MISKA LEHTINENBETONIRAKENTEIDEN JÄNNITTÄMINEN JA ANKKUROINTI

Kandidaatintyö

Tarkastaja: Yliopistonlehtori Olli Kerokoski

i

TIIVISTELMÄ

MISKA LEHTINEN: Betonirakenteiden jännittäminen ja ankkurointi (engl. Prestressing and anchoring of concrete structures)Tampereen teknillinen yliopistoKandidaatintyö, 25 sivua, 0 liitettäTammikuu 2016Rakennustekniikan tutkinto-ohjelmaPääaine: RakennesuunnitteluTarkastaja: Yliopistonlehtori Olli KerokoskiAvainsanat: Ankkurointi, jännittäminen, betoni, rakennesuunnittelu,

Tämän kandidaatintyön tavoitteena on selvittää betonista valmistettujen rakenteiden jännittämisen teoriaa sekä vertailla yleisiä ankkurointimenetelmiä. Lisäksi työssä selostetaan ankkuroinnin suunnittelun vaiheita ja tutkitaan rakenteen eri tekijöiden vaikutuksia lopputulokseen. Betonin jännittämisessä keskityttiin menetelmistä yleisimpään eli mekaaniseen jännittämiseen.

Tehtävä suoritettiin kirjallisuusselvityksenä, jonka lähteinä toimivat useat alan kirjat, tieteelliset artikkelit ja raportit. Aineiston luotettavuutta pyrittiin arvioimaan usein eri tavoin ja mahdollisuuksien mukaan käyttämään alkuperäisiä lähteitä. Työn pääteemojen paikkansapitävyys maksimoitiin käyttämällä niissä useita lähteitä.

Selvityksessä käy ilmi betonin jännittämisestä saatavien hyötyjen lisäksi eri jännittämismenetelmien etuudet ja ongelmakohdat. Ankkurointimenetelmiä vertailtaessa huomataan, että monessa tilanteessa usea vaihtoehto tuottaa yhtä toimivan tuloksen, joten valinnan perusteeksi muotoutuu lähes poikkeuksetta hinta. Ankkuroinnin suunnittelussa käsittelevässä luvussa saadaan selville, että nykyään mallintamista hyödyntäen pystytään betonin käyttäytymistä ennustamaan hyvin tarkasti, mutta monien tekijöiden vaikutukset ovat vielä epäselviä. Näiden tekijöiden lisätutkiminen olisi mielenkiintoinen lähtökohta seuraavalle tutkimukselle.

ii

SISÄLLYSLUETTELO

1. JOHDANTO..............................................................................................................12. BETONIRAKENTEIDEN JÄNNITTÄMINEN.......................................................2

2.1 Betonin jännittäminen.....................................................................................22.2 Betonin jännitystavat......................................................................................4

2.2.1 Esijännitys........................................................................................42.2.2 Jälkijännitys......................................................................................6

3. ANKKUROINNIN SUUNNITTELU.......................................................................83.1 Suunnittelun aloittaminen...............................................................................83.2 Ankkureiden sijoittelu..................................................................................113.3 Raudoituksen määrittäminen........................................................................133.4 Jännityshäviöt...............................................................................................14

3.4.1 Välittömät jännityshäviöt...............................................................153.4.2 Ajan myötä tapahtuvat jännityshäviöt............................................15

4. ANKKUROINTIMENETELMÄT.........................................................................174.1 Jänteiden ankkurointi....................................................................................174.2 Freyssinetin menetelmä................................................................................184.3 Magnel-Blatonin menetelmä........................................................................204.4 Presconin menetelmä....................................................................................214.5 Lee-McCallin menetelmä.............................................................................224.6 Muut menetelmät..........................................................................................23

5. YHTEENVETO......................................................................................................25LÄHTEET.......................................................................................................................27

1

1. JOHDANTO

Betoni on tällä hetkellä maailman suosituin rakennusmateriaali, koska sen hinta-laatusuhde on erinomainen. Se on kestävä, halpa ja helposti asiakkaalle räätälöitävissä oleva materiaali. Betonirakenteiden hyödyt pystytään maksimoimaan jännittämällä se ennen käyttöä. Betonin jännitykseen käytetään yleensä teräsjänteitä, jotka kiinnitetään ankkureilla betonirakenteen kumpaankin päähän. Tämä kandidaatintyö käsittelee betonin jännittämiseen liittyvää teoriaa ja eri ankkurointimenetelmiä. Työn tarkoituksena on selventää betonin jännittämisen etuja, jännittämisen suunnitteluun tarvittavaa teoriaa sekä vertailla eri menetelmien hyötyjä.

Rakenteiden jännittäminen kantavuuden lisäämiseksi keksittiin jo satoja vuosia sitten, mutta periaatetta hyödynnettiin betoniteollisuudessa vasta viime vuosisadan alkupuolella. Siitä lähtien erilaisia jännittämismenetelmiä on tullut ja mennyt, mutta idea rakenteen ominaisuuksien parantamisesta jännittämällä on yleistynyt rakennusmarkkinoilla. [2, s. 10]

Betonin jännittäminen lisää rakenteen kantavuutta ja samalla vähentää tarvittavan materiaalin määrää. Työn alussa selostetaan betonin jännittämisen hyötyjä, tutkitaan sen teoriaa sekä vertaillaan eri jännitysmenetelmiä. Markkinoilla on käytössä yleisesti kaksi jännitysmenetelmää, joista toinen on betonin esijännittäminen ja toinen on betonin jälkijännittäminen. Esijännitys tapahtuu jo tehtaalla rakenteen valmistusvaiheessa ja jälkijännitys usein vasta työmaalla. [6, s. 662]

Jännityksen siirtäminen teräsjänteiltä betoniin tapahtuu yleensä joko betonin ja teräksen välisen tartunnan, jänteiden ankkuroinnin tai niiden yhdistelmän avulla. Jänteiden ankkurointitapoja on useita ja tässä kandidaatintyössä käydään läpi niistä yleisimpiä. Samalla selvennetään menetelmien etuja, käytännöllisyyttä ja markkinasuosiota.

Ankkuroinnin suunnittelu on yksityiskohtaista ja virhealtista työtä. Onnistumisia pidetään itsestäänselvyyksinä ja epäonnistumiset ovat usein kalliita ja vaikeasti korjattavia. Neljännessä kappaleessa käydään läpi ankkurointisuunnittelun teorian pääosa-alueet ja pohditaan ratkaisuja mahdollisten jännityshäviöiden minimoimiseksi.

2

2. BETONIRAKENTEIDEN JÄNNITTÄMINEN

2.1 Betonin jännittäminen

Betoni on rakennusmateriaali, joka koostuu runkoaineesta, sementistä ja vedestä sekä usein myös lisä- ja seosaineista. Se kestää suuria puristusvoimia, mikä on erittäin tärkeää rakennusteollisuudessa, mutta sillä on alhainen vetolujuus. Betoni on erittäin suosittu rakennusmateriaali, mutta se ei yksinään pysty täyttämään rakentamismateriaaleille asetettuja vaatimuksia. Suunniteltu rakenne täytyy pystyä mitoittamaan mahdollisimman taloudellisesti siten, että se riittävällä todennäköisyydellä säilyttää kelpoisuutensa koko suunnitellun käyttöikänsä ajan [5, s. 485]. Betonirakenteesta voidaan kuitenkin muodostaa tehokkaasti kuormia kantava rakenne asentamalla vahvistavaa raudoitusta betoniin vastaanottamaan vetojännityksiä. Raudoitettua betonia kutsutaan teräsbetoniksi, jossa betoni välittää puristusjännitystä ja teräs vetojännitystä. Teräsbetonissa teräsosat asennetaan ennen valua betoniin, jonka kantavuus kasvaa betonin kovettua entisestään raudoitteen johdosta.

Betonin jännittämisellä tarkoitetaan betonin sisällä olevien ankkuroitujen teräsjänteiden jännittämistä, jotka puristavat betonia kasaan. Tämä saadaan aikaan venyttämällä jänteitä, jotka pyrkivät palaamaan alkuperäiseen muotoonsa. Kun jänteet on kiinnitetty betoniin, siirtyy jännitys betonin puristukseksi.

Jännittämisen tarkoituksena on poistaa vetolujuuden aiheuttamat haitat ja käyttää taloudellisesti hyväksi betonin erinomainen puristuslujuus. Jännittäminen parantaa betonin venymiskapasiteettia eli elastisuutta, väsymisen kestävyyttä ja rakenteen vetolujuutta [1, 1.1]. Jännityksen avulla betonipalkille saadaan lisää rakenteellista jäykkyyttä ja kantavuutta. Samalla teräsmääriä voidaan pienentää ja jänneväliä pidentää. Näin palkeista tulee myös kevytrakenteisempia. Nämä tekijät myös antavat betonirakenteille pidemmän iän. [6, s. 662]

Betonirakenteen päälle kasautuu lähtökohtaisesti aina painoa. Kuormitus aiheuttaa rakenteen sisälle vetojännitystä ja se taipuu ajan myötä kuvan 1a mukaisesti. Tämä on erittäin epäsuotuisaa rakentamisessa, sillä taipuva betonirakenne aiheuttaa rakenteessa muodonmuutoksia ja rakenteiden välisiä jännityksiä. Pahimmassa tapauksessa rakenteet voivat haljeta. Kuvassa 1b teräsjänne on jännitetty betonin sisään luoden palkin alaosaan puristusjännityksen ja yläosaan jopa pienen vetojännityksen. Jännitykset aikaansaavat palkissa taipuman, joka on peilikuva 1a kuvaan verrattuna.

3

Kun taivutettuun jännebetonirakenteeseen kohdistetaan taas kuormitusta, sisäisellä puristusjännityksellä pyritään kumoamaan painon aiheuttama vetojännitys.

Kuva 1 Jännittämättömän ja jännitetyn palkin käyttäytyminen kuormitettaessa

[6, s.3].

Kun merkitään venytetyn jänteen aiheuttamaa puristusvoimaa F ja betonipalkin pinta-alaa A, niin jännitetyn palkin sisäinen jännitys on

f = FA (1)

Merkitään ulkoisten kuormien ja palkin massan aiheuttamaa momenttia tietyssä pisteessä palkkia M . Nyt voidaan ratkaista momentin aiheuttama ulkoinen jännitys, joka on

f = MyI , (2)

missä y on pisteen etäisyys palkin keskiakselista ja I on pisteen jäyhyysmomentti. Palkkiin vaikuttava kokonaisjännitys saadaan summaamalla sisäinen ja ulkoinen jännitys, joten tietyn pisteen kokonaisjännitys on kaavojen (1) ja (2) summa eli

f = FA

+ MyI . (3)

[2, s. 13]

Jännityksen vaikutusta havainnollistaa kuva 2, jossa palkin vetojännitys poistetaan puristamalla eli jännittämällä palkkia. Silloin palkin alaosan vetojännitys vaihtuu ylä- ja alaosan puristusjännitykseksi. Kuvaajien keskiviivan vasemmalla puolella on puristusjännitystä ja oikealla puolella vetojännitystä.

4

Kuva 2 Puristusvoiman aikaansaama puristusjännitys, kuorman aiheuttama veto- ja puristusjännitys sekä yhdistetty kokonaisjännitys. [2, s. 15]

2.2 Betonin jännitystavat

Jännitetyt betonirakenteet luokitellaan joko esijännitetyiksi tai jälkijännitetyiksi. Nimeäminen perustuu ajankohtaan, jolloin betonin sisään asetetut teräsjänteet ovat jännitetty. Esijännityksessä jännittäminen tapahtuu ennen valuvaihetta ja jälkijännityksessä valun jälkeen. Esijännitettyjä betonirakenteita valmistetaan lähtökohtaisesti tehtaalla, kun taas jälkijännitetyt valetaan pääsääntöisesti paikanpäällä. Esi- ja jälkijännittämisen vertailu on hankalaa, koska molemmissa tavoissa on hyvät ja huonot puolensa. Yleisenä nyrkkisääntönä pidetään, että jälkijännitys ei sovi hyvin lyhyisiin rakenteisiin eikä esijännitys massiivisiin. Tämä johtuu siitä, että massiivisten rakenteiden siirtäminen tehtaalta työmaalle on hankalaa ja kallista. Toisaalta lyhyiden jänteiden jännittämisessä on huomattavasti suuremmat riskit inhimillisiin virheisiin sekä suhteellisesti korkeammat ankkureiden ja suojaputkien hinnat. Jälkijännityksessä on kuitenkin mahdollisuus vaikuttaa jännitystulokseen vielä rakennustyömaalla. [4, s. 7−8]

Mekaanisen jännittämisen lisäksi muita tapoja ovat lämpöjännitys, jossa terästä kuumennetaan sähköllä. Lämpölaajennut jänne kiinnitetään muttereilla päistään betoniin, jolloin se jännittää betonia. Kemiallisessa jännityksessä laajentuva betoni jännittää siihen kiinnitetyt jänteet, jonka jälkeen jänteet vuorostaan jännittävät betonia. [2, s. 79]

2.2.1 Esijännitys

Jännitetyn betonirakenteen valmistuksessa esijännityksellä tarkoitetaan teräsjänteiden jännittämistä ennen betonivalua. Esijännitys on nimityksenä hieman harhaan johtava,

5

sillä itse betonia ei mitenkään esijännitetä, vaan sen jännittäminen tapahtuu aina vasta kovettuneella betonilla. Yksinkertainen tapa esijännittää betonia on hyväksikäyttää teräksen ja betonin välistä tartuntaa. Aluksi teräsjänne jännitetään kahden kiristimen väliin ja betoni valetaan jänteen ympärille. Kun betoni on kovettunut ja saavuttanut tarpeeksi suuren lujuuden, jänteet voidaan katkaista. Betoni on kovettuessaan tarttunut tiukasti teräkseen, joten vaikka jänteen päät vapautetaan, niin betonin sisällä teräs pyrkii edelleen lyhenemään kimmoisesti alkuperäiseen muotoonsa. Silloin jänteen jännitys osittain siirtyy betoniin ja muuttuu betonia puristavaksi voimaksi. Kuvassa 3a on havainnollistettu esijännitetty jänne, joka on jäykästi kahden kiinnitystuen välissä. Kuvassa 3b on jänteen ympärillä muotti, joka on täynnä valettua betonia ja kuvassa 3c kovettunut betoni on saavuttanut tarpeeksi suuren lujuuden ja esijännitetty jänne on irrotettu tuilta. [1, 1.1]

Kuva 3 Esijännitys tartuntamenetelmällä [1, 1.1].

Esijännitysmenetelmät kehittyivät huomattavasti vasta toisen maailmansodan jälkeen, kun suurin osa Euroopan silloista oli pommitettu. Huomattiin, että niiden uudelleen rakentaminen esijännitetyin betonirakentein oli selkeästi kestävämpi ratkaisu. Samaan aikaan Yhdysvalloissa oli huutava pula rakennusmateriaaleista, joten rakennesuunnittelussa oli suuri painoarvo käytettävän materiaalin minimoimisella. Esijännitettyjen rakenteiden suosio kasvoi, koska niihin kului vähemmän terästä ja niiden todettiin olevan pitkäkestoisempia ratkaisuja. [3, s. 989]

Esijännitettyjen betonirakenteiden suosion kasvaessa kuvan 3a-tyyppinen jännittämismenetelmä ei ollut enää tarpeeksi nopea, joten käyttöön otettiin niin kutsuttu Hoyerin menetelmä. Siinä kahden kiristimen väliin asennettava jänne on huomattavasti pitempi. Se sallii usean kymmenen betonirakenteen valmistamisen samanaikaisesti yhdellä jänteellä. Betonin kovettuessa tarpeeksi, jänne vapautetaan ja jänteet katkaistaan elementtien väleistä. Tämä tuotantotapa on selkeästi kustannustehokkaampi ja se onkin suosittua tehdastuotannossa yksinkertaisuutensa takia. [2, s. 69]

6

2.2.2 Jälkijännitys

Jännitettyjä betonirakenteita, joiden teräsjänteet on jännitetty vasta betonin kovettumisen jälkeen, kutsutaan jälkijännitetyiksi. Jälkijännitetyistä tavoista yleisimmässä eli mekaanisessa jännittämisessä, betoniin on asetettu suojaputkia ennen valuvaihetta ja työmaalla jänteet asetetaan putkien läpi ja jännitetään. Jännitys siirtyy betoniin ankkureiden avulla, mitkä asennetaan betonirakenteen päihin. Jännittäminen tapahtuu usein tunkilla, kuva 4, mikä toimii hydraulisesti helppokäyttöisyyden ja energiatehokkuutensa takia. Hydraulitunkissa, kuva 5, on sähköinen moottori, joka pumppaa öljyä sylinterille, joka liikuttaa jännettä ja jännittää sen. Nestepumppujen koko vaihtelee paljon ja niillä voi jännittää teräsosia koosta ja tarpeesta riippuen 30 kN voimasta aina 10 MN:iin. Tunkit jännittävät ankkurointimenetelmästä riippuen joko yhden jänteen tai useita kymmeniä kerrallaan. [2, s. 73−74]

Kuva 4 Jänteiden jännittäminen tunkilla [11, s.22].

7

Kuva 5 Hydraulitunkki ja sitä operoiva sähköpumppu [2, s.74].

Kaapelit jännitetään joko ankkuroimalla ne toisesta päästä ja kiristämällä toisesta tai kiristämällä niitä samanaikaisesti molemmista päistä. Jälkimmäinen menettelytapa vaati kaksi tunkkia, mutta nopeuttaa toimintaa sekä vähentää suojaputken ja kaapeleiden välisiä kitkahäviöitä. Jännitys siirtyy betoniin joko ankkurin kautta tai betonin ja teräksen välisen tartunnan avulla. Tartunta saadaan aikaan injektoimalla tuoretta betonia ankkureiden reikien kautta suojaputkeen, jossa se levittyy jännitettyjen jänteiden ympärille koko putken mitalta. Betonin liimasidos jakaa betoniin kohdistuvia paikallisia jännityksiä tasaisemmin kuin pelkkä jänne, mutta aiheuttaa aina lisäkustannuksia.

Jälkijännittäminen on ideaali pitkäaikaisilla ja isoilla rakennustyömailla, joissa käytetään paljon betonia rakennusmateriaalina. Niissä jännitetään paljon betonirakenteita vasta itse työmaalla, joten jännittämiskulut ovat vain pieni osa kokonaiskustannuksista. Tärkeimpiä käyttökohteita ovat massiivisten rakenteiden, kuten betonipatojen, – tankkien ja siltojen rakentaminen ja ydinreaktorien suojabetonoinnin vahvistaminen. [8, s. 79]

8

3. ANKKUROINNIN SUUNNITTELU

3.1 Suunnittelun aloittaminen

Ankkuroinnin suunnittelu on monimutkainen prosessi, jossa jokainen ankkurointi on ainutlaatuinen mitoituskohde. Kun jännevoimat siirretään betoniin ankkureilla, jänteiden betonille aiheuttamat puristusvoimat keskittyvät suhteellisen pienelle alueelle. Jännitetyissä palkeissa, joissa poikkipinta-ala ei ole suorakaide, kuten I- ja T-palkeissa, palkin päät eivät välttämättä kestä rasitusta. Niiden päät laajennetaankin usein suorakaiteiksi, joita kutsutaan erikseen päätykappaleiksi. Laajennus tehdään jonkin matkaa molemmista päistä, jotta ankkurointi ja raudoitus pystytään suorittamaan turvallisesti. Lisäraudoitus on erityisen tärkeää päätykappaleissa, joissa niitä tarvitaan vastustamaan ankkureiden aiheuttamia keskittyneitä leikkausvoimia. Päätykappaleet joutuvat kestämään erittäin suuria rasituksia ja saattavatkin pettää virheellisestä suunnittelusta johtuen. Vaurioituminen johtuu usein virheellisestä raudoituksesta tai ankkureiden ympärillä olevan betonin pettämisestä. Päätykappaleen korjaaminen on usein hankala ja kallis toimenpide, joten suunnittelun ja rakentamisen aikana onkin tärkeää ottaa huomioon kaikki ankkurointialueen olosuhteet. [1, 8.2]

Kuormien keskittyessä pienelle alueelle tasoleikkaukset eivät enää pysy tasoina eikä yksikertainen palkkiteoria päde mitoituksessa koko palkin matkalla. Palkin päissä on huomioitava siirtymämatka yksinkertaisen palkkiteorian jännitysjakauman aikaansaamiseksi. Siirtymämatka riippuu betonin lujuudesta, poikkipinta-alasta, raudoituksesta, ankkurointi menetelmästä ja teräsjänteiden jännityksestä. Tavoitteena on jakaa jännityksen aiheuttama voima mahdollisimman tasaisesti koko palkin poikkipinta-alalle. Markkinoilla olevissa standardiankkureissa käytetäänkin jäykkiä ankkurointilevyjä, jotka pyrkivät aiheuttamaan tasaisen voiman ankkurista betoniin. Kuvassa 12 näkyy ankkurointilevyn aiheuttama vaakasuuntainen voima päätykappaleeseen. Kuvassa näkyy myös miten palkin suuntainen puristusjännitys vaihtelee siirtymämatkalla. Lähellä päätyä palkin ulkoreunoissa on jopa vetojännitystä, kun taas siirtymämatkan toisessa päässä puristusjännitys on jo jakautunut tasaisesti koko poikkipinta-alalle. [1, 8.1–8.2]

9

Kuva 6 Puristusjännitysjakauma siirtymämatkalla a [1, 8.3].

Kuvan 12 palkin päätyosa on esitetty uudestaan kuvassa 13a, jossa ankkurointilevyn korkeutta on merkitty h:lla ja palkin korkeutta D:llä.

Kuva 7 a) Päätykappale, jossa yksi symmetrinen ankkuri

b) vapaakappalekuva ylemmästä puolikkaasta

c) jännitysresultantit ylemmästä puolikkaasta [1, 8.3]

Kuvassa on myös jännityksen aiheuttama voima P sekä siirtymämatka a. Kuvassa 13b on muodostettu päätykappaleen ylemmästä puoliskosta vapaakappalekuva. Tasapainoehdon avulla huomataan, että palkkiin vaikuttaa myös sisäinen momentti M b, joka on veto- ja puristusjännitysten resultantti. Momentin suuruus on vaakaleikkauksessa CC

10

M b=P2 (D

4− h

4 )=P ( D−h )8 . (4)

Momenttia kutsutaan lohkaisumomentiksi, joka aiheuttaa poikittaista puristus- ja vetojännitystä. Kuvan 13c betonipalkkiin saattaa syntyä kuvan 13a mukaisia vaakahalkeamia, koska vetojännitysten resultantti T on kauempana kuormitetusta pinnasta kuin puristusjännitysresultantti C. Jos päätykappaleessa olisi kaksi ankkuria asetettuna kauas toisistaan symmetrisesti ankkurointilevyineen, puristusjännitysresultantti C olisi kauempana. Nyt momentti olisi vastakkaisen suuntainen. Tätä momenttia M s kutsutaan lohkeilumomentiksi. Kuvassa 14 on havainnollistettu yhden tai kahden ankkurin aiheuttamat lohkeilu- ja lohkaisumomentit. [1, 8.3]

Kuva 8 Lohkeilu- ja lohkaisumomentit päätykappaleissa, joissa on yksi tai kaksi symmetristä ankkuria [1, 8.3].

Ankkuroinnin suunnittelussa päätykappaleet ovat kriittisiä ja monimutkaisimpia suunnitella. Yleensä jännitetyn betonirakenteen ankkuroinnin suunnittelu alkaa tarvittavan jännityksen suuruuden laskemisesta ja kyseisen jännityksen aiheuttamien staattisten momenttien laskemisella kriittisissä leikkauksissa. Suunnittelija on ensisijaisesti kiinnostunut sellaisista leikkauksista, joissa esiintyy maksimilohkaisu- ja maksimilohkeilumomentit. Staattisten momenttien laskeminen antaa mahdollisuuden lähestyä standardimalleista poikkeavia kohteita. Päätykappaleiden suuren vaihtelevuuden takia suunnittelijan on yleensä käytettävä laskennan lisäksi omaa päättelykykyä sisäisen momentin valinnassa ei-standarditilanteissa. Laskuissa on otettava huomioon myös mahdolliset halkeilut, jotka saattavat muuttaa siirtymäpituuksia. Jos mitoittaminen on tehty huolellisesti, päätykappaleiden käyttäytyminen on mahdollista ennustaa koko rakenteen elinkaaren ajaksi. [1, 8.5]

11

3.2 Ankkureiden sijoittelu

Suunnittelun pääidea on jännittämiseen tarvittavien ankkureiden ja jänteiden lukumäärän, koon ja jännitysjärjestyksen määrittäminen. Mitoittamisen jälkeen tarkistetaan palkin muut rasitukset ja varmistetaan palkin kestäminen. Vaikka haluttu jännityksen suuruus on jo tiedossa, ankkureiden lukumäärän valinta ja sijoittelu eivät ole aina yksinkertaisia päätöksiä. Usein monella eri vaihtoehdolla päästään haluttuun lopputulokseen, mutta niiden käytännöllisyys ja hinta vaihtelevat. Esimerkiksi kolmella ankkurilla, joissa kaikissa on yksi ohut jänne, voidaan betoniin luoda sama jännitys kuin yhdellä ankkurilla, jossa on yksi halkaisijaltaan suurempi jänne. Jälkimmäinen vaihtoehto on varmasti halvempi, mutta aiheuttaa suuret leikkausvoimat betonirakenteeseen [1, 8.3]. Silloin betonin leikkausraudoitusta täytyy lisätä, mikä taas lisää vaihtoehdon hintaa ja hankaloittaa valmistusta. Halutun jännityksen aikaansaaminen on monien eri vaihtoehtojen vertailemista ja niistä helpoimman, halvimman sekä kestävimmän vaihtoehdon arvioimista.

Tavoitteena on järjestää ankkurit siten, että voimien jakautuminen ankkureiden lähellä on mahdollisimman tasainen. Jännitys- ja momenttijakauma ovat hyvin erilaiset riippuen ankkureiden määrästä ja paikasta. Aluksi käydään läpi tilanne, jossa on n määrä ankkureita jakautuneena tasaisesti palkin päätyyn, kuten kuvissa 15a ja 15b on sijoitettu. Poikittaisten jännitysten jakautuminen muistuttaa hyvin tarkasti sellaista päätylevyä, jossa on yksi keskeinen ankkuri ja palkin korkeus olisi D /n. Siirtymäpituus on noin 1,3 D /n [1, 8.4]. Kuvassa 16 on kolme-ankkurinen päätylevy, jonka resultantti on epäkeskinen. Puristusjännitys siirtymäpituuden lopussa on kuitenkin tasaisesti jakautunut. Ankkurivoima on keskittynyt palkin alaosaan, joten alhaalla on myös suurempi puristusjännitys kuin ylhäällä [1, 8.4]. Palkin muodolla ei ole suurta vaikutusta jännityksiin, kunhan päätykappale on vähintään siirtymämatkan pituinen. Tästä johtuen kuvien mukaiset jännityskuvaajat pätevät suurimpaan osaan käytettävistä palkeista.

12

Kuva 9 Kaksi päätykappaletta, joissa on tasaisin välimatkoin sijoitetut ankkurit [1, 8.4].

Kuva 10 Päätykappale, jossa kolme ankkuria epäkeskisellä resultantilla [1, 8.4].

13

Suorakaiteen muotoista päätykappaleita ei kuitenkaan aina käytetä. Jännitettyjen ankkureiden vaikutusta ei ole vielä tutkittu tarkasti muun muotoisissa rakenteissa. Jo tehdyt tutkimukset ovat kuitenkin osoittaneet, että sellaiset palkit, joilla on yksi keskeinen ankkuri, kuten kuvassa 17a tai yksi ankkuri molemmissa laipoissa, kuten kuvassa 17b, käyttäytyvät hyvin samalla tavalla kuin päätylevyllisetkin palkit [1, 8.4]. On kuitenkin huomioitavaa, että jos ankkurit sijaitsevat laipoissa, tarvitaan huomattavasti suurempi halkaisuraudoitus laippoihin vastaanottamaan lohkaisujännityksiä.

Kuva 11 a) Keskeisen ankkurin lohkeilumomentti

b) laipoissa olevien ankkureiden lohkeilumomentti [1, 8.4].

Tässä luvussa käsitellyt poikittaiset jännitysjakaumat ovat saatu tutkimuksista, joissa jännitysvoima vaikuttaa, niin kuin yleensä on tapana, teräslevyn välityksellä. Ankkurointimenetelmällä ei kuitenkaan ole suurta vaikutusta poikittaisjännitysten jakautumiseen tai suuruuteen. Toisaalta ankkurit ovat olleet jokaisessa analyysissa myös pystysuoria. Useimmat ankkurit kuitenkin poikkeavat hieman pystysuorasta, koska jänteet asennetaan rakenteeseen kaarevasti. Myöskään 1:10 kaltevuudella ei ole merkittävää eroa lohkaisujännityksiin, joten analyysit ovat päteviä myös lähes suorakulmaan asennettujen ankkurointien tutkimisessa. [1, 8.4]

3.3 Raudoituksen määrittäminen

Betonirakenne raudoitetaan sen lujuuden lisäämiseksi. Raudoitustarve vaihtelee huomattavasti rakenteen eri osissa. Esimerkiksi koko palkin raudoittaminen yhtä

14

vahvasti on kallista ja turhaa työtä. Rakenteet raudoitetaankin yleensä kevyesti koko matkalta ja lisäraudoitetaan kriittisistä kohdista. Kriittisten kohtien laskeminen ei aina ole itsestäänselvyys. Suunnitteluvaiheessa palkin statiikan analysointi tulee suorittaa perinpohjaisesti. Säästö suunnittelussa voi olla huomattava menoerä palkin elinkaaren lyhetessä. Jännitetyissä betonirakenteissa jännitys keskittyy usein hyvin pienille alueille, jotka joutuvat kestämään suurimman osan koko rakenteen rasituksista. Nämä alueet ovat yleensä kuvan 12 mukaisesti siirtymäalueen sisällä. Paikalliset puristus- ja vetojännitykset murtavat helposti raudoittamattoman betonin. Päätykappaleet ovatkin aina raudoitettuja, niin pituus- kuin poikittaissuunnissa. Paikalliset jännitykset ovat niin suuria, että lisäraudoituksesta huolimatta päätykappaleet murtuvat jännebetonirakenteissa useimmiten. [1, 8.5]

Ankkuriraudoitus koostuu yleensä umpihaoista ja hitsatusta verkosta. Umpihaka on taivutettu ohut terästanko. Umpihakoja voi olla betonirakenteessa usein kymmeniä, jopa satoja. Raudoitusverkko on usean yhteen hitsatun pituus- ja poikittaissuuntaisen ohuen terästangon muodostama verkko. Verkkoa on kuitenkin vaikea sijoittaa suojaputkien, muottien ja muun ankkurointiin liittyvän metallitavaran ympärille. Yleensä päätykappaleet ovat täynnä raudoitusta, joten suunnitteluvaiheessa raudoituksen yksinkertainen ja toimiva sijoittelu on ensiarvoisen tärkeää. Kuvissa 18a ja 18b on poikki- ja pystyleikkausesimerkki systemaattisesta raudoituksesta. Raudoituksen tarkoituksena on siis vastustaa lohkaisujännityksiä heikentämättä kuitenkaan ankkureiden tuottamaa puristusjännitystä. [1, 8.5]

Kuva 12 Ankkuroidun palkin päädyn raudoituksen a) poikkileikkaus b) pystyleikkaus [1, 8.5].

Jotta raudoitus voisi toimia tehokkaasti, on se ankkuroitava luotettavasti. Tavallisimmin raudoitus ankkuroidaan teräksen ja betonin välisen tartunnan avulla. Sen

15

suuruuteen vaikuttaa tankojen pinnan laatu eli ovatko ne sileitä vai harjatankoja. Mikäli tartunnan aikaansaama voima ei riitä, voidaan raudoituksen ankkurointikestävyyttä kasvattaa lisäämällä teräkseen koukkuja, lenkkejä, hitsaamalla niihin poikittaistankoja tai asentamalla raudoitukseen tarkoitettuja ankkureita. [1, 8.5]

3.4 Jännityshäviöt

Jännitetyn betonirakenteen laskettu teoreettinen jännitys ei koskaan vastaa todellista. Jännityshäviöitä tapahtuu aina jännittämisen aikana eikä jännitys pysy vakiona ajan myötä. Jännityshäviöt voidaan jakaa kahteen kategoriaan: välittömät häviöt ja ajan myötä tapahtuvat häviöt. Välittömät häviöt tapahtuvat ennen jännityssiirtoa ja sen aikana. Ajan myötä tapahtuvat häviöt ilmenevät vasta jännittämisen jälkeen.

Jännityshäviöiden jälkeisen ns. tehollisen jännityksen täsmällinen määrittäminen on hankalaa, usein jopa mahdotonta. Oikean jännityshäviön laskeminen on vaikeaa, koska yhden tekijän aiheuttamat jännityshäviöt vaihtelevat jatkuvasti muiden tekijöiden yhteisvaikutuksesta. Nykyisin suunnittelijoilla on kuitenkin käytössään jo laajat määrät dataa ja tietokoneanalyysit ovat nopea ja helppo tapa tehdä ennustuksia, joten häviöiden suuruus on mahdollista ennustaa jo turvallisen tarkasti. Tekijöitä on useita, mutta kriittisimmät ovat kimmoinen kokoonpuristuminen, viruma, lukitushäviöt sekä teräksen relaksaatio. Kokonaisjännityshäviö jännitetyissä betonirakenteissa on yleensä 10–25% [1, 8.7].

3.4.1 Välittömät jännityshäviöt

Jännitetyissä betonirakenteissa osa jänneteräksen jännityksestä siirretään betoniin. Kun jännitys siirtyy teräksestä betoniin ankkuroinnin tai tartunnan avulla, betoni puristuu kokoon. Samalla jännitetyt jänteet pääsevät puristumaan kokoon, joten alkuperäinen jännitys laskee. Betoni puristuu kokoon kaavan

δ=Es f c

Ec[2, s. 91] (5)

mukaan, jossa δ on kokoonpuristuvuus,E s on teräksen kimmomoduuli, f c on betoniin vaikuttava jännitys eli jänteiden alkuperäinen jännitys ja Ec on betonin kimmomoduuli. Kokoonpuristuvuuden suuruus vaihtelee siis teräksen ja betonin laadun ja jännityksen

16

suuruuden mukaan. Jälkijännitetyissä betonirakenteissa kokoonpuristuvuus vaihtelee myös jänteiden lukumäärän mukaan. Ensimmäiseksi kiristetty jänne kärsii suurimman jännityshäviön, koska se pääsee puristumaan kokoon jokaisen muun jänteen kiristyksen aikana. Viimeisellä jänteellä ei ole jännityshäviötä, koska betoni antaa periksi kiristyksen aikana, joten jänne voidaan kiristää haluttuun jännitykseen. Yleensä kokoon puristuksen aiheuttama jännityshäviö on 5-10 prosentin luokkaa. Tätä ilmiötä voidaan kuitenkin pienentää ylijännittämällä hieman ensimmäisiä jänteitä. [2, s. 91]

Jännityshäviötä syntyy myös ankkuroinnin seurauksena. Jännittämisen jälkeen kiila-ankkurit päästävät jännettä itsensä läpi muutamista milleistä senttiin riippuen jännitysmenetelmästä. Siitä johtuen jänteen jännitys laskee. Muutos on sama jänteen pituudesta huolimatta, joten suhteellinen jännityksen aleneminen on paljon pienempi pitkillä jänteillä. [2, s. 103]

Muita huomionarvoisia välittömiä jännityshäviöitä ovat tartuntaliukuma jänteiden ankkuroinnin jälkeen ja jänteen ja suojaputken välinen kitka jännittämisen aikana.

3.4.2 Ajan myötä tapahtuvat jännityshäviöt

Ajan myötä tapahtuvat jännityshäviöt ovat tiukasti toisiinsa sidoksissa, joten niiden vaikutusten yksilöiminen on yleensä hankalaa. Toisaalta niihin vaikuttaa myös erittäin vahvasti betonin ominaisuudet. Betonin ominaisuudet ovat jokaisella rakenteella hieman erilaiset riippuen hydrataatiosta, valu- ja kuivumisolosuhteista. Vaikka jännityshäviöt ovatkin monen tekijän summa, niin nykyaikaiset tietokoneohjelmat pystyvät ennustamaan eri tekijöiden vaikutuksia monipuolisesti ja tarkasti.

Viruminen on jännityksestä johtuva betonin muodonmuutos, joka on aikariippuvainen. Viruman suuruus vaihtelee myös betonin laadusta ja jännityksen suuruudesta johtuen. Suurin osa virumasta tapahtuu kuitenkin jo ensimmäisen kuuden kuukauden aikana. Viruman aikaansaama betonirakenteen lyheneminen vähentää betonin sisällä olevaa jännitystä. Jänteiden jännitys alenee ajan myötä myös teräksen relaksoituessa. Relaksaatiolla tarkoitetaan jännityksen vähenemistä venymän pysyessä samana. [8, s. 117–129]

17

4. ANKKUROINTIMENETELMÄT

4.1 Jänteiden ankkurointi

Ankkurointi on jännitettyjen teräsosien kiinnittämistä betoniin. Ankkuroinnilla tarkoitetaan sekä raudoituksen että jänteiden ankkurointia. Tässä opinnäytetyössä keskitytään jänteiden ankkurointimenetelmiin.

Ankkuroinnin valmistelu aloitetaan jo ennen valuvaihetta. Valettavaan betoniin asennetaan suojaputkia, joihin jänteet valun jälkeen työmaalla sijoitetaan. Suojaputkiin asennetut jänteet jännitetään, ankkuroidaan päistä ja injektoidaan. Jännitys välittyy injektoinnin jälkeen koko jänteen matkalta tartunnan avulla. Joissain tilanteissa suojaputkea ei injektoida ollenkaan, jolloin jännitys välittyy ainoastaan ankkureiden kautta. Jännevoimat siirretään betoniin joko esijännityksissä käytettävällä tartuntamenetelmällä tai jälkijännitetyissä rakenteissa ankkureilla. Varsinkin ankkurointimenetelmissä jänteiden aiheuttamat puristusvoimat kasaantuvat suhteellisen pienelle alueelle. Betonirakenteiden päädyt joutuvatkin usein erittäin kovan rasituksen kohteeksi ja niiden korjaaminen on hankalaa ja hyvin kallista. Moniin epäsymmetrisiin palkkeihin, kuten I- ja T-palkkeihin, asennetaankin päätyihin eräänlaiset päätykappaleet rasitusten kestämiseksi. Itse ankkuri koostuu tavallisesti jäykästä teräksisestä pääosasta, joka on upotettu betoniin ja liitetty päätykartioon. Päätykartion tehtävänä on ohjata jänteet pieneen muoviputkeen. Ankkurit ovat lähes aina upotettu elementin päätyihin ja mahdollisen injektoinnin jälkeen suojattu laastilla. Näin pystytään tehokkaasti poissulkemaan korroosion aiheuttamat vauriot, jotka olivat 1900-luvulla vakava ongelma teräsjänteille. Ankkuri aiheuttaa betoniin suuren halkaisuvoiman. Siksi betoniin täytyy myös suunnitella ja asentaa jänneankkurin halkaisuvoimaa vastaanottava raudoitus. [1, 8.2]

Elementti voidaan ankkuroida ja jännittää joko tehtaalla tai rakennustyömaalla. Usein jälkijännitetyt elementit jännitetään vasta työmaalla. Työmaalla jännitettäessä rakennetta jännitetään kahdella tunkilla eli molemmista päistä samaan aikaan tai toiseen päähän asetetaan passiiviankkuri, jonka tehtävän on vain pitää jänne paikallaan. Passiiviankkuri ei päästä jännettä liikkumaan, vaikka jännettä kiristettäisiinkin. Toiseen päähän asennetaan aktiivinen ankkuri, joka päästää jänteen liikkumaan vain toiseen suuntaan. Kaikki jänteet jännitetään mekaanisesti sähkökäyttöisellä tunkilla, jonka jälkeen ankkuri lukitaan ja jänteiden jännitys siirretään betoniin. Passiivi- ja aktiiviankkurin periaate käy ilmi kuvassa 6.

18

Kuva 13 Aktiivi- ja passiiviankkurin periaatekuva [7, s.5].

4.2 Freyssinetin menetelmä

Kiila-ankkureissa perusideana on jännitetyn teräslangan puristaminen mahdollisimman lujaa kahden materiaalin väliin. Jänteet jännitetään hydraulisesti, jonka jälkeen kiilamaiset ankkurit asetetaan säikeiden päihin. Puristuksen aiheuttaman kitkan tulisi pitää säikeet paikallaan. Kiila-ankkurit ovat olleet jo pitkään erittäin suosittuja, sillä ne ovat markkinoiden käytetyimpiä jo 50-luvulta lähtien.

Kiila-ankkureiden yleisin käyttötapa on niin sanottu Freyssinetin menetelmä, joka keksittiin jo vuonna 1939 [8, s. 70]. Jokaisessa ankkurissa on kaksi erillistä osaa, kuva 7, jotka ovat uros- ja naarasosa. Kartionmuotoinen naaras upotetaan betoniin. Kiilamainen urososa, jossa on säikeiden lukumäärän verran rihloja, puristetaan kartiota vasten. Säikeet, jotka kulkevat rihloja pitkin, joutuvat uros- ja naaraskartioiden väliin puristukseen ja kitkavoima pitää teräsjännettä paikallaan. Jänteiden jännittämisen jälkeen kartion keskellä olevasta reiästä injektoidaan betonia suojaputkeen. [2, s.80] Ympyrän muotoisen suojaputken sisällä on kierrejousi, joka pitää jänteet erillään ja helpottaa näin betonin injektoimista koko putken matkalle. Jänteet pujotetaan rei’itetyn ankkurilaatan läpi. Jännitettäessä hydraulitunkki vetää koko ankkurilaattaa, kuten kuvassa 8, ja pystyy näin jännittämään jokaista lankaa samaan aikaan. Tämä nopeuttaa toimintaa työmaalla, jossa olosuhteet voivat olla hyvinkin vaihtelevat. [10, s. 28]

19

Kuva 14 Freyssinet-ankkurin uros- ja naarasosat [4, s.472].

Kuva 15 Tunkki jännittää Freyssinet-ankkurin läpi kaikkia jänteitä samaan aikaan [4, s.473].

Freyssinetin menetelmän suurimmat edut ovat ankkureiden hintalaatusuhde ja mahdollisuus jännittää jokaista lankaa samaan aikaan [8, s. 70]. Kartioankkurit ovat yksinkertaisia, edullisia ja samanaikaisen jännittämismahdollisuuden myötä nopeita asentaa. Jänteiden jännittämisessä tulee kuitenkin ottaa huomioon, että kun pumppu on jännittänyt jänteen, pääsee se luistamaan pienen matkan takaisin betonin sisään. Tämä pienentää jänteen jännitystä, mikä on otettu rakenteen suunnittelussa huomioon.

20

4.3 Magnel-Blatonin menetelmä

Toinen kiila-ankkurointimenetelmä on Magnel-Blatonin menetelmä. Tämä ankkurointitapa on ollut yksi 1900-luvun käytetyimmistä, mutta nykyään sitä pidetään jo vanhentuneena. Sitä hyödyntämällä on rakennettu maailman ensimmäinen jännitetty silta Philadelphiaan vuonna 1949 [9, s. 918].

Tässä menetelmässä kahdeksan lankaa on jaettu pareittain uritetuille teräslevyille, kuten kuvassa 9 a). Jokainen lanka puristetaan kuvan 9 b) tyylisellä kiilalla, jossa on myös urat, teräslevyä vasten. Niitä kasataan päällekkäin neljä kerrosta. Päällekkäin asettelu muistuttaa kerrosvoileivän valmistusta ja levyjä kutsutaankin nimityksellä sandwich-levyt. Kuten muissakin kiila-ankkureissa, niin myös tässä menetelmässä vain materiaalien välisen puristuksen aiheuttama kitka pitää jänteet paikallaan. Suorakaiteen muotoisessa suojaputkessa jänteet pitää toisistaan erossa kuvan 9 c) mukainen erittelijä, joita asetetaan putkeen 1-2,5 metrin välein. Erittelijä ja sandwich-levyt pitävät jänteet neljän jänteen riveissä koko betonirakenteen matkalla. 9 d) on yleiskuva Magnel-Blatonin menetelmän mukaisesta ankkuroinnista. [10, s. 29]

Kuva 16 Magnel-Blatonin menetelmän sandwich-levyt, kiila, jänteiden erittelijä ja yleiskuva ankkuroinnista [10, s. 30].

21

Pumppu pystyy jännittämään vain kahta lankaa kerrallaan, kun taas Freyssinetin menetelmässä kaikkia. Tämä hidastaa jännittämistä ja lisää jännityshäviöiden määrää. Aiheesta lisää kohdassa 3.4.1 Välittömät jännityshäviöt. Magnel-Blatonin menetelmässä on useita hankaluuksia aiheuttavia ominaisuuksia. Asennuksen monimutkaisuus, hinta ja erityistä tarkkuutta vaativa jänteiden asetteluprosessi ovat aiheuttaneet sen, että menetelmää ei enää käytetä.

4.4 Presconin menetelmä

Kiilamenetelmien lisäksi ankkurointi voidaan suorittaa esimerkiksi muokkaamalla lankojen päät jännittämisen jälkeen sellaisiksi, että ne eivät enää mahdu ankkurointilevyn reikien läpi. Kun langan pää ei mahdu takaisin ankkurointilevyn reiästä, vetää jännitetty lanka levyä betonia vasten ja aiheuttaa betoniin puristuksen. Yleisin ns. kanta-ankkurointitapa on amerikkalainen Presconin menetelmä, josta löytyy useita erilaisia variaatioita.

Presconin menetelmässä, kuva 13, kaksi tai jopa monta sataa lankaa asetetaan rinnakkain suojaputkeen. Jokainen lanka pujotetaan molemmista päädyistä ankkurilevyn ja reiällisen päätylieriön läpi, jonka jälkeen niiden päät muokataan naulan kantaa muistuttaviksi kartioiksi. Kartiot eivät mahdu päätylieriön rei’istä takaisin suojaputkeen. Sen jälkeen erikoistunkki kieritetään päätylieriön ympärille ja se jännittää jänteet tarvittavalla voimalla. Jännitettäessä teräs venyy ja päätylieriön ja ankkurilevyn väliin syntyy tilaa. [10, s. 31] Tyhjään tilaan asetetaan kaksi tai useampi teräslevyä, jonka jälkeen tunkki irrotetaan ja jännitys siirtyy langoista lieriöiden ja ankkurointilevyn kautta betoniin. Lieriössä on myös isompi reikä betonin mahdollista injektoimista varten.

22

Kuva 17 Presconin menetelmälle ominaiset jänteiden kannat, lieriö sekä välilevyt ennen korroosiosuojausta [2, s.81].

Presconin menetelmää käytettäessä on erittäin tärkeää mitoittaa välilevyt jokaiselle ankkuroinnille erikseen. Levyjen mitat vaihtelevat huomattavasti riippuen jänteiden venymisestä, halutusta jännityksestä ja jänteen ja betonin välisestä kitkasta. Kun jännittäminen ja ankkurointi on suoritettu, koko ankkuri peitetään betonilla korroosio- ja palokestävyyden lisäämiseksi. [2, s. 81]

4.5 Lee-McCallin menetelmä

Englantilainen Donovan Lee kehitti 1950-luvulla erittäin menestyksekkään tavan jännittää betonirakenteita, jotka vaativat normaalia korkeamman jännityksen [4, s. 671]. Lee-McCallin menetelmässä jänteiden tilalle on vaihdettu silikonimangaaniseoksesta valmistetut terästangot [10, s. 33]. Tankojen halkaisija vaihtelee 12 millimetristä jopa 40 millimetriin ja pituus voi olla 20 metriä. Menetelmän perusideana toimivat kuvien 11a ja 11b mukaiset kierteet terästankojen päädyissä. Jännitettyjen tankojen päihin asennetaan päätylevyt ja kierretään leveät mutterit, joiden avulla jännitys siirtyy tangosta betoniin. Mutterit ovat leveitä, jotta tangon jännitys jakaantuisi mahdollisimman monelle uralle. Mutterin ja betonirakenteen välissä on päätylevy, jonka tarkoitus on jakaa ankkurin aiheuttama halkaisuvoima mahdollisimman laajalle alueelle

23

betonirakenteen päädyssä. [8, s. 75] Tankoja käytetään tartunnattomina ja tartunnallisina riippuen tilanteesta [10, s. 31].

Kuva 18 Lee-McCallin menetelmän päätylevyt, mutteri sekä tangon päätyjen kierteet [8, s.76].

Menetelmän hyötynä on korkeiden jännityksien aikaansaaminen sekä ankkurin luistamisesta aiheutuvan jännityshäviön poistaminen. Siitä johtuen tankojen käyttö onkin suosittua maailmalla. Toisaalta tämä menetelmä on ainoa, jossa jännitystä voidaan muuttaa myöhemmin. Jännityksen muuttaminen voi tulla kyseeseen, jos jännitys laskee esimerkiksi betonin kutistumisen tai viruman takia. Jännityksen muuttaminen on kuitenkin erittäin harvinaista. Ainoa haittapuoli on kaarevien jännitteiden asentamisen mahdottomuus. Kaareutuvan tangon tekeminen on helppoa, mutta sen asentaminen kovettuneen betonirakenteen sisään ei ole mahdollista. [8, s. 75]

4.6 Muut menetelmät

Jo vuoteen 1985 mennessä 64 eri jälkijännittämismetodia oli patentoitu ympäri maailmaa [8, s. 70]. Suurin osa ei ole koskaan menestynyt markkinoilla. Ylempänä esiteltyjen lisäksi muita tunnettuja menetelmiä ovat muun muassa kiila-ankkureihin kuuluva Gifford-Udall, Presconin menetelmästä muunneltu BBRV-menetelmä sekä Leoban menetelmä, jossa palkin toiseen päähän kiinnitetään pieni tappi, jonka ympärille jännettä kieritetään. [2, s. 82]

Jokaisessa ankkurointimenetelmässä on hyvät ja huonot puolensa ja paras menetelmä riippuukin aina kyseessä olevasta tilanteesta. Suunnittelijan pitäisi valita

24

juuri se tapa, joka täyttää tarvittavat rakennusvaatimukset. Suurimmassa osassa tilanteista usea menetelmä toimii yhtä hyvin, joten ratkaiseva tekijä onkin yleensä hinta. On tärkeää, että suunnittelija ottaa huomioon ennen päätöksen tekemistä kaikki materiaali-, työkalu- ja asennuskulut, mitä jännittäminen aiheuttaa. [4, s. 674]

25

5. YHTEENVETO

Tämän kandidaatintyön tavoitteena oli selvittää betonin jännitykseen liittyvää teoriaa sekä ankkuroinnin suunnittelun pääpiirteet. Lisäksi työssä tutkittiin betonin ankkurointimenetelmien ominaisuuksia ja vertailtiin betonin jännittämismenetelmiä. Tutkimusmenetelmänä käytettiin huolellista alan kirjoihin, artikkeleihin sekä raportteihin tutustumista ja niistä löytyneiden tietojen kokoamista. Tietoa aiheista löytyi vaihtelevasti, mutta työn pääteemat tarkastettiin siitä huolimatta useasta eri lähteestä.

Betonin esi- ja jälkijännittäminen ovat halpoja ja helppoja apukeinoja betonin ominaisuuksien parantamiseen. Betonirakenteen jännittäminen lisää sen kannattavuutta ja vähentää tarvittavan materiaalin määrää. Jännittämismenetelmää valittaessa täytyy ainakin ottaa huomioon rakenteen koko, kuljetusmatka ja tarvittava kappalemäärä. Jälkijännitetyissä rakenteissa seuraavaksi pitää punnita eri ankkurointimenetelmien toimivuutta. Oikeaa ankkurointimenetelmää valittaessa täytyy huomioida, että monesti usea menetelmä tuottaa yhtä onnistuneen lopputuloksen, jolloin ratkaiseva tekijä onkin hinta. Toisaalta jokaisella tässä kandidaatintyössä esitellyllä ankkurointimenetelmällä on omat erikoistapauksensa, joissa ainoastaan ne pystyvät toimimaan tehokkaasti. Ankkuroinnin suunnittelu on jatkuvaa soveltamista, sillä jokaisella rakenteella on omat uniikit haasteensa. Nykyään mallintamista hyödyntäen pystytään ennustamaan rakenteen ominaisuuksien kehittyminen erittäin tarkasti jopa koko rakenteen elinkaaren ajaksi. Tarkat ja luotettavat ennustukset vähentävät tapaturmien sekä korjaustarpeiden määrää, joka johtaa rakenteen elinkaaren aikana huomattavien summien säästöön kokonaiskustannuksissa.

Jännitettyjen betonirakenteiden teoria ei ollut tämän työn kirjoittajalle tuttua ennen tutkimuksen tekemistä. Muutamaa peruskäsitettä lukuun ottamatta kaikki aiheeseen liittyvä oli uutta ja kehittävää. Tutkimuksen suorittaminen on lisännyt tietoa ja näkemystä aiheista, jotka ovat hyvin tärkeitä koko rakennusalalle. Nyt asioista hieman enemmän ymmärtävänä tutkimuksen aihe olisi voinut olla tarkemmin rajattu. Tiukemmin rajattu aihe olisi voinut olla esimerkiksi kiila-ankkurit tai lohkeilumomentit. Silloin tutkimuksissa oltaisi voitu mennä hieman syvemmälle ja jättää osa laajasta aihealueesta kokonaan pois. Tutkittavaa riittää myös tulevaisuudessa. Esimerkiksi muun kuin suorakaiteen muotoisten päätykappaleiden vaikutusta rakenteen siirtymämatkaan ei vielä täysin tunneta, joten tähän kandidaatintyön jatkoksi olisi mielenkiintoista tutkia kyseistä aihetta syvemmälle.

26

Tavoitteet tutkimuksen laajuudesta ja asiasisällön totuudenmukaisuudesta saavutettiin erinomaisesti. Tutkimuksesta selviää betonin jännittämisen ja ankkuroinnin vaiheet. Samalla työssä pohditaan eri valintojen vaikutusta rakenteen lopputulokseen. Työn tulokset ovat kandidaatin työhön tarpeeksi kattavat, mutta huomioitavia asianhaaroja olisi ollut huomattavasti lisääkin. Kyseessä oli siis vain pintaraapaisu aiheesta ja ainoastaan peruskäsitteiden selvittämistä.

27

LÄHTEET

[1] Lindberg Ralf, Jännitetyt betonirakenteet, Luentomoniste, Tampereen Teknillinen Korkeakoulu, 1999.

[2] Lin T. Y., Burns N. H., Design of prestressed concrete structures, John Wiley & Sons, Inc, 1981.

[3] Cruz Paulo, Structures and architecture, CRC Press, 2013, s. 983-990, http://www.scopus.com/inward/record.url?eid=2-s2.0-84887943468&partnerID=40&md5=724cbc68c688cac5edb617fb4c90850a.

[4] Libby James, Modern Prestressed concrete, Litton Educational Publishing, Inc, 1961.

[5] Saarinen Eero, Betonirakenteiden suunnittelu, Suomen Betonitieto OY, s. 485–545, https://www.rakennustieto.fi/Downloads/RK/RK010302.pdf.

[6] Wensu Chen, Hong Hao, Shuyang Chen, Numerical analysis of prestressed rein-forced concrete beam subjected to blast loading, Materials & Design, Volume 65, Janu-ary 2015, s. 662–674, http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0261306914007353.

[7] Paukkonen Oona, Paikallavalettujen betonilaattarakenteiden jännitystöiden laadunvarmistus työmaalla, Metropolia, 2010.

[8] Raju Krishna, Prestressed Concrete, McGraw-Hill Education India Pvt. Ltd, 1981,https://civiltechnocrats.files.wordpress.com/2013/11/prestressed-concrete-krishnara-ju.pdf.

[9] Zurdo M. P., Diaz J.A., An approach to patents of prestressed concrete in 20th Century’s architecture, Taylor & Francis Group, 2013,http://www.crcnetbase.com/doi/pdf/10.1201/b15267-128.

[10] Sinha N C, Roy S K, Fundamentals of Pre-Stressed Concrete, S. Chand Publish-ing, 1985,https://books.google.fi/books?id=6jKfUEIFPTUC&printsec=frontcover&hl=fi#v=onepage&q&f=false.

[11] Gerwick B. C., Concrete Construction Engineering Handbook, CRC Press, 2008,http://www.crcnetbase.com/doi/pdf/10.1201/9781420007657.ch11.