Jak obliczana jest żywotność konstrukcji żelbetowej?

Specyfikacje dużych projektów konstrukcyjnych zwykle wymagają, aby konstrukcja miała określony okres użytkowania. Może to być 50 lat, 100 lat itp.

Uwzględnienie trwałości projektowej stali może być tak proste, jak dodanie dodatkowej grubości, aby uwzględnić spodziewaną korozję w tym okresie. W obliczeniach tych uwzględniono by również wszelkie zmiany oparte na powłokach lub rodzaju stali.

Historia pokazała, że ​​niezbrojone konstrukcje betonowe mogą trwać setki lat . Rzymianie mają na to kilka przykładów, takich jak Panteon .

Problem ze zbrojonym betonem polega na tym, że zbrojenie ostatecznie skoroduje , powiększy się i spowoduje pękanie betonu. Mogą również występować problemy z używanymi agregacjami.

Jak projektant może obliczyć, a na podstawie umowy zagwarantować trwałość konstrukcji żelbetowej?

Życie projektowe może być jedną z dwóch różnych rzeczy i nie można ich zamieniać.

Odniesienie do „100-letniej trwałości projektowej” może oznaczać, że jest ono zaprojektowane na przypadek obciążenia „1 na 100 lat” (obciążenie wiatrem, przypływ, itp.). Chodzi wyłącznie o sposób kwantyfikacji wielkości obciążenia. W rzeczywistości nie ma to nic wspólnego z trwałością konstrukcji, chodzi o jej wytrzymałość.

Pytanie dotyczy innej sprawy - trwałości, a konkretnie wytrzymałości żelbetonu. Zazwyczaj określa się go ilościowo na podstawie przeszłych doświadczeń w danym środowisku, informując o tym, jaki prawdopodobnie będzie mechanizm krytycznego pogorszenia, a następnie albo odwołując się do standardowego rozwiązania, albo obliczając czas życia tego mechanizmu. Obliczenia są zwykle do pewnego stopnia empiryczne.

W przypadku „standardowej” struktury, z „normalnymi” warunkami ekspozycji, „normalnymi” charakterystykami betonowymi i „normalnymi” wymaganiami dotyczącymi trwałości projektowej, w odpowiednim kodzie projektu znajdą się standardowe rozwiązania, które prawdopodobnie po prostu określą ilość pokrycia, która będzie zadowolić życie projektantów. To, co stanowi „normalność”, będzie zależeć od jurysdykcji kodeksu projektu - różne mieszanki cementu są dostępne w różnych częściach świata, a to, co jest „normalne” dla krajowego kodu projektu w kraju o umiarkowanym klimacie, nie będzie „ normalne w regionach tropikalnych lub polarnych.

Na przykład w konstrukcji w strefie rozbryzgu na półwyspie arabskim atak mrozu nie będzie problemem, ale fizyczny atak soli (lub zwietrzenie soli). Atak mrozu polega na tym, że woda zamarzająca w porach i pęknięciach rozszerza się i rozbija beton. Wietrzenie solą polega na tym, że słona woda jest pochłaniana i paruje z taką szybkością, że kryształy soli rosną w porach i rozbijają beton.

Jeśli projektant wykracza poza to, co lokalne zasady projektowania uważają za „normalne”, lub jeśli środowisko jest szczególnie agresywne lub wymagania dotyczące trwałości są niezwykle uciążliwe, wymagane będzie specjalne obliczenie.

Najczęstszą wadą zbrojonego betonu jest to, że zbrojenie metalowe zaczyna korodować. Stal w betonie nie ulega korozji, ponieważ beton ma bardzo wysokie pH, a stal w środowisku o wysokim pH jest „pasywowana” i nie ulega korozji. Jednak powoli z czasem dwutlenek węgla z atmosfery przenika do betonu i neutralizuje go. Jeśli znasz cechy swojego betonu, możesz przewidzieć, jak szybko to się dzieje (poprzez odniesienie do doświadczenia empirycznego).

Tym, co zwykle wywołuje korozję (przynajmniej w środowisku morskim lub w innych słonych środowiskach - np. Sól drogowa), jest jednak atak chlorków, w którym jony chloru dyfundują z powierzchni. Gdy stężenie jonów chlorkowych na powierzchni pręta osiągnie wartość krytyczną, wkrótce nastąpi korozja. Możesz to obliczyć, jeśli przyjmiesz stężenie chlorku na powierzchni (na podstawie danych empirycznych) i znasz charakterystykę betonu (albo dane empiryczne, albo testując, jak szybko jony chlorkowe się przez nią rozpraszają, ale uważaj na to jak na beton wiek, jego cechy się zmieniają i trzeba na to pozwolić) oraz znać próg krytyczny (z danych empirycznych).

Jest przydatny darmowy program, który wykonuje te obliczenia o nazwie Life-365 i pochodzi od komitetu American Concrete Institute. Wykonuje dla ciebie obliczenia dyfuzji chloru, rysuje wykresy i inne rzeczy, a jeśli jesteś w USA, ma nawet dane empiryczne, których potrzebujesz, więc nie musisz sprawdzać warunków lokalnych. (Korzystam z programu, ale nie jestem z nim związany w inny sposób). Podręcznik do programu zawiera bardziej szczegółowe omówienie wiedzy naukowej, ale najlepsze jest to, że możesz po prostu z nim grać i zobaczyć, jaki wpływ na życie ma zmiana czegoś.

Jeśli wykonasz obliczenia i nie dostaniesz wystarczającej ilości życia, możesz albo włożyć głębiej zbrojenie (aby rozproszyć się w nim chlorek), albo uczynić beton bardziej odpornym na przenikanie chloru przez niego, lub używasz pręta, który wymaga wyższej wartości progowej chlorków (powiedzmy, ze stali nierdzewnej), lub obrabiasz powierzchnię pręta, betonu, lub umieszczasz w systemach galwanicznych lub elektrochemicznych, inhibitorach korozji lub czymś innym. Wiele z tych rzeczy wraca do danych empirycznych - przetestowali je i mają dane testowe, które pokazują, że zapobiegnie korozji przez n lat, jeśli dodasz x ilości czegokolwiek.

Nie mogę odpowiedzieć na to pytanie w odniesieniu do struktury budynku; Mogę jednak skorzystać z żelbetowej nawierzchni, która może być dla ciebie nadal interesująca.

Zgodnie z innymi odpowiedziami opracowano projekt nawierzchni próbnej, który następnie jest oceniany pod kątem żywotności projektowej. Obciążenie opuszczone na nawierzchnię wyraża się jako standardowe powtórzenie osi w całym okresie użytkowania. Na przykład nawierzchnię można zaprojektować tak, aby wytrzymała 1x10 ⁵ standardowych powtórzeń osi w 40-letnim okresie użytkowania. Nazywa się to powtórzeniami projektu.

Wybrano nawierzchnię próbną, a następnie przeprowadzono analizę zmęczeniową, która określa dopuszczalne powtórzenia nawierzchni . Powtórzenia projektu są następnie dzielone przez Dopuszczalne powtórzenia, a jeśli ta wartość, zdefiniowana jako Skumulowany współczynnik uszkodzenia (CDF), wynosi <1,0, wówczas Twoja nawierzchnia przetrwa okres użytkowania.

Zatem CDF = n / N gdzie n = powtórzenia projektu, N = dopuszczalne powtórzenia. Pamiętaj, że możesz wykonać obliczenia wsteczne, aby określić żywotność projektu, jeśli znasz inne warunki.