Wie berechnet sich die Lebensdauer einer Stahlbetonkonstruktion?

Die Spezifikationen für große Strukturprojekte erfordern normalerweise eine bestimmte Lebensdauer der Struktur. Dies können 50 Jahre, 100 Jahre usw. sein.

Die Anpassung der Lebensdauer von Stahl kann so einfach sein wie das Hinzufügen einer zusätzlichen Dicke, um die erwartete Korrosion über diesen Zeitraum zu berücksichtigen . Diese Berechnung würde auch Abweichungen berücksichtigen, die auf Beschichtungen oder Stahlsorten beruhen.

Die Geschichte hat gezeigt, dass unbewehrte Betonkonstruktionen Hunderte von Jahren halten können . Die Römer haben einige Beispiele dafür wie das Pantheon .

Das Problem bei Stahlbeton besteht darin, dass die Bewehrung schließlich korrodiert , sich ausdehnt und den Beton reißen lässt. Es kann auch Probleme mit den verwendeten Aggregaten geben.

Wie kann ein Konstrukteur die Lebensdauer einer Stahlbetonkonstruktion berechnen und vertraglich garantieren?

Das Designleben kann eines von zwei verschiedenen Dingen sein und sie sind nicht austauschbar.

Ein Verweis auf "100 Jahre Lebensdauer" kann bedeuten, dass er für einen "1-in-100-Jahre" -Ladefall (Windlast oder Gezeitenstoß oder was auch immer) ausgelegt ist. Hierbei handelt es sich ausschließlich um ein Mittel zur Quantifizierung der Belastungsgröße. Es hat eigentlich nichts mit der Haltbarkeit der Struktur zu tun, es geht um die Stärke der Struktur.

Bei der Frage geht es um eine andere Frage - die Haltbarkeit und insbesondere die Haltbarkeit von Stahlbeton. Sie wird normalerweise anhand der Erfahrungen aus der Vergangenheit in der jeweiligen Umgebung quantifiziert, aus denen hervorgeht, wie wahrscheinlich der kritische Verschlechterungsmechanismus ist, und dann entweder anhand einer Standardlösung oder anhand einer Berechnung der Lebensdauer für diesen Mechanismus. Die Berechnungen sind normalerweise bis zu einem gewissen Grad empirisch.

Für eine "Standard" -Struktur mit einem "normalen" Expositionszustand, "normalen" konkreten Eigenschaften und "normalen" Anforderungen an die Lebensdauer der Konstruktion gibt es Standardlösungen im relevanten Konstruktionscode, die wahrscheinlich einfach die Menge der Abdeckung definieren, die dies tun wird befriedigen das Designleben. Was als "normal" gilt, hängt von der Gerichtsbarkeit des Konstruktionscodes ab. In verschiedenen Teilen der Welt sind verschiedene Zementmischungen erhältlich, und was für einen nationalen Konstruktionskodex in einem völlig gemäßigten Land "normal" ist, wird es nicht sein. normal 'in den Tropen oder Polarregionen.

Beispielsweise wird in einer Struktur in der Spritzzone auf der arabischen Halbinsel ein Frostangriff kein Problem darstellen, ein physischer Salzangriff (oder eine Salzverwitterung) jedoch. Bei einem Frostangriff dehnt sich das in Poren und Rissen gefrorene Wasser aus und bricht den Beton. Bei der Salzverwitterung wird Salzwasser aufgesaugt und verdunstet so schnell, dass Salzkristalle in den Poren wachsen und den Beton brechen.

Wenn ein Designer außerhalb der von seinen lokalen Designregeln als „normal“ geltenden Bedingungen abweicht oder wenn die Umgebung besonders aggressiv ist oder die Anforderungen an die Haltbarkeit ungewöhnlich hoch sind, ist eine spezifische Berechnung erforderlich.

Das häufigste Versagen von Stahlbeton besteht darin, dass die metallische Bewehrung zu korrodieren beginnt. Stahl in Beton korrodiert nicht, weil der Beton einen sehr hohen pH-Wert aufweist, und Stahl in einer Umgebung mit hohem pH-Wert ist „passiviert“ und korrodiert nicht. Mit der Zeit diffundiert jedoch langsam Kohlendioxid aus der Atmosphäre in den Beton und neutralisiert ihn. Wenn Sie die Eigenschaften Ihres Betons kennen, können Sie vorhersagen, wie schnell dies geschieht (anhand empirischer Erfahrungen).

Was normalerweise tatsächlich die Korrosion auslöst (zumindest in marinen oder anderen salzigen Umgebungen - z. B. Streusalz), ist jedoch ein Chloridangriff, bei dem Chloridionen von der Oberfläche her diffundieren. Sobald die Konzentration der Chloridionen an der Oberfläche des Stabs einen kritischen Wert erreicht, wird die Korrosion bald greifen. Sie können dies berechnen, wenn Sie eine Chloridkonzentration an der Oberfläche annehmen (aus empirischen Daten) und die Eigenschaften des Betons kennen (entweder empirische Daten oder indem Sie testen, wie schnell Chloridionen durch den Beton diffundieren, aber beachten Sie dies als Beton Alter, seine Eigenschaften ändern sich, und Sie müssen dies berücksichtigen) und die kritische Schwelle kennen (aus empirischen Daten).

Es gibt ein praktisches kostenloses Programm namens Life-365 , das diese Berechnung für Sie durchführt und von einem Ausschuss des American Concrete Institute stammt. Es führt die Berechnung der Chloriddiffusion für Sie durch, zeichnet Diagramme und ähnliches und wenn Sie in den USA sind, sind sogar die empirischen Daten integriert, die Sie benötigen, sodass Sie nicht nach den örtlichen Bedingungen suchen müssen. (Ich benutze das Programm, bin aber sonst nicht damit verbunden). Das Handbuch zum Programm enthält eine detailliertere Diskussion der dahinter stehenden Wissenschaft, aber das Beste ist, Sie können einfach damit spielen und sehen, welche Auswirkungen eine Veränderung auf das Leben hat.

Wenn Sie die Berechnung durchführen und nicht genügend Lebensdauer haben, können Sie entweder die Bewehrung tiefer legen (so dass es länger dauert, bis das Chlorid dorthin diffundiert), oder Sie machen den Beton widerstandsfähiger gegen Chlorid, das durch das Diffusionsmittel diffundiert, oder Sie verwenden einen Stab, der einen höheren Chloridschwellenwert benötigt (z. B. Edelstahl), oder Sie behandeln den Stab oder den Beton auf der Oberfläche oder Sie setzen galvanische oder elektrochemische Systeme oder Korrosionsinhibitoren oder etwas anderes ein. Viele dieser Dinge greifen auf empirische Daten zurück - sie haben sie getestet und verfügen über Testdaten, die zeigen, dass sie n Jahre lang Korrosion verhindern, wenn Sie x Mengen von irgendetwas eingeben.

Ich kann diese Frage in Bezug auf eine Gebäudestruktur nicht beantworten. Ich kann jedoch für einen Stahlbetonbelag, der für Sie immer noch von Interesse sein kann.

In Übereinstimmung mit den anderen Antworten wird ein Testbelagdesign entworfen, das dann anhand der Designlebensdauer bewertet wird. Die auf dem Bürgersteig abgegebene Last wird als Standard-Achswiederholung über die Lebensdauer ausgedrückt. Beispielsweise kann eine Fahrbahn so ausgelegt sein, dass sie über eine Lebensdauer von 40 Jahren 1x10 ⁵ Standardachsenwiederholungen standhält . Dies wird als Designwiederholungen bezeichnet.

Ein Probepflaster wird ausgewählt, dann wird eine Ermüdungsanalyse durchgeführt, die die zulässigen Wiederholungen des Pflasters bestimmt . Die Konstruktionswiederholungen werden dann durch die zulässigen Wiederholungen geteilt. Wenn dieser Wert, der als kumulativer Schadensfaktor (CDF) definiert ist, <1,0 ist, überlebt Ihre Fahrbahn die Konstruktionslebensdauer.

Also, CDF = n / N, wobei n = Entwurfswiederholungen, N = zulässige Wiederholungen. Beachten Sie, dass Sie eine Rückrechnung durchführen können, um die Lebensdauer zu bestimmen, wenn Sie die anderen Begriffe kennen.