Alustavat ankkurikokeet: koekuorman laskeminen

Alustava koe on työmaalla 5 ankkurilla tehtävä koe, joka osoittaa, kantaako ankkuri ominaiskuorman N_Ek (kertoimeton kuorma) alustassa, josta valmistajalla ei ole tietoja. BS 8539:2012+A1:2021 kutsuu sitä sallitun kestävyyden kokeiden yksinkertaistetuksi menettelyksi, liite B.2.3.1.

Sitä käytetään, kun alustamateriaalille ei ole saatavilla ankkuria, jolla on asiaankuuluva eurooppalainen tekninen arviointi (ETA) – käytännössä yleensä muurauksessa – tai kun betonin kunto antaa aihetta epäillä ETA:n arvoja. Ankkurin on silti oltava tyyppiä, jonka valmistaja hyväksyy kyseiseen alustamateriaaliluokkaan. 5 ankkuria kuormitetaan vain koekuormaan asti, ei murtoon, joten kokeet aiheuttavat vähemmän vahinkoa kuin murtokokeet. Katso milloin työmaakoe tarvitaan.

Alustavan kokeen ankkurit asennetaan erikseen koetta varten, eikä niitä koskaan käytetä työssä. Asenna ne työkohdetta vastaavaan alustamateriaaliin kohtaan, jossa mahdollinen vaurio ei haittaa rakennetta ja on korjattavissa. Pidä ne riittävän kaukana käytettävistä ankkureista, ahtaissa paikoissa ei koskaan lähempänä kuin 3 × h_ef.

Koekuorma on ominaiskuorma kerrottuna koekertoimella ja jaettuna pienennyskertoimella α_dist ja olosuhdekertoimella Ω:

N_test = N_Ek × ν_test ÷ (α_dist × Ω) (BS 8539:n yhtälö B.4)

• N_Ek, ominaiskuorma, on suunnitelman mukainen yhteen ankkuriin kohdistuva kuorma ilman varmuuskertoimia. Sen antaa suunnittelija.
• ν_test, koekerroin, riippuu ankkurin materiaalista, alustamateriaalista sekä siitä, onko kuorma pitkä- vai lyhytaikainen. Katso alla oleva taulukko.
• α_dist, pienennyskerroin, ottaa huomioon koesillan tuet, jotka ovat niin lähellä ankkuria, että ne voivat pitää alustamateriaalia koossa ja nostaa tulosta. Se on 1,0, kun jalat ovat riittävän kaukana toisistaan. Katso koesillan valinta.
• Ω, olosuhdekerroin, ottaa huomioon kokeen ja todellisen käytön erot, esimerkiksi kuivissa oloissa tehdyn kokeen ankkurille, joka tulee märkään paikkaan. Ω:n päättää suunnittelija.

Koekuormalaskurimme käy nämä vaiheet läpi puolestasi.

Nailonankkureille annetaan suuremmat kertoimet virumisen vuoksi. Pitkään kuormitettuna nailon muotoutuu hitaasti, joten ankkuri, joka kestää koekuorman lyhyen aikaa, voi silti pettää käytössä pienemmällä kuormalla.

Suunnittelija valitsee Ω:n selvittämällä, miten ankkurin todellinen käyttö poikkeaa kokeesta. Jokainen vastaus antaa arvon:

• Kuinka kauan kuorma vaikuttaa? Lyhytaikaisille kuormille, kuten telineiden tai korkeanpaikan töiden ankkuroinnille, Ω = 1,0. Pysyvälle vetokuormalle Ω = 0,9.
• Onko ankkuri käytössä märempi tai kuumempi kuin kokeessa? Jos se on käytössä märkä mutta testataan kuivana, Ω = 0,8. Jos se toimii valmistajan normaalia käyttölämpötila-aluetta kuumempana mutta testataan normaalilämpötilassa, Ω = 0,8.
• Voivatko käyttöankkurit osua heikompaan kohtaan kuin koeankkurit? Rapatussa tai slammatussa seinässä, jossa saumat ovat piilossa tai ankkureita ei voida pitää tiilien sisällä, ja koeankkurit ovat umpitiilessä, Ω = 0,75.
• Onko betoni halkeillutta? Vedetylle betonille suunnitellulle ankkurille Ω = 0,7.

Jos useampi ehto täyttyy, suunnittelija antaa tapaukselle yhden Ω-arvon. Tämä opas ei anna sääntöä niiden yhdistämiseen; kysy suunnittelijalta.

αdist riippuu tukien välisestä etäisyydestä adist ja tehollisesta ankkurointisyvyydestä hef. adist mitataan pistemäisten tukien akseliin tai jatkuvien tukien välisenä vapaana leveytenä. Stahtin ilmoittamat arvot, 127 mm t25- ja t60-vakiosilloille sekä 375 mm ja 575 mm leveämmille silloille, ovat jalkojen välinen vapaa etäisyys sillan suunnassa (Stahtin tuotetiedotteet), ja samaa perustetta käyttää alan julkaisema siltataulukko. Tämä on varmalla puolella: nelijalkaisen sillan jalat ovat todellisuudessa kauempana ankkurista, joten vapaa etäisyys antaa hieman suuremman koekuorman, ei koskaan pienempää.

h_ef enintään 150 mm. Jos adist on vähintään 3 × hef, αdist = 1,0. Jos adist on alle 3 × hef mutta yli 1,5 × hef, αdist = 0,4 + adist ÷ (5 × hef) (BS 8539:n kaava B.12). BS 8539 rajaa myös vaaditun etäisyyden enintään 450 mm:iin, mutta kun hef on enintään 150 mm, 3 × hef ei koskaan ylitä 450 mm:ä, joten raja ei muuta tulosta. Jos adist on 1,5 × hef tai vähemmän, silta on liian kapea tähän menetelmään: käytä leveämpää. Betonissa alustava koe edellyttää lisäksi, että lähin tuki on yli 1,0 × hef:n päässä ankkurista, kuten esimerkissä B tarkistetaan.

Syvemmälle kuin 150 mm. Kaavaa B.12 ei sovelleta. Betonissa lähimmän tuen on oltava vähintään 1,5 × hef:n päässä ankkurista, eli adist on vähintään 3 × hef. Muurauksessa noudatetaan tiiliä ja harkkoja koskevia sääntöjä. EOTA TR 053 ei edellytä pienennystä pienistä umpitiilistä, kuten umpinaisista savitiilistä, muuratuissa monikerroksisissa seinissä, kunhan tukien väli on yli 1,5 × hef ja murtumalle jää tilaa muodostua. Katso sillan valinta.

hef on syvyys alimpaan kohtaan, jossa ankkuri tarttuu alustaan. Nylonankkureilla hef on 50 % nimellisestä ankkurointisyvyydestä.

Umpitiileen asennettuun kemialliseen ankkuriin kohdistuu pysyvä vetokuorma. Suunnittelija antaa NEk = 0,9 kN, hef = 60 mm ja pysyvälle kuormalle yhden Ω-arvon 0,9. ν_test muulle kuin nylonankkurille muurauksessa pitkäaikaisella kuormituksella on 4.

Staht t25 -vakiosillalla (tukiväli a_dist = 127 mm, jalkojen välinen vapaa etäisyys sillan suunnassa (Stahtin tuotetiedote)):

• 3 × hef = 180 mm, mikä on yli 127 mm, joten αdist:iä sovelletaan. 127 mm on yli 1,5 × h_ef (90 mm), joten kaava B.12 pätee.
• α_dist = 0,4 + 127 ÷ (5 × 60) = 0,4 + 0,423 = 0,823.
• N_test = 0,9 × 4 ÷ (0,823 × 0,9) = 3,6 ÷ 0,741 = 4,86 kN.

Staht Bridge 375-25 -sillalla (a_dist = 375 mm):

• 375 mm on yli 3 × hef (180 mm), joten αdist = 1,0.
• N_test = 3,6 ÷ (1,0 × 0,9) = 4,00 kN.

Leveämpi silta poistaa pienennyksen, joten ankkurit koestetaan 4,00 kN:n kuormalla 4,86 kN:n sijaan. Tiilimuurauksessa sillan jalat asetetaan ankkurin sisältävän tiilen viereisille tiilille. Katso koestus muurauksessa.

Korkeanpaikan töiden ankkurit asennetaan vanhaan betoniin, jonka kunto on epävarma, joten suunnittelija edellyttää alustavia kokeita. NEk = 3,0 kN, hef = 50 mm, lyhytaikainen kuormitus, joten Ω = 1,0. ν_test muulle kuin nylonankkurille betonissa lyhytaikaisella kuormituksella on 2.

• Staht t60 -vakiosillalla adist = 127 mm, jalkojen välinen vapaa etäisyys sillan suunnassa (Stahtin tuotetiedote), mikä on alle 3 × hef (150 mm) ja yli 1,5 × h_ef (75 mm), joten kaavaa B.12 sovelletaan.
• Lähin tuki, 63,5 mm:n päässä, on yli 1,0 × h_ef (50 mm), kuten betonissa tehtävät alustavat kokeet edellyttävät koekuormaan kuormitettaessa.
• α_dist = 0,4 + 127 ÷ (5 × 50) = 0,4 + 0,508 = 0,908.
• N_test = 3,0 × 2 ÷ (0,908 × 1,0) = 6,0 ÷ 0,908 = 6,61 kN.

Nylonankkureilla kiinnitetään tilapäinen työmaa-aita vanhaan betoniin, jonka kunto on epävarma, joten suunnittelija edellyttää alustavia kokeita. NEk = 0,4 kN, lyhytaikainen kuormitus, joten Ω = 1,0. Nimellinen ankkurointisyvyys on 70 mm, joten hef = 35 mm. ν_test nylonille lyhytaikaisella kuormituksella on 3,5.

• Staht t25 -vakiosillalla adist = 127 mm, jalkojen välinen vapaa etäisyys sillan suunnassa (Stahtin tuotetiedote), mikä on yli 3 × hef (105 mm), joten α_dist = 1,0.
• Lähin tuki, 63,5 mm:n päässä, on yli 1,0 × h_ef (35 mm).
• N_test = 0,4 × 3,5 ÷ (1,0 × 1,0) = 1,40 kN.

Kun kaikki 5 ankkuria kestävät koekuorman, ominaiskuormaa voidaan pitää sallittuna kestävyytenä kyseisessä alustassa: NR,all = NEk (BS 8539:n kaava B.5). Ankkuria voidaan tällöin käyttää tällä kuormalla.

Jos ankkuri ei saavuta koekuormaa, suunnittelija päättää jatkotoimista, ja ratkaisu riippuu kahdesta kysymyksestä. Voidaanko kohteessa käyttää yksinkertaisesti enemmän ankkureita, esimerkiksi asentamalla ne tiheämmin? Ja pettikö ankkuri lähellä koekuormaa, esimerkiksi yli 0,8 × N_test:n kuormalla?

• Kyllä molempiin: pidä ankkuri ja käytä niitä enemmän alemmalla sallitulla kestävyydellä, joka lasketaan alla kuvatulla tavalla.
• Ei jompaankumpaan: muuta määritystä suurempaan halkaisijaan, syvempään ankkurointiin tai toiseen ankkurityyppiin ja tee sille uusi sarja alustavia kokeita.

Alemman sallitun kestävyyden laskeminen:

1. Kuormita kaikki 5 koeankkuria hitaasti murtoon ja kirjaa kunkin ensimmäisen liikkeen kuorma. Rakenteen säästämiseksi voit lopettaa noin 1,0 mm:n liikkeeseen ja pitää sitä kuormaa murtokuormana.
2. Keskimääräisestä murtokuormasta Nu,ave: NR,all = Nu,ave × αdist × Ω ÷ ν_ave (kaava B.6).
3. Pienimmästä murtokuormasta Nu,low: NR,all = Nu,low × αdist × Ω ÷ ν_low (kaava B.7).
4. Käytä pienempää arvoa, enintään ensimmäisen liikkeen keskimääräinen kuorma N_1st,m.
5. Kasvata ankkurimäärää: n' = n0 × NEk ÷ NR,all (kaava B.8), jossa n0 on alun perin suunniteltu määrä. Pyöristä ylöspäin.

Esimerkissä A t25-sillalla koekuorma oli 4,86 kN. Yksi ankkuri pettää 4,2 kN:n kuormalla, mikä on yli 0,8 × 4,86 = 3,89 kN, ja kohteessa voidaan käyttää enemmän ankkureita. Kaikki 5 kuormitetaan murtoon: 4,2, 5,6, 6,1, 5,3 ja 6,4 kN. Ensimmäisen liikkeen keskimääräinen kuorma on 2,3 kN.

• Nu,ave = 27,6 ÷ 5 = 5,52 kN ja Nu,low = 4,2 kN.
• α_dist × Ω = 0,823 × 0,9 = 0,741.
• Keskiarvosta: 5,52 × 0,741 ÷ 5 = 0,818 kN.
• Pienimmästä: 4,2 × 0,741 ÷ 4 = 0,778 kN.
• NR,all = 0,778 kN, pienempi arvo. Se on alle N1st,m:n (2,3 kN), joten se pätee.
• Kohteeseen suunniteltiin 24 ankkuria: n' = 24 × 0,9 ÷ 0,778 = 27,8, joten tarvitaan 28 ankkuria.

BS 8539 antaa kolme muuta menettelyä, jotka kaikki perustuvat murtokokeisiin.

• Ei ETA:ta, tilastollinen menettely (liite B.2.3.2): 5–15 ankkuria kuormitetaan murtoon. NRk1 = αdist × NRu,m × (1 − K × v) × Ω, jossa NRu,m on keskimääräinen murtokuorma, v variaatiokerroin (enintään 30 %) ja K tilastollinen kerroin: 3,40 viidellä kokeella, 2,57 kymmenellä ja 2,33 viidellätoista. NR,all = NRk1 ÷ ν, enintään N_1st,m. Suunnittelija valitsee ν:n, esimerkiksi 3–4 staattisille kuormille tai 5 nylonankkureille.
• ETA-ankkuri muurauksessa ETA:n soveltamisalan ulkopuolella, 5–15 koetta (liite B.2.2.1): NRk1 = αdist × NRu,m × (1 − K × v) × β, jossa β saadaan ETA:sta (1, jos sitä ei ole annettu), enintään ETA:n ominaiskestävyys. Tässä β korvaa Ω:n. Tällöin NR,all = NRk1 ÷ γM ÷ γF, jossa γM saadaan ETA:sta ja γF on 1,35 pysyville kuormille, 1,5 muuttuville kuormille tai 1,4, jos ne ovat tuntemattomia tai yhdistettyjä, enintään N1st,m.
• ETA-ankkuri, 15 koetta tai enemmän (liite B.2.2): asiaankuuluvan eurooppalaisen arviointiasiakirjan (EAD) ja sen EOTA Technical Reportin mukainen työmaakoemenetelmä.

Mitä useampi ankkuri koestetaan murtoon, sitä suurempi sallittu kestävyys todennäköisesti on, mutta murtokokeet aiheuttavat enemmän vaurioita.