Samverkanspålar av stål och betong

Ny rapport nr 108 från Pålkommissionen är på väg att lanseras under våren 2024

Figur 1: Bild som illustrerar ett av de tre möjliga belastningstypfall som kan uppstå vid axiellt belastade pålar då både omgivande jord och påle plasticerat. Detta påverkar andra ordningens effekter och bör begränsas vid dimensionering för att inte överskatta pålens konstruktiva bärförmåga. Rekommendationerna är att använda ekvivalent sidomotstånd för att begränsa jordens plasticering och töjningsgräns 1,1 för pålens stålmaterial för att begränsa utnyttjande av plasticering i pålen.

Artikelförfattare: Håkan Karlsson, Skanska, Simon Håkansson, ELU Konsult och Fredrik Sarvell, Sarvell Value Engineering AB

De dimensioneringsregler som Eurokod 4 föreskriver för pelare i kombination med Pålkommissionens dimensioneringsregler för pålar lämnar ett visst tolkningsutrymme. Särskilt då vi har att göra med pålar som knäcker ut i glaciala finkorniga jordar, som vi har här i Sverige. Samtidigt är det inte helt tydligt vad som måste göras i utförandeskedet för att säkerställa att lasten från ovanliggande konstruktion förs ned i både stål och betong på det sätt som krävs för att samverkan mellan stål och betong ska äga rum. För att säkra konkurrens under lika villkor har branschen efterfrågat ett förtydligande kring dessa frågor.

Utnyttjandegraden av pålar inom svensk samhällsbyggnad ökar i takt med den ökande konkurrensen. Ett sätt att öka den konstruktiva bärförmågan hos stålrörs­pålar är att fylla pålarna med betong och dra nytta av samverkan mellan betong och stål, där båda materialen avses bära last. I takt med att konkurrensen och utnyttjandegraden ökar måste även kra­ven på kvalitetssäkring höjas. Syftet med rapporten är därför att, genom tydliga anvisningar och exempel, skapa ett enhet­ligt synsätt på hur Eurokod bör tolkas vid dimensionering av samverkanspålar i Sverige. Vidare är syftet att förtydliga vad som behöver göras för att säkerställa att de villkor som ligger till grund för dimen­sionering av samverkanseffekter verkligen uppfylls i samband med instal­lation.

Rapporten vänder sig till alla som di­mensionerar och installerar stålrörspålar samt byggherrar och deras representanter inom byggledning och kvalitetsgranskning. Den undersöker möjligheten att direkt tillämpa de Eurokodregler som gäller för
samverkanskonstruktioner i stål och betong på en betongfylld stålrörspåle omgi­ven av jord, eller om vissa justeringar krävs. Rapporten syftar också till att skapa en enhetlig tolkning av Eurokod genom att ge anvisningar och beräkningsexempel, samt beskriva hur installationen bör genomföras för att säkerställa de förutsätt­ningar som krävs för samverkan mellan betong och stål.

Samverkan mellan stålrör och betong

En avgörande förutsättning för att kunna tillgodoräkna sig samverkan är att god kontakt råder mellan rör, betong och lastinförande element. För pålens övre del är det ofta en topplåt som överför lasten till stålröret och betongen. I det fallet gäller att topplåtens förbindelse mot både betong och stålrör uppfyller de kriterier som anges enligt Eurokod. För en borrad påles nedre del krävs att berget rengörs från jord och borrkax innan betongen tillförs. I rapporten beskrivs bland annat varför det är så viktigt med god anliggning mellan samtliga ingående konstruktionsdelar. Vidare beskrivs hur god anliggning kan åstadkommas samt vilka kontroller som då krävs.

Nya riktlinjer för dimensionering i brottgräns

Utifrån de utredningar som gjorts har Pålkommissionen landat i ett antal rekommendationer kring dimensionering av samverkanspålar med analytisk beräkning. Rekommendationerna baseras på analy­ser i FEM. Tvärsnittsanalysen för runda tvärsnitt är relativt komplicerad med hänsyn till geometri och ickelinjära materialkurvor (betong) och därmed är det svårt att få noggranna resultat med handberäkning. I stället kan den numeriska metoden ”lamellmetoden” användas, som innebär att tvärsnittet diskretiseras genom att delas in i ett antal lameller (fibrer) med lamellhöjden, y_d (Gayathri, et al., 2004).

Rekommendationerna för dimensionering i brottgräns (ULS) är följande:

1. För att ta hänsyn till plasticering av pålmaterialen, vilket negativt påverkar pålens böjstyvhet vid knäckning (figur 1), behöver en töjningsbegräns­ning införas vid beräkning av pålens tvärsnittskapacitet. Denna begräsning kan uttryckas som att kvoten mellan maxi­malt tillåten töjning och elastisk töj­ning i stålröret sätts till 1,10, dvs;

 och där Ea=Esk=210 GPa.

Figur 2: Resultat av en påles konstruktiva bärförmåga och spänningsfördelningen i dimensionerande tvärsnitt. Orange kurva är en förenklad beräkningsmetod med bara två punkter på brottenveloppen. Den yttre kurvan med brottenvelopp enligt Eurokod 4 genom punkterna A-E kan således inte gälla för pålar.

Observera att töjningsbegränsning­en 1,1 är något konservativ för mycket styva jordar där det kan löna sig att analysera med FEM. Som alternativ till beräkning med lamellmetoden kan interaktionskurva med två punkter på brottenveloppen användas, vilket är mer konservativt men förenklar beräk­ningsarbetet. 

2. Vid beräkning av pålens bärförmåga behöver kryptalet i betongen beaktas för att ta hänsyn till långtidseffekter.

3. Vid beräkning av lasteffektkurvan i pålen via ekvationer i Pålkommissio­nens Rapport 84a (Bengtsson, et al., 1995)[1] ska ekvivalent sidomotstånd användas. Exempel på resultat i brott­gräns ses i figur 2.

Dimensionering i bruksgräns

I rapporten finns beräkningsexempel framtagna hur en dimensionering i bruksgräns kan gå till. Exempel på resultat i bruksgräns ses i figur 3. Betongens kryptal är en viktig parameter för bärförmågan.

Figur 3: Resultat av pålens konstruktiva bärförmåga i bruksgräns. Tvärsnittets brottenvelopp är konstruerad med tre punkter vilka benämns A, B och C där stålets- respektive betongens spänningsfördelning visas i respektive punkt. Observera att lasteffektkurvan avslutas där jordens gränstryck uppnås, då plasticeringar för material inte tillåts i bruksgräns.

Nya riktlinjer för dimensionering i brottgräns för övriga påltyper

De ovan redovisade rekommendationerna vid dimensionering i brottgräns kommer att gälla för alla typer av stålpålar, sam­verkan eller ej. En liknande studie för be­tongpålar är på gång men det som redan måste gälla betongpålar är övergången till
att lasteffektkurvan skall beräknas med ekvivalent sidomotstånd istället för ekvi­valent arbete. Ekvivalent arbete ger resultat utanför ställda säkerhetsnivåer då jordens bäddmodul överskattas när jorden plasticerar. Dessa nya villkor föreslås att införas i den kommande nya pålhand­boken som just nu arbetas fram av Pålkommissionen. Under en övergångsperiod, tills den träder i kraft, kommer äldre Pål­kommissionsrapporter att revideras under våren 2024.  

Referenser

[1] Bengtsson, P.-E., Bengtsson, Å. & Fredriks­son, A., 1995. Rapport 84a. Beräkning av dimensionerande lastkapacitet för slagna pålar med hänsyn till pålmaterial och omgivande jord. Linköping: Pålkommissionen.
[2] Gayathri, V., Shanmugam, N. E. & Choo, Y. S., 2004. Concrete-filled Tubular Columns: Part 1 — Cross-section Analysis. International Journal of Structural Stability and Dynamics, 4(4), pp. 459-478.
[3]SS-EN 1994-1-1:2005, 2009. Eurokod 4: Dimensionering av samverkanskonstruktioner i stål och betong – Del 1-1: Allmänna regler och regler för byggnader. s.l.:SIS Förlag AB.

Artikeln är publicerad i Bygg & teknik 2/2024
Teckna en prenumeration HÄR