JÄNNERAUDOITTEET. Sisältö Jännityskorroosio rakenteellinen näkökulma TkT Anssi Laaksonen

Transkriptio

1 JÄNNERAUDOITTEET Jännityskorroosio rakenteellinen näkökulma TkT Anssi Laaksonen Sisältö 1) Jännitetyistä betonirakenteista 2) Jännityskorroosiosta 3) Rakenteen toiminta 4) Arviointimenettely 5) Johtopäätökset 2 TkT Anssi Laaksonen 1

2 Jännitetty betonirakenne Jännitetyistä betonirakenteista Jälkijännitetty betonirakenne 4 TkT Anssi Laaksonen

3 Jännitetyistä betonirakenteista Esijännitetty betonirakenne 5 TkT Anssi Laaksonen Jännityskorroosiosta 3

4 Jännityskorroosio Jännityskorroosion johdosta teräsmateriaalin murtuma voi olla äkillinen ja hauras, mikä ei välttämättä näy rakenteen pintaan Aiemmin käytettyjen jänneterästyyppien tiettyjen jänneteräserien on todettu olevan erityisen alttiita tällaiselle ilmiölle. Tätä materiaalia on käytetty Suomessa ainakin 70-luvulla Liikennevirastolla on aiheeseen liittyviä siltoja arviolta 30 Huomioon otettava ei vain jänneteräslaatu vaan sillan kuntotaso! 7 TkT Anssi Laaksonen Jännityskorroosio yleensä Siltainsinööri Mahdollinen erityistapauksissa, mutta onko rakenteen kokonaistoiminnan kannalta ratkaisevaa merkitystä? Metallurgi Ilmiön mahdollistuminen tarvitsee kaikkia kolmea Jännitys - Ulkoinen - Sisäinen Jännityskorroosiolle altis raudoite Korroosiolle otollinen ympäristö 8 TkT Anssi Laaksoen

5 Jännityskorroosio Jännityskorroosio ja siitä seurannut teräksen murtuminen voi ilmetä: Jos teräksen suojaus ei ole taattu rakenteen alusta alkaen, esim. huonosta työnlaadusta johtuen tai ajan kanssa tapahtuva vaurioituminen on aiheuttanut olosuhteiden muutoksen tai jänneraudoite on vahingoittunut jo ennalta Vaurioiden syyt voidaan luokitella: Puutteellinen suunnittelu Puutteellinen materiaalien käsittely rakentamisaikana ja ennen sitä Suunnitelmista poikkeava rakenteen toteutus Sopimaton raudoite 9 TkT Anssi Laaksonen Siltainsinööri Jännityskorroosio Metallurgi Lujat teräkset ovat alttiita jännityskorroosiolle Jännityskorroosion lajeja: Jännityskorroosio (SCC) Viivästynyt vetyhaurastuminen (H-SCC) Messingin varastorepeämä Lipeähauraus Jne 10 TkT Anssi Laaksonen

6 Siltainsinööri Jännityskorroosio on mahdollinen Korroosioprosessi on ns. normaali korroosioprosessi Materiaalit Metallurgi Jänneteräs on altis viivästyneelle vetyhaurastumiselle Ilmiössä korroosioreaktion yhteydessä atomaarisen vedyn diffuntoituminen materiaaliin huokosiin mahdollistuu Vety voi olla peräisin myös materiaalin valmistusprosessista Nykyiset materiaalit ovat kehittyneet ongelmallisista laaduista Mekanismia EI tunneta tarkasti 11 TkT Anssi Laaksonen Materiaalit, valmistus Siltainsinööri Metallurgi Nykyiset materiaalit ovat luotettavia käyttää Erittäin voimakasta taipumusta vetyhaurastumiseen on havaittu tietyissä vuosien välisenä aikana valmistetuista eristä, etenkin S 145/160 Neptun (St 1420/1570) S 145/160 Sigma Oval (St 1420/1570) S 140/160 Hennigsdorf (St 1370/1570) Valmistusmenetelmä on ollut nuorrutus (karkaisu+päästö). Päästö alentaa sisäisiä jännityksiä ja parantaa sitkeyttä, mutta alentaa lujuutta. Uudemmissa jänneteräspunoksissa tyypillisenä valmistustapana on kylmämuokkaus Myös teräksen kemiallista koostumusta on muutettu (mm. lisäämällä kromia) 12 TkT Anssi Laaksonen

7 Rakenteelliset keinot Siltainsinööri Metallurgi Jänteet tulee käsitellä siten, että ne eivät altistu (merkittävälle) korroosiolle Suojabetonipeite on jänneraudoitteilla isompi kuin normaali raudoitteilla Suojaputket tulee injektoida mahdollisimman nopeasti jännittämistyön jälkeen Suojaputken yhteydessä on huolehdittava veden poistosta suojaputkesta ennen jänneraudoitteita. Myös ilman poistuminen injektoinnin yhteydessä on mahdollistettava Korroosiota estettävä prosessiin eri vaiheissa Vaikuttamalla ympäristöolosuhteisiin TkT Anssi Laaksonen Nykymateriaalit Materiaalien testaus fib ja Dibt menetelmät. Jännitystaso 0.8 R m Dibt 2000 h vaatimus Lujuuden vaikutus jännityskorroosioherkkyyteen Pistekorroosion kuopan syvyyden vaikutus (alkuvauriot) 14 TkT Anssi Laaksonen

8 Rakenteen toiminta Rakenteiden mitoitus Siltainsinööri Metallurgi Jänneraudoitteen määrää Siltarakenteissa ei yleensä rajoita murtorajatila Kuormat ja kuormitusyhdistelmät johtavat luotettaviin rakenteisiin Rakenteessa on myös tavanomaista raudoitetta Sillat eivät yleensä ole vesitäytteisiä (pl. Aqueduktit), vrt. kuormitus Materiaalin osavarmuusluku on vain TkT Anssi Laaksonen

9 Vaurionsietokyky Mitoitusohjeiden ja periaatteiden vaikutus rakenteen vaurionsietokykyyn Mitoitusperiaatteet ovat johtaneet ja johtavat seuraavaan tilanteeseen: Jänneraudoitteen määrän ratkaisee usein saadaanko rakenne kauttaaltaan puristetuksi käyttörajatilan pitkäaikaisilla kuormilla Jänteiden sallittua jännitystä jännityshetkellä rajoitetaan, noin 75%:iin murrosta ennen lukitusta Mitoitusprosessissa otetaan huomioon mm. kitka- ja lukitus häviöt (noin 10-50%), pitkäaikaishäviöt (noin 15%) Mitoituksessa käytettävät kuormat toteutuvat harvemmin kuin esim. vesisäiliön vedenpaine Nämä johtavat, että esim. 1570/1770 punoksen lujuudesta käyttörajatilassa on käytössä esim. 1770*0.75*0.8*0.85 = 1770*0,5 = 900 Mpa Ominaiskuorma on isompi kuin pitkäaikaiset kuormat, esim. 1.2-kertaiset Nyt suhde 1-0.5*1,2 = 40% kertoo kuinka paljon poikkileikkausala saisi pienentyä, jotta kapasiteetti ylittyisi yhdessä poikkileikkauksessa HUOM koko rakenteen kapasiteetti 17 TkT Anssi Laaksonen Vaurionsietokyky Rakenteiden staattinen määräämättömyys, tässä jatkuvuus M h Vrt. M s Lisäksi: Vrt. -Vesitorni: q gp q max -Silta: q gp q max 18 TkT Anssi Laaksonen

10 1. 2. Vaurionsietokyky ? 19 TkT Anssi Laaksonen Vaurionsietokyky Yksi- vai useampipalkkinen rakenne Kuorman jakautuminen palkilta toiselle Jänneraudoitteen lisäksi myös betoniraudoitetta 20 TkT Anssi Laaksonen

11 Esijännitetty vs. jälkijännitetty Esijännitetyssä rakenteessa punokset ovat varmimmin betonin ympäröimiä Suojaputkeen injektoiduissa rakenteissa betonipeite on paksumpi, mutta täyttyminen betonilla epävarmempi Karbonatisoituminen seurauksena betoni menettää emäksisyyttään ja sen seurauksena suojaavaa vaikutustaan, jolloin pienempi betonipeite on alttiimpi 21 TkT Anssi Laaksonen Reussbrücke Wassen 22 TkT Anssi Laaksonen

12 Arviointimenettely Ehdotus vaiheiksi riskirakenteiden löytämiseen: Tunnistetaan kyseisen aikakauden mahdolliset riskisillat Selvitetään sillan kuntoa rekistereistä/tarkastuksin Mahdolliset vuodot => korroosion mahdollistavat olosuhteet Erityishuomiona paikalliset halkeamat, mahdolliset taipumat ja vesivuodot Jänneteräksen halkeilun tunnistaminen ulkopäin vaikeaa ainetta rikkomatta (paksut betonipeitteet jne.) Suojaputkien tyhjätilojen selvitys (haasteena tyhjätilan merkitys) Myös ankkurialueet (tosin ovat yleensä alhaisen kuormituksen alueella), mitkä ovat usein liikuntasaumojen läheisyydessä Laaditaan silloille laskennallinen tarkastelu Otetaan sillan vaurionsietokyky tarkasteluissa huomioon Poikkileikkauskohtainen yksinkertaisempi tarkastelu Luotettavuusanalyysi Kriittiseksi osoittautuneille silloille erityistarkkailu ja muut toimenpiteet 24 TkT Anssi Laaksonen

13 Laskennallinen arviointimenettely Perusperiaatteena rakenteen haurasta eli äkillistä murtumista tulee välttää Laaditaan seuraavanlainen tarkastelu poikkileikkauksittain: Määritetään millä jänneteräksen poikkipinta-alalla rakenteen pintaan muodostuu tavallisilla kuormilla halkeama (betonin vetolujuus huomioon otettuna) Tarkastetaan kestääkö rakenne edellä saadulla jänneteräksen redusoidulla poikkileikkausalalla harvinaiset kuormat Jos rakenne kestää ominaiskuormat, on rakenne toiminnaltaan sitkeä tässä tarkoituksessa. Tällöin rakenteesta voidaan ennalta havaita halkeama ja se kestää vielä harvemmin esiintyvät kuormat Lisäksi tulee ottaa huomioon koko rakenteen toiminta Tarkastelu on myös mahdollista laatia luotettavuusanalyysinä Menetelmä on käytössä mm. Saksassa ja Sveitsissä 25 TkT Anssi Laaksonen Johtopäätökset 13

14 Johtopäätökset Siltarakenteilla ei ole välitöntä vaaraa ilmiön seurauksena Rakenteet tulee seuloa ja selvittää systemaattisesti Siltojen vaurionsietokyky on yleensä erittäin hyvä, toki riippuen rakennejärjestelmästä Jännityskorroosio on seostetuilla teräksillä esiintyvä korroosion muoto Nykyisillä jänneteräksillä ei oikein käytettäessä ole mitään erityistä ongelmaa tähän liittyen Ilmiölle alttiin materiaalin lisäksi rakenteen tulee altistua hyvin pitkällä ajalla korroosiolle otollisille olosuhteille Esitetyllä menettelyllä siltarakenteita voidaan arvioida jännityskorroosion suhteen 27 TkT Anssi Laaksonen