Trvanlivost a životnost betonových konstrukcí. Prof. Ing. Jaroslav Procházka, CSc. katedra betonových a zděných konstrukcí

Transkript

1 Trvanlivost a životnost betonových konstrukcí Prof. Ing. Jaroslav Procházka, CSc. katedra betonových a zděných konstrukcí 1

2 Osnova přednášky Fáze životního cyklu ISO fib Model Code 2010, CEN Parametrická studie Mezní stavy použitelnosti - poznámky 2

3 TRVANLIVOST - vlastnost konstrukce (kvalitativní pojem) ŽIVOTNOST -časový údaj o konstrukci (kvantitativní údaj!) 3

4 Trvanlivost - životnost Životnost je období, po které je konstrukce schopna zabezpečovat požadované funkce při zachování potřebné spolehlivosti(pouze prohlídky a pravidelná údržba) Zvýšení životnosti (výhledově u betonových konstrukcí 2x až 10x!) Nové požadavky na vlastnosti betonu Prediktivní modely degradace betonu a výztuže Pravděpodobnostní přístupy Nové předpisy, doporučení, normy (ISO, fib) 4

5 Fáze životního cyklu Předinvestiční Investiční fáze Provozní fáze fáze Projektové práce Realizace Údržba Plánované opravy, výměny Rekonstr. Návrhová životnost Upravená životnost Životní cyklus stavby Životní cyklus projektu Likvidace 5

6 Závislost mezi zatížením a mírou poškození 6

7 Životnost 7

8 Životnost při periodických prohlídkách a drobných opravách 8

9 Životnost při rekonstrukcích 9

10 ISO General Principles on the Design of Structures for Durability (2008) Tento mezinárodní dokument/norma specifikuje obecné principy a doporučené postupy pro verifikaci trvanlivosti konstrukcí podléhajícím účinkům prostředí způsobujících degradaci materiálů, vedoucí k selhání funkce konstrukce. Spolehlivost musí být zaručena po celou dobu životnosti konstrukce. Specificky pro betonové konstrukce: fib, CEN fib Model Code First complete draft in fib Bulletin No 55, 56 (2010), where 7.8 Verification of limit states associated with durability část Service Life Design již vydána jako: fib Bulletin No 34 (2006): Model Code for Service Life Design 10

11 11

12 12

13 Koncepce ISO DSL Durability limit state - mezní stav trvanlivosti Mezní stavy při ověřování spolehlivosti 13

14 V důsledku degradace materiálů je nutné při návrhu na životnost uvažovat: Porušení snížením únosnosti vyvolené degradací materiálu (např. koroze výztuže) Snížení tuhosti v důsledku degradace materiálu Podle následků těchto MS může se jednat o ULS nebo SLS. 14

15 Ověřování mezních stavů použitelnosti Pravděpodobnostní metoda Ověřování životnosti Základním kriteriem je požadavek p{t S < t D } < p tar kde t S je životnost konstrukce (service life), t D návrhová životnost (design service life), p tar směrná pravděpodobnost (target probability), že životnost t S bude menší návrhová životnost t D 15

16 Ověřování mezních stavů Mezní stavy odolnosti - pro libovolný okamžik t < t S má platit p f (t) = p{r(t) - E(t) < 0} < p tar kde R(t) je odolnost konstrukce (resistance), E(t) účinek zatížení (effect of action), p tar směrná pravděpodobnost(target probability) Mezní stavy použitelnosti- pro libovolný okamžik t < t S má platit p f (t) = p{e lim - E(t) < 0} < p tar kde E lim je limitní hodnota sledovaného ukazatele (šířka trhlin, průhyb apod.), E(t) p tar účinek zatížení (effect of action), směrná pravděpodobnost(target probability) 16

17 Pravděpodobnostní odhad životnosti 17

18 18

19 Model Code 2010 Přístup k navrhování s přihlédnutím k požadované životnosti 1. Pravděpodobnostní metoda 2. Metoda dílčích součinitelů 3. Metoda pokládaná za vyhovující (třídy prostředí - soubor pravidel pro navrhování, výběr materiálů a výrobků a postupy provádění) 4. Zamezení poškození (použití nekorozivních materiálů, isolace apod.) 19

20 20

21 21

22 Karbonatace betonu

23 Průběh degradace depasivace výztuže V MS se ověřuje pravděpodobnost rozdílu vlivů a účinků prostředí v porovnání s odolností konstrukce. 23

24 24

25 25

26 26

27 Mechanismy porušování Karbonatace vyvolávající korozi Chloridy vyvolávající korozi Střídavé zmrznutí a tání betonu Působení chemicky agresivních látek (roztoky kyselin nebo síranových solí) chemická koroze 27

28 Při návrhu na životnost může nastat např.: Depasivace výztuže v betonu způsobená karbonatací nebo chloridy. Trhliny vyvolané korozí výztuže v betonu. Odštěpování krycí vrstvy v důsledku koroze výztuže. Rozrušení betonu v důsledku zmrznutí a tání Chemická koroze betonu 28

29 1. Pravděpodobnostní metoda Karbonatace vyvolávající korozi- beton bez trhlin: a) Mezní stav depasivace: Při pravděpodobnostní metodě musí být splněna podmínka p{} = p dep = p{a x c (t SL ) < 0}< p 0 kde p{} je pravděpodobnost vzniku depasivace [%], a krycí vrstva [mm]; x c (t SL ) hloubka karbonatace v čase t SL [mm]; t SL návrhová životnost [roků], p 0 směrná pravděpodobnost poruchy [%] Proměnné a a x c (t) musí být stanoveny pravděpodob - nostními postupy. 29

30 Návrhový model: hloubka karbonatace x c (t) = W(t). k. t kde k je součinitel zohledňující účinky provádění, základní odolnost zvoleného čerstvého betonu (vodní součinitel, druh betonu, přísady)při uvažovaných podmínkách a vliv základních podmínek prostředí (relativní vlhkost, koncentrace CO 2 apod.) proti vzniku karbonatace, W(t) funkce povětrnosti uvažující střední klimatické podmínky způsobující navlhnutí povrchu betonu 30

31 b) Mezní stav koroze- vyvozený trhlinami a odštěpováním betonu: Musí být splněna podmínka p{} = p crack = p{ r (R) r (S) (t SL ) < 0}< p 0 kde p{} je pravděpodobnost výskytu karbonatace vyvolané trhlinami, r (R) maximální koroze vyvolaná zvětšením poloměru prutu které se může přizpůsobit beton aniž vzniknou trhliny na jeho povrchu, r (S) (t SL ) zvětšení poloměru prutu v důsledku koroze, t SL návrhová životnost [roků], p 0 směrná pravděpodobnost poruchy [%] 31

32 Alternativně musí být splněna podmínka p{} = p crack = p{ t SL - t ini - t prop < 0}< p 0 kde p{} je pravděpodobnost výskytu karbonatace vyvolané trhlinami, t SL návrhová životnost [roků], t ini iniciační období [roků], t prop propagační období [roků], p 0 směrná pravděpodobnost poruchy [%] Proměnné r(r), r(s)(t) a t ini, t prop musí být stanoveny pravděpodobnostními postupy. 32

33 Při metodě dílčích součinitelů v mezním stavu depasivace musí být splněna podmínka a d x c,d (t SL ) 0 kde a d je návrhová hodnota krycí vrstvy betonu [mm]; x c,d (t SL ) návrhová hodnota zkarbonatované vrstvy betonu v čase v čase t SL [mm]; návrhová životnost [roků] t SL 2. Metoda dílčích součinitelů 33

34 Návrhová hodnota krycí vrstvy betonu a d se stanoví následovně: a d = a nom - a a nom je nominální hodnota krycí vrstvy betonu [mm]; a přídavek na odchylku v poloze výztuže Návrhová hodnota zkarbonatované vrstvy betonu x c,d (t SL ) v čase t SL se stanoví následovně: x c,d (t SL ) γ f x c,d (t SL ) = x c,c (t SL ). γ f charakteristická hodnota zkarbonatované vrstvy betonu v čase v čase t SL např. střední hodnota zkarbonatované vrstvy [mm]; součinitel spolehlivosti zkarbonatované vrstvy 34

35 3. Metoda pokládaná za vyhovující a) třídy prostředí b) výběr materiálů a výrobků c) soubor pravidel pro navrhování a provádění 35

36 a) třídy (stupně) prostředí 1 Bez rizika koroze: X0 2 Koroze způsobená karbonatací: XC1 - XC4 3 Koroze způsobená chloridy: XD1 - XD3 4 Koroze způsobená chloridy z mořské vody: XS1 - XS3 5 Střídavé působení mrazu a rozmrzávání: XF1 - XF3 6 Chemické napadení: XA 1 XA3 36

37 b) výběr materiálů - beton 37

38 specifické požadavky: - druh a množství cementu, - maximální hodnota vodního součinitele, - maximální obsah vzduchu, 38

39 c)pravidla pro navrhování a provádění minimální tloušťka betonu krycí vrstvy výztuže, kontrola trhlin v mladém betonu, omezení šířky trhlin atd. 39

40 Tloušťka krycí vrstvy výztuže Nominální c nom : a c nom = c min + c dev c c φ (třmínek) st φ (podélný prut) sl cnom,st cnom,1 distanční podložka e a c min minimální betonová krycí vrstva c dev odchylka uvažovaná při návrhu (toleranční zvětšení) Návrhová c : c c nom 40

41 4. Zamezení poškození Trvanlivost lze zajistit jedním z postupů: - návrhem ochranných systémů, - použitím materiálů, které při dobré údržbě nebudou po dobu návrhové životnosti poškozeny, - použitím takových rozměrů, že poškození během návrhové životnosti bude kompenzováno, - výměnou konstrukčních prvků s kratší životností během návrhové životnosti v kombinaci s prohlídkami ve stanovených intervalech a s předpokládanou údržbou. 41

42 Parametrická studie Pravděpodobnostní přístup založený na modelech porušení. Vstupní hodnoty - stochastické proměnné (průměrná hodnota, směrodatná odchylka, typ rozdělení). Ve studii byl sledován vliv druhu cementu a doba ošetřování. 42

43 Ve studii byla uvažována hloubka karbonatace x c (t) včase t daná vztahem při korozi vyvolané karbonatací 2k k D C t x ( ) c t t a t w e c Eff,0 0 =.. v závislosti na mikroklimatikých podmínkách, ošetřování betonu, součiniteli difuze CO 2,množství CO 2 pro úplnou karbonataci, atd. při korozi vyvolané chloridy n t0 x t 2C ktdrcm,0ke t = t ( ) ( crit ) v závislosti na součiniteli difuze a migrace chloridů a při definovaném zhutnění, ošetřování a podmínkách prostředí, kritickém množství chloridů atd.. 43

44 Koroze vyvolaná karbonatací Cementy - portlandské - vysokopecní nebo s přísadou popílků 320 kg /m 3 betonu Ošetřování betonu s cementem - CEM I-S 2 dny - CEM III/B 3 dny Relativní vlhkost a teplota - na základě údajů místních meteorologických stanic - mírné a horké podnebí Portlandské cementy - zmenšená propustnost v karbonatované vrstvě 44

45 Stupeň vlivu prostředí XC2 a) b) c nom = 35 mm Index spolehlivosti v závislosti na stupni vlivu prostředí (w/c = 0,6, životnost 50 let) a) CEM I 42,5 R (ošetřování 2 dny) b) CEM III 42,5 NW HS NA (ošetřování 3 dny) CEM IIIB redukce c o 5mm - snížení β o 50% snížení životnosti o 15 let 45

46 Stupeň vlivu prostředí XC3 a) b) c nom = 35 mm Index spolehlivosti v závislosti na stupni vlivu prostředí XC3 (w/c = 0,55, životnost 50 let) a) CEM I 42,5 R (ošetřování 2 dny) b) CEM III 42,5 NW HS NA (ošetřování 3 dny) redukce c značný vliv - snížení w/c větší vliv porovnání s XC2 46

47 a) b) Stupeň vlivu prostředí XC4 c nom = 40 mm Index spolehlivosti v závislosti na stupni vlivu prostředí XC4 (w/c = 0,50,životnost 50 let) a) CEM I 42,5 R (ošetřování 2 dny) b) CEM III 42,5 NW HS NA (ošetřování 3 dny) značný vliv druhu cementu - u CEM III/B značné snížení β 47

48 Koroze vyvolaná chloridy - mořská voda Cementy - CEM I bez popílku - CEM I s popílkem 320 kg /m3 betonu Při použití portlandského cementu - porušení za 10 let V horkém podnebí postup koroze rychlejší než v mírném 48

49 Stupeň vlivu prostředí XS3 c nom = 55 mm Cementy s popílkem: propustnost vzrůstá, koroze se zrychluje Index spolehlivosti v závislosti na stupni prostředí XS3 w/c = 0,45, životnost 50 let; CEM I s popílkem Pravděpodobnost koroze větší než 50% 49

50 Mezní stavy použitelnosti mají zajistit aby nedošlo: k poškození následkem nadměrného stlačení betonu anebo velkým tahovým napětím ve výztuži ke kmitání způsobujícímu nepohodu lidí, omezení funkčnosti k trhlinám v betonu nepříznivě ovlivňujícímu vzhled, trvanlivost, funkčnost konstrukce k přetvoření nepříznivě ovlivňujícímu vzhled, trvanlivost, funkčnost konstrukce 50

51 ČSN EN Požadavky na mezní přetvoření ČSN EN : - kriterium vzhledu a obecné použitelnosti 1/250 rozpětí při kvazistálém zatížení s možností kompenzace vzepětí max 1/250 rozpětí - kriterium poškození přilehlé konstrukce 1/500 rozpětí při kvazistálém zatížení po zabudování prvku - přesvědčit se zda mezní hodnoty jsou vhodné další údaje ISO 4356 Deformation of buildings at serviceability limit states 51

52 ISO 4356 Přetvoření uprostřed prvku Přetvoření na koncích prvku 52

53 Rozdíl teplot ve sloupech min ( l/300, 15 mm) 53

54 Výpočet průhybu: Beton modul pružnosti, smršťování, dotvarování Požadavky na typový beton ČSN EN 206-1: - třída betonu (většinou s přihlédnutím k trvanlivosti úprava v ČSN EN ) - stupně agresivity (min. c, max. w, pórovitost) - max. horní mez frakce kameniva, chloridy, konzist. - další vlastnosti (mrazuvzdornost, obrus, nepropustnost atd.) Současný stav: jemnozrnné betony, přísady, příměsi menší moduly pružnosti než odpovídají třídě betonu podle ČSN EN !! požadovat též E cm Trend: štíhlé konstrukce, větší zatížení, brzké odbedňování výpočtové programy větší využití konstrukce 54

55 Kriteria použitelnosti Mají být specifikovány pro každý projekt a odsouhlaseny objednavatelem. Směrnice pro volbu kriterií použitelnosti s uvedením příslušných směrných hodnot spolehlivosti viz Příloha Model Code Pro diferenciaci spolehlivosti se doporučuje zavést třídy následků (CC consequence classes), které jsou stanoveny s přihlédnutím následkům porušení. 55

56 Třídy následků - CC Pro diferenciaci spolehlivosti zavedeny třídy následků: CC3 značné následky z hlediska ztráty životů, ekonomického, následků pro prostředí (tribuny, koncertní haly apod.) CC2 běžné následky z hlediska ztráty životů, ekonomického, následků pro prostředí (obytné, kancelářské a veřejné budovy apod.) CC1 malé následky z hlediska ztráty životů, ekonomického, následků pro prostředí (zemědělské skladovací budovy, skleníky pod.) 56

57 Třídy spolehlivosti podle indexu spolehlivosti β (p f ) 57

58 Náklady Cena životního prostředí a stavby Dluh životnímu prostředí Záloha a úroky Demoliční náklady Plánovaná doba životnosti stavby Doba Stanovení dluhu životnímu prostředí 58

59 Cena životního prostředí materiál a prvky, které mohou být znovupoužity po demolici díla předčasná demolice - velký dluh životnímu prostředí Demontovatelné konstrukce 59

60 Děkuji za pozornost 60