DIMENSIONERING OCH PRAKTISKA FÖRSÖK AV KOPPLINGAR I HD/F-PLATTOR

Transkript

1 DIMENSIONERING OCH PRAKTISKA FÖRSÖK AV KOPPLINGAR I HD/F-PLATTOR Dimensioning and practical tests of connections in HD/F-slabs Linnea Holmström Examensarbete, 15 hp Högskoleingenjörsprogrammet i Byggteknik, 180 hp 2017, BY1727

2 Sammanfattning Håldäck är en vanligt förekommande betongprodukt som ger lägre materialkostnadader och används bland annat där man önskar längre spännvidder för en öppnare planlösning. Strängbetong konstruerar, tillverkar och monterar prefabricerade betongelement där håldäck är en av de produkterna. För att få en stabil och robust konstruktion behöver betongelementen kopplas samman. Detta för att undvika fortskridande ras av en byggnad ifall en olycka skulle inträffa som t.ex. påkörning eller explosion. Examensarbetet syftar till att undersöka två så kallade raskopplingar mellan ett håldäck och en betongvägg. Ena kopplingen är enligt Strängbetongs standard och utformas med en bygel igjuten i håldäckets kanal, denna standardlösning ger dock extra arbete vid tillverkningen. Därför undersöks ifall det är praktiskt möjligt att montera bygeln i fogen mellan två håldäck istället. Försöken är till för att undersöka ifall armeringsbygeln blir tillräckligt omsluten av betong och att fogen därmed inte spricker sönder vid belastning av järnet. Resultaten från den praktiska delen samt från den teoretiska beräkningen sammanställs sedan för att kunna se om praktiken skiljer sig från teorin. Domkraftens dragkapacitet var 20 ton som gjorde att försöken begränsades till att enbart kunna konstatera att utdragningskapaciteten i en håldäcksfog och kanal är minst 195 kn. Resultatet från dragförsöken av armeringsbyglarna igjutna i håldäckets fog och kanal blev materialbrott i armeringen. Resultaten visar att det är möjligt att ersätta dagens standard koppling i kanalen med att istället montera bygeln i fogen mellan två håldäck. Examensarbetet kan ses som ett försök till att testa ifall kopplingen var möjlig och kan vara till grund för vidare studering. Nyckelord: Håldäck, S-bygel, olyckslast, fortskridande ras I

3 Abstract Hollow core slabs are a common concrete product that reduces material costs and is used, among other things, where you want longer ranges for a more open plan solution. Strängbetong designs, manufactures and assembles prefabricated concrete elements where hollow core slabs are one of the products. To get a stable and robust construction, the concrete elements need to be connected. This in order to avoid progressive collapse of a building in case of an accident, such as an collision or explosion. This dissertation aiming to investigate two so-called collapse-couplings between a hollow core slab and a concrete wall. One of the connections is according to Strängbetong's standard and is designed with a S-reinforcing bar in the hollow core slab void, but this standard solution provides extra work in the manufacture. That's why it's an advantage, if it is practically possible, to assemble the bar in the joint between two slabs instead. The tests are in order to investigate whether the bended reinforcement bar becomes enought enclosed by concrete and that the concrete in the joint does not crack apart. The results from the practical part and from the theoretical calculation are then compiled to see if the reality differs from the theory. The capacity of the jack was 20 ton, which made the tests limited to only note that the pull-out capacity of a hollow core slab joint and void is at least 195 kn. The result of the tests gave material ultimate in the reinforcement. The results show that it is possible to replace today's standard connection in the void by instead assembly the bar in the joint between two slabs. The dissertation can be seen as an attempt to test if the connection is a possible solotion and the work may be the basis for further study. Keyword: Hollow core slab, S-reinforcing bar, accidental actions, progressive collapse II

4 1. Inledning Bakgrund Syfte och mål Avgränsningar Teori Utformning av anslutning mellan håldäck och vägg Dimensionering av anslutning Fortskridande ras och olyckslast Vidhäftningshållfasthet mellan betong och armeringsstång Förankringslängd Armeringens draghållfasthet Tvärkraftöverföring mellan betong gjuten vid olika tillfällen Provning av kopplingar i håldäck Gjutning av provkroppar Laborationsuppställning av dragprov Beräkning av kopplingarnas kapacitet Resultat Resultat av beräkningar för de två olika kopplingarna Resultat av provningen av de två olika kopplingarna Diskussion och slutsats Referenslista Bilaga A Hållfasthets- och deformationsegenskaper för olika betongkvaliteter Bilaga B Karakteristiska värden för olika armeringskvaliteter Bilaga C Beräkning av kapaciteten för s-bygel och armeringsjärn i HD/F-fog samt HD/F-kanal vid projektets start...20 Bilaga D Beräkning av försöksanordningen Bilaga D Tillverkningsritningar Bilaga F Beräkning av kapaciteten för S-bygel och armeringsjärn i HD/F-fog samt HD/F-kanal med erhållen hållfasthet Bilaga G Beräkning av kapaciteten för raskopplingen... 33

5 1. Inledning Avsnittet behandlar rapportens bakgrund, syfte, mål och avgränsningar. 1.1 Bakgrund I byggindustrin är prefrabricerade betongelement vanligt förekommande. Fördelen är bland annat att byggtiden förkortas väsentligt jämfört med platsbyggda konstruktioner [6]. Prefabricerade betongelementen gjuts i fabrik under kontrollerade förhållanden vilket också gör att konstruktionerna håller hög kvalitet. Betongelementen kan uppföras med spännarmering som gör att elementen klarar större belastningar med begränsade sprickor och deformationer. Spännarmeringen skapar tryckpåkänningar i betongelementen som motverkar de negativa dragpåkänningarna som kan uppkomma när lasterna förs på kontruktionsdelarna. En leverantör av prefabricerade betongelement är Strängbetong som konstruerar, tillverkar och monterar olika sorsters betongprodukter. En av de produkterna är håldäck. Håldäck är prefabricerade betongelement som är kostnadseffektiva. De används bland annat som bjälklag och tak i bostäder, skolor, hotell, industrier, parkeringshus samt affärs- och kontorsbyggnader. De har spännarmering, förspända linor, i underkant som gör att håldäcken kan tillverkas i långa spännvidder utan att nedböjningen blir för stor. Håldäck, eller som de också heter HD/F, kan tillverkas i olika tjocklekar beroende på lasterna och kraven i den aktuella byggnaden. Betongelementen gjuts i fabrik med bredd om 1.2 meter men kan sågas i önskade bredder vid behov. Håldäcken har kanaler som minskar plattornas vikt och materialåtgång, se figur 1. Kanalerna kan också utnyttjas till att förse byggnaden med värme eller kyla och betongelementen fungerar då som radiatorer. HD/F-plattornas undersida gjuts mot en stålform medan ovansidan krattas för att få en grövre struktur som ökar vidhäftningen mot en eventuell pågjutning eller spackling. Figur 1. Håldäck är ett betongelement med kanaler längst med plattan [3]. I detta examensarbete studeras två olika anslutningar mellan håldäck och betongväggar. Enligt Strängbetongs standard utformas kopplingen med en bygel igjuten i håldäckets kanal, denna standardlösning ger dock extra arbete vid tillverkningen. Under examensarbetets praktiska del utfördes tester på en annan koppling där bygeln istället sitter i fogen mellan två håldäck. Försöken var till för att undersöka ifall armeringsbygeln blir tillräckligt omsluten av betong och att fogen därmed inte spricker sönder vid belastning av järnet. Dragförsöken var också till för att ta reda på de båda kopplingarnas kapaciteter, men framförallt den kopplingen där armeringsbygeln sitter i fogen. Även en teoretisk studie har gjorts där Eurokod ligger till grund. I Strängbetongs standard är armeringsstängerna bockade byglar med diameter 10 mm men för att kunna undersöka om större förankringskraft kan utnyttjas i en håldäcksfog samt kanal, gjöts även grövre dimensioner in som provdrogs. Frågeställningen som besvarades under examensarbetets gång är: - Vad blir resultatet från provningen av de två olika kopplingarna? 1

6 - Vad blir resultatet från beräkningen av kopplingarnas hållfastheter? - Vilka är de olika brottmoderna? 1.2 Syfte och mål Syftet med denna rapport är att studera två olika kopplingar mellan håldäck och betongväggar. Samt att öka kunskapen hos författaren när det gäller beräkning av kapaciteter för kopplingar i betong enligt Eurokod. Målet med examensarbetet är att utreda om kopplingen i fogen är en alternativ lösning till nuvarande koppling där kopplingen monteras i håldäckskanalen. Även undersöka om praktiken skiljer sig från beräkningar enligt Eurokod. 1.3 Avgränsningar Denna rapport begränsas till att enbart studera HD/F 120/20 med en igjutningsbetong som används på byggarbetsplatser vid gjutning av fogar, betongen har hållfastheten C30/37. 2

7 2. Teori Detta kapitel behandlar olika kopplingar mellan håldäck och vägg samt hur de ska dimensioneras enligt Eurokod. Kapitlet behandlar de laster som håldäcket behöver kopplas till väggen för samt vilka brott som kan ske i kopplingen vid belastning. De olika brotten som tas upp är materialbrott i armeringsstången när den dragbelastas och vidhäftningsbrott mellan armeringsstång och igjuten betong samt mellan betong gjuten vid olika tidpunkter. Den teori som används kommer från Eurokod 2: Dimensionering av betongkonstruktioner SS-EN : 2005 och Eurokod 1: olyckslaster SS-EN : Eurokoder är ett samlingsverk av standarder för beräkningsregler för dimensionering av bärverk till byggnader och anläggningar. 2.1 Utformning av anslutning mellan håldäck och vägg Håldäck upplagda på betongväggar behöver kopplas till väggen för att få en robust konstruktion. Anslutningen krävs för att föra över krafter mellan bjälklaget och väggar och för att förhindra ras. Figur 2 visar hur en standard koppling kan se ut enligt Strängbetongs produkthandbok. Håldäcket kopplas till väggen genom en dubb och en S-bygel. Anslutningen görs med en ursparing längst ut på håldäcket, en så kallad k-ände. I k-änden läggs ett längsgående armeringsjärn som fungerar som dragband och förankras till håldäcket genom en S-bygel runt dragbandet. I den kanal i håldäcket där de bockade armeringsstängerna läggs ner görs ett urtag i överkant kanal vilket underlättar för montage. Figur 2. Koppling mellan håldäck och vägg enligt Strängbetongs standard. Om S-bygeln monteras i fogen mellan två håldäck istället för i kanalen skulle man bespara arbete eftersom inga ursparingar eller extra igjutningar då behövs göras. Vid montage av koppling i håldäcksfog dras S-bygeln runt dragbandet som ligger längst bjälklagsplattornas ändar. Figur 3 visar hur en anslutning kan utformas med en S-bygel i fogen. Nackdelen med lösningen är dock att det kan vara svårt att få armeringsstängerna helt omslutna av den igjutna betongen. 3

8 Figur 3. Koppling mellan håldäck och vägg med bygel i fog. Lösningen med kopplingen i fog förutsätter att håldäcket är upplagd på en betongvägg eller en balk där ingen vridning kan ske. På en betong- eller stålbalk med flänsar kan håldäcket excentriska belastning skapa ett moment i balken som måste motverkas genom en vridkoppling, vanligtvis en S-bygel. Den kopplingen monteras långt ner i håldäcketskanal och ansluts i balken. Anledningen till att armeringsbygeln monteras så lång ned som möjligt är för att få största möjliga hävarm och därmed ett större motverkande moment. Om vridkopplingen istället monteras längre upp, krävs det att anslutningen klarar en större dragkraft. 2.2 Dimensionering av anslutning Vid dimensionering används säkerhetsfaktorer för de aktuella lasterna och för bärförmågan, så kallade partialkoefficienter. Säkerhetsfaktorer för laster bestäms med hänsyn till varaktighet och sannolikhet medan det för bärförmågan bedöms efter materialegenskaper och risk för personskada vid uppkommet brott [6]. Ett material kan ha variationer men vid dimensionering tas detta i beaktande för att vara på säkra sidan. I tabell 1 visas partialkoefficienter för material i brottgränstillstånd [1]. Tabell 1. Partialkoefficienter för betong, ospänd armering och spännarmering för olika dimensioneringssituationer. Dimensioneringssituationer för betong för ospänd armering för spännarmering Varaktiga & tillfälliga 1,5 1,15 1,15 Exceptionella 1,2 1,0 1,0 Exceptionella dimensioneringssituationer är när en kontruktion eller konstruktionsdel dimensioneras för olyckslaster och fortskridande ras, då används lägre säkerhetsfaktorer. Olyckslaster och fortskridande ras är oftast dimensionerande när det gäller utforming av kopplingar och dragband i en konstruktion vilket därför är viktigt att ta i beaktande vid val av dimensioner [6]. 4

9 2.2.1 Fortskridande ras och olyckslast Vid dimensionering av byggnader måste hänsyn tas till laster som kan uppkomma vid en eventuell olycka. Dessa laster kan t.ex vara påkörning eller explosion. Om en olycka skulle inträffa måste byggnadsverket utformats och dimensionerats så att skadan blir begränsad. Med begränsad skada menas att bara det primära skadeområdet och angränsande områden drabbas. Hur stor area som tillåts att skadas beror på vilken konsekvensklass som byggnaden tillhör och finns specificerade i Eurokod 1 [2]. Indelningen i konsekvensklasser är uppdelad i lågrisk- och högriskgrupp. Byggnader som tillhör lågriskgrupp är t.ex. ett enfamiljshus med högst fyra våningar och byggnader som tillhör högriskgrupp är t.ex. arenor eller andra stora samlingslokaler. Figur 4 visar rekommenderad storlek på tillåtet lokalt brott i konsekvensklass 3 som är den högsta graden av högriskgrupp. Figur 4. Rekommenderad gräns för tillåten skada vid lokalt brott enligt Eurokod 1 [2], där (A) är det minsta av 15 % av golvarean eller 100 m 2 i två intilliggande våningsplan och (B) är pelare som gått sönder till följd av olycka. Den högra bilden visar det skadade våningsplanet och vänstra visar en sektion. Primära skadeområdet är de konstruktionsdelar som kollapsar direkt till följd av olyckslasten. För att förhindra att hela byggnaden kollapsar måste konstruktionen dimensioneras för olyckslasten eller utformas så att den skyddas mot uppkomsten av olyckan. Vid dimensionering kan man använda stora säkerhetsmarginaler för att undvika brott men detta ger större dimensioner och högre kostnader. Men det bärande systemet måste projekteras så att det står emot en eventuell olycka så att stora allvarliga skador inte kan uppkomma i en byggnad. I Eurokod 1 [2] står det att: Ett lokalt brott orsakad av olyckslast kan accepteras, förutsatt att den inte riskerar stabiliteten för bärverket i sin helhet, och att bärverkets bärförmåga i sin helhet kan vidmakthållas samt att nödvändiga räddningsåtgärder medges. För att byggnaden ska vara tillräckligt robust och i rimlig mån kunna motstå odefinierade olyckslaster ska pelare och väggar förbindas med resten av bärverket och horisontala förband monteras runt byggnadens omkrets. Förbanden kan bestå av stålprofiler, armerinsstänger eller armeringsnät. Byggnaden ska utöver förband längst kant förses med inre förband. Enligt Eurokod 1 [2] ska de inre förbanden klara dragkraften som är den största kraften av 75 kn och kraften som ges av: Förbanden längs kant dimensioneras för den största av krafterna 75 kn eller kraften som ges enligt [2] av: (1) (2) 5

10 Där är avståndet mellan förbanden, är förbandets längd och är en faktor som beror av vilken typ av last som verkar. I Eurokod 2 [1] står även där att byggnaden ska uppföras tillräckligt robust och att bärverk som inte dimensioneras för olyckslaster ha väl fördelat med sammanhållningsarmering för att förhindra fortskridande ras. Sammanhållningsarmeringen, även kallad rasarmering, som bör finnas i konstruktionen är inre dragband, dragband längst kant, horisontell förankring av pelare och vägg samt vid behov även vertikala dragband. Figur 5 visar vart sammanhållningsarmeringen ska placeras. Figur 5. Sammanhållningsarmering som enligt [1] behövs i en byggnad för att förhindra fortskridande ras. Om byggnaden har 5 våningar eller fler behövs också vertikala dragband. Det inre dragbandet bör finnas på varje bjälklagsnivå i ungefär två vinkelräta riktningar och förankras i dragbandet vid fasad, se B i figur 5. Enligt Eurokod 2 [1] bör det inre dragbandet dimensioneras för det rekommenderade värdet på kraften. Dragbandet längst kant bör vara kontinuerligt och placeras längs med bjälklaget vid fasad, se A i figur 5. Enligt [1] dimensioneras dragbandet längst kant för dragkraften genom: Där är spännvidden hos ändfacket och rekommenderade värden på och är respektive enligt Eurokod 2. Vid dimensioneringen av sammanhållningsarmering används karakteristiska värden på hållfastheter. (3) Vidhäftningshållfasthet mellan betong och armeringsstång Vid dimensionering behöver det kontrolleras att armeringstången har tillräcklig med förankring i betongen. Förankringen kan erhållas genom dessa tre alternativ: - Förankring genom en fördelad vidhäftningsspänning över armeringstångens yta - Förankring genom koncentrerade krafter vid påsvetsade tvärtrådar eller tvärpinnar - Förankring genom ändankare, det vill säga ett bockat armeringsjärn I kapitel 2.1 visas två olika raskopplingar mellan håldäck och betongvägg där S-bygeln monteras så att förankringen enbart sker genom vidhäftningsspänning, detta eftersom den bockade sidan inte är i håldäckets kanal eller fog. Vid dimensionering av rasarmeringen måste en beräkning av vidhäftningsförmågan mellan betong och raka kamstänger göras för att säkerställa att inte förankringsbrott kan förekomma. För kamstänger igjutna i betong får det dimensionerande värdet på vidhäftningshållfastheten,, enligt Eurokod 2 [1] bestämmas genom: 6

11 Där koefficienten varierar med vidhäftningsförmågan och stångens läge under gjutning. Vid goda vidhäftningsförhållanden är värdet på =1.0 och för alla övriga fall är =0.7. Koefficienten beror av stångdiametern och är 1.0 för 32 mm respektive (132- )/100 för 32 mm. är dimensioneringsvärdet för betongens draghållfasthet och beräknas enligt [5] genom: (4) (5) Där är en faktor som beaktar tryckhållfasthetens långtidsegenskaper och ogynnsamma effekter av lastpåföringssätt, är en partialkoefficient för betong i brottgränstillstånd (se tabell 1) och är det karakteristiska 5%-fraktil värdet på betongens draghållfasthet och finns bifogad i bilaga A. Om armeringstången saknar tillräcklig vidhäftning kommer brott då uppstå genom att stången slits ur betongen. Vidhäftningen mellan en armeringstång och omgivande betong beror av flera faktorer som stångens ytbeskaffenhet, renhet och betongens sammansättning. Löst rost, fett och andra föroreningar minskar stångens vidhäftning i betongen medan en grov och ren yta ger bättre vidhäftning. Om belastningen på stången är större än vidhäftningshållfastheten, överförs krafterna mellan armeringen och betongen istället genom friktion. För att förbättra förankringshållfastheten är armeringsstången försedd med kammar som skapar en kilverkan mot betongen. Vid för stora krafter i en så kallad kamstång kan då brott ske genom att betongen spjälkas sönder [6]. För att undvika detta behövs en tillräcklig förankringslängd och ett tillräckligt täckskikt runt armeringsstången Förankringslängd Armeringsstänger ska förankras så att krafterna överförs till betongen. Längden som krävs för att stängerna ska ha tillräcklig förankringsförmåga beror av stängernas stålkvalitet och vidhäftningsegenskaper. Grundförankringslängden,, är den längd som behövs för överföring av kraften och kan enligt [1] erhållas ur: (6) Där är stångens diameter och är vidhäftningshållfastheten mellan betong och kamstänger och beräknas genom ekvation 4. Ekvationen för beräkning av grundförankringslängden bygger på antagande om konstant vidhäftningsspänning,. är dimensioneringsvärdet på spänningen i stången och beräknas enligt [5] genom: (7) Där är det karakterisktiska värdet på sträckgränsen och finns i bilaga B och är en partialkoefficient för ospänd armering i brottgränstillstånd (se tabell 1). Genom den erhållna grundförankringslängden,, kan sedan den dimensionerande förankringslängden,, beräknas enligt [1] genom: Där koefficienten varierar med stängernas form under förutsättning av tillräckligt täckskikt. För en rak armeringsstång som är utsatt för drag är värdet på =1.0. Vid annan form på armeringsstången än rak är för dragen stång värdet på =0.7 vid fall där annars är =1.0. väljs till det minsta av halva avståndet mellan två armeringsstänger eller stångens täckskikt. För alla former på stängerna är för tryckt stång =1.0. Koefficienten tar hänsyn till påverkan av täckande betongskikt (8) 7

12 och är för tryckt stång, oavsätt form, 1.0. Vid dragen rak stång begränsas värdet på till. Om formen på armeringsstången är annan än rak är värdet på begränsat till för en dragen stång. Omslutningseffekten av tvärgående armering beaktas genom koefficienten och är för alla former på armeringsstången 1.0 vid tryckt stång och vid dragen stång. Vid fall där tvärgående armering saknas sätts =1.0. Faktorn fås ur figur 6 och för plattor ges faktorn enligt [1] ur uttrycket: (9) Där är tvärarmeringens area inom den dimensionerande förankringslängden och är arean för en förankrad stång med största diametern. Figur 6. Värden på faktorn [1]. Koefficienten beaktar effekten av svetsade tvärstänger inom den dimensionerande förankringslängden,, och är 0.7 för dragen samt tryckt stång. För att beakta tryck vinkelrätt mot spjälkningsplanet inom den dimensionerande förankringslängden sätts till, där är tvärgående tryck i brottgränstillstånd. Om inga begränsningar tillämpas är den minsta förankringslängden som krävs enligt [1]: - för dragna förankringar - för tryckta förankringar Armeringens draghållfasthet Armeringsstängerna som förankras i håldäcket är bockade s-byglar som tidigare nämnt i kapitel 2.1. Dessa byglar måste ha en draghållfasthet som klarar den last som kopplingen mellan håldäcket och betongväggen dimensionerats för. Enligt [5] beräknas draghållfastheten för armering genom: (10) Där är armeringens karakteristiska värde på sträckgränsen, är armeringens tvärsnittsarea och är en partialkoefficient för ospänd armering i brottgränstillstånd. När armeringsstången utsätts för dragbelastning kommer stången till en början ha egenskaper som ett elastiskt material. När armeringsstången når sträckgränsen kommer materialet övergå från att vara elatiskt till plastiskt. Med det menas att stången deformeras utan ökad last. Fortsätter materialet att belastas med samma last kommer stången uppnå sin brottgräns där materialet deformeras medans spänningen avtar fram till brott sker [5]. 8

13 2.3.5 Tvärkraftöverföring mellan betong gjuten vid olika tillfällen Det tredje brottet som kan ske i kopplingen är att igjutningen vid dragbelastning inte har tillräcklig med vidhäftning mot den gamla betongen. Den gamla betongen är i detta fall sidan på håldäcket, alltså håldäcksfogen, samt håldäckskanalen. I skiktet mellan gammal och ny betong uppkommer skjuvspänning. Vidhäftningen mellan betong gjuten vid olika tidpunkter måste därför vara tillräcklig för att inte skjuvbrott ska ske. Det vill säga den dimensionerande skjuvspänningen mellan håldäcksfogen och igjutningen bör inte överstiga dimensionerande bärförmåga vid fogskjuvning,. Enligt [1] beräknas den dimensionerande bärförmågan genom: (11) Där och varierar med fogytornas råhet (se tabell 2), är dimensioneringsvärdet för betongens draghållfasthet och finns bifogad i bilaga A, är den minsta yttre kraft per ytenhet som verkar vinkelrät mot fogen samtidigt med skjuvkraften, är den arean som korsar fogen inklusive ordinarie tvärkraftarmering dividerat med fogens area, är en reduktionsfaktor för hållfasthet, en faktor som beror av förankringen mellan ny och gammal betong och värdet på ligger mellan och. Tabell 2. Faktorer som beaktar fogytornas råhet [1]. Typ av yta Förklaring c Mycket slät Ytan är gjuten mot formar av stål, plast eller specialbehandlat trä Slät En yta som är glidformsgjuten, strängpressad eller en fri yta som efter vibrering inte behandlats ytterliggare Skrovlig En yta med ojämnheter som t.ex. är krattad, frilagd med ballast eller annan likvärdig metod. Ojämnheterna är på minst 3 mm på cirka 40 mm avstånd Försedd med förtagningar Ytan är försedd med förtagningar

14 2.3.6 Betonghållfasthet Betongens tryckhållfasthet bestäms genom provtryckning av kuber och cylindrar med standard mått, men som riktmärke brukar man säga att betongen efter 28 dygn uppnått önskad hållfasthet. Kubens hållfasthet är något högre än den hållfastheten som man erhåller i konstruktionen, oftast procent [5]. Betong har en låg draghållfasthet som motsvarar ungefär en tiondel av betongens hållfasthet i tryck. Betongens medeldraghållfasthet beräknas enligt [7] genom: (12) Där är karakteristisk tryckhållfasthet. 10

15 3. Provning av kopplingar i håldäck Innan en teoretiskt beräkning kan utföras, görs en litteraturstudie för att fördjupa kunskapen om olika brottfenomen som kan uppkomma. Därefter genomförs en beräkning av kapaciteterna för armeringsjärnen alternativt en armeringsbygeln i en håldäcksfog respektive i en håldäckskanal där Eurokod tillämpas. Beräkningen finns redovisad i bilaga C. Beräkningen syftar till att innan provningen kunna ha en teori om vad som kommer hända vid belastningen av armeringsjärnen. Även provutrustningen dimensioneras, detta för att klara de förväntade krafterna vid provförsöken (se bilaga D). En beräkning utförs också med partialkoefficienter för exceptionella dimensioneringssituationer för att kunna se hur en beräkningsgång kan se ut för dimensionering av rasriskarmering och armering för att klara olyckslaster. Beräkningsgången är bifogad i bilaga G. 3.1 Gjutning av provkroppar I detta examensarbete utförs enbart prover på HD/F 120/20, det vill säga håldäck med tjocklek 200 mm. Håldäck med tjocklek 200 mm valdes eftersom bjälklagsplattan har den minsta fogen av standard dimensionerna. Provförsöken utförs på fyra olika provkroppar med tre stycken av vardera provkropp. Detta för att minska sannolikheten att en provkropp ger felaktiga värden på hållfastheten. Figur 7 visar de gjutna håldäcken som har placerats med fogarna mot varandra och tillverkningsritningarna för dem är bifogade i bilaga E. Figur 7. Håldäcken innan igjutningen av fogen och kanalerna. I tabell 3 redovisas de fyra olika provkropparna som tillverkas för att kunna utföra dragproven. Tabell 3. Dragförsöken utförs på fyra olika provkroppar och totalt tolv dragförsök utförs. Provkropp Typ av provkropp Provkropp 1 Provdragning av 3 stycken armeringsjärn 12 i fogen mellan två håldäck Provkropp 2 Provdragning av en s-bygel 10 i fogen mellan två håldäck Provkropp 3 Provdragning av en s-bygel 10 i håldäckskanalen Provkropp 4 Provdragning av 3 stycken armeringsjärn 16 i håldäckskanalen Innan fog- och kanalgjutningen kan utföras läggs håldäcken upp på stålbalkar. Balkarna svetsas till de igjutna plåtarna i håldäcken för att de två håldäcken inte ska kunna röra sig i förhållande till varandra under provdragningen och därmed efterlikna verkligheten där håldäcken gjutits ihop. De armeringsjärn som ska gjutas i håldäckskanalerna och fogarna klipps och bockas och monteras i 11

16 provkropparna. Håldäckens kanaler och fogar igjutes samt 4 stycken kuber med samma betongblandning för att kunna mäta betongens hållfasthet. 3.2 Laborationsuppställning av dragprov Laborationsuppställningen består av en domkraft utrustad med en gängstång och en kraftmätare samt ett mothåll för domkraften. Betongkuberna tryckbelastas till brott för att ta reda på betongens hållfasthet vid den tidpunkt då de belastas. När den igjutna betongen i provkropparna uppnått önskad hållfasthet ställs provutrustningen upp. I figur 8 illustreras uppställningen. Krafterna som uppmäts vid brott noteras och finns redovisade i kapitel 4.2 Resultat av provningen av de två olika kopplingarna. Figur 8. Provuppställningen som består av en domkraft, pump, kraftmätare, gängstång och mothåll. 3.3 Beräkning av kopplingarnas kapacitet Betongens aktuella kubhållfasthet vid tiden för dragförsöken behöver räknas om till en dimensionerande draghållfasthet. Detta görs genom ekvation 12. Efter erhållen draghållfasthet tagits fram, beräknas kopplingarnas hållfastheter. Beräkningen finns redovisad i bilaga F. 12

17 4. Resultat I denna del av rapporten finns resultaten från provningen och den teoretiska beräkningen sammanställda. 4.1 Resultat av beräkningar för de två olika kopplingarna Vid projektets start gjordes en beräkning av kopplingarnas förväntade hållfastheter för olika typer av brott som kan uppkomma. Beräkningen baserades på antagandet om att den igjutna betongen skulle vara av kvalitet C30/37. Resultatet av beräkningen är sammanställt i tabellerna 4-7 nedan och visar den dimensionerande kraften vid brott för de 4 olika provkropparna. Tabell 4 visar resultatet från beräkningen av dragkapaciteten vis S-bygeln i håldäcksfogen. Tabell 5 visar resultatet från beräkningen av dragkapaciteten vid tre stycken armeringsjärn 12 i håldäcksfogen. Tabell 6 visar resultatet från beräkningen av dragkapaciteten vid S-bygeln i håldäckskanalen. Tabell 7 visar resultatet från beräkningen av dragkapaciteten vid tre stycken armeringsjärn 16 i håldäckskanalen. Tabell 4. Dragkapacitet vid S-bygel i håldäckets fog. Typ av brott Vidhäftningsbrott mellan armering och betong Dragbrott i armeringsstång Brott mellan betong igjutna vid olika tillfällen dimensionernade Tabell 5. Dragkapacitet vid tre stycken armeringsjärn i håldäckets fog. Typ av brott Vidhäftningsbrott mellan armering och betong Dragbrott i armeringsstång Brott mellan betong igjutna vid olika tillfällen dim. Tabell 6. Dragkapacitet vid S-bygel i håldäckets kanal. Typ av brott Vidhäftningsbrott mellan armering och betong Dragbrott i armeringsstång Brott mellan betong igjutna vid olika tillfällen Tabell 7. Dragkapacitet vid tre stycken armeringsjärn Typ av brott Vidhäftningsbrott mellan armering och betong Dragbrott i armeringsstång Brott mellan betong igjutna vid olika tillfällen dim. i håldäckets kanal. dim. Resultatet från beräkningen gav att vidhäftningsbrott mellan den igjutna betongen och håldäckets kanal samt fog var det brott som förväntades att ske vid arbetets start för de olika kopplingarna igjutna i en betong med hållfasthet C30/37. Betongkuberna trycktes och den uppmätta kubhållfastheten blev: Betongens tryckhållfasthet beräknades genom kubhållfastheten till: Tryckhållfastheten användes sedan för att beräkna betongens draghållfasthet som blev: Genom den erhållna draghållfastheten beräknades kopplingarnas kapaciteter vid olika typer av brott, resultaten redovisas i tabellerna 8-11 nedan. Tabellerna visar den dimensionerande kraften vid brott för de 4 olika provkropparna. Tabell 8 visar resultatet från beräkningen av dragkapaciteten vis S- bygeln i håldäcksfogen. Tabell 9 visar resultatet från beräkningen av dragkapaciteten vid tre stycken armeringsjärn 12 i håldäcksfogen. Tabell 10 visar resultatet från beräkningen av dragkapaciteten vid 13

18 S-bygeln i håldäckskanalen. Tabell 11 visar resultatet från beräkningen av dragkapaciteten vid tre stycken armeringsjärn 16 i håldäckskanalen Tabell 8. Dragkapacitet vid S-bygel i håldäckets fog. Typ av brott Vidhäftningsbrott mellan armering och betong Dragbrott i armeringsstång Brott mellan betong igjutna vid olika tillfällen dim. Tabell 9. Dragkapacitet vid tre stycken armeringsjärn i håldäckets fog. Typ av brott Vidhäftningsbrott mellan armering och betong Dragbrott i armeringsstång Brott mellan betong igjutna vid olika tillfällen dim. Tabell 10. Dragkapacitet vid S-bygel i håldäckets kanal. Typ av brott Vidhäftningsbrott mellan armering och betong Dragbrott i armeringsstång Brott mellan betong igjutna vid olika tillfällen Tabell 11. Dragkapacitet vid tre stycken armeringsjärn Typ av brott Vidhäftningsbrott Dragbrott i armeringsstång Brott mellan betong igjutna vid olika tillfällen dim. i håldäckets kanal. dim. Enligt beräkningen kommer det alltså vara armeringen som går till brott vid dragprov av de igjutna armeringsstängerna och byglarna. Kapaciteten för raskopplingarna beräknades med partialkoefficienter vid exceptionella dimensioneringssituationer. Resultatet från beräkningen finns i tabell 12. Resultaten av beräkningen för kapaciteten av kopplingen i håldäcksfogen blev vidhäftningsbrott mellan igjutningen och fogen. Resultatet för beräkningen för kapaciteten av kopplingen i håldäckskanalen blev dragbrott i armeringsstång. Tabell 12. Dragkapacitet vid S-bygel i håldäckets fog och kanal med partialkoefficienter för exceptionella dimensioneringssituationer. Typ av brott Vidhäftningsbrott mellan armering och betong Dragbrott i armeringsstång dim. Brott mellan håldäcksfogen och igjutningen dim. Brott mellan håldäckskanalen och igjutningen Från beräkningsexemplet i bilaga G blev den dimensionerande kraften vilket är mindre än 78 kn som är det dimensionerande värdet på hållfastheten för kopplingen i kanalen. Men större än 69 kn som är det dimensionerande värdet på hållfastheten för kopplingen i fogen. 4.2 Resultat av provningen av de två olika kopplingarna Resultatet från provningen finns sammanställt i tabell 13. Provningen utfördes på fyra olika kopplingar med tre provkroppar av varje koppling. Provkropp 1 är tre stycken armeringsjärn 12 igjutna i håldäcksfogen, provkropp 2 är en S-bygel igjuten i håldäcksfogen, provkropp 3 är en S-bygel igjuten i håldäckskanalen och provkropp 4 är 3 stycken armeringsjärn 16 igjutna i håldäcketskanal. 14

19 Tabell 13. Sammanställt resultat från provningen. Provkropp 1 Provkropp 2 Provkropp 3 Provkropp 4 Minst 195 kn 105 kn 110 kn Minst 195 kn Minst 195 kn 110 kn 110 kn Minst 195 kn Minst 195 kn 100 kn 100 kn Minst 195 kn Provkropp 1 med tre stycken armeringsjärn med 12 mm i diameter placerade i fogen mellan två håldäck gick ej till brott pågrund av att utrustningen enbart klarade 20 ton. Det visar på att kopplingen i fogen klarar mer än 195 kn. Likaså gick ej tre stycken 16 armeringsjärn placerade i håldäckets kanal till brott, där syntes inget tecken på något typ av brott som tidigare tagits upp i rapporten. Figur 9 visar resultatet av provningen vid belastning av tre armeringsjärn med dimension 12 i håldäcksfogen. Av resultatet tyder det ändå på att betongen i fogen spjälkas sönder pågrund av påfrestningen vid belastningen. Figur 9. Provning av tre armeringsstänger med dimension ϕ12 i håldäckets fog. Första bilden är tagen under pålastning där en spricka i betongen uppkommit och andra bilden är tagen efter belastning med 195 kn där man tydligt ser att betongen börjat spjälkat sönder. Standardkopplingen med en S-bygel i kanalen blev resultatet materialbrott i armeringsbygeln som utfallet även blev vid provning av en S-bygel i fogen mellan två håldäck. Inga sprickor hann uppkomma i betongen, varken i fogen eller kanalen. Figur 10 visar resultatet för provningen av armeringsbygeln i fogen. Figur 10. Materialbrott i S-bygeln efter provdragning. 15

20 5. Diskussion och slutsats Resultaten av den praktiska delen av projektet visar på att Eurokods beräkningsmodell ger en lägre hållfasthet på de båda kopplingarna än det visade sig vara i praktiken. Armeringsbyglarna gick till brott vid omkring 105 kn, vilket kan jämföras med det framräknade värdet på hållfastheten som var 68 kn. Av alla de 6 armeringsbyglarna som provades var det ingen av dem som gav ett värde på hållfastheten som var långt ifrån de andra. Armeringsbyglarna är troligtvis klippta från samma armeringsjärn vilket kan göra att värdena ändå kan vara missvisande eftersom det kan förekomma variationer i material. När försöken gjordes höll kopplingarna för mer än de teoretiskt framtagna hållfasthetsvärdena. Att hållfastheten mellan håldäcksfogen och den igjutna betongen visade sig vara högre än förväntat, kan förklaras med att för lågt värde på c-faktorn användes. Faktorn tar hänsyn till materialens vidhäftning och de små ojämnheterna som fanns på ytan av håldäckets långsida förbättrade troligtvis vidhäftningen och ett högre värde på c-faktorn hade gett resultat som speglar verkligheten bättre. En större dimension på armeringsbygeln än kan inte placeras i håldäcksfogen vilket gör att kraften som kopplingen i fogen kan ta upp begränsas till detta. När försöken utfördes på 3 stycken armeringsjärn i håldäcksfogen hade betongen börjat att spjälkas sönder när kopplingen belastats med 195 kn. Det gick också att se att armeringsjärnen hade deformerats, även om det var väldigt lite. Beräkningarna visade på att det inte fanns någon risk för att förankringsbrott skulle ske. Spjälkningen av betongen i fogen beror troligtvis på att järnen inte var tillräckligt omslutna av betong och ett järn med större diameter än 12 mm kan därför inte användas. Att montera bygeln i fogen mellan två håldäck minskar arbete vid tillverkningen eftersom inga extra ursparingar behöver göras. Med minskat arbete, minskar också tillverkningskostnaden. Det är den största anledningen till varför det var intressant att utföra provförsök på kopplingen i fogen. Nackdelen med kopplingen är, som tidigare nämnt, att den enbart funkar som raskoppling och ej som motverkande av vridning. Detta eftersom bygeln måste monteras längre upp i fogen än i kanalen för att få tillräcklig omslutning av betong och den motverkande kraftens hävarm blir då mycket mindre än om bygeln monterades så långt ifrån vridcentrum. Domkraftens dragkapacitet var 20 ton som gjorde att försöken begränsades till att enbart kunna konstatera att utdragningskapaciteten i en håldäcksfog och kanal är minst 195 kn. Det är en rätt stor kraft och en större kraft än så kommer kopplingarna troligtvis inte behöva dimensioneras för. Men en domkraft med högre kapacitet hade behövt för att kunna ta reda på c-fakorer för håldäcksfogen och kanalen. Examensarbetet gav inget resultat på utdragningskapaciteterna i håldäcksfogen och kanalen, därför kan inte heller något svar ges vilken förankringskraft man kan utnyttja. Men resultaten visar att det är möjligt att ersätta dagens standard koppling i kanalen med att istället montera bygeln i fogen mellan två håldäck och då minska arbetet vid tillverkningen. Vid dimensionering kan hänsyn behöva tas till att sprickbildning kan ske efter att byggnaden tagits i bruk. Sprickbildningen kan leda till minskad hållfasthet som troligtvis blir ännu mer viktig att ta hänsyn till vid koppling i håldäcksfog. 16

21 6. Referenslista 1. Eurokod 2: Dimensionering av betongkonstruktioner Del 1-1: allmänna regler och regler för byggnader. u.o :Eurokod 2 Svensk standard, (SS-EN : 2005), Eurokod 1: Laster på bärverk Del 1-7: Allmänna laster olyckslaster. u.o :Eurokod 1 Svensk standard, (SS-EN : 2006), Strängbetong. Håldäck. (hämtad ) 4. Eurokod 3: Dimensionering av stålkonstruktioner Del 1-8: Dimensionering av knutpunkter och förband. u.o :Eurokod 3 Svensk standard, (SS-EN :2005), Isaksson Tord & Mårtensson Annika. Byggkonstruktion. Upplaga 2:4. Lund: Studentlitteratur AB, Almgren Thomas, Norlen Britt, Rapp Ted & Sköld Magnus. Betong och armeringsteknik. Version Sveriges Byggindustrier. 7. Almsaad Assad. Betongkonstruktion. Upplaga 1:1. Lund: Studentlitteratur AB,

22 Bilaga A Hållfasthets- och deformationsegenskaper för olika betongkvaliteter 18

23 Bilaga B Karakteristiska värden för olika armeringskvaliteter Armering Diameter (mm) (MPa) B500BT Ss260S Ks600ST Nps

24 Bilaga C Beräkning av kapaciteten för s-bygel och armeringsjärn i HD/F-fog samt HD/F-kanal vid projektets start Den förväntade betongens draghållfasthet för betong C30/37: Vidhäftningshållfasthet mellan igjutna betongen och armeringbygeln Mantelarean på det bockade armeringsjärnet: Mantelarean på armeringsjärnet: Vidhäftningshållfastheten: Hållfastheten beräknas om som en största kraft innan brott sker: En bygel 3 armeringsjärn Förankringslängd Grundförankringslängden: Dimensionerande förankringslängd: OK! Förankringslängd Grundförankringslängden: Dimensionerande förankringslängd: OK! Armeringens draghållfasthet En bygel 3 armeringsjärn 20

25 Tvärkraftöverföring mellan HD/F-fog och igjutning Slät yta: OK! Fogens area: Hållfastheten beräknas om som en största kraft innan brott sker: Beräkning av kapaciteten för s-bygel samt armeringsjärn i HD-kanal Vidhäftningshållfasthet mellan igjutna betongen och armering Mantelarean på det bockade armeringsjärnet: Mantelarean på armeringsjärnet: Vidhäftningshållfastheten: Hållfastheten beräknas om som en största kraft innan brott sker: En bygel 3 armeringsjärn Förankringslängd Grundförankringslängden: Dimensionerande förankringslängd: OK! Förankringslängd Grundförankringslängden: Dimensionerande förankringslängd: 21

26 OK! Armeringens draghållfasthet En bygel 3 armeringsjärn Tvärkraftöverföring mellan HD/F-kanal och igjutning Skrovlig yta: OK! Fogens area: Hållfastheten beräknas om som en största kraft innan brott sker: 22

27 Bilaga D Beräkning av försöksanordningen Svetsar SS-EN :2005 Dimensionerande kraft, 3 stycken armeringsjärn Längden på svetsarna=120 mm 3-faldig säkerhet Förstärkningsplåt (Referens: Isaksson Tord & Mårtensson Annika. Byggkonstruktion. Upplaga 2:4. Lund: Studentlitteratur AB, ) Antar bredd på plåten: 200 mm F/2 L 3-faldig säkerhet 23

28 Bärförmåga för hålkanttryck enligt SS-EN :2005 avståndet mellan hål och kant, i kraftriktiningen (min=1.2 ) avståndet mellan hål och kant, vinkelrätt kraftriktiningen (min=1.2 ) hålets diameter Antar PLS 150x30 L=205 För hål vid ände: (3-faldig säkerhet) OK! 24

29 Bilaga D Tillverkningsritningar Tillverkningsritningar för håldäcken: 25

30 Principen för de fyra olika testerna: 26

31 Ritning för försöksanordningen som tillverkas: 27

32 Tillverkningsritningar för armerningsjärnen som gjuts i håldäcksfogen respektive håldäckskanalen: 28

33 29

34 Bilaga F Beräkning av kapaciteten för S-bygel och armeringsjärn i HD/F-fog samt HD/F-kanal med erhållen hållfasthet Betongens hållfastheten vid tidpunkten för provdragningen: är ungefär 10-20% högre än Beräkning av kapaciteten för s-bygel samt armeringsjärn i HD-fog Vidhäftningshållfasthet mellan igjutna betongen och armeringbygeln Mantelarean på det bockade armeringsjärnet: Mantelarean på armeringsjärnet: Vidhäftningshållfastheten: Hållfastheten beräknas om som en största kraft innan brott sker: En bygel 3 armeringsjärn Förankringslängd Grundförankringslängden: Dimensionerande förankringslängd: OK! Förankringslängd Grundförankringslängden: Dimensionerande förankringslängd: OK! 30

35 Armeringens draghållfasthet En bygel 3 armeringsjärn Tvärkraftöverföring mellan HD/F-fog och igjutning Slät yta: OK! Fogens area: Hållfastheten beräknas om som en största kraft innan brott sker: Beräkning av kapaciteten för s-bygel samt armeringsjärn i HD-kanal Vidhäftningshållfasthet mellan igjutna betongen och armering Mantelarean på det bockade armeringsjärnet: Mantelarean på armeringsjärnet: Vidhäftningshållfastheten: Hållfastheten beräknas om som en största kraft innan brott sker: En bygel 3 armeringsjärn Förankringslängd Grundförankringslängden: Dimensionerande förankringslängd: 31

36 OK! Förankringslängd Grundförankringslängden: Dimensionerande förankringslängd: OK! Armeringens draghållfasthet En bygel 3 armeringsjärn Tvärkraftöverföring mellan HD/F-kanal och igjutning Skrovlig yta: OK! Fogens area: Hållfastheten beräknas om som en största kraft innan brott sker: 32

37 Bilaga G Beräkning av kapaciteten för raskopplingen Betongens draghållfasthet för betong C30/37: Vidhäftningshållfasthet mellan igjutna betongen och armeringbygeln Mantelarean på det bockade armeringsjärnet: Vidhäftningshållfastheten: Hållfastheten beräknas om som en största kraft innan brott sker: En bygel Förankringslängd Grundförankringslängden: Dimensionerande förankringslängd: OK! Förankringslängd Grundförankringslängden: Dimensionerande förankringslängd: OK! Armeringens draghållfasthet En bygel Tvärkraftöverföring mellan HD/F-fog och igjutning 33

38 OK! Fogens area: Hållfastheten beräknas om som en största kraft innan brott sker: Tvärkraftöverföring mellan HD/F-kanal och igjutning OK! Fogens area: Hållfastheten beräknas om som en största kraft innan brott sker: Kapacitet för koppling i håldäcksfog: Kapacitet för koppling i håldäckskanal: Exempel dimensionerande last Ett lagerutrymme i ett matvaruhus. Bjälklaget består av HD/F 120/40 med största spännvidd på 8 m. Förbanden är monterade i varje håldäck och sitter därmed på ett avstånd på 1.2 m. Pågjutningen på håldäcken är 50 mm. Det inre förbanden ska klara största av dragkrafterna: Dimensionerande kraft= Kapacitet för koppling i håldäcksfog: Kapacitet för koppling i håldäckskanal: 34