University of Oulu

Limit state design for strengthening foundations of historic buildings using pretested drilled spiral piles with special reference to St. John’s Church in Tartu

Saved in:
Author: Avellan, Kari
Organizations: University of Oulu, Faculty of Technology, Department of Process and Environmental Engineering
Format: eBook
Online Access: PDF Full Text (PDF, 22.8 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789514295775
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2011
Publish Date: 2011-11-02
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Faculty of Technology of the University of Oulu for public defence in Auditorium TA105, Linnanmaa, on 12 November 2011, at 12 noon
Tutor: Docent Kauko Kujala
Reviewer: Professor Eero Slunga
Doctor Matti Leskelä
Description:

Abstract

This thesis discusses strengthening foundations of historic buildings by means of pretested, end-jacked, steel piles; pretested, end-jacked drilled spiral steel piles, as well as the geotechnical and structural design of strip foundations using ultimate limit state methods. Strengthening the foundations of historic buildings is a field of engineering where every site is more or less different from another. The variation of the substructure, foundation, and soil circumstances make every case unique. Preserving heritage buildings by preventing structural decay requires know-how and suitable strengthening methods. Drilled spiral piles and jacked piles were employed as strengthening methods for St. John’s Church of Tartu, because of the sinking and uneven settlement of the building. The strengthening work at St. John’s Church was challenging due to the risk of collapse of this historic church. Underpinning with jacked piles is a preferred method for strengthening historic foundations and where drilled spiral piles were employed, the author of this thesis developed special equipment.

The strengthening method employed for the tower complies with the anastylosis principle by preserving the authenticity of the structures. Old block stones are visible upon the floating piled rafts. The empty space was left to give archaeologists and engineers a chance to study the realized work “in situ” in the future.

The foundation of the tower was underpinned step by step with end-jacked piles and a concrete raft poured step by step. The weight of the tower is 5 500 tons and it rests on four pillars. Every pillar rests on its own floating piled raft.

This thesis proves that by means of lower and upper bound theorems a floating, piled strip-foundation can be designed geotechnically and structurally using one method based on ultimate limit state (ULS) and serviceability limit state (SLS). The method takes the following into account as geotechnical requirements: total settlement and angular distortions; and as structural requirements; admissible plastic rotations, end moments due to displacement angle, as well as control of cracking. The chosen piling methods were suitable for St. John’s Church, and the installed piles work well in addition to the old foundations. The functionality of the strengthening techniques has been verified by test piling. Furthermore, every drilled spiral pile was preloaded twice and end-jacked for soil hardening.


Tiivistelmä

Tämä tutkimus käsittelee historiallisten rakennusten perustusten vahvistamista esikuormitetuilla teräksisillä puristuspaaluilla ja esikuormitetuilla, loppupuristetuilla spiraaliporapaaluilla. Tutkimus sisältää myös pitkänomaisen anturaperustuksen mitoitusmenetelmän, joka huomioi sekä murtorajatilan että käyttörajatilan vaatimukset. Historiallisten rakennusten perustusten vahvistaminen on insinööritieteen osa-alue, missä jokainen työmaa on oma, ainutlaatuinen kohteensa johtuen erilaisista maaperäolosuhteista, perustuksista ja rakenteista. Rakennuksen luonteen säilyttäminen edellyttää insinööriltä monialaista kykyä ja tietoa sopivista vahvistamismenetelmistä.

Spiraaliporapaaluja ja puristuspaaluja käytettiin Johanneksen kirkon (Jaani Kirik) perustusten vahvistamisessa rakennuksen epätasaisen painumisen ja sortumisvaaran vuoksi. Perustusten vahvistamista puristuspaaluilla pidetään yleisesti parhaana menetelmänä historiallisille rakennuksille. Tämän tutkimustyön tekijä suunnitteli erikoiskaluston työtä varten kehitetylle kierrepaalulle.

Anastylosis periaatteen mukaisesti käytetyssä tornin vahvistamismenetelmässä säilytettiin rakenteiden autenttisuus. Vanhat kivilatomukset ovat osittain näkyvissä. Niiden välissä oleva tyhjä tila antaa arkeologeille ja insinööreille mahdollisuuden tutustua suoritettuun työhön.

Tornin perustukset vahvistettiin vaiheittain paaluilla sekä valetulla betonilaatalla. Torni painaa 5 500 tonnia ja se on neljän pilarin varassa. Jokaisella pilarilla on erillinen kelluva paalutettu laattaperustus.

Tässä työssä on osoitettu, että plastisuusteorian ala- ja ylärajalauseiden avulla myötäävän kitkamaan ja myötäävän paalutuksen varaan perustettu pitkänomainen anturaperustus voidaan mitoittaa geo- ja rakenneteknisesti murto- ja käyttörajatilassa samalla menetelmällä. Menetelmä sisältää geoteknisinä vaatimuksina anturan pohjapaineen, kokonaispainuman ja kulmakiertymän (= epätasaisen painumisen) määrittämisen, rakenteellisina vaatimuksina plastisoituvien kohtien riittävän muodonmuutoskyvyn, kenttä- ja tukimomenttien, epätasaisen painumisen aiheuttamien pakkomomenttien sekä halkeamatarkastelun määrittämisen.

Spiraaliporapaalujen toiminnallisuus varmistettiin koepaaluilla. Maanlujittumista varten jokainen spiraaliporapaalu koestettiin kahdella esikuormituksella ja loppupuristuksilla.


Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-951-42-9577-5
ISBN Print: 978-951-42-9576-8
Issue: 392
Subjects:
Copyright information: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.