Aplikácia pravdepodobnostných modelov degradácie na zvýšenie kvality betónových konštrukcií

1. Úvod

Ešte v nedávnej minulosti sa na charakterizovanie kvality betónu používali takmer výlučne pevnostné a deformačné parametre. Dnes je jasné, že aj ďalšie fyzikálne vlastnosti majú veľký význam. Rýchlosť degradácie betónu závisí na jedenej strane od intenzity pôsobiacich vonkajších vplyvov a ich agresívnosti, na druhej strane od kvality samotného betónu.

2. Kvalita navrhovania

Medzi základné činitele, ktoré vplývajú na trvanlivosť betónovej konštrukcie, patria agresivita obklopujúceho prostredia, odolnosť betónu a odolnosť betónovej konštrukcie. Účinky obklopujúceho prostredia môžu byť fyzikálneho, mechanického, biologického a chemického charakteru. V budovách sa jedná napríklad o pôsobenie vnútorného alebo vonkajšieho prostredia. Pri mostných konštrukciách je významné pôsobenie chloridov z posypových solí v kombinácii s pôsobením mrazu, vody a exhalátov. Všetky tieto environmentálne zaťaženia treba zohľadniť už v procese návrhu betónovej konštrukcie.

Degradáciu betónu môžu vyvolávať nielen vonkajšie agresívne vplyvy, ale aj nevhodné zloženie betónu. Škodlivé látky môžu byť obsiahnuté v zložkách betónu a pri nepriaznivých okolnostiach môžu viesť k rozpadu betónu. Príkladom degradačného pôsobenia môže byť alkalicko-kremičitá reakcia, ku ktorej dochádza pri použití nevhodného kameniva obsahujúceho amorfný oxid kremičitý a cementu s vysokým obsahom alkálií.

V Nemecku prebiehajú práce na združenom vedeckom projekte, ktorého cieľom je vydanie smernice „Zásady trvalo udržateľného rozvoja betónových stavieb“. V rámci projektu vzniká aj základný koncept manažérstva životnosti, ktorý je založený na kombinácii pravdepodobnostných degradačných modelov na predpovedanie stavu a nedeštruktívnych metód skúšania, na báze trojdimenzionálneho, hierarchicky organizovaného modelu stavby.

Geometria stavby v 3D modeli sa exportuje z CAD systému a uloží do banky dát. Okrem geometrie sa jednotlivým nosným prvkom priradia všetky informácie o použitých materiáloch, environmentálnych zaťaženiach a odolnosti. Všetky pre model významné informácie (napr. hrúbka krycej vrstvy, účinok chloridov, atď.) sa uložia priamo do 3D modelu ako náhodné veličiny (vrátane štatistických parametrov). Modul posúdenie stavu stavby slúži k vloženiu nameraných hodnôt z kontinuálneho (monitorovacie snímače) a diskontinuálneho (prehliadky) vyšetrovania do databázy. Poznatky o odolnosti prvkov (napr. kvalita betónu, krycia vrstva) a environmentálnom zaťažení (napr. koncentrácia CO₂ alebo Cl⁻) umožnia v prognostickom module vypočítať očakávaný vývoj stavu prvkov. Ak sú známe degradačné modely, prebehne pravdepodobnostný výpočet v externom nástroji. Výsledkom sú pravdepodobnosť poruchy P_f alebo index spoľahlivosti β pre rozhodujúci medzný stav. K hodnoteniu a porovnávaniu stavu jednotlivých prvkov sa v hodnotiacom module prvkom udeľujú známky stavu od 0 (žiadne obmedzenie) po 6 (strata odolnosti). V module rekonštrukcia sa kvalifikovanému inžinierovi poskytuje katalóg opravných zásad (princípov). Po stanovení zásady sa zvolí vhodná metóda. Opravou vygenerovaný nový stav sa opäť vloží do databázy. Pre hlavné iniciátory korózie výstuže v betóne karbonatáciu betónu a difúziu chloridov, ako aj účinok zmrazovacích cyklov sú k dispozícií probabilistické degradačné modely. Pre ostatné mechanizmy porušovania sa odporúča použiť Markovove reťazce.

3. Kvalita zhotovovania

Okrem samotného návrhu má na jej celkovú životnosť a trvanlivosť betónovej konštrukcie veľký vplyv aj kvalita jej zhotovenia. Nekvalitné zhotovenie konštrukcie môže mať za následok vznik porúch vedúcich k ohrozeniu jej spoľahlivosti.

Nosná konštrukcia v súčasnosti navrhovaných budov je často tvorená tuhým doskovo-stenovým systémom. Pri betonáži spojitej stropnej dosky je potrebné vhodne navrhnúť taký postup betonáže, aby objemové zmeny betónu v procese tuhnutia a tvrdnutia nespôsobili vznik a rozvoj trhlín už v štádiu zhotovovania betónovej konštrukcie. Napriek snahám zhotoviteľov o dodržiavanie zásad pre zhotovovanie betónových konštrukcií sa na stavbách vyskytujú technologické trhliny.

Priestorová tuhosť budovy vytvorená sústavou zvislých nosných stien vzájomne tuho spojených bráni v prípade spojitej železobetónovej dosky jednotlivým poliam vodorovné pretvorenia vyvolané účinkami zmrašťovania. Obmedzenie pretvorení od objemových zmien má za následok vznik trhlín. Ich množstvo a šírka závisí najmä aj od spôsobu vystuženia dosky. Charakter trhlín a ich množstvo určujú aj ďalšie okolnosti, ktoré sa niekedy v procese prípravy a zhotovovania doskových konštrukcií v betonárskej praxi vyskytujú. Možno ich zhrnúť do nasledovných bodov:

• chybná resp. nedostatočná špecifikácia čerstvého betónu. Napriek požiadavke podrobnejšej špecifikácie čerstvého betónu podľa platných noriem sa často nevenuje potrebná pozornosť. Ďalšími príčinami vzniku technologických trhlín sú použite betónu s vyšším stupňom konzistencie oproti projektu v snahe uľahčiť spracovanie čerstvého betónu, príp. používanie rýchlotuhnúcich betónov v snahe dosiahnuť rýchlejšie oddebňovaciu pevnosť betónu.
• ošetrovanie mladého betónu. Betón treba proti rýchlemu odparovaniu vody včas ošetrovať. Pod pojmom ošetrovanie sa rozumejú najmä opatrenia na spomalenie odparovania zámesovej vody a zabránenie nadmerného ochladenia betónu v počiatočných štádiách tvrdnutia.
• vplyv prostredia

4. Kvalita údržby

Aby konštrukcia plnila účel, na ktorý bola navrhnutá počas celej doby svojej životnosti je nutné venovať patričnú pozornosť aj kontrole jej stavu a pravidelnej údržbe. Každá konštrukcia je navrhovaná na určitú dobu životnosti. Vzhľadom na pomerne dlhú dobu používania a narastajúci počet zistených porúch, pre prejavenie ktorých je čas významným faktorom, majú prehliadky betónových konštrukcií a ich diagnostikovanie veľký význam. Ak sa poruchy včas nezistia, môže to mať za následok ohrozenie spoľahlivosti stavby.

Z hľadiska plánovania údržby stavebnej konštrukcie sa rozlišuje:

• preventívne plánovanie údržby – eliminácia vzniku porúch sa docieli pravidelnými kontrolami stavu konštrukcie počas roka. Takýto spôsob údržby sa vyžaduje u stavieb s dlhodobou životnosťou, resp. vystavených prostrediu so zvýšenou agresívnosťou (dopravná infraštruktúra).
• reaktívne plánovanie údržby – k oprave konštrukcie sa pristupuje vtedy, keď sa prejaví porucha. Voči takémuto pasívnemu postupu možno mať výhrady aj z hľadiska bezpečnosti. Za uváženie však stojí predovšetkým skutočnosť, že náklady na odstránenie poruchy v pokročilom štádiu niekoľkonásobne prevyšujú náklady na včas realizovanú ochranu Takýto prístup má síce za následok zníženie nákladov na prehliadky, samotná oprava však býva často oveľa nákladnejšia a rozsiahlejšia ako v prípade preventívneho plánovania. (obr. 1)
• kombinované plánovanie údržby – kombináciou oboch spomenutých prístupov sa pre staticky významné časti konštrukcie použije preventívne plánovania a pre menej významné prvky sa použije reaktívne plánovanie.

Obrázok 1. Porovnanie preventívnej a reaktívnej koncepcie údržby

5. Plne pravdepodobnostné modely degradácie betónových konštrukcií

Plne pravdepodobnostné modely pre karbonatáciou betónu alebo difúziou chloridových iónov iniciovanú koróziu výstuže uvádza (Model Code SLD 2006 i Model Code 2010). V tomto prípade sa nejedná o klasický medzný stav, jeho dosiahnutie nevyvolá obmedzenie používateľnosti alebo únosnosti. Ide o náhradný medzný stav, ktorý predchádza obmedzeniam skutočného MSP. Pre takto pomerne konzervatívne definovaný medzný stav možno pripustiť menšiu mieru spoľahlivosti P_f = od 10⁻¹ až 10⁻² (â = 1,28 až 2,32).

5.1 Model depasivácie výstuže v dôsledku karbonatácie

V rámci projektu DuraCrete bol vypracovaný plne pravdepodobnostný model korózie výstuže vyvolanej karbonatáciou betónu. Medzný stav karbonatácie nastane vtedy, keď karbonatácia dosiahne povrchu výstuže, resp. keď hĺbka karbonatácie je väčšia ako betónová krycia vrstva.

Plne pravdepodobnostný model pre karbonatáciou betónu iniciovanú koróziu výstuže je založený na rovnici (1), v ktorej sa porovnáva hrúbka betónovej krycej vrstvy s hĺbkou karbonatácie X_C(t) v sledovanom čase t

(1)

kde je

t

– čas [roky]

k_e

– funkcia zohľadňujúca vlhkosť betónu [-]

k_c

– parameter zohľadňujúci ošetrovanie betónu [-]

k_t

– parameter zohľadňujúci vplyv urýchlenej skúšky karbonatácie betónu (ACC) [-]

R⁻¹_ACC,0

– obrátená hodnota odporu betónu proti karbonatácii betónu [(mm²/s)/kg CO₂/m³)]

ε_t

– zohľadnenie nepresnosti pri použití urýchlenej skúšky karbonatácie (ACC) [(mm²/s)/(kgCO₂/m³)]

C_S

– koncentrácia CO₂ [kg CO₂/m³]

W_t

– funkcia zohľadňujúca miestne klimatické pomery [-]

5.2 Model depasivácie výstuže v dôsledku prenikania chloridov

Plne pravdepodobnostný návrh pre modelovanie prenikania chloridov bol vyvinutý v rámci výskumného projektu DuraCrete a prevzatý do dokumentu Model Code 2010. Je založený na bilancii kritickej koncentrácie chloridov C_crit so skutočnou koncentráciou chloridov na povrchu výstuže v krycej vrstve v čase t. Kritická hodnota koncentrácie chloridov na povrchu výstuže, v čase t sa podľa vypočíta:

(2)

kde je

C₀

– pôvodný obsah chloridov v betóne [hm.-%/c]

C_S,Δx

– obsah chloridov hĺbke Δx v sledovanom čase [hm.-%/c]

x

– hĺbka so zodpovedajúcim obsahom chloridov C(x, t) [mm]

a

– hrúbka betónovej krycej vrstvy [mm]

Δx

– hĺbka povrchu ostrekovanej oblasti s častou zmenou vlhkosti [mm]

D_app.,C

– koeficient difúzie chloridov v betóne [mm²/a]

t

– čas [a]

erf

– funkcia chýb (error function)

6. Záver

Kvalita navrhovania, zhotovovania a údržby stavebnej infraštruktúry je vážny problém i v súčasnosti. Vysoké náklady na rekonštrukcie ovplyvňujú produktivitu a kvalitu života v mnohých krajinách. V poslednom čase došlo k významnému pokroku v matematickom modelovaní mechanizmov, ktoré spôsobujú degradáciu materiálov a poruchy konštrukcií. Používanie týchto modelov treba zaviesť v praxi do metódy medzných stavov. Náklady na monitorovanie a prehliadky sa viacnásobne vrátia nižšími nákladmi na údržbu a opravy, resp. skrátením doby odstávok.

Poďakovanie

Príspevok vznikol za podpory výskumného projektu VEGA č. 1/0784/12 „Holistické navrhovanie a overovanie betónových konštrukcií“.

Literatúra

• [1] SCHIEßL P.; MAYER F.: Heft 572: Lebensdauermanagement-system – Teilprojekt A2, Deutscher Ausschuss für Stahlbeton, Berlin. 2007
• [2] BILČÍK J.: Obnova panelových budov, Komplexné riešenie konštrukčných, technologických, hygienických a energetických problémov, 2.Životnosť a trvanlivosť, SvF STU, Bratislava, 2007, ISBN 978-80-227-2763-1.
• [3] VOŘECHOVSKÁ D.; TEPLÝ B.; CHROMÁ M.: Probabilistic Assesment of Concrete Structures Durability under Reinforcement Corrosion Attack, Journal of Performance of constructed Facilities, 11+12/2010
• [4] fib: Model Code for Service Life Design. fib bulletin 34 February 2006, 110 s.
• [5] UNČÍK, S.,: Obnova panelových budov, Komplexné riešenie konštrukčných, technologických, hygienických a energetických problémov, 6. Výber materiálov na obnovu, SvF STU, Bratislava, 2007, ISBN 978-80-227-2785-3.
• [6] DAfStb: Schlussberichte zur ersten Phase des DAfStb/BMBF-Verbundforschungsvorhabens „Nachhaltig Bauen mi Beton“. Heft 572, 2007, 354 S.
• [7] Hudoba, I.; Šoltész, J. Sanácia železobetónových stropných a balkónových dosiek porušených trhlinami. Stavebné materiály: Technológie.Konštrukcie.Výrobky. Roč. 7, č. 7. s. 38–41. ISSN 1336-7617.
• [8] fib bulletin 55 (2010): Model Code 2010. First complete draft. Volume 2. pp. 288.