Betonirakenteen vahvistamisen suunnittelu TR066 suunnittelumenetelmällä

Rakenteen vahvistaminen mantteloimalla voidaan suunnitella ja mitoittaa EOTA TR066 suunnittelumenetelmällä, joka huomioi kapasiteetissa leikkausvaarnan tapin lisäksi pinnan muodon sekä kitkan vaikutuksen. Menetelmällä voidaan päästä jopa 70 % pienempään vaarnamäärään kuin eurokoodin (EN 1992-1-1 luku 6.2.5) mukaan mitoitettaessa. Hiltin innovaatiot manttelointiin löytyvät niin suunnittelua tukevasta ohjelmistosta, PROFIS Engineeringistä, kuin myös tuotepuolelta, sillä voit hyödyntää suosittua ja monikäyttöistä Hilti HUS4 betoniruuvia myös leikkausvaarnana rakenteen vahvistamisessa.

Mitä manttelointi on ja miten se tehdään?

Mantteloinnilla tarkoitetaan betonirakenteen, kuten palkin tai pilarin, vahvistamista lisäämällä siihen uusi kerros materiaalia. Tarkoitus on parantaa rakenteen kestävyyttä sekä kuormituskykyä ja menetelmää käytetäänkin korjausrakentamisessa usein vanhojen tai vaurioituneiden rakenteiden vahvistamiseen, jotta ne täyttäisivät nykyaikaiset suunnitteluvaatimukset. Mantteloinnin mitoitukseen on useita eri menetelmiä, kuten esimerkiksi eurokoodi 2 ohjeet kahden eri aikaan valetun betonin rajapinnasta, vaarnatappimenetelmä sekä TR066 suunnittelumenetelmä, johon tässä artikkelissa keskitytään. Työmaalla lähdetään yleensä liikkeelle purkamalla vanhasta rakenteesta huonokuntoinen betonipinta pois ja karhentamalla pinta tarvittavaan karheuteen. Tämän jälkeen porataan tartuntareiät sekä tehdään asennusta valmistelevat toimenpiteet. Vaihtoehtoisesti injektoidaan kemiallisella ankkurointimassalla tartuntateräkset tai käytetään betoniruuvia tartuntavaarnana. Tartuntavaarnojen asennuksen jälkeen sidotaan raudoitteet ja tehdään uusi valu päälle.

Leikkausvaarnat, miksi tarvitsemme niitä?

Rajapinnan toiminta on kriittinen osa vahvistettua rakennetta. Riittävällä rajapinnan leikkauskestävyydellä varmistetaan, että vanha rakenne ja vahvistus toimivat yhdessä. Betonirakenteisiin kohdistuvat kohtisuorat kuormat siirtyvät rakenteessa pituussuuntaisina voimina. Betonin luonnollinen käyttäytymismalli on lähteä taipumaan (1), mikä käytännössä tarkoittaa, että vanhan betonirakenteen yläpinta pyrkii kutistumaan ja uuden betonin alapinta laajenemaan (2). Vahvistetun rakenteen halutaan käyttäytyvän yhtenäisenä elementtinä, jolloin liitoksessa käytetään leikkausvaarnoja (3). Kohtisuorien kuormien synnyttämät leikkausjännitykset siirretään liitoksessa leikkausvaarnojen avulla, jotka mahdollistavat yhtenäisen poikkileikkauksen muodostamisen ja parantavat rakenteen lujuutta. Ilman leikkausvaarnoja uuden ja vanhan betonin välinen liimaus heikkenisi jo pienillä muodonmuutoksilla, mikä johtaisi kerrosten erilliseen käyttäytymiseen (2).

Mikä on EOTA TR066?

Ohjeistus mantteloinnin suunnitteluun saneerauskohteissa

TR066 on EOTA:n julkaisema suunnittelumenetelmä, joka täydentää eurokoodinmukaisia suunnittelumenetelmiä ja pätevyydeltään vastaa eurokoodin mukaista suunnittelua. TR066 suunnittelumenetelmä mahdollistaa ohuemman vahvistusrakenteen kuin EC2 ja pienemmät leikkausvaarnamäärät. Menetelmä sopii rakenteille, joihin kohdistuu staattinen, kvasistaattinen, väsyttävä tai seisminen kuormitus. Kapasiteetti hyödyntää pinnan muotoa, kitkaa, tartuntatappeja ja näiden välistä jännitystä. TR066 suunnittelumenetelmän hyödyntämisen ehtona on tartuntatappien testaus EAD 332347-00-0601 mukaisesti. Kyseinen EAD asettaa vaatimuksen, että tartuntatapissa tulee olla tyssäpää, kuten esimerkiksi Hiltin HUS4 betoniruuvissa. TR066 menetelmää voidaan käyttää tilanteissa, joissa leikkausvaarnat ovat ETA-hyväksyttyjä.

Suomessa käytetään usein taivutettuja harjateräksiä rakenteen vahvistamisessa, mutta ja nämä jäävät tarkastelussa TR066 ulkopuolelle. Hilti on kuitenkin tunnistanut, että taivutettu harjateräs on markkinoille tyypillinen ratkaisu ja kehittänyt niin sanotun Hilti menetelmän, joka mahdollistaa näiden mitoittamisen. Hilti menetelmässä tarkastellaan miten kemiallisella ankkurilla injektoitu, taivutettu harjateräs pätee TR066 suunnittelumenetelmän periaatteiden mukaisesti. Menetelmä edellyttää Hiltin kemiallisten massojen käyttöä, joiden oikeanlainen toiminta rakenteessa on testattu. Hiltin suunnitteluohjelmisto PROFIS Engineeringissä voidaan rakenteen vahvistaminen mitoittaa sekä TR066 mukaisesti, että Hilti menetelmällä.

Mitä rajapinnassa oikein tapahtuu?

Rajapinnan mitoitukseen vaikuttavat tekijät ja kuorman siirtomekanismit

Rajapinta voidaan ajatella eräänlaiseksi sahalaitamalliksi. Rajapinnassa betonipintojen suhteellinen liukuminen aiheuttaa pintojen välisen raon suurentumisen, jolloin syntyy vetojännitys pintoja yhdistäviin vaarnoihin. Tämän takia rajapintojen epätasaisuudet puristuvat yhteen ja leikkausvoima siirtyy pääasiassa kitkana. Kitkan lisäksi leikkausvoimaa vastustaa vaarnavaikutus ja koheesio. Leikkausjännitys siirtyy kolmella eri mekanismilla, joiden toiminta vaihtelee siirtymän myötä: koheesiolla, kitkalla ja vaarnavaikutuksella. Koheesion eli rajapintojen välisen tartunnan vaikutus on alussa suurin, mutta jo pieni siirtymä rikkoo sen, jolloin kuorma siirtyy kitkalle ja vaarnoille.

TR066 menetelmässä on kaksi eri lähestymistapaa leikkauskestävyydelle: ilman vaarnoja ja vaarnojen kanssa mitoittaminen. Mitoitettaessa ilman vaarnoja rajapinnassa oletetaan olevan riittävän vahva adhesiivinen sidos varmistamaan vahvistetun rakenteen yhdenmukaisen toiminnan. Tähän vaikuttaa pinnan karheus eli pinnan muotojen korkeusvaihtelu. Yleisesti ottaen on kuitenkin suositeltavaa käyttää kaikkialla rakenteessa vähintään minimiraudoitussääntöjen mukaisia raudoitusmääriä. Mitoitettaessa leikkauskestävyyttä vaarnojen kanssa, on rajapinnan karheus myös tärkeässä roolissa. Rajapinnan leikkauskestävyys on sitä parempi mitä karheampi rajapinta on. Pinnan karheus voidaan mitata työmaalla tai suunnitelmissa voidaan määrittää käytettävä karhennusmenetelmä, jolloin saadaan suuntaa antava arvio siitä mitä karheusarvoa käyttää mitoituksessa. Karhennus voidaan toteuttaa esimerkiksi vesipiikkaamalla tai hiekkapuhaltamalla.

Edellä mainitun sahalaitamallin mukaisesti betonipintojen suhteellinen liukuminen aiheuttaa vetojännityksen leikkausvaarnoihin, mistä syystä TR066 menetelmässä leikkausvaarnat tarkastellaan vetokuormalle. Menetelmän mukaan kaikki mahdolliset tartuntatappien murtotavat on tarkasteltava sekä uudessa että vanhassa betonirakenteessa alla olevan kuvan mukaisesti.

Leikkausvaarnojen ankkurointi on kriittinen osa suunnittelua. Lisäksi rajapinnan mitoitukseen vaikuttaa betonin lujuus. Rajapinnan kestävyys on sitä suurempi mitä lujempaa betonia käytetään. TR066 suunnittelumenetelmä edellyttää lisäksi, että uusi betoni on aina lujempaa kuin vanha betoni.

Mikä on Hiltin innovaatio TR066 mukaiseen rakenteen vahvistamiseen?

HUS4 betoniruuvi leikkausvaarnana

Hiltin HUS4-H betoniruuvia voidaan hyödyntää tartuntavaarnana ja mitoittaa TR066 menetelmän mukaisesti. Betoniruuvin ei vaadi porareiän puhdistusta eikä sen kanssa tarvitse odotella massan kuivumista. TR066 suunnittelumenetelmän ansiosta myös vaarnojen määrä pysyy maltillisena, jolloin säästetään niin materiaaleissa kuin asennustyössä. Betoniruuvin kantaan voidaan asentaa raudoitushattu HUS4-HCC, jonka geometria yksinkertaistaa raudoituksen sidontaa ja asettelua. Muoviosalla ei ole rakenteellista tarkoitusta, vaan sen tarkoitus on helpottaa työtä ennen valua. Rajapinnan vetokuorma uudessa betonissa kohdistuu betoniruuvin kantaan ja HCC-hattuun sidottu raudoitus ehkäisee uuden betonin halkeilua.

Mitoitus suunnitteluohjelmistossa

Rakenteen vahvistaminen -moduuli PROFIS Engineeringissä

Selainpohjainen PROFIS Engineering -suunnitteluohjelmisto taipuu myös manttelointien suunnitteluun. Rakenteen vahvistaminen -moduulin helppokäyttöiset toiminnot tekevät suunnittelusta nopeaa. Voit hyödyntää TR066 suunnittelumenetelmän lisäksi Hilti mitoitusmenetelmää, jolloin pystyt suunnittelemaan taivutettuja harjateräksiä. Ohjelmistolla pystyt hyödyntämään automaattista optimointia vaarnamäärän tai upotussyvyyden suhteen, voit jakaa leikkausjännityksen vyöhykkeisiin sekä saat raportin mitoituslaskelmineen ja vaarnamäärineen. Tästä ohjelmistoon: https://profisengineering.hilti.com/

Muistathan, että insinöörineuvonta palvelee sinua teknisissä asioissa päivittäin puhelimella numerosta 0207 999 350 ja sähköpostilla osoitteessa insinoorit@hilti.com.