epäkeskisyys on enemmän kuin B/3 suorakulmaisen perustuksen leveydestä ja yli 0,6 kertaa pyöreän perustuksen säteestä tulee eurokoodin mukaan ryhtyä erityisiin varotoimenpiteisiin. Tällaisia varotoimenpiteitä ovat mm: - kuormien mitoitusarvojen huolellinen uudelleen tarkastelu. - perustuksen reunan sijainnin suunnittelun rakentamistoleranssien suuruuden huomioon ottaminen (RIL ). Mikäli mitoitus tehdään mitoitustavalla DA2*, ei epäedullisimmalla pysyvien ja muuttuvien ominaiskuormien yhdistelmällä sallita suurempia epäkeskisyyksiä kuin 1/3 perustuksen leveydestä. Tämä ehto toteutuu, kun kuormitusresultantti sijaitsee kuvassa 14 esitetyn puristusellipsin sisäpuolella. Kun kuormitusresultantti sijaitsee kuvan 14 puristusellipsin viivalla, aiheuttaa se kolmiomallisen painekuvion yhteen suuntaan taivutetun perustuksen pohjalle, joka vaikuttaa perustuksen reunalta sen keskipisteeseen asti. Näin menetellessä maanvaraisessa perustamistavassa anturan kaatumisvarmuus täyttyy, kun anturan leveydestä vähintään puolet on puristuksella. Kuvan 14 ellipsin lauseke voidaan ilmaista kaavalla:.w /w5 Q ".y /y5 Q 1/9 (55) Mikäli kuormitusresultantti sijaitsee viivoitetun vinoneliön alalla, on koko perustuksen pohjan ala tällöin puristettu (RIL ).
68 Kuva 14: Suorakaideanturan tasopiirros. Epäkeskisyyden merkinnät (RIL ) 68
69 Liukumiskestävyys Standardin SFS-EN mukaan on tarkasteltava perustuksen pohjaa pitkin tapahtuva liukumurtuma, ellei kuormitus ole kohtisuorassa perustuksen pohjaa vasten. Seuraavan epäyhtälön tulee silloin olla voimassa: ƒ b " ; (56) missä: H d R d on vaakakuormien mitoitusarvo tai kokonaiskuormien komponentti, joka vaikuttaa perustuksen suunnassa on liukumiskestävyyden mitoitusarvo R p;d on perustuksen sivuun kohdistuva, liukumista vastustavan voiman mitoitusarvo Perustukseen kohdistuvan vaakakuorman mitoitusarvon H d tulee sisältää kaikkien aktiivisten voimien mitoitusarvot. Käytettäessä hyödyksi liukumista vastustavaa voimaa R p;d tulee ottaa huomioon, että rakenteen käyttöajan puitteissa vastustavan voiman aiheuttama maa voi hävitä eroosion tai ihmisen toiminnan seurauksena. Esimerkiksi mahdollinen kaivu perustuksen vieressä saattaa poistaa R p;d :n vaikutuksen, joten tämä jätetään Suomessa yleensä mitoituksesta pois (RIL ). Avoimissa olosuhteissa leikkauskestävyyden mitoitusarvo R d tulee laskea kohdistamalla osavarmuusluvut maapohjan kestävyyteen seuraavasti:.{4 tq 5/ ;N (57)
70 70 missä: R d on liukumiskestävyyden mitoitusarvo V d on perustuksen pohjaan kohtisuoraan vaikuttavan pystykuorman mitoitusarvo δ k γ R;h on maan ja perustuksen välisen kitkakulman ominaisarvo on liukumiskestävyyden osavarmuusluku Kulmatukimuurin liukumiskestävyyden kannalta usein mitoittavin kuormitustilanne muodostuu tilanteessa, jossa pohjalaatan takareunaan ajatellun virtuaalisen seinän takakana maanpinnalla vaikuttaa jokin ulkoinen kuorma, mikä aiheuttaa maanpainetta. Tilanteessa ulkoisen kuorman pystykomponentilla ei ole tukevaa vaikutusta liukumiskestävyydessä, kun taas ulkoisen kuorman aiheuttaman maanpaineen ajatellaan vaikuttavan virtuaalisen seinän kautta tukimuuriin. Tämä vastaa kuormitustilanteena kuormitustapausta V min ;H max. Kuvassa 15 on esitetty periaatetasolla tukimuurin liukumiskestävyyden kannalta ulkoisen kuorman aiheuttama vaarallisin tilanne. Kuva 15: Liukumisessa vaarallisin ulkoisen kuorman vaikutustilanne
71 Kaatuminen Erityisesti kalliovaraisilla tukimuureilla EQU rajatilan mukaisilla osavarmuusluvuilla ja kuormien yhdistekaavalla 6.10 tulee osoittaa, ettei tukimuuri kaadu kiertymispisteen ympäri. Kallionvaraisilla perustuksilla kaatumista tarkasteltaessa seuraava epäyhtälön tulee olla voimassa:,žšÿ,žš 1,0 (58) missä, M d,stb M d,dst on pystyssä pitävän momentin mitoitusarvo on kaatavan momentin mitoitusarvo Liikenneviraston ohjeen, sillan geotekninen suunnittelu, mukaan suoraan kallion varaan perustetun tukimuurin kaatumisvarmuutta tarkasteltaessa voidaan kaatavan momentin mitoitusarvoa murtorajatilassa laskettaessa käyttää kaataville voimille mallikerrointa 1,2. Kiertymispiste suoraan kallionvaraisella perustuksella voi olla perustuksen etureunassa, mutta alle 500 mm:n arinan varaan kalliolle sekä maan varaan perustettaessa Liikenneviraston Eurokoodien soveltamisohjeen NCCI 7 mukaan kaatumiskiertopisteeksi lasketaan perustuksen reunalla olevan 0,8 MPa:n pohjapaineen mukaisen tehollisen pohjapinnan keskipiste. Kuvassa 16 on esitetty periaatekuva suoraan kallion varaan perustetun kulmatukimuurin kaatumiskiertopisteestä ja kuvassa 17 arinan varaan kalliolle perustetun 0,8 MPa:n mukaisen tehollisen pohjapinnan mukaisesta kaatumikiertopisteestä. Kaatumistarkastelua ei yleensä tehdä maanvaraisilla perustuksilla, vaan kaatumisvarmuus hoidetaan rajoittamalla kuormien epäkeskisyys pienemmäksi kuin B/3.
72 72 Kuva 16: Kaatumispiste perustuksen etureunassa Kuva 17: Kaatumispiste 0,8 MPa tehollisen pohjapinnan keskipisteessä
73 Stabiliteetti, MRT Standardin SFS-EN mukaan on kokonaisvakavuus perustuksen kanssa tai ilman on tarkistettava seuraavissa tilanteissa: - lähellä luonnollista luiskaa tai rakennettua luiskaa tai kaivantoa - lähellä kaivantoa tai tukiseinää - lähellä jokea, kanavaa, järveä, tekojärveä tai merenrantaa - lähellä kaivostyömaata tai maanalaisia rakenteita Stabiliteettilaskenta on rajattu tästä opinnäytetyöstä pois Käyttörajatilamitoitus Painuma Kulmatukimuurin mitoituksessa oleellisin käyttörajatilan mitoitus on perustuksen painumamitoitus. Painumista tapahtuu silloin, kun perustuksen alapuoliset maakerrokset puristuvat kuormituksen alla kasaan. Painumamitoituksella selvitetään onko perustus mahdollista toteuttaa anturalla tai laatalla vai onko käytettävä jotain pohjanvahvistusmenetelmiä. Kantokestävyysmitoituksen ohella painumamitoitus monesti määrää maanvaraisen perustuksen dimensiot. Painumiseen vaikuttaa oleellisesti perustuksen alapuolisten maakerrosten ominaisuudet. Standardin SFS-EN pehmeille saville perustettaessa tulee aina tehdä painumalaskelmat. Painumalaskelmien tulee sisältää välitön painuma ja hitaasti tapahtuva painuma (SFS-EN s.60). Kokonaan tai osittain vedellä kyllästyneessä maassa kokonaispainuma s muodostuu kolmesta eri painumakomponentista, jotka standardin SFS-EN mukaan ovat: s 0 : välitön painuma, eli alkupainuma s 1 : konsolidaatiopainuma s 2 : viruman aiheuttaman painuma
74 74 Kokonaispainuma on silloin s = s 0 + s 1 + s 2 (59) Painumien arviointiin käytetään yleisesti tunnettuja menetelmiä. Standardin SFS-EN liitteessä F on esitetty esimerkkimenetelmä painumakomponenttien s 0 ja s 1 arviointiin. Tästä opinnäytetyöstä on painumien laskeminen rajattu pois Stabiliteetti, KRT Stabiliteettimitoitus on tehtävä myös käyttörajatilassa. Jos tukimuurin vaikutusalueella on sellaisia rakenteita tai rakennuksia, jotka ovat alttiita siirtymille, määritetään tukimuurin muodonmuutokset käyttörajatilassa ja niistä johtuvat siirtymät. Käyttörajatilamitoituksessa siirtymät pyritään minimoimaan. Tästä opinnäytetyöstä on käyttörajatilan stabiliteettilaskennat rajattu pois.
75 75 11 KULMATUKIMUURIN GEOTEKNINEN LASKENTAPOHJA Tämän opinnäytetyön varsinaisena tehtävänä oli laatia kulmatukimuurin geoteknistä mitoitusta varten laskentapohja, jonka avulla voidaan mitoittaa kulmatukimuurin geotekninen kestävyys Eurokoodin mukaisesti. Laskentapohja on toteutettu Excellaskentapohjana. Laskentapohjassa STR/GEO rajatilassa voidaan mitoittaa kulmatukimuurin perustuksen vaadittava leveys kantokestävyyden suhteen tai liukumiskestävyyden suhteen. EQU rajatilassa voidaan tarkastella kulmatukimuurin kaatumisvarmuutta, kun tukimuurin on perustettu kallionvaraisesti. Laskentapohjassa ulkoisten kuormien, esim. liikennekuormien, aiheuttamat maanpaineet on mallinnettu kappaleessa 9 esitettyjen piste- viiva- ja nauhakuorman laskentakaavojen mukaisesti. Laskentapohjassa tukimuurille voidaan valita keskimääräiset rakennepaksuudet, tukimuurin dimensiot, perustamistaso ja perustamisolosuhteet, käytettävät maaparametrit, ulkoiset kuormat, määräävä muuttuva kuorma, laskentamenetelmä ja käytettävät osavarmuusluvut. Tukimuurin rakenneteknistä mitoitusta varten ratkaistaan maksimi taivutusmomentin ja leikkausvoiman arvo pystymuurin juuressa. Lisäksi ratkaistaan pohjalaatan ja pystymuurin osalta taivutusmomenttikuviot murto- ja käyttörajatilan kuormitusyhdistelmillä ja leikkausvoimakuvio vain murtorajatilan kuormitusyhdistelmillä Laskentaesimerkit Liitteissä 1 ja 2 on esitetty laskentapohjasta saatavat mitoitustulokset 2:sta eri kulmatukimuurin mitoitustapauksesta. Laskentaesimerkissä 1 tukimuuri on perustettu maanvaraisesti ja esimerkissä 2 arinan välityksellä kalliolle. Molemmissa esimerkeissä tukimuurin korkeutena on käytetty 6 m:ä. Rakenteen keskimääräisenä paksuutena on käytetty pystymuurissa 500 mm:ä ja pohjalaatassa 700 mm:ä. Molemmissa tapauksissa pohjalaatassa on käytetty etulaipan pituutena 0,5m:ä.
76 76 Molemmissa esimerkkitapauksissa täyttömaan tilavuuspainolle ja leikkauskestävyyskulmalle on käytetty samoja arvoja. Perustuksen alapuolisen maan parametrit poikkeavat toisistaan, sillä maanvaraisessa perustustapauksessa maan oletetaan olevan moreenia ja arinan välityksellä kalliolle perustetun muurin arinan oletetaan olevan kalliomursketta. Maanvaraisesti perustetussa tukimuurissa muuttuvana kuormana on tasainen, laajaalainen pintakuorma 20 kn/m 2 ja kallionvaraisessa tapauksessa muuttuvana kuormana on liikennekuorma LM1. LM1 liikennekuormakaavion akselikuormat on mallinnettu kappaleessa 9.1 esitetyllä tavalla ja tasainen kuorma kappaleen 9.3 mukaisesti. Tukimuurissa, johon vaikuttaa liikennekuorma LM1, on kuormien kokonaislaskentamatkana muurin suunnassa käytetty kuvitteellista 10 m:n liikuntasaumaväliä. Tiivistyspaineen arvona on käytetty 16 kpa. Kallionvaraisessa laskentaesimerkissä on tarkasteltu myös EQU rajatilan kaatuminen, vaikka se ei olisikaan määräävä rajatila. EQU rajatilan tulokset ovat listattu tulossivulle. Liukumistarkastelussa pohjalaatan edessä olevan maan edullista vaikutusta ei ole otettu huomioon, sillä perustamissyvyytenä on käytetty 0,0 m:ä. Liukumistarkastelussa kriittisentilan leikkauskestävyyskulmana on käytetty samaa arvoa kuin maan leikkauskestävyyskulman arvona on käytetty. Seuraamusluokka on molemmissa esimerkkitapauksissa sama, keskisuuri, jolloin kuormakerroin K FI on 1. Laskentamenetelmänä on käytetty DA2* ja Liikenne- ja viestintäministeriön mukaisia osavarmuuslukuja. Molemmissa tapauksissa on tarkasteltu kuormitustilanteet 6.10a V min,h max, 6.10a V mxa,h max, 6.10b V min,h max, 6.10b V max,h max, mutta tulossivulla on listattuna vain määräävän kuormitustilanteen arvot. Laskentaesimerkeissä 1 pohjalaatan leveyttä B on iteroitu niin, että tukimuurin pohjalaatan kantokestävyys on riittävä, perustuksen pohjaa pitkin tapahtuvaa liukumismurtumista ei tapahdu. Laskentaesimerkissä 2 pohjalaatan riittävä leveys B on iteroitu niin, että kaatumista ja liukumista ei tapahdu, mutta kantokestävyyden ei tarvitse olla riittävä.
77 77 12 POHDINTA Kulmatukimuurin geoteknisen mitoituksen ongelmallisuus on monesti siinä, että geotekninen suunnittelija joutuu mitoitustilanteeseen, jossa lähtöarvot maasta tai rakenteesta ovat puutteelliset, rajalliset tai ne puuttuvat kokonaan. Kulmatukimuurin mitoituksessa esimerkiksi rakenteen dimensiot joudutaan alussa vain arvaamaan ja perustamaan mittatiedot kokemusperäisiin arvoihin. Kulmatukimuurin geoteknisessä mitoituksessa ongelmallista on myös se, että geotekniikassa mitoitus perustuu vaikutukseen, ja vaikutusta ei ole ilman aiheuttajaa, mutta aiheuttajasta ei aina ole täyttä varmuutta tai se voi ajan kuluessa muuttua merkittävästi. Geoteknisessä mitoituksessa suuri merkitys on maaparametrien oikeellisuudella. Erityisesti erittäin epäkeskisissä kuormituksissa, joissa perustuksen tehokkaat mitat muodostuvat lähelle pienintä mahdollista, on erittäin suuri merkitys sillä, että parametrit vastaavat mahdollisimman hyvin käyttökelpoisia ja todellisia arvoja. Liian optimistisilla parametriarvoilla voidaan saada vaarallisen pieniä anturakokoja ja vastaavasti liian varovaisilla parametriarvoilla perustuksen koot voivat kasvaa suhteettoman suuriksi. Parametrien oikeellisuudella on merkitystä myös kulmatukimuurin kaatumistarkastelun kannalta, sillä erittäin tiiviillä ja kantavalla pohjamaalla saattaa mitoittavaksi rajatilaksi tulla EQU rajatilan kaatuminen. Eurokoodin myötä on myös geotekninen suunnittelu muuttumassa ja selkeää ohjeistusta ja yhdenmukaistamista tarvitaan. Erityisesti tulisi panostaa siihen, että standardin, kansallisten liitteiden ja erilaisten soveltamisohjeiden välillä ei olisi ristiriitaisuutta. Suunnittelijan vastuu korostuu väärällä tavalla, jos suunnittelijan harteille jää valinta ristiriitatilanteessa. Rakentamisen aikaisen laadunvarmistuksen ja valvonnan tärkeys korostuu Eurokoodien myötä, sillä suunnittelustandardien muutoksen myötä myös työvirheiden vara muuttuu.
78 Ulkoisten kuormien mallintamiseen liittyviä ongelmia Tämän opinnäytetyön yhtenä osa-alueena oli perehtyä erilaisten ulkoisten kuormien aiheuttamien maanpaineiden mallintamiseen. Yleinen ongelma on, että esimerkiksi pistemäisten ja alueellisten pintakuormien aiheuttaman maanpaineen mallintamiseen ei ole yleisesti hyväksyttyä tapaa. Tämän tyyppiset kuormat ovat kuitenkin hyvin usein osallisina mitoitustilanteissa. Yleisesti käytössä oleva menetelmä on muuttaa esimerkiksi pistemäiset kuormat vastaamaan tietyn suuruista tasaista, laaja-alaista pintakuormaa. Tämän ratkaisutavan heikkous on siinä, että ei ole varsinaista tieteellistä perustaa määritettäessä tasaisen pintakuorman suuruutta suhteessa todelliseen kuormaan. Tämä suhde joudutaan vain arvioimaan tai määrittämään kokemusperäisesti. Tässä opinnäytetyössä esitetyt mallit pistemäisten, viiva- ja nauhakuormien aiheuttaman maanpaineen mallintamiseen ovat hyvin yleisesti käytössä amerikkalaisissa suunnitteluoppaissa. Ne perustuvat Boussinesq:n teoriaan kuorman jakautumisesta homogeenisessa, isotrooppisessa, kimmoisessa puoliavaruudessa. Ruotsalaisissa ja Suomalaisissa geoteknissä oppaissa, esimerkiksi RIL , Pohjarakennusohjeet sekä RIL , Rakennuskaivanto-ohje, on esitetty samat viivakuorman ja keskitetyn kuorman aiheuttaman maanpaineen likimääräiset laskentakaavat, jotka perustuvat kimmoteoriaan. Pohjarakennusohjeen mukainen keskitetyn kuorman aiheuttaman maanpaineen laskentakaava saattaa olla varmalla puolella verrattuna Boussinesq:n kaavoihin (Hjulgren 1988). Boussineq:n teoriaan perustuvat piste- viiva- ja nauhakuorman maanpainekaavat eivät sovellu täysin kaikkiin tilanteisiin. Ongelmallinen tilanne syntyy esimerkiksi silloin, kun pistekuorma sijoitetaan tukimuurin takana olevalle penkereelle siten, että se maanpinnan taso, jolla pistekuorma vaikuttaa, on korkeammalla kuin pystymuurin yläpinta. Ulkoisten kuormien aiheuttaman maanpaineen laskentakaavat olettavat, että kuorman vaikutustaso on sama kuin tukirakenteen yläpinta, jolloin pengertapauksessa vaakapaine kohdistuu liian ylös.
79 79 Kulmatukimuurin liukumisvarmuuden laskemiseen muuttuvilla vaakakuormilla on huomattava merkitys, sillä liukumisvarmuutta laskettaessa vaakakuormien ajatellaan vaikuttavan kulmatukimuurin pohjalaatan takareuna kohdalla kulkevan virtuaalisen seinän kautta jäykkään kulmatukimuuriblokkiin, joka sisältää pohjalaatan päällä olevan maa-aineksen. Tämä tilanne luodaan mitoitustilanteella V min ;H max, jossa kaikki vaakakuormat ovat mukana, mutta pystykuormista vain pysyvät kuormat. Tämä aiheuttaa erityisesti matalilla tukimuureilla tilanteen, jossa liukumista vastustavan pysyvän pystykuorman osuus suhteessa epäedullisiin vaakakuormiin voi olla erityisen pieni, jolloin pohjalaatan kokoa joudutaan kasvattamaan suhteettoman paljon. Tätä ongelmallisuutta voitaisiin kompensoida sillä, että ulkoisten kuormien aiheuttaman vaakasuuntaisen maanpaineen ei ajateltaisi kohdistuvan virtuaaliseen seinään, vaan sallittaisiin kuorman jakautumista myös vaakasuunnassa, jolloin kuorman todellisella etäisyydellä pystymuurista olisi merkitystä liukumistarkastelussa. Myös erityisesti liikennekuorman alaisten tukimuurien liukumistarkastelussa tulkinta LM1:n akselikuormien tukevasta vaikutuksesta pohjalaatan päällä huojentaisi vaakakuormien ja pysyvien pystykuormien suhdetta. Tässä opinnäytetyössä pääpaino ulkoisten kuormien mallintamisessa kohdistui liikennekuorman kuormakaavion LM1:n mallintamiseen. Liikenneviraston soveltamisohjeissa velvoitetaan liikennekuorman alaisten tukirakenteiden mitoituksessa tarkastelemaan rakenteen mitoituksen kannalta LM1:n akselikuormien tai 20 KPa:n tasaisen pintakuorman määräävyys. Eurokoodin liikennekuormakaavio LM1 on alun perin luotu siltojen pääkannattimien rakennemitoitusta varten, eikä LM1 kuormakaavio pyri kuvaamaan todellista ajoneuvoa. LM1:n tarkoituksena on mallintaa sillalla ajavien raskaiden ajoneuvojen staattista ja dynaamista kuormavaikutusta sillan pääkannattimiin. Tämän opinnäytetyön myötä on tullut esille lisäselvitystarve sille, onko LM1 kuormakaavio soveltuva liikennekuorman alaisten tukirakenteiden mitoituskuormana. Liitteissä 3 6 on esitetty vertailulaskelmien tuloksia maan- ja kallionvaraisen tukimuurin pohjalaatan tarvittavasta minimikoosta ja määräävästä rajatilasta. Vertailulaskelmissa liikennekuormakaavion LM1 akselikuormien aiheuttama maanpaine on mallinnettu kappaleessa 9.1 esitetyllä tavalla ja tasainen kuorman aiheuttama maanpaine kappaleessa 9.3 esitetyllä tavalla.
80 80 Lisäksi laskelmia varten akselikuormat on korvattu aluekuormilla, jotka on esitetty Liikenneviraston soveltamisohjeessa NCCI7. Tässä tapauksessa liikennekuormasta aiheutuva maanpaine on mallinnettu kappaleessa 9.3 esitetyllä tavalla. Kuormien kokonaislaskentamatkana on käytetty kuvitteellista liikuntasaumajaksoa, joka on ollut 10 metriä kun LM1:n akselikuormat on mallinnettu pistekuormina sekä 10 m:ä ja 20 m:ä kun LM1 kuormakaavio on korvattu rajallisilla aluekuormilla. Näiden eri LM1:n kuormitusmallien arvoja on verrattu 20 KPa tasaisen, laaja-alaisen pintakuorman vaikutukseen pohjalaatan leveydessä. Laskelmista havaitaan selvästi, että kun kuormien tarkastelumatka muurin suunnassa kasvaa on LM1:n akselikuormien vaikutus lähes sama kuin tasaisella 20 KPa:n pintakuormalla. Muurin korkeuden pienentyessä ja muurin suunnassa tarkastelumatkan lyhentyessä on pistekuormilla suurempi vaikutus geoteknisessä mitoituksessa. Kuten aiemmin todettiin, ettei LM1 pyri kuvaamaan todellista ajoneuvoa, on kuitenkin pistekuormilla mitoitettaessa otettava huomioon rakenteen kyky jakaa kuormaa, sillä liian lyhyellä kokonaiskuormien tarkastelumatkalla tukimuurin pituussuunnassa rakenne tulee helposti ylimitoitettua Rakennetekninen mitoitus Kulmatukimuurin mitoitus ei ole pelkästään geoteknistä mitoittamista, vaan oleellisesti siihen kuuluu myös rakenteellinen mitoitus. Mitoituspohjan rakenneteknistä mitoitusta tukevasta osiosta saadaan teräsbetonin poikkileikkausmitoitusta varten momentti ja leikkausvoimakuviot pystymuurin ja pohjalaatan osalta. Geoteknisen ja rakenneteknisen mitoituksen yhdistäminen on monella tapaa haastava tehtävä. Rajatila, joka on mitoittava geoteknisesti, ei välttämättä ole rakenneteknisesti mitoittava rajatila. Tästä syystä laskettavien tilanteiden määrä kasvaa. Myös mitoitustapa vaikuttaa geo- ja rakenneteknisen mitoituksen yhdistämiseen. Suomessa mitoitettaessa kantokestävyyttä ja liukumisvarmuutta suositellaan käytettäväksi mitoitustapaa DA2*, kun rakenneteknisessä mitoituksessa suositellaan käytettäväksi mitoitustapaa DA2. Esimerkiksi epäkeskisyys on molemmissa mitoitustavoissa erisuuruinen, jolloin laskelmia ei voi yhdistää tältä osin suoraan.
81 81 Vaikka sillansuunnittelija joutuu monesti ratkaisemaan sillan perustusten osalta geoteknisiä mitoitusongelmia, on vaativimmissa perustamisolosuhteissa kuitenkin syytä käyttää geotekniikkaan erikoistuneita osaajia. Tästä syystä sellaisten mitoitusohjelmien käytössä, jotka mitoittavat molemmat, sekä rakenne- ja geoteknisen osuuden, on käytettävä erityistä huolellisuutta Jatkotoimenpiteitä Tässä opinnäytetyössä syntyneen mitoituspohjan ei ollut tarkoitus pitää sisällään kaikkia mahdollisia mitoitustilanteita, kattaa kaikkia mahdollisia kuormia tai niiden aiheuttajia eikä mahdollistaa kulmatukimuurin geometriselle muodolle suuria variaatiomahdollisuuksia. Jatkotoimenpiteinä mitoituspohjaan voisi olla useamman maakerroksen mahdollisuus taustatäytölle, pohjaveden pinnan salliminen perustustason yläpuolelle, nostemitoitus ja monipuolisemman muurin geometrisen muodon antaminen. Lisäksi tämän työn aikana ilmeni, että erityisesti sellaisten tukirakenteiden suunnittelun osalta, joihin kohdistuu liikennekuorman aiheuttamia maanpaineita, tulisi nykyisten liikennekuormakaavioiden soveltuvuus tutkia tarkemmin sekä selvittää kuinka hyvin pohjarakennusohjeen mukainen keskitetyn kuorman maanpainekaava toimisi mallinnettaessa LM1:n akselikuormia todellisia rakenteita mitoitettaessa. Lisäksi tulisi tutkia tarkemmin miten tässä opinnäytetyössä esitetyt keskitettyjen kuormien maanpainekaavat toimivat verrattuna rakennuskaivanto-ohjeen mukaisiin keskitetyn kuorman maanpainekaavoihin sekä miten tulkinta LM1 akselikuormien tukevasta vaikutuksesta pohjalaatan päällä kulmatukimuurin liukumistarkastelussa vaikuttaa todellisten rakenteiden dimensioihin.
82 82 LÄHTEET Andrew Bond & Andrew Harris Decoding Eurocode 7, Taylor & Francis, London. 616 s. Department of the Army Retaining and Flood Walls, Engineering and Design. U.S. Army Corps of Engineers, Washington D.C. 449 s. Tulostettu Department of the Navy Soil Mechanics, NAVFAC DM Naval Facilities Engineering Command, Washington, D.C. 348 s. Tulostettu Department of the Navy Foundations & Earth Structures, NAVFAC DM Naval Facilities Engineering Command, Washington, D.C. 244 s. Tulostettu Division of Structure Construction Trenching and Shorin Manual. Department of Transportation, State of California. 475 s. Tulostettu Geotechnical Control Office Guide to Retaining Wall Design, Geoguide 1, Engineering Development Department, Hong Kong. 255 s. Tulostettu Hjulgren J Keskitettyjen ja dynaamisten kuormitusten vaikutus maanpaineisiin. Tampereen teknillinen korkeakoulu, Diplomityö. 140 s. + liit. 15 s. Liikennevirasto Eurokoodin soveltamisohje. Siltojen kuormat ja suunnitteluperusteet NCCI 1. Liikenneviraston ohjeita 20/ s. + liit. 20 s. Liikennevirasto Eurokoodin soveltamisohje. Geotekninen suunnittelu NCCI 7. Liikenneviraston ohjeita 12/ s. + liitteet. Liikennevirasto Sillan geotekninen suunnittelu. Sillat ja muut taitorakenteet. Liikenneviraston ohjeita 11/ s. + liitteet. Liikenne- ja Viestintäministeriö Kansallinen liite (LVM) standardiin SFS-EN Eurokoodi 7: Geotekninen suunnittelu, Yleiset säännöt: Soveltaminen infrarakenteisiin. 14 s. RIL 121 Pohjarakennusohjeet Suomen Rakennusinsinöörien Liitto RIL r.y., 124 s. + liitt. 13 s. RIL 181 Rakennuskaivanto-ohje Suomen Rakennusinsinöörien Liitto RIL r.y., Vammala, 120 s. RIL 207 Geotekninen suunnittelu Suomen Rakennusinsinöörien Liitto RIL r.y., 244 s. SFS-EN 1990 Eurocode. Rakenteiden suunnitteluperusteet. Suomen Standardisoimisliitto SFS, Helsinki s. + liit. 59 s.
83 83 SFS-EN Eurocode 1: Rakenteiden kuormat. Osa 1-1: Yleiset kuormat, tilavuuspainot, oma paino ja rakennusten hyötykuormat. Suomen Standardisoimisliitto SFS, Helsinki s. SFS-EN Eurokoodi 7: Geotekninen suunnittelu. Osa 1: Yleiset säännöt. Suomen Standardisoimisliitto SFS, Helsinki s. + liit. 37 s. Terzaghi, K Theoretical Soil Mechanics. John Wiley and Sons, Inc., New York. 510 s. U.S Steel Steel Sheet Piling Design Manual. United States Steel Corporation. 132 s. Tulostettu Ympäristöministeriö Ympäristöministeriön asetus Eurokoodi standardien soveltamisesta talonrakentamisessa. Eurokoodien Suomen kansallinen liite (NA). Helsinki, 102 s.
84 84 LIITTEET Liite 1. Maanvaraisen kulmatukimuurin mitoitustulosesimerkki (jatkuu)
85 85 Liite 1: 2(3) (jatkuu)
86 Liite 1: 3(3) 86
Aalto Yliopisto Insinööritieteiden korkeakoulu Yhdyskunta- ja ympäristötekniikan laitos Georakentaminen Mirja Ruotsala Ratojen tukiseinien mitoittaminen Eurokoodilla Pohjarakennuksen ja maamekaniikan syventymiskohteen