A vasbetonszerkezetek tervezésének jelene és jövője

A vasbetonszerkezetek tervezésének jelene és jövője Teljesítőképesség-alapú tervezés, Tervezési eljárások Komárom-Esztergom Megyei Mérnöki Kamara szakmai továbbképzés Tatabánya, 2019. márc. 28. Dr. Kovács Tamás BME Hidak és Szerkezetek Tanszék

Cél: A jövőbeli szabványok alapja CEB-FIP Model Code 78 CEB-FIP Model Code 90 fib Model Code 2010 1978 ENV 1992-1-1 EN 1992-1-1 Revised EN 1992-1-1 1970 1980 1990 2000 2010 2020 Megközelítésmód Pontosság Közelítés szintje Időráfordítás 2019.03.28. Model Code 2010 2

MC 2010: Továbbfejlesztés + innováció Meglévő tudásanyag továbbfejlesztése Tervezési eljárások (megbízhatósági alapon, minimumkövetelmények alapján, határállapot elkerülése alapján) Szerkezettervezési módszerek (koncepcionális tervezés, numerikus szimuláció, kísérlettel segített tervezés) Minőségbiztosítás és minőség-ellenőrzés Innováció Teljesítőképesség-alapú tervezés (1) (alapkövetelmények teljesítőképességi jellemző számszerű követelményérték) Life-cycle management tervezés megvalósítás (zsaluzás, betonacél-szerelés, feszítés, betonozás) üzemeltetés (stratégia, állapotvizsgálat) szerkezeti beavatkozások (felújítás, megerősítés) bontás (elbontás, újrafelhasználás, újjáépítés) Új anyagok és viselkedési modellek normál testsűrűségű beton C120/140, szálerősítés nem acél anyagú vasalás tapadási modellek Újonnan épülő meglévő szerkezetek között 2019.03.28. Model Code 2010 3

1. Teljesítőképesség-alapú tervezés Alapkövetelmények Teljesítőképességi jellemző Tervezési módszer A) Megbízhatóság (P f, ) Teherbírási határállapotok helyzeti állékonyság, szilárdság, stabilitás, fáradás Használhatósági határállapotok repedezettség, alakváltozás, rezgés Robusztusság progresszív összeomlással szembeni ellenállás Erőtani tervezési módszerek (2) valószínűségelméleti fél-valószínűségi (parciális tényezős módszer) globális biztonságon alapuló (globális tényezős módszer) minimumkövetelmények hatás elkerülése Tartószerkezeti megoldások károsodáskorlátozás kulcsfontosságú elemek Nem tartószerkezeti megoldások megelőzés védelem kárkövetkezmény csökkentése B) Tervezési élettartam (T) C) Fenntarthatóság Tartósság Környezeti hatás Társadalmi hatás Gazdasági hatás Degradációt leíró időfüggvények Környezeti (pl. emissziós) indexek definiálása pl. esztétika 2019.03.28. Model Code 2010 4

A) Megbízhatóság Kockázat megbízhatósági index: p f = ( ) Szempontok megbízhatósági szintek (következmény mértéke, biztonsági intézkedések költsége) referencia időszak (t R ) tervezési élettartam (T) új szerkezet meglévő szerkezet (t R =T javasolt) tönkremenetel módja (duktilis) rideg tönkremenetel esetén nagyobb szükséges Alapkövetelmény t R =50 év, T=50 év t R =1 év, T=50 év biztonsági intézkedés költsége kárkövetkezmény mértéke biztonsági intézkedés költsége kárkövetkezmény mértéke 2019.03.28. Model Code 2010 5

B) Tervezési élettartam Alapkövetelmény Előirányzott tervezési élettartam, T (új szerkezetek) Fennmaradó tervezési élettartam, T R (meglévő szerkezetek) Szerkezettípus Előirányzott tervezési élettartam, T [év] Ideiglenes szerkezetek 10 Cserélhető szerkezeti részek, pl. darupályatartók, saruk 10-25 Mezőgazdasági és hasonló, kis jelentőségű szerkezetek 15-30 Épület- és egyéb szokásos szerkezetek 50 Monumentális épületszerkezetek, hidak és egyéb építőmérnöki szerkezetek 100 Teljesítőképességi jellemző: Tartósság A teljesítőképesség csökkenése nem veszélyezteti a szükséges megbízhatóságot. Tervezési követelmény pl. karbonátosodás: Minimumkövetelmények (összetétel, betonfedés) 2019.03.28. Model Code 2010 6

Újonnan épülő szerkezetek (T=50 év) Meglévő szerkezetek (T R 50 év) Befolyásoló szempontok: fennmaradó tervezési élettartam (T R ) a beavatkozás költsége a tényleges bizonytalanságok mértéke fáradás: = 3,1 Parciális tényezők 2019.03.28. Model Code 2010 7

C) Fenntarthatóság Cél: A szerkezet környezetre a társadalomra Teljesítőképességi jellemzők Tervezési követelmények a gazdaságra (MC 2010 nem tárgyalja) gyakorolt hatásának csökkentése. Teljesítőképességi jellemző a) Környezeti hatás emberi egészség komfortérzet biodiverzitás termelékenység Tervezési követelmény (indexek) Emberi egészség légszennyezettség (CO 2, NO x, SO x kibocsátás) ózonréteg károsodás ivóvízszennyezettség stb. b) Társadalmi hatás esztétika közérzet Esztétika vizuális megjelenés geometriai arányok színkezelés, felületi megjelenés környezetbe illeszkedés stb. 2019.03.28. Model Code 2010 8

2. Erőtani tervezési eljárások Tervezési stratégia Tervezési állapot tartós ideiglenes Stratégia a hatás elkerülése a hatásnak ellenálló szerkezet tervezése (ULS) a szerkezeti károsodás korlátozása (SLS) rendkívüli szeizmikus a hatás elkerülése a hatásnak ellenálló szerkezet tervezése (ULS) robusztusság biztosítása Határállapot-koncepció r (R) e (E) Tervezési módszerek a) Valószínűségelméleti módszer (P f, ) b) Parciális biztonsági tényezős módszer a) c) Ellenállás-oldali globális tényezős módszer a) d) Minimumkövetelményeken alapuló módszer a) e) A hatás elkerülésén alapuló módszer 2019.03.28. Model Code 2010 9

a) Valószínűségelméleti módszer Tervezési követelmény: kockázat-analízis, szimuláció: Prob r ( R) e( E) = ProbR ( t) E( t) pf FORM: min Feltétel A tervezési (valószínűségi) változók (E, R) eloszlásának ismerete statisztikai adatok Alkalmazás új szerkezetek: nincs (statisztikai értelemben) elegendő adat meglévő szerkezetek: adatok beszerzése lehetséges Célszerű alkalmazás meglévő szerkezetek esetén a teljesítőképesség kérdésessé válik a tervezési élettartam lejárt meghibásodások, szokatlan viselkedés funkcióváltás MC 2010 alkalmazási területén kívüli probléma 2019.03.28. Model Code 2010 10

b) Parciális biztonsági tényezős módszer TEHERBÍRÁSI HATÁRÁLLAPOT (ULS) Tervezési követelmény: tönkremeneteli függvény: tervezési változók szétválasztása: g ( F,X,a, ) 0 d e d d d ( F,a, ) r( X,a ) d d d d d, d A szükséges megbízhatóságot a tervezési értékek tartalmazzák. Tervezési változók Hatások (F d = F F k ) Anyag- és termékjellemzők (X d =X k / M ) Geometria (a d =a nom vagy a d =a nom +a) Modellbizonytalanságok ( d ) Parciális biztonsági tényezők () (kalibráció): Új szerkezetek esetén: A szükséges megbízhatósággal () összhangban. Meglévő szerkezetek esetén: A szükséges megbízhatósággal összhangban, de a beavatkozás költségeinek és az üzemeltetési feltételek mérlegelésével. Alapkövetelmény (P f, ) 2019.03.28. Model Code 2010 11

A megbízhatóság szétosztása (ULS) Prob{R(t)E(t)} p u 10-4 -10-5, 0<t T E d R d p R [R < R d ] 1 R d p E [E > E d ] > 1% E d ELLENÁLLÁS (R) p R =p[r<r d ] 1 R d R IGÉNYBEVÉTEL (E) E d <R d E d p E =p[e>e d ] 1% E 2019.03.28. Model Code 2010 12

Parciális (biztonsági) tényezők összetevői hatások: ellenállás: F = f Sd M = m Rd f, m : a tervezési változó statisztikai változékonysága Sd, Rd : geometriai és modell bizonytalanságok Parciális (biztonsági) tényezők meghatározása Megbízhatósági analízis (pl. FORM) alapján (statisztikai adatok rendelkezésre állnak) Pl. Anyagjellemző esetén (normál eloszlás) X d = (1 - V) 1/ M : alapkövetelmény : várható érték V: relatív szórás (meglévő adatok alapján) : érzékenységi tényező (FORM v. MC2010 alapján) Szabványok (EC, MC2010) alapján (statisztikai adatok hiányában) Pl. anyagjellemző esetén (normál eloszlás) m X = X k d Rd = Rd1 Rd2 M = m Rd X k : karakterisztikus érték (definiált kvantilis) X d : osztott kockázat (p R ) alapján előirányzott kvantilis Rd1 : modell bizonytalanságok Rd2 : geometriai bizonytalanságok 2019.03.28. Model Code 2010 13

Hatások parciális tényezői (MC 2010) F = f Sd A) Állandó hatások (pl. önsúly) Tervezési érték karakterisztikus érték G = G d G k Az állandó hatás parciális tényezője (Az 50%-os kvantilist a 95 98%-os kvantilisbe transzformálja) Várható érték = Karakterisztikus érték (50%-os kvantilis) Tervezési érték (95 98%-os kvantilis) Parciális tényező Gd G ( 1 EVG ) g,sup = = = 1 EVG Sd =1,05 G k G E =-0,7 =3,8 (közepes kár) V G : 0,05 (pl. önsúly) V G : 0,10 (pl. felhordott súly) g,sup =1,05 1,13=1,19 1,20 g,sup =1,05 1,27=1,33 1,35 2019.03.28. Model Code 2010 14

Hatások parciális tényezői (MC2010) F = f Sd B) Esetleges hatások (pl. hasznos terhek, meteorológiai hatások) Az esetleges hatások reprezentatív értékei Tervezési érték (95 98%-os kvantilis) Q = Q d Q k Karakterisztikus érték (?%-os kvantilis) Q fr karakterisztikus érték gyakori érték tervezési érték Q fr = 1 Q k Az esetleges hatás parciális tényezője (Az?%-os kvantilist a 95 98%-os kvantilisbe transzformálja) kvázi-állandó érték Q qp = 2 Q k C) Rendkívüli hatás (pl. robbanás) tervezési érték: A d (nincs statisztikai adat) D) Szeizmikus hatás (T=50 év) SLS folyamatos üzem 50 év (P100% /T) üzemszünet: 100 év (P=50% /T) ULS emberéletet veszélyeztető =475 év (P=10% /T) összeomláshoz közeli =2475 év (P=2-5% /T) 0 Év 50 Tervezési élettartam 2019.03.28. Model Code 2010 15

Hatáskombinációk - ULS Tartós és ideiglenes tervezési állapot alapkombináció (>3,8): i G " + " Q " + " Q G,i k,i Q,j k,j Q,i 0,i k,i i j állandó hatások kiemelt (domináns) esetleges hatás egyidejű esetleges hatások alternatív kombinációk (=3,8): max G,jGk,j " + " PP" + " Q,1 0,1Q k,1 j1 ( jgsup,jgk,sup,j + Ginf,jGk,inf,j ) j1 " + " " + " i1 P Q,i P" + " 0,i Q Q,1 k,i Q k,1 " + " i1 Q,i 0,i Q k,i Rendkívüli tervezési állapot i G " + " A " + " Q " + " Q k, i Ed 1,j k,j 2,i k,i i j állandó hatások rendkívüli hatás kiemelt (domináns) esetleges hatás egyidejű esetleges hatások Szeizmikus tervezési állapot i G " + " A " + " Q k, i Ed 2,i k,i i állandó hatások szeizmikus hatás összes esetleges hatás 2019.03.28. Model Code 2010 16

Parciális tényező, biztonsági szint A hatás-oldal biztonsági szintje Épületek ( 0 =0,7) 1,55 1,50 1,45 1,40 1,35 MC-alap MC-alt2 1,30 1,25 MC-alt1 1,20 1,15 1,10 1,05 1,00 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 Q G+Q Q=0 G=Q G=0 2019.03.28. Model Code 2010 17

Geometria (a) Tervezési változó: Tol (a d =a nom +a) vétlen külpontosság ferdeség, kezdeti görbeség (oszlopok, falak) vasalás pozíciója (h<100 mm elemek) imperfekció: a = 1,2 Tol Elemméret - toleranciák Nem tervezési változó: Tol (a nom ) A geometria bizonytalanságát ( Sd és/vagy Rd tartalmazza) ~ 4% teljesítőképesség-csökkenés Méreteltérések () ellenőrzése szükséges Elemméret - toleranciák Vasalási pozíció - toleranciák 2019.03.28. Model Code 2010 18

Anyagjellemzők parciális tényezői (MC 2010) M = m Rd Tervezési érték Karakterisztikus érték Parciális tényezők m R = R k d R = Tervezési érték (0,1%-os kvantilis) ( 1 1,645VR ) 1 1,645V = ( 1 RVR ) 1 RVR R Karakterisztikus érték (5%-os kvantilis) R R =0,8 Várható érték (50%-os kvantilis) =3,8 (közepes kár) V R =V c =0,15 (beton) V R =V s =0,05 (acél) Az ellenállás parciális tényezője (Az 5%-os kvantilist a ~0,1%-os kvantilisbe transzformálja) c =1,39 s =1,08 beton: acél: Rd,c = Rd1,c Rd2,c =1,05 1,05=1,10 Rd,s = Rd1,s Rd2,s =1,025 1,05=1,08 C =1,10 1,39=1,52 1,50 S =1,08 1,08=1,17 1,15 2019.03.28. Model Code 2010 19

HASZNÁLHATÓSÁGI HATÁRÁLLAPOTOK (SLS) A szerkezet szokásos működési körülményei tartós tervezési állapot Tervezési követelmény hatás-oldal számított szerkezeti jellemző adott használhatósági szinten E rep R ser ellenállás-oldal a számított jellemző megengedett értéke p ser [E>R] 10-2 10-3 Tervezési kockázat F = M =1,0 a) Képlékeny alakváltozás, túlzott mértékű kúszás és repedezettség elkerülése normálfeszültség-korlátozás: repedéstágasság-korlátozás: (F d ) lim f d w (F d, f d ) w lim (irreverzibilis karakterisztikus szint) (reverzibilis gyakori szint) repedészáródás: (F d ) 0 (reverzibilis gyakori szint) b) Alakváltozások korlátozása c) Rezgések korlátozása a (F d ) C lim (funkció karakterisztikus szint) (megjelenés kvázi-állandó szint) (merevség, periódusidő korlátozása, dinamikai vizsgálat) Kockázati szintek (E rep ) Karakterisztikus szint i G " + " Q " + " Q k, i k,j 0,i k,i i j G " + " Q " + " Q Gyakori szint k, i 1,j k,j 2,i k,i Kvázi-állandó szint i i G " + " Q k, i 2,i k,i i 2019.03.28. Model Code 2010 20 i j irreverzibilis határállapotok reverzibilis határállapotok tartós hatások és a szerkezet megjelenése

c) Ellenállás-oldali globális tényezős módszer Alkalmazás Globális nemlineáris vizsgálatok esetén, ahol a bizonytalanságok nem választhatók szét. Tervezési követelmény F d e ( F ) r( R,a ) d d d, R m = FFk Rd = RRd d R m ellenállás várható értéke Rd modellbizonytalanságok (nem a numerikus modellé!) Rd =1,0 jól ismert működési körülmények esetén (meglévő szerkezetek) Rd =1,06 időtől függő hatások és környezeti hatások bizonytalansága Rd =1,10 terhelési történet bizonytalansága 2019.03.28. Model Code 2010 21

d) Minimumkövetelményeken alapuló módszer Alapelv: meglévő tapasztalati adatok statisztikai értékelése teljes élettartamra való kalibrációja Módszer: előírt szabályok (minimumkövetelmények) méretfelvétel anyagválasztás, összetétel megvalósítási módszerek Alkalmazási terület: tartósságra való tervezés környezeti osztályba sorolás minimális betonszilárdsági osztályok összetételre vonatkozó minimumértékek 1. Nincs korróziós kockázat Környezeti osztályok 2. Karbonátosodás okozta korrózió 3. Nem tengervízből származó kloridok által okozott korrózió 4. Tengervízből származó klorid által okozott korrózió 5. Fagyási/olvadási korrózió 6. Kémiai korrózió 2019.03.28. Model Code 2010 22

e) A hatás elkerülésén alapuló módszer Alapelv A károsító hatás és a szerkezet elválasztására irányuló vonatkozó stratégiákat tartalmaz. Alkalmazási területek Tartósságra való tervezés a környezeti hatás elszigetelése a szerkezettől (pl. homlokzatburkolat, bevonatok) a szerkezet működési feltételeinek szabályozása (pl. páratartalom-szabályozás, mesterséges szellőztetés) nem reaktív anyagok alkalmazása (korrózióálló acél, szulfátálló cement és/vagy adalék) a károsító hatás megelőzése (pl. elektrokémiai módszerekkel) Szeizmikus tervezés: szeizmikus szigetelés az épület és az altalaj közé a felszerkezet és az alépítmény közé (hidak) az érzékeny berendezések és a tartószerkezeti elem közé Módszer: előírt szabályok (hasonló a minimumkövetelményeken alapuló módszerhez) 2019.03.28. Model Code 2010 23

Köszönöm a megtisztelő figyelmet! 2019.03.28. Model Code 2010 24