beton szerkezetek tartóssága és élettartama...c20/25 65 15 25 xc2 nedves, ritkán száraz helyen...

Beton szerkezetek tartóssága és élettartama

Dr. Sipos András Árpád

BUDAPESTI MÜSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEMÉpítészmérnöki Kar - Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék

BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti T

anszék

Tartószerkezet-rekonstru

kciós Szakmérnöki K

épzés

A tartóssági méretezés lényegében több okból került előtérbe:

– az infrastruktúra újraépítése 30-40 évenként irreálisan drága

– fenntarthatósági szempontok

– az anyag környezeti okokra visszavezethető roncsolódása többesetben vezetett rideg törés jellegű összeomláshoz.

A tartóssági problémák nagy mennyiségben betonszerkezeteknél jelentkeznek.

BME Építészmérnöki KarSzilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék

HÁTTÉR


anszék



épzés


HÁTTÉR

Többszintes parkolóház összeomlása a jégmentesítésre használt sók és az állagmegóvás teljes hiánya miatt.


anszék



épzés


FENNTARTHATÓSÁG

anyag Mennyiség [t]

Beton ~ 13 milliárd

Portland cement 2,36 milliárd

Acél 1,34 milliárd

Szén 6,50 milliárd

Búza 607 millió

Só 200 millió

Cukor 162 millió

A világ éves anyagtermelése, 2007:

1t portland cement előállítása folyamán kb. 1t CO2 keletkezik, acementgyártás adja a világ CO2 kibocsátásának kb. 7%-át. (Ezkb. fele a teljes, közlekedésből származó kibocsátásnak!)


anszék



épzés


FENNTARTHATÓSÁGFenntartható betonszerkezetek építése:

• nagyobb szilárdságú betonok használata (nagyobb szilárdságkisebb km fajlagosan kevesebb cement szükséges)

• tartósabb anyagszerkezet kialakítása (w/c tényező csökkentésemegfelelő 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.


anszék



épzés

A tervezési élettartam mellett definiáljuk a műszaki élettartamot: ez azaz időszak, amíg a szerkezet (megvalósult anyagminőséggel számított)teherbírása a szabványban megkövetelt értéket meghaladja.


ÁLLAGROMLÁS

A szakirodalom az állagromlás 2 fázisátkülönbözteti meg:1. kezdeti fázis: nincs észrevehető

romlás, lényegében a környezetihatásokkal szembeni védelemfokozatosan gyengül. Betonesetében például ebben afázisban zajlik a karbonátosodás, aklorid felvétel vagy a szulfátfelhalmozódás az anyagban.

2. a tényleges állagromlás: azanyagszerkezet fokozatosanmegváltozik, tönkremegy. Példáula vasalás korróziója jó példa erre aszakaszra.


anszék



épzés

– transzport folyamatok: víz, vagy egyéb oldatok felvétele (diffúzió,kapilláris felszívás…stb.)

– mechanikai hatások: ütközés, túlterhelés, rezgés… stb. Ezekhatását hagyományos módszerekkel vizsgálhatjuk, azonban akialakuló repedések az anyag öregedését jelentősenbefolyásolhatják! (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


AZ OKOK BETON ESETÉN


anszék



épzés

– kémiai folyamatok:

• 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


AZ OKOK BETON ESETÉN

karbonátosodás alkáli reakció


anszék



épzés

– depassziválódás: a jó minőségű beton PH-ja 12,5-13,5 között van,ez a betonacél korrózióját meggátolja. A beton karboná-tosodásán túl korrozív adalékanyagok alkalmazása és/vagybeszívódása, továbbá jelentős elektromos tér is depasszíválhatja abetonacélt.

Legveszélyesebb: kloridok okozta korrózió (eredet: tengervíz,jégmentesítő sók). Korábban kötésgyorsítónak használtak kálcium-kloridot, ez súlyos károkhoz vezetett.

Elektromos tér (pl: vasút) esetén a betonacélok földelésérőlgondoskodni kell!


AZ OKOK BETONACÉL ESETÉN


anszék



épzés

• A fázis: tervezés, kivitelezés, utókezelés ideje

• B fázis: kezdeti fázis (nincs látható károsodás!)

• C fázis: a károsodás kezdete

• D fázis: jelentős kiterjedésű korrózió / tönkremenetelhez közeliállapot

Az „ötök törvénye”: de Sitter (1983) szerint: 1dollár elköltése az Afázisban megegyezik 5 dollárral a B fázisban, ami megegyezik 25dollárral a C fázisban ami egyenlő 125 dollárral a D fázisban.


A FENNTARTÁS SZEREPE


anszék



épzés

Jelenleg félvalószínűségi alapon tervezzük a szerkezeteket, az osztottbiztonsági tényezős eljárás mind a teher, mind az anyagminőségbizonytalanságát és időbeni változását célozza számításba venni.

A tartósság biztosítása jelenleg szerkesztési szabályok betartásátjelenti. Az esetleges fenntartás szerepét teljesen figyelmen kívülhagyják. Hasonlóan meglévő szerkezetek hátralévő élettartambecsléséhez ezen eljárások túlzottan egyszerűsítettek.

Cél: a fent meghatározott műszaki élettartam minél pontosabbbecslése. Ennek becsléséhez egzakt modellek kellenek a környezetihatások figyelembe vételére és a szerkezeti anyagok ellenállásánakszámszerűsítésére.

A legtöbb szabványban az átlagos épületek tervezési élettartama50 év, azonban ezt csak a terhek és az ellenállás valószínűségi alapúmeghatározásánál vesszük figyelembe. Ráadásul ez sok esetbenkoránt sem gazdaságos: a műszaki élettartamot sokkal hatékonyabblenne a gazdaságosság elemzésével felvenni.


TERVEZÉS TARTÓSSÁGRA


anszék



épzés

Tervezési módszerek (Model Code terv):

– teljes valószínűségi méretezés

– parciális tényezős módszer

– szerkesztési szabályok, betontechnológia (jelenlegi EC)


TERVEZÉS TARTÓSSÁGRA

EC0: A tervezett élettartam alatt a szerkezet a prognosztizáltkörnyezeti hatásokra (az előírt fenntartási munkák elvégzésemellett) nem károsodhat olyan mértékben, hogy ateljesítőképessége a megcélzott szint alá esik (EC0).

A várható környezeti hatásokat a tervezés idején meg kellhatározni (??? Klímaváltozás hatásai).

A tartóssági megfelelőséget számítással, kísérlettel, vagymegépült szerkezeteken szerzett tapasztalatokkal lehet igazolni.

Jelenlegi szabályok agresszív környezetben (pl: XD3) aszakirodalom szerint 50 év alatt 50%-kos valószínűséggelokoznak jelentős korróziós problémát!


anszék



épzés

•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 anyag-

minőség helyes megválasztását jelenti.


A TARTÓSSÁG TERVEZÉSE


anszék



épzés


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).


anszék



épzés


KÖRNYEZETI OSZTÁLYOK (BETON)

X0Vasalás nélküli beton, ha nincs korróziós kockázat. Nagyon száraz helyen lévő vb.

Kitöltő és kiegyenlítő betonok, védett helyen. VB esetén RH max. 35%

XN(H)Környezeti hatásoknak nem ellenálló, szilárdsági szempontból alárendelt beton.

Kis szilárdságú aljzatbeton.

X0b(H)Vasalás nélküli beton alacsony korróziós kockázattal.

Kitöltő és kiegyenlítő betonok, védett helyen.

X0v(H) Vasbeton alacsony korróziós kockázattal.RH max. 35% páratartalmú térben, vagy teljesen elzárt helyen lévő vb.

XC1Karbonátosodás okozta korrózió:Száraz, vagy tartósan nedves környezet.

Alacsony RH-ú környezet, vagy állandóan víz alatt lévő beton.

XC2Karbonátosodás okozta korrózió:Nedves, ritkán száraz.

Hosszú időn keresztül vízzel érintkező beton. Alaptestek.

XC3Karbonátosodás okozta korrózió:Mérsékelten nedves.

Mérsékelt, vagy nagy RH-ú épületben és esőtől védett, szabadban lévő beton.

XC4Karbonátosodás okozta korrózió:Váltakozva nedves és száraz.

Víznek kitett betonfelületek, amelyek nem tartoznak az XC2-es osztályba.


anszék



épzés



XD1Nem tengervízből származó klorid: mérsékelt nedvesség

levegőben lévő kloridnak kitett, de jégolvasztó soknak nem kitett beton

XD2Nem tengervízből származó klorid: nedves, ritkán száraz

Úszómedencék. Ipari vizek klorid tartalommal, de jégolvasztó sónak nem kitett. Klórtartalmú talajvízzel érintkező.

XD3Nem tengervízből származó klorid: váltakozva nedves/száraz

Kloridot tartalmazó permetnek kitett hídelemek. Járdák és útburkolatok. Autóparkolók födémei. (Nem sózott, de behordott sóval érintkezik. Magyar-országon a sózott felületeket az XF4 osztályba kell sorolni!)

XF1Fagyási / olvadási korrózió:Mérsékelt víztelítettség jégolvasztó anyag nélkül

Függőleges betonfelületek esőnek és fagynak kitéve.

XF2Fagyási / olvadási korrózió:Mérsékelt víztelítettség jégolvasztó anyaggal

Útépítés függőleges szerkezetei.

XF3Fagyási / olvadási korrózió:Jelentős víztelítettség jégolvasztó anyag nélkül

Esőnek és fagynak kitett vízszintes szerkezetek.

XF4Fagyási / olvadási korrózió:Jelentős víztelítettség jégolvasztó anyaggal

Útburkolatok és híd pályaelemek jégolvasztó sónak kitéve.


anszék



épzés



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

Koptató hatás

XV1(H)Kis üzemi víznyomásnak kitett, legalább 300 mm vastag beton, 24h alatt legfeljebb 0,4l/m2 átszivárgás

Pincefal, csatorna, legfeljebb 1,0 m magas víztároló medence, áteresz, záportározó

XV2(H)

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

Vízépítési szerkezetek, gátak, magas víztároló medence, aluljárók szigetelés nélkül

XV3(H)Nagy üzemi víznyomásnak kitett, legfeljebb 300 mm vastag beton, 24h alatt legfeljebb 0,1l/m2 átszivárgás

Vb. mélygarázs, alagutak külön szigetelés nélkül


anszék



épzés


KÖRNYEZETI OSZTÁLYOK (BETON)Jel Feltétel Példa min.

szilárdság

max. v/c %

Betonacél

cmin,dur

Feszítőbetét

cmin,dur

X0 Száraz környezet Belső száraz tér C12/15 70 10 10

XC1 Száraz, vagy tartósan nedves

Közepes pára-tartalmú belső tér

C20/25 65 15 25

XC2 Nedves, ritkán száraz helyen

Alapozás C25/30 60 25 35

XC3 Mérsékelten nedves helyen

Magas pára-tartalmú belső tér

C30/37 55 25 35

XC4 Váltakozva nedves / száraz

Esőnek kitett beton C30/37 50 30 40

XD1-3 Kloridos korrózió Medencék, járdák, parkolófödémek

C30/37-C35/45

55-

45

35-

45

45-55

XF1-4 Fagyhatás Esőnek, fagynak kitett felületek

C30/37 55-

50

(45) (55)

XA1-3 Agresszív környezet

Szulfát tartalmú talajban lévő beton

C30/37-

C35/45

55-

45

(45) (55)


anszék



épzés


ELŐFESZÍTETT ÁTHIDALÓ


anszék



épzés


ELŐFESZÍTETT ÁTHIDALÓA tervezés elején megcélzott keresztmetszet:

A végeredmény


anszék



épzés


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.


anszék



épzés


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!

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5 2,75 3 3,25

l [m]

q [

kN

/m]

qH=

qRd=


anszék



épzés

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

Irodalom



anszék



épzés

beton szerkezetek tartóssága és élettartama...c20/25 65 15 25 xc2 nedves, ritkán száraz helyen...

Documents