Taivutettujen teräsbetonirakenteiden minimiraudoituksen normivertailu

Abstract

Eurokoodissa määritetty taivutettujen teräsbetonirakenteiden minimiraudoitusvaatimus voi kasvaa korkeissa kappaleissa huomattavasti kestävyys- ja käytettävyystarkastelujen vaatimuksia suuremmaksi. Vaatimusta kohtaan osoitetaan siksi usein kyseenalaistamista. Epätietoisuus minimiraudoitusvaatimuksen toimintaperiaatteesta ja tarpeellisuudesta käytännön tasolla voi kiihdyttää kyseenalaistamista entisestään. Siksi taivutetun teräsbetonirakenteen minimiraudoituksen toimintaperiaate selvitettiin työssä perusteellisesti. Selvitys koostui toimintaan vaikuttavista tekijöistä ja taivutetun rakenteen vaurioitumismekanismeista. Myös minimiraudoituksen laskentaan vaikuttavat muuttujat selvitettiin ja muuttujat johdettiin eurokoodin käyttämäksi minimiraudoituksen laskentakaavaksi. Työn ensimmäisenä tarkoituksena oli selventää lukijalle minimiraudoituksen käsite ja laskentaperusteet helposti ymmärrettävällä tavalla.

Työssä selvitettiin myös minimiraudoitukseen liittyviä epäkohtia ja niistä syntyviä esimerkkitapauksia. Esimerkeistä perusteellisemmassa tarkastelussa oli suuren leikkausrasituksen vuoksi korotettu leikkausraudoittamaton teräsbetonilaatta, jonka korkeus muodosti ongelman minimiraudoituksen kannalta. Työssä tutkittiin ja selvittiin yleisellä tasolla laatan leikkauskestävyyttä parantavat keinot ja vetoraudoituksen vaikutus asiaan. Tapausta koskien etsittiin myös tieteellisiä perusteluja minimiraudoitusvaatimuksen puolesta, tai sitä vastaan. Myös asiaa koskevat säädökset tutkittiin, tarkoituksena löytää niiden antamat mahdollisuudet eurokoodista poikkeamiseen. Mahdollisuuksia löydettiin ja ne huomioitiin toimenpide-ehdotuksissa. Asiaa tutkittiin siksi myös eurokoodin ulkopuolelta.

Työn suurimmassa osuudessa tutkittiin erilaisia normeja ja niiden lähestymistapaa minimiraudoituksen kannalta. Esimerkkitapauksen yksiaukkoisen ja vapaasti päistään tuetun teräsbetonilaatan taivutusmitoitus ja minimiraudoitustarkastelu suoritettiin neljää eri normia käyttäen. Normit ovat EN 1992, RakMk B4, ACI CODE-318M ja BS 8110. Tutkimuksessa vertailtiin normien välisiä eroja mitoituskäytännöissä ja erityisesti minimiraudoituksen laskennallisissa määrittämistavoissa. Laskentamalleja ja niiden tuottamia raudoitusmääriä vertailtiin keskenään ja merkittäviä eroja löydettiin. Vertailun pohjalta ratkaistiin esimerkkitapauksen laatan pienin mahdollinen vetoraudoitus, joka oli myös työn lopullinen tarkoitus. Ratkaisussa huomioitiin kaikki edellä mainitut asiat.

Eurocodes minimum reinforcement requirement in flexural reinforced concrete structures can often supersede service- and ultimate limit state requirements in thick slabs and beams. As such, designers might begin to question its necessarity. Ignorance of the requirements actual scientific purpose in practical term can further increase the questioning. As an answer to such thoughts, the research studied thoroughly the principle and concept of minimum reinforcement in flexural structures. The survey consisted of impacting factors and general damage mechanisms. The variables used in calculus was also each unraveled and derived into the simple equation used in Eurocode. Consequently the first purpose of the thesis was to produce an easily understandable narrative of the subject for anyone to read.

The research also noted grievances and practical examples of such caused by minimum reinforcement requirement. As a case study out of those examples was a solid slab without transverse reinforcement, but with high maximum shear stress. The thickness of the slab was raised to improve its shear strenght, but it also caused a problem with the slabs minimum reinforcement area. The reseach resolved the factors inflicting the slabs shear strenght and the affect of flexural reinforcement in the case. Target was to find scientific arguments to prove minimum reinforcement requirements necessity or futility. Also the possibilities to diverge from Eurocode in problematic cases by still obeying the Finnish legislation was sorted. The possibilities were found and noted in the proposals of measure. Thus the research reached past Eurocode.

As the primary part of the reseach was to study the approach concerning minimum reinforcement by different codes. The case studys simply supported one-way slabs flexural design and minimum reinforcement calculus was ran through four different ways. The codes were EN 1992, RakMk B4, ACI CODE-318M and BS 8110. The reseach compared differences in design principles and especially in the way of determining the minimum reinforcement area. The areas produced by each code was also compared to each other. Significant differences in the ways and steel amounts were found. Based on the comparison, the final minimum flexural reinforcement area for the case slab was determined, which was the ultimate goal of the thesis. The resolution took into accout each previously mentioned factors.