Harjoitus 10. Betonirakenteen säilyvyys ja käyttöikä. Betoninormit 2004 mukaan BY 50

Transkriptio

1 Harjoitus 10 Betonirakenteen säilyvyys ja käyttöikä Betoninormit 2004 mukaan BY 50

2 Lujuusluokat Normit käsittävät lujuusluokat K15 - K100 (100mm 15,5) (C12/15 - C85/100) (100mm 103,0) 3 rakenneluokkaa, suunnittelijaluokkaa K40-2, K20-3

3

4 Notkeusluokat jäykk - notk S(lump) painuma S1 - S5 V(ebe) Vebe V0 - V4 C(ompaction) tiivistyvyys C0 - C3 F(low) leviämä F1 - F6

5

6

7 Betoniperhe vaatii samat ominaisuudet - sama sementti - sama kiviaines - sama seosaine - lisäaineet eivät merkittävästi vaikuta lujuuteen - K15 - K60 - arvosteluikä sama Betoniperhe valittava vertailubetoni - eniten käytetty/keskiverto - vastaavuus todettava esim. tavoitelujuudella, poikkeaman ero siirretään vertailubetoniin absoluuttinen ero suhteellinen ero

8 Kelpoisuus Puristuslujuus normikokein perheittäin/yksittäinen Vaatimuksenmukaisuus Rakennekoekappaleet, laskenta kuten edellä massan tarkastus Valmiin rakenteen puristuslujuus, kun laatua epäillään vertailulujuus rakennekoekappaleilla

9

10

11 Jälkihoito - X0 ja XC1 60 % nimellislujuudesta - muut 70 % lujuudesta paitsi XF2 ja XF4 80 % lujuudesta - Lujuuden laskenta esim. Sadgroven kypsyysikämenetelmällä

12 Sadgrove - lujuudenkehityksen seuranta - sementtityypin lujuudenkehityskäyrä - rakenteen lämpötila - mittaukset kylmimmästä kohtaa t 20 = ((T + 16 o C)/36 o C) * t

13 Rajatilamitoitus - murtorajatila - käyttörajatila käyttöikämitoitus, halkeilu HALKEILU käyttörajatila, suurimpien momenttien kohdalla Kolme halkeilurajatilaa -vetojännitysrajatila ei esiinny vetojännityksiä -halkeaman muodostumisrajatila, jossa halkeilukapasiteetti saavutetaan - halkeamaleveyden rajatila, jossa ominaisleveys ei saa ylittää rajaarvoa

14 Säilyvyys - mitä vastaan? - fysikaalinen kuluminen - karbonatisoituminen - kloridit - jäätymis-/sulamisrasitus - kemiallinen rasitus TIIVIYS SEMENTTI

15 Säilyvyys/ suunnittelukäyttöikä - log-normaali - keskiarvo 145 vuotta, kun käyttöikä 50 vuotta - epäsuora menetelmä

16 Karbonatisoituminen Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO 3 betonin ph 12,5-14,0 karbonatisoituminen, ph < 9,0 - ei ole vaarallista helpoissa olosuhteissa - raudoituksen passiivinen suoja (oksidikerros) katoaa - rauta + vesi + happi ruoste Osareaktiot - A: Fe Fe e - - K: 4e - + 2H 2 O + O 2 4OH -

17 Karbonatisoituminen 2 Fe (OH) - 2 Fe(OH) 2 3 Fe(OH) 2 Fe 3 O H 2 O + H 2 ruoste vaatii enemmän tilaa kuin lähtötuotteet betoni rikkoutuu

18 Kloridit - eivät ole vaarallisia betonille - vaarallisia ainoastaan raudoitukselle - suuri määrä voi rikkoa raudoituksen passiivisen suojan (pistekorroosio)

19 Teräs Betonipeitteen paksuus - koskee nyt kaikkea raudoitusta - korroosioherkkä raudoitus* aiheuttaa 10 mm lisävaatimuksen * Raudoitteen paksuus 4 mm tai pienempi * Pitkäaikainen jännitystila (käyttötilassa) yli 400 MN/m 2 (kylmämuokattujen)

20 Jäätymis-/sulamisrasitus Rasitukseen vaikuttavat: jäätymis- ja sulamisnopeus lämpötila vedelläkyllästymisaste toistojen määrä kloridit Osataan ottaa huomioon tärkein tekijä on betonin ilmamäärä 2 % 6 % (8 %) pelkkä ilmamäärä ei riitä vaan ilmakuplien on oltava oikean kokoisia ja niiden etäisyyden on oltava oikea, huokosjako ominaispinta-ala

21 Jäätymis-/sulamisrasitus - suojahuokosten koko 0,01-0,30 mm - huokosjako < 0,23 (0,27) mm ei kuitenkaan liian pieni!!! - ominaispinta-ala > 25 mm 2 /mm 3 JÄÄTYMINEN JA SULAMINEN; KOKEET - Jäätymis-sulamiskoe - Laattakoe (Borås) - CIF/CDF - Huokosanalyysi

22 Kemiallinen rasitus Osattava ennakoida jo suunnitteluvaiheessa - ympäristö, jossa betoni sijaitsee esim. perustukset - kemikaalit, esim. teollisuusputket tai rikkivety/rikkihappo Reaktiot ulkopuolisten aineiden kanssa Kosteus Kulkeutuminen veden mukana/kuivuminen Hapot Sulfaatit SO 4 2- SO Ca(OH) 2 = kipsi SO kipsi + kalsiumaluminaattihydraatti = ettringiitti

23 Rasitusluokat X Lähtökohtana puhdas portlandsementti CEM I Jos muu sementti (esim. CEM II/A-LL) on seosaineet huomioitava esim. sementtimäärä eri rasitusluokissa. jos tarkkaa tietoa ei ole, käytetään seosainepitoisuudelle tyypin maksimiarvoa jos määrä tiedetään, voidaan sementin eri indeksit laskea eri rasitusluokissa on rajat sementin käytölle: sementtityyppi seosaineiden määrät

24 Rasitusluokat X X0 XC XS XD XF XA ei rasitusta karbonatisoituminen kloridit, merivesi kloridit, muu kuin merivesi jäätyminen ja sulaminen kemiallinen rasitus

25

26

27

28

29

30

31 Rasitusluokat Betonipeite, vähimmäisarvo, 100 v.(95 %), X0 10 mm XC4 30 mm XS3 45 mm XD3 45 mm Lisäksi lisättävä mittapoikkeama 10 mm (5 mm) Myös laskennallinen mitoitus on mahdollinen Betonipeite, vähimmäisarvo, 100 v. XF ja XA - määräytyy muista luokista - F-luku; P-luku, määrittävät pakkasenkestoa

32 Rasitusluokat Kemiallinen kestävyys < XA2 < 3000 mg/l (SO 4 ) - XA2 sulfaatinkestävä sementti - Jos pohjavesi SO 4 yli 50 mg/l - selvitettävä

33 Betonin käyttöikään vaikuttavat - lujuusluokka - sementtimäärä ja sementti/seosaineet - vesi-sementtisuhde - ilmamäärä - jälkihoito - ikä - huoltotoimenpiteet - ympäristö

34 Käyttöikäsuunnittelu Tilaaja määrittää rakennuksen/rakenteen tavoitekäyttöiän Suunnittelija määrittää rakennuksen suunnittelukäyttöiän sekä olennaisten rakenneosien suunnittelukäyttöiät sekä rasitusluokat Rakennuksen suunnittelukäyttöikää ei vielä edellytetä Betonirakenteiden suunnitteluikä edellytetään (by50) Muiden materiaalien osalta käyttöikäsuunnittelua ei edellytetä, RakMK A4, 2.1: ohje käyttöikätavoitteista Rakennuksen ja rakennusosien suunnittelukäyttöikien tulee olla sopusoinnussa keskenään

35 Käyttöikä voidaan laskea käyttämällä joko taulukkomitoitusta tai laskennalista mitoitusta Taulukkomitoitus 50 ja 100 vuotta hiilidioksidi kloridit, merivesi ja sulatussuolat pakkasrasitus kemiallinen rasitus

36 Käyttöikäsuunnittelu by50:n mukaan: Suunnittelija määrittelee betonirakenteiden Rasitusluokat Suunnittelukäyttöiät

37 Taulukkomitoitus yksinkertainen, nopea ei mahdollista optimointia käyttökelpoinen jos lujuusluokka K40, muutoin johtaa liian paksuihin betonipeitteisiin esim. XC3 50 v K60: ylimitoitus 4-kertainen vain 50 tai 100 vuoden käyttöiälle

38 TAULUKKOMITOITUS 50v Käyttökelpoinen kun lujuus lähellä vähimmäislujuusluokkaa Minimisementtimäärä tulee täyttyä XA-luokissa ei ole muuta vaihtoehtoa By50, s.104

39 Betonipeite taulukkomitoituksessa

40 XS- ja XD-luokat

41 Laskennallinen mitoitus 50, 100 ja 200 vuotta Vertailukäyttöikä 50 vuotta A B C D E F G materiaalit, huokoisuus Suunnittelu, rakenneyksityiskohdat Työn suoritus Sisäilmasto Ulkoinen säärasitus Käyttörasitus Huoltotoimenpiteet

42 Laskennallinen mitoitus 50, 100 ja 200 vuotta 1. Pakkasrasitus, XF1, XF3 2. Karbonatisoituminen, - ruostumaton teräs - pakkasrapautuminen (XC4) 3. Käyttöikä XF2, XF4 suola-pakkasrasitetuissa rasitusluokissa, käyttöikä voidaan laskea seuraavasti XF2 : käyttöikä = 2,00 x P-luku XF4 : käyttöikä = 1,25 x P-luku 4. Käyttöikä XS, XD

43 Laskennallinen mitoitus karbonatisoituminen

44 Tehtävä 1 Suorita K30 anturan käyttöiän laskennallinen mitoitus karbonatisoitumisen suhteen, kun anturan valmistuksessa on käytetty CEM I A sementtiä ja sen ilmamääräksi on mitattu 2,0 %.

45 Anturan rasitusluokat X XO ei rasitusta - XC karbonatisoituminen + XS kloridit, merivesi - XD kloridit, muu kuin merivesi - XF jäätyminen ja sulaminen + XA kemiallinen rasitus +

46 Rasitusluokka XC2 karbonatisoituminen betonipeitteen vähimmäisarvo 20 mm (+mittatoleranssi)

47 Käyttöikä karbonatisoitumisen suhteen lasketaan kaavasta: t L = t Lr x A x B x C x D x E x F x G t Lr t L on vertailukäyttöikä (50 vuotta) on käyttöikä

48 A B C D E F G materiaalit, huokoisuus Suunnittelu, rakenneyksityiskohdat Työn suoritus Sisäilmasto Ulkoinen säärasitus Käyttörasitus Huoltotoimenpiteet

49 A materiaalit, huokoisuus A 1 K30 0,95 A 2 CEM I 1,00 A 3 2 % 1,08

50 B Suunnittelu, rakenneyksityiskohdat B 1 30 mm betonia 1,44 B2 Pinnoite ei pinnoitetta 1,0

51 C Työn suoritus C 1 70 % nimellislujuus 1,0 D Sisäilmasto - E Ulkoinen säärasitus E 1 XC2 Perustukset ja 1,4 muut maanalaiset rakenteet Muut E:t eivät vaikuta eli 1,0

52 F Käyttörasitus - G Huoltotoimenpitet G 1 Ei tarkastus- ja hoitotoimenpiteitä 0,85

53 Mitä saatiin? t L = t Lr x A x B x C x D x E x F x G = 50 x (0,95*1,00*1,08) x (1,44*1,0) x (1,0) x (1,4) x (0,85) = 50 x 1,76 = 88 vuotta

54 Tehtävä 2 Mitoita antura 100 vuoden käyttöiälle käyttäen taulukkomitoitusta.

55 Anturan taulukkomitoitus 100 vuoden taulukko 4.8

56 Anturan rasitusluokat X XO ei rasitusta - XC karbonatisoituminen + XS kloridit, merivesi - XD kloridit, muu kuin merivesi - XF jäätyminen ja sulaminen + XA kemiallinen rasitus +

57

58 Karbonatisoituminen: Sementtimäärä 230 kg/m 3 Lujuus K35 Teräkset: vähimmäisarvo 25 mm + mittapoikkeama Kemiallisesti aggr. aineet w/c 0,45, K45, sem. 320 kg/m 3

59 F- ja P-luvut F-luku kuvaa pakkasenkestävyyttä suolattomassa ympäristössä. Lasketaan kaavalla F = max 0,25 ; 7,2 1 ( w/ c) ( a 1) 0,45 0,14 4,0 missä w/c a on tehollinen vesi-sementtisuhde on mitattu ilmamäärä, huomioi rajoitukset.

60 F-luku F = = max max 0,25 ; 1 7,2 { 0,25 ; 0,140} 1 (144 / (5,0 1) = min 320) 0,14 0,45 { 4 ; 7,1} 4,0

61 F-luku Laskennallinen käyttöikä kertoimien ja 50 vuoden tulo (k x t 50 vuotta) Taulukkomitoitus 50 vuotta XF1 1,0 ja XF3 1,5 100 vuotta XF1 2,0 ja XF3 3,0

62 P-luku Kuvaa pakkasenkestävyyttä suolaisessa ympäristössä P = 46 k 10 jh ( WAS) a k sid 1,20 1

63 t jh on jälkihoitoaika [d] Esimerkiksi 7 vuorokauden jälkihoitoajalla 0,85 + 0,17log 10 (7) = 0,99

64

65 Q sid = 0,98 x 320 kg = 314 kg k sid = 1- (Q vesi / Qs id )^1,5 (0,02*4) = 1- (144/314)^1,5 (0,08) = 0,975 = [ x (5,0-2)]/ 314 = 0,554

66 P-luku P = 46 0,99 0,975,20 10 (0,554) 1 5,0 1 = 36,9

67 P-luku Laskennallinen käyttöikä XF2 käyttöikä = 2,00 x P-luku XF4 käyttöikä = 1,25 x P-luku Taulukkomitoitus 50 vuotta XF2 25 ja XF vuotta XF2 50 ja XF4 80