Etteroppspente flatdekker med fiberarmering

Abstract

Etteroppspenning av flatdekker gir mulighet for større spennvidder og redusert dekketykkelse, hvilket bidrar til mindre materialbruk og mer fleksible bygg. Økt spennvidde og redusert tykkelse fører ofte til at gjennomlokking blir dimensjonerende, og det er derfor vanlig å skjærarmere rundt høyt belastede søyler. Skjærarmering kan imidlertid gi komplisert og tidkrevende utførelse på byggeplass.

Fiberarmering forbedrer materialegenskapene til betongen gjennom økt evne til å overføre strekkspenninger og det er godt dokumentert at skjærkapasiteten øker. Fiberarmert betong er imidlertid lite brukt i lastbærende konstruksjoner på grunn av manglende erfaring og retningslinjer, men bruken kan øke ettersom Norsk Betongforening sin nylig utgitte Publikasjon nr. 38 "Fiberarmert betong i bærende konstruksjoner" gir veiledning i bruk av fiberbetong.

I denne masteroppgaven studeres potensialet for fiberarmering i etteroppspente flatdekker etter Publikasjon nr. 38, der fiberarmeringens effekt på gjennomlokkingskapasiteten er av spesiell interesse.

Tre etteroppspente flatdekker med fiberarmering er optimalisert med hensyn på moment og gjennomlokking i bruddgrensetilstanden etter Publikasjon nr. 38. Dimensjoneringen ble utført for en høyt belastet innersøyle som bærer en spennvidde på 10 meter i hver retning. Det er benyttet fiberarmering tilsvarende dimensjonerende reststrekkfastheter på 1 MPa, 2 MPa og 2,5 MPa, hvilket resulterte i dekketykkelser på henholdsvis 495 mm, 285 mm og 235 mm. Dette tilsvarer spennvidde/tykkelse-forhold på henholdsvis 20,2, 35,1 og 42,6.

De fiberarmerte flatdekkene er videre beregnet etter tysk fiberstandard og utkastet til ny Eurokode 2 for å sammenligne regelverkene og utnyttelsesgradene. For alle de fiberarmerte flatdekkene er Publikasjon nr. 38 mest konservativ, og for gjennomlokking etter tysk fiberstandard og utkastet til ny Eurokode 2 ble gjennomsnittlig utnyttelsesgrad henholdsvis 27 % og 16 % lavere sammenlignet med Publikasjon nr. 38.

For å undersøke effekten til fiberarmering på armeringsmengder er de to tynneste fiberdekkene også dimensjonert på tradisjonelt vis, uten fiberarmering, for samme dekketykkelser. Uten fiberarmering blir det behov for større mengder skjærarmering, samtidig som mengden lengdearmering økes betydelig.

De studerte flatdekkene viser at fiberarmering kan erstatte all skjærarmering i etteroppspente flatdekker og samtidig redusere behovet for konvensjonell slakkarmering. For større spennvidder er det imidlertid behov for fiberbetong med høyt stålfiberinnhold for å få tilstrekkelig gjennomlokkingskapasitet, noe som per dags dato ikke er kommersielt tilgjengelig fra betongleverandører på grunn av betongteknologiske utfordringer.

Fiberarmering i etteroppspente flatdekker kan likevel være en ettertraktet løsning ettersom man unngår komplisert og tidkrevende utførelse av større mengder skjærarmering. Bruk av fiberarmert betong kan dermed gi reduserte arbeidskostnader relatert til jernbinding, hvilket er ønskelig på grunn av dyr og manglende arbeidskraft.

Post-tensioning of flat slabs allows for larger spans and reduced slab thickness, which leads to reduced material use as well as more versatile building options. Larger spans and reduced thickness often lead to punching shear being the limiting design factor, and it is therefore common to use shear reinforcement around the columns. Shear reinforcement can, however, be complicated and time-consuming to install on the construction site.

Fiber reinforcement improves the material properties of concrete through an increased ability to transfer tensile stresses, and it is well documented that fiber reinforcement increases the shear capacity of concrete. The use of fiber reinforced concrete in loadbearing structures are, however, not widely used because of limited experience and lack of guidelines. This might change in the coming years because of the newly released Norwegian Concrete Associations publication no. 38 "Fiber reinforced concrete in loadbearing structures".

In this master’s thesis, the potential of fiber reinforcement in post-tensioned flat slabs are studied in accordance with Publication no. 38, where the effect of the fiber reinforcement on the punching shear capacity is of particular interest.

Three post-tensioned flat slabs with fiber reinforcement are optimized for bending moment and punching shear in the ultimate limit state in accordance with publication no. 38. The design was done for an inner column with a span of 10 meters in each direction. Fiber reinforced concrete with a design residual tensile strength corresponding to 1 MPa, 2 MPa and 2.5 MPa was used, which resulted in a slab thickness of 495 mm, 285 mm and 235 mm respectively. This corresponds to a span/depth ratio of 20.2, 35.1 and 42.6 respectively.

The flat slabs with fiber reinforcement are further calculated in accordance with both the German fiber standard as well as the draft for the new Eurocode 2 to compare the regulations and the degree of utilization. For all the fiber reinforced flat slabs, Publication no. 38 was the most conservative, and for punching shear calculated in accordance with the German fiber standard and the draft for the new Eurocode 2, the average degree of utilization was respectively 27 % and 16 % lower compared with Publication no. 38.

To study the effect of fiber reinforcement on the amount of traditional reinforcement, the two thinnest flat slabs are also designed without fiber reinforcement. Without fiber reinforcement large quantities of shear reinforcement are required, and the amount of tensile reinforcement increases significantly.

The studied flat slabs show that fiber reinforcement can replace all shear reinforcement for post-tensioned flat slabs, and also reduce the amount of needed tensile reinforcement. However, for larger spans a need for fiber reinforced concrete with high steelfiber content is required to have sufficient punching shear capacity. As of today, this is not commercially available in Norway from concrete suppliers due to challenges regarding concrete technology.

Fiber reinforcement in post-tensioned flat slabs can still be a sought-after solution as one avoids complicated and time-consuming installation of large amounts of shear reinforcement. Use of fiber reinforced concrete can thus reduce labour costs related to construction work, which is desirable because of expensive labour costs in Norway.