A vasbetonszerkezet tervezésének jelene és jövője

Átírás

1 MMK Szakmai továbbképzés Tatabánya A vasbetonszerkezet tervezésének jelene és jövője Tartósság, robusztusság, fenntarthatóság Dr. Farkas György Professor emeritus BME Hidak és Szerkezetek Tanszék

2 Elvárt életciklusra történő tervezés TARTÓSSÁG fib Bulletin 34 Tervezési alapelvek: - valószínűségi elvek szerinti tervezés - parciális tényezők alapján történő tervezés - minimális követelmények előírása alapján történő tervezés - a károsodások megakadályozásán alapuló tervezés Állapot romlási okok: - karbonátosodás okozta korrózió - kloridok által előidézett korrózió - fagyás-olvadás ciklusok hatása

3 A PROBLÉMA 3

4

5 Carbonation of concrete Deteriorations of load carrying structures lime calcium carbonate Alkaline protective layer protective layer destroyed! 5

6 Deteriorations of load carrying structures Corrosion of steel Hospital building in Szeged, Hungary 6

7 KARBONÁTOSODÁS MIATT BEKÖVETKEZŐ KORRÓZIÓ VALÓSZÍNŰSÉG ELMÉLETI MEGKÖZELÍTÉS A korrózióvédelem megszűnésének határállapota (depassziváció) A korrózióvédelem megszűnésének valószínűsége betonfedés A karbonátosodás mélysége Tervezési élettartam Tervezési tönkremeneteli valószínűség

8 Tervezési modell A karbonátosodás mélységének előrehaladására A kivitelezés módjától, a beton összetételétől, A v/c tényezőtől, stb. és a környezeti hatásoktól függő tényező A helyi időjárási viszonyoktól, nedvesség hatásának kitettségtől függő tényező

9 Referencia idő A feltételezett kitettségnek megfelelő idő Időjárási viszonyoknak megfelelő tényező 0 < w < 1 Az esős időszak hossza Az eső előfordulásának valószínűsége Regressziós tényező

10 AZ ACÉLBETÉTEK KORRÓZIÓJA MIATT BEKÖVETKEZŐ REPEDÉS KIALAKULÁS HATÁRÁLLAPOTA A korrózió miatt keletkező repedés kialakulásának valószínűsége Az acélbetét azon maximális sugár növekedése, amely még nem repeszti meg a betont Az acélbetét korrózió matt bekövetkező sugár növekedése A tervezési élettartam A határállapot bekövetkezésének tervezési valószínűsége

11 Alternatívaként alkalmazható összefüggés A repedés bekövetkezésének valószínűsége A tervezési élettartam vége A kezdeti időpont A korrózió előrehaladási ideje A határállapot bekövetkezésének tervezési valószínűsége

12 PARCIÁLIS TÉNYEZŐKÖN ALAPULÓ MÓDSZER Depassziválódás A betontakarás tervezési értéke A karbonátosodás mélységének tervezési értéke t sl időpontban A betontakarás névleges értéke A betontakarás mértékének bizonytalansága A karbonátosodás mélységének karakterisztikus értéke t sl időpontban A karbonátosodási mélység parciális tényezője

13 MINIMÁLIS KÖVETELMÉNYEK ELŐÍRÁSÁN ALAPULÓ MÓDSZER Megépült szerkezetek tapasztalatai alapján - geometriai feltételeket (pl. betonfedés) - anyagjellemzőket (pl. betonösszetétel, maximális w/c érték, a repedéstágasság korlátozása) - kivitelezési körülményeket írnak elő. A KÁROSODÁSOK MEGAKADÁLYOZÁSÁN ALAPULÓ MÓDSZER Általában olyan eljárások alkalmazásával, amelyek kizárják a depassziválódás kialakulását, az acélbetétek korrózióját, vagy a korróziót előidéző környezeti hatásokat.

14 KLORIDOK ÁLTAL ELŐIDÉZETT KORRÓZIÓ Valószínűség elméleten alapuló tervezés DEPASSZIVÁCIÓS HATÁRÁLLAPOT A depassziváció bekövetkezésének valószínűsége Az a kritikus klorid tartalom, amelynél az acélbetétek depasszivációja bekövetkezik Klorid tartalom c mélységben t sl időpontban betonfedés tervezési élettartam Tervezési tönkremeneteli valószínűség (10ˉ¹ - 10ˉ²)

15 Tervezési modell Kloridbehatolás tengeri környezetben A beton kloridtartalma x mélységben és t időpontban Klorid koncentráció a beton felületén A beton kezdeti klorid tartalma

16 Adott klorid tartalomhoz tartozó mélység Klorid diffúziós együttható t időpontban Idő (években) Hiba függvény Diffúziós együttható a to időpontban A diffúziós együtthatót befolyásoló a beton korától függő tányező (0,2 0,8)

17 Új szerkezetek tervezésénél a klorid tartalom és a diffúziós tényező értékeit hasonló anyag összetételű és kivitelezésű meglévő szerkezetek tapasztalatai alapján lehet meghatározni. Meglévő szerkezetek maradó élettartamának megbecsléséhez a tényezőket a szerkezeten végzett közvetlen mérésekkel lehet meghatározni. Az α kitevő értékét mindkét esetben hasonló anyag összetételű és kialakítású meglévő épületeken végzett közvetlen mérések alapján lehet felvenni. Az acél korróziója miatt bekövetkező repedések kialakulásának határállapotát az előzőek szerint lehet vizsgálni.

18 A REPEDEZETTSÉG HATÁSA AZ ACÉLBETÉTEK KORRÓZIÓJÁRA Elsősorban a szerkezet környezeti hatásoknak való kitettségétől és a beton felület térbeli irányától függ. Legveszélyesebb a klorid hatásnak kitett berepedt vízszintes felület A klorid behatolást meg kell gátolni. Függőleges, klorid hatásnak kitett berepedt felület esetén Kis áteresztő képességű, min. 50mm betontakarás, 0,3 mm repedéstágasság Általánosan, karbonátododás miatt bekövetkező korrózió esetén a repedéstágasság 5%-os túllépési valószínűséghez tartozó megengedett karakterisztikus értéke 0,2-0,4 mm lehet, ha a betontakarás megfelelő.

19 FAGYÁS OLVADÁSNAK KITETT SZERKEZETEK Original concrete specimen Specimen after 50 freeze-thaw cycles 19

20 Deteriorations of load carrying structures 20

21 FAGYÁS OLVADÁSNAK KITETT SZERKEZETEK Valószínűségi elmélet szerinti tervezés A fagyás olvadás hatására bekövetkező károsodások elkerülésére olvasztó sózásnak kitett, vagy tengeri környezetben lévő szerkezetek kivételével fagyás okozta romlás bekövetkezésének valószínűsége a telítettség kritikus értéke telítettség a t időpontban a beton hőmérséklete [K] tervezési élettartam tervezési tönkremeneteli valószínűség

22 Olvasztó sózásnak kitett, vagy tengeri környezetben lévő szerkezetek esetén fagyás okozta hámlás bekövetkezésének valószínűsége a beton hőmérséklete [K] A betonfelület lehámlását előidéző kritikus hőmérséklet t időpontban tervezési élettartam klorid tartalom relatív páratartalom fagyás olvadási ciklusok száma tervezési tönkremeneteli valószínűség

23 PARCIÁLIS TÉNYEZŐKÖN ALAPULÓ MÓDSZER a kritikus telítettség méretezési értéke A telítettségi fok aktuális értéke t időpontban tervezési élettartam a kritikus telítettség karakterisztikus értéke a kritikus telítettség bizonytalansága

24 A telítettség t időpontban érvényes számítási értéke a telítettség karakterisztikus értéke t időpontban a telítettségi érték bizonytalansága MINIMÁLIS KÖVETELMÉNYEKEN ALAPULÓ MÓDSZER A BETON ÖSSZETÉTELÉNEK ELŐÍRÁSÁVAL - a cement típusa és a w/c arány előírása - minimális betonszilárdság és/vagy minimális cementtartalom - fagyálló adalékanyag alkalmazása - légpórus képzés - laborkísérletekkel igazolt betonösszetétel

25 A KÁROSODÁSOK MEGAKADÁLYOZÁSÁN ALAPULÓ MÓDSZER Vagy a fagyhatásnak teljesen ellenálló anyag alkalmazásával, vagy olyan környezeti körülmények esetén fordulhat elő, amely esetén fagyhatás nem következik be. Fagyhatás hiányában, vagy ha a nedvességtartalom mértéke kisebb a kritikus telítettségnél nem következik be a beton károsodása.

26 VEGYI HATÁSOK Savhatás Valószínűség elméleti megközelítésre vagy a parciális tényezők alkalmazásával történő vizsgálatra nincs lehetőség. A minimális követelmények előírása tartalmazhatja - a beton porozitásának korlátozását (w/c) - szilikapor, pernye alkalmazását - speciális adalékanyag alkalmazását A károsodások megakadályozása általában biztosított ha az oldat PH értéke > 6,5 Erős savhatás esetén savhatás elleni tartós védőbevonat alkalmazása szükséges

27 Szulfát hatás A megszilárdult betonban szulfátok hatására szulfoaluminát (ettringit) képződhet amely a beton duzzadásával és repedések kialakulásával járhat. Valószínűség elméleti megközelítéshez és a parciális tényezők alkalmazásával történő vizsgálathoz ekkor sincs lehetőség. A minimális követelmények előírása tartalmazhatja - szulfátálló cement alkalmazását, (C 3 A tartalom < 3-5%) - szilikapor, pernye, salak alkalmazását - a beton porozitásának korlátozását (w/c) - mészkő adalék alkalmazásának kizárását A károsodások elkerülése általában bevonatokkal érhető el

28 ROBUSZTUSSÁG Elvárt valószínűséggel igazolni kell, hogy a szerkezet egy jelentős részének, vagy a szerkezet teljes összeomlása nem következhet be - rendkívüli hatások, vagy - emberi mulasztás miatt bekövetkező károsodások következtében. A robusztusság biztosításának célja - az emberi élet védelme - a vagyon és a környezet védelme - a szerkezet működőképességének megtartása A robusztusság feltételei - a tartószerkezeti rendszer ellenállásának biztosítása - különleges követelmények biztosítása - klimatikus hatások elleni védelem - elszigetelés, stb.

29 A következő tervezési stratégiák alkalmazhatók - a tartószerkezet megfelelő kialakítása - a tartószerkezet egyes elemei károsodhatnak, de a teljes szerkezet károsodása nem jöhet létre - a kulcs szerkezeti elemek álljanak ellen minden lehetséges hatásnak - nem a szerkezet kialakításával összefüggő megoldások - a kedvezőtlen hatás bekövetkezési valószínűségének, vagy a hatás intenzitásának csökkentése (külső védelem) - a hatás csökkentése a szerkezetre (pl. spinkler tűz esetén) - a tönkremenetel következményeinek enyhítése

30 A robusztusság biztosítása a teherbírás átrendeződésével A lokális tönkremenetel környezetében biztosítani kell a teherbírás átrendeződését. - részletes vizsgálat esetén a rendkívüli terhek minden lehetséges kialakulását modellezni kell, igazolva, hogy az ezek hatására károsodott elemek figyelembevétele nélkül maradó szerkezet stabilitása megfelelő. - közelítő vizsgálat esetén néhány, a teherbírás szempontjából fontos szerkezeti elem tönkremenetelét feltételezve igazolni kell, hogy a megmaradó szerkezet a gyakori terhek viselésére alkalmas Kapacitás méretezés A szerkezeti elemek hirearchikus felépítésével szabályozni kell az egyes elemek tönkremenetelének sorrendjét és a rideg tönkremenetel bekövetkezését. Pl. földrengés esetén az oszlopgerenda csomópontok megfelelő kialakításával.

31 FENNTARTHATÓSÁG A környezetre gyakorolt hatás A környezetre gyakorolt hatást a szerkezet teljes életciklusára értékelni kell (tervezés, építés, használat, karbantartás, majd elbontás, ártalmatlanítás) LCA (life cycle assessment) - a döntéshozóknak figyelembe kell venni a környezeti hatásokat - meg kell vizsgálni alternatív megoldások hatásait Az LCA 4 fázisa - a célok és a hatások meghatározása - az adatok elemzése - hatásvizsgálatok - értékelés ISO szabványok

32 Teljesítmény követelmények - Célmutatók alapján (források, energia igény, kibocsájtás stb.) - más mutatók szerint (újrahasznosítás lehetősége stb.) Ellenőrzés Ki kell mutatni, hogy a betonszerkezet teljesítőképessége (R) az előző mutatók tekintetében nagyobb (pl. újrahasznosítható szerkezeti elemek esetén), vagy kisebb mint az azokra megkövetelt érték (S). Ha egy szerkezet előzetes tapasztalatok alapján megfelel az előző feltételeknek, akkor a fenntarthatósági követelmény teljesítettnek tekinthető.

33 A társadalomra gyakorolt hatás Fő cél a biológiai és humán környezet fenntarthatósága, gyakran az építmény esztétikus kialakítása, környezetbe illesztése. A társadalomra gyakorolt hatás elemzésére (SIA, social impact assessment) kidolgozhatók alkalmas mutatók, melyek segítségével a teljesítmény követelmények teljesítése az előzőek szerint vizsgálható. Ha a teljesítmény követelmények előírások betartásával teljesíthetők, akkor nem szükséges külön vizsgálatot végezni.

34 KÖSZÖNÖM A FIGYELMET

35 A depasszivációs határállapot általános feltétele A korrózióvédelem megszűnésének valószínűsége Tervezési élettartam Kezdeti időpont Tervezési tönkremeneteli valószínűség (RILEM ajánlás)

36