BUDAPESTI MÜSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM Építészmérnöki Kar - Beton szerkezetek tartóssága és élettartama Dr. Sipos András Árpád
A tartóssági méretezés lényegében több okból került előtérbe: az infrastruktúra újraépítése 30-40 évenként irreálisan drága fenntarthatósági szempontok HÁTTÉR az anyag környezeti okokra visszavezethető roncsolódása több esetben vezetett rideg törés jellegű összeomláshoz. A tartóssági problémák nagy mennyiségben beton szerkezeteknél jelentkeznek.
HÁTTÉR Többszintes parkolóház összeomlása a jégmentesítésre használt sók és az állagmegóvás teljes hiánya miatt.
A világ éves anyagtermelése, 2007: anyag Beton Portland cement Acél Szén Búza Só Cukor FENNTARTHATÓSÁG Mennyiség [t] ~ 13 milliárd 2,36 milliárd 1,34 milliárd 6,50 milliárd 607 millió 200 millió 162 millió 1t portland cement előállítása folyamán kb. 1t CO 2 keletkezik, a cementgyártás adja a világ CO 2 kibocsátásának kb. 7%-át. (Ez kb. fele a teljes, közlekedésből származó kibocsátásnak!)
Fenntartható betonszerkezetek építése: FENNTARTHATÓSÁG nagyobb szilárdságú betonok használata (nagyobb szilárdság kisebb km fajlagosan kevesebb cement szükséges) tartósabb anyagszerkezet kialakítása (w/c tényező csökkentése megfelelő adalékszerek alkalmazása mellett) a portland cement mintegy felének helyettesítése más, cementáló anyagokkal (SCM) portland cement hatékonyabb gyártása beton újrahasznosítás felhasznált vízmennyiség csökkentése (w/c tényező csökkentés) fenntarthatósági szempontokat érvényesítő tervezés / szabvány SCM: pl: pernye, granulált kohósalak, puccolán stb.
ÁLLAGROMLÁS A tervezési élettartam mellett definiáljuk a műszaki élettartamot: ez az az időszak, amíg a szerkezet (megvalósult anyagminőséggel számított) teherbírása a szabványban megkövetelt értéket meghaladja. A szakirodalom az állagromlás 2 fázisát különbözteti meg: 1. kezdeti fázis: nincs észrevehető romlás, lényegében a környezeti hatásokkal szembeni védelem fokozatosan gyengül. Beton esetében például ebben a fázisban zajlik a karbonátosodás, a klorid felvétel vagy a szulfát felhalmozódás az anyagban. 2. a tényleges állagromlás: az anyagszerkezet fokozatosan megváltozik, tönkremegy. Például a vasalás korróziója jó példa erre a szakaszra.
AZ OKOK BETON ESETÉN transzport folyamatok: víz, vagy egyéb oldatok felvétele (diffúzió, kapilláris felszívás stb.) mechanikai hatások: ütközés, túlterhelés, rezgés stb. Ezek hatását hagyományos módszerekkel vizsgálhatjuk, azonban a kialakuló repedések az anyag öregedését jelentősen befolyásolhatják! (pl: repedések és a fagyás kapcsolata) fizikai folyamatok: fagyási ciklusok korai repedések zsugorodás vagy hőhatás miatt sók újrakristályosodása a betonon belül száradási zsugorodás okozta nyúlás kopás
kémiai folyamatok: AZ OKOK BETON ESETÉN a PH csökkenése a karbonátosodás miatt cement alkáli tartalma és egyes adalékanyagok közötti reakció szulfátkorrózió savak, ammónium sók, magnézium sók okozta korrózió biológiai eredetű hatások karbonátosodás alkáli reakció
AZ OKOK BETONACÉL ESETÉN depassziválódás: a jó minőségű beton PH-ja 12,5-13,5 között van, ez a betonacél korrózióját meggátolja. A beton karbonátosodásán túl korrozív adalékanyagok alkalmazása és/vagy beszívódása, továbbá jelentős elektromos tér is depasszíválhatja a betonacélt. Legveszélyesebb: kloridok okozta korrózió (eredet: tengervíz, jégmentesítő sók). Korábban kötésgyorsítónak használtak kálciumkloridot, ez súlyos károkhoz vezetett. Elektromos tér (pl: vasút) esetén a betonacélok földeléséről gondoskodni kell!
A FENNTARTÁS SZEREPE A fázis: tervezés, kivitelezés, utókezelés ideje B fázis: kezdeti fázis (nincs látható károsodás!) C fázis: a károsodás kezdete D fázis: jelentős kiterjedésű korrózió / tönkremenetelhez közeli állapot Az ötök törvénye : de Sitter (1983) szerint: 1dollár elköltése az A fázisban megegyezik 5 dollárral a B fázisban, ami megegyezik 25 dollárral a C fázisban ami egyenlő 125 dollárral a D fázisban.
TERVEZÉS TARTÓSSÁGRA Jelenleg félvalószínűségi alapon tervezzük a szerkezeteket, az osztott biztonsági tényezős eljárás mind a teher, mind az anyagminőség bizonytalanságát és időbeni változását célozza számításba venni. A tartósság biztosítása jelenleg szerkesztési szabályok betartását jelenti. Az esetleges fenntartás szerepét teljesen figyelmen kívül hagyják. Hasonlóan meglévő szerkezetek hátralévő élettartam becsléséhez ezen eljárások túlzottan egyszerűsítettek. Cél: a fent meghatározott műszaki élettartam minél pontosabb becslése. Ennek becsléséhez egzakt modellek kellenek a környezeti hatások figyelembe vételére és a szerkezeti anyagok ellenállásának számszerűsítésére. A legtöbb szabványban az átlagos épületek tervezési élettartama 50 év, azonban ezt csak a terhek és az ellenállás valószínűségi alapú meghatározásánál vesszük figyelembe. Ráadásul ez sok esetben koránt sem gazdaságos: a műszaki élettartamot sokkal hatékonyabb lenne a gazdaságosság elemzésével felvenni.
Tervezési módszerek (Model Code terv): TERVEZÉS TARTÓSSÁGRA teljes valószínűségi méretezés parciális tényezős módszer szerkesztési szabályok, betontechnológia (jelenlegi EC) EC0: A tervezett élettartam alatt a szerkezet a prognosztizált környezeti hatásokra (az előírt fenntartási munkák elvégzése mellett) nem károsodhat olyan mértékben, hogy a teljesítőképessége a megcélzott szint alá esik (EC0). A várható környezeti hatásokat a tervezés idején meg kell határozni (??? Klímaváltozás hatásai). A tartóssági megfelelőséget számítással, kísérlettel, vagy megépült szerkezeteken szerzett tapasztalatokkal lehet igazolni. Jelenlegi szabályok agresszív környezetben (pl: XD3) a szakirodalom szerint 50 év alatt 50%-kos valószínűséggel okoznak jelentős korróziós problémát!
A TARTÓSSÁG TERVEZÉSE Az EC szerint a statikus tervező jelenleg a teherbírási határállapotban (ULS) és a használati határállapotban (SLS) igazolja a szerkezet megfelelőségét. A terv az, hogy a jövőben ehhez egy harmadik csoport, a tartóssági méretezés fog kapcsolódni. Ma ez elsősorban nem számítást jelent, hanem egyes szerkesztési szabályok betartását, illetve az anyagminőség helyes megválasztását jelenti.
KÖRNYEZETI OSZTÁLYOK (BETON) A szerkezet környezeti osztályba sorolása határozza meg a betonfedést, a minimális beton osztályt és részben a betontechnológiát. A környezeti osztályokat az EN 206 szabvány és annak Nemzeti Melléklete tartalmazza (együtt: MSZ 4798-1:2004).
X0 XN(H) X0b(H) X0v(H) XC1 XC2 XC3 XC4 KÖRNYEZETI OSZTÁLYOK (BETON) Vasalás nélküli beton, ha nincs korróziós kockázat. Nagyon száraz helyen lévő vb. Környezeti hatásoknak nem ellenálló, szilárdsági szempontból alárendelt beton. Vasalás nélküli beton alacsony korróziós kockázattal. Vasbeton alacsony korróziós kockázattal. Karbonátosodás okozta korrózió: Száraz, vagy tartósan nedves környezet. Karbonátosodás okozta korrózió: Nedves, ritkán száraz. Karbonátosodás okozta korrózió: Mérsékelten nedves. Kitöltő és kiegyenlítő betonok, védett helyen. VB esetén RH max. 35% Kis szilárdságú aljzatbeton. Kitöltő és kiegyenlítő betonok, védett helyen. RH max. 35% páratartalmú térben, vagy teljesen elzárt helyen lévő vb. Alacsony RH-ú környezet, vagy állandóan víz alatt lévő beton. Hosszú időn keresztül vízzel érintkező beton. Alaptestek. Karbonátosodás okozta korrózió: Váltakozva nedves és száraz. Mérsékelt, vagy nagy RH-ú épületben és esőtől védett, szabadban lévő beton. Víznek kitett betonfelületek, amelyek nem tartoznak az XC2-es osztályba.
XD1 XD2 XD3 XF1 XF2 XF3 XF4 KÖRNYEZETI OSZTÁLYOK (BETON) Nem tengervízből származó klorid: mérsékelt nedvesség Nem tengervízből származó klorid: nedves, ritkán száraz Nem tengervízből származó klorid: váltakozva nedves/száraz Fagyási / olvadási korrózió: Mérsékelt víztelítettség jégolvasztó anyag nélkül Fagyási / olvadási korrózió: Mérsékelt víztelítettség jégolvasztó anyaggal Fagyási / olvadási korrózió: Jelentős víztelítettség jégolvasztó anyag nélkül levegőben lévő kloridnak kitett, de jégolvasztó soknak nem kitett beton Úszómedencék. Ipari vizek klorid tartalommal, de jégolvasztó sónak nem kitett. Klórtartalmú talajvízzel érintkező. Kloridot tartalmazó permetnek kitett hídelemek. Járdák és útburkolatok. Autóparkolók födémei. (Nem sózott, de behordott sóval érintkezik. Magyarországon a sózott felületeket az XF4 osztályba kell sorolni!) Függőleges betonfelületek esőnek és fagynak kitéve. Útépítés függőleges szerkezetei. Fagyási / olvadási korrózió: Jelentős víztelítettség jégolvasztó anyaggal Esőnek és fagynak kitett vízszintes szerkezetek. Útburkolatok és híd pályaelemek jégolvasztó sónak kitéve.
KÖRNYEZETI OSZTÁLYOK (BETON) XA1 Enyhén agresszív környezet Talajvíz + talaj tulajdonságai alapján XA2 Mérsékelten agresszív környezet Talajvíz + talaj tulajdonságai alapján XA3 Nagymértékben agresszív környezet Talajvíz + talaj tulajdonságai alapján XK1- XK4 XV1(H) XV2(H) XV3(H) Koptató hatás Kis üzemi víznyomásnak kitett, legalább 300 mm vastag beton, 24h alatt legfeljebb 0,4l/m2 átszivárgás Kis üzemi víznyomásnak kitett, legfeljebb 300 mm vastag beton, vagy nagy víznyomás és legalább 300 mm vtg. beton 24h alatt legfeljebb 0,2l/m2 átszivárgás Pincefal, csatorna, legfeljebb 1,0 m magas víztároló medence, áteresz, záportározó Nagy üzemi víznyomásnak kitett, legfeljebb 300 mm vastag beton, 24h alatt legfeljebb 0,1l/m2 átszivárgás Vízépítési szerkezetek, gátak, magas víztároló medence, aluljárók szigetelés nélkül Vb. mélygarázs, alagutak külön szigetelés nélkül
KÖRNYEZETI OSZTÁLYOK (BETON) Jel Feltétel Példa min. szilárdság max. v/c % Beton acél c min,dur X0 Száraz környezet Belső száraz tér C12/15 70 10 10 XC1 XC2 XC3 XC4 Száraz, vagy tartósan nedves Nedves, ritkán száraz helyen Mérsékelten nedves helyen Váltakozva nedves / száraz Közepes páratartalmú belső tér Feszítő betét c min,dur C20/25 65 15 25 Alapozás C25/30 60 25 35 Magas páratartalmú belső tér XD1-3 Kloridos korrózió Medencék, járdák, parkolófödémek XF1-4 Fagyhatás Esőnek, fagynak kitett felületek XA1-3 C30/37 55 25 35 Esőnek kitett beton C30/37 50 30 40 Agresszív környezet Szulfát tartalmú talajban lévő beton 45 C35/45 50 C30/37 55- C30/37-55- 45 45 C30/37- C35/45 55-35- 45-55 (45) (55) (45) (55)
ELŐFESZÍTETT ÁTHIDALÓ
A tervezés elején megcélzott keresztmetszet: ELŐFESZÍTETT ÁTHIDALÓ A végeredmény
ELŐFESZÍTETT ÁTHIDALÓ Az áthidaló méretezésénél fontos kérdés volt a környezeti osztályba sorolás, a biztonság javára történő feltétel, hogy az XC3 osztályba soroltuk be. (A teherhordó rész a vb. mag, erre a beton előírásai vonatkoznak). Lakásba, irodába beépíthető, egy vegyi üzemben valószínűleg nem alkalmazható. Amit ez befolyásol: Feszített betétek betonfedése (15 mm, XC1-ben 10 mm lenne, ámbár az áthidaló szabvány kötelezően előírja a 15 mm-t.) Kvázi állandó teher szintjén igazolni kell a tartó repedésmentességét, a gyakori teherszinten a repedéstágasság maximum 0,2 mm.
ELŐFESZÍTETT ÁTHIDALÓ Az áthidaló méretezését mind a régi MSZ, mind az EC szerint elvégeztük. A teherbírás kb. azonos, azonban a teher oldalon 10-20% többlet az EC oldalán! q [kn/m] 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5 2,75 3 3,25 l [m] qh= qrd=
Irodalom PC. Aitcin, S. Mindness: Sustainability of concrete, Spon Press, 2011 C.W. Yu, J.W. Bull: Durability of Materials and Structures in Building and Civil Engineering, Whittles Publishing, 2006 MSZ 4798-1 Beton Szabvány Alkalmazási Segédlet, Magyar Betonszövetség, 2004