En analytisk och numerisk studie av stabilitet, deformationer och resurseffektivitet av slanka platsgjutna betongväggar

Sammanfattning

Byggsektorn står i dag för betydande klimatutsläpp, där betongproduktion och särskilt cementtillverkning utgör en stor bidragande faktor. För att minska klimatpåverkan finns ett växande intresse för mer materialeffektiva och slanka betongkonstruktioner. Samtidigt är slanka konstruktioner mer känsliga för stabilitetsproblem, sprickbildning och tidsberoende deformationer, såsom krypning och krympning. Detta examensarbete studerar därför slanka platsgjutna betongväggar med avseende på stabilitet, sprickbildning och långtidsdeformationer, samt undersöker möjligheterna till optimering av väggarnas utformning. Studien omfattar även en jämförelse mellan analytiska beräkningar och linjära respektive icke-linjära numeriska analyser i RFEM 6. Studien utgår från ett referensfall i projektet Fyra spår Uppsala, där en slank platsgjuten betongvägg analyserades. För att undersöka möjligheterna till optimering studerades två huvudparametrar: väggtjocklek och betongens hållfasthetsklass. Väggtjockleken varierades från den ursprungliga tjockleken 300 mm till 200 mm, och betongens hållfasthetsklass varierades från C25/30 till C50/60. Olika kombinationer av väggtjocklek, betonghållfasthetsklass och armeringsmängd jämfördes genom analytiska beräkningar enligt Eurokod 2 och numeriska analyser i RFEM 6. Samtliga alternativ verifierades mot krav i brott- och bruksgränstillstånd för att säkerställa tillräcklig bärförmåga och långsiktig funktion. Slutligen utvärderades materialåtgång, kostnad och klimatpåverkan för att identifiera den mest resurseffektiva lösningen. Resultaten visar att tidsberoende deformationer har en betydande inverkan på konstruktionens totala deformation, särskilt för tunnare väggar eftersom inverkan av både krypning och krympning blir större ju slankare väggen är. Även om minskad väggtjocklek reducerar betongvolymen och leder till lägre kostnad och klimatpåverkan ger det större deformationer och större känslighet för andra ordningens effekter. En högre betonghållfasthetsklass förbättrar generellt stabiliteten och minskar krypningens inverkan, men innebär inte nödvändigtvis den bästa helhetslösningen eftersom både kostnad och klimatpåverkan ökar. Dessutom visar resultaten att kraven i brottgräns inte är styrande i samma utsträckning som kraven i bruksgräns. Armeringsbehovet styrs främst av sprickbreddsbegränsning och övriga krav i bruksgränstillstånd.Jämförelsen mellan beräkningsmetoderna visar att de övergripande trenderna i huvudsak överensstämmer, men att resultaten skiljer sig åt i vissa lokala delar. De skillnader som finns beror främst på att RFEM 6 kan beskriva geometri, randvillkor och lastfördelning mer detaljerat. RFEM-modellen visar exempelvis lokala sprickor vid anslutningar, vilket inte fångas lika tydligt i de analytiska beräkningarna. En icke-linjär numerisk analys ger dessutom en mer realistisk bild av konstruktionens beteende än den linjära analysen, som kan överskatta konstruktionens stabilitet. Resultaten visar att analytiska beräkningar och linjära analyser är lämpade för inledande dimensionering och optimering av konstruktionen medan icke-linjära analyser är avgörande för att erhålla en realistisk bedömning av konstruktionens stabilitet och deformationer. En kombination av dessa metoder ger därmed ett tillförlitligt underlag för dimensionering av konstruktioner. Sammanfattningsvis bedöms alternativet med 200 mm väggtjocklek, betonghållfasthetsklass C25/30 och ϕ12-armering med centrumavstånd 100 mm vara det mest resurseffektiva valet, eftersom det ger en låg materialåtgång, materialkostnad och klimatpåverkan samtidigt som krav i brott-och bruksgränstillståndet uppfylls. Alternativet ger den bästa balansen mellan konstruktionsmässig prestanda, kostnad och miljöpåverkan. Valet förutsätter dock att de ökade deformationerna kan accepteras samt att lokala anslutningszoner kontrolleras och vid behov förses med kompletterande armering. Resultaten från studien gäller för det studerade referensfallet och de antaganden som gjorts i modelleringen.