LÄTTA LÖSNINGAR Per-Gunnar Larsson, Bohusgeo. Sammanfattning 1 BAKGRUND

Transkript

1 LÄTTA LÖSNINGAR Per-Gunnar Larsson, Bohusgeo Sammanfattning Under våren 1990 uppfördes en industribyggnad med en kantförstyvad platta på ett tidigare uppfyllt lerområde invid Göta älv. Fyllningarna i kombination med relativt stora golvlaster medförde att sättningarna blev stora och ojämna. Redan efter 6 à 7 år uppgick golvets sättning till som mest ca 0.5 m, med differenssättningar på upp till 0.4 m. Eftersom sättningshastigheten fortfarande var stor, beslutades att en grundförstärkning skulle utföras. De största och mest besvärande sättningarna uppkom inom ett begränsat område, där 8 relativt tunga cisterner är placerade. Grundförstärkning beslutades att utföras enbart inom området med de 8 cisternerna. Det fördelaktigaste alternativet bedömdes vara ett markribbdäck, dvs en kompensationsgrundläggning i kombination med en relativt styv platta. Kompensationen åstadkommes genom att de befintliga jordmassorna skiftas ut mot cellplast och utformas så att de förväntade framtida sättningarna för markribbdäcket i möjligaste mån sammanfaller med sättningarna inom de anslutande delarna av golvet. Markribbdäckets styvhet dimensioneras så att de relativt stora variationerna i belastningarna från cisternerna kan accepteras utan att differenssättningar inom markribbdäcket uppkommer. 1 BAKGRUND Industribyggnaden är belägen i Lödöse, ca 150 m från Göta älv, och inrymmer Askanias Vattenglasfabrik. Byggnaden uppfördes under våren Relativt omgående utbildades dock stora sättningar, varför en avvägning av golvnivåerna påbörjades under Mellan 1992 och 1996 utfördes totalt 4 avvägningar. Med ledning av avvägningarna bestämdes att en grundförstärning skulle utföras för den del av byggnaden där de 8 cisternerna är belägna. Grundförstärkningen utfördes som en kompensationsgrundläggning med markribbdäck, under hösten Området där byggnaden är uppförd utgörs av ett gammalt tippområde och det går ej att i detalj klarlägga när de olika delarna av området fyllts ut. Belastningarna på golvet har varierat relativt kraftigt och det är svårt att i detalj fastställa belastningshistorien. Eftersom viss osäkerhet finns beträffande hur - 1 -

2 stora belastningarna varit och när de påförts, har vid sättningsberäkningarna belastningshistorien och även jordlagerparametrarna justerats så att en överensstämmelse erhållits med de uppmätta sättningarna. Dimensionering, utformning, konstruktionsritningar, mm har tagits fram av Sölve Johansson, VBK i Göteborg. Beräkningen av inträffade och framtida sättningar, moment- och tvärkraftsbehovet för markribbdäcket samt erforderlig cellplastkvalité har utförts av artikelförfattaren. Tidigare har en artikel om objektet publicerats i Bygg & teknik 2/98. 2 BEFINTLIG BYGGNAD Byggnaden är 40x40 m och uppförd i ett plan, se figur 1. Inom en del av byggnaden finns en kontorsdel och inom en annan del finns 8 cisterner, vardera med en diameter av 4.0 m. Stommen utgörs av stål med en primärbalk som är upplagd på tre pelare, en pelare mitt i byggnaden och två i vardera fasad. Sekundärbalkarna bärs i fasaderna upp av pelare, c-5 m. Hela byggnaden var före grundförstärkningen grundlagd direkt på mark med en kantförstyvad platta. Golvplattan är 12 cm tjock och enkelarmerad. Under de tre pelarna som bär primärbalken finns relativt stora, tjockare plattdelar. Pelare, c-5 m Pelare Golvränna Golvränna Kontorsdel Figur 1. Industribyggnaden före grundförstärkning Fyllnadsgraden i cisternerna är avgörande för vilken belastning som erhålles på plattan. Med ledning av en inventering, som utförts för en kortare tidsperiod, har 4 olika kombinationer av fyllnadsgrader tagits fram. Dessa har sedan använts vid beräkningar av moment- och tvärkrafter i markribbdäcket. Belastningen i de enskilda cisternerna har därvid bedömts variera mellan 100 och 900 kn, vilket motsvarar ca 8 och 70 kn/m 2. Som tidigare nämnts, finns viss osäkerhet beträffande belastningarnas storlek och varaktighet.

3 Vid beräkningen av de uppkomna sättningarna och även de framtida sättningarna har ett medelvärde på ca 500 kn/cistern använts i beräkningarna. 3 UPPMÄTTA SÄTTNINGAR Totalt har golvnivåerna avvägts vid fyra tillfällen innan grundförstärkningen utfördes, nämligen i juni 1992, augusti 1993, september 1994 och november Efter ca 2 år Efter ca 6.5 år C B E C B E A A D D Figur 2. Uppmätta sättningar i centimeter på golvet. CM Grundf rst rkning R Figur 3. Uppmätta sättningar i centimeter för golvet. Punkternas läge framgår av figur 2. A C B E D Efter grundförstärkningen, som var klar i oktober 1997, har golvnivåerna avvägts vid ett tillfälle i januari Avvägningarna mellan 1992 och 1996 har utförts av KM och avvägningen 2001 av Bohusgeo. Avvägningarna av golvnivåerna har utförts i ett rutnät, ca 4 x 4 m. I figur 2 redovisas de sättningar som uppkommit ca 2 respektive 6.5 år ( respektive ) efter - 3 -

4 det att byggnaden uppfördes. I figuren är även de punkter A-E markerade, för vilka hela sättningsförloppet finns redovisat i figur 3. Redan efter 2 år var sättningarna vid cisternerna av storleksordningen 25 à 35 cm. Differenssättningen på golvet uppgick till ca 30 cm. Efter 6.5 år var motsvarande siffror 40 à 55 cm respektive ca 40 cm. Tid-sättningsförloppet för 5 utvalda punkter på golvet (punkt A-E, enligt figur 2) redovisas i figur 3. I figuren har även den avvägning som utfördes efter grundförstärkningen redovisats. Detta gäller dock ej för punkt A, eftersom markribbdäcket utförts inom denna del. De avvägningar som utförts på markribbdäcket och golvet efter det att grundförstärkningen utförts redovisas nedan under: 7 SÄTTNINGAR EFTER GRUNDFÖRSTÄRKNING. 4 GEOTEKNISKA FÖRHÅLLANDEN Geotekniska undersökningar har utförts för detaljplanearbetet vid två tillfällen 1970 och 1979 (båda undersökningarna utförda av GF Konsult). I samband med projekteringen av grundförstärkningen utfördes 3 provgropar (utförda av VBK). Från undersökningen 1970 kan konstateras att området utgjordes av jungfrulig mark och beskrevs som en svagt sluttande strandäng. När undersökningen 1979 utfördes hade 1 à 1.5 m fyllning lagts ut. I samband med att byggnaden uppfördes påfördes ytterligare ca 0.5 m fyllning. Provgroparna, som utfördes längs byggnadens ena Spänning i kpa långsida, visade att den totala fyllningstjockleken var 1.6 à m. Djup i meter u=37 s C - CRS Effektivspänning Figur 4. Konsolideringsförhållanden Från undersökningen 1979 s C - Hansbo u=96 Totalspänning Undersökningarna visar att de naturliga jordlagren utgörs av lera med ca 30 m tjocklek. Leran är siltig och inom de övre delarna även gyttjig. Lerans vattenkvot och konflytgräns varierar mellan 60 à 70 % respektive 70 à 80 %. I figur 4 redovisas utvärderade förkonsolideringstryck från dels kompressionsförsök (CRS-försök) och dels vingprovning och konflytgräns - 4 -

5 (Hansbo s formel). Fält- och laboratorieundersökningarna är utförda I diagrammet har även effektivspänningar från 1970 och 1990 lagts in. Av diagrammet framgår att leran innan uppfyllningarna utfördes troligen var överkonsoliderad (tål belastning utan att långtidssättningar uppkommer) ner till 5 à 10 m djup och därunder normalkonsoliderad (tål ingen belastning utan att långtidssättningar uppkommer). Fyllningen som lades ut 1990 orsakar sannolikt sättningar även inom lerans övre, tidigare överkonsoliderade del. Från undersökningen 1979 kan konstateras att lerans skjuvhållfasthet är 30 à 35 kpa ner till 10 à 15 m djup och att den därunder ökar mot djupet. Skjuvhållfastheten är förhållandevis hög och det tyder möjligtvis på en något större överkonsolidering än vad som erhållits från kompressionsförsöken. 5 BERÄKNADE SÄTTNINGAR 5.1 Beräkningsmodell Beräkningen av sättningsförloppet har utförts med programmet KONSOLID, i vilket laster och jordlagergeometri anges i en 3-dimensionell modell. Belastningarna kan varieras valfritt i tiden. Av figur 5 framgår den belastningsmodell som använts. I den vänstra delen av figuren, anges den slutliga totallasten av samtliga fyllningar. Av fyllnings- 37 Fyllningar Byggnad meter 57 upplag + fyllning Byggnad 40 x 40 m Pelare (160 kn) 5 (Golv) Pelare (340 kn) Figur 5. Belastningar i kpa. 85 meter - 5 -

6 lasterna har mellan 20 och 25 kpa påförts mellan 1970 och 1975, dvs mellan 20 och 15 år innan övriga laster påförts. Av den högra delen av figuren framgår de byggnadslaster som använts vid beräkningarna. Av beräkningstekniska skäl har belastningen från cisternerna påförts på kvadratiska ytor. Vid beräkningen av långtidssättningarna har ett medelvärde av belastningen från cisternerna använts. 5.2 Sättningar före grundförstärkning Uppmätta sättningar är ett utmärkt instrument för att kontrollera och kalibrera en beräkningsmodell. Speciellt i fall som detta, där vissa osäkerheter finns i såväl belastningshistorien som i jordlagermodellen. Byggnaden och fyllningarna är ju ett belastningsförsök i full skala. För att erhålla bättre överensstämmelse med de uppmätta sättningarna har viss justering utförts av lerans permeabilitet och tidpunkten för fyllningslasternas påförande. I figur 6 redovisas de beräknade sättningarna 2 respektive 6.5 år efter det att byggnaden uppfördes. De beräknade sättningarna skall jämföras med de uppmätta sättningarna i figur 2. Relativt god överensstämmelse har erhållits mellan beräknade och uppmätta sättningar. Avvikelser finns dock inom vissa delar. Troligtsvis beror avvikelserna på att golvlasterna avvikit och/eller fyllningarna påförts annorlunda i tiden, mot vad som antagits i beräkningarna. Efter 2 år Efter 6.5 år Figur 6. Beräknade sättningar i centimeter för golvet. Jämför med uppmätta sättningar i figur

7 5.3 Sättningar om ingen grundförstärkning blivit utförd I figur 7 redovisas beräkningar av de framtida sättningar som skulle kunna förväntats om ingen grundförstärkning utförts. I vänstra delen av figuren redovisas en beräkning av de totala sättningarna efter 16.5 år, dvs 10 år efter det att man tog beslut om grundförstärkning. I den högra delen av figuren redovisas enbart de tillkommande sättningarna under 10 år (mellan år 6.5 till år 16.5). Av beräkningarna framgår att den totala sättningen ökar till ca 80 cm vid cisternerna och att differenssättningen ökar ytterligare. Sättning efter 16.5 år Tillkommande sättning mellan 6.5 år och 16.5 år Figur 7. Beräknade sättningar i centimeter för golvet, om man ej hade vidtagit några åtgärder. 5.4 Sättningar efter grundförstärkning För att åtgärda golvet vid cisternerna och samtidigt minska sättningshastigheten, ersattes inom en begränsad del av golvet, vid cisternerna, de befintliga jordmassorna med cellplast. Området där kompensationen utförts, som innebär att belastningen minskades med totalt ca 17 kpa, finns inom den streckade rektangeln i figur 8. För att erhålla en tillräckligt styv och lastfördelande platta valdes plattan att utformas som ett markribbdäck. I figur 8 redovisas den beräknade sättningen, 10 år respektive 20 år efter det att kompensationen utförts

8 Tillkommande sättning mellan 6.5 år och 16.5 år, dvs 10 år efter åtgärd. Tillkommande sättning mellan 6.5 år och 26.5 år, dvs 20 år efter åtgärd. 40 m eter Avlastning med 17 kpa Avlastning med 17 kpa Figur 8. Beräknade sättningar i centimeter för golvet, efter kompensation utförts. För att se vilken effekt kompensationen beräkningsmässigt ger efter ca 10 år, skall man jämföra de beräknade sättningarna i den vänstra delen av figur 8 med de beräknade sättningarna i den högra delen av figur 7. Av beräkningsresultaten i figur 7 och 8 framgår att sättningarna efter kompensationen kan förväntas minska så att området vid cisternerna i framtiden sätter sig något mindre än golvet inom övriga delar. 6 MARKRIBBDÄCKET 6.1 Utformning Markribbdäcket består av korsvis sammanfogade armerade betongbalkar (ribbor) som gjuts samman med golvplattan till en samverkande enhet (T-tvärsnitt). Ribbornas c/c avstånd och höjd är anpassade till standardstorleken på cellplastblocken. I figur 9 visas foton på gjutningen av det aktuella markribbdäcket (ca 10 x 20 m) och även en detalj av armeringen och cellplastblocken. En sektion genom markribbdäcket visas i figur 10. Ribborna är placerade c/c 1.2 m, har bredden 0.3 m och höjden 0.53 m. Plattan har tjockleken 0.15 m, - 8 -

9 Figur 9. Armering och gjutning av markribbdäck. Foto: Erik Thelberg, Sundolitt Befintligt Länkplatta Kvarsittande träspont Markribbdäck EPS, S-100 EPS, MX-350 EPS, MX-200 Sandavjämning grovbetong Figur 10. Principsektion markribbdäck. Figuren framtagen från VBK:s konstruktionsritning. vilket ger den totala balkhöjden 0.63 m. Cellplastkvalitén har valts så att i princip hela lasten kan överföras via ribborna till undergrunden. Direkt under ribborna finns ett m tjockt lager Sundolitt MX-350 och därunder ett 0.53 m tjockt lager Sundolitt MX-200. Cellplasten mellan ribborna har valts av kvalitén S-100 och fungerar i huvudsak som sparkroppar vid gjutningen. I praktiken kommer naturligtsvis även viss last att överföras via plattan och sparkropparna till den underliggande cellplasten

10 Länkplatta Tvärkrafter Länkplatta Figur 11. Markribbdäck med länkplattor. Figuren framtagen från VBK:s konstruktionsritning. För att kunna uppta sättningsskillnader mellan markribbdäcket och det kringliggande golvet, omges markribbdäcket av länkplattor. Länkplattornas utformning i plan framgår av figur 11. I figur 10 visas länkplattans utformning i en sektion mot kantbalken under fasaden. 6.2 Moment och Beräkningen av erforderlig moment- och tvärkraftskapacitet för markribbdäcket har utförts med ett samverkansprogram, ELAS. Samverkansberäkningen utförs som en iteration mellan den tidigare beskrivna last- och jordlagermodellen och en rätvinklig platta beräknad enligt finit elementmetoden (programmet PREFEM). Med ledning av den inventering som tidigare nämnts, har 4 olika dimensionerande lastkombina-tioner tagits fram. Belastningen i de enskilda cisternerna har därvid bedömts variera mellan 100 och 900 kn, vilket motsvarar ca 8 och 70 kn/ m 2. I figur 12 visas ett exempel på en beräknad momentfördelning. Vid beräkningarna har förutom jordlageregenskaperna även deformationsegenskaperna för de valda cellplastkvaliteterna knm/m inmatats. Figur 12. Exempel på momentfördelning (utskrift från PREFEM) 6.3 Cellplastkvalité För bedömningen av lämplig

11 cellplastkvalité har kontakttrycksfördelningen under de enskilda ribborna beräknats. Hela lasten har antagits bli överförd via ribborna, som i beräkningen är oändligt styva. Resultatet från en sådan beräkning visas i figur 13. Kontakttrycksfördelningen ger upphov till en spänningsfördelning enligt figur 14. Lastspridningen har beräknats enligt Boussinesq. Med ledning av spänningsfördelningen har cellplastkvalitén valts. Kontakttrycksfördelningen varierar beroende på deformationsegenskaperna i cellplasten, vilket medför att beräkningen är iterativ. Figur 13. Kontakttrycksfördelning och beräknade sättningar i enbart cellplasten. Moduler för långtidslast. En Ribba m MX Djup i meter under uk ribba Sp nning i kpa m MX Figur 14. Spänningsfördelning i kpa under en ribba

12 7 SÄTTNINGAR EFTER GRUNDFÖRSTÄRKNING För att kontrollera rörelseskillnaden mellan markribbdäcket och den kringliggande plattan har konstruktören avvägt dubbar som placerats i markribbdäcket, länkplattorna och i den anslutande golvplattan. Avvägningen har utförts från en fix som placerats i kantförstyvningen ca 1 m från markribbdäcket, vilket innebär att även fixen satt sig. Första avvägningen utfördes direkt efter det att markribbdäcket färdigställts, men innan cisternerna fylldes. Andra avvägningen utfördes efter det att cisternerna fyllts, ca 2 månader efter första avvägningen. Dessa två avvägningar visar att markribbdäcket satt sig 1 à 2 cm mer än fixen. Eftersom fixen är belägen endast ca 1 m från markribbdäcket har även denna satt sig när cisternerna fylldes upp, troligen 1 à 2 cm. Sättningen orsakad av deformation i enbart cellplasten har beräknats till ca 1 cm för korttidslast och ca 2 cm för långtidslast. Den momentana sättning som uppkommer när lasten påföres, har beräknats till 2 à 3 cm i leran och ca 1 cm i cellplasten, dvs totalt 3 à 4 cm. Om man tar hänsyn till att fixen satt sig är nog de beräknade och de uppmätta momentana sättningarna av samma storleksordning. Dubbarna har även avvägts en tredje gång, i november 2000, ungefär 3 år efter det att markribbdäcket färdigställdes. För perioden från det att de momentana sättningarna utbildats och ca 3 år framåt, visar avvägningarna att de dubbar som placerats i golvet ca 5 m från markribbdäcket satt sig 0.5 à 1 cm mer än markribbdäcket. I januari 2001 utfördes av Bohusgeo en avvägning av golvnivåerna i de punkter där de tidigare golvavvägningarna utförts (c/c ca 4x4 m). Den bergknalle där fixen varit belägen var dock ett minne blott, där stod ett hus. Avvägningen fick utföras från en ny fixpunkt (i berg). Höjdsystemet var dock ej samma som den ursprungligen använda fixen. Höjdskillnaden mellan de två höjdsystemen var ej enkel att reda ut, men efter ett flertal diskussioner med kommunen och lantmäteriet, kom vi fram till en sannolik höjdskillnad. Vi hyser dock fortfarande vissa farhågor att golvnivåerna före och efter fixbytet, ej är fullt jämförbara. I figur 15 redovisas dels golvnivåerna innan grundförstärkningen utfördes och dels golvnivåerna ca 3 år efter det att grundförstärkningen utförts. Markribbdäcket utfördes med en lutning som anpassades till de anslutande golvnivåerna. De tillkommande sättningarna 3 år efter grundförstärkningen, uppmätta och

13 innan grundförstärkning ca 3 år efter grundförstärkning 40 m eter 40 m eter Figur 15. Golvnivåer. 40 m eter 40 m eter beräknade, redovisas i figur 16. I den vänstra delfiguren, med uppmätta sättningar, är sättningarna skillnaden mellan golvnivåerna i figur 15, utom för markribbdäcket. För markribbdäcket har sättningarna beräknats med ledning av de avvägda dubbarna, men det är lite osäkra värden (rörlig fix ). I markribbdäckets sättning ingår även den momentana sättningen som erhölls första gången cisternerna fylldes. I den högra delfiguren redovisas beräknade förväntade sättningar. Om man jämför de två delfigurerna framgår att det utbil- Uppmätta Beräknade 40 m eter 40 m eter Figur 16. Sättningar i cm, 3 år efter grundförstärkningen

14 dats något större sättningar än förväntat. Men som sagts tidigare råder viss osäkerhet med de olika höjdsystemen. Framtiden får utvisa!! 8 KOMMENTARER Nedan lämnas några kommentarer och funderingar, som ej kommit med i den tidigare texten. I undersökningen från 1979 ges bland annat följande rekommendationer: Byggnader inom området måste i de flesta fall grundläggas med pålar Grundläggning med plattor utan pålning är tänkbar endast för små och mycket sättningståliga byggnader Föreliggande utredning är översiktlig och måste kompletteras i samband med utbyggnad av området. Orsaken till de stora sättningarna och skadorna på byggnaden kan man väl påstå är att rekommendationerna i de geotekniska utredningarna ej följdes. Sättningarna har uppkommit på grund av de stora fyllningar som påförts inom hela området i kombination med de stora lokala golvbelastningarna. Betongplattan (12 cm tjock och enkelarmerad) var ej dimensionerad för de stora belastningarna från cisternerna. Den utförda grundförstärkningen skall ses som en reparation som förhoppningsvis innebär att byggnaden kan brukas i många år framåt. Mer långsiktiga grundförstärkningar skulle tänkas vara stödpålning eller ett markribbdäck under hela byggnaden. I båda fallen erfordras troligen även kompensationsfyllningar runt byggnaden, för att minska marksättningarna vid portar, ledningsanslutningar, mm. Kostnaderna skulle dock bli så höga att det troligen är mer ekonomiskt att bygga en helt ny byggnad. 9 ANDRA OBJEKT Markribbdäcket som presenteras i denna artikel tillhör ett av de mer annorlunda markribbdäck som vi varit med och projekterat, varför det kan vara motiverat att nämna ytterligare något exempel på markribbdäck

15 Bohusgeo har genom åren deltagit i projekteringen av ett flertal markribbdäck, det första Vi har i samarbete med olika konstruktörer dimensionerat markribbdäck för villor, kontors- och bostadshus (upp till 5 våningar) samt byggnader för industri och handel. Nedan, i figur 17, visas det till ytan största markribbdäcket (ca 7000 m 2 ) som vi dimensionerat. Markribbdäcket byggdes 1997 och utgör grundkonstruktionen för en tillbyggnad som ansluter till en tidigare uppförd byggnad, vid Torps köpcenter i Uddevalla. Tillbyggnaden ansluter längs en ca 300 m lång sträcka mot den äldre byggnaden och innesluter dessutom två fristående åttakantiga byggnader. De tidigare uppförda byggnaderna är grundlagda med kantförstyvade plattor på KC-pelare. Lastkompensationen anpassades så att i stort sett försumbara sättningar skulle erhållas vid anslutningarna mot de befintliga byggnaderna. För att minimera cellplastmängderna (och därmed kostnaderna) minskades kompensationsgraden något på längre avstånd från de befintliga byggnaderna. De största förväntade sättningarna har beräknats till 3 à 4 cm. ca 220 m Befintlig byggnad Befintlig byggnad Befintlig byggnad Befintlig byggnad Befintlig byggnad Förstoring Sektion genom golvet och två ribbor Figur 17. Markribbdäck m 2 Torp köpcenter, Uddevalla

16 För att minska risken för sättningar på grund av en grundvattensänkning, har det kapillärbrytande makadamlagret under markribbdäcket gjorts tjockare och utnyttjas för infiltration av vatten. Ribborna i markribbdäcket är i princip placerade med ett c-avstånd av 1.5 m i båda riktningarna. Höjden på ribborrna är 0.32 m inklusive den 0.12 m tjocka plattan. Konstruktionshandlingarna har tagits fram av dåvarande J&W i Trollhättan (nuvarande Integra). Beräkningen av sättningar, moment- och tvärkrafter samt huvudarmeringsbehovet har utförts av Bohusgeo. Vid anslutningen mot de befintliga byggnaderna har markribbdäcket dymlats fast i de befintliga byggnadernas kantbalk. Om en differenssättning uppkommer, medför detta sannolikt att plattan i de befintliga byggnaderna spricker upp. Denna risk vägdes mot den extrakostnad länkplattor skulle medfört, och beslut togs att det troligen var ekonomiskt fördelaktigt att reparera eventuella skador i framtiden. Vid kontrollavvägning av golvytorna, ca 3 år efter färdigställandet, kunde inga mätbara sättningar konstateras