Source: http://docplayer.fi/50942008-Eurokoodin-soveltaminen-terasbetonisen-lyontipaaluperustuksen.html
Timestamp: 2019-12-15 16:31:58+00:00
Document Index: 20810482

Matched Legal Cases: ['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 ']

Eurokoodin soveltaminen teräsbetonisen lyöntipaaluperustuksen - PDF Free Download
Download "Eurokoodin soveltaminen teräsbetonisen lyöntipaaluperustuksen"
1 Aleksei Motin Eurokoodin soveltaminen teräsbetonisen lyöntipaaluperustuksen suunnittelussa ja mitoittamisessa Metropolia Ammattikorkeakoulu Insinööri (AMK) Rakennetekniikka Insinöörityö
2 Tiivistelmä Tekijä(t) Otsikko Sivumäärä Aika Aleksei Motin Eurokoodin soveltaminen teräsbetonisen lyöntipaaluperustuksen suunnittelussa ja mitoittamisessa 48 sivua + 3 liitettä Tutkinto Insinööri (AMK) Koulutusohjelma Rakennustekniikka Suuntautumisvaihtoehto Ohjaaja(t) Rakennetekniikka Ryhmäpäällikkö Aleksi Pöyhönen Ryhmäpäällikkö Esko Jussila Laboratorioinsinööri Matti Leppä Tämä insinöörityö tehtiin Pöyry Finland Oy:lle lyöntipaalutusohjeisiin liittyen. Paalutettujen perustusten suunnittelussa on siirrytty eurokoodin käyttöön. Tuttu ja paljon käytetty Lyöntipaalutusohje LPO-2005 on korvattu käsikirjalla RIL Paalutusohje Nämä eroavat esitystavaltaan ja periaatteiltaan toisistaan selvästi ja uuden normin soveltaminen käytäntöön ei välttämättä ole yksiselitteistä ja selkeää. Insinöörityön tarkoituksena oli selvittää kirjallisuustutkimuksena eurokoodin mukaisen lyöntipaalutetun perustuksen suunnitteluprosessin eri vaihtoehdot ja valinnat käytännön kannalta ja luoda tältä pohjalta suunnitteluohje tavanomaisen kohteen suunnittelun apuvälineeksi ja menettelytavaksi. Insinöörityön tutkimusaineistona käytettiin eurokoodin normeja, lyöntipaalutusohjeita, suunnitteluohjeita ja pohjarakennusalan oppikirjallisuutta. Insinöörityön lopputuloksena saatiin opas lyöntipaaluperustuksen suunnittelussa ja mitoittamisessa huomioon otettavista asioista ja niiden vaikutuksista. Avainsanat Eurokoodi, lyöntipaalutus, teräsbetonipaalu, tukipaalu
3 Abstract Author(s) Title Number of Pages Date Aleksei Motin Application of Eurocode in the Design and Dimensioning of Reinforced Concrete Piled Foundations 48 pages + 3 appendices 26 November 2015 Degree Bachelor of Engineering Degree Programme Civil Engineering Specialisation option Instructor(s) Structural Engineering Aleksei Pöyhönen, Section Manager Esko Jussila, Section Manager Matti Leppä, Laboratory Engineer This Bachelor s thesis was commissioned by Pöyry Finland Oy. The objective was to examine the application of Eurocodes in the design and dimensioning of reinforced concrete piled foundations. Recently Eurocodes have been taken into use in the design of piled foundations. The well-known and widely used "Pile driving manual LPO-2005" has been replaced with "RIL Pile driving manual 2011". These manuals differ from each other in the manner of presentation and in their principles, and therefore the implementation of this new standard in practice is not necessarily straightforward and clear. The purpose of this thesis was to discover by means of literature different options and choices for practical purposes in the design process of piled foundations in accordance with Eurocodes, and to create a design instruction as a tool and procedure for the conventional design. The following topic-related literature has been used as research material. Eurocode standards, pile-driving instructions, design instructions and study books in foundation engineering. As the result of this thesis, a manual has been created for the driven pile foundation design as well as for the issues and their implications to be taken into consideration during dimensioning. Keywords Eurocode, impact pile driving, reinforced concrete pile, bearing pile
4 Sisällys Lyhenteet 1 Johdanto Eurokoodeihin siirtyminen 2 2 Suunnittelujärjestelmä Eurokoodi Geotekniset luokat Geotekninen luokka GL1 (helpot kohteet) Geotekninen luokka GL2 (vaativat kohteet) Geotekninen luokka GL3 (erittäin vaativat kohteet) Geoteknisen luokan valinta Seuraamusluokat Paalutustyöluokka Suunnitteluprosessin kulku Murto- ja käyttörajatilat Murtorajatilat Käyttörajatilat Kuormat ja kuormien vaikutukset Mitoitustavat Mitoitustapa DA2 ja DA2* Kestävyyden mitoitusarvot 17 3 Paalun geotekninen mitoitus Eurokoodi 7:n mukaan Yleistä paalusta Yleistä paalun kantavuudesta Tukipaalun kantavuus Paalun nurjahdus Paalun geotekninen kantavuuden mitoitusmenettelyt Paalun geotekninen kantavuus staattisten koekuormitusten perusteella Paalun geotekninen kantavuus pohjatutkimustulosten perusteella Paalun geotekninen kantavuus paalutuskaavojen perusteella Paalun geotekninen kantavuus dynaamisten koekuormitusten perusteella Mitoitusmenettelyn valinta 30
5 4 Lyöntipaalun rakenteellinen mitoitus 31 5 Paalujen sijoitus Lyöntipaalujen sallitut sijaintipoikkeamat Paalujen väliset etäisyydet Paalutuksen toteutumapiirustus 36 6 Esimerkkitapaus Geoteknisen kantavuuden laskenta 37 7 LPO-2005 ja PO-2011 vertailu 43 8 Yhteenveto 46 Lähteet 48 Liitteet Liite 1. Mitoitusprosessin luku mitoitusmenetelmillä DA2 ja DA2*. Liite 2. Laskentakaavio: Paalun puristuskestävyys pohjatutkimustulosten perusteella. Liite 3. Dynaamisen koekuormituksen kulku.
6 Lyhenteet EN Eurooppalaisen standardisointijärjestön laatima standardi.
7 1 1 Johdanto Tämä insinöörityö tehdään Pöyry Finland Oy:lle. Työn tarkoituksena on selvittää eurokoodin mukaisen lyöntipaalutetun perustuksen suunnitteluprosessin eri vaihtoehdot. Paalutettujen perustusten suunnittelussa on siirrytty eurokoodin käyttöön. Aiemmin käytetty Lyöntipaalutusohje LPO-2005 on korvattu käsikirjalla RIL Paalutusohje Nämä eroavat esitystavaltaan ja periaatteiltaan toisistaan selvästi ja uuden normin soveltaminen käytäntöön ei välttämättä ole yksiselitteistä ja selkeää. Insinöörityön tarkoituksena on tehdä laaja-alainen ja kattava kartoitus lyöntipaaluperustuksen suunnittelussa huomioon otettavista asioista ja niiden vaikutuksista ratkaisuihin. Tässä insinöörityössä keskitytään vain teräsbetonisen tukipaalun geoteknisen kantavuuden mitoittamiseen. Työssä selvitetään, mitkä asiat on otettava huomioon tukipaalun mitoittamisessa. Insinöörityössä koottua eurokoodin normistoon perustuvaa teoriaa syvennetään esimerkkilaskelmilla, jotka helpottavat asian ymmärtämistä. Työssä vertaillaan, mitkä asiat ovat muuttuneet LPO-2005 ja RIL Paalutusohje 2011 välillä.
8 2 1.1 Eurokoodeihin siirtyminen Kirjan Lyöntipaalutusohje LPO-2005 geotekninen mitoitus perustui Suomen rakennusmääräyskokoelman osan B3 Pohjarakenteet määräyksiin (kokonaisvarmuuslukumenetelmään). Kirjan RIL Paalutusohje 2011 eurokoodien mukainen mitoitus perustuu osavarmuuslukumenetelmään. Paalutusohjeen 2011 periaatteelliset asiat ovat Eri paalutyyppien geotekniset ja rakenteelliset mitoitusperiaatteet ovat samat paalumateriaalista riippumatta Paalun geotekninen ja rakenteellinen mitoitus tehdään eurooppalaisten standardien mukaisesti. Lyöntipaalutusohjeen LPO-2005 mukaisesti oli mahdollista suunnitella asti. Paalutusohjeen 2011 mukaisia suunniteltuja normaalipaaluja on aloitettu valmistaa vuoden 2012 alusta.
9 3 2 Suunnittelujärjestelmä 2.1 Eurokoodi Eurokoodi koostuu standardeista, jotka sisältävät paalujen rakenteellisen ja geoteknisen mitoituksen. Teoria perustuu paalun murto- ja käyttörajatilaan mitoitukseen. Mitoituksessa käytetään osavarmuuslukumenetelmää. Suunnittelun menetelmän periaatteet on esitetty standardissa SFS-EN 1990 Rakenteiden suunnitteluperusteet. [1 s.31.] Eurokoodi sisältää viittauksen A-liitteeseen. Liitteessä A on esitetty osavarmuusluvut ja korrelaatiokertoimet. Liitteen luvut ja kertoimet ovat luonteeltaan velvoittavia. Kunkin eurokoodivaltion ympäristöministeriö tai liikenne- ja viestintäministeriö laati kansallisen liitteen, jossa luvut ja kertoimet ottavat huomioon kansallisen toimintatavan. Kansallisliitteen luvut ja kertoimet ovat luonteeltaan suosituksia. [1 s. 31.] Eurokoodin standardit SFS-EN 1990 Rakenteiden suunnitteluperusteet ja SFS-EN 1991 Rakenteiden kuormat määräävät paaluille aiheutuvat kuormitukset, kuormitusyhdistelyt ja kuormien osavarmuusluvut. Standardissa SFS-EN Geotekninen suunnittelu määritetään geotekniset kuormat paaluille. [1 s. 31.] Paalun geotekninen mitoitus perustuu osavarmuuslukumenetelmään, jossa mitoitus tehdään sekä murto- että käyttörajatilassa [1 s. 32]. 2.2 Geotekniset luokat Geotekninen suunnitteluvaatimukset on jaettu kolmeen geoteknisen luokkaan. GL1 (helpot kohteet), GL2 (vaativat kohteet) ja GL3 (erittäin vaativat kohteet). Geoteknisen luokan määrittelyyn vaikuttavat rakenteen vaativuus, maapohjan ominaisuudet, rakenteen kuormitus ja rakenteen riskitaso. [5 s. 30.] Geoteknistä luokkaa käytetään hyväksi määritettäessä pohjatutkimusten laajuutta, paalutustyöluokkaa ja paalulle asetettavia vaatimuksia. [1 s. 36.] Geotekninen luokka on tarkistettava kaikissa suunnittelun ja rakentamisen vaiheissa. Yksikertaiset rakenteet kuuluvat geotekniseen luokkaan GL1. Suurin osa rakenteista
10 4 kuuluu geoteknisen luokkaan GL2. Erittäin epätavalliset ja suuret rakenteet kuuluvat geotekniseen luokkaan GL3. [1 s. 36.] Geotekninen luokka GL1 (helpot kohteet) Rakenne kuuluu geotekniseen luokaan GL1 jos kaikki seuraavat asiat toteutuvat kohteessa: Rakennuskohde on yksinkertainen. Maapohjan olosuhteet ovat kitkamaa tai kallio. Riskiä vakavuuden menettämiseen ei ole. Rakenteelle ei synny siirtymiä eikä painumia. Rakennuskohteen kaivut eivät ulotu vedenpinnan alapuolelle. [7 s. 16.] Geoteknisessä suunnitelmaraportissa esitetään selvitys rakennuspaikan pohjasuhteista. Geoteknisessä luokassa GL1 suoritetaan asiantuntijan maastokatselmus, josta selviää rakennuskohteen pohjasuhteet. Ennakkoon suoritettua maastokatselmusta voidaan pitää riittävänä, kun syy on perusteltu. [1 s. 36.] Geoteknisen luokan GL1 maastokatselmus on varmistettava ainakin paino- tai porakonekairauksella. Kairausmenetelmäksi goeteknisessä luokassa GL1 suositellaan heijarikairausta. Heijarikairausmenetelmällä voidaan määrittää luotettavammin paalun pituus kuin painokairausmenetelmällä. [1 s. 36.] Helpoissa rakennuskohteissa tietyissä tapauksissa voidaan lyöntipaalutusta pitää heijarikairausta vastaavana pohjantutkimusmenetelmänä. Tällöin lyöntipaalun asennus on dokumentoitava asianmukaisesti. Menetelmää käytettäessä paalun geotekninen kantavuus mitoitetaan paalutuskaavaan perustuvan menetelmän mukaisesti ja varmistetaan loppulyöntiehdoilla. [1 s. 36.] Geoteknistä luokkaa GL1 voidaan käyttää vain silloin kun riskit maanpohjan kokonaisvakavuuden tai maapohjan liikkeiden suhteen ovat merkityksettömiä. Rakennuskohteen pohjaolosuhteet ovat kokemuksen perusteella riittävän yksikertaisia ja pohjaolosuhteet voidaan verrata muiden vastaavanlaisten kohteiden pohjaolosuhteisiin. [1 s. 37.]
11 5 Käytettäessä geoteknisen luokan GL1 menetelmiä rakennuskohteen kaivu on oltava vedenpinnan yläpuolella. Kaivanto voidaan ulottaa vedenpinnan alapuolelle silloin, kun kaivu on yksikertainen ja paikalliset kokemukset osoittavat kaivannon yksikertaisuuden. [1 s. 37.] Rakennuskohteissa on arvioitava pohjaveden pinnan korkeusasema ja virtaussuunnat. Arvioitaessa pohjaveden pintaa on tutkittava pohjatutkimuksia, sekä läheisten vesistöjen tai ojien pinnanmuotoja. [1 s. 37.] Geotekninen luokka GL2 (vaativat kohteet) Rakenne kuuluu geotekniseen luokaan GL2, mikäli rakennekohde on tavanomainen eikä pohjamaahan liity tavallisessa tilanteessa poikkeavia riskejä. [7 s. 16.] Tyypilliset rakennuskohteet ovat: maanvaraiset anturaperustukset paaluperustukset seinät ja muut maata tai vettä pidättävät rakenteet maanleikkaukset penkereet ja maarakennustyöt tavanomaiset siltojen väli- ja maatuet sekä ankkurit. [7 s. 16.] Jotta geoteknisessä luokassa GL2 suunnittelu ja pohjarakentaminen voidaan suorittaa luotettavasti ja turvallisesti, on tehtävä riittävän laajat yksityiskohtaiset pohjatutkimukset. [1 s. 37.] Suunniteltaessa rakennuskohdetta geoteknisessä luokassa GL2 suunnittelija voi käyttää rutiinimenetelmiä. Pohjatutkimus on tehtävä sopivalla pohjatutkimusmenetelmällä, jolla otetaan huomioon rakennuskohteen vaativuus. Rakennuskohteen vastaavan pohjarakennesuunnittelijan on tarkistettava suunnitelmista pohjatutkimuspisteiden riittävyys. [1 s. 37.]
12 6 Pohjatutkimuspisteiden määrä katsotaan riittäväksi silloin kun tutkimuspisteitä on rakennuksen tai rakenteen jokaisessa nurkassa. Silloin kun pohjasuhteet vaihtelevat jyrkästi on pohjatutkimuspisteitä sijoittava 5-15 m:n välein. [1 s. 37.] Geoteknisessä luokassa GL2 on käytettävä vähintään kahta eri kairausmenetelmää. Kairausmenetelmiä ovat heijari-, puristin-, puristinheijari- ja porakonekairaus. Menetelmät on valittava siten, että tutkimuksissa päästään tutkimaan paalun oletetulle tukeutumistasolle. [1 s. 37.] Kun mitoitetaan lyöntipaalua, heijarikairausmenetelmä voidaan vaihtaa painokairausmenetelmään. Painokairausmenetelmää käytettäessä lyöntipaalu on lyötävä tukipaaluna ja paalun on tukeuduttava tiiviiseen karkearakeiseen maa- tai moreenikerrokseen. Tutkimuksessa on varmistettava, että maan tai moreenikerroksen alapuolella ei ole pehmeitä maakerroksia. [1 s. 37.] Geoteknisessä luokassa GL2 kairaustutkimus on ulotettava vähintään 1-2 m paalun oletetun tukeutumistason alapuolelle. Porakonekairausmenetelmää käytettäessä tutkimus on ulotettava vähintään 2 m paalun oletetun tukeutumistasoon alapuolelle ja 3 m kallioon. [1 s. 37.] Pohjaveden korkeusasema ja virtaussuunta on tutkittava geoteknisessä luokassa GL2 vähintään yhdellä pohjaveden havaintoputkella. Pohjaveden havaintoputki on sijoitettava rakennuspaikalle tai sen välittömään etäisyyteen rakennuspaikasta. Kun pohjavesi esiintyy paineellisena, silloin on mitattava paineellisen pohjavedenpinnan painetaso. [1 s. 37.]
13 Geotekninen luokka GL3 (erittäin vaativat kohteet) Rakenne kuuluu geotekniseen luokkaan GL3, mikäli se ei kuulu geotekniseen luokkaan GL1 tai GL2. Tyypillisiä rakenne-esimerkkejä ovat: erittäin suuret tai epätavalliset rakenteet rakenteet, joihin liittyy normaalista poikkeavia riskejä rakenteet, joissa on epätavallisen vaikeat pohja- tai kuormitusolosuhteet ja rakenteet, jotka suunnitellaan alueelle, jonka maamassat ovat lähtötilanteessa liikkeessä. [7 s. 16.] Geoteknistä luokkaa GL3 käytetään kun ympäristövaikutukset ovat merkittäviä, esimerkiksi pohjaveden pysyvä aleneminen. [7 s. 16.] Erittäin vaativissa kohteissa pohjatutkimus tehdään jokaisen perustuksen kohdalta sekä suurten perustusten, esimerkiksi siltojen, paaluanturoiden jokaiselta nurkalta. [1 s. 38.] Mikäli rakennuspaikalla arvioidaan olevan paineellista pohjavettä, on pohjavedenpinnan painetaso mitattava. [1 s. 38.] Kallion päällä olevien maakerrosten ominaisuudet selvitetään. Maalajit ja niiden kerrosrajat määritetään ottamalla riittävästi maanäytteitä. [1 s. 39.] Erityistä tarkkuutta vaaditaan suunniteltaessa lyöntipaaluja, kun kallion pinnalla ei ole riittävän sivuvastuksen muodostavaa kerrosta, joka estäisi paalun kärjen luistamisen. [1 s. 39.]
14 Geoteknisen luokan valinta Kuvassa 1 on esitetty lohkokaavio, joka auttaa tunnistamaan geoteknisen luokan valintaa. Kuva 1. Geoteknisen luokituksen lohkokaavio [9 s. 8.].
15 9 2.3 Seuraamusluokat Luotettavuuden tasoluokitusta varten määritetään taulukon 1 mukainen seuraamusluokka (CC1 CC3) tarkastelemalla rakenteen vaurion tai vian aiheuttamia seuraamuksia [3 s. 136.]. Taulukko 1. Seuraamusluokkien määrittely [3 s. 136 Taulukko B1.]. 2.4 Paalutustyöluokka Paalutustyöluokat ovat PTL1, PTL2 ja PTL3. Paalutustyöluokka huomioi rakenteen kuormitus- ja rasitustilat. Paalutyöluokalla luokitetaan paalutustyön toteutuksen tapa. Seuraamusluokka CC1-CC3 ja geotekninen luokka GL1-GL3 kuvaavat rakennuskohteen ominaisuuksia. Paalutustyöluokan avulla huomioidaan paalun rakenteellisessa mitoituksessa paalutustyötapahtuman rasitukset. Yleensä paaluvalmistajat ilmoittavat paalun rakenteelle täyttyvän paalutustyöluokan. [1 s. 99.] Paalutustyöluokka määräytyy kohteen seuraamusluokan CC1-CC3 ja geoteknisen luokan GL1-GL3 perusteella taulukossa 2 esitetyllä tavalla. Taulukko 2. Paalutustyöluokat [1 s. 100 Taulukko 4.18.] Seuraamusluokka Geotekninen luokka CC1 CC2 CC3 GL1 PTL1 (PTL3) PTL2 (PTL3) PTL2 (PTL3) GL2 PTL1 (PTL3) PTL2 (PTL3) PTL3 GL3 PTL2 (PTL3) PTL2 (PTL3) PTL3
16 Suunnitteluprosessin kulku Tavallisesti alustava rakenteen geoteknisen luokan valinta tehdään ennen geoteknisiä tutkimuksia. Geotekninen luokka tarkistetaan ja tarvittaessa vaihdetaan jokaisessa suunnittelu- ja rakentamisvaiheessa. [5 s. 30.] Kuva 2. Eurokoodi 7 suunnitteluprosessi. (Numerot suluissa viittaavat RIL lukuun.) [5 s. 30.] 2.6 Murto- ja käyttörajatilat Murtorajatilat Mitoituksessa tulee osoittaa, että seuraavien murtorajatilojen ylittyminen on riittävän epätodennäköistä. EQU on kaatumisen rajatila, jossa tapahtuu rakenteen tai maapohjan tasapainotilan menettäminen, kun rakennetta tarkastellaan jäykkänä kappaleena, jossa rakennemateriaalien ja maapohjan lujuudet eivät ole merkityksellisiä rakenteen kestävyyden aikaansaamisessa. STR on kantokestävyysrajatila, jossa tapahtuu rakenteen tai rakenteellisten osien sisäinen murtuminen tai liiallinen muodonmuutos. Esimerkkira-
17 11 kenteita ovat perustukset, paalut tai kellarinseinät, joissa rakennemateriaalien lujuus on merkittävä kestävyyden aikaansaamisessa. GEO on geotekninen rajatila, jossa tapahtuu rakennuspohjan murtuminen tai liiallinen muodonmuutos. Tässä rajatilassa maan tai kallion lujuus on merkittävä kestävyyden aikaansaamisessa. UPL on rakenteen nosterajatila, jossa tapahtuu vedenpaineen aiheuttamasta nosteesta tai muista pystysuuntaisista kuormista johtuva rakenteen tai maapohjan tasapainotilan menettäminen. HYD on hydraulinen rajatila, jossa veden virtauksesta maakerroksissa aiheutuu hydraulinen murtuma eli maapohjan nousu tai eroosio. [5 s ] Kuva 3. Eurokoodin EN 1990 mukaiset murtorajatilat kaatuminen EQU, geotekninen GEO ja kantokestävyys STR Käyttörajatilat Käyttörajatilassa varmuuden osoittamiseksi maapohjassa, rakenteellisessa poikkileikkauksessa, kantavassa rakennusosassa tai liitoksessa tulee osoittaa että: (2.1) missä
18 12 E d on kuormien vaikutuksen mitoitusarvo C d on rajoittava mitoitusarvo kuorman vaikutukselle. Muodonmuutoksien pysyminen vaadittujen käyttökelpoisuusrajojen sisällä vaatii tarkistusta, kuinka pieni osuus maan lujuudesta on mobilisoitunut. Tätä menetelmää voidaan käyttää, jos menettely rajoittuu mitoitustilanteisiin, jossa: muodonmuutoksen arvoa ei tarvita käyttörajatilan tarkistamiseen vertailukelpoista kokemusta on olemassa samanlaisesta maapohjasta, rakenteesta ja käytetystä menetelmästä. [5 s ] Ominaisarvoja muutetaan asianmukaisesti, jos rakenteen eliniän aikana voi tapahtua muutoksia maapohjan ominaisuuksissa, esimerkiksi pohjaveden alenemista tai kuivumista. [5 s. 56.] Tietyn muodonmuutoksen raja-arvo on arvo, jossa käyttörajatilan, kuten eihyväksyttävän halkeilun tai ovien juuttumisen, oletetaan tapahtuvan käytössä olevassa rakenteessa. Tämä raja-arvo tulee sopia tuettavan rakenteen suunnittelun aikana. [5 s. 56.] 2.7 Kuormat ja kuormien vaikutukset Kun tarkastellaan kantokestävyysrajatilaa STR ja maapohjan murtumisen rajatilaa GEO, täytyy osoittaa seuraavan yhtälön toteutuvan: (2.2) missä E d on kuormien vaikutuksen mitoitusarvo R d on kestävyyden mitoitusarvo. [5 s. 48.]
19 13 Mitoitustilanteessa kuormien osavarmuusluvut kohdistetaan kuormiin (F rep ) tai kuormien vaikutuksiin (E). Osavarmuuslukujen kohdistamalla rakennuspohjan kautta välittyviin kuormiin voi johtaa kohtuuttomiin tai jopa fysikaalisesti mahdottomiin mitoitusarvoihin. Tässä tapauksessa osavarmuuslukuja käytetään suoraan kuormien vaikutuksiin, jotka johdetaan kuormien edustavista arvoista. [5 s. 50.] = { ; ; } (2.3a) tai = { ; ; } (2.3b) Kuormien tai kuorman vaikutusten osavarmuusluvut (STR-rajatilan ja GEO-rajatilan) on esitetty taulukossa 3. Sarja A1 tai A2 valitaan käytettävän mitoitustavan perusteella. Taulukko 3. A.3(FI).] Kuormien ja kuorman vaikutusten osavarmuusluvut. [4 Taulukko Kuorma Merkintä Sarja A1 Pysyvä: Epäedullinen Yhtälö 2.4a Gkj,sup 1,35 K FI Yhtälö 2.4b 1,15 K FI Yhtälö 2.4 Edullinen Yhtälö 2.4a Gkj,inf 0,9 Yhtälö 2.4b 0,9 Yhtälö 2.4 Muuttuva: Epäedullinen Yhtälö 2.4b Q 1,5 K FI Yhtälö 2.4 Edullinen 0 A2 1,0 K FI 1,0 1,3 K FI 0 Taulukosta 3 saadaan muodostettua kuormien yhdistely-yhtälöt (2.4, 2,4a ja 2,4b) seuraavasti: 1,0, + 1,0, + 1,3, + 1,3,, (2.4)
20 14 1,35, + 0,9, (2.4a) 1,15, + 0,9, + 1,5, + 1,5,, (2.4b) missä K FI on arvo, joka riippuu luotettavuusluokasta RC1, RC2 tai RC3: RC1 K FI = 0,9 RC2 K FI = 1,0 RC3 K FI = 1,1 Luotettavuusluokat on esitetty Eurokoodin SFS-EN 1990 Rakenteiden suunnitteluperusteet normissa liitteessä B taulukossa B2. Yhtälöä (2.4) ei käytetään Suomessa käytössä olevasta mitoitustavasta johtuen. [4.] Osavarmuuslukua G,sup käytetään tapauksissa silloin, kun kuormitus on samasta syystä aiheutuva ja kuorman kokonaisvaikutus on epäedullinen. Pysyvän kuorman ominaisarvo kerrotaan osavarmuusluvulla G,sup. Tapauksissa, jolloin kuorman kokonaisvaikutus on edullinen, kuorman ominaisarvo kerrotaan G,inf osavarmuusluvulla. Samasta syystä aiheutuvat kuormat ovat rakenteiden omasta painosta aiheutuvat kuormat silloinkin, kun rakenteet ovat erilaisista materiaaleista. [5 s ] Anturaperustuksissa kuormien yhdistely yhtälön 2.4b arvo on suurempi kuin kuorman yhdistely yhtälön 2.4a, kun epäedullisten kuormien tapauksessa hyötykuormien osuus kokonaiskuormasta on suurempi kuin 12%. Kuvassa 4 on esitetty yhtälöiden arvojen vertailua. [5 s. 50.]
21 15 1,55 1,5 Kuormien varmuusluku 1,45 1,4 1,35 1,3 1,25 1,2 1,15 0 % 10 % 20 % 30 % 40 % 50 % 60 % 70 % 80 % 90 % 100 % Hyötykuorman osuus kokonaiskuormasta Q/(G+Q) Kuva 4. Yhtälöiden 2.4a ja 2.4b merkityksen vertailu (K FI = 1,0). [5 s. 50.] 2.8 Mitoitustavat Eurokoodi-mitoitusjärjestelmässä on käytössä kolme eri mitoitustapaa (DA1, DA2 ja DA3) varmuuden osoittamiseksi mitoitusrajatilassa. Jokaisessa eurokoodistandardia käytävän valtion kansallisessa liitteessä on esitetty valtiossa käytössä olevat mitoitustavat. Suomessa on käytössä kaksi mitoitustapaa: DA2 ja DA3. Suomalaisen kansallisen liitteen mukaan mitoitustapaa DA1 ei käytetä Suomessa. [5 s. 53.] Mitoitustapaa DA2 käytetään maanvaraisten perustusten, paaluperustusten, tukimuurien ja tukiseinien rakenteiden mitoituksessa. Mitoitustapaa DA3 käytetään rakenteiden kokonaisvakavuuden ja luiskien vakavuuden mitoituksessa. [5 s. 53.] Mitoitustapa DA2 ja DA2* Mitoitustapaa DA2 sovelletaan kahdella tavalla. Tavat erotetaan toisistaan merkinnöillä DA2 ja DA2*. Silloin kun rakennuskohteessa ei aiheudu merkittävää taloudellista haittaa voidaan käyttää mitoitustapaa DA2. Merkittävää taloudellista haittaa ei aiheudu, kun rakenteeseen vaikuttavien vaakakuormien osuus pystykuormista on maksimissaan 20 % ja rakenteen korkeus on pienempi kuin 10 metriä. Tämän tapauksen rakenteet ovat esimerkiksi sillan välitukien peruslaattoja. Tässä tapauksessa mitoittaessa mitoi-
22 16 tustavalla DA2 mitoitus on varmalla puolella ja mitoituslaskelmat ovat yksikertaisemmat kuin mitoitustavassa DA2*. [7 s. 21.] Suomessa suositellaan käytettäväksi infrarakenteiden antura- ja laattaperustusten, ankkureiden ja tukirakenteiden mitoituksessa mitoitustapaa DA2*. Paaluperustuksissa, joissa myös vaakakuormat vastaanotetaan paalujen aksiaalisilla voimilla, mitoitustavat DA2 ja DA2* johtavat samaan lopputulokseen. [4 s. 3.] Mitoitustavassa DA2* kuormapuolen varmuus sijoitetaan kuormien vaikutuksiin, esimerkiksi osavarmuusluvulla kerrotaan ulkoisten kuormien sijasta anturan pohjapaine. Kestävyyspuolella varmuus sijoitetaan kestävyyteen, esimerkiksi osavarmuusluvulla jaetaan lujuusparametrien ominaisarvojen perusteella laskettu kestävyyden ominaisarvo. Joten laskelmissa käytettävä ominaisuuden mitoitusarvo on yhtä suuri kuin sen ominaisarvo. Liitteessä 1 on esitetty mitoitusprosessin kulku mitoitusmenetelmillä DA2 ja DA2*. [4 s. 3.] Mitoitustapa DA2 eroaa mitoitustavasta DA2* siten, että kuormapuolen varmuus sijoitetaan kuormien vaikutusten sijasta suoraan kuormien edustaviin arvoihin. Koska mitoitustavassa DA2* kuormapuolen varmuus sijoitetaan kuormien vaikutuksiin ja eri kuormilla on erilaiset osavarmuusluvut, pitää laskelma suorittaa seuraavasti: Rakennetta kuormitetaan murtorajatilan yhdistelmällä, jossa kuormat on kerrottu yhdistelykertoimilla, mutta ei osavarmuusluvuilla. Kuorman osavarmuusluvulla kerrotaan vasta laskettu kuorman vaikutus. Kaikki ne kuormat, joilla on eri osavarmuusluku, tulee laskea erikseen, jos rakenne tai materiaali käyttäytyy epälineaarisesti tai käytetään epälineaarista laskentamallia. Geoteknisessä mitoituksessa laskenta on lähes aina joltain osin epälineaarinen. Laskenta etenee epälineaarisesti toimivien rakenteiden suhteen siten, että ensin rakennetta kuormitetaan pysyvillä kuormilla ja lasketaan pysyvien kuormien vaikutukset. Sen jälkeen rakennetta kuormitetaan pysyvillä ja määräävällä muuttuvalla kuormalla, jolloin saadaan vaikutusten muutoksina määräävän muuttuvan kuorman vaikutukset. Sen jälkeen kuormitetaan rakennetta pysyvillä ja kaikilla muuttuvilla kuormilla, jolloin saadaan muutoksina muiden muuttuvien kuormien vaikutukset. Tämän jälkeen kaikki vaikutukset kerrotaan niiden osavarmuusluvuilla ja summataan yhteen. Näin saadaan vaikutusten mitoitusarvot. [7 s. 22.]
23 17 Mitoitustavassa DA ja DA2* tulee osoittaa, että murtorajatilaa tai liiallista muodonmuutosta ei esiinny seuraavalla osavarmuuslukujen yhdistelmällä: A1 + M1 + R2 Tässä menettelyssä osavarmuusluvut kohdistetaan kuormiin tai kuormien vaikutuksiin ja maan kestävyyteen. Taulukosta 4 valitaan maaparametrien osavarmuusluvut sarjan M1 tai M2 käytettävän mitoitustavan perusteella. Taulukko 4. Maaparametrien osavarmuusluvut (STR/GEO) [4 Taulukko A.4(FI).] Maaparametri Merkintä Sarja M1 Leikkauskestävyyskulma 1,0 Tehokas koheesio 1,0 Suljettu leikkauslujuus 1,0 Yksiaksiaalinen puristuskoe 1,0 Tilavuuspaino 1,0 M2 1,25 1,25 1,5 1,5 1, Kestävyyden mitoitusarvot Osavarmuusluvut voidaan kohdistaa joko maan ominaisuuksiin (X) tai kestävyyteen (R) tai molempiin. = { ; ; } (2.5a) tai = ; ; / (2.5b) tai
24 18 = ; ; / (2.5c) Yhtälö 2.5c ei ole käytössä Suomessa käytettävissä mitoitustavoissa DA2 ja DA3. [5 s. 51.] Kestävyyden osavarmuusluvut valitaan sarjasta R2 käytettävän mitoitustavan DA2 perusteella. Taulukko 5. Syrjäyttävien paalujen, kaivettujen paalujen ja CFA-paalujen kestävyyden osavarmuusluvut (STR/GEO). [4 Taulukot A.6(FI), A.7(FI) ja A.8(FI).] Kestävyys Merkintä Sarja R2 Kärki Vaippa (puristus) Kokonais-/yhdistetty (puristus) Vedetty vaippa: lyhytaikainen kuormitus pitkäaikainen kuormitus,, 1,2 1,2 1,2 1,35 1,5 3 Paalun geotekninen mitoitus Eurokoodi 7:n mukaan 3.1 Yleistä paalusta Maapohjarakentamisessa on käytössä erilaisia paaluja. Yleisimmät paalut ovat tukipaaluja, kitkapaaluja, koheesiopaaluja ja välimuotopaaluja. Eri paalutyypit ovat erilaisia toimintatavan, paalun materiaalin ja paalun valmistustavan puolesta. Kuvassa 5 on esitetty tukipaalun, kitkapaalun, koheesiopaalun ja välimuotopaalun toiminta maaperässä ja kuormien välityksen eri paaluissa. [6 s. 53.] Tukipaalu tukeutuu kiinteään maapohjaan tai kallioon ja välittää kuorman kärjen kautta kiinteään maapohjaan tai kallioon. Kitkapaalu välittää kuormansa maanpohjaan ympäröivään maahan paalun pinnan ja maan välisen hankauksen avulla. Koheesiopaalukuorma välittyy paalun pinnan ja ympäröivän maanpohjan maan koheesion avulla. Välimuotopaalun toiminta on yhdistelmä tuki-, kitka- ja koheesiopaalun toiminnasta. [8 s. 43.]
25 19 Kuva 5. Paalujen ryhmittely toimintatavan mukaan. [6 s. 53.] Paalutustyössä käytetään kahta eri betonipaalutyyppiä. Betonista valmistettujen paalut jaetaan tehtaissa valmistettuihin lyöntipaaluihin ja työmaalla paikalla rakennettuihin erikoispaaluihin. Erikoispaalujen koko, rakenne, muoto ja rakentamistapa vaihtelevat paljon, koska paalut rakennetaan suoraan maapohjaan. Lyöntipaalut asennetaan lyömällä maanpohjaan erilaisilla paalutuskalustoilla. [8 s ] 3.2 Yleistä paalun kantavuudesta Paalutusohjeessa on ohjeistettu ottamaan huomioon paalun kantavuutta määritettäessä, että paalun valmistusmateriaalien lujuudet ja maaperän ominaisuudet. Materiaalilujuuden ja materiaalin ominaisuuksien on oltava riittävällä varmuudella, jotta paalun painuma ja sivusiirtymä pysyvät sallituissa rajoissa. [8 s. 49.] Paalun kantavuutta määritettäessä on otettava huomioon paalumateriaalien lujuudet ja maapohjan ominaisuudet, niin että paalut kantavat niille muodostuneet kuormitukset riittävällä varmuudella painumien ja sivusiirtymien pysyessä sallituissa rajoissa.. [8 s. 49.] Paalujen kantavuus kostuu kahdesta kantavuudesta: rakenteellisesta sekä geoteknisestä kantavuudesta. Paalun rakenteellinen kantavuus on mitoitusarvo, joka saadaan
26 20 huomioimalla varmuus sekä paalun rakenteellista murtumista vastaan että paalun sallitut muodonmuutokset. Geotekninen kantavuus huomioi varmuuden maapohjan murtumista vastaan ja paalun sallitut painumat. [6 s. 53.] Paalun rakenteellinen kantavuus riippuu paalun rakenteellisesta kestävyydestä. Mitoittaessa paalun rakenteellista kantavuutta huomioon on otettava paalun taivutus. Paalun taipuma johtuu paalun vakaakuormista, kuormituksen epäkeskisyydestä ja kiinnitysmomentista, joka syntyy paalun ja anturan kiinnityksestä. Tarvittaessa paalun mitoituksessa on tarkistettava myös nurjahdus. [8 s. 49.] Paalun geotekninen kantavuus saadaan maaperäominaisuuksille ja paalutukselle asetettuihin vaatimusten perusteella. Geotekninen kantavuus osoitetaan paalulle sallitulla puristusjännityksen arvolla. Paalun geotekninen kantavuus on riippuvainen paalun toimintatavasta eli onko paalun tyyppi tukipaalu, kitkapaalu tai koheesiopaalu. Yleensä paalun kantavuuden määrittää geotekninen kantavuus. Ehjään kallioon tukeutuvan tukipaalun kantavuuden sallitun arvon määrittää paalun rakenteellinen mitoitus. [8 s. 49.] Paalun geotekninen kantavuus voidaan määritellä paalun koekuormituksella. Koe voidaan suorittaa staattisella tai dynaamisella koekuormituksella. Vaativassa paalutustyöluokassa paalun geoteknisen kantavuus voidaan määrittää ainoastaan koekuormituksen perusteella. [8 s. 49.] Lyöntipaaluperustuksen suunnittelussa geotekninen kantavuus osoitetaan yleensä dynaamisella koekuormituksella. Paalun geoteknistä kantavuuden ominaisarvoa määritettäessä otetaan huomioon pohjatutkimusten määrä ja tapa, kairaukset tai koekuormitukset. Huomioon otetaan myös perustuksen kyky jakaa kuormia paaluille ja koekuormitusta käytettäessä tulosten hajonta. [7 s. 51.] Tukipaalun kantavuus Tukipaalun kantavuus on yleensä paalun pituusakselin suuntainen kestävyys. Määräävä kantavuus on pienin arvo rakenteellisesta tai geoteknisesta kantavuudesta. [1 s ]
27 21 Tukipaalu siirtää pääosan kuormasta kärjen välityksellä kallioon tai tiiviiseen maakerrokseen. Tukipaalun geotekninen kantavuus määräytyy paalun kärjen kantokestävyyden perusteella. Suomalaiseen ehjään kallioon tukeutuvan tukipaalun kärjen kantavuus ei ole yleensä mitoittava, vaan kestävyys määräytyy yleisesti paalun rakenteellisen kantavuuden perusteella. [6 s. 53.] Jotta paalut voidaan mitoittaa tukipaaluina, edellytetään että paalut ulottuvat kallioon tai tiiviisiin maakerroksiin. Kärkivastuksen on vastattava varmuudella kaavan mukaan laskettua kantavuutta. Käytännössä tämä kärkivastus arvioidaan paalujen asennuksen loppulyönnissä syntyvän painuman perusteella. Paalun painuma ei saa ylittää lyöntipaalutusohjeiden mukaan enimmäispainumaa. [8 s. 50.] Tukipaalun geotekninen kantavuus määritetään yleensä sallittuun keskeiseen puristusjännitykseen perustuvasta kaavasta (3.1). = (3.1) missä P s on sallittu paalun kuorma s s on sallittu puristusjännitys A p on paalun pienin poikkileikkausala [8 s. 50.] Paalun nurjahdus Kun teräsbetonipaalua ympäröivät riittävästi tukevat maakerrokset, ei tarvita nurjahdustarkastelua. [8 s. 50.] Paalulle on tehtävä nurjahdustarkastelu silloin, kun paalulla ei ole riittävästi tukea ympäröivistä maakerroksista. Riittämättömäksi tuetuiksi paalu tulkitaan silloin kun se on osittain tai kokonaan ilmassa, vedessä tai maakerroksessa, jonka siipikairausmenetelmällä määritetty suljettu leikkauslujuus on pienempi kuin 20 kn/m 2. Kun paalua ympä-
28 22 röivän maakerroksen leikkauslujuus on pienempi kuin 5 kn/m 2, ei maankerroksen sivutuentaa voida käyttää hyväksi tarkastelussa. [1 s ] 3.3 Paalun geotekninen kantavuuden mitoitusmenettelyt Eurokoodin mukaan paalun geoteknisen mitoituksen tulee perustua johonkin seuraavista menettelyistä: staattisten koekuormitusten tuloksiin, joiden on laskelmin tai muulla tavoin osoitettu vastaavan muita kyseeseen tulevia kokemuksia kokemusperäisiin tai analyyttisiin laskentamenetelmiin, joiden paikkansapitävyys on osoitettu staattisilla koekuormituksilla vastaavissa olosuhteissa (= loppulyöntiehdot) dynaamisten koekuormitusten tuloksiin, joiden paikkansapitävyys on osoitettu staattisilla koekuormituksilla vastaavissa olosuhteissa (= PDAmittaukset) vastaavanlaisen paaluperustuksen havaittuun käyttäytymiseen edellyttäen, että pohjatutkimusten ja muiden kokeiden tulokset tukevat tätä menettelyä. Eurokoodin mukainen paalun geoteknisen kestävyyden määrittäminen perustuu keskieurooppalaiseen geologiaan, jossa pohjoismaissa useimmiten käytetty tukipaalu harvoin tulee käyttöön. Tämän vuoksi eurokoodi korostaa staattista koekuormitusta referenssimenettelynä. [9 s. 10.] Suomessa käytetyt paalut ovat suurimmaksi osaksi tukipaaluja, jolloin referenssimenettelynä voidaan käyttää riittävän luotettavasti dynaamisia koekuormituksia ilman staattisten lisäkoekuormitusten tekemistä rakennusalueella. [9 s. 10.] Laskentaperiaate on kaavan (3.2) mukaan, eli mitoituskuormituksen F c;d tulee olla enintään mitoituskestävyyden R c;d suuruinen. [1 s. 59.] ; ; (3.2)
29 Paalun geotekninen kantavuus staattisten koekuormitusten perusteella Staattisen koekuormitusmenetelmän tulee olla Eurokoodin 7 kohdan staattiset koekuormitukset kuvauksen mukainen. Geoteknisessä suunnitteluraportissa eritellään käytetty koekuormitusmenetelmää. [1 s. 61.] Johdettaessa geoteknisen puristuskestävyyden R c;k ominaisarvoa murtorajatilassa yhdestä tai useammasta koekuormituksesta mitatusta R c;m :n arvosta tulee ottaa huomioon pohjaolosuhteiden vaihtelevuus ja paalutuksen vaikutuksen vaihtelut. [1 s. 61.] Rakenteilla, joilla ei ole kykyä siirtää kuormia heikoilta paaluilta vahvoille paaluille, seuraavan kaavan (3.3) ehdon tulee täyttyä. Puristuskestävyyden ominaisarvo R c;k määritetään mitatuista arvoista: ; = ( ; ; ; ; ; ) (3.3) missä R c;k on paalun puristuskestävyyden ominaisarvo R c;m on paalun koekuormituksen mitattu geotekninen puristuskestävyys murtorajatilassa; joko koekuormitustulosten keskiarvo (R c;m ) mean tai koekuormitustulosten minimiarvo (R c;m ) min ξ on korrelaatiokerroin ξ 1 joka kohdistetaan keskiarvoon (R c;m ) mean ja kerroin ξ 2 kohdistetaan minimiarvoon (R c;m ) min. Korrelaatiokertoimen arvo riippuu staattisten koekuormitusten käytettäessä koestettujen paalujen lukumäärästä n tai prosentuaalisesta osuudesta. Taulukossa 6 on esitetty staattisen koekuormitusmenetelmän korrelaatiokertoimet. Taulukko 6. A.9(FI) Kansallinen liite.] Korrelaatiokertoimet ξ ominaisarvojen johtamiseksi [4 Taulukko ξ kun n = 1 / 2 % 2 / 10 % 3 / 50 % 4 / 75 % 5 / 100 % ξ 1 1,40 1,30 1,20 1,10 1,00 ξ 2 1,40 1,20 1,05 1,00 1,00
30 24 Korrelaatiokertoimien arvot ξ 1 ja ξ 2 voidaan jakaa luvulla 1,1, edellyttäen että korrelaatiokertoimet ξ 1 ja ξ 2 ovat aina vähintään 1,0. Tässä tilanteessa rakenteen on oltava riittävä jäykkä ja lujaa kuormien siirtämiseksi heikoilta paaluilta vahvoille paaluille. [1 s. 62.] Staattisten koekuormitusten korrelaatiokertoimet soveltuvat käytettäväksi hitaalle koekuormitusmenettelylle. Nopeissa koekuormituksissa korrelaatiokertoimet kerrotaan luvulla 1,2. Maan geoteknisen puristuskestävyyden ominaisarvo R c;k, voidaan myös määrittää kärkikestävyyden R b;k ja vaippakestävyyden R s;k ominaisarvoista avulla seuraavasti: ; = ; + ; (3.4) Nämä osatekijät voidaan johtaa suoraan staattisista koekuormitustuloksista. Paalun geoteknisen kantavuuden mitoitusarvo R c;d määritetään staattisten koekuormitusten perusteella seuraavista kaavoista (3.5 ja 3.6): ; = ; / (3.5) tai ; = ; + ; (3.6) missä on paalun kärjen kantavuuden osavarmuusluku on paalun vaipan kantavuuden osavarmuusluku Osavarmuusluku ja on luvun taulukon 5 mukaan sama paalun kärjelle, vaipalle ja yhdistetylle kantavuudelle paalutyypistä riippumatta ja on suuruudeltaan 1,2.
31 Paalun geotekninen kantavuus pohjatutkimustulosten perusteella Mitoitettaessa geoteknistä kantavuutta pohjatutkimusten perusteella maanpohjan vaihtelut otetaan huomioon kahdella vaihtoehtoisella menetelmällä. Paalun geoteknistä kantavuutta mitoitetaan mallipaalumenetelmällä tai vaihtoehtoisella menetelmällä. Valitulla menetelmällä paalun geoteknisen kantavuuden arvioimiseen pohjatutkimustulosten perusteella on tulosten oltava riittävällä tasolla tunnettuja ja suunnittelijalla on oltava menetelmästä riittävällä tasolla kokemusta. [1 s ] Suunniteltaessa paalun geoteknistä kantavuutta mallipaalumenetelmällä puristuskantavuus mitoitetaan jokaisessa tutkimuspisteessä. Geoteknisen kantavuuden ominaisarvot saadaan korrelaatiokertoimien ξ avulla, korrelaatiokertoimet riippuvat tutkimuspisteiden määrästä. [1 s. 64.] Vaihtoehtoisessa menetelmässä pohjatutkimukset käsitellään yhtenä kokonaisuutena, josta arvioidaan kärkikestävyyden ja vaippakitkan ominaisarvot. Menetelmässä ei käytetä korrelaatiokertoimia. Vaihtoehtoisessa menetelmässä käytetään osavarmuuslukuja korjaavan mallikertoimen arvoa, joka on kitkapaaluilla vähintään 1,60, koheesiopaaluilla ³1,95 pitkäaikaisessa kuormituksessa ja ³ 1,40 lyhytaikaisessa kuormituksessa. [1 s. 65.] Paalun geotekninen kantavuus voidaan arvioida maan lujuuteen perustuen staattisilla kantavuuskaavoilla. Maan kitkakulma voidaan tällöin määrittää joko laboratoriossa tai kairausvastuksen perusteella. [1 s. 65.] Staattista kantavuuskaavaa ei suositella tukipaaluina toimiville lyöntipaaluille, koska lyöntityön tiivistävää vaikutusta kärkivyöhykkeessä on vaikea ottaa luotettavasti huomioon. [1 s. 68.] Paalun geoteknisen kantavuuden mitoitusarvo R c;d määritetään mallipaalumenetelmän perusteella seuravasta kaavasta 3.7: ; = ; + ; (3.7) missä
32 26 R b;d on paalun kärkikantavuuden mitoitusarvo R s;d on paalun vaippakantavuuden mitoitusarvo Kullekin paalulle tulee johtaa kärkikantavuus ja vaippakantavuus kaavalla 3.8: ; = ; ; = ; (3.8) missä on paalun kärjen kantavuuden osavarmuusluku on paalun vaipan kantavuuden osavarmuusluku Osavarmuusluku ja on luvun taulukon 5 mukaan sama paalun kärjelle, vaipalle ja yhdistetylle kantavuudelle paalutyypistä riippumatta ja on suuruudeltaan 1,2. Paalun kärkikantavuuden ja vaippakantavuuden ominaisarvot lasketaan kaavalla 3.9: ; = ; + ; = ; ; = ; = ( ; ; ; ; ; ) (3.9) missä R s;cal on vaippakitka laskettuna maaparametrin koetuloksista murtorajatilassa ja R b;cal on paalun kärkikantavuus laskettuna pohjatutkimustuloksista murtorajatilassa. R c on paalun geotekninen puristuskantavuus murtorajatilassa, R c;cal on R c :n laskettu arvo, R c;d on R c :n mitoitusarvo, R c;k on R c :n ominaisarvo. ξ on korrelaatiokerroin ξ 3 joka kohdistetaan keskiarvoon (R c;cal ) mean ja kerroin ξ 4 kohdistetaan minimiarvoon (R c;cal ) min. Korrelaatiokerroin on riippuvainen pohjatutkimusprofiilien lukumäärästä. Pohjatutkimusprofiilien määrän tulee olla vähintään yhtä suuri kuin tarkasteltavien paalujen lukumäärä. [1 s. 64.]
33 27 Taulukko 7. A.10(FI) Kansallinen liite.] Korrelaatiokertoimet ξ ominaisarvojen johtamiseksi [4 Taulukko ξ kun n = ³10 ξ 3 1,85 1,77 1,73 1,69 1,65 1,62 1,60 ξ 4 1,85 1,65 1,60 1,55 1,50 1,45 1,40 Rakenteilla, joilla on riittävä jäykkyys ja lujuus siirtämään kuormia heikoilta paaluilta vahvoille paaluille, korrelaatiokertoimet ξ 3 ja ξ 4 voidaan jakaa luvulla 1,1, edellyttäen että ξ 3 on aina vähintään 1,0. Vaihtoehtoisessa menetelmässä paalun kärkikantavuuden R b;k ja vaippakantavuuden R s;k ominaisarvot lasketaan kaavalla ; = ; ; = ; ; ; (3.10) missä q b;k ja q s;i;k ovat maaparametrien arvoilla saadut kärkikantavuuden ja vaippakitkan ominaisarvot eri kerroksissa. Vaihtoehtoisessa menetelmässä osavarmuuslukuja korjaavan mallikertoimen arvo on vähintään 1,60 kitkapaaluilla. Koheesiopaaluilla mallikertoimen arvon on > 1,95 pitkäaikaisessa kuormituksessa ja > 1,40 lyhytaikaisessa kuormituksessa. [1 s. 65.] Paalun geotekninen kantavuus paalutuskaavojen perusteella Paalutuskaavoja tulee käyttää vain siinä tapauksessa, että maakerrosrajat on määritetty ja paalujen arvioitu tunkeutumistaso on tiedossa kohtuullisella tarkkuudella. Kun paalutuskaavoja käytetään perustuksen yksittäisten paalujen geoteknisen puristuskantavuuden arvioimiseen, kaavojen paikkansapitävyyden tulee olla perusteltu aikaisempiin kokeellisiin osoituksiin hyvästä toimivuudesta dynaamisissa koekuormituksissa samantyyppisillä, samanpituisilla ja vastaavan poikkileikkausalan omaavilla paaluilla samanlaisissa pohjaolosuhteissa. [1 s. 76.] Kitkamaahan lyödyillä tukipaaluilla puristuskantavuuden mitoitusarvo R c;d tulee arvioida samalla menetelmällä kuin dynaamisten koekuormitusten perusteella.
34 28 ; = ; / (3.11) missä ; = ( ; ; ; ; ; ) (3.12) Osavarmuusluku on luvun taulukon 5 mukaan sama paalun kärjen, vaipan ja yhdistetylle kestävyydelle paalutyypistä riippumatta ja on suuruudeltaan 1,2. ξ on korrelaatiokerroin ξ 5 joka kohdistetaan keskiarvoon (R c;m ) mean ja kerroin ξ 6 kohdistetaan minimiarvoon (R c;m ) min. Taulukko 8. A.11(FI) Kansallinen liite.] Korrelaatiokertoimet ξ ominaisarvojen johtamiseksi [4 Taulukko ξ kun n = 2-4 /1-5% 5-9 / 5-39% / / 65-89% 20 / % ξ 5 1,60 1,50 1,45 1,42 1,40 ξ 6 1,50 1,35 1,30 1,25 1,25 Lukumäärällä n tarkoitetaan koestettujen paalujen lukumäärä. ξ korrelaatiokertoimet kerrotaan mallikertoimella 1,1 silloin, kun käytetään paalutuskaavaa ja lyönnin aikana mitataan paalun pään jousto. ξ korrelaatiokertoimet kerrotaan mallikertoimella 1,2 silloin, kun käytetään paalutuskaavaa eikä lyönnin aikana mitata paalun pään joustoa. Rakenteilla, joilla on riittävä jäykkyys ja lujuus siirtämään kuormia heikoilta paaluilta vahvoille paaluille, korrelaatiokertoimet ξ 5 ja ξ 6 voidaan jakaa luvulla 1,1. Kun paalutuskaavoja käytetään paalun puristuskestävyyden varmistamiseen, paalun lyöntikoe tehdään vähintään 5 paalulla, jotka sijaitsevat riittävän välimatkan päässä toisistaan paalutusalueella, jotta voidaan varmistaa sopiva tunkeuma loppulyöntisarjoja varten. [1 s. 76.]
35 Paalun geotekninen kantavuus dynaamisten koekuormitusten perusteella Lyöntipaalun geotekninen kantavuus osoitetaan yleensä dynaamisella koekuormituksella. Paalun geoteknisen kantavuuden mitoitusarvo R c;d määritetään dynaamisten koekuormitusten perusteella seuraavasta kaavasta 3.13: ; = ; / (3.13) missä ; = ( ; ; ; ; ; ) (3.14) missä R c;k on paalun geoteknisen kantavuuden ominaisarvo R c;m on dynaamisten koekuormitustulosten keskiarvo (R c;m ) mean tai minimiarvo (R c;m ) min on paalun kantavuuden osavarmuusluku ξ on korrelaatiokerroin ξ 5 joka kohdistetaan keskiarvoon (R c;m ) mean ja kerroin ξ 6 kohdistetaan miniarvoon (R c;m ) min. Paalun geoteknisen kantavuuden ominaisarvo R c,k on keskiarvon (R c;m ) mean ja minimiarvon (R c;m ) min perusteella lasketuista R c,k -arvoista pienempi. Osavarmuusluku on luvun taulukon 5 mukaan sama paalun kärjelle, vaipalle ja yhdistetylle kestävyydelle paalutyypistä riippumatta ja on suuruudeltaan 1,2. Taulukko 9. A.11(FI) Kansallinen liite.] Korrelaatiokertoimet ξ ominaisarvojen johtamiseksi [4 Taulukko ξ kun n = 2-4 /1-5% 5-9 / 5-39% / / 65-89% 20 / % ξ 5 1,60 1,50 1,45 1,42 1,40 ξ 6 1,50 1,35 1,30 1,25 1,25
36 30 Lukumäärällä n tarkoitetaan geoteknisen kantavuuden kannalta samanlaisissa olosuhteissa tehtyjen samanlaisten paalujen mittausten lukumäärää tai prosenttiosuutta paalujen kokonaismäärästä. Kappalemäärän tai prosenttiosuuden mukaan valitaan se, jonka perusteella saadaan pienempi korrelaatiokerroin. [1 s. 75.] Jos perustus on perustettu vain yhden paalun varaan, käytetään korrelaatiokerrointa ξ 5 ja sille arvoa 1,60. [1 s. 75.] Korrelaatiokertoimen arvo kerrotaan mallikertoimella 1,05, kun paalujen pituudet vaihtelevat voimakkaasti tai vastaavanlainen dynaamisista koekuormituksista kokemus on vähäinen. [1 s. 75.] Korrelaatiokertoimen arvo voidaan kertoa mallikertoimella 0,9, kun käytetään signaalisovitusta (signal matching). Arvo voidaan myös kertoa ilman signaalisovitusta silloin, kun paalut tukeutuvat luotettavasti varmistettuun kallioon ja paalun geotekninen kantavuus riippuu lähinnä paalun rakenteellisesta kantavuudesta. [1 s. 75.] Liitteessä 2 on esitetty dynaamisen koekuormituksen suoritus ja siitä saatu tulos. 3.4 Mitoitusmenettelyn valinta Suomessa käytetyistä paaluista suurin osa on toiminnallisesti tukipaaluja. Eurokoodi 7 normisto korostaa staattista koekuormitusta mitoituksessa. Staattinen koekuormitus on täysin sekundaarinen mitoitusmenettely Suomessa. Geologiasta johtuen tukipaaluilla ei ole kuin 2 mahdollista mitoitusmenetelmää: dynaamisten koekuormitusten tuloksiin ja kokemusperäisiin tai analyyttisiin laskentamenetelmiin perustuen. Siltarakenteessa ja vaativissa kohteissa käytetään aina dynaamisiin koekuormituksiin perustuvaa mitoitusmenetelmää. Keski-eurooppalainen mitoituskäytäntö soveltuu Suomessa vain paksuihin kitkamaakerroksiin, harjumuodostelmiin ja paksuihin hiekkakerrostumiin, joita Suomen pintaalasta on vain muutamia prosentteja.
37 31 4 Lyöntipaalun rakenteellinen mitoitus Lyömällä tai iskumaisella rasituksella asennetun paalun rakenteen ja paaluvarusteiden tulee taulukon 2 paalutustyöluokissa kestää taulukossa 10 esitetyt vaatimukset. Keskimääräinen paalun kärkeen välittyvä jännitys määrä geoteknisen kantavuuden ylärajan R k;geo;max. [1 s. 100.] Paalun rakenteen lyönninkestävyyden ylärajat ja vastaavat geoteknisen kestävyyden ylärajat paalumateriaaleittain on esitetty taulukossa 10. [1 s. 101.] Taulukko 10. Geoteknisen kestävyyden ominaisarvon maksimiarvo lyömällä asennettavilla paaluilla ja suurin keskeinen lyöntivoima. [1 s. 101.] Paalun materiaali Suurin sallittu puristusrasituksen aikaansaava keskeinen lyöntivoima asennettaessa F c;lyönti Suurin kestävyyden ominaisarvo R k;geo;max Teräspaalu 0,9 * f yk * A s PTL2: R k;geo;max 0,8 * F c;lyönti PTL3: R k;geo;max F c;lyönti PTL1: R k;geo;max 0,6 * F c;lyönti Teräsbetonipaalu 0,8 * f ck * A c PTL3: R k;geo;max 0,8 * F c;lyönti PTL3: R k;geo;max F c;lyönti PTL3: R k;geo;max 0,6 * F c;lyönti Puupaalu 0,8 * f c,0,k * A min PTL3: R k;geo;max 0,8 * F c;lyönti PTL3: Ei käytetä PTL3: R k;geo;max 0,6 * F c;lyönti Paalutustyöluokassa PTL 3 paalun lyönninkestävyyden määräämästä ylärajasta voidaan hyödyntää enintään 100 % (R k;geo;max ). Paalutustyöluokassa PTL 2 tästä enimmäisarvosta voidaan hyödyntää maksimissaan 80 % ja paalutustyöluokassa PTL 1 60 %. Jatkamattomaan paaluun saa asennuslyönnin aikana kohdistua enintään taulukossa 11 esitetty vetovoima.
38 32 Taulukko 11. Jatkamattoman paalun suurin asennuslyönnin aikainen vetovoima. Paalun materiaali PTL1 3 Teräspaalu PTL1 3 Teräsbetonipaalu Suurin lyöntivoima asennettaessa, vetorasitus F t;lyönti F t;lyönti 0,9 * f yk * A s F t;lyönti 0,9 * f yk * A s Taulukkoa 10 sovelletaan paaluille, joiden geotekninen kestävyys määritetään asennuksen jälkeen lyömällä tai iskumaisella rasituksella. Vaatimukset osoitetaan laskennallisesti sekä todennetaan vähintään kolmella asennuksen edellyttämän rasituksen jälkeisellä testauksella. Laskennallisen tarkastelun sijaan kelpoisuus voidaan osoittaa kokeellisella mitoituksella. Kokeellisessa mitoituksessa kokeiden lukumäärän on oltava vähintään kuusi. Paalut luokitellaan paalun valmistajan tai maahantuojan toimesta nimeämällä paalulle tietty, taattu rakenteellinen lyönninkestävyys sekä ylin paalutustyöluokka, johon paalua voidaan käyttää. Paalun valmistaja tai maahantuoja nimeää samalla suurimman geoteknisen kestävyyden ominaisarvon R k;geo;max, mihin paalutuotteella voidaan asennettaessa pyrkiä. Paalukoko ja tyyppikohtaisesti tavoiteltava, valmistajan tai maahantuojan määrittämä geoteknisen kestävyyden ominaisarvo R k;geo;max, voi olla pienempi kuin taulukossa 10 esitetty geoteknisen kestävyyden ominaisarvo R k;geo;max. Paalun asentaja vastaa siitä, ettei valmistajan tai maahantuojan tuotteelleen asettamia suurimpia sallittuja rasituksia paalua lyötäessä ylitetä. Paalun akselin suhteen vinon tai epäkeskeisen lyönnin aikaansaamat reunajännityksen eivät paalutustyöluokassa PTL3 saa ylittää keskimääräistä jännitystä enemmän kuin 15%, paalutustyöluokassa PTL2 vastaavasti 25% ja paalutustyöluokassa PTL1 35%. Paalun lyönninaikainen puristuskestävyys on vain yksi paalun käyttötilan kestävyyttä rajoittava arvo. Paalun nurjahdusriski ja alkukäyryys voivat pienentää geoteknisen kestävyyden arvoa. Samoin rakenteen lyönninkestävyyttä saattaa rajoittaa paalun ja sen varusteiden vetojännityksen kestävyys. Lyömällä asennettujen paalujen rakenteen momenttikestävyyden perusvaatimus lasketaan kaavasta 4.1. Vaadittava rakenteellinen momenttikestävyys M k määritetään suh-
39 33 teessa kestävyyden ominaisarvon maksimiin siten, että paalun ja paalujatkosten on rakenteellisesti kestettävä momentti M k. ; (4.1) missä M k on rakenteellinen momenttikestävyys R k;geo on geoteknisen kantavuuden ominaisarvo i red on redusoitu pintahitaussäde [m.]. Teräsbetonipaaluille redusoitu pintahitaussäde lasketaan kaavalla 4.2. =, (4.2) missä I on pintahitausmomentti, asennusaikaiset ominaisuudet [m 4.] A on pinta-ala [m 2.] k red on empiiris-analyyttisesti kaavalla 4.3 määritetty kerroin. = 0,57 + 0,57 (4.3) missä f yk on paalun pääterästen myötörajan ominaisarvo [MPa.] r on suhteellinen pääterästen määrä prosentteina paalun pinta-alasta Teräsbetonipaalun pääterästen yhteenlaskettu poikkileikkausala ei saa alittaa arvoa 0,5% paalun poikkileikkauksen pinta-alasta.
40 34 Teräsbetonipaalun momenttikestävyysvaatimus eri paalutustyöluokissa on pienin seuraavista: PTL 3: M k ³ 0,9 * F c;lyönti * i red PTL 2: M k ³ 1,0 * 0,8 * F c;lyönti * i red PTL 1: M k ³ 1,1 * 0,6 * F c;lyönti * i red tai jos paalun valmistajan määrittelemä geoteknisen kantavuuden ominaisarvo R k;geo on pienempi kuin taulukossa 10 esitetty geoteknisen kantavuuden maksimiarvo R k;geo;max : PTL 3: M k ³ 0,9 * R k;geo * i red PTL 2: M k ³ 1,0 * R k;geo * i red PTL 1: M k ³ 1,1 * R k;geo * i red Momentinkestävyysvaatimusten kertoimet 0,9, 1,0 ja 1,1 huomioivat tavanomaisen lyönnin aikaansaamat epäkeskeisyydet. Reunajännityksen oletetaan olevan 25% keskimääräistä jännitystä suurempi paalutusluokassa PTL2. Paalutuskuokan PTL2 arvoa pidetään esitetystä kaavoissa vaatimuksena perusarvona kerrointa 1,0. Paalutustyöluokassa PTL3 reunajännitys tulee rajoittaa 15% keskimääräisestä ja paalutustyöluokassa PTL1 35%. Kertoimet ovat vastaavasti 0,9 ja 1,1. Pintahitausmomenttia I ja pinta-alaa laskettaessa betoni- ja liittorakennepaalun betoni oletetaan vetoa kestäväksi. R k;geo on suurin mahdollinen tuottajan tuotteelleen ilmoittama geoteknisen kantavuuden arvo. Jos tämä arvo rajataan pienemmäksi kuin edellä ilmoitettu, momenttikestävyysvaatimusta voidaan vastaavasti pienentää. 5 Paalujen sijoitus 5.1 Lyöntipaalujen sallitut sijaintipoikkeamat Lyötävät teräsbetonipaalut on asennettava seuraavien goemetristen rakentamistoleranssien puitteissa, ellei suunnitelmissa toisin määrätty:
41 35 yksittäinen pysty- ja vinopaalu, paalulaatta tai paaluhatturakenne: e e max = 100 mm pienen paaluryhmän 4-8 paalua, yksittäinen paalu e e max = 150 mm, tätä suuremman paaluryhmän yksittäinen paalu e e max = 200 mm, kuitenkin koko ryhmän painopisteen e e max = 50 mm talorakentamisen paaluperustuksissa e e max = 150 mm, erityisen vaikeissa olosuhteissa, kuten esilävistettävien täyttöjen, kevennyskairauksen tms. alueilla e e max = 200 mm paalurivin yksittäisen paalun e e max = 150 mm, kuitenkin koko rivin painopisteen e e max = 50 mm riviin nähden kohtisuorassa suunnassa. [1 s. 175.] Paalujen väliset etäisyydet Paalujen väliset etäisyydet on määrättävä suunnitelma-asiakirjoissa. Paalujen väliset etäisyydet valitaan siten, että vierekkäiset paalut eivät vaikuta vähentävästi toistensa kantavuuteen eivätkä asennettaessa vahingoita toisiansa. Yhteen suuntaan kuormitettujen teräsbetonipaalujen vähimmäisarvot keskiöetäisyyksille suunnittelua varten on esitetty taulukossa 12. Seuraavia vähimmäisarvoja ei kuitenkaan tule alittaa: tuki- ja kitkapaalut 800 mm koheesiopaalut 1000 mm maakerroksiin tukeutuvat vetopaalut 1500 mm. [1 s. 171.] Taulukko 12. Paalujen keskiöetäisyyksien vähimmäisarvot. [1 s. 171.] Paalun pituus Tuki- ja kitkapaalu Koheesiopaalu [m.] Pyöreä Neliömäinen Pyöreä Neliömäinen 10 2,7*d 3*d 4*d 4,5*d Väliarvot interpoloidaan 5*d 5,6*d 25 3,5*d 4*d 6*d 6,8*d
42 Paalutuksen toteutumapiirustus Paalutuksen toteutumapiirustuksen laatii urakoitsija tai suunnittelija ja piirustuksesta vastaa rakennuttaja. Toteutumapiirustus laaditaan paalutuskartalle ja tarvittaessa täydennetään rakenne- tai maaperäleikkauksin ja -taulukoin. Toteutumapiirustuksessa esitetään seuraavat tiedot: Paalujen tunnukset Paalujen yläpään ja kärjen taso sekä toteutunut pituus Vaurioituneet paalut, jotka eivät toimi rakenteessa Korvaavat paalut ja lisäpaalut tunnuksineen Anturoihin ja laattoihin tehdyt levennykset ja sidontapalkit Toteutuneet sijainnit merkitään seuraavasti: sijainti- ja kaltevuustoleranssien sisällä olevat paalut suunnitellulla paikallaan toleranssit ylittäneet paalut toteutuneella paikallaan. [10.] 6 Esimerkkitapaus Esimerkkikohde on teollisuushalli, jossa on paaluantura neljällä paalulla. Rakenne kuuluu geotekniseen luokkaan GL2 ja seuraamusluokkaan CC2. Geoteknusen luokan GL2 ja seuraamusluokan CC2 perusteella määräytyy rakenteelle paalutustyöluokka PTL2. Esimerkkitapauksessa käytettään TB300b 300x300mm 8 metriä pitkiä paaluja. Paalut tukeutuvat kallioon tai erittäin kovaan maakerrokseen ja toimivat tukipaaluina. Kuvassa 6 on esitetty esimerkkitapauksen paaluantura.
43 37 Kuva 6. Paaluantura. 6.1 Geoteknisen kantavuuden laskenta Tukipaalun geotekninen kantavuus määräytyy paalun rakenteellisen kantavuuden perustella seuraavasti: Betonin puristuskestävyys: f ck = 35 Mpa Paalun poikkileikkauksen pinta-ala: A c = 300mm*300mm = 90000mm 2 Raudoitusterästen myötölujuus : f yk = 500 Mpa Raudoitusterästen pinta-ala (4T16): A s = 4*p*r 2 = 4*p*8 2 mm 2 = 804mm 2 Suurin sallittu puristusrasituksen aikaansaava keskeinen lyöntivoiva asennettaessa: ; ö = 0,8 = 0, = 2520 (Taulukko 10) Suurin kestävyyden ominaisarvo paalutustyöluokassa PTL2: ; ; 0,8 ; ö ; ; = 0, = 2016 (Taulukko 10)
44 38 Suurin mahdollinen vetolyöntivoima asennettaessa F t;lyönti : ; ö = 0,9 = 0, = 361 (Taulukko 11) Paalun varren momenttikestävyys: 1,0 0,8 ; ö (4.1) Redusoitu pintahitaussäde: = ( 6 ), (4.2) kerroin k red = 0,57 ( 500 ) + 0,57 (4.3) suhteellinen teräsmäärä = = = 0,89 % kerroin = 0,57 ( ) 0,89% + 0,57 = 1,077 (4.3) pintahitausmomentti I = h 12 = = 0, (4.1) paalun poikkileikkauksen pinta-ala: A = 300 mm * 300 mm = mm 2 Redusoitu pintahitaussäde: = ( 6 ), = 1,077 (0, ,09), = 0,038 Paalun varren momenttikestävyys:
45 39 = 1,0 0,8 ; ö = 1,0 0, ,038 = 76,6 (Kappale 4) Rakenteen on kestettävä momentti taivutuskokeessa. Laskennalla simuloidaan koetta, mistä syystä laskennassa käytetään lujuuksien ominaisarvoja. Tarkistetaan paalun poikkileikkauksen momentinkestävyys. a cc = 1 g c = 1 g s = 1 Lasketaan paalun TB300b varren momenttikestävyys M k : Paalun leveys: b = 300 mm, paalun korkeus: h = 300 mm. Puristusterästen etäisyys paalun puristuspinnasta: = = 43 Vetoterästen etäisyys paalun alapinnasta: = = 43 Tehollinen korkeus: =h = = 257 Puristusterästen pinta-ala 2T16: A sc = 2*p*r 2 = 2*p*8 2 mm 2 = 402 mm 2 Vetoterästen pinta-ala 2T16: A st = 2*p*r 2 = 2*p*8 2 mm 2 = 402 mm 2 Raudoituksen myötölujuus: f yk = 500 MPa Betonin puristuslujuus: f ck = 35 MPa Betonin murtopuristuma: e cu = 0,0035 Raudoituksen kimmokerroin: E s = MPa
46 40 Terästen myötörajavenymä: = = = 0,0025 Neutraaliakselin paikka x, kun f ck 50 MPa Tasapainoehto = + ratkaistaan tasapainoehdosta yhtälöiden avulla neutraaliakselin paikka x: = ( )± ( ),, = ± ( ),,, = 32,08 Ratkaistaan x:n avulla puristuspinnan tehollinen korkeus, puristusterästen venymä, betonin puristuskapasiteetti ja puristusterästen kapasiteetti. Puristuspinnan tehollinen korkeus: =0,8 = 0,8 32,08 = 25,66 Puristusterästen venymä = ( ) = 0,0025 (43 32,08 ) 32,08 = 0,00085 Betonin puristuskapasiteetti: = = ,66 35 = 269 Vetoterästen vetovoimakapasiteetti: = = = 201
47 41 Puristusterästen kapasiteetti: = = , = 68 Tarkistetaan tasapainoehto = + = = 269 Sisäinen momenttivarsi: = = 257, = 244,17 Momenttikapasiteetti:, = +, = , ,66 = 51,1 2, = 51,1 76,6 Paalua ei voida lyödä paalutustyöluokan PTL2 geotekniseen kestävyyteen R k;geo;max = 2016 kn, joten redusoidaan geotekninen kestävyys vastaamaan momenttikestävyyttä M k,l. ; ; =0,8 ; ö, = 0,8 2520,, = 1344 Geoteknisen kestävyyden maksimiarvo vastaa keskeistä jännitystä: = ; ; =, = 14,9 Tarkistetaan, että lyönninaikaiset vetorasitukset eivät ole liian suuret. Vetovoima ei ylitä arvoa: F t;lyönti = 361 kn
48 42 ; ö = ; ö =, =4 Keskeinen puristusvoima ei ylitä arvoa: F c;lyönti = 2520 kn ; ö = ; ö =, = 28 Jaetaan laskettu R k;geo;max määritystavasta riippuvalla korrelaatiokertoimella x, niin saadaan paalun geoteknisen kestävyyden ominaisarvo. Esimerkkilaskussa paalujen geotekninen kestävyys on koestettu viiden paalun dynaamisella koekuormituksella, joka edustaa 5-40 % koestusotosta. Tällöin korrelaatiokerroin x 5 = 1,50 (taulukko 9). Geoteknisen kestävyyden ominaisarvoksi saadaan: ; ; ; =, = 896 Jaetaan geoteknisen kestävyyden ominaisarvo kokonaiskestävyyden osavarmuusluvulla g t = 1,2. Lyömällä asennetun paalun TB300b geoteknisen kestävyyden mitoitusarvo paalutustyöluokassa PTL2 saa olla enintään: ; = ; =, = 746 Esimerkkitapauksen paalujen keskiöetäisyyden e k vähimmäisarvo on suurempi arvoista 800 mm tai 3*d = 3*300 mm = 900 mm. Paaluanturan reunan minimietäisyys paalusta on puolet paalun sivumitasta lisättynä paalun sallitulla sijaintipoikkeamalla (d/2)+150 mm = (300 mm / 2) mm = 300 mm. Kuvassa 7 on esitetty esimerkkitapauksen paaluantura.
49 43 Kuva 7. Esimerkin tapauksen paaluantura. 7 LPO-2005 ja PO-2011 vertailu Merkittävät muutokset eurokoodin mukaiseen mitoitukseen on terminologiamuutos ja mitoitusmenetelmän muutos. Eurokoodin mitoitusmenetelmä perustuu osavarmuuslukumenetelmään kun taas lyöntipaalutusohje-2005 perustuu kokonaisvarmuuslukumenetelmään. Eurokoodi 7:llä on käytössä poikkeavia nimikkeitä. Merkittävin nimikemuutos on kantavuuskäsitteen korvaaminen kestävyydellä. Esimerkiksi uudet nimikkeet ovat kantokestävyys, liukumiskestävyys jne. rakennesuunnittelustandardien mukaan. Maan kitkakulman sijasta eurokoodissa käytetään termiä leikkausvastuskulma. Aikaisemman osavarmuuslukumenetelmän laskenta-arvo on korvattu mitoitusarvolla. Suomessa on ollut mahdollista käyttää osavarmuuslukumenetelmää geoteknisessä suunnittelussa jo 1980-luvulla lähtien. Menetelmän käyttö on ollut hyvin vähäistä. Mitoitus on tehty pääasiassa kokonaisvarmuuslukumenetelmällä. Eurokoodissa on muuttunut myös paalutustyöluokan määritys. Aikaisemmin LPO-2005 mukaan korkein paalutusluokka 1 on muuttunut vaativimmaksi paalutustyöluokaksi PLT3. Muutoksia on myös suunnitelmissa. LPO-2005 mukaan oli ainoastaan annettava paalukuorma ja kokonaisvarmuuskertoimilla saatiin vaadittu kantavuus paaluille. Eurokoodissa varmuus kohdistetaan sekä kuorma- että kestävyyspuolelle, jolloin eurokoodissa on useampia kertoimia.
50 44 Eurokoodin järjestelmä on tuonut uutta ensisijaisesti paaluvalmistajille ja suunnittelijoille. Paaluttajan kannalta eurokoodijärjestelmä ei ole tuonut merkittävästi uutta. Taulukossa 13 on esitetty Lyöntipaalutusohje LPO-2005 ja Paalutusohje 2011 vertailua. Taulukko 13. Vertailutaulukko [1.][2.] LPO-2005 ja PO-2011 vertailua Vertailtavat ohjeet LPO-2005 PO-2011 Suunnittelujärjestelmä RAKMK, kokonaisvarmuusluku Eurokoodi, osavarmuuslukumenetelmä menetelmä Pohjatutkimus B3 ja EN SFS-EN ja SFS-EN Paalutusluokat Vaativuusluokat A ja AA Paalutusluokat PL3, PL2, PL1 Seuraamusluokitus CC3-CC1 Geotekninen luokitus GL1- GL3 Paalumerkintä Valmistaja, valupäivä, paalun tyyppi, pituus, paino, tarkastetun valmistuksen toimielin merkki Paalutustyöluokat PTL1-PTL3 CE-merkintä Betoni K45 (C35/45), K50 (C40/50) C35/45, C40/50 Betoniteräs A500HW, A700HW, B500K, B700K Paalunvarusteet Kalliokärjet, maalevyt, mekaaniset jatkoskappaleet A500HW, A700HW, B500K, B700K Kalliokärjet, maalevyt, mekaaniset jatkoskappaleet Paalun geotekninen mitoitus Geotekninen kantavuus: keskeinen puristusjännitys, paalutuskaavat R m Geotekninen kestävyys: suositus dynaaminen koekuormitus ja laskenta korrelaatiokertoimien avulla, R c;d. Voidaan myös käyttää paalutuskaavoja. Dynaamista koekuormitusta käyttämällä saadaan samalle paalulle parempi ja luotettavampi geoteknisen puristuskestävyyden mitoitusarvo R c;d. (3.3.4) Paalun mitoitus rakenteellinen Puristus, lyönti, nurjahdus, veto, taivutus, leikkaus Puristus, lyönti, nurjahdus, veto, taivutus, leikkaus
51 45 Rakennesuunnitelma Paalujen sijaintipiirustus, katkaisutapa ja tarkkuus, paaluperustuspiirustus, rakennelaskelmat Paalujen sijaintipiirustus, katkaisutapa ja tarkkuus, paaluperustuspiirustus, rakennelaskelmat Paalun katkaisu 50 mm anturan alapintaa ylempää 50 mm anturan alapintaa ylempää Keskiöetäisyydet Kappale 5. Kappale 5. Paalun reunaetäisyys Kappale 5. Kappale 5. anturasta Paalutustyönjohtaja RakMk osa A1, maakäyttö- ja rakennuslaki, teknillinen- tai korkeakoulututkinto ja useamman vuoden työkokemus paalutuksesta. RakMk osa A1, maakäyttö- ja rakennuslaki, teknillinen- tai korkeakoulututkinto ja useamman vuoden työkokemus paalutuksesta. Paalutuskalusto Junttan PM 20 LC. SFS-EN 996 Junttan PM 20 LC. SFS-EN 791 ja SFS-EN 996 Paalun asennus Painuma mm/lyönti Painuma mm/lyönti Ympäristön huomiointi Tärinä, melu, pohjavesi, maan huokosveden nousu, muut paalut, johdot, kaivannot, vesistöalueet, ympäröivät rakennukset. Tärinä, melu, pohjavesi, maan huokosveden nousu, muut paalut, johdot, kaivannot, vesistöalueet, rakennukset. ympäröivät Laadunvarmistus Paalutusluokassa II tukipaalujen loppulyöntiehdot tarkistetaan paalutuskaavojen avulla, painopisteiden ja sijaintien tarkastaminen. Paalujen ja ympäristön mittapisteiden siirtymien seuranta. RakMk A1 määrittelee työnjohdon paalutukselle. Tukipaaluille suositellaan dynaamista koekuormitusta, loppulyöntiehtojen määrittämiseksi, töitä valvotaan standardin EN mukaisesti. Materiaalien laadunvalvonta standardin SFS-EN mukaisesti. Paalujen lopullisen sijainnin mittaus ja painopisteiden laskeminen. Työturvallisuus Paalutuskaluston täytyy täyttää standardin SFS-EN-996 vaatimukset. Paalutuskaluston täytyy täyttää standardin SFS-EN-996 ja SFS-EN-791 vaatimukset. Dokumentointi Suunnittelija Rakennustyön asiakirja, paalutustyön tarkastusasiakirja. Suunnitellut paalut lyödään ja lisätään tarvittaessa. Geoteknisen kantavuuden määritys paalutuskaavoilla. Rakennustyön asiakirja, paalutuspöytäkirja kaksiosainen: yleinen osa ja paalukohtainen osa. Dokumentointi standardin SFS-EN mukaisesti. Koepaalutus dynaamiset koekuormitukset geoteknisen kestävyyden määritys paalujen lisääminen tai vähentäminen. Nämä vaiheet huomioitava suunnitteluvaiheessa.
52 46 8 Yhteenveto Tässä insinöörityössä oli tarkoituksena tehdä kirjallisuustutkimus nykyisen paalutusohje 2011:n soveltamiseksi teräsbetonisen lyöntipaaluperustuksen suunnittelussa ja mitoittamisessa. Työssä selvitettiin eri suunnitteluprosessin vaihtoehtoja. Työssä tehtiin myös vertailua nykyisen paalutusohjeen PO-2011 ja edellisen lyöntipaalutusohjeen LPO-2005 keskeisistä asioista. Vertailun tarkoituksena oli selvittää, mitkä asiat ovat muuttuneet eurokoodin tulon mukana. Haastavin asia eurokoodin suunnitteluprosessissa on geoteknisen luokan määrittäminen ja sen vaikutus geotekniseen kestävyyteen. Myös suunnitteluvaiheessa on tehtävä rakennuspaikan alueen jakaminen yhdenmukaisiin alueisiin. Tämän asian osalta valitaan mittausten määrä, josta saadaan vastaavasti ξ - korrelaatiokertoimet. Kaiken kaikkiaan aikoinaan ennalta ehdottomiksi määritetyt paalutusluokkakohtaiset sallitut paalukuormat ovat muuttuneet riippuvaiseksi monista tekijöistä suunnittelussa ja urakoinnissa. Yksi keskemmistä asiasta oli selvittää mikä on yksi oikea menettely paalun geoteknisen kantavuuden määrittämiseksi. Eurokoodi korostaa staattista koekuormitusmenetelmää. Tämä johtuu eurokoodin laatijoiden kokemustaustoista. Tukipaalu, jonka geoteknien kestävyys osoitetaan lyöntityön vastuksen avulla, oli suhteellisen vieras Eurokoodin laatijoille. Eurokoodia laadittaessa ei ole huomioitu pohjoismaita, jolloin pohjoismaiden käytännöt jäivät kirjautumatta. Järkevin ja luotettavin menetelmä määritellä tukipaaluille geotekninen kantavuus on dynaaminen koekuormitus. Siltarakenteissa ja vaativissa kohteissa näin toimitaan aina. Jos kohteessa on helpot olosuhteet ja pienet paalukuormat, niin voidaan käyttää loppulyöntiehtomenetelmää. Työssä selvisi, että ehjään kallioon tai tiiviiseen maakerrokseen tukeutuvan tukipaalun geotekninen kantavuus on paalun rakenteellinen kestävyys. Työssä on käyty esimerkkitapauksella esittäen läpi paalun rakenteellisen kantavuuden mitoitusprosessi. Paalutusohjeiden vertailussa todettiin, että merkittävästi uutta ei ole tullut paaluttajan kannalta. Muutokset ohjeiden välillä koskevat ensisijaisesti paaluvalmistajia ja suunnittelijoita. Luokkamäärittelyt ovat menneet uusiksi. Uudet suunnitelmat ovat erilaisia verrattuna vanhoihin, jossa oli ainoastaan annettu paalukuorma ja kokonaisvarmuusker-
53 47 toimilla saatiin vaadittu kantavuus paaluille. Eurokoodissa varmuus kohdistetaan sekä kuorma- että kestävyyspuolelle, jolloin eurokoodissa on useampia kertoimia. Erokoodien useat kertoimet ja uusi terminologia saattavat vaikuttaa suunnittelijoista epäselviltä. Tämä saattaa johtaa siihen, että suunnitelmissa viitataan väärin ohjeisiin tai että suunnitelmat ovat puutteellisia. Suunnitelmissa termit saattavat sekoittua, ja paaluille asetettavat vaatimukset (esimerkiksi paalun murtokestävyys dynaamisessa kuormituksessa) saattavat jäädä epäselviksi.
54 48 Lähteet 1 Suomen Rakennusinsinöörien Liitto RIL ry RIL Paalutusohje Saarijärven Offset Oy. 2 Suomen Rakennusinsinöörien Liitto RIL ry RIL , Lyöntipaalutusohje LPO Hakapaino Oy. 3 Suomen standardisoimisliitto SFS SFS-EN 1990 Eurokoodi, Rakenteiden suunnitteluperusteet. Helsinki: Suomen standardisoimisliitto. 4 Ympäristöministeriö Eurokoodi 7, Geotekninen suunnittelu, Kansallinen liite. Helsinki: Ympäristöministeriö. 5 Suomen Rakennusinsinöörien Liitto RIL ry RIL , Geotekninen suunnittelu eurokoodin EN suunnitteluohje. Hansaprint Oy. 6 Jääskeläinen, Raimo Pohjarakennuksen perusteet. Jyväskylä: Gummerus Kirjapaino Oy. 7 Liikennevirasto Eurokoodin soveltamisohje Geotekninen suunnittelu NCCI 7, siltojen ja pohjarakenteiden suunnitteluohjeet. Helsinki: Liikennevirasto. 8 Rantamäki, Martti. Tammirinne, Markku Pohjarakennus 465. Helsinki: Otatieto. 9 Törnqvist, Jouko Betoniteollisuuden paaluseminaari VTT. 10 Honkala, Anssi PO-2011 valvojan näkökulmasta. Tampere: Viakon Infra Oy.
55 Liite 1 1 (1) Mitoitusprosessin luku mitoitusmenetelmillä DA2 ja DA2*. [7 s. 20.]
56 Liite 2 1 (1) Laskentakaavio: Paalun puristuskestävyys pohjatutkimustulosten perusteella. [5. S. 143.] Numerot suluissa viittaavat RIL lukuun.
Lyöntipaalutuksen loppulyöntikriteerien optimointi iskuaaltomittauksella
Karoliina Pesola Lyöntipaalutuksen loppulyöntikriteerien optimointi iskuaaltomittauksella Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten. Espoossa 24.5.2018