Gondolatok a betonok használati élettartamra való méretezéséről

Átírás

1 Építményeink Szakmai Konferencia, Velence Gondolatok a betonok használati élettartamra való méretezéséről Spránitz Ferenc

2 1907-ben, Székesfehérváron épült Bory Jenő tervei szerint az első vasbeton kupolájú templom 2018-ban a vasbeton kupola 111 éves Egyszer föl kellene menni a kupolához; messziről jó állapotúnak tűnik 2

3 A tartós beton titka Bory Jenő szerint: Jó szemszerkezet, alacsony cement- és víztartalom, nagy tömörség Forrás: Mérnök Újság, január 3

4 A Bory-vár egy betonkísérleti állomás. Ilyen építőanyag, mint a cement (azaz a beton) nem volt még az emberiség kezében. - Bory Jenő önéletrajza, 1955 Épült 100 éve 4

5 Napjaink ipari gyakorlatában a leromlás mértéke néha már 5-10 éves korban is igen súlyos Leromlás típusai. - betonacél korróziója - beton repedezése, leválása, hámlása 5 Spránitz Ferenc fotói: Népstadion lelátószerkezete, bicskei szennyvíztisztító

6 A második generációs Eurocodok és a gyökeresen megújuló EN 206 betonszabvány Várhatóan 2021 a bevezetési határidő Tehát még ráérünk S. Leivestad: JWG-Durability Report to TC 104/SC1 and TC 250/SC2,

7 Miért kell az új szabályozás?. Mert jelenleg - országonként eltérően definiálják a használhatósági határállapotot (pl. valahol a betonacél korrózió megjelenése, máshol a repedezés vagy a leválás) - az EN 1992 és az EN 206 környezeti osztályaiban jelenleg még sem a hatásoldal, sem pedig az ellenállás-oldal nincs számszerűsítve - mind az EN 206, mind pedig a tagállamok nemzeti követelményeiben a környezeti osztályok összetételi követelményei gyakorta nem biztonságosak és/vagy nem gazdaságosak - diszharmónia uralkodik a környezeti osztályokban előírt v/c-tényezők és a betonfedések nemzeti előírásai között - már ismerjük és validáltuk azokat az anyagtani modelleket, melyek a betonok tartósságát meghatározzák - az EN 1992 szerinti /tervezési/ nyomószilárdsági értékelés nincs összhangban az EN 206 nyomószilárdsági értékeléssel 7

8 Használhatósági határállapot időbeni egyértelműsítése: anyagtani tervezéssel /pl. acélbetétek depassziválódása számítással/ 8 S. Leivestad: JWG-Durability Report to TC 104/SC1 and TC 250/SC2, 2014

9 A tervezési és a betonszabvány közötti konfliktusokat meg kell szüntetni /végre együtt dolgoznak a szerkezettervező és az anyagtanos szabványalkotók/ 9 S. Leivestad: JWG-Durability Report to TC 104/SC1 and TC 250/SC2, 2014

10 Diszharmónia a karbonátosodással szembeni jelenlegi nemzeti előírásokban Forrás: Structural Concrete, december,

11 A karbonátosodással szembeni jelenlegi előírások esetenként nem biztonságosak és/vagy nem gazdaságosak Leggyakoribb problémák az XC3 környezeti osztályra tervezett szerkezeteknél Vélhetően azért, mert a közvetlen esőtől védett szerkezetek karbonátosodása gyorsabb, mint az esőnek kitetteké, s az esetenkénti nedvesedés felgyorsítja a korróziót. Forrás: Structural Concrete, december,

12 Diszharmónia a kloridhatással szembeni jelenlegi nemzeti előírásokban Forrás: Bulletin 76, fib, december,

13 A kloridhatással szembeni jelenlegi előírások általában nem biztonságosak és/vagy nem gazdaságosak Erős kritika a fib-től Forrás: Bulletin 76, fib, december,

14 Mind a karbonátosodás, mind pedig a kloridok és betonagresszív anyagok okozta korrózióban a fő szerepet a pórusstruktúrában zajló, diffúzió által vezérelt ion- és molekulavándorlás játsza Fick I. diffúziós törvénye (a beton porozitásával jól összefügg) Fick II. diffúziós törvénye (gyenge összefüggés a porozitással) Ennek megfejtéséhez kellett közel 50 év Forrás: VDZ Betonkalender,

15 Kezdetben hiába mérték sorra a kloriddiffúziós együtthatókat, a klorid-ionok nem voltak ott, ahol Fick II. diffúziós törvénye szerint az adott időben kellett volna lenniük. Miért? Fick II. diffúziós törvénye Forrás: Dr. Kopecskó Katalin előadása, Ráckeve,

16 Arra a következtetésre jutottak, hogy a klorid-ionok valós vándorlási sebességének modellezéséhez a természeti törvény egyes részeit még nem ismerjük Forrás: Dr. Kopecskó Katalin előadása, Ráckeve,

17 Kiderült, hogy a felületközeli zónában (a beton bőrén ) azért van eltérés, mert ott még a kapilláris abszorpció érvényesül ez főként az utókezeléstől függ 17 Forrás: Bulletin 76, fib, december, 2015

18 Majd rájöttünk, hogy a beton szövetszerkezetének időbeni változása, cementtípusonként eltérően, de időben folyamatosan módosítja a diffúziós együtthatókat. Tehát a beton bőre alatt végbemenő változások egyediségét a 90-es évek közepére már felismertük, de még nem tudtuk a modellbe beépíteni. α: a cementtípustól függő genetikai jellemző Forrás: Dr. Kopecskó Katalin előadása, Ráckeve,

19 Az USA-ban már 1995-től igyekeznek alkalmazni a mérnökök a teljes valószínűségi alapon történő tartóssági tervezést 19 Bartholomew: Durability design, 2015, Reno, Nevada

20 Egy rendkívül lényeges megfigyelés Minden anyag idővel tönkremegy, de... minden anyag leromlása egyedi léptékű 20 Bartholomew: Durability design, 2015, Reno, Nevada

21 Az első, megbízhatósági alapú tervezési modellt májusban adta ki Washingtonban a fib A károsodások hátterében nagyobbrészt genetikai okok állnak: the ageing factor depending on the type of binder /likely between 0,2-0,8/ 21

22 Az új műszaki ismeretek tették lehetővé a tartósságra tervezést /ezeket az ismereteket adaptálják szabványba az új környezeti ellenállási osztályok/ 22 S. Leivestad: JWG-Durability Report to TC 104/SC1 and TC 250/SC2, 2014

23 A cél, hogy ne csak az erőtani, hanem az anyagtani tervezés is mérnöki számításokon alapuljon Mi változik? Az új ellenállási osztályokban számszerűsítjük az egyes károsító hatásokkal szembeni ellenállás mértékét. A hatásoldalon is számszerűsítjük a környezet agresszivitását S. Leivestad: JWG-Durability Report to TC 104/SC1 and TC 250/SC2, 2014

24 2014-es elképzelés az új ellenállási osztályokra 24 S. Leivestad: JWG-Durability Report to TC 104/SC1 and TC 250/SC2, 2014

25 A tervező hogyan számszerűsítse a használati élettartamot? 25 Forrás: Szatmári Eszter TDK dolgozat, BME Hidak és szerk. Tanszék, 2012

26 A tervező hogyan számszerűsítse a használati élettartamot? Ellenállás: pl. RC Hatás: pl. XC Betonfedés S. Leivestad: JWG-Durability Report to TC 104/SC1 and TC 250/SC2,

27 A tervező által a hatásoldalon figyelembe vett tényezők a szerkezet várható karbonátosodásához várható rel. páratartalom várható CO 2 -tartalom szerkezet várható átnedvesedése /esős napok aránya/ utókezelés várható időtartama függőleges és védett hely átnedvesedését okozó, uralkodó szélirány gyakorisága Forrás: Structural Concrete, december,

28 A karbonátosodási ellenállási osztályok tartalma Forrás: Structural Concrete, december,

29 Milyen összetételekkel teljesíthetők az egyes karbonátosodási ellenállási osztályok? /viszonylag jó összefüggés van a nyomószil. osztályokkal/ 29 Forrás: Structural Concrete, december, 2016

30 Kloridbehatolásnál a tervező által a hatásoldalon figyelembe vett tényezők Cl-ion támadáskor várható hőmérséklet várható felületi Cl-ion hatás %/m c konvekciós zóna /utókezelés minősége/ beton kezdeti kloridtartalma Forrás: Bulletin 76, fib, december,

31 Milyen teendője lesz a betongyártóknak és a kivitelezőknek? A betongyártók vizsgálati jegyzőkönyvvel igazolják a karbonátosodás és a kloridáteresztés mértékét. A kloridion-áteresztőképesség 35, 90 és 700 napos méréseivel szemben a karbonátosodást csak 140 napig kell vizsgálni laborklímán. A kivitelezők vizsgálati jegyzőkönyvvel igazolják a betontakarást. A legalább 7 napos vizes tárolásnak megfelelő utókezelés igazolása még nincs véglegesítve. S. Leivestad: JWG-Durability Report to TC 104/SC1 and TC 250/SC2,

32 Hogyan igazoljuk az áteresztőképességet? Talán picit erősebb felkészülést kíván. S. Leivestad: JWG-Durability Report to TC 104/SC1 and TC 250/SC2,

33 Ilyesmi lesz egy kloridos laborjegyzőkönyv A beton kloridáteresztő képessége nem konstans, hanem időben változó mértékű csökkenést mutat S. Leivestad: JWG-Durability Report to TC 104/SC1 and TC 250/SC2,

34 Elsőként az USA-ban alkalmazták az anyagtani ismereteken alapuló tartóssági tervezést 34

35 Már 1995-ben megjött az első fecske a tartóssági tervezésben Híd a Prince Edward-szigetre Átadás éve: 1997 Szélesség: 11,6 m Hosszúság: 12,9 km Fesztávok: m Előregyártott, helyszínen utófeszített elemek 35 M. Bartholomew: Bridge engineers Seminar, Idaho, 2007

36 Még nem ismertük a Δx konvekciós zónát 36 M. Bartholomew: Bridge engineers Seminar, Idaho, 2007

37 Még nem ismertük a cementtípusok genetikai kódjait Áátváltva m 2 /s-ra megfelel D RCM,0 =0, értéknek Ma már tudjuk, hogy ez nem konstans 37 M. Bartholomew: Bridge engineers Seminar, Idaho, 2007

38 Tönkremeneteli modell Fick II. (diffúziós) törvénye szerint Hatásoldali igénybevétel pl. a felcsapódási és jégtáblákkal ütköző zónában: 17,7 kg/m 3 felületről támadó kloridion Ellenállási oldal - frissbeton kloridtartalma-0,05 kg/m 3 -áteresztési együttható: 15,1 mm 2 /év, azaz ~0, m 2 /s -nyomószil. osztály: HPC/55 (valóságban UHPC) -betontakarás: 100 mm Előírt használati élettartam 100 év, a C crit = 1,59 kg/m 3, azaz ~0,4 m%/c mellett Tönkremenetel modellezése: Egy fizikai törvény alapján A tervezéskor, 1995-ben még nem vették figyelembe sem a konvekciós zónát, sem a kortényezőt 38 M. Bartholomew: Bridge engineers Seminar, Idaho, 2007

39 A múlt századi ismerethiánynak, a bevállalós tervezőnek és minden közreműködőnek köszönhetően várhatóan sok ezer év múlva sem korrodálnak a Konföderációs-híd acélbetétei /mai mérnöki ismereteink szerint/ Ellenállási oldal ábrázolása napjaink laborjegyzőkönyvén Ellenállási oldal a múlt századi terv szerint S. Leivestad: JWG-Durability Report to TC 104/SC1 and TC 250/SC2,

40 40

41 41

42 42

43 43

44 A pórusméretek eloszlásában mutatkoztak nagy eltérések /a kloridáteresztésnél a nyomószilárdság nem mértékadó/ 30 nm fölötti pórusok rendre: 80, majd 70% Szikktilabor Kft vizsgálatai,

45 Nagy eltérés mutatkozik a pórusméretek eloszlásában még azonos összporozitás mellett is /a kloridáteresztésnél a nyomószilárdság nem mértékadó/ 30 nm fölötti pórusok rendre: 60, majd 20% Szikktilabor Kft vizsgálatai,

46 Az USA-ban szerződésben rögzítik, hogy ki fizeti a bevonat költségét, ha nem jó a betonfedés vagy az áteresztőképesség 46 M. Bartholomew: Bridge engineers Seminar, Idaho, 2007

47 Ezen a sztrádán nyugodtan száguldozhatnak utódaink még több ezer év múlva is a tengervíz alá kerülő városaink között. 47

48 48

49 Lehet, hogy ráérünk még, de azért fontoljuk meg: ~2014-es árszinten a tét: 75 Mrd. /év tervezési díj (kb /tervező év) 49 S. Leivestad: JWG-Durability Report to TC 104/SC1 and TC 250/SC2, 2014

50 Köszönöm a figyelmet! 50