Co to je existující konstrukce? - nosná část dokončené konstrukce Hodnocení existujících konstrukcí se liší od navrhování:

Transkript

1 Principy hodnocení a ověřování existujících konstrukcí podle ČSN ISO a ČSN Milan Holický, Miroslav Sýkora (miroslav.sykora@cvut.cz) Kloknerův ústav ČVUT Motivace pro (polo)pravděpodobnostní hodnocení Nové normy (přísnější požadavky, zvýšení stálých a proměnných zatížení, mimořádná zatížení) a vliv degradace nevyhovující spolehlivost existujících konstrukcí Úvod Charakteristika norem Rozdíly mezi navrhováním a hodnocením existujících konstrukcí Stanovení dílčích součinitelů Závěrečné poznámky 1 Metoda dílčích součinitelů často příliš konzervativní: - nákladné opravy - ztráta kulturních hodnot (Polo)pravděpodobnostní metody: - dokonalejší popis nejistot - snadnější zahrnutí výsledků testů a měření 3 Význam hodnocení existujících konstrukcí 50 % výdajů souvisí s existujícími konstrukcemi: - prodloužení životnosti - zachování kulturních hodnot Co to je existující konstrukce? - nosná část dokončené konstrukce Hodnocení existujících konstrukcí se liší od navrhování: - informacemi o konstrukci - směrnou spolehlivostí (náklady na zajištění spolehlivosti, omezení provozu během opravy) ČSN ISO a ČSN : hodnocení na základě dřívější uspokojivé způsobilosti - metoda dílčích součinitelů - pravděpodobnostní metody 2 4

2 Hlavní témata zprávy JRC 1. Metodika shromáždění, vyhodnocení a aktualizace údajů o existující konstrukci 2. Hodnocení na základě dřívější uspokojivé způsobilosti 3. Modely odolnosti pro prvky z odlišných: - materiálů - požadavků na detaily a - tolerancemi v porovnání se současnou stavební praxí 4. Směrná úroveň spolehlivosti 5. Použití metody dílčích součinitelů a pravděpodobnostních metod v souladu se zásadami pro navrhování 5 ČSN národní přílohy - většinou materiálovězaměřená ustanovení(vlastnosti materiálů + zesilování) + doplňující informace - hodnocení existujících betonových konstrukcí - hodnocení existujících ocelových, litinových a spřažených ocelobetonových konstrukcí - hodnocení existujících dřevěnýcha spřažených dřevobetonových konstrukcí - hodnocení existujících zděnýchkonstrukcí (opatření pro situace, kdy pevnost malty 0) - dodatečné pokyny pro ověřování spolehlivosti existujících mostů - dodatečné pokyny ke konstrukcím objektů kulturních památek - Příloha A - orientační odhad zatížitelnostimostů PK (TP zrušeny, bude změněna ČSN pro zatížitelnost mostů) 7 Úvod 6 1 Rozsah Obsah mezinárodní 6 2 Normativní odkazy 6 3 Termíny a definice normy ISO Obecný systém hodnocení 8 5 Údaje pro hodnocení 11 6 Analýza konstrukce 13 7 Ověřování 13 8 Hodnocení na základě dřívější uspokojivé způsobilosti 14 9 Opatření Zpráva Posudek a rozhodnutí 15 Příloha A (informativní) Hierarchie termínů 17 Příloha B (informativní) Vývojový diagram postupu hodnocení konstrukcí 18 Příloha C (informativní) Aktualizace měřených veličin 19 Příloha D (informativní) Zkoušení statických a dynamických vlastností 23 Příloha E (informativní) Hodnocení časově závislé spolehlivosti 25 Příloha F (informativní) Směrná úroveň spolehlivosti 30 Příloha G (informativní) Struktura zprávy 32 Příloha H (informativní) Návrh modernizace 34 Příloha I (informativní) Historické stavby 366 Charakteristika Normy ISO Norma ISO uvádí - obecná ustanovení pro hodnocení existujících konstrukcí, - obecné zásady pro stanovení základních veličin, - pokyny pro analýzu konstrukcí a ověřování spolehlivosti, Základní nedostatky - chybí operativní postupy pro základní materiály, - informativní přílohy (C, E, F) jsou obtížně použitelné. ČSN má umožnit praktické aplikace ISO při hodnocení existujících konstrukcí v ČR. Podkladové materiály: ČSN, EN, ISO, JCSS, národní normy 8 8

3 Důvody pro hodnocení existujících konstrukcí Očekávaná změna v užívání nebo požadované prodloužení životnosti Ověření spolehlivosti požadované úřady, vlastníkem, pojišťovnami (např. s ohledem na zvýšené zatížení dopravou) Degradace konstrukce v důsledku dlouhodobého působení zatížení (např. koroze, únava) Poškození konstrukce od mimořádných zatížení, např. požárem, výbuchem, nárazem, povodní Požadavky a přínosy obnovy existujících staveb Stavby Požadavek Přínosy obnovy Běžné budovy udržitelný rozvoj úspory energií (topení, klimatizace) protipožární ochrana bezpečnost použitelnost akustika obnovené využívání existujících budov v městech snižování energetických ztrát 9 9 nové evakuační plány, zamezení šíření požáru, zlepšení protipožární odolnosti umožnění nového způsobu užívání, zvýšení odolnosti proti mimořádným a seizmickým zatížením zvýšení tuhosti, provozuschopnost, výtahy zlepšení akustických vlastností 10 Odlišnosti hodnocení existujících konstrukcí Hodnocení existující konstrukce musí přihlížet ke skutečnému stavu konstrukce k předchozímu působení zatížení degradaci materiálu změnám konstrukce Náklady na zvýšení spolehlivostiu existující konstrukce jsou vyšší než u nové konstrukce Sociální hlediska (omezení, přemístění uživatelů) jsou významnější Hlediska udržitelnosti, snížení odpadů a recyklace materiálů jsou významnější Obecné zásady hodnocení Hodnocení v souladu se současně platnými předpisy; dříve platné normy nebo předpisy pouze jako informativní podklady. změny norem: obvykle nové poznatky o zatíženích a modelech odolnosti zatížení dopravou, klimatická zatížení, smyk železobetonových prvků Hodnocení musí vycházet ze skutečného stavu konstrukce, který je nutno ověřit průzkumem (údaje o stavu stavby, vlastnostech materiálů a základové půdě, o poruchách a vadách). materiály a stálá zatížení z průzkumu proměnná zatížení obvykle jako při navrhování 11 13

4 Obecný postup hodnocení, článek 4 - podrobněji v příloze B Stanovení účelu hodnocení prodiskutovat se zadavatelem Scénáře uvažovaných situací Předběžné hodnocení nedestruktivně, homogenita Podrobné hodnocení NDT vždy kalibrovat destruktivními testy Výsledky hodnocení Opakování? Častý dotaz existující konstrukce bez změny zatížení nevyhovuje podle současných norem hodnocení na základě dřívější uspokojivé způsobilosti podle ČSN ISO (článek 8) Konstrukce navržené a provedené podle dříve platných norem lze považovat za bezpečné pro zatížení (kromě mimořádných), pokud: - pečlivá prohlídka - žádné známky významného poškození, přetížení nebo degradace; - se prověří konstrukční systém včetně kritických detailů; - konstrukce vykazuje uspokojivé chování v průběhu dlouhého časového období; - odhad degradace při uvážení stavu a plánované údržby zajišťuje trvanlivost; - po dostatečně dlouhé časové období nenastanou změny, které by mohly významně zvýšit zatížení konstrukce nebo ovlivnit její trvanlivost. Poznámka: bývalá podmínka posouzení konstrukčního systému byla nejednoznačná a byla zpřesněna. Anglický originál uvádí: the structural system is reviewed ; review znamená posoudit (přezkoumat) spíše ve smyslu prohlédnout než přepočítat Příloha A: Terminologie a definice - Důležité termíny, doplnění některých českých výrazů. Hodnocení Průzkum Analýza konstrukce Ověření spolehlivosti Opatření Konstrukční Provozní Vyhledání dokumentace Zkoušky Prohlídka Údržba Obnova Demolice Údržba Monitorování Změna užívání Oprava Modernizace assessment = hodnocení (ne posuzování) characteristic value = charakteristická hodnota (ne normová) design value = návrhová hodnota (ne výpočtová) f R (r) f S (r) Degradace materiálu S 1 S 2 S 3 S n- S n Čas, T Pevnostní charakteristiky se mění pomalu-zatížení a degradace únosnosti µ R µ S 22 28

5 Rozvoj koroze v žb. konstrukcích ČSN , Diferenciace spolehlivosti Tabulka 10.2 Kategorizace mostů podle následků poruchy Třídy následků Popis následků s ohledem na poškození lidského zdraví, následky ekonomické, sociální nebo pro prostředí Příklady mostů PK 1) Informativní podíl nákladů ρ CC1a velmi malé velmi malé následky mosty na velmi málo využívaných PK 1 < ρ 1,5 CC1b malé malé následky mosty malých rozpětí na silnicích II. a III. třídy 1,5 < ρ 2,5 CC2 střední střední následky obvyklé typy mostů 2,5 < ρ 5 vznik vlasových trhlin vznik nadměrných trhlin překročení MSÚ 29 CC3 velké velké následky mosty velkých rozpětí a mosty na dálnicích a rychlostních komunikacích 5 < ρ 10 1) Uvedené příklady jsou informativní, stanoví se pro konkrétní projekt, s uvážením příslušné dopravní trasy. 32 Příloha F: Index spolehlivosti β = Φ 1 (P f ) Mezní stavy Směrný index spolehlivosti β Referenční doba použitelnosti vratné 0,0 plánovaná zbytková životnost nevratné 1,5 plánovaná zbytková životnost únavy kontrolovatelné 2,3 plánovaná zbytková životnost nekontrolovatelné 3,1 únosnosti plánovaná zbytková životnost velmi malý následek poruchy 2,3 L S v letech a) malý následek poruchy 3,1 L S v letech a) střední následek poruchy 3,8 L S v letech a) vysoký následek poruchy 4,3 L S v letech a) a) L S minimální obvyklá doba z hlediska bezpečnosti (např. 50 let) 31 Směrná úroveň spolehlivosti ekonomická optimalizace celkové náklady = náklady na zesilování + následky poruchy náklady náklady nezávislé na d - omezení provozu d opt β(d) { následky poruchy d 0 celkové náklady náklady na zesilování β opt parametr d index spolehlivosti 33

6 Rozhodnutí o zesilování Vlivy degradace náklady celkové náklady potřebné zesílit následky poruchy d 0,lim (β 0 ) d opt parametr d Modifikace dílčích součinitelů - zdroje nejistot při hodnocení spolehlivosti Návrh 34 M. Prieto, P. Tanner(Torroja Institute, Madrid) Vlivy degradace 37 Materiál Geometrie Modelové nejistoty Stálá zatížení Proměnná zatížení Časové vlivy degradace, f c Nejistota měření Hodnocení existující konstrukce U dobře provedené konstrukce a při dostatečném průzkumulze očekávat podobné, někdy i nižší nejistoty při hodnocení než při navrhování. Předpětí? 36 doc. P. Ryjáček(FSv ČVUT) 38

7 Dílčí součinitele v EN 1990 Definice dílčích součinitelů (žb. kce) γ M = γ Rd γ m = γ Rd1 γ Rd2 γ m Proměnlivost zatížení γ f γ Rd1 dílčí součinitel pro modelové nejistoty Nejistoty modelu zatížení Nejistoty modelu odolnosti γ Sd γ Rd γ F γ Rd2 dílčí součinitel pro geometrické nejistoty γ m dílčí součinitel proměnlivosti materiálové vlastnosti Proměnlivost odolnosti γ m γ M γ G = γ Sd,g γ g γ Sd,g dílčí součinitel pro modelové nejistoty γ F =γ f γ Sd, γ M = γ m γ Rd γ Sd γ Rd 1,05 39 γ g - dílčí součinitel pro proměnlivost stálého zatížení 41 Dílčí součinitele podle Eurokódů E < R Směrný index spolehlivosti β t Index spolehlivosti pro zatížení β E,t = α E β t Index spolehlivosti pro odolnost β R,t = α R β t Dílčí součinitele γ Rd1 a γ Rd2 Pevnost betonu γ Rd1,fc 1,05 (vyšší hodnoty např. při protlačení desky) γ Rd2,fc 1,05 pro rozměry průřezu (γ Rd2,fc 1,0, pokud měření naznačují nevýznamnou variabilitu rozměrů průřezu) Mez kluzu γ Rd1,fy 1,025 Hlavní zatížení β E,t = - 0,7β t Vedlejší β E,t = - 0,28β t Odolnost β R,t = 0,8β t Model. nejist. β R,t = 0,32β t γ Rd2,fy 1,05 pro polohu výztuže (γ Rd2,fy 1,0, pokud měření naznačují nevýznamnou variabilitu polohy) 40 42

8 Dílčí součinitel γ Sd,g pro stálá zatížení γ Sd,g = 1,05 při návrhu při hodnocení existující konstrukce lze uvážit γ Sd,g = 1,0, pokud jsou splněny následující podmínky: - model stálých zatížení vychází z měření a - výpočet účinku z modelu zatížení nepřináší významné nejistoty a - lze předpokládat, že stálé zatížení se nebude v budoucnosti významně měnit 43 Dílčí součinitel γ C pevnost betonu: V c = 0,16 (lognormální rozdělení) γ c (β = 3,8) = exp( 1,645 V c ) / exp( 0,8 3,8 V c ) = exp( 1,645 0,16) / exp( 0,8 3,8 0,16) = 1,25 γ C (β = 3,8) = 1,05 1,25 = 1,31 hodnota γ C = 1,5 zohledňuje navíc nejistoty, že pevnost betonu se sleduje na základě vzorků, které se nezískávají z konstrukce γ c (β = 3,1) = exp( 1,645 0,16) / exp( 0,8 3,1 0,16) = 1,14 γ C (β = 3,1) = 1,05 1,25 = 1,20 Součinitel nezávisí na zbytkové životnosti (zde se neuvažuje vliv degradace). 45 ČSN Příklad mez kluzu výztuže: V s = 0,06 Dílčí součinitel γ S železobetonová konstrukce zbytková životnost t d směrná úroveň spolehlivosti: -β= 3,8 (MSÚ se středním následkem poruchy), nebo -β= 3,1 (MSÚ s malým následkem poruchy) na základě měření geometrie: -γ Rd2,fc = 1,0, -γ Rd2,fy = 1,0, -γ Sd,g = 1,0. 44 γ s (β = 3,8) = exp( 1,645 0,06) / exp( 0,8 3,8 0,06) = 1,09 γ S (β = 3,8) = 1,025 1,09 = 1,11 γ s (β = 3,1) = exp( 1,645 0,06) / exp( 0,8 3,1 0,06) = 1,05 γ S (β = 3,1) = 1,025 1,05 = 1,08 46

9 γ m Dílčí součinitel γ m (α R = 0,8) MSÚ následek poruchy β = 4,3 vysoký β = 3,8 střední β = 3,1 malý β = 2,3 velmi malý Dílčí součinitel γ G vlastní tíha betonové konstrukce: V G = 0,05; normální rozdělení γ G (β = 3,8) = 1 (1 + 0,7 3,8 0,05) = 1, γ G (β = 3,1) = 1 (1 + 0,7 3,1 0,05) = 1, V m Stanovení stálého zatížení na základě výsledků zkoušek odstavec NA.2.5 národní přílohy NA - metodika stanovení charakteristické hodnoty stálého zatížení G k na základě zkoušek charakteristická hodnota G k se stanoví jako odhad průměru stálého zatížení µ G s konfidencí 90 %: P(µ G < G k ) = 0,9 G k = m G ± k n s G ; 2 gi ( gi mg) mg = ; sg = n n 1 znaménko plus nepříznivé zatížení, minus - příznivé součinitel k n závisí na počtu vzorků n (obr. ČSN ) 48 ; Dílčí součinitel γ G stálé zatížení s vysokou variabilitou: V G = 0,25; normální rozdělení β= 3,8 - hlavní zatížení: γ G = 1 (1 + 0,7 3,8 0,25) = 1,67 - vedlejší zatížení: γ G = 1 (1 + 0,28 3,8 0,25) = 1,27 β= 3,1; hlavní zatížení: γ G = 1 (1 + 0,7 3,1 0,25) = 1,54 50

10 γ g Dílčí součinitel γ g (α E = -0,7) MSÚ následek poruchy β = 4,3 vysoký β = 3,8 střední β = 3,1 malý β = 2,3 velmi malý V g 0.3 Dílčí součinitel γ g (α E = -0,28) γ g MSÚ následek poruchy β = 4,3 vysoký β = 3,8 střední β = 3,1 malý β = 2,3 velmi malý V g Shrnutí k úpravám dílčích součinitelů Dílčí součinitele závisejí na náhodných vlastnostech veličiny a na směrné spolehlivosti. Při nevýznamné degradaci nejsou přímo ovlivněny zbytkovou životností (s výjimkou proměnných zatížení). Při stanovení dílčích součinitelů je potřeba uvážit modelové nejistoty. Při nižším počtu měření se doporučuje: 1) použít dílčí součinitele dle platných norem, nebo 2) použít konzervativní odhad variačního koeficientu, nebo 3) provést detailní statistické vyhodnocení. 53 Ověření nevychází, co teď? postupně uvažovat a zpřesňovat 1.Odolnost -zkoušky materiálů,iso, EN Zatížení stálá a klimatickáměření, data od ČHMÚ konzultace s experty 3. Směrnou úroveň spolehlivosti - index β, ISO, EN 4.Dílčí součinitele γ - ISO, EN 5.Metodiku ověření -předchozí působení, pravděpodobnostní postupy, ISO, JCSS 6.Intervenci provozní -změna (omezení) užití 7. Intervenci konstrukční - zesílení 75

11 Doplňující předpisy Operativní postupy odběru a zpracování dat pro zatížení, materiálové vlastnosti a rozměry. Většina poruch souvisí s překročením mezních stavů použitelnosti - EN 1990 (příloha D) - další předpisy ČSN, ISO Literatura, skripta a publikace(holický, Marková: Spolehlivost..) Hodnocení staveb industriálního dědictví(čkait) Materiály fib,centc 250/WG2 Pravděpodobnostní metody (ISO 2394, EN 1990) Doporučení pro stanovení pravděpodobnostních modelů (JCSS) 76 Pravděpodobnost je jedním z nejdůležitějších nástrojů moderní vědy především proto, že nikdo nemá nejmenší tušení, co vlastně znamená. 78 Bertrand Russell, 1929 Závěry Charakteristické znaky ČSN ISO Vyšší teoretická úroveň Návaznost na nové předpisy Ověřování metodou dílčích součinitelů Alternativní pravděpodobnostní postup Doporučená struktura zpráv ČSN usnadňuje operativní použití 77