Ανθεκτικότητα Σκυροδέματος

Transcript

1 Ανθεκτικότητα Σκυροδέματος Δρ. Σωτήρης Δέμης Πολιτικός Μηχανικός (Πανεπιστημιακός Υπότροφος) Ανθεκτικό Σκυρόδεμα Ανθεκτικό Σκυρόδεμα [1] Εξωτερικοί Παράγοντες Προσβολής Χημικοί Παράγοντες Θαλάσσια Έκθεση Ενανθράκωση Ιόντα Cl - [2] Εσωτερικοί Παράγοντες Αντίστασης στη Προσβολή Συστατικά σκυροδέματος Τσιμέντα, ποζολάνες, πρόσμικτα Στοιχεία επικάλυψης Πάχος επικάλυψης Διαπερατότητα Έλεγχος ποιότητας σκυροδέματος Καλές πρακτικές κατασκευής Έλεγχος ποιότητας κατασκευής [3] Μηχανισμοί Διάβρωσης Οπλισμού [5] Συστήματα Πρόσθετης Προστασίας [4] Επισκευή ρωγμών από διάβρωση Συστήματα Επιφανειακής Προστασίας Συστατικά τους Επιλογή κατάλληλου συστήματος Ρόλος Υγρασίας Επίδραση καιρικών συνθηκών 1

2 Αίτια υποβάθμισης ανθεκτικότητας σκυροδέματος Επιφανειακή φθορά Ρηγμάτωση Απότριψη Υδροφθορά Σπηλαίωση Προ Σκλήρυνσης Μετά τη Σκλήρυνση Παγοπληξία Πλαστική συστολή Πλαστική κάθιση Μετακινήσεις Καλουπιών Μετακινήσεις εδάφους έδρασης Επιβαλλόμενα Φορτία Μετακινήσεις Φορτία Σχεδιασμού Ερπυσμός Υπερφόρτιση Σεισμός Χημικές Διεργασίες Δράση Μαλακού Νερού Προσβολή από Οξέα Προσβολή από άλατα Προσβολή από θειικά ιόντα Αντίδραση αλκαλίωναδρανών Επίδραση θαλασσινού νερού Βιολογική Επίδραση Φυσικοί Μηχανισμοί Θερμικά Φαινόμενα Συστελλόμενα αδρανή Συστολή ξήρανσης Σφάλματα κατά διάστρωση, τελείωμα, συντήρηση Δράση παγετού, ψύξη/απόψυξη Πυρκαγιά Πρώιμη θερμική διαστολή Συστολοδιαστολές λόγο διακύμανσης θερμοκρασίας Βλάβες Σκυροδέματος Ρωγμές // οπλισμό (διάβρωση) 2

3 Βλάβες Σκυροδέματος (ΕΒΟ, Αίγιο, 26 ετών -2004) Βλάβες Σκυροδέματος Υγρασία, Χρωματικές αλλοιώσεις 3

4 Βλάβες Σκυροδέματος Ηλικία 20 ετών!!! Βλάβες Σκυροδέματος 4

5 Βλάβες Σκυροδέματος Αιτίες / Υπεύθυνοι? Αιτίες «ζημιάς» γεφυρών Γερμανικού οδικού δικτύου (fib ) Μη αποτελεσματική συντήρηση 3% Μη επαρκής προεάνταση 3% Fatigue 3% Κακή εκτέλεση εργασιών 18% Διάβρωση λόγω χλωριόντων 66% Αιτίες «ζημιάς» κατασκευών ΟΣ (BCA 2000) Διάβρωση λόγω ενανθράκωσης 5% Κακή ποιότητα Αστοχία σκυροδέτησης συστήματος 7% στεγανοποίησης 8% Μη επαρκή επικάλυψη 12% Χρήση μησωστών υλικών 13% Κακή εκτέλεση εργασιών 4% Σκυρόδεμα κακής ποιότητας 16% Φτωχές προδιαγραφές κατασκευής 2% Περιβαλλοντικά αίτια 39% 5

6 Επιτελεστικότητα 20/12/2016 Αιτίες / Υπεύθυνοι? Χειριστής Δονητή Καλουπωτής Εργάτης τοποθέτησης οπλισμού Επιβλέπων Μηχανικός Προμηθευτής Χάλυβα Contractor's Management Πολιτικός Μηχανικός Αρχιτέκτονας 5% 3% 4% 3% 10% 10% 27% 38% 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% «Υπεύθυνοι» μη σωστής επικάλυψης σκυροδέματος (Clarke et al. 1997) Το πρόβλημα Κακή εκτέλεση εργασιών Μη αποτελεσματική συντήρηση Κακή ποιότητα σκυροδέτησης Μη επαρκής επικάλυψη Χρήση υλικών που δεν ενδείκνυται Διάβρωση λόγω χλωριόντων Αρχική Καλή Ποιότητα Αρχική Μέτρια Ποιότητα επισκευή Λειτουργική (επιθυμητή) Διάρκεια Ζωής Ελάχιστο Αποδεκτό Όριο Ωφέλιμη Διάρκεια Ζωής Χρόνος ικανότητα κατασκευής να επιτελεί τον σκοπό της με (ασφάλεια & λειτουργικότητα) Πρόβλημα Ανθεκτικότητας περίοδος χρόνου μέσα στην οποία η επιτελεστικότητα της κατασκευής διατηρείται σε αποδεκτό, σύμφωνα με προδιαγραφές επίπεδο, ακολουθώντας κανονικό πρόγραμμα συντήρησης 6

7 20/12/2016 Ανθεκτικότητα Τι ορίζουμε σαν «Ανθεκτικότητα» ACI 201.2R-01 - Guide to Durable Concrete Durability of hydraulic-cement concrete is defined as its ability to resist weathering action, chemical attack, abrasion, or any other process of deterioration. BS : Structural use of concrete - Part 1: Code of practice for design and construction A durable concrete element is one that is designed and constructed to protect embedded metal from corrosion and to perform satisfactorily in the working environment for the life-time of the structure. ACI 365.1R-00 - Service-Life Prediction State-of-the-Art Report Durability is the capability of maintaining the serviceability of a product, component, assembly, or construction over a specified time. Fib Model Code 2010 Durability is the ability to maintain required technical performance throughout the service life subject to specified maintenance under the influence of the foreseeable actions Ευρωκώδικας 2 Μια κατασκευή ανθεκτική σε διάρκεια πρέπει να ικανοποιεί τις απαιτήσεις λειτουργικότητας, αντοχής και ευστάθειας καθ όλη τη διάρκεια του επιδιωκόμενου χρόνου ζωής σχεδιασμού, χωρίς σημαντικές απώλειες χρηστικότητας ούτε υπερβολική και απρόβλεπτη συντήρηση. Ικανότητα Κατασκευής να αντιστέκεται σε περιβαλλοντικές δράσεις, χωρίς η επιτελεστικότητα της να υποχωρεί κάτω από ένα ελάχιστο αποδεκτό όριο. Η Ανθεκτικότητα δεν είναι απλά μία ιδιότητα αλλά ικανότητα η οποία προσδίδεται στη κατασκευή Ανθεκτικότητα Ανθεκτικότητα είναι μία ιδιότητα που δημιουργείται βασισμένη σε εμπεριστατωμένο σχεδιασμό, επιλογή υλικών και στην σωστή κατασκευή Πως «προσδίδουμε» Ανθεκτικότητα σε ένα μέλος ΟΣ ή σε μία κατασκευή? Κατανόηση Μηχανισμών Φθοράς Σωστή Επιλογή Δομικών Υλικών Το Α και το Ω!! Να ξέρουμε τι αντιμετωπίζουμε Είναι διαθέσιμα Τήρηση Κανονισμών Νόμος αλλά και εργαλείο Σωστή Κατασκευή και συντήρηση Εξυπακούεται μεν, αλλά.. 7

8 Μηχανισμοί Φθοράς Διοξείδιο του άνθρακα Χλωριόντα 8

9 Αύξηση CO2 στην ατμόσφαιρα Ενανθράκωση (1) Διείσδυση CO 2 από ατμόσφαιρα και διάχυση στους πόρους σκυροδέματος CO 2 (1) CO 2 Το CO 2 (α) από αέρια φάση πόρων διαλύεται στο νερό των πόρων CO 2 (α) CO 2 (υ) Στερεή Φάση (σ) Υγρή Φάση (υ) Αέρια Φάση (α) (1) (2) Αντίδραση CO 2 με ενανθρακώσιμα συστατικά τσιμέντου Λαμβάνει χώρα στο νερό των πόρων του σκυροδέματος Προστατευτικό Στρώμα Οξειδίου του Σιδήρου (2Fe + 3H 2 O Fe 2 O 3 + 6H + + 6e - ) Εμπόδιο στον σχηματισμό της ανοδικής αντίδρασης διάλυσης ιόντων Fe 2+ 9

10 Ενανθράκωση CO 2 Αντίδραση CO 2 με ενανθρακώσιμα συστατικά τσιμέντου (2) Συνολική αντίδραση στερεής φάσης Ca(OH) 2 και αέριας φάσης CO 2 Ca(OH) Ca(OH) 2 (σ) + CO 2 (α) H 2 O CaCO 3 (σ) + H 2 O 2 Ca(OH) 2 (σ) Ca 2+ (aq) + 2OH - (υ) Διάλυση Ca(OH) 2 στο νερό των πόρων (α): Αντίδραση του CO 2 (α) με ιόντα OH - (α): Σχηματισμός στερεού CaCO 3 : CO 2 (υ) + OH - (υ) HCO - 3 (υ) HCO - 3 (υ) + OH - (υ) CO 2-3 (υ) + H 2 O Ca 2+ (υ) + CO 2-3 (υ) CaCO 3 (σ) CSH C 3 S C 2 S 3CaO 2SiO 2 3H 2 O + 3CO 2 3CaCO 3 2SiO 2 3H 2 O 3CaO 2SiO 2 + 3CO 2 + H2O SiO 2 H 2 O + 3CaCO 3 2CaO 2SiO 2 + 2CO 2 + H2O SiO 2 H 2 O + 2CaCO 3 Ενανθράκωση (1) CO 2 (1) (2) Αντίδραση CO 2 με ενανθρακώσιμα συστατικά τσιμέντου Λαμβάνει χώρα στο νερό των πόρων του σκυροδέματος (3) Πτώση ph, Aπο παθητικοποίηση οπλισμού Έναρξη διαδικασίας διάβρωσης 10

11 Διάβρωση λόγω Ενανθράκωσης Διάβρωση προϋποθέτει συνύπαρξη παραγόντων: απώλεια παθητικότητας χάλυβα, παρουσία οξυγόνου και επαρκούς υγρασίας στο περιβάλλον σκυρόδεμα Σύνθετο χημικό, ηλεκτροχημικό φαινόμενο (περιλαμβάνει αντιδράσεις μεταφοράς ιόντων, ηλεκτρονίων) Προϋποθέσεις: Άνοδος, κάθοδος, ηλεκτρική και ηλεκτρολυτική σύνδεση CO 2 Η 2 Ο, O 2 Άνοδος OH - 4e - Νερό των πόρων Κάθοδος Μέσω του χάλυβα Το νερό των πόρων δρα σαν ηλεκτρολύτης Ηλεκτρική σύνδεση από την ράβδο του χάλυβα Άνοδος: τμήμα χάλυβα που έχει καταστραφεί προστατευτικό στρώμα οξειδίων Διάβρωση λόγω Ενανθράκωσης Άνοδος 2Fe 2Fe e - Κάθοδος Άνοδος 2H 2 O + O 2 + 4e - 4OH - Νερό των πόρων 2Fe OH - 2Fe(OH) 2 Παρουσία O 2 2Fe(OH) 2 + ½ O 2 Fe 2 O 3 H 2 O + H 2 O O 2 Δημιουργία πολλών ανοδικών περιοχών κατά μήκος της ράβδου (ομοιόμορφη διάβρωση) 2H 2 O+O 2 +4e - 4OH Cathode 4(OH) - 4e - Νερό των πόρων 2Fe 2+ 2Fe(OH) 2 2Fe 2Fe 2+ +4e - Anode 4(OH) - 2Fe(OH) 2H 2 O+O 2 +4e - 2 4OH 4e - Cathode 11

12 Διάβρωση λόγω Ενανθράκωσης Διάβρωση λόγω Cl - Cl - O 2, H 2 O Fe 2+ Άνοδος Anode Νερό των πόρων Fe Cl - FeCl 2 FeCl 2 +2H 2 O FeOH 2 +2H + +2Cl - Cl - Fe Fe 2+ +2e - Κάθοδος Τοπική διάτρηση στρώματος οξειδίων από ιόντα χλωρίου όταν συγκέντρωσή τους ξεπεράσει κρίσιμη τιμή (~ 0,5 % κ.β. τσιμέντου). Άνοδο Διάλυση του σιδήρου: 2Fe 2Fe e - Απορρόφηση Cl - : Κάθοδο 2Fe Cl - 2FeCl 2 Οξείδωση: FeCl 2 + 2H 2 O Fe(OH) 2 + 2Cl - + 2H + Παρουσία O 2 2Fe(OH) 2 + ½ O 2 Fe 2 O 3 H 2 O + H 2 O Επιφάνεια του καθαρού χάλυβα απορροφά Cl - (σχηματίζεται FeCl 2 ) (ανοδική αντίδραση). Με την παρουσία του νερού, υδρόλυση των προϊόντων της διάβρωσης (καθοδική αντίδραση). Δεσμευμένα χλωριόντα από τα προϊόντα διάβρωσης επιστρέφουν πάλι στο διάλυμα των πόρων του σκυροδέματος με ταυτόχρονη τοπική οξίνιση του διαλύματος (αυτοαναλυόμενη αντίδραση). 12

13 Διάβρωση λόγω Cl - (pitting) Διάβρωση λόγω Cl - (pitting) 13

14 Τήρηση Κανονισμών Η ανθεκτικότητα σκυροδέματος στους κανονισμούς Συστάσεις περιεκτικότητας τσιμέντου Αναφορά σε ποιότητα εκτέλεσης εργασιών 14

15 Η ανθεκτικότητα σκυροδέματος στους κανονισμούς Συστάσεις περιεκτικότητας τσιμέντου Μέτρα για επιθετικά περιβάλλοντα Η ανθεκτικότητα σκυροδέματος στους κανονισμούς Μέτρα για δράση χημικών 15

16 Η ανθεκτικότητα σκυροδέματος στους κανονισμούς Συστάσεις σύνθεσης σκυροδέματος Η ανθεκτικότητα σκυροδέματος στους κανονισμούς 16

17 Η ανθεκτικότητα σκυροδέματος στους κανονισμούς Κατηγορίες Περιβαλλοντικής Έκθεσης Ταξινόμηση περιβαλλοντικών επιδράσεων σε διάφορες τάξεις έκθεσης (ΕΝ 206-1, ΚΤΣ 2016) (Επιλέγονται από μελετητή έργου και περιλαμβάνονται στην προδιαγραφή) Κ Α Τ Η Γ Ο Ρ Ί Ε Σ Έ Κ Θ Ε Σ Η Σ Χωρίς διάβρωση ή προσβολή Διάβρωση λόγω ενανθράκωσης Διάβρωση που προκαλείται μέσω Cl - θαλάσσιου νερού Διάβρωση που προκαλείται μέσω Cl - εκτός θαλάσσιου νερού Δράση Παγετού Χημικώς Δραστικό Περιβάλλον X0 XC1 XC2 XC3 XC4 XS1 XS2 XS3 XD1 XD2 XD3 XF1 XF2 XF3 XF4 XA1 XA2 XA3 17

18 Κατηγορίες Περιβαλλοντικής Έκθεσης Κατηγορίες Περιβαλλοντικής Έκθεσης 18

19 Κατηγορίες Περιβαλλοντικής Έκθεσης Κατηγορίες Περιβαλλοντικής Έκθεσης X0, XS1 Το σκυρόδεμα μπορεί να υφίσταται περισσότερες από μια επιδράσεις και οι περιβαλλοντικές συνθήκες μπορεί να εκφράζονται με συνδυασμό των κατηγοριών έκθεσης. XA1 XF1, XC4 XA2 XF4, XS1 XF4, XA3, XS3 19

20 Κατηγορίες Περιβαλλοντικής Έκθεσης Μεγάλη προσοχή στη κατηγορία έκθεσης Έκθεση στην Ατμόσφαιρα Έκθεση σε splash/tidal Submerged zone Περιορισμοί Μελέτης Σύνθεσης Σκυροδέματος Ειδικές Απαιτήσεις Προδιαγράφονται απαιτήσεις για: συστατικά υλικά του σκυροδέματος, ιδιότητες σκυροδέματος, κριτήρια συμμόρφωσης, περιορισμοί σύνθεσης σκυροδέματος 20

21 Υπολογισμός Ονομαστικής Επικάλυψης Σκυροδέματος EC2 Η ονομαστική επικάλυψη πρέπει να καθορίζεται στα σχέδια. Ορίζεται ως η ελάχιστη επικάλυψη c min, συν την σχεδιαστική ανοχή για την αντιμετώπιση αποκλίσεων, c dev (10 mm): c nom = c min + c dev c min = max {c min,b ; c min,dur + c dur,γ - c dur,st - c dur,add ; 10 mm} c min,b c min,dur c dur,γ c dur,st c dur,add ελάχιστη επικάλυψη βάση απαίτησης συνάφειας ελάχιστη επικάλυψη βάση περιβαντολλογικών συνθηκών πρόσθετη ασφάλεια στοιχείου απομείωση της ελάχιστης επικάλυψης σε περίπτωση χρήσης ανοξείδωτου χάλυβα απομείωση της ελάχιστης επικάλυψης σε περίπτωση πρόσθετης προστασίας c min,b ελάχιστη επικάλυψη βάση απαίτησης συνάφειας Διάταξη ράβδων Ελάχιστη επικάλυψη cmin,b* Μεμονωμένες Διάμετρος ράβδου Δεσμίδα Ισοδύναμη διάμετρος (Øn) * Εάν η μέγιστη ονομαστική διάσταση των αδρανών είναι μεγαλύτερη από 32 mm, τότε η cmin,b πρέπει να προσαυξάνεται κατά 5 mm. Υπολογισμός Ονομαστικής Επικάλυψης Σκυροδέματος EC2 Ελάχιστη επικάλυψη c min,dur, από άποψη ανθεκτικότητας σε διάρκεια για χάλυβα οπλισμού Περιβαλλοντολογική απαίτηση για την cmin,dur (mm) Κατηγορία Κατηγορία έκθεσης Κατασκευής X0 XC1 XC2 / XC3 XC4 XD1 / XS1 XD2 / XS2 XD3 / XS3 S S S S4 (50 έτη) S S Συνιστώμενη κατηγοριοποίηση κατασκευών Κριτήριο Κατηγορία έκθεσης (Κ) X0 XC1 XC2 / XC3 XC4 XD1 XD2 / XS1 XD3 / XS2 / XS3 Χρόνος ζωής σχεδιασμού 100 χρόνια Κ κατά 2 Κ κατά 2 Κ κατά 2 Κ κατά 2 Κ κατά 2 Κ κατά 2 Κ κατά 2 Κατηγορία αντοχής 1) 2) C30/37 Κ κατά 1 C30/37 Κ κατά 1 C35/45 Κ κατά 1 C40/50 Κ κατά 1 C40/50 Κ κατά 1 C40/50 Κ κατά 1 C45/55 Κ κατά 1 Δομικό στοιχείο με γεωμετρία πλάκας (θέση οπλισμού δεν επηρεάζεται από διαδικασία κατασκευής) Κ κατά 1 Κ κατά 1 Κ κατά 1 Κ κατά 1 Κ κατά 1 Κ κατά 1 Κ κατά 1 Διασφάλιση ειδικού ελέγχου ποιότητας παραγωγής σκυροδέματος Κ κατά 1 Κ κατά 1 Κ κατά 1 Κ κατά 1 Κ κατά 1 Κ κατά 1 Κ κατά 1 21

22 Μέτρα για καλύτερη ανθεκτικότητα σκυροδέματος Απαίτηση για χαμηλή διαπερατότητα σκυροδέματος κρίσιμη Τήρηση ορίων σύνθεσης σκυροδέματος Χρήση προσμίκτων Τύπου ΙΙ (ποζολανικά υλικά) Προσοχή στο ποσοστό αλάτων χλωρίου των αδρανών (γενικά Cl- στο σκυρόδεμα < 0,2 κ.β. Τ) Προσοχή στο ποσοστό χλωριόντων του νερού ανάμιξης Πόσιμο νερό μικρή περιεκτικότητα (ασήμαντη ppm) Νερό από γεωτρήσεις, υψηλά ποσοστά ( ppm) Μέτρα για περιορισμό/μείωση ρηγμάτωσης στο σκυρόδεμα Χαμηλό λόγο Ν/T ( χρήση υπερρευστοποιητή + επικάλυψη 40 mm ή επικάλυψη 50 mm) Χαμηλή υδατοπερατότητα (χαμηλός N/T, χρήση προσμίκτων Τύπου ΙΙ) Μέτρα για καλύτερη ανθεκτικότητα σκυροδέματος 22

23 Συστάσεις για Σκυροδέματα Ειδικών Απαιτήσεων ΚΤΣ 2016 Σκυρόδεμα εκτεθειμένο σε αέρα που περιέχει θαλάσσια άλατα (παραθαλάσσιο περιβάλλον) Κατηγορία XS1 Πρόκειται περί σκυροδέματος σε παραθαλάσσιο περιβάλλον και σε απόσταση από την ακτή μέχρι 1,5 km Επιφάνειες σκυροδέματος εκτίθενται στον αέρα που περιέχει θαλάσσια άλατα (δεν διαβρέχονται από θάλασσα, ούτε καταιονίζονται με θαλασσινό νερό). Μέγιστος Ν/Τ : 0,50 Ελάχ. Περιεκτικότητα Τσιμέντου: 330 kg Σκυρόδεμα μέσα σε νερό (πλην θαλασσινού νερού) Πρόκειται για σκυρόδεμα που διαστρώνεται κάτω από την επιφάνεια του νερού Μέγιστος Ν/Τ: 0,55 Ελάχ. Περιεκτικότητα Τσιμέντου: 350 kg Κατηγορία Κάθισης: S3, S4 Σκυρόδεμα για θαλάσσιες κατασκευές Κατηγορία XS2, XS3 Πρόκειται περί κατασκευών που βρίσκονται μέσα στη θάλασσα ή διαβρέχονται από θάλασσα ή καταιονίζονται με θαλασσινό νερό Μέγιστος Ν/Τ: 0,45-0,50 Ελάχ. Περιεκτικότητα Τσιμέντου: kg Σκυρόδεμα ανθεκτικό σε επιφανειακή φθορά Τριβή / απότριψη Κατηγορία ΧΜ1, ΧΜ2, ΧΜ3 Πρόκειται περί σκυροδέματος χωρίς ειδικές επενδύσεις ή ειδική επιφανειακή επεξεργασία, που υφίσταται μηχανική καταπόνηση από τριβή και κρούση, όπως είναι το σκυρόδεμα χώρων κυκλοφορίας και στάθμευσης οχημάτων, προσπέλασης κτιρίων, πρανών ποταμών με φερτές ύλες κ.λπ Μέγιστος Ν/Τ: 0,40-0,50 Ελάχ. Περιεκτικότητα Τσιμέντου: kg Σωστή Κατασκευή 23

24 «Κακή» κατασκευή «Κακή» κατασκευή 24

25 «Κακή» κατασκευή «Κακή» κατασκευή 25

26 Deemed-to-satisfy Πως «προσδίδουμε» Ανθεκτικότητα σε ένα μέλος ΟΣ ή σε μία κατασκευή? Κατανόηση Μηχανισμών Φθοράς Σωστή Επιλογή Δομικών Υλικών Τήρηση Κανονισμών Σωστή Κατασκευή και συντήρηση Καθορίζεται ανθεκτικότητα έργου σε συνάρτηση με: - διάρκεια ζωής του (έμμεσα ), Κατηγορίες Έκθεσης - Μέσω ελέγχου σύνθεσης σκυροδέματος και κατασκευαστικών απαιτήσεων Εισάγεται ο σχεδιασμός βάσει επιτελεστικότητας. Deemed-to-Satisfy method Deemed-to-satisfy??? Πως «προσδίδουμε» Ανθεκτικότητα σε ένα μέλος ΟΣ ή σε μία κατασκευή? Κατανόηση Μηχανισμών Φθοράς Σωστή Επιλογή Δομικών Υλικών Τήρηση Κανονισμών Σωστή Κατασκευή και συντήρηση Deemed-to-Satisfy method Αρκεί?? Συνήθως ΝΑΙ Δομημένο Σχεδιασμό Ανθεκτικότητας Έξω από το πλαίσιο Deemed-to-satisfy 26

27 Σχεδιασμός ανθεκτικότητας κατασκευών Ο.Σ. (επί της αρχής) Ορισμός απαιτήσεων σχεδιασμού Είδος κατασκευής Επιθυμητή Διάρκεια ζωής Επιθετικός παράγοντας Ζητούμενο: «Μηχανισμός» / Διαδικασία Διαδικασία φθοράς σκυροδέματος Τρόπος μορφή αστοχίας Ιδιαιτερότητες - ιδιότητες έργου Επιλογή κατασκευαστικών υλικών Επιλογή τυχών προστατευτικών μέσων Συνθήκες περιβαλλοντικής έκθεσης Επιθυμητός χρόνος ζωής κατασκευής Χρήση Υπολογιστικών Εργαλείων Εκτίμησης διάρκειας Ζωής όπου λαμβάνοντας υπόψη Όσο το δυνατόν πιο ακριβής εκτίμηση του αν η κατασκευή μπορεί να ανταπεξέλθει επιτυχώς στο επιθετικό περιβάλλον στη διάρκεια ζωής της. Τελικό ζητούμενο: Ωφέλιμη Διάρκεια Ζωής Κατασκευών υπό έγερση (στο στάδιο αρχικού σχεδιασμού) Υπαρχουσών Κατασκευών (σχεδιασμός επεμβάσεων) Σχεδιασμός ανθεκτικότητας κατασκευών Ο.Σ. (flowchart fib) [1] Ο πελάτης [2] Ορισμοί Ενθαρρύνεται η χρήση κατάλληλων φυσικοχημικών μοντέλων που προσομοιώνουν τη δράση περιβαλλοντικών παραγόντων στις ιδιότητες των υλικών. [3] Εκτίμηση Διάρκειας Ζωής [4] Σχεδιασμός 27

28 Ευκολία στη χρήση 20/12/2016 Υπολογιστικά Εργαλεία Εκτίμησης Διάρκειας Ζωής κατασκευών Ο.Σ. Εκτίμηση Διάρκειας Ζωής (επί της αρχής) Υπολογιστικά Εργαλεία Εκτίμησης Διάρκειας Ζωής Εμπειρικά Φυσικοχημικά Στοχαστικά Δεδομένα «Μηχανισμός» Μελέτη Σύνθεσης Σκυροδέματος Ιδιότητες Δομικού Στοιχείου Συνθήκες Περιβαλλοντικής Έκθεσης Εξομοίωση φυσικοχημικών διεργασιών φθοράς σκυροδέματος Υπολογισμός συντελεστή διαχυτότητας βλαβερών ουσιών Αποτελέσματα Εκτίμηση Διάρκειας Ζωής Σε χρόνια Μέσω απαιτούμενης επικάλυψης σκυροδέματος Υπολογισμός Πιθανότητας υπέρβασης αρχικά ορισμένου σεναρίου τέλους διάρκειας ζωής Στρατηγικές Σχεδιασμού Ανθεκτικότητας Ημι-στοχαστική Εκτίμηση Διάρκειας Ζωής (μέσω συντελεστών ασφαλείας) Εκτίμηση Διάρκειας Ζωής με Φυσικοχημικά Στοχαστικά υπολογιστικά εργαλεία Εκτίμηση Διάρκειας Ζωής με Φυσικοχημικά ντετερμινιστικά υπολογιστικά εργαλεία Μέθοδος «Deemed-to-satisfy» Πιο σωστό Αποφυγή Διάβρωσης (Avoidance of Deterioration) Διαχωρισμός κατασκευής από περιβαλλοντική δράση (π.χ. μεμβράνη) Χρήση μη-αντιδρώντων υλικών (ανοξείδωτος χάλυβας, μη ενεργά σε αλκάλια αδρανή) 28

29 Διάβρωση οπλισμού 20/12/2016 Υπολογιστικά Εργαλεία Εκτίμησης Διάρκειας Ζωής κατασκευών Ο.Σ. Ορισμός Διάρκειας Ζωής Αποδεκτό Επίπεδο Βλάβης Διείσδυση CO2 για αποπαθιτικοποίηση χάλυβα ή επαρκούς συγκέντρωσης Clγια έναρξη διάβρωσης Χρόνος Περίοδος Εισαγωγής (t i ) Περίοδος Εξέλιξης (t p ) Χρόνος που απαιτείται ώστε το βάθος ενανθράκωσης να φθάσει ράβδο οπλισμού ή συγκέντρωση χλωριόντων να υπερβεί κρίσιμη τιμή Χρονική περίοδος που απαιτείται για εξέλιξη συνεπειών διάβρωσης σε μη αποδεκτό βαθμό. Προσέγγιση Ενανθράκωσης στα Υπολογιστικά Εργαλεία Εκτίμησης Διάρκειας Ζωής Xc: Βάθος ενανθράκωσης (mm) K: συντελεστής ρυθμού ενανθράκωσης (mm / έτος 1/2 ) T: χρόνος έκθεσης ή χρόνος ζωής της κατασκευής (χρόνια) d A t n n d A B t Ho and Lewis, 1987, Roy et all, 1999 d A B C t n 2Dc t a 1 d 0.5 d A B w c C t d w c t Schiessl, 1976 Parrot, 1987 Μοντελοποίηση και ποσοτικός προσδιορισμός φυσικοχημικών διεργασιών ενανθράκωσης Υπολογισμός φυσικοχημικών χαρακτηριστικών από τα οποία εξαρτάται ρυθμός διεργασιών φθοράς 29

30 Ημι-στοχαστική εκτίμηση βάθους ενανθράκωσης (fib) t SL : διάρκεια ζώής (χρόνια) k e : Παράμετρος που λαμβάνει υπόψη επίδραση σχετικής υγρασίας στον συντελεστή διαχυτότητας διοξειδίου του άνθρακα. k c : Παράμετρος που λαμβάνει υπόψη την επίδραση της συντήρησης στην αντίσταση στην ενανθράκωση R -1 ACC,0: Ανάστροφη αποτελεσματική αντίσταση σκυροδέματος στην ενανθράκωση C s : συγκέντρωση CO 2 στην ατμόσφαιρα (kg/m 3 ) W(t SL ): Παράμετρος κατακρήμνησης Ημι-στοχαστική εκτίμηση βάθους ενανθράκωσης (fib) k e : Παράμετρος που λαμβάνει υπόψη επίδραση σχετικής υγρασίας στον συντελεστή διαχυτότητας διοξειδίου του άνθρακα. Όπου, Rh real : Σχετική υγρασία (%) k c : Παράμετρος που λαμβάνει υπόψη την επίδραση της συντήρησης στην αντίσταση στην ενανθράκωση Όπου, t c : περίοδος συντήρησης της κατασκευής (ημέρες) 30

31 Ημι-στοχαστική εκτίμηση βάθους ενανθράκωσης (fib) W(t SL ): Παράμετρος κατακρήμνησης Όπου, P SR : η πιθανότητα διαβροχής = 1.0 για οριζόντια μέλη, = 0.0 για εσωτερικά μέλη = για κατακόρυφα μέλη ToW: ο κανονικοποιημένος χρόνος υψηλής υγρασίας Ημι-στοχαστική εκτίμηση βάθους ενανθράκωσης (fib) Παράδειγμα υπολογισμού παραμέτρου κατακρήμνησης W(t SL ) από μετεωρολογικά δεδομένα Έστω οριζόντιο δομικό στοιχείο σε περιοχή με τις παρακάτω κλιματολογικές συνθήκες Ημέρες με ύψος βροχόπτωσης > 2.0 mm = = 46 Για οριζόντια δομικά στοιχεία η πιθανότητα διαβροχής P SR = 1,0 Άρα ο συντελεστής κατακρήμνησης για διάρκεια ζωής 50 ετών είναι: 31

32 Προσέγγιση Δράσης Cl - στα Υπολογιστικά Εργαλεία Εκτίμησης Διάρκειας Ζωής Διείσδυση χλωριόντων στους πόρους σκυροδέματος μέσω διάχυσης είτε μέσω τριχοειδούς απορρόφησης επιφανειακού νερού στο οποίο διαλύονται. Διείσδυση χλωριόντων στο σκυρόδεμα μοντελοποιείται χρησιμοποιώντας 2 ο νόμο Fick και λύση του Crank 2 C C 2 ος Νόμος του Fick D Λύση του Crank (error function) 2 t x Cx 1 erf C 2 s x D t 0. 5 ca D, συντελεστής διαχυτότητας D ca, αποτελεσματικός συντελεστής διαχυτότητας C s, C x, συγκέντρωση Cl - στην εξωτερική επιφάνεια και σε βάθος x t, χρόνος έκθεσης C(x,t): συγκέντρωση χλωριόντων σε βάθος x από την εξωτερική επιφάνεια και χρόνο t C 0 : Αρχική συγκέντρωση χλωριόντων στο σκυρόδεμα C s : Συγκέντρωση χλωριόντων στην εξωτερική επιφάνεια σκυροδέματος x: Βάθος από την εξωτερική επιφάνεια σκυροδέματος D app,cl : Φαινόμενος συντελεστής διαχυτότητας χλωριόντων t: Διάρκεια ζωής Εκτιμώμενο Προφίλ Cl - C C env Cl - C (x c,t) C crit C crit x c x Σύγκριση μεταξύ εκτιμώμενου προφίλ Cl - στη θέση του οπλισμού με τη κρίσιμη τιμή για έναρξη διάβρωσης 32

33 Συγκέντρωση Χλωριόντων (kg/m 3 σκυροδέματος 20/12/2016 Εκτιμώμενο Προφίλ Cl - Εκτίμηση συγκέντρωσης Cl -, σε βάθος x από την εξωτερική επιφάνεια σκυροδέματος και σε χρόνο t (χρόνια). 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Κρίσιμη συγκέντρωση Cl - για έναρξη διάβρωσης χρόνια years χρόνια years χρόνια years 75 χρόνια 75 years 100 χρόνια 100 years Βάθος από Εξωτερική Επιφάνεια (mm) Εργαστηριακή Άσκηση 33

34 Συγκέντρωση Χλωριόντων (kg/m 3 σκυροδέματος) 20/12/2016 Εργαστηριακή Άσκηση Θέμα 2ο Δυο λόγια για την ανθεκτικότητα κατασκευών οπλισμένου σκυροδέματος Εκτίμηση συγκέντρωσης χλωριόντων (Cl - ) από την εξωτερική επιφάνεια δομικού στοιχείου, σε βάθος χρόνου (έως 50 έτη) 4,5 Περιβαλλοντική δράση XS1 (έκθεση σε αερομεταφερόμενα άλατα, όχι σε επαφή με το θαλασσινό νερό) 4 3, χρόνια 20 χρόνια 30 χρόνια 40 χρόνια Ποσότητα Τσιμέντου: 300 kg/m 3 N/T: 0.55 Απαιτούμενη Επικάλυψη: 30 mm 2,5 2 C crit 50 χρόνια 1,5 1 0, Απόσταση από εξωτερική επιφάνεια (mm) 34

35 Επικάλυψη (mm) Συγκέντρωση Χλωριόντων (kg/m 3 σκυροδέματος) Επικάλυψη (mm) Επικάλυψη (mm) Επικάλυψη (mm) 20/12/2016 Δυο λόγια για την ανθεκτικότητα κατασκευών οπλισμένου σκυροδέματος Επίδραση λόγου N/T στην ελάχιστη απαιτούμενη επικάλυψη για διάρκεια ζωής της κατασκευής 100 χρόνια Ν/Τ 0.55 Ν/Τ 0.50 Ν/Τ Διάρκεια Ζωής (χρόνια) Επίδραση προσθήκης Πυριτικής Παιπάλης στην ελάχιστη απαιτούμενη επικάλυψη για διάρκεια ζωής της κατασκευής 100 χρόνια χωρίς ΠΠ 10% ΠΠ 20% ΠΠ Διάρκεια Ζωής (χρόνια) Δυο λόγια για την ανθεκτικότητα κατασκευών οπλισμένου σκυροδέματος 4 m 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0, χρόνια 20 χρόνια 30 χρόνια 40 χρόνια 50 χρόνια Απόσταση από εξωτερική επιφάνεια (mm) 4 m Ν/Τ 0.55 Ν/Τ 0.50 Ν/Τ Διάρκεια Ζωής (χρόνια) χωρίς ΠΠ 10% ΠΠ Κόστος Παραγωγής και Μεταφοράς Σκυροδέματος στο Εργοτάξιο ( /m 3 σκυροδέματος) N/T % ΠΠ % ΠΠ % ΠΠ cm % ΠΠ Διάρκεια Ζωής (χρόνια) 35

36 Σας Ευχαριστώ θερμά 36