KNJIŽNICA F6G J R s GRADBENI uestnik § 199G IBLJANA, AVGUST-SEPTEMBER-OKTOBER, 1996 • GRADBENI VESTNIK 1 996 Franc ČAČOVIČ Lektor: Alenka RAIČ-BLAŽIČ Tehnični urednik: Danijel TUDJINA Uredniški odbor: Sergej BUBNOV, mag. Gojmir ČERNE, prof. dr. Miha TOMAŽEVIČ, dr. Ivan JECELJ, Andrej KOMEL, Slane PAVLIN, dr. Franci STEINMAN Tisk: TISKARNA TONE TOMŠIČ v LJUBLJANI Revijo izdaja Zveza društev gradbe­ nih inženirjev in tehnikov Slovenije, Ljubljana, Karlovška 3, telefon: 061/ 221-587, ob finančni pomoči Mi­ nistrstva RS za znanost in tehnologi­ jo, Gradbenega inštituta ZRMK, Za­ voda za gradbeništvo ZRMK, Fakul­ tete za gradbeništvo in geodezijo, Univerze v Ljubljani ter Fakultete za gradbeništvo, Univerze v Mariboru. Tiska Tiskarna Tone Tomšič Ljub­ ljana. Letno izide 12 številk. Individualni naročniki plačajo letno naročnino v višini 2.300 SIT, študentje in upoko­ jenci 1.150 SIT. Gospodarske orga­ nizacije in podjetja plačajo letno na­ ročnino za 1 izvod revije 28.350 SIT. Naročnina za naročnike v tujini znaša 100 US $. Po mnenju Ministrstva RS za kulturo je v ceno vključen 5% prometni da­ vek. Žiro račun se nahaja pri Agenciji RS za plačilni promet, nadziranje in in­ formiranje, Enota Ljubljana, številka: 50101-678-47602. GRADBENI VESTNIK GLASILO ZVEZE DRUŠTEV GRADBENIH INŽENIRJEV IN TEHNIKOV SLOVENIJE ŠT. 8-9-10 • LETNIK 45 • 1996 • ISSN 0017-2774 !> V S E D M I A - C O N T I R I T S Predgovor Miha Tomaževič: Foreword PREDGOVOR ........................................................................................................... 164 Jaš Žnidarič: PREDGOVOR ........................................................................................................... 168 Poročila - Informacije Jaš Žnidarič: Reports - Information TRAJNOST ARMIRANOBETONSKIH KONSTRUKCIJ .......................................... 171 DURABILITY OF REINFORCED CONCRETE STRUCTURES Iztok Peruš, Lojze Bevc, Jaš Žnidarič: NOV PRISTOP PRI REŠEVANJU PROBLEMOV UPRAVLJANJA IN VZDRŽEVA­ NJA CESTNIH MOSTOV......................................................................................... 212 NEW APPROACH TO THE PROBLEMS OF BRIDGE MANAGEMENT Aleš Žnidarič- KONTROLA VARNOSTI OBSTOJEČIH MOSTOV................................................. 223 CONTROLLING THE SAFETY OF EXISTING BRIDGES Številko , ki je pred v am i, so pripravili s o d e ­ lavci Z a v o d a za g rad b en iš tvo S lovenije, inšti­ tu ta , ki g a je 2 1 .4 .1 9 9 4 s sklepom o p re o b li­ kovan ju d e la b ivšega Z a v o d a za raziskavo m a te ria la in konstrukcij v javni raziskovaln i za v o d ustanovila v la d a Republike S lovenije. Z vpisom v sodni register je bila ustanovitev Z A G Ljubljana, kot se novi za v o d s skrajšanim im enom im enuje, d n e 17. 3. 1995 tudi fo r ­ m a ln o po trjena . Z a v o d im a sicer novo im e, k a te re g a kratica Z A G se je, u p am o , d o m a in v tujini že u d o m a č ila , v e n d a r skoraj petd esetle tn o tra ­ d icijo . Leta 1949 je v la d a ta k ra tn e Ljudske rep ub like S lovenije ustanovila G ra d b e n i inšti­ tut s ta k o re k o č d o b e s e d n o enakim i n a lo g a m i, kot jih je v la d a s ed an je d rža ve naložila Z a ­ v o d u za g rad b en iš tvo S lovenije. Ko je b ila le ta 1952 zg ra je n a in o p rem lje n a s tavb a na D im ičevi 12, je v la d a G ra d b e n i inštitut p re i­ m e n o v a la v Z a v o d za raziskavo m a te ria la in konstrukcij (ZR M K ), in g a p ro g las ila za g o - !nv. št This issue of S lovenia 's Journal of Civil Engi­ neering has b een p re p a re d by m em bers of staff of the S lovenian N a tio n a l Building and Civil Engineering Institute (Z A G L jubljana). The Institute w a s fo u n d ed by a d e c re e , p ro ­ m u lg a ted by the G o v ern m e n t o f the Republic of S lovenia on April 21st, 1994, a b o u t the reo rg an iza tion of p art of the fo rm er Institute fo r Testing a n d Research in M a te ria ls and Structures (ZRM K) into a public research insti­ tute. Z A G Ljubljana w a s entered into S love ­ nia 's official List o f C o m p a n ie s on M a rc h 17th, 1995. A lthough to d a y 's institute b ears a n e w n am e, the a b b re v ia tio n o f w hich (Z A G ) has a lre a d y b ec o m e fam ilia r a m o n g clients a n d institutio­ nal circles a t ho m e an d a b ro a d , it has an a lm o st fifty years long trad ition . N a m e ly , it w a s in 1949 th a t the G o v e rn m e n t o f the then People's Republic o f S lovenia fo u n d e d a Civil Engineering Institute with literally the sam e tasks as those w hich h ave b een entrusted to Z A G by the G o v e rn m e n t of the in d e p e n d e n t country o f to d a y . W h e n o n e o f the present spo d arsko ustanovo s sam ostojnim fin a n c ira ­ njem . Tržno usm erjene dejavnosti, ki so b iv ­ šem u ZR M K d o lg a leta za g o ta v lja le obsto j, so bile nezdružljive z zah tevam i Evropske direktive 8 9 /1 0 6 /E E C za preskušanje in certi- fic iran je g ra d b e n ih p ro izvod o v . Z a to je bil Z R M K na poti S lovenije v Evropsko unijo prim oran p reob liko vati se v javni raziskovaln i za v o d Z A G Ljubljana, ki izpolnjuje vse z a ­ hteve o m en jen e evro p ske direktive, in raz- v o jn o -raz isko va ln o p o d je tje G ra d b e n i inštitut ZR M K , ki je p revze lo tržno usm erjene d e ja v ­ nosti b ivšega Z R M K , in bo po lastninjenju po sta lo g o sp o d ars k a d ru žb a . Z A G je od bivšega ZR M K prevzel praktično vse la b o r a ­ torije , s p reskuševa lno in raziskova lno o p re m o vred , prevzel p a je tudi eno največjih knjižnic s s trokovno literaturo v Sloveniji. S to ­ ritve lab o ra to rijev in knjižnice dan es s p o s e b ­ nim spo razu m o m nudi tudi G ra d b e n e m u in­ štitutu ZR M K . Z A G Ljubljana je n eo d v isn a , neprofitna in nepristranska inštitucija, katere dejavnosti lah ko razd elim o na tri g la v n a p o d ro č ja : • raziskova lno in p red ko n ku ren čn o razvo jno d ejavn ost, • p reskušanje in p o trjevan je kakovosti in skladnosti ter certific iran je v g radb en ištvu , • 'izde lavo tehničnih ekspertiz in ana liz . Po sklepu v la d e o p ra v lja Z a v o d za g ra d b e n i­ štvo Slovenije svoje dejavn osti "ko t o sredn ja slovenska inštitucija za g ra d b e n iš tv o " . Z a to g a je v la d a p red kratkim p re im en o v a la v Z a v o d za g ra d b e n iš tv o S lovenije, s č im er je n jeg o va o sredn ja v lo g a v slovenskem g r a d ­ beništvu po trjena tudi z im enom . Z a v o d je o rg an izac ijsko razdeljen na štiri o d d e lk e (o d d e lek z a m ate ria le , o d d e le k za g ra d b e n o fiziko, o d d e le k za konstrukcije in o d d e le k za g eo teh n ik o in p ro m etn ice), ki im a jo v svojem sestavu 2 4 la b o ra to rije v in o d seko v , ki p o kriva jo p raktično ce lo tn o d e ­ javnost g ra d b e n iš tv a . Kot posebni enoti d e lu ­ jeta še Laboratorij z a m etro log ijo in C ertifik a - cijska služba. Z a v o d o v i lab orato riji so za izva jan je preskušan ja v okviru o b v e z n e g a certific iranja že pridob ili akred itac ijske listine U ra d a za s ta n d a rd iza c ijo in m eroslovje pri Ministrstvu za zn an o s t in teh n o lo g ijo , p rip ra v - buildings a t the location of D im ičeva 12 had been built, in 1952 , the g o ve rn m en ta l Civil Engineering Institute b e c a m e an in d e p e n d e n t public entity ca lled the Institute fo r Testing a n d Research in M a te r ia ls a n d Structures (ZR M K ). M a n y o f the m a rke t-o rie n te d activ i­ ties w hich h ad fo r m an y years ensured the existence of the fo rm er Z R M K w e re not in c o m p lian ce with the requirem ents o f the EEC C ouncil D irective N o .8 9 /1 0 6 re g a rd in g a p ­ proval bod ies fo r the a ttesta tion o f conform ity a n d certification o f construction products. Thus, as S lovenia a p p ro a c h e d closer to the European U nion, the reo rg an iza tio n o f ZR M K b e c a m e inevitab le . T w o fully in d ep e n d en t entities resulted from this re o rg an iza tio n , a process w hich lasted fo r severa l y ea rs : Z A G , a g o ve rn m en ta l, public research institute, w hich fulfils the requirem ents o f the E u ro p ean D irective, a n d a m a rke t-o rie n te d , R & D e n te r­ prise, know n as the Civil Engineering Institute (G ra d b e n i inštitut Z R M K - G l) , w hich is soon to b ec o m e a p rivate enterprise. Practica lly all of the testing a n d research la b o ra to rie s of the fo rm er Z R M K h av e b een in c o rp o ra ted into Z A G , as w ell as o n e o f the largest technical libraries in S lovenia. A cc o rd in g to a special a g re e m e n t, the services o f these lab o ra to ries a n d of the lib rary a re a lso a v a i­ lab le to G l. Z A G L jubljana, is an in d ep e n d en t, im p artia l an d n o n -p ro fit o rg a n iza tio n , w ith the fo llo w ­ ing m ain activities: • fu n d a m en ta l a n d a p p lie d research , • testing fo r a ttes ta tio n o f con form ity an d certification o f construction products, • p re p a ra tio n o f expert op in ions a n d tech n i­ cal analyses. As stated in the g o ve rn m en ta l d e c re e , Z A G perform s its activities as the "m ain S lovenian institution in the field of bu ild ing a rid civil e n g in e erin g " . Recently, the G o v e rn m e n t a p ­ pro ved our p ro p o sa l th a t Z A G 's full n a m e be c h a n g e d to the S loven ian N a tio n a l Building a n d Civil Engineering Institute, thus confir­ m ing Z A G 's vital role in S loven ian build ing a n d civil en g in eerin g . Z A G is presently d iv id ed into fou r d e p a r ­ tm ents (the D e p a rtm e n t fo r M a te r ia ls , the D e p a rtm e n t fo r Building Physics, fhe D e p a r t ­ m ent fo r Structures, a n d the D e p a rtm e n t for G eo tech n ics a n d Traffic In frastructure), with 2 4 lab o ra to ries a n d sections, covering p ra c ­ tically all construction activities. The L a b o ra ­ tory for M e tro lo g y a n d the C ertifica tio n B ody act as specia l units. Z A G 's la b o ra to rie s h ave been acc red ite d b y the S tan d ard s a n d M e tro ­ logy Institute of the M in istry o f Science a n d Ija jo p a se tudi na p rid o b itev akred itac ije za vsa p reskušanja, ki jih izva ja jo . N a Z a v o d u je ta čas 170 zapo s len ih : m ed njimi je 74 so d e lavcev z višjo ali v isokošolsko izb ra zb o , od te g a 6 z d o k to ra to m znanosti in 17 z m agisterijem . V isoka strokovnost z a p o ­ slenih in skrb za p o s o d a b lja n je o p rem e v sicer d o b ro oprem ljenih laboratorijih , ki so po p reo b liko van ju ZR M K praktično v celoti prešli v Z A G , so za g o to v ilo , d a so na vseh p o d ro č ­ jih dejavn osti Z A G -o v e storitve po kakovosti m e d n a ro d n o prim erljive. Kljub tem u, d a so strokovn jaki Z A G ra zm ero m a m lad kolektiv, saj p o vp reč je njihove d e lo vn e d o b e ne p re ­ s e g a 15 let! V o b d o b ju p reo b liko van ja b ivšega Z R M K , p a tudi še d an es , je bila osn o vna skrb Z a v o d a za g rad b en iš tvo S lovenije p o svečen a v z p o ­ stavitvi evropsko prim erljivega sistem a p o trje ­ v a n ja kakovosti in certific iranja v g ra d b e n i­ štvu. Kljub d rugačn im p o g led o m nekaterih odločiln ih krogov in d ržavn ih inštitucij na z a ­ četku u p a m o , d a so za v o d o v i strokovnjaki s trdnim i arg um en ti in prim eri iz vsa kd a n je p rakse uspeli d o k a za ti, d a na reguliranem p o d ro č ju , kot je g rad b en iš tvo , kakovosti m a ­ te ria lo v in ustreznosti p o sto p ko v g ra d n je ne m o re m o prepustiti stihiji na trgu. Ve liko zaslug z a to im a tudi o d lo č itev DARS, D ru žb e za a v to ce s te v Republiki S loveniji, ki je tako j, ko je bil ob jav ljen sklep v la d e o p reob likovan ju Z R M K , na p o d lag i p ro g ra m a , ki g a je zan jo prip ravil, s p o g o d b o p o o b las tila b o d o č i Z a ­ v o d za g rad b en iš tvo S lovenije, d a kot n e o d v i­ sna , nepro fitna in nepristranska inštitucija iz­ v a ja p o trjevan je ustreznosti g ra d b e n ih p ro ­ izvo d o v in del pri g rad n ji avtocest. S to od ločitv ijo je DARS v n ac ionaln i p ro g ram izg rad n je avtocest v p e lja la evropsko p rim er­ ljivi sistem p o trjevan ja in certific iran ja , p rep ri­ čan i p a sm o, d a je Z A G v dveh lefih izva jan ja p o trjev an ja ustreznosti svojo v lo g o v a v to ­ cestnem p ro g ram u tudi v celoti oprav ič il. Evropska d irektiva je p o sred n o d o b ila po lno v e lja v o , še p o sebej p o te m , ko je S lovenija p o s ta la prid ružena č lan ica Evropske unije. V n as led n jem petle tnem o b d o b ju , ko se bo S loven ija prik ljučevala EU, b o d o naše ak tiv ­ nosti usm erjene v p rizn avan je Z A G kot slo- Technology to r the carrying out o f tests of products which a re subject to o b lig a to ry c e r­ tification. H opefu lly , Z A G 's lab o ra to ries will soon be accred ited to carry out tests within the com plete sco p e of their activities. O u t of 170 em p lo yees , there a re 74 experts with university e d u catio n , a m o n g them 6 h a ­ ving a d o cto ra l, a n d 17 a m aster's d e g re e . The high professional level of Z A G 's experts, an d continuous efforts for the m o d ern iza tio n of testing facilities in a lre a d y re latively w ell e q u ip p ed lab orato ries , p ro vide a g u a ra n te e that Z A G 's activities rem ain a t an in te rn a tio ­ nally c o m p a ra b le level of qualify . Z A G 's ex ­ perts represent a relatively young te a m , w hose a v e ra g e w o rk experience d o es not exceed 15 years. W ith in the period o f reo rg an iza tio n o f the form er Z R M K , a n d so is still the case to d a y , the basic a im of the N a tio n a l Building an d Civil Engineering Institute has been oriented tow ard s the establishm ent, in S loven ia , of a European system fo r the attestation o f c o n fo r­ mity an d certification of construction p ro ­ ducts. D esp ite d ifferent view s held by som e im portan t govern m en tq l bod ies o ve r S lo ve ­ nia's first years o f in d ep en d en ce , Z A G 's ex ­ perts h ave — hopefu lly — succeeded in co n v in ­ cing these bod ies tha t in a re g u la ted field of the eco n o m y, such as building an d civil e n g i­ neering, the qu ality of m ateria ls , products a n d procedures can n o t be left to free cho ice in the m arket. In this reg ard , the decis ion by DARS (the Society for M o to rw a y s in the R epu­ blic of S lovenia) w a s extrem ely im p o rtan t. It w a s , nam ely , on the basis of a p ro g ram p re p a re d by Z A G , that DARS g a v e Z A G the m a n d a te to carry out attestation of conform ity an d certification of construction products an d w orks within the national p ro g ram of c o n ­ struction of m o torw ays in S loven ia , this m a n ­ d a te being given as soon as the G o v e rn m e n t of S lovenia h ad issued the a b o v e -m e n tio n e d d ecree o f 1994 , by m eans o f w hich p art of ZR M K b e c a m e an in d ep e n d en t, im p artia l a n d n on-pro fit institution. Through this decision m a d e by DARS, a European system fo r the attestation of conform ity an d certification of construction products w a s in tro d uced into the national p ro g ra m o f construction of m o ­ torw ays in S loven ia . W e a re convinced that, o ver the tw o years of existence o f this p ro ­ g ra m , Z A G has fully confirm ed its ro le an d strengthened its position as S lovenia 's central institution in the fields of build ing a n d civil engineering. During the next f iv e -y e a r period o f the closer linking of S lovenia to the E u ro p ean U nion, our activities will be o rien ted to w a rd s the venske n ac io n a ln e g ra d b e n e inštitucije za p o trjevan je kakovosti in certificiranje v g r a d ­ beništvu v d rža va h EU. Z A G je že p o d p isa l s p o razu m e o m ed seb o jn em priznavanju p re i­ skav z nekaterim i sorodnim i inštituti v Italiji in Španiji, z nekaterim i p a se še d o g o v a rja m o . Z A G je že pridruženi član FEHRL, fo ru m a evropskih nacionaln ih lab o ra to rijev za raz i­ skave v ces to g radn ji, n jego v laboratorij za keram iko p a je č lan CERLAB, e v ro p skeg a zd ru žen ja la b o ra to rije v za keram iko . C im p re j bo m oral skleniti tudi sporazum o p rid ru že ­ nem članstvu z ENBRI, evropskim združen jem n acionaln ih inštitutov za raziskave v g ra d b e ­ ništvu. S e ve d a p a Z A G ne za n e m a rja raziskovalne dejavn osti, saj se z a v e d a , d a brez p o g lo b lje ­ n e g a zn an ja ni k ak o v o s tn eg a p o trjevan ja in ekspertiz. Č e b o p o letošnjem planu blizu 45 % c e lo tn e g a p rih o d ka s lonelo na potrjevanju kakovosti in certificiranju, p re d v id e va m o , d a bo ob seg pritoka sredstev iz raziskovalne dejavnosti za M Z T te r d ru g a ministrstva in n aro čn iko ve zn aša l prib ližno 2 0 % . M e d ra ­ ziskovalnim i pro jekti, ki jih izva ja , o z iro m a jih bo Z A G zače l izvajati letos, je tudi 12 m e d n a ­ rodnih pro jektov: 8 p ro jekto v .C O ST, p o en pro jekt iz p ro g ra m o v C O P E R N IC U S , EURE­ KA, PHARE in SHRP-LTPP ter po en s lovensko- am erišk i, s lovensko-nem ški, s iovensko-k ita j- ski in s lo ven sko-m aked o nsk i znanstveno raz i­ skovaln i pro jekt. V okviru 4. p ro g ra m a zn a n - s tv en o -raz is k o v a ln eg a in razvo jn e g a d e la Evropske zveze za o b d o b je 1994—98 je bilo spre je to s o d e lo va n je Z A G v projektih A R ­ R O W S , PARIS in W A V E . Kot javni raziskovalni z a v o d , ki de lu je na po d ro čju g ra d b e n iš tv a , se Z A G z ustreznim i ministrstvi d o g o v a r ja za izkoriščanje svojih raziskovaln ih kap ac ite t za usm erjene raziskave za p o tre b e ministrstev v okviru njihovih sredn jeročn ih p ro g ram o v . Č e naj bi Z A G predstav lja l osredn jo s lo ven ­ sko inštitucijo za g ra d b e n iš tv o , si te v lo g e ne m o re m o p redstav lja ti b rez n jeg o ve tesne p o ­ vezano sti z o b e m a s lovenskim a U n ive rza m a , p redvsem z n junim a g ra d b e n im a fa k u lte ta ­ m a . T ako na po d ro čju razisko va ln e d e ja v n o ­ sti, kjer lab orato riji Z A G lah ko p redstav lja jo instrum entaln i cen ter, po velikosti in o p re m lje ­ nosti edinstven v Sloveniji, kot tudi na p o ­ dročju z a k o n o d a je in tehn ične regu lative , ter recognition of Z A G , in the m e m b er countries of the EU, as S lovenia 's national institute for the a ttesta tion of conform ity an d certification of construction products. Z A G has a lre a d y signed ag ree m en ts a b o u t the m utual reco g n i­ tion of test reports w ith sim ilar institutes in Italy a n d Spain . Further agreem en ts a re being n eg o tia te d . As the S lovenian natio n a l institu­ te, Z A G is an associa te m e m b er of FEHRL, the Forum of European N a tio n a l H ig h w a y Research Laboratories , an d Z A G 's L a b o ra ­ tory for C eram ics a n d Refractory M a te ria ls is a m e m b er o f CERLABS, the E u ropean N e t ­ w o rk o f N a tio n a l C e ra m ic Laboratories . Z A G is a lso p lann ing to b eco m e a m e m b er of ENBRI, the A ssociation of European N a tio n a l Building Research Institutes, in the n ea r future. Fun dam enta l a n d a p p lied research represent an im p o rtan t p a rt of Z A G 's activities, and strong em phasis has been p la ce d , in Z A G 's d e v e lo p m e n t policy, on the continuous e d u ­ cation of staff a n d the im p ro vem en t of re ­ search facilities. W ith o u t a d e q u a te research support it w o u ld not be possible fo r Z A G to m ain ta in its lead in g role in the attestation of conform ity a n d certification, a n d in the p rovi­ sion of expert op in ions an d technical analyses a t the n a tio n a l level. A ccord ing to provisional financ ia l p lans, 4 5 % of the turnover in 1996 will b e the result of tests for the attestation of conform ity a n d certification. H o w e v e r, m ore than 2 0 % will b e the result of research fin an ced by the M in istry of Science a n d T ech ­ n o logy, as w ell as by o ther M inistries and g o vern m en ta l bod ies. A m o n g present re ­ search pro jects, 12 a re a t an in ternational level: 8 projects a re within the C O S T p ro ­ g ra m , a n d o n e eac h within the C O P E R N I­ C U S , EUREKA, PHARE a n d SHRP-LTPP p ro ­ gram s, respectively . There a re a lso joint US- Sloven ian , G e rm a n -S lo v e n ia n , C h in ese-S lo - ven ian a n d M a c e d o n ia n -S lo v e n ia n scientific projects. W ith in the 4 th F ram ew o rk Pro­ g ra m m e fo r Research an d Tech n o lo g ica l D e ­ v e lo p m e n t 1994—9 8 , Z A G is c o o p e ra tin g in the A R R O W S , PARIS a n d W A V E projects. As a public research institute, Z A G is discussing the possibility of being inc luded , on a long- an d short-term basis, in o b jec t-o rie n te d re ­ search fo r the needs of the ministries and other g o ve rn m en ta l bod ies re la ted to building a n d civil eng in eerin g . W h ile m a in ta in in g its role as the centra l S lo­ ven ian build ing a n d civil eng ineering institute, Z A G is firm ly con n ected to both of S lovenia 's universities, a n d esp ec ia lly w ith their faculties of civil en g in eerin g . Both in the field of re ­ search a n d e d u c a tio n , w h e re the lab o ra to ries of Z A G , w hich represent an instrum ental pri vzp o s tav ljan ja sistem a p o trjevan ja k a k o ­ vosti in certificiranja v g radb en iš tvu , je s o d e ­ lo van je m ed o b e m a U n ive rzam a in Z A G v n ac io n a ln em interesu. R avno tak o je d e lo v a n je Z A G p o ve zan o z vsem i ostalim i inštitucijami in laboratoriji, ki d e lu je jo na področju g ra d b e n iš tv a . R acio­ n a ln a izrab a in ra zp o red itev razm ero m a m a j­ hnih slovenskih kap ac ite t v raziskovalni sferi in v sistemu p o trjevan ja kakovosti in certifici­ ran ja v g radbeništvu m ora tem eljiti na m ed se ­ b o jn em za u p an ju in priznavan ju vseh s o d e lu ­ jočih subjektov. U p a m o , d a bo Z A G tudi pri tem uspešno od ig ra l v lo g o osredn je s loven­ ske inštitucije. M ih a T o m aževič , d irektor center, unique in S lovenia acco rd in g to its size an d facilities, th a t can be used by in tere ­ sted partners, a n d in the field of technical legislation and the estab lishm ent in S lovenia of a European system for the a ttesta tion of conform ity and certification of construction products, close co o p e ra tio n b e tw e en Z A G an d these tw o Universities is vita lly n e e d e d , an d in a cc o rd a n ce w ith national interests. The activities of Z A G a re a lso w ell con n ected with the activities of o ther institutions, la b o r a ­ tories an d com pan ies w orking in the fields of building an d civil eng in eerin g . R ational use an d distribution o f the relatively sm all S lo ve ­ nian research a n d testing cap ac ities should b e based upon the m utual co n fid en ce a n d respect of all partic ipating parties, as w ell as on the rules established in a E u ro p e a n -c o m ­ p a ra b le system for the attestation o f c o n fo r­ mity an d certification of construction p ro ­ ducts. W e ho p e tha t Z A G will p lay a central role in this process, too . M ih a Tom aževič , D irector PREDGOVOR PREFACE V zadn jih dveh desetletjih p o g o s to u g o to v - Ija n a n ezad o stn a tra jnost betonskih konstruk­ cij je v o d ila k p o g lo b ljen im in intenzivnim raz iskavam vzrokov in n a ra v e procesov ra z ­ p a d a n ja b e to n a , razvile p a so se tudi s tra te ­ g ije za o b v la d o v a n je teh p ro b lem ov . Vse o s e b e , ki sodelu je jo pri nasta jan ju in u p o rab i betonskih konstrukcij naj bi vsaj m alo razu ­ m e le n a jp o m e m b n e jše p rocese p ro p a d a n ja in p o z n a le z njimi p o v e za n e od lo ču jo če p a r a ­ m etre . Pri za g o tav lja n ju trajnosti je to tem eljno zn a n je v veliko prim erih p re d p o g o j za spre je ­ m a n je pravilnih o d lo č itev o b p ravem času. C o ncern in the last tw o d e c a d e s w ith the o ccas io n ally in a d e q u a te durab ility o f c o n ­ crete structures has led to intensified research into the causes a n d nature of d e g ra d a tio n processes, and to the d ev e lo p m en t o f s tra te ­ gies for hand ing such situations. All persons involved in the crea tion a n d use of concrete structures should h ave the m inim um u n d e r­ standing o f the m ost im p o rtan t d e te rio ra tio n processes an d their g o vern in g p aram e te rs . In m an y cases such basic k n o w le d g e is the precondition fo r tak ing correct decis ions a t the right tim e w h en seeking the requ ired Z a inženirja, ki u g o tav lja stanje obstoječih konstrukcij, p a je p o tre b n a še več ja strokovna usposobljenost. V tej številki so trije prispevki, ki o b ra v n a v a jo tra jnost betonskih konstrukcij, in nekatere se ­ d a n je raziskave Z A G , ki so p o ve zan e z u g o ­ tav ljan jem trajnosti, varnosti in splošne ustre­ znosti obsto ječ ih , v eč in o m a p o škodovan ih m ostov. Prvi prispevek poskuša sintetizirati tem eljno tehn ično zn an je in s ed an je inženirske izkušnje o trajnostih karakteristikah b eto n a in b e to n ­ skih konstrukcij in p o sred o va ti konstruktorjem teo re tičn e osnove ter p raktičn e sm ernice za pro jektiran je novih, trajnih konstrukcij, kako r tudi za u g o tav ljan je tren u tn e g a stan ja o b s to ­ ječih, p o ško d o van ih konstrukcij. Predstavljeni so trad ic io n a ln o z a g o ta v lja n je trajnosti na p o d la g i najnovejših tehničnih pravil in sm er­ nic, in p a so d o b n ejše a lte rn ativn e m eto d e za n a p o v e d življenjske d o b e . Trajnosti betonske konstrukcije sev ed a ni m o g o č e doseči le z izbo ljšan jem karakteristik s a m e g a b e to n a , a m p a k so pri tem p o m em b n i tudi a rh itekto n ­ sko in konstrukcijsko o b lik o va n je , u p o ra b a pravilnih tehnoloških p o sto p ko v pri g radn ji, nad zo rs tvo m ed u p o ra b o in preventivno vzd rževan je . V zadn jih nekaj letih so na Z A G p o te ka le raziskave v zvezi z u g o tav ljan jem re a ln e g a stan ja obsto ječih m ostov z v id ika trajnosti in varnosti. Izdelati je b ilo treb a m eto d o lo g ijo za p rid o b itev po m ožnosti kvantificiranih p o ­ d a tk o v o stanju p o š k o d o v a n e konstrukcije, kakršne p o treb u je u p rav lja le c konstrukcije pri spre jem anju o d lo č itev o nadaljn jih ukrepih. V okviru raziskovaln ih p ro jekto v so bile z a ­ s n o v an e m e to d e za k lasifikacijo p o ško d b in k ateg o riza c ijo p o š k o d o v an ih konstrukcij, k a ­ kor tudi za d o lo č a n je raznih p a ra m e tro v , ki kvantific ira jo p o šk o d o v an o s t mostu in n je ­ g o v o o b n a š a n je . Ti p a ram e tri so: rating s ta ­ n ja , ki izraža stopn jo p o ško do van o s ti, v a r ­ nostni indeks in rating fak to r, ki d o lo č a ta v arn o stn o stopn jo konstrukcije, in rating us­ treznosti, s katerim se ocen i splošna p rim er­ nost m ostu. Z a d o lo č itev teh p a ra m e tro v se u p o ra b lja jo p o d atk i d e ta jln e g a p re g le d a in rezultati p re iskav na konstrukciji. durability. The professional requirem ents for the assessing e n g in eer g o fa r b eyo n d the requirem ents fo r an o rd in ary structural e n g i­ neer. This vo lum e contains three pap ers d ea lin g with the durab ility o f re inforced concrete structures a n d with som e of the present re­ search a n d d ev e lo p m en t activities in ou r N a ­ tional Building an d Civil eng ineering Institute Z A G , w hich a re re la ted to the assessm ent of the d u rab ility , safety a n d g en era l a d e q u a c y of existing d e te rio ra te d bridges. The first p a p e r a ttem pts to synthetize basic technical k n o w le d g e a n d current eng ineering exp erien ce reg ard in g the durability c h a ra c te ­ ristics of concrete a n d concrete structures an d g ive to the construction en g in eer the theoretical b ac kg ro u n d an d practica l g u id e for the durab ility design of n ew structures, as w ell as fo r the assessm ent of the actual condition of existing d e te rio ra ted structures, w hich in certain cases can be expressed as rem aining service life. T raditional assurance of durab ility b as ed on u p d ated technical rules an d gu idelines , a n d a d v a n c e d a lte rn a ­ tive m ethods fo r the prediction of service life a re p resented. The im p ro ved p erfo rm an ce of structures exp o sed to severe envirom ents can n o t b e ach ieved by im proving the m ateria l characteristics a lo n e , but must include a lso the e lem ents of architectural an d structural design, p ro p e r m ethods of execution, inspec­ tion an d preventive m ain tenance. In the last c o u p le o f years the research activities a t Z A G h av e focussed on the asses­ sm ent of existing concrete bridges. The need fo r a system atic a p p ro a c h to the realistic assessm ent o f existing structures reg ard in g their durab ility a n d /o r safety is n am ely ev i­ dent. It should p ro v id e possibly q u an tita tive in form ation a b o u t the condition of a d e te rio ­ rated structure w hich the o w n er o f the struc­ ture w o u ld need w h en he has to ta k e the decision a b o u t necessary further actions. W ith in the research pro ject m ethods for the classification o f types o f d a m a g e a n d c a te g o ­ risation o f d e te rio ra te d structures, as w ell as fo r determ in ing of d ifferent p aram ete rs q u a n ­ tifying the b rid g e condition a n d p erfo rm an ce h ave b een d e v e lo p e d . These p aram ete rs a re the condition rating expressing the d e g re e of d ete rio ra tio n , the safety index a n d rating fac to r ind icating the safety level, a n d the a d e q u a c y rating by w hich the o vera ll suffi­ ciency o f a b rid g e structure can be e v a lu a te d . They can b e d e te rm in ed by d a ta of the in -dep th inspection a n d in-situ testing. V nas lednjem prispevku je p rik aza n a uspešna u p o ra b a nevronskih m rež pri d o lo čan ju k a te ­ g o rije poško do van o sti in ra ting a ustreznosti. O b a p a ra m e tra sta n am reč kom bin iran i vrednosti več neodvisnih sprem enljivk, ta m e ­ to d a p a je ze lo prim erna za reševan je v e č p a - ram etričnih p ro b lem ov . Tretje m ožno p o ­ d ro č je u p o rab e nevronskih m rež je m o d e lira ­ nje p ro d iran ja k loridov v nestacionarn ih o k o ­ liščinah, npr. pri d e lo van ju talilnih soli na ze lo izpostavljene e lem en te m ostu. Z ad n ji prispevek p o d ro b n o o b ra v n a v a o c e ­ n jevan je rea lne varnosti m ostov, z u p o š te v a ­ njem d e jan ske nosilnosti kritičnih p rerezo v , u g otov ljene v okviru d e ta jln e g a p re g le d a , in d ejan ske m aksim alne o b te žb e , ki se m eri z m e to d o teh tan ja vozil m ed vožnjo čez m ost (B rid g e -w e ig h -in -m o tio n ), m o d elira p a s p o ­ s topkom sim ulacije. The fo llow ing p a p e r shows the successful ap p lica tio n of the neural netw ork-like m ethod fo r determ ination of the d e terio ra tio n c a te ­ g o ry an d of the a d e q u a c y rating. Both p a r a ­ m eters a re n am ely com bined values derived from a num ber of in d ep en d en t v a ria b le s , an d this m ethod seem s to be the m ost a p p ro p ria te fo r solving m ulti-p aram etric p rob lem s. The third possible ap p lica tio n o f the neura l net­ w orks could be in m odelling the d ep th of ingress of chloride ions in re lation to tim e in n o n -s ta tio nary env ironm enta l conditions, a p ­ pearin g e .g . in the case of de ic ing salts in very exposed b rid g e elem ents. The last p a p e r discusses in d eta il the e v a lu a ­ tion of the actu a l safety of b rid g e structures, by tak ing into a cco u n t the true b ea rin g c a p a ­ city of critical sections as assessed by the in -dep th inspection, an d the actu a l m axim um loads as m easured by the B rid g e -w e ig h -in - m otion system a n d m od elled by a sim ulation pro ced u re . Jaš Ž n idarič TRAJNOST ARMIRANOBETONSKIH KONSTRUKCIJ Durability of reinforced concrete structures UDK 691.3 + 69.059.4 JAŠ ŽNIDARIČ P O V Z E T E K -........— -=*.............. .......1 V I. de lu je podan preg led stanja stroke pri p ro je k tira n ju in za g o ta v lja n ju tra jn o s ti ko n s tru kc ij iz a rm iranega in p rednapetega be tona. O b d e la n i so n a jp om e m b n e jš i agresivn i v p liv i na be to n : m ehanski, f iz ik a ln i, ke m ičn i in e le k tro ke m ičn i te r b io lo š k i. O p isa n i so g la vn i f iz ik a ln i p rocesi, k i o m o g o ča jo p e n e tra c ijo ag res ivn ih te ko č in in p lin o v v p o ro zn o s truk tu ro cem entnega kam na (d ifu z ija , v p ija n je in tečen je pod p ritis ko m ), kako r tu d i transpo rtn i m e h a n izm i v lage iz naravnega o k o lja . M ed ag res ivn im i v p liv i je nam en jena posebna p o zo rn o s t n a jb o lj pogostim v z ro ko m poškodb na betonsk ih ko n s tru kc ija h , t . j. k o ro z iji a rm a tu re in z m rz o v a n ju -o d ta lje v a n ju be tona. Za p ro je k tira n je tra jn o s ti sta na razpo lago dva p ris to p a : tra d ic io n a ln i, k i te m e lji p redvsem na izkus tvu , in a lte rn a tiv n i, ki za iz ra ža n je odpo rnos ti be tona na posam ezne agresivne v p liv e u p o ra b lja m a tem a tične m o d e le . Z a g o ta v lja n je tra jn o s ti s tra d ic io n a ln im m o d e lo m s lon i na p re d p is ih in n a v o d ilih za d e b e lin o zaščitnega s lo ja nad a rm a tu ro , za sestavo betona pri d o lo če n i s topn ji izp o s ta v lje n o s ti be tonske ko n s tru kc ije , za o b lik o v a n je ko n s tru kc ijs k ih e le m e n to v in za doda tne in posebne zašč itne ukrepe . S tega p o d ro č ja so p reds tav ljene na jnove jše sm ern ice iz osnutka evropskega standarda prEN 2 0 6 . A lte rn a tiv n i p ris top pri p ro je k tira n ju tra jnos ti v k l ju č u je : a) e m p ir ič n e o b ra zce , ki p re d s ta v lja jo p rehod od tra d ic io n a ln e g a k in žen irskem u ob ra vn a va n ju tra jn o s ti, b) fiz ič n e m o d e le za s im u lira n je ko n k re tn ih p ro b le m o v in c) m a tem a tične m ode le d e lo va n ja agres ivn ih v p liv o v na be ton . Ker je k o ro z ija a rm atu re p re v la d u jo č i v z ro k za v e č in o poškodb na be tonsk ih ko n s tru kc ija h , se na jveč po zo rn o s ti nam en ja m o d e lo m za n a p re dovan je ka rb o n a tiz a c ije in p ro d ira n je k lo r id o v , ki so tu d i o p isa n i. Z n jim i se oce n i čas do dep a s iva c ije a rm a tu re , t . i . za če tno fazo procesa k o ro z ije , ki se tu d i šteje za p ro je k tira n o ž iv lje n js k o d o b o , m ed tem ko se p ri o ce n je va n ju preosta le ž iv lje n js k e dobe o b s to je č ih ko n s tru kc ij o b ič a jn o upošteva tu d i p r im e rn i de l faze š ir je n ja a k tivn e ko ro z ije . V II. d e lu so p rika za n i pos topk i u g o ta v lja n ja stan ja ob s to je č ih be tonsk ih ko n s tru kc ij in o ce n je va n je ustreznosti cestn ih m ostov v S lo ve n iji. S tanje in za n e s ljivo s t o b s to je č ih be tonsk ih ko n s tru kc ij se u g o ta v lja po po treb i a li s istem sko, ko t np r. sestavni del u p ra v lja n ja z m ostov i. C il j i u g o ta v lja n ja so d o lo č ite v s topn je a li ka tego rije p o škodovanos ti, d o lo č ite v resn ične nos ilnos ti k r it ič n ih p re rezov za o ce n o va rnos ti ko n s tru k ­ c ije , ocena preosta le ž iv lje n js k e dobe in /a li d o lo č ite v jakosti in obsega poško d b za iz d e la v o p ro je k ta sanac ije . U g o ta v lja n je stan ja o b ič a jn o sestoji iz p reg leda ko n s tru kc ije , ki m u g lede na nam en ocene in po po treb i s ledi izvedba pre iskav za p rid o b ite v p o trebn ih p o d a tko v . Podan je p reg led upo rabnos ti n a jp rim e rn e jš ih , v e č in o m a neporušn ih p re iskav lastnosti in s truktu re be tona te r p o lo ž a ja in s tan ja a rm a tu re , kako r tu d i m e d n a rod n o usk la je n ih k r ite r ije v za oce n o kakovosti be tona in a rm a tu re na p o d lag i re zu lta to v teh p re iskav. K rite r iji se ko ris tn o u p o ra b lja jo za k v a n tif ic ira n o k a te g o riz a c ijo o b je k to v g lede na s to p n jo poškodovanos ti. D o lo č ite v ka tego rije poškodovanosti o b je k ta o z . ra zd e lite v več jega o b je k ta na p re d v id e n e ka te g o rije poškodovanosti je pod laga za p rvo g ro b o oceno stroškov sanac ije , in za o ce n o preosta le ž iv lje n js k e dob e o b je k ta a li n je g ov ih de lov . Avtor: • Jaš Žnidarič, dipl.inž.gradb., Zavod za gradbeništvo - ZRMK, Dimičeva 12, Ljubljana N a koncu je p rikazan sistem p re g ledovan ja in o ce n jeva n ja stanja m ostov v S lo ve n iji, ki sm o ga ra zv ili pred nekaj le ti za po trebe cestne uprave in ka za lc i stanja m ostov, ki se u p o ra b lja jo za o ce n jeva n je n jih o ve ustreznosti. Ta vsebu je d o lo č ite v ne o d v isn ih pa ram e trov stanja in obnašan ja m ostne ko n s tru kc ije . To so ra ting poškodovanosti, va rnos tn i indeks o z . ra ting fa k to r za oceno de janske varnosti, p reosta la ž iv lje n js k a doba in fu n k c io n a ln o s t m ostu v cestn i m re ž i. Za c e lo v ito p reso jo ustreznosti mostu je n u jn o te param etre z d ru ž it i v eno sam o v rednost, k i se im e n u je ra ting ustreznosti. Razvita je b ila m etoda z u p o rabo nevronsk ih m rež, ki te m e lji na n e p a ra m e tričn i v e č d im e n z io n a ln i regresiji. P rim erna je tu d i za k v a n tif ic ira n o ka te g o riza c ijo p o ško d o va n ih o b m o č ij na be tonsk ih kons trukc ijah . DURABILITY OF REINFORCED CONCRETE STRUCTURES S U M M A R Y ~ ~ ' ~~" ' ' ■ - ■ In the firs t part, the s ta te -o f-the -a rt in the fie ld o f the design and the assurance o f the d u ra b ility o f re in fo rced and prestressed co ncre te structures is presented. The m ost s ig n ifica n t aggressive actions on co ncre te are d iscussed: m e ch a n ica l, p h ys ica l, ch e m ica l and e le c tro ch e m ica l, and b io lo g ic a l. The m a in phys ica l processes c o n tro llin g the pene tra tion o f aggressive w a te r so lu tions and gases in to the porous c e m e n t paste structure (d iffus ion , a b so rp tio n and f lo w ), as w e ll as the transpo rt m echan ism s o f w a te r and m o is tu re from the su rround ing e n v iro n m e n t, are described . S pecia l a tten tion is g iven to the m ost fre q u e n t causes o f d e te rio ra tion i.e . re in fo rce m e n t co rro s io n and fro s t ac tion . T w o approaches fo r the design o f d u ra b ility are n o w possib le and a va ila b le : the tra d it io n a l app roach based on long-te rm e xp e rie n ce , and th e a lte rn a tive app roach , a p p ly in g m a them atica l m o d e llin g o f aggressive actions and o f the resistance o f co n c re te to va rious d e te r io ra tio n m echanism s. The tra d it io n a l assurance o f d u ra b ility com prises the ru les and g u id e lin e s fo r the m in im u m depth o f co ncre te cove r, the co m p o s itio n o f co ncre te fo r each exposure class, the d e ta ilin g o f s truc tu ra l e lem ents and the a p p lica tio n o f specia l p ro te c tive measures. The ru les fo r th e d u ra b ility design spec ified by th e new p re lim in a ry European standard prEN 2 0 6 are presented. The a lte rna tive m ethods in d u ra b ility design in c lu d e a) e m p irica l m a them atica l expressions, w h ic h represent the tra n s itio n fro m the firs t to the second a pp roach , b) m ethods based on p roven tests, s im u la tin g pe rfo rm ance o f con c re te in actua l co n d itio n s , and c) m ethods based on a n a ly tica l m ode ls , w h ic h have been ca lib ra ted aga inst test data representing the aggressive co n d itio n s . As re in fo rce m e n t co rro s io n appears to be the p re va ilin g cause fo r co ncre te d e te r io ra tio n , the m ain a tten tion is g iven to a n a ly tica l m odels d e scrib ing the progress o f ca rb o n a tio n and the pene tra tion o f ch lo rid e s , w h ic h are a lso in c lu d e d in th is report. They are b a s ica lly used fo r the e s tim a tio n o f d u ra tio n o f the in it ia t io n phase, w h e n the depass iva tion o f the re in fo rce m e n t is reached. This p e riod o f tim e is usua lly cons idered to be the design serv ice life , w h ile the re m a in in g serv ice life o f ex is ting s tructures can be reasonab ly ex tended in to the p ropaga tion phase o f co rros ion . The second part deals w ith the m ethods fo r the assessment o f the c o n d it io n o f ex is ting co ncre te structures and fo r the appra isa l and ra ting o f the a d e quacy o f road bridges in S loven ia . The c o n d it io n and the re lia b ility o f ex is ting co n c re te structures is assessed e ith e r if so requ ired by the o w n e r, o r sys tem a tica lly e .g. as part o f the b ridge m anagem ent system . The goals o f the assessment o f a structu re are : c o n d itio n ra ting o r c o n d itio n ca tego risa tion , d e te rm in a tio n o f the true load ca rry in g ca p a c ity o f c r it ic a l sections needed fo r the e va lu a tio n o f s tructu ra l safety, e s tim a tio n o f the re m a in in g service life a n d /o r d e te rm in a tio n o f the degree and e x te n t o f dam ages needed fo r the design and es tim a tion o f repa ir w o rks . The assessment inc ludes inspection o f the s tructu re , w h ic h is u su a lly fo llo w e d by in -s itu testing to p ro v id e the necessary data fo r the p lanned o b je c tiv e o f the assessment. A survey o f a va ila b le , m ostly no n -d e s tru c tive testing m ethods to exam ine the p rope rties and the s truc tu re o f concre te , as w e ll as the p o s ition and c o n d itio n o f re in fo rc in g steel, to ge the r w ith the re la ted in te rn a tio n a lly accep ted c rite r ia fo r the appra isa l o f the q u a lity o f b u ilt- in co ncre te and re in fo rce m e n t is g iven . These testing m ethods and the re la tive c r ite r ia are used to c lassify the de tec ted dam age and to ca tegorise the degraded areas on s tructu ra l m em bers. Such q u a n tita tive ca tego risa tion o f a s truc tu re o r o f its p o rtio n s w ith the same degree o f d e te r io ra tio n is a too l fo r the e va lu a tio n o f the re m a in in g serv ice life o f in d iv id u a l parts o f the structure , as w e ll as fo r the firs t rough e s tim a tion o f re p a ir costs. In c o n c lu s io n , the system o f in spec tion and assessment o f bridges w h ic h has been d e ve lop e d to c o m p ly w ith the needs o f th e S loven ian road a u th o r ity is presented. It in c ludes the d e te rm in a tio n o f independen t param eters in d ic a tin g the pe rfo rm ance o f a b rid g e s truc tu re : the c o n d it io n ra ting , the safety in d e x o r the ra tin g fa c to r to es tim ate the structura l safety, th e re m a in in g service life and the fu n c t io n a lity o f the b ridge in the road ne tw o rk . To judge the ove ra ll adequacy o f a b ridge these param eters shou ld be trans fo rm ed in to one s ing le va lu e ca lle d the adequacy ra ting . A p rocedu re to de te rm ine th is ra ting va lu e has been d eve loped by a p p ly in g a general statistica l app ro a ch kn o w n as the neura l n e tw o rk - lik e m e th o d , based upon no n -p a ra m e tric m u ltid im e n s io n a l regression. A s im ila r p rocedu re has been a p p lie d to the q u a n tita tiv e ca tego risa tion o f degraded areas on concre te structures. flD © E L o T E ® ^ i T D Č [ M E @ m W E M T E Ä Ä @ S T Q UVOD Splošno Beton je do nedavno veljal za trajno gradivo, ki ga je potrebno le minimalno vzdrževati. Sedaj pa na objektih v mestnem in industrijskem okolju, zlasti pa na mostovih, ki jih pozimi solijo zaradi poledice, že po dvajsetih letih uporabe ugotavljamo večje ali manjše poškodbe. Najpo- gostnejše poškodbe so razni izločki in poškodbe zaščitne plasti nad armaturo (razpokanost, luščenje in odpadanje) zaradi korozije armature. Glavni vzroki za nastanek teh poškodb so: • pospešena karbonatizacija betona, zlasti na prometnih poteh in v mestih, kjer je koncentracija ogljikovega diok­ sida tudi desetkrat večja od normalne; karbonatizacija pa je eden od vzrokov za znižanje alkalnosti betona, ki jekleni armaturi nudi pasivno zaščito pred korozijo, • kloridi v soleh za odtaljevanje vozišč in v morski vodi oz. v priobalni atmosferi, ki še hitreje uničijo pasivno zaščito (depasivizirajo) vgrajene armature, • temperaturne spremembe in delovanje mraza, zlasti v prisotnosti talilnih soli, ker povzročajo razpadanje cemen­ tnega kamna, • delovanje mehke vode in vode z veliko količino pro­ stega C02, ker razgrajuje cementni kamen in zmanjšuje gostoto betona. Razpadanje betona je v večini primerov kombinacija več vplivov. Zgoraj naštetim se pogosto pridružijo še krčenje in lezenje betona, slaba zasnova in izvedba konstrukcije in njenih detajlov ter napake pri gradnji. S problemi trajnosti betonskih konstrukcij se srečujemo na treh področjih, in sicer pri: 1. projektiranju in zagotavljanju trajnosti oz. življenjske dobe novih konstrukcij, 2. ugotavljanju stanja in napovedovanju preostale živ­ ljenjske dobe obstoječih konstrukcij, 3. projektiranju sanacij, zlasti če se je kakovost betona in armature že toliko zmanjšala, da je vprašljiva varnost konstrukcije. Trajnost ni absolutna lastnost konstrukcije, ki bi jo bilo mogoče enostavno računsko ovrednotiti, ampak je odvi­ sna od: • odpornosti samega betona na agresivne vplive okolja; lastnosti, ki zagotavljajo odpornost betona na agresivne vplive, so poleg trdnosti in deformabilnosti najpomem­ bnejši parametri njegove kakovosti, • kakovosti izdelave oz. gradnje, • oblike in geometrije prereza, oziroma načina oblikova­ nja detajlov konstrukcije, ki so posebej občutljivi za agresivne vplive okolja. Trajnosti ni mogoče neposredno meriti, zato se običajno opisuje z življenjsko dobo konstrukcije. To je čas, ko je zanesljivost (varnost in uporabnost) konstrukcije še iznad določene minimalne in še sprejemljive vrednosti oz. ravni (slika 1). Merljivi pa so nekateri parametri odpornosti betona na določene agresivne vplive okolja. Zanesljivost Z Slika 1. Shematski prikaz trajnosti in življenjske dobe armiranobe­ tonskih konstrukcij, izpostavljenih agresivnemu okolju. I - na začetku predimenzionirana konstrukcija; II - občasno obnavljana ali ojačena konstrukcija; III - po obnovi dodatno zaščitena konstrukcija; IV - konstrukcija, ki se uporablja s povečanim tveganjem; V - že med gradnjo dodatno zaščitena konstrukcija. Odpornost betona na agresivne vplive in mehanizmi razpadanja Odpornost pomeni sposobnost materiala, da se med uporabo upira spremembam lastnosti in razpadanju zaradi agresivnih vplivov. Pri tem gre običajno za zelo zapletene procese oz. mehanizme razpadanja. Odpornost betona je odvisna od: • uporabljenih materialov ter sestave in strukture betona, • vrste in intenzivnosti zunanjih vplivov na konstrukcijo. Konstrukcija iz iste vrste betona ima lahko pri različnih zunanjih vplivih različno odpornost na agresivne vplive in zato različno življenjsko dobo. Nekdaj je veljalo, da so lastnosti, ki lahko vplivajo na odpornost kakega materiala in tudi betona, povezane predvsem z njegovo, najpogosteje kemično sestavo. Na primer, kemična odpornost betona proti delovanju morske vode ali sulfatov se je tradicionalno izboljševala z uporabo posebne vrste cementa, ki je odpornejši na delovanje sulfatov. Nove preiskave so pokazale, da se enaka ali boljša odpornost lahko doseže z izboljšanjem strukture cementnega kamna tako, da se zmanjša vodocementno razmerje in s tem poroznost cementnega kamna, ter da se cementu ali betonu doda nek učinkovit dodatek, npr.amorfni silicij (mikrosilika). Mehanizmi razpadanja (degradacije) so procesi ali reakci­ je, ki spreminjajo lastnosti materiala ali celotnega gradbe­ nega elementa. V naravnem okolju so procesi razpadanja materiala dolgotrajni in rezultat niza okoliščin, ki jih ne moremo spremljati v celoti, zato je pravi mehanizem razpadanja pogosto težko identificirati. Kjer nastopajo sinergetski učinki, je razpadanje materiala kombinacija več vzporednih procesov. Razpadanje betona se lahko pojavi na površini ali v notranjosti konstrukcijskega elementa in v zelo različnih pojavnih oblikah, kot so na primer sprememba barve, poškodba površine, drobljenje, povečanje prepustnosti, izluževanje sestavin, razpoke, nabrekanje ali krčenje, mehčanje strukture. Nekatere procese razpadanja je možno po tipičnih znakih hitro opaziti in prepoznati, zelo pogosto pa se razpadanje opazi šele, ko je neki proces že zelo napredoval. Dobro poznavanje mehanizmov razpadanja je zlasti po­ membno pri ugotavljanju stanja poškodovanih konstrukcij in zasnovi sanacije poškodovanih objektov, pa tudi pri projektiranju in zagotavljanju trajnosti zahtevnih objektov. Projektiranje in zagotavljanje trajnosti Tradicionalni pristop Med tem ko so postopki računanja nosilnosti, stabilnosti in deformacij armiranih in prednapetih betonskih konstruk­ cij dobro definirani in temeljijo na načelih tehnične meha­ nike in teorije verjetnosti, se njihova trajnost še vedno v glavnem obravnava na podlagi izkušenj in tradicionalnih pravil stroke. Veljavni in tudi novi evropski predpisi za projektiranje in izvajanje armiranobetonskih in prednapetih konstrukcij obravnavajo vprašanja trajnosti tako, da predpisujejo določene lastnosti betona in/ali parametre njegove sesta­ ve, ki so iz izkušenj pomembni za njegovo odpornost (minimalna MB, maksimalno dovoljeno vodocementno razmerje v/c, minimalna potrebna količina cementa, aeri- ranje in drugo). Poleg tega zahtevajo skrbno in dosledno izvedbo postopkov vgrajevanja in negovanja. Obstajajo tudi priporočila oz. navodila za oblikovanje in izvedbo detajlov konstrukcij, ki so izpostavljene delovanju agresiv­ nega okolja. Alternativni racionalistični pristop Pri projektiranju in gradnji zahtevnejših betonskih kon­ strukcij te tradicionalne metode zagotavljanja trajnosti ne zadoščajo več. Analiziranje parametrov odpornosti betona na predvidene agresivne vplive je namreč za zanesljivost konstrukcije enako pomembno kot analiza napetosti v konstrukciji. Za ta namen je potrebno uporabiti alterna­ tivne racionalistične (razumske) metode projektiranja traj­ nosti, t.i. inženirski koncept, ki temelji na: a) podatkih preiskav, ki ponazarjajo obnašanje in meha­ nizem razpadanja betona zaradi agresivnih vplivov v poznanem okolju b) uporabi analitičnih modelov za: • delovanje fizikalnih in kemičnih vplivov, ki povzročajo razpadanje betona in armature in pomenijo pri projektira­ nju trajnosti obremenitev betona, • mehanizme transporta agresivnih snovi v strukturi ce­ mentnega kamna, ki pogojujejo odpornost betona na zunanje agresivne vplive. Čeprav so temeljni fizikalni zakoni za večino procesov, ki povzročajo razpadanje betona in armature, že dalj časa znani, so se šele v zadnjem desetletju pojavili prvi predlogi analitičnih modelov računanja življenjske dobe za nekatere agresivne vplive, npr. za delovanje posame­ znih kemično agresivnih snovi, korozijo armature, delova­ nje nizkih temperatur (zmrzovanje-odtaljevanje). Trenutno so raziskave osredotočene na iskanje uporabnih modelov za opis agresivnih vplivov, ki imajo za posledico korozijo armature, ker je le-ta prevladujoči vzrok razpadanja armi­ ranobetonskih konstrukcij. To sta karbonatizacija betona in, zlasti pri betonskih objektih na cestah in ob morju, prodor kloridov. Projektiranje trajnosti in napovedovanje življenjske dobe z alternativnimi metodami bo moralo postati sestavni del projektne dokumentacije zahtevnih novih objektov, napo­ vedovanje preostale življenjske dobe obstoječih objektov pa pomemben faktor odločanja pri gospodarjenju z objekti, zlasti z mostovi. Novi prEN 206 /6/ odpira vrata tem alternativnim meto­ dam. V posebnem informativnem dodatku.podaja načela in ključne predpostavke za njihovo neobvezno uporabo. Harmonizacije, t.j. obvezne uporabe teh metod na evrop­ ski ravni, pa seveda še nekaj časa ni pričakovati. AGRESIVNI VPLIVI NA BETON IN POVZROČITELJI RAZPADANJA ARMIRANEGA BETONA Vrste agresivnih vplivov Med uporabo konstrukcije je beton izpostavljen podneb­ nim in tudi drugim agresivnim vplivom iz okolja ali zaradi uporabe. Le-te delimo v štiri skupine: • mehanski, • fizikalni, • kemični in elektrokemični, • biološki. Za navedene štiri najpomembnejše agresivne vplive na beton so na sliki 2 prikazani: • v srednjem krogu: - povzročitelj oz. izvor vsakega agresivnega vpliva, • v zunanjem krogu: - posledice njihovega delovanja na armirani beton, ki se kažejo kot razpoke, zmanjšanje gostote, razpadanje, luščenje, nabrekanje, odpadanje in podobno. Prodiranje agresivnih snovi v cementni kamen Splošno Razpadanje betona zaradi kemičnih in fizikalnih vplivov je v prvi vrsti posledica prodiranja (penetracije) agresivnih snovi v porozno strukturo betona s fizikalnimi procesi: • vpijanja (absorpcije), • difuzije in • tečenja pod pritiskom. Ti procesi lahko potekajo le v vodi, zato je za korozijo betona prisotnost vlage oziroma vode v porah cemen­ tnega kamna odločilna. Stopnja kemične agresivnosti na beton je odvisna od vrste in koncentracije agresivne snovi, nanjo pa dodatno vpli­ vajo tudi naslednje okoliščine: • hitrost toka vode, ki vsebuje agresivne snovi in izpla- kuje sestavine cementnega kamna in apno iz porne vode; od hitrosti vode je odvisna hitrost prinašanja agresivnih snovi in odnašanja topnih produktov korozije betona, • pogostost menjave vodostaja, ker prihaja po vsakem umiku vode do povečane koncentracije agresivnih snovi; • trajanje delovanja agresivnega okolja, Odklon zaščitnega sloja Razpoke Luščenje Vraščanje Erozija Preobremenitev MEHANIČNOBIOLOŠKO Ciklična Obremenitev Nenadni udarciPreoblikovanje čvrstih komponent Deformacije D E LO V A N JE O K O LJA NA BETO N Slika 2. Agresivni vplivi na beton, njihovi povzročitelji in posledice Preglednica 1. Vrste in velikosti por in zakoni prenosa snovi v betonu • enostranski pritisk na element, ker pospešuje vnos agresivnih snovi, • povišana temperatura, ker pospešuje kemične proce­ se, • srednja debelina betonskega elementa, opredeljena kot razmerje med njegovo prostornino in površino, izpo­ stavljeno agresivnemu vplivu. Poroznost cementnega kamna Intenzivnost procesov vpijanja, difuzije in tečenja je odvi­ sna od sistema por in količine vode v njih (vlažnosti betona). V kompozitu kakršen je beton, se velikosti trdnih delcev in por gibljejo v razponu sedmih velikostnih razre­ dov (preglednica 1). Glede na velikost in funkcijo v strukturi betona razlikujemo tri vrste por: • pore v agregatu, • gelne in kapilarne pore v cementnem kamnu, • pore v prehodnem- območju, na stiku cementnega kamna in večjih zrn agregata. Količina kapilarnih por je odvisna od v/c vrednosti. Pri povečani količini kapilarnih por se poveča prepustnost betona, s tem pa se bistveno zmanjša njegova odpornost na kemične in fizikalne agresivne vplive. Slika 3 prikazuje odvisnost med prepustnostjo vode in odstotkom kapilarnih por v cementnem kamnu oz. med prepustnostjo in v/c vrednostjo ter stopnjo hidratacije, ki .je pogojena s staros­ tjo in nego betona. V prehodnem območju prihaja, v primerjavi s sestavo osnovnega cementnega kamna, do povečanega deleža vseh vrst por pa tudi do drugih napak in mikrorazpok v cementnem kamnu (slika 4). Zato je očitno, da je treba iskati izboljšanje odpornosti betona proti koroziji in zmrzo­ vanju ter drugim poškodbam, ki so posledica prodiranja tekočin v beton, v izboljšanju kakovosti prehodnega ob­ močja. Pore v betonu se lahko delijo še na: • površinske in • notranje, ki so lahko zaprte ali odprte in med seboj povezane. odstotek kapilarnih por (v.%) Slika 3. Odvisnost med prepustnostjo in v/c vrednostjo AGREGAT < prehodno območje c - S -H CH y ^ osnovni cementni > kamen c-A-š-H (etrlngrt) 0 Slika 4. Model prehodnega območja Značilne zaprte pore so zračne pore ali mikro pore, ki jih tvori kemični dodatek - aerant. So sorazmerno velike, desetkrat večje od kapilarnih, obdane pa so z opno in prekinjajo kapilarne pore. Tako preprečujejo direktni pre­ nos tekočin, pri zmrzovanju-odtaljevanju pa omogočajo sproščanje pritiskov ledu na cementni kamen. (Glej: Zmrzovanje v prisotnosti soli za odtaljevanje) Fizikalni procesi penetracije Difuzija Difuzija je gibanje snovi skozi beton zaradi kemičnega, vlažnostnega ali temperaturnega potenciala, proces pa se opisuje s Fickovimi zakoni. Ce se koncentracija snovi po preseku betona s časom menja, kar je običajna situacija v betonskih elementih, izpostavljenih difuziji agre­ sivnih snovi, opisuje ta pojav drugi Fickov zakon: dt dx~ (En. 1) kjer pomenijo: 5C dt d2C — - sprememba koncentracije s časom dx2 D sprememba koncentracije po preseku koeficient difuzije (m2/s) Za konkretne in poznane robne oz. začetne pogoje se gornja enačba rešuje numerično. Za enostavnejše geome­ trijske oblike in stacionarne pogoje prodiranja agresivnih medijev pridejo v poštev rešitve v zaprti obliki: ( 'x - Q 1 - erf i j o t (En. 2) X t Co kjer pomenijo: - opazovana globina v mm - čas v sekundah - začetna koncentracija, izražena v % na maso betona ali cementa Cx - kritična koncentracija, izražena v % na maso be­ tona ali cementa erf - funkcija napake Značilna primera gibanja snovi skozi beton po zakonu difuzije sta difuzija klorovih ionov (slika 5) in karbonatiza- cija zaradi prostega C02 v zraku (slika 9). Transport vlage z difuzijo je možen skozi mikrokapilare, gelne pore in pore zajetega zraka. Najpogosteje nastopijo kombinirani vplivi gradientov zaradi različnih koncentracij vlage ali raztopin in zaradi temperaturnih razlik. Slika 5. Prodiranje kloridov v beton z difuzijo Vpijanje ali absorpcija Količina vpijanja vode qa v času t je odvisna od kapilarne poroznosti in je sorazmerna koeficientu kapilarnega vpija­ nja A, ki se izraža v kg/m2-s°'5 in določi s preskusom. A 1 Ha ~ ^ ^ (En. 3) Pri kapilarnem vpijanju sta pomembna dva pojava: kapi­ larni pritisk in odpor proti kapilarnemu toku. Oba sta odvisna od velikosti polmera kapilar (r). Kapilarne sile, ki dvigajo vodo, so v ravnotežju s težo vode vodnega stolpca: gk = g -g -h. Da bi prišlo do ravnotežja kapilarnih sil in teže vodnega stolpca, je potreben določen čas, ker dvigu vode v porah nasprotuje trenje na stenah. Dejanski kapilarni dvig je odvisen od spremenljive geometrije kapi­ lar in od tega, ali gre za vlaženje ali sušenje betona. V vodi, ki se v kapilari dvigne, pa nastaja podtlak. Iz smeri kapilarnih sil je razvidno, da bo beton vodo zelo hitro vpijal (absorpcija), med sušenjem pa jo bo zaradi podtlaka v kapilarah zelo počasi oddajal (desorpbcija). E of š ■5 mm 1CH 10* 1CF 109 10'°- GROBE PORE / / / / J MAKROKAPILARE / // KAPILARE \ \ \ o 9 MIKROKAPILARE --- -- -̂-- --- - \ ■ \ \ N EP R O ­ PU ST N O SL AB O PR O PU ST I P C0 Z) CL O cc CL MEZOPORE MIKROPORE 10’2 10° 10« 103 1 Koeficient propustnosti (m/s) Slika 6. Vodoprepustnost, izražena s koeficientom po Darcyju v odvisnosti od polmera kapilar Prepustnost se zmanjšuje s kvadratom polmera por (slika 6). Za transport vode z delovanjem kapilarnih sil so prepustne makrokapilare in kapilare. Tečenje pod pritiskom Tečenje pod zunanjim pritiskom se opisuje z Darcyjevim zakonom: h x A L (En. 5) kjer pomenijo: q - pretok (litri), k - koeficient prepustnosti (m/s) h - sprememba pritiska na dolžini L (metri vodnega stolpca), A - površina pretočnega preseka (m2), L - dolžina pretoka (m) Koeficient prepustnosti vode, ki znaša od 1CT8 do 1CT10m/s, ni najbolj primeren parameter za karakterizacijo betona. Standardne preiskave vodoprepustnosti po JUS U.M1.016 ali DIN 1048 namreč lahko ločijo le zelo slabe od dobrih betonov. Bolj zanesljiv vpogled v odprto in povezano strukturo por v betonu dajejo preiskave prepustnosti plinov, vendar so rezultati teh meritev zelo odvisni od vlažnosti betona. Specifični koeficient prepustnosti plinov k se lahko, odvi­ sno od sestave betona, stopnje hidratacije in kakovosti negovanja, spreminja v mejah od 10-14 do 1CT19 m2 (glej preglednico 1). Transportni mehanizmi vlage iz naravnega okolja Na slikah 7-a do 7-c so shematično prikazani naravni mehanizmi, ki omogočajo transport in vstop vode v strukturo betona oz. cementnega kamna. To so: Slika 7-a. Transportni mehanizem vode v primeru vlažnega zraka • v primeru vlažnega zraka, prodiranje (penetracija) vod­ nih hlapov iz okolice z difuzijo (slika 7-a), • v primeru dežja, kapilarno sesanje in difuzija (slika 7-b), • v primeru potopljenega betona, kapilarno sesanje in hidravlični pritisk (slika 7-c). Količina vode oziroma vlage v betonu ima pri različnih vrstah korozije betona različen pomen (preglednica 2). Medtem ko kemična agresija napreduje toliko hitreje, kolikor več je vlage, napredujejo procesi zaradi difuzije plinov (npr. karbonatizacija) najhitreje, kadar pore betona niso napolnjene z vodo, ker je tedaj dostop plina (C02) iz okolice najhitrejši, obenem pa je na razpolago dovolj vlage za napredovanje kemične reakcije. Beton vodo hitreje vpija, kot pa se potem osuši. Zato je vlažnost betona običajno večja od povprečne relativne vlage okolice. Ciklična menjava stopnje vlažnosti močno pospešuje hitrost prodiranja topljivih agresivnih snovi v beton, ki se potem koncentrirajo v globini, do katere seže izparevanje. mn% spreminjanje vlaženja in sušenja (kvalitativno) relativna vsebina vode v površinski plasti i i j £ iv ) ■° ! ^ ! i- __i.... .... i______i__ ' Tvlaženjefsušenje4-vlaženje4“ Slika 7-b. Transportni mehanizem vode v primeru dežja gonilna sita za prenos vode izhtapevanje«kapilarni dvig . (hidravlični pritisk) Slika 7-c. Transportni mehanizem vode v primeru potopljenega betona Mehansko delovanje Med mehanske agresivne vplive štejejo zlasti: • preobremenitev razpoložljivega nosilnega prereza in ciklične obremenitve konstrukcije, katerih posledica so razpoke; njihova pojavna oblika se razlikuje glede na vrsto obremenitve prereza (nateg, strig, upogib, vzvoj, lokalni pritisk ali drugo) • udarci, ki imajo za posledico lome betona, • abrazivni učinki drsečih, udarjajočih in kotalečih se predmetov ali vozil, ki imajo za posledico obrabo (erozijo) površine, • kavitacija v obliki zajed na konstruktivnih elementih v tekoči vodi, ki so posledica neustrezne hidravlične obliko­ vanosti elementa, zaradi katere nastanejo vrtinci in zato podtlaki na površini betona. Cementni kamen ima razmeroma majhno odpornost na mehanske obremenitve. Odpornost betona na abrazijo se zato zagotavlja z uporabo na obrus odpornejšega agrega­ ta, primerno nizkim v/c razmerjem in kolikor mogoče majhno vsebnostjo cementne paste. Kemijsko in elektrokemijsko delovanje Korozija betona S korozijo betona označujemo procese razpadanja beto­ na, ki so posledica kemičnih reakcij agresivnih snovi iz okolja in sestavin cementnega kamna. Izvzete so alkalne reakcije agregata, ki lahko nastanejo s kasnejšimi kemič­ nimi reakcijami agregata in sestavin cementa, ter odlo­ žena in kasnejša hidratacija kristaliziranih CaO in MgO, če sta v cementu prisotna v prevelikih količinah. Glavne vrste korozije betona so posledica naslednjih kemičnih procesov in sprememb v betonu: • razgradnje hidratacijskih produktov, • preobrazbe čvrstih komponent, • nabrekanja trdne komponente, • alkalno agregatne reakcije. Razgradnja hidratacijskih produktov Največkrat gre za izluževanje kalcijevega hidroksida iz pome vode z mehko vodo (trdota < 1,1 mol/l), kar zmanjša gostoto in napravi strukturo cementnega kamna bolj porozno, zaradi česar se poveča prepustnost betona. Pri stalnem in močnejšem prehajanju mehke vode skozi beton, lahko v skrajnem primeru pride do razpadanja CS-hidrata. Primer te vrste korozijskega delovanja je pronicanje snežnice skozi ploščo, na kateri se tali sneg. Preobrazba čvrstih komponent in karbonatizacija betona Kadar na cementni kamen delujejo kisline ali soli, ki so nastale iz šibkih baz ali močnih kislin, se običajno tvorijo lahko topljive soli in voda. V teh reakcijah je kalcijev hidroksid znova najbolj zastopana spojina v betonu. Novo nastale spojine so nestabilne in običajno lahko topne, zato prihaja do razrahljanja strukture in povečanja prepustnosti ter zmanjšanja trdnosti korodiranega dela betona. Ta vrsta korozije nastopa pri betonu, ki je v stiku z mineralnimi vodami, kislinami, raztopinami soli pa tudi z zelo močnimi bazami. Posebej pomembno in zanimivo je delovanje ogljikove kisline na beton. Ogljikov dioksid se nahaja v vodi v več oblikah: kot trdno vezani C02 v karbonatih (npr. CaC03), kot delno vezani C02 v hidrokarbonatih (npr. Ca(HC03)2), kot ogljikova kislina in kot prosti C02 v zraku. Apno, ki se v betonu sprosti pri hidrolizi z ogljikovo kislino, prehaja v slabo topljivi karbonat: Ca(OH)2 + C 02 -ir CaC03 + H20 Ta pojav imenujemo karbonatizacija betona (slika 8). Slika 8. Shematični model karbonatizacije betona Nabrekanje čvrstih komponent Nekatere soli reagirajo po vstopu v strukturo betona z minerali cementa, novonastale spojine pa v svojo struk­ turo vežejo kristalno vodo, kar prostornino toliko poveča, da beton razpade. Najpogosteje navedena primera te vrste korozije sta sulfatna korozija in korozija zaradi morske vode, ki sta najdalj časa in najbolj obširno razi­ skani vrsti korozije betona. Korozija betona v morski vodi je rezultat več kemičnih reakcij, ki potekajo istočasno. Rezultat so različni procesi in minerali v posameznih slojih betonske površine (slika 9). Agresivnost morske vode je manjša, kot bi pričakovali na osnovi koncentracije škodljivih ionov. Po vsebini sulfatov naj bi bila morska voda zelo agresivna, tako da ne bi 6 5 4 3 2 1 Slika 9. Shema procesa ko­ rozije betona v morski vodi 1- morska voda 2- karbonatizirani sloj betona 3- delovanje sulfatov - v prvi vrsti MgSC>4 4- delovanje sulfatov - v prvi vrsti CaS04 5- delovanje sulfatov in kloridov 6- izluževanje betona smela priti v stik z betonom. Vendar so zaradi reakcij, pri katerih nastajajo netopne spojine, škodljive reakcije bi­ stveno upočasnjene. Glavni problem armiranobetonskih konstrukcij v morskem okolju je korozija armature, ki nastane zaradi delovanja kloridov. Najbolj kritična v tem pogledu so območja nihanja morske gladine in pljuskanja valov. Alkalno agregatna reakcija Obstaja več reakcij agregatov in alkalnih snovi, ki se nahajajo v cementnem kamnu ali naknadno vstopajo v beton iz okolja. Reakcije se razlikujejo po kemičnih procesih, produktih kemičnih reakcij in po posledicah za beton. Najbolj znani sta alkalnosilikatna in alkalnodolomitna reak­ cija. Čeprav so natrijevi in kalijevi oksidi v cementu prisotni le v majhnem deležu, lahko kot najmočnejše baze zelo močno reagirajo z določenimi reaktivnimi vrstami agregatov, kot so opal, roženec, andezit, riolit, zeolit in dolomitni apnenci. Poškodbe zaradi teh reakcij so zelo razširjene na objektih v Ameriki, Avstraliji, južni Afriki, severni Nemčiji in na Danskem, ki so bili zgrajeni v času, ko ta pojav še ni bil razjasnjen. Prej so te poškodbe pripisovali delovanju zmrzali ali krčenju in nabrekanju betona, torej procesom, ki so šele kasneje, po nastanku poškodb zaradi alkalnih reakcij agregata, dodatno pripo­ mogli k razpadanju betona. V naši državi do zdaj ni bil zabeležen niti en zanesljiv primer razpadanja betona zaradi alkalnih reakcij agregata, čeprav za to obstajajo pogoji. Korozija armature Korozija armature je zapleten elektrokemijski proces. Hitrost njenega napredovanja v betonu je odvisna od prepustnosti, električnega potenciala in električne uporno­ sti betona. Pasivna zaščita armature Kakovosten beton daje v normalnih pogojih okolja jeklu za armiranje dobro protikorozijsko zaščito, t.i. pasivno zaščito, ki deluje tako, da je na površino jekla v betonu trdno vezan zelo tanek sloj železovega oksida. Ta je kompakten in stabilen, dokler je pH vrednost betona okoli njega dovolj visoka (večja od 12). V hidratiziranem cementnem kamnu ustvarjajo bazičnost alkalni oksidi in kalcijev hidroksid, ki je eden od produktov hidratacije cementa. Dokler obstaja pasivna zaščita, jeklo ni izpostav­ ljeno koroziji. Prenehanje pasivne zaščite ali depasivacija pa nastopi: • če se zaradi karbonatizacije, izluževanja ali delovanja kislih raztopin zniža alkalnost betona (pH < 9,5), ali • če je količina kloridov v porni vodi okoli armature večja od določene, še sprejemljive vrednosti. Elektrokemijska korozija Pri elektrokemijskem procesu korozije nastajajo na po­ vršini jeklenih palic korozijske celice, anoda in katoda. BETO N - ELEK TROLIT 40H' ANODA KATODA 2Fe -> 2Fe2+ + 4e 4e + 0 2+ 2H20 -> 4 0 H 2Fe2+ + 40FT -> 2Fe(OH)2 Slika 10. Shematični prikaz procesa korozije armature v betonu Poenostavljeno je proces na takem galvanskem členku prikazan na sliki 10, na kateri so označeni tudi potekajoči kemični procesi. Na anodi se železovi ioni ločijo od elektronov in jeklo kasneje preide v enega od Fe-oksidov, elektroni pa se vežejo na katodi. Jeklo se torej razgradi le na anodni strani, katodni proces pa na jeklu ne povzroča poškodb. Galvanski proces lahko poteka le, če elektroni, ki nasta­ nejo z ionizacijo železa na anodi, tečejo proti katodi in če je na površini armature dovolj vode in kisika, da vežeta elektrone v OH“ ione. Za začetek korozijskega procesa jekla morajo zato biti izpolnjeni naslednji trije pogoji: • anoda in katoda morata biti ločeni in obstajati mora razlika v električnih potencialih, • na katodi mora biti na razpolago dovolj kisika, ki s površine betona z difuzijo stalno prodira do površine armature, • med anodnim in katodnim območjem na površini jekla morata biti omogočena tok elektronov in tok ionov, zato morata biti oba pola med seboj povezana, električno preko armaturne palice in elektrolitsko z vlažnim betonom. Če le eden od gornjih treh pogojev ni izpolnjen, npr., ce je beton suh ali če je nasičen z vodo, korozija ne more nastopiti, čeprav bi bilo jeklo depasivirano. Določena razlika električnih potencialov je običajno vedno prisotna in je lahko posledica: • prisotnosti še neke kovine v betonskem elementu ali • razlik v mikrostrukturi jekla in prisotnosti nečistoč v jeklu ali • različnih koncentracij raztopine (elektrolita) v betonskih porah. Elektrokemična korozija nastopi najpogosteje, če je depa­ sivacija posledica karbonatizacije. V tem primeru nasta­ nejo majhne anodne in katodne površine, ki se med seboj izmenjujejo, tako da je prizadeta površina armaturne palice bolj ali manj enakomerno korodirana. Korozija zaradi kloridov Slika 11. Difuzija klorovih ionov v betonu in nastanek jamičaste korozije Prenehanje pasivne zaščite zaradi prodora kloridov ima za posledico t.i. jamičasto korozijo (pitting), kar je shema­ tično prikazano na sliki 11. V tem primeru obstajajo na površini jekla velike katodne površine in zelo majhna anodna območja, na katerih je prenehala pasivna zaščita. V jamici poteka in se širi korozijski proces, ki ima za posledico lokalno zmanjšanje prereza armaturne palice. Začetek depasivacije zaradi kloridov je odvisen od molar- nega razmerja CI70H7 Če je molarno razmerje CI70H- večje od 0,6, železo ni več zaščiteno pred korozijo, ker postane zaščitni sloj nestabilen in prepusten za kloride. Klorovi ioni, ki so prodrli do armature, kemično reagirajo in nastane železov klorid (FeCI2), ki prehaja z vodo v železov hidroksid (rjo), prosti vodik in ponovno klorid, tako, da nastane galvanski člen z lokalno omejeno anodo in veliko katodo. Med korozijskim procesom se kloridi torej ne porabijo, ampak ostanejo še naprej na razpolago pri širjenju korozije, zato je trajna in zanesljiva sanacija s kloridno korozijo prizadete betonske konstrukcije težka strokovna naloga. Cementni minerali lahko en del kloridov kemično vežejo v Friedlovo sol in se zato ta del ne vključuje v korozijski proces. Sposobnost cementa, da veže kloride, je odvisna od njegove mineralne sestave, v prvi vrsti zadosti velike količine C3A. Na korozijo namreč vplivajo le t.i. prosti kloridi, tisti, ki so raztopljeni v porni vodi cementnega kamna. Zaradi nezanesljivosti podatkov o količini vezanih in pro­ stih kloridov v nekem betonu, določa večina predpisov in strokovnih priporočil kot dopustno mejo klorovih ionov okoli armature v betonu skupno količino kloridov (vezanih + topnih), in sicer med 0,4 in 0,6 % na maso cementa v betonu. Jeklo za prednapenjanje je zaradi možne nape­ tostne korozije in vodikove krhkosti za korozijo bolj občut­ ljivo, zato so te dopustne vrednosti približno polovico manjše. Ta meja je bistveno odvisna od vlažnosti in kakovosti betona, pri čemer je slednja opredeljena z debelino in prepustnostjo zaščitnega sloja, ta pa je odvisna od v/c vrednosti in stopnje negovanja. Na sliki 12 je prikazana kvalitativna odvisnost kritične vsebnosti CF ionov na količino cementa od obeh pogojev. Iz nje je razvidno, da lahko pri kakovostnem suhem betonu znaša vsebnost kloridov v območju armature tudi do 1 ut. % na maso cementa. Kloridi povečujejo higroskopičnost, zato se poveča vlaž­ nost, zmanjša pa električna upornost betona. Beton se tako nikoli popolnoma ne osuši in se zato dodatno poveča tveganje za korozijo armature. Ko je pasivna zaščita armature že prebita, je hitrost korozijskega procesa dolo­ čena z električno upornostjo betona in z razpoložljivo količino kisika, ki prihaja z difuzijo iz okolice betona. Kloridna korozija je mnogo nevarnejša od elektrokemijske korozije. Razlogi za to so: • opozorilni znaki korozije se pojavijo na površini šele ko je proces že zelo napredoval, zaradi česar je otežano Kritična količina Cl / količina 0,5 %- slaba kakovost betona Stalno suho npr. znotraj objekta (prepre­ čen eiektrditski proces) Stalno vlažno Pogoste spre­ membe npr. področje plime in oseke pobojiji okolice Stalno zasičeno z vodo npr. izpod nivoji vode (manjka kisik) Slika 12. Kvalitativna odvisnost kritične količine kloridov od pogojev vlažnosti okolice in kakovosti zaščitnega sloja betona pravočasno ukrepanje, • kloridi povzročijo depasivacijo tudi v visoko alkanem betonu. Korozija armature, ki nastane zaradi delovanja kloridov je tudi glavni problem armiranobetonskih konstrukcij v morskem okolju. Najbolj kritična v tem pogledu so ob­ močja nihanja morske gladine in pljuskanja valov. Vlažnostni pogoji in posledice korozije 0% 100% relativna vlaga betona Slika 13. Simultani pogoji za elektrokemijsko korozijo železa v betonu Na sliki 13 je kvalitativno prikazana verjetnost korozije v odvisnosti od vlažnosti betona (šrafirana površina) in vpliv vlažnosti betona na prodiranje glavnih agensov korozije: kisika (02), kloridovih ionov (CI“) in C02. Na mestu razpok prodirata karbonatizacija in kloridi proti armaturi nekajkrat hitreje, kot v nerazpokanem betonu. Razpoke do širine 0,4 mm se navadno same zapolnijo in zalečijo z umazanijo, kalcijem in rjo in zato za obstojnost konstrukcije še niso nevarne. Korozijski produkti, oziroma rja, imajo lahko različne oblike oksidov ali hidroksidov, njihova prostornina pa je lahko, odvisno od njihove kemične sestave, do šestkrat večja od prostornine železa, ki je reagiralo (slika 14). Pri kloridni koroziji pa se prostornina korozijskih produktov poveča le za 20 do 50%, zato so ekspanzijske sile majhne in ne povzročajo razpok v zaščitnem sloju, ki so sicer pomemben, na površini viden opozorilni znak o že pote­ kajoči koroziji. Učinki in posledice elektrokemijske korozije armature so celovito prikazani na sliki 15. V prvi fazi prodirajo agre­ sivne snovi v beton brez vidnih posledic. V drugi fazi se na površini betona pojavijo rjave lise rje in značilne razpoke vzdolž armaturnih palic, posebej v vogalih, kjer so najbolj izpostavljene dostopu agresivnih snovi v beton. V tretji fazi prihaja do odvajanja (delaminacije) in odlam- I l i l i p i f p | g i i f j l g w » t v - ' * , * » * • • . . c Fe j FeO j Fe30 4 i t «|4* ‘ Fe20 3 Fe(OH)2 Fe(OH)3 ■ M M i M i Fe(OH)3.3H2£ - - - - - - [— 4 1 I— I- - - - - - h 4. - - - - - L _ — ■i 0 1 2 3 4 5 6 7 Slika 14. Možne oblike železovih oksidov in hidroksidov in pripadajoči faktor povečanja Slika 15. Shematični prikaz učinkov in posledic korozije armature Ijanja zaščitnega sloja betona, kar je posledica povečanja prostornine korodiranih armaturnih palic. Fizikalno delovanje Med fizikalne agresivne vplive štejejo: • Toplotna nezdružljvost agregata in cementnega kam­ na: Koeficienti temperaturnega raztezanja grobega agregata in cementnega kamna so različni. Razlike so večje, če je malta izdelana iz peska z drugačno mineralno sestavo, kot jo ima grobi agregat. Zaradi pogostih temperaturnih sprememb lahko pride do pokanja takšnega betona, luščenja betonske površine in zmanjševanja sprijemnosti cementnega kamna z zrni agregata. • Prostorninske spremembe vsled: - spremembe temperature in vlage, - kristalizacijskih pritiskov. Izmenično vlaženje in sušenje betona povzroča nabreka­ nje in krčenje betona. Ta pojav bistveno pospešuje poškodbe betona, ki so sicer posledica ciklusov zmrzova­ nja in odtaljevanja betona. • Ekstremne temperature pri: - zmrzovanju/odtaljevanju, - požaru. Zmrzovanje - odtaljevanje Razpadanje betona zaradi delovanja nizkih temperatur je sestavljen pojav (slika 16). V širokih kapilarah začne voda zmrzovati pri 0°C, v manjših pa mora temperatura pasti mnogo nižje, preden v njih voda preide v led. V gelnih porah zmrzuje voda šele pri temperaturah, ki so nižje od -78 °C. Ker se zmrzovanje začne najprej na površini, pritiskata led in voda v notranjost betona. S prehodom vode v led se prostornina poveča za približno 9 %, zato € ) Znižanje ledišča («■ -30 _/V\_ T (temp. ledišča) AJ -10- 1 mikro 1 me 0 sa 1C maki X) polmer ro P» Slika 16. Zmrzovanje vode v betonu nastane pritisk ledu na stene kapilar in na vodo globlje v kapilarah. Ko postanejo pritiski preveliki, pride do pokanja cementnega kamna. Naslednje odtaljevanje omogoča vpijanje novih količin vode, tako da ciklusi zmrzovanja-od- taljevanja črpajo novo vodo v strukturo betona, ki spet zmrzne in povzroča dodatne pritiske, zaradi katerih se cementni kamen zdrobi. Do poškodb v obliki lomljenja in razpadanja betona, ki se začne s pojavom razpok, pride pri določeni stopnji zasiče­ nosti por z vodo. To je kritična nasičenost SCr, ki je odvisna od sestave betona in več njegovih lastnosti ter od okoliščin zmrzovanja. Z laboratorijskimi poskusi je bilo ugotovljeno, da lahko znaša kritična nasičenost, pri kateri modul elastičnosti E strmo pade, od 0,80 do 0,95 (slika 17). Zato bo z vodo nasičen beton mraz zelo hitro I —-------- I-----------J.----------- 1-----:------ 1------------1— 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Stopnja nasičenosti Slika 17. Kritična nasičenost betona razdejal, suhemu betonu pa nizke temperature ne bodo škodovale. Posebej pri mladem betonu, ki vsebuje v porah še velike količine proste vode, prihaja zelo rado do te vrste poškodb, prepoznavnih po značilnem luščenju površinskega sloja malte, ki ima sam zase še vedno dobro trdnost. Poškodbe zaradi zmrzovanja se na normalno strjenem betonu običajno pojavijo šele po več ciklih zmrzovanja- odtaljevanja, takrat, ko se beton med posameznimi cikli ne more vsaj delno posušiti. Pomemben dodatni vzrok za razpadanje betona v pogojih zmrzovanja-odtaljevanja je razlika v toplotnih razteznos­ tnih koeficientih cementnega kamna in agregata. Zmrzovanje v prisotnosti soli za odtaljevanje Kemično delovanje soli za odtaljevanje se običajno obrav­ nava predvsem z vidika korozije armature v betonu. Pri Č a s t i površina betona plast čast2=ti*A t kasnejše zmrzovanje srednje plasti Luščenje 0* temperatura točka zmrzovanja se zniža temperatura betona Slika 18. Vpliv kloridov na zmrzovanje in luščenje betona večjih koncentracijah teh soli (posebej kalcijevih in mag­ nezijevih kloridov) prihaja tudi do poškodb na betonu, in sicer do luščenja površine (slika 18), ki je posledica: • toplotnega udarca (šoka), izraženega z visokimi nate- znimi napetostmi, deformacijami in razpokami na betonski površini, ki postane na ta način odprta za prodor vode, soli in drugih škodljivih snovi, • spremembe zmrzovalnih lastnosti porne vode, in • kemičnih reakcij z minerali cementa in neugodnih sprememb v strukturi cementnega kamna, ki jih pospešu­ jejo še različne druge soli, ki so prisotne v soleh za odtaljevanje, npr. sulfati in nitrati. Velikost in medsebojno odvisnost naštetih vplivov soli na beton v procesu zmrzovanja-odtaljevanja je težko oceniti. Le-ti so v veliki meri odvisni od vrste agregata, cementa, strukture por, stopnje zasičenosti in razporeditve vode v betonu, hitrosti hlajenja in segrevanja, starosti betona, oblike betonskih elementov. por Slika 19. Učinek aeriranja Aeriranje Najbolj učinkovit ukrep za zagotovitev obstojnosti betona, ki bo podvržen zmrzovanju-odtaljevanju je aeriranje, t.j.vnašanje umetnih por velikosti od 0,05 do 1,0 mm, ki niso napolnjene z vodo in predstavljajo ekspanzijski pro­ stor, v katerega se lahko sprostijo pritiski ledu in hidravlični pritiski na stene kapilarnih por (slika 19). Učinkovitost sistema umetnih por je odvisna od razdalje med porami, ki jo pogojuje skupna količina teh mikropor. Povprečna razdalja med mikroporami namreč ne sme biti večja od določene kritične razdalje a, za obstojnost pa je pomem­ ben tudi delež por, ki so manjše od 0,3 mm (L300). Potrebna kritična razdalja je odvisna od pogojev zmrzova­ nja in mora biti tem manjša, čim ostrejši so ti pogoji: nizke nihajoče temperature, trajna vlažnost, istočasna prisot­ nost soli za odtaljevanje. Za neposredno ogrožene ele­ mente, kot so npr. robni venci mostov, je treba doseči a < 0,2 mm in L300 > 1,5%. Negativna stran aeriranja je zmanjšanje trdnosti betona. Po izkušnjah znaša okoli 4 - 5 % za vsak odstotek vsebnosti mikropor. To je treba upoštevati zlasti pri nosilnih konstrukcijskih elementih, ki pa so ponavadi le posredno ogroženi zaradi delovanja talilnih soli. Za večino neposredno ogroženih elementov pa zahtevana tlačna trdnost običajno ni posebno visoka. Vsebnost por v strjenem betonu, njihov delež do 300/xm in razdalja med njimi se določajo z metodo linijske mikroskopije po prEN 480-11. Vsebnost por v svežem betonu se meri s pomočjo porozimetra, kjer pa je treba upoštevati, da se obenem odčitava tudi količina t.i. zajetega zraka, ki se z vibriranjem ni izločil iz betona. Biološko delovanje Beton je lahko odlična podlaga za vegetacijo, nekatere mikroorganizme, pa tudi za bolj grobe organizme, kot npr. školjke. Školjke prodirajo globoko v strukturo betona in lahko popolnoma uničijo zaščitni sloj betona nad armatu­ ro. V beton ne prodirajo le z jemanjem snovi iz betona za svojo presnovo, temveč si pot v notranjost betona utirajo tudi z zelo visokofrekvenčnimi vibracijami. Nekateri organizmi, ki za svojo presnovo potrebujejo žveplo, lahko povzročijo nastajanje sulfatov in žveplo- veene ter žveplaste kisline. Te načenjajo beton na osnovi prej opisanih procesov kemične korozije. Vegetacija in mikroorganizmi načnejo s svojim delovanjem strukturo betona ter s tem prav tako znižujejo mehanske lastnosti betona. Korenine nekaterih rastlin in miceliji gob so prodrli skozi beton debeline 50 cm. PROJEKTIRANJE IN ZAGOTAVLJANJE TRAJNOSTI - TRADICIONALNI PRISTOP Splošno V MC 90 /4/ so postavljene temeljne zahteve za projekti­ ranje in zagotavljanje trajnosti betonskih konstrukcij: “Betonske konstrukcije je treba projektirati, graditi in upravljati na tak način, da bodo ob pričakovanih vplivih okolja, ohranile varnost, uporabnost in sprejemljiv izgled in da stroški vzdrževanja in popravil v implicitno ali eksplicitno določenem času ne bodo nepredvidljivo viso­ ki.“ Za izpolnitev teh zahtev je nujno sodelovanje štirih glavnih partnerjev pri graditvi konstrukcije: • investitorja oz. naročnika, ki mora jasno in popolno opredeliti svoje zahteve po kakovosti in posebej glede trajnosti, • projektanta, ki mora na podlagi zahtev in splošnih pravil stroke v okviru projekta izdelati tehnične pogoje za grad­ njo, • izvajalca, ki mora pri gradnji dosledno spoštovati po­ stavljene pogoje, • upravljalca, ki je odgovoren za redno vzdrževanje in pravočasno ugotavljanje in odpravljanje poškodb in na­ pak. Priporočila oz. smernice za zagotovitev trajnosti betonskih konstrukcij, ki jih vsebujejo sodobni tuji, zlasti pa novi evropski predpisi za betonske konstrukcije, obravnavajo vse najpogostejše mehanizme razpadanja betona. Pre­ težni del poškodb na betonskih konstrukcijah nastane zaradi korozije armature, zato je večina ukrepov name­ njena zaščiti armature pred korozijo. Okoli jedra prereza je predvsem treba ustvariti čim bolj neprepusten ovoj in s tem podaljšati pot in čas prodiranja agresivnih medijev do armature. Iz tega sledi t.i. večstopenjska strategija zaščite, ki predvideva naslednje konkretne pogoje za doseganje pričakovane trajnosti oz. življenjske dobe armi­ ranih konstrukcij: 1. zaščitni sloj betona nad armaturo mora imeti primerno debelino, 2. beton mora imeti predvideni agresivnosti okolja ustre­ zno nizko penetrabilnost, kar se doseže z ustreznimi osnovnimi materiali, s pravilno sestavo, dobro zgostitvijo in intenzivno nego svežega betona, 3. v zaščitnem sloju ne sme biti razpok širših od 0,3 mm, 4. z ustreznim oblikovanjem elementov konstrukcije je treba preprečiti zadrževanje vode na vodoravnih površi­ nah, 5. dodatni in posebni zaščitni ukrepi v izjemno agresiv­ nem okolju, 6. možnost opazovanja in vzdrževanja, pa tudi morebitne zamenjave elementov s krajšo projektirano življenjsko dobo. Pomembno za trajnost Pomembno za nosilnost Slika 20. Shematični prikaz kakovosti betona zaščitnega sloja in betona znotraj armaturnega koša različni pogoji negovanja. Posledice takih pojavov so večje variacije v/c vrednosti, razmerja agregat/cement (a/c), modula finosti agregata ter večja poroznost teh površinskih slojev v primerjavi z notranjostjo betona. Večja poroznost omogoča lažjo penetracijo agresivnih snovi iz zraka ali iz raztopin, prispeva pa tudi k povečanju raztezanja v pogojih zmrzovanja-odtaljevanja, posebej še pri uporabi soli za odtaljevanje. Pri vsakem dodatnem posegu za izboljšanje odpornosti betonskega elementa, kot so impregnacije, zaščitni pre­ mazi in prevleke, je zato treba cementno, včasih pa tudi betonsko skorjo odstraniti. Zaščitni sloj nad armaturo Kakovost betona v površinskem sloju Za nosilnost kakega betonskega elementa sta odločilna prereza armature in betona znotraj nje, za njegovo trajnost in posebej za zaščito armature pred agresivnmi vplivi od zunaj pa sloj betona nad armaturo, t.i. zaščitni sloj (slika 20). Vsi agresivni vplivi, vključno s podnebjem in okoljem, delujejo na beton z zunanje strani. Trajnost betona je zato v prvi vrsti odvisna od lastnosti površine, oziroma od sestave in lastnosti površinskega sloja, v katerem je mogoče ločiti tri plasti: • cementno skorjo - debeline približno 0,1 mm • skorjo fine malte - debeline približno 4 mm • betonsko skorjo - debeline približno 30 mm. Kakovost betona površinskega sloja je slabša od betona v notranjosti elementa in od betona laboratorijskega vzorca. Razlogi za to so: učinek stene ob opažu, anizotro- pija betona, ki je posledica sedimentacije in segregacije po zgoščevanju, različni pogoji obdelave površine in Debelina zaščitnega sloja Predpisi za projektiranje armiranobetonskih konstrukcij določajo izkustvene minimalne debeline zaščitnega sloja nad armaturo, v odvisnosti od stopnje agresivnosti okolja. V Sloveniji še veljavni jugoslovanski Pravilnik za betonske in armiranobetonske konstrukcije (skrajšano: P BAB) iz leta 1987 določa v 135. členu minimalne debeline zaščitne plasti za konstruktivne elemente, glede na stopnje agre­ sivnosti okolja, ki so opisane v 113. členu. Modelni pravilnik za betonske konstrukcije CEB-FIP iz leta 1990 (skrajšano: MC 90) in Eurocode 2 predpisujeta, v odvisnosti od stopnje izpostavljenosti, minimalne debe­ line zaščitnega sloja v razponu od 10 do 40 mm in dodatnih 5 do 10 mm glede na izvajano kontrolo kakovosti (slika 21). Praksa je pokazala, da so v predpisih priporočene debe­ line zaščitnih slojev nad armaturo v zelo neugodnih okoljih celo premajhne. To velja zlasti za morsko okolje ali pri uporabi soli za odtaljevanje na cestah. V teh primerih bi bilo treba debelino zaščitnega sloja določiti na podlagi izračunane hitrosti penetracije agresivnih snovi, oziroma predpostavljenega mehanizma razpadanja betona, torej nominalna vrednost Cnom = Cmin ♦ AC glede na pogoje okolja kontrola kvalitete A C ^ nega a C i = 0,5 cm kontrola izvajanja a C i = 1,0 cm brez kontrole a C2 = 2,0 cm pri neustrezni negi z uporabo inženirskega modela.Večja debelina zaščit­ nega sloja zagotavlja boljšo sprijemnost armature z beto­ nom in boljšo zaščito pred požarom, omogoča pa tudi uporabo večjih frakcij agregata. Zaščitni sloj tudi predstavlja primarno zaščito notranjih kablov za prednapenjanje, ki. Ti so dodatno zaščiteni v ceveh napoljnjenih z injekcijsko maso. Projektirano debelino zaščitnega sloja oz. razdaljo med armaturo in opažem je treba zagotoviti s postavitvijo podložk, distančnikov ali linijskih podstavkov na primernih razdaljah (slike 22a do 22d). Material distančnikov mora Slika 21. Potrebna debelina zaščitnega sloja po Eurocode 2 I*---------- * 500 mn max Knntinuirne podpore na razdalja)! (50 x d palice) Tloris SPODNJA ARMATURA VRHNJA ARMATURA Slika 22. Razporeditev podložk za različne vrste armiranobetonskih elementov 22a) plošče Vsak prosti konec palice mora biti opremljen s J primernim distančnikom Kontinuirne podpore na razdalji < 1000 n Distančniki pritrjeni na stremensko armatura v razdaljah < 1000 mm a) Pogled s strani na nosilec < 250 mm; en distanfnik i. Ozek nosilec > 250 mm, < 500 mm; dva distančnika ii. Normalni nosilec > 500 mm; več distančnikov iii. Širok nosilec b) Distančniki na dnu nosilcev 22b) nosilci e o. •5 o S? i E i Ii -o F 3 a) Distančniki vzdolž stebra Distančniki na 50 x d Globok nosilec globina > I00xd Distančniki na razdaljah < 50 x d 1 c) Distančniki ob straneh za globoke nosilce Distančniki na razdalji < 50 d c) Široki stebri ] d J c Distančniki na razdalji <50 d d) Dvojne vezi Po en distančnik za vsako stranico stebra v razdaljah 50 d v vzdolžni smeri 1 * i —c c c U 1 1 v 1 1 r 1 —i— - f - r 1 t 1 1 —j—H — 1 i _ i— c —T--- 1 1 ---1--- i i i ui 50 d ali 500 mm j), I I I I I. 1 f I I 1 f I I r i —Ili- Distančniki v razdaljah < 50 d in > 500 mm v obeh smereh Pogled s strani “ Tr­ i i . i\i \ i r 22č) stene X ▲ ■ A 'A* 4 _ a . -O - A □ Oznake: Distančnik pritrjen z žico Distančnik s strani Pogled od zgoraj na distančnik Končni pogled na kontinuirao podporo Kontinuirna podpora s strani Linijski distančnik Pogled od zgoraj na kontinuirao podporo Posamezna podpora s strani pogled od zgoraj na posamezno podporo c Debelina zaščitnega sloja (specificiranega na risbi) D Nazivna debelina glavne, največje armaturne palice d Nazivna debelina armaturne palice, ld je najbližja opažu, vključno z vezmi Vzdolž palice na katero se distančniki pritrjujejo je potrebno navesti tudi pogostost Ob uporabi podpor se "d" nanaša na palici, ki jo podpora podpira. 0 večstranski stebri Preglednica 3. Stopnje izpostavljenosti betona glede na pogoje okolja /6/ Oznaka stopnje Opis okolja Informativni primeri nastopanja stopnje izpostavljenosti 1 Ni nevarnosti agresivnega vpliva ali korozije X0 zelo suho beton znotraj stavb z zelo nizko vlažnostjo zraka 2 Korozija zaradi karbonatizacija Kjer je beton, ki vsebuje armaturo ali druge vgrajene kovinske elemente, izpostavljen zraku in vlagi, nastopajo naslednje stopnje izpostavljenosti: Opomba: Upošteva se vlažnostno stanje zaščitnega sloja, v veliko primerih pa se lahkošteje, da pogoji v zaščitnem sloju odražajo pogoje neposredne okolice. To ne drži, če je med betonom in okolice pregrada. XC1 suho beton znotraj stavb z nizko vlažnostjo zraka XC2 mokro, le redko suho deli konstrukcij za zadrževanje vode, mnogi temelji XC3 zmerna vlažnost beton znotraj stavb z zmerno ali visoko vlažnostjo zraka, zunanji beton zaščiten pred dežjem XC4 ciklična menjava mokro, suho površine v dotiku z vodo, ki ne spadajo v stopnjo XC2 3 Korozija zaradi kloridov Kjer je beton, ki vsebuje armaturo ali druge vgrajene kovinske elemente, izpostavljen vodi, ki vsebuje kloride, vključno soli za taljenje in ki ni morska voda, nastopajo naslednje stopnje izpostavljenosti: XD1 mokro, le redko suho plavalni bazeni, beton izpostavljen industrijskim vodam, ki vsebujejo kloride XD2 ciklična menjava mokro, suho deli mostov, obloga vozišča, plošče v parkirnih hišah 4 Korozija zaradi kloridov v morski vodi Kjer je beton, ki vsebuje armaturo ali druge vgrajene kovinske elemente, izpostavljen morski vodi, ki vsebuje kloride, ali zraku, ki nosi soli iz morske vode, nastopajo naslednje stopnje izpostavljenosti XS1 izpostavljeno soli v zraku, vendar ne v neposrednem dotiku z morsko vodo konstrukcije blizu ali ob obali XS2 potopljeno deli morskih zgradb XS3 območja nihanja (bibavice), pljuskanja in škropljenja vode deli morskih zgradb 5 Zmrzovanje-odtaljevanje Kjer je moker beton izpostavljen znatnim vplivom cikličnega odtaljevanja-zmrzovanja, nastopajo naslednje stopnje izpostavljenosti XF1 zmerna nasičenost z vodo, brez sredstev za odtaljevanje vertikalne betonske površine izpostavljene dežju in zmrzovanju XF2 zmerna nasičenost z vodo in sredstva za odtaljevanje vertikalne betonske površine konstrukcij na cestah, izpostavljene sredstvom za odtaljevanje, ki so v zraku XF3 močna zasičenost z vodo, brez sredstev za odtaljevanje horizontalne betonske površine izpostavljene dežju in zmrzovanju XF4 močna zasičenost z vodo in sredstva za odtaljevanje vertikalne betonske površine izpostavljene neposrednemu škropljenju z vodo, ki vsebuje sredstva za odtaljevanje 6 Kemični vplivi Kjer je beton izpostavljen kemičnim vplivom, opredeljenim v preglednici 3, ki izvirajo iz naravnih zemljin, talne vode in morske vode, nastopajo naslednje stopnje izpostavljenosti. Če so vrednosti nad zgornjo mejo XA3, ali za drugačna okolja, npr. Industrijska in/ali onesnažena, ali pri velikih hitrostih vode, so potrebne posebne klasifikacije in zahteve na podlagi študij za vsak primer posebej. XA1 rahlo kemično agresivno okolje, v smislu preglednice 3 XA2 zmerno kemično agresivno okolje, v smislu preglednice 3, izpostavljenost morski.vodi XA3 močno kemično agresivno okolje, v smislu preglednice 3 v agresivnem okolju omogočati dobro sprijemnost z beto­ nom. Njihova geometrijska oblika pa mora zagotavljati stabilnost v postavljenem položaju. Debelini in kakovosti zaščitnega sloja je treba nameniti veliko skrb tudi med izvajanjem betonarskih del Na doseganje projektiranih lastnosti, ki pogojujejo kakovost in s tem tudi trajnost zaščitnega sloja pa namreč bistveno vplivata dobra zgoščenost in intenzivna nega betona. Pomanjkljivo negovanje lahko tudi do stokrat poveča prepustnost betona v zaščitnem sloju. Sestava betona Odpornost betona na kateri koli agresivni vpliv pogojujejo: • ustrezna sestava betonske mešanice, ki mora v strje­ nem stanju, poleg trdnosti, zagotavljati stopnji izpostavlje­ nosti konstrukcije primerno nizko penetrabilnost, • dobra vgradljivost svežega betona, da se zagotovi optimalna zgostitev v opažu, • intenzivna nega vgrajenega betona, da se doseže čimbolj popolna hidratacija cementa in s tem nizka kapi­ larna poroznost cementnega kamna. Za zagotovitev ustrezne sestave betona predpisuje PBAB v 16. členu t.i. posebne lastnosti betona, ki jih je treba za določene okoliščine uporabe zahtevati v projektu kons­ trukcije. Te posebne lastnosti so: • vodoneprepustnost po JUS U.M1.015, za zagotovitev primerno nizke penetrabilnosti; v zadnjem času se vodo- neprepustnosfdoloča po ISO 7031, rezultati preskušanja pa ocenjujejo s kriterijem ENV 206, ki dovoljuje povprečni prodor vode 20 mm in najvišjo dovoljeno dopustno vred­ nost 50 mm, • odpornost na zmrzovanje-odtaljevanje (OMO) po JUS U.M1.016, ki se odvisno od pričakovanih vremenskih pogojev predpisuje s številom ciklov zmrzovanja-odtalje- vanja od -20 °C do +20°C (OMO 50, OMO 100, OMO 150, OMO 200); po predpisanem številu ciklov se modul elastičnosti betona ne sme znižati za več kot 25%, • odpornost na zmrzovanje-odtaljevanje v prisotnosti soli po JUS U.M1.055, ki se ocenjuje glede na izgubo mase in globino poškodb po 25 ciklih zmrzovanja-odtaljevanja; betoni so razvrščeni v 5 poškodbenih razredov, ki se uporabljajo za predpisovanje potrebne odpornosti glede na pričakovane pogoje uporabe in zahteve naročnika, • odpornost na obrus po JUS B.B8.015, pred vsem za zagotovitev odpornosti na mehanske vplive, z izjemo preobremenitve. PBAB drugih agresivnih vplivov ne obravnava in tudi ne daje priporočil za parametre sestave mešanic, pač pa je treba njihovo ustreznost dokazati s predhodnimi preskusi. MC 90 /4/ je predstavil nov, čeprav še vedno tradicionalni pristop za projektiranje sestave betonske mešanice v odvisnosti od stopnje agresivnosti okolja, v katerem bo Preglednica 4. Mejne vrednosti za stopnje delovanja kemičnih agresivnih vplivov /6/ Agresivni kemični vplivi so razvrščeni za razmere, ko znaša temperatura vode/zemljine od 5° C do 25° C, niirosr voae pa je iako majnna, aa se lanKO upoštevajo statični pogoji. Stopnja izpostavljenosti je opredeljena z najneugodnejšo vrednostjo katerekoli kemične karakteristike. Če isti razred izhaja iz dveh ali večih karakteristik, je treba takšno okolje razvrstiti v naslednji višji razred. Posamezne kemične karakteristike je treba določiti z navedenimi referenčnimi preskusnimi metodami Kemična karakteristika Preskusnametoda XA1 XA2 XA3 S 0 42" mg/l v vodi EN 196-2 200 do 600 600 do 3000 3000 do 6000 S 0 42' mg/kg v zemljini15, skupaj EN 196-221 2000 do 3000 30003) do 12000 12000 do 24000 kislost vode pH DIN 4030-2 6,5 do 5,5 5,5 do 4,5 4,5 do 4,0 kislost zemljine DIN 4030-2 > 20 Baumann Gully agresivni CÖ2 v vodi, mg/l prEN W W W 15 do 40 40 do 100 > 100 NH4+v vodi, mg/l ISO 7150-1 ali ISO 7150-2 15 do 30 30 do 60 60 do 100 Mg2+ v vodi, mg/l ISO 7980 300 do 1000 1000 do 3000 >3000 1. Glinaste zemljine s prepustnostjo pod 10‘5 m/s se lahko razvrstijo v nižjo stopnjo. 2. Preskusna metoda predpisuje izvlečenje S 0 42" s klorvodikovo kislino; če obstajajo zadostne izkušnje, se namesto tega lahko uporabi vodno izvlečenje. 3. Če obstaja nevarnost akumuliranja sulfatnih ionov v betonu zaradi cikličnega sušenja in močenja ali kapilarnega sesanja, je treba mejo 3000 mg/kg znižati na 2000 mg/kg. konstrukcija med uporabo. Ta pristop je v dopolnjeni obliki prevzel tudi Eurocode 2 /5/, oz. evropski standard prEN 206: Beton. Lastnosti, proizvodnja in skladnost /6/. Slednji za ta namen določa: • stopnje izpostavljenosti betona v različnih pogojih mikro okolja, ki neposredno obdaja obravnavani betonski ele­ ment okolja (preglednici 3 in 4), • za vsako stopnjo izpostavljenosti: minimalne tehnolo­ ške zahteve oz. parametre mešanice za določitev ustre­ zne sestave betona (preglednica 5), in sicer: - maksimalno dovoljeno dopustno v/c razmerje, za zago­ tovitev primerno nizke penetrabilnosti, - minimalno potrebno količino cementa za zagotovitev dobre vgradljivosti, - minimalno vsebnost mikropor (aeriranje) za zagotovitev zmrzlinske odpornosti, - posebne zahteve za vrsto cementa in agregata, kjer je to pomembno. Vrednosti v preglednici 5 veljajo za agregate z maksimal­ nim zrnom od 20 do 32 mm in cement vrste CEM I po EN 197-1. (PC-35) Obvezno je treba predpisati maks. V/c razmerje in min. količino cementa, dodatno pa se lahko predpiše tudi minimalna MB. Za izdelavo betonov odpornih na zmrzovanje odtaljevanje je treba uporabiti zmrzlinsko odporen agregat, pri predvi­ deni močni nasičenosti z vodo in prisotnosti sredstev za odtaljevanje (XF3 in XF4) pa je koristno uporabiti cemente z dodatki žlindre in/ali pucolanov (elektrofilterski pepel, mikrosilika). V preglednici 5 navedene minimalne vsebno­ sti zraka v svežem betonu je treba za neposredno ogrožene in nezaščitene konstruktivne elemente (npr. varnostne ograje, robne vence, hodnike na mostu) pove­ čati vsaj na 6 %. Odpornost na zmrzovanje je možno doseči tudi brez aeriranja, z močnim zmanjšanjem v/c vrednosti, kar pa je že področje t.i. visokovrednih betonov. Pogoj za doseganje pričakovane odpornosti na zmrzova- nje-odtaljevanje ni le ustrezna sestava betona in kakovos­ tna nega, ampak tudi določena stopnja osušitve betona pred nastopom nizkih temperatur, zlasti pa pred začetkom soljenja. Mladi beton se ne sme izpostaviti mrazu, dokler ne doseže vsaj 5 MPa tlačne trdnosti. Razpoke Razpoke omogočajo hitrejši vstop agresivnih snovi v notranjost prereza konstrukcije. Na mestu razpoke kateri koli proces razpadanja betona poteka pospešeno. To tveganje je treba čim bolj zmanjšati in s tehnološkimi in/ali projektantskimi ukrepi odpraviti vzroke za nastanek raz­ pok. Za ugotovitev vzrokov so pomembni naslednji podatki o razpoki: •čas nastanka, • mesto oz. položaj na konstrukciji, in • pojavna oblika: bolj ali manj ravna črta ali vzorec (npr.mreža), po vsej dolžini približno enaka ali pa spre­ menljiva širina, globina. Na sliki 23 so sistematizirane vrste razpok in glavni vzroki za njihov nastanek, v preglednici 6 pa tudi nekatere druge njihove najpomembnejše značilnosti, po katerih jih je možno prepoznati in določiti glavne in stranske vzroke nastanka. Razpoke zaradi plastičnega krčenja in plastičnega pose- Preglednica 5. Priporočila za izbiro osnovnih parametrov sestave betona in lastnosti betona za posamezne stopnje izpostavljenosti /6/ Stopnje izpostavljenosti agresivnim vplivom Parameter sestave Ni Karbonatizacija Kloridi Zmrzovanje - odtaljevanje Kemični vplivi v morski vodi drugi X0 XC1 XC2 XC3 XC4 XS1 XS2 XS3 XD1 XD2 XF1 XF2 XF3 XF4 XA1 XA2 XA3 max v/c 0,65 0,60 0,55 0,50 0,50 0,45 0,45 0,50 0,45 0,55 0,55 0,50 0,45 0,55 0,50 0,45 min MB 15 25 30 35 40 35 40 45 40 45 35 30 35 40 35 40 45 min. količ. cementa , kg/m3 260 280 280 300 300 320 340 300 320 300 300 320 340 300 320 360 min.vsebn. zraka % 4,0 4,0 4,0 druge zahteve agregat odporen na zmrzovanje- odtaljevanje sulfatno odporen cem ent1) 1) Sulfatno odporni cement je treba uporabiti, če kemična agresivnost izhaja iz prisotnosti SO 42. danja se pojavljajo zlasti na večjih vodoravnih, neopaženih površinah. Nastanejo, če voda s površine prehitro izpa­ reva (več kot 1 l/m2/h), kar se dogaja zlasti v kateri koli kombinaciji pogojev toplega vremena: • visoka temperatura zraka, • visoka temperatura betona, • nizka relativna vlažnost zraka in • velika hitrost vetra. Te razpoke je treba preprečiti s pravočasno in učinkovito nego in zaščito pred vetrom, če pa so že nastale, jih je takoj po nastanku še možno zapreti z revibriranjem. Razpoke zaradi preobremenitve oz. poddimenzioniranosti preseka prereza konstrukcije ali zaradi vsiljenih deformacij ne zmanjšujejo uporabnosti in trajnosti konstrukcije, če so njihove širine pod sprejemljivo mejo 0,3 mm. Oblikovanje AB elementov, ki so izpostavljeni agresivnemu okolju Za oblikovanje elementov veljajo naslednja osnovna izho­ dišča: • razmerje med izpostavljeno površino betona in njegovo prostornino mora biti čim manjše, • voda na površini elementa ne sme zastajati, Slika 23. Vrste razpok in vzroki nastanka Preglednica 6. Vrste razpok in njihove značilnosti Tip razpoke Dodatna označba razpoke Najbolj običajna lokacija Glavni vzrok nastanka Stranski vzrok nastanka Način prepreče- nja ali sanacije Čas nastanka ali pojava plastično posedanje betona nad armaturnimi palicami visoki prerezi premočno izločanje vode prehitro sušenje površine omejitev izločanja vode 10 min do 3 ureusločene oblike spremenjena debelina prereza vrh stebrov ko rita ste in kasetirane plošče plastično krčenje betona diagonalna voziščne plošče in tlaki prehitro zgod­ nje sušenje prepočasno izločanje vode izboljšanje zgodnje nege 30 min do 6 ur naključna armirane betonske plošče prehitro zgod­ nje sušenje nad armaturnimi palicami armirane betonske plošče isto in armatu­ ra pod površino zgodnje toplotno krčenje ovirano krčenje - zunanje debeli zidovi previsoka toplo­ ta hidratacije prehitro ohlajevanje znižanje toplote hidratacije in/ali izoliranje 1 dan do 2 ali 3 tedneovirano krčenje - notranje debeli bloki previsok tempe­ raturni gradient dolgotrajno izsuševalno krčenje tanke plošče ali stene neučinkoviti dilatacijski stiki premočno krčenje, slaba nega manjša vsebnost vode, boljša nega nekaj tednov ali mesecev mrežaste razpoke opažena površina neprepusten opaž prebogata mešanica nezadostna nega sprememba mešanice, izboljšanje nege in obdelave 1 do 7 dni včasih mnogo kasnejezaribana površina plošče premočno zaribavanje korozija armature običajna in kloridna povsod neustrezen zaščitni sloj slaba kakovost betona izboljšanje zaščitnega sloja več kot 2 leti po strditvi betona ~ i Razpoke fizikalne . kemijske . - tempera­ turne konstruk- ' cijske nezdružljivost agregata ovirano krčenje zaradi sušenja cementnega kamna - korozija armature - aikalno-agregatna reakcija -karbonatizacija - zmrzovanje-odtaljevanje - spremembe zunanje temperature toplotno r b iran o zunaj prereza krčenje *1 temperaturni gradient ~ znotraj pre~-"* preobremenitev ciklične obremenitve J f * l—plastične—( strditvijo — * L_ betona tečenje betona posedki podpor zmrzlinski vplivi na mlad beton plastično krčenje plastično sesedanje vsled —odra ali opaža pomikov L- podpor ali temeljev • omogočeno mora biti učinkovito odstranjevanje agre­ sivnih vplivov, • zaščitni sloj armature mora biti primerno debel in iz zelo kakovostnega betona, • montažni elementi naj bodo enostavno zamenljivi. Poleg zadostne debeline zaščitnega sloja nad armaturo, ki pogojuje trajanje začetne faze korozije armature, je treba z ustreznim detajliranjem preprečiti dostop vode in agresivnih snovi do betona in armature, oziroma jo čim prej odvesti s površine betonskega elementa ali pa površino zaščititi s premazom ali prevleko. Glavna pravila oblikovanja in detajliranja so ilustrirana na sliki 24. ni zagotovljeno primerno 'betoniranje in zgoščevanje - prostori, vrzeli za namestitev vibratorja - zadosten prekrivni sloj za primerno betoniranje in zgoščevanje Slika 24. Oblikovanje prerezov in armaturnih detajlov Oblika prereza naj bo čimbolj robustna, k čemur šteje tudi primerna debelina zaščitnega sloja. Površine, izpostav­ ljene direktnemu delovanju agresivnega okolja, morajo biti čim manjše. Zato ima polni prerez prednost pred T-prerezom ali podobno razčlenjeno konstrukcijo, s katero bi se sicer lahko “prihranilo“ nekaj betona. Vogali naj bodo po možnosti zaobljeni, da se onemogoči prodiranje agresivnih snovi proti vogalni armaturi z dveh strani. S tem se namreč povečuje njihova koncentracija, ki lahko tudi pospeši depasivizacijo. To je poznani vogalni učinek in se pri povečanju prostornine korodirane arma­ ture zaščitni sloj tam najprej odlomi. Voda od dežja, talečega se snega ali ledu in iz odtočnih cevi ne sme odtekati po nezaščitenem betonu in čez nezaščitene stike. Vlaga se akumulira zlasti v prahu in umazaniji, ki se zadržujeta v vogalih izpostavljenih vodo­ ravnih in pokončnih površin. Mehka voda izpira beton, če pa so v njej raztopljene agresivne kemične snovi, ali če vsebuje kloride, pa lahko pride do razpadanja betona oziroma, če je beton izpostavljen zmrzovanju-odtaljevanju v prisotnosti talilnih soli, do luščenja površine in do korozije armature. Na površinah, ki naj bi bile skoraj ravne, voda ne sme zastajati. Zato jo je treba z balkonov, zlasti pa z izpostav­ ljenih ravnih površin na mostovih in v parkirnih hišah, čim hitreje odvajati z učinkovitim drenažnim sistemom. Fasade naj bodo čimbolj gladke, da je odtekanje vode po njih hitrejše. Široki napušči, ki se iz neutemeljenih razlo­ gov opuščajo, dajejo stavbam zelo učinkovito zaščito pred dežjem. Podobno vlogo zaščite glavnih nosilcev mostu ima previsni del voziščne plošče pod hodniki. Dele konstrukcije, ki so ogroženi zaradi neposrednega škropljenja slane vode, je koristno dodatno zaščititi. Voziš- čno ploščo mostov in vozne površine v garažnih parkirnih hišah je treba obvezno zaščititi z bitumensko ali poliure­ tansko hidroizolacijo, opornike v morju, opornike nadvo­ zov, hodnike in zaščitne ograje na vozišču mostov pa z ustreznim premaznim sistemom. Tam, kjer se ni mogoče izogniti dolgotrajnejšemu agresivnemu delovanju, je ko­ ristno predvideti montažne elemente, ki se lahko v primeru dotrajanosti enostavno zamenjajo. V vseh zaprtih oziroma votlih delih konstrukcijskih elemen­ tov je treba z učinkovitim odvodnjavanjem in prezračeva­ njem preprečiti nekontrolirano zbiranje vode in nasičenje betona, ki lahko privede do zmrzlinskih poškodb. Na mestih hitrih sprememb prereza in/ali nenadne spre­ membe poteka silnic nastanejo zaradi koncentracije nape­ tosti razpoke, ki se jim je treba izogniti s ustreznim oblikovanjem in armiranjem prereza. S pravilnim detajlira­ njem konstrukcije in armature je treba preprečiti tudi večje razpoke, ki lahko nastanejo zaradi: • koncentriranih sil pri sidranju prednapetih kablov, • oviranega krčenja sten na prej betonirani temeljni peti in • diferenčnih posedkov. Palice zgornje armature v ploščah in nosilcih je treba razporediti tako, da zaradi njihovega premajhnega medse­ bojnega razmaka ni onemogočeno vstavljanje vibratorjev, s tem pa dobro zgoščevanje betona pod to armaturo. Skozi pregosto postavljene palice se beton presejava in nastopi neka vrsta segregacije. Na eni strani ostanejo groba zrna s premalo cementne paste, v zaščitni sloj pa se vgradi s cementom bogati drobnozrnati del mešanice, ki je občutljiv na krčenje. Dodatni in posebni zaščitni ukrepi Ti pridejo v poštev, kadar v posebno agresivnih okoljih z normalnimi ukrepi ni mogoče zagotoviti zahtevane trajno­ sti. Možni dodatni ukrepi so: • povečanje debeline zaščitnega sloja; če je ta večja od 60 mm, je treba zaščitni sloj armirati; • toplotna izolacija na fasadah, da se zmanjšajo vplivi sprememb temperature in vlage; • zelo gladka površina, da se omogoči hitrejše odvajanje vode; • impregnacije in premazi površine betona; • epoksidna prevleka armature, • katodna zaščita armature; • opazovalni sistemi napredovanja korozije. Dodatna zaščita površine betona Za dodatno zaščito betona pred prodiranjem vode in škodljivih raztopin obstoji vrsta materialov v obliki hidrofo- birnih premazov oz. impregnacij (snovi, ki penetrirajo v površinski sloj betona in s tem povečujejo njegovo nepre- pustnost), vodoodbojnih premazov, vodoneprepustnih tankoslojnih in debeloslojnih premazov ter premaznih sistemov na osnovi akrilatov in epoksidov, ki preprečujejo vstop agresivnih tekočin in plinov (zlasti CI" ionov in C02), dovoljujejo pa izparevanje vode iz kapilarnih por. Tako v njih ne pride do kritične nasičenosti in do poškodb betona zaradi zmrzali. S premazom ali impregnacijo je treba dodatno zaščititi vse vodi izpostavljene površine, ker bi sicer zaradi kapilarnega dviganja vode, pod ostalimi zaščitenimi površinami prišlo do nasičenja betona in bi tam pri nizkih temperaturah zmrzlinsko premalo odporen beton zmrznil. Zaščitni premazi in premazni sistemi niso trajni, ampak pomenijo časovno omejen ukrep. Zato jih je treba redno opazovati in sproti obnavljati. S premazom tudi ni mogoče v celoti nadoknaditi morebitne nezadostne debeline ali slabe kakovosti zaščitnega sloja betona. V preglednici 7 so za vsako vrsto zaščitnega premaza podane njegove najpomembnejše značilnosti in pričako­ vani učinki. PROJEKTIRANJE TRAJNOSTI IN DOLOČANJE ŽIVLJENJSKE DOBE - ALTERNATIVNI PRISTOP Splošno Alternativno racionalistično ali inženirsko projektiranje traj­ nosti armiranobetonskih konstrukcij je metoda, ki na kvantitativen način obravnava vsak relevantni mehanizem razpadanja betona in kriterije, s katerimi je mogoče definirati konec predvidene življenjske dobe konstrukcije oz. njenega elementa. S takšnim pristopom se trajnost konstrukcije določa oz. preverja na podoben način kot nosilnost. Obstaja namreč analogija med obtežbami in agresivnimi vplivi ter med nosilnostjo konstrukcije in od­ pornostjo betona na agresivne vplive. Podobno kot pri projektiranju nosilnosti in uporabnosti konstrukcije je treba pri projektiranju trajnosti določiti: obtežbe agresivnega okolja, relevantne parametre odpornosti materiala na predvideni agresivni vpliv, model računanja in kriterije za izbiro varnostnih koeficientov. Alternativni pristop je smiselno uporabiti v primeru: • da se za novo konstrukcijo zahteva zelo dolga življenj­ ska doba, preko normalnih 50 do 75 let, • napovedovanja preostale življenjske dobe pomembnej­ ših obstoječih konstrukcij, • zelo pomembnih konstrukcij, ki jih je treba računati z zelo majhno verjetnostjo porušitve, • izredno agresivnega okolja, • predvidene visoke kakovosti izdelave, • predvidene gradnje več podobnih konstrukcij oz. izde­ lave veliko enakih elementov. Pri nameravani uporabi katerekoli od opisanih alternativ­ nih metod za neko vrsto in obliko konstrukcije, je treba predhodno definirati: • obliko konstrukcije, • lokalne pogoje okolja oz. pričakovane ali ugotovljene agresivne vplive, • predvideni ali ugotovljeni prevladujoči (dominantni) me­ hanizem razpadanja betona, • predvidene ali ugotovljene lastnosti betona, • stopnjo kakovosti izdelave, • zahtevano življenjsko dobo za novo konstrukcijo. Inženirske modele, ki so bili razviti v zadnjih 10 letih, lahko razdelimo v empirične obrazce, fizične modele in anali­ tične modele. Empirični obrazci Te vrste obrazci predstavljajo prehod od tradicionalnega k alternativnemu pristopu. Pristop temelji na dolgoletnih izkušnjah z lokalnimi mate­ riali in postopki gradnje ter podrobnem poznavanju lastno­ sti betona v pričakovanih agresivnih pogojih okolja. Spre­ menljivke v teh izrazih, npr. v/c razmerje, vrsta in količina cementa, običajno vzpostavljajo korelacijo med sestavo in lastnostmi materiala ter med laboratorijškimi preskusi in prakso. Na podlagi obširnih preskusov se ponavadi izpeljejo empirične enačbe ali diagrami ali pa se opredelijo omejitveni kriteriji. Dobljeni podatki navadno veljajo za preiskovano področje in zato takšnih empiričnih enačb ni mogoče posploševati. Preglednica 7. Vrste in učinkovitost zaščitnih premazov in sistemov IT I Oznaka sistema A H-P hidrofobirni premazi B T-P tankoslojni premazi c T-PS tankoslojni premazni sistemi D D-P 1) debeloslojni premazi E D-PS 1) debeloslojni premazni sistemi debelina - od 80 urn do 300 um > 300 um 2000 um izvedba 2 X obrizg osnovni P 2 X T-P glajenje osnovni P 2x T-Pe glajenje izravnava osnovni P min. 2 x D-P glajenje osnovna obloga osnovni P min 2 x D-Pe snovna sestava Silani, silikonske smole eno-in/ali dvokomponentni premazi brez topil: akrilati, mešani polimerizati, epoksidi, poliuretani polimerno cementni premazi, polimerne disperzije, dvokomponentni poliuretani, modificirane epoksidne smole namen in mesto uporabe delna zaščita vidnega betona izboljšanje videza, oviranje karbonatizacije zaščita pred slanim pršcem, zaščita pred zmrzovanjem obnova in tesnenje površine, zaščita pred zmrzovanjem in pred agresivnimi raztopinami, boljša korozijska zaščita jekla učinki2) izboljšanje videza - X X XX znižanje vodovpojnosti X X X X X ovira prodoru kloridov X -/x X X X ovira karbonatizacije - -/x x/- X X visoka paroprepustnost X X X - - dober oprijem X X X X premostitev razpok - X D-Pe D-PSe zaščita pred zmrzovanjem -/x X X X 1) togi: D-Pt, D-PSt deformabiini: D-Pe, D-PSe 2) legenda učinkov - ni x je *1- in -/x delno Primer praktičnega empiričnega obrazca je Clearov mo­ del, ki je rezultat večletnega opazovanja velikega števila poskusnih plošč, prelitih z 2%-no raztopino kloridov, dokler se ni na armaturi pojavila korozija. Ta čas se šteje za življenjsko dobo: ^ = — - X — iT irV 7 /-/0,42 / c kjer posamezne oznake pomenijo: SL - življenjska doba (service life) v letih, v/c - vodocementno razmerje betona, c - debelina zaščitnega sloja v cm, Cl - vsebnost klorovih ionov v betonu (ut.%) Fizični modeli Pri tem postopku je treba skrbno zasnovati in paralelno, v laboratoriju in in-situ, izvesti preskuse predvidenih pro­ cesov razpadanja. Življenjska doba se oceni na podlagi primerjave enih in drugih rezultatov. Ta postopek je v prvi vrsti namenjen ocenjevanju obnašanja novih materialov ali pa tradicionalnih materialov v novem ali še neznanem okolju. Model dovoljuje iterativnost v procesu raziskave in se z napredovanjem raziskav lahko povečuje zaneslji­ vost napovedi življenjske dobe. Predpogoj za uspešno izpeljavo teh postopkov je pozna­ vanje bistvenih mehanizmov razpadanja materiala, ki odločilno vplivajo na njegovo trajnost in strokovne, inženir­ ske izkušnje ocenjevalca. Za analizo je namreč treba izbrati in meriti tiste lastnosti, ki najbolj razvidno pokažejo spremembe v materialu. Predstavnik te vrste modelov je skupni predlog tehničnih odborov CIB W80 in RILEM 71 - PSL. Analitični modeli To je najbolj aktualen pristop, ki mu danes v strokovnih krogih namenjajo največ pozornosti. Uporablja se pri projektiranju trajnosti novih konstrukcij, kakor tudi za ocenjevanje preostale življenjske dobe obstoječih kons­ trukcij. Gradbeni strokovnjak, ki se s temi problemi ukvar­ ja, mora še posebej dobro poznati mehanizme razpadanja betona. Modeli so izpeljani iz osnovnih naravnih zakonitosti. Slo­ nijo na matematičnem opisu fizikalnih in kemičnih proce­ sov pri razpadanju betona in koroziji armature s pomočjo nekaterih osnovnih naravnih zakonov. Teoretično je ta pristop enostaven, pri prenosu v prakso pa je še veliko nerešenih problemov v zvezi z definiranjem relevantnih parametrov heterogenosti in poroznosti strukture betona na eni, ter kompliciranega delovanja zunanjih agresivnih vplivov na drugi strani. Zaradi poenostavitve matematič­ nega modela je treba sprejeti nekatere aproksimacije parametrov materiala in pogojev okolja, kar gre v škodo natančnosti napovedi verjetne življenjske dobe. Pri vsa­ kem modelu je treba opredeliti: • glavne parametre zunanje obremenitve in odpornosti betona za pričakovani mehanizem razpadanja, • kriterij sprejemljive poškodovanosti betona in armature pri še zadostni varnosti konstrukcije. Vsak proces razpadanja betona zahteva svoj model določanja življenjske dobe konstrukcije. Največ pozorno­ sti, tako s tehničnega, kakor tudi gospodarskega vidika, se v raziskavah namenja problemu korozije armature, ker je z njo bolj ali manj povezana večina problemov razpada­ nja betonskih konstrukcij. Na zadovoljivi inženirski ravni obstajajo takšni modeli le za korozijo armature v pretežno stacionarnem okolju, npr. na objektih v morskem okolju. Nekateri modeli se pripravljajo (npr. za zmrzovanje-odta- Ijevanje), o ostalih pa se šele razmišlja. V nadaljevanju so kratko opisane bistvene značilnosti tega pristopa pri obravnavanju korozije armature zaradi kloridov in zaradi karbonatizacije. ANALITIČNI MODELI PROJEKTIRANJA TRAJNOSTI IN NAPOVEDOVANJA ŽIVLJENJSKE DOBE ZA KOROZIJO ARMATURE Splošno Model računanja življenjske dobe armirane betonske konstrukcije za korozijo armature temelji na predpostavki, da sestoji proces korozije iz dveh faz (slika 25): Začetna _ Prodiranje agre- Faza _ Korozija ^ iaza sivnih medijev^ ̂ širjenja armature Slika 25. Značilne faze procesa korozije armature • začetne (inicijalne) faze ti, ko se ustvarjajo pogoji za depasivacijo armature, bodisi zaradi napredovanja karbo­ natizacije, ali zaradi prodiranja CP ionov proti položeni armaturi, • faze širjenja (propagacije) aktivne korozije t2 po arma­ turi, z različno intenziteto in hitrostjo. Prvo fazo je mogoče opisati z ustreznim fizikalnim zako­ nom penetracije agresivnega plina (C02 v primeru karbo­ natizacije) ali agresivne tekočine (s CP ioni nasičene vode) v strukturo betona, običajno kot difuzijo plina ali tekočine, vpijanje ali tečenje pod pritiskom. Trajanje druge faze se pri ocenjevanju preostale življenj­ ske dobe običajno predvideva glede na izmerjeno gostoto korozijskega toka in še sprejemljivo zmanjšanje preseka armaturnih palic. Računska življenjska doba konstrukcije, kjer je dominantni mehanizem razpadanja korozija armature, je torej: tr = f) + t2 (En. 6) Trajanje začetne faze a) v primeru karbonatizacije Izračuna se iz primernega izraza za globino karbonatiza­ cije v odvisnosti od časa: x = K c x t n (En. 7) kjer pomenijo: X - globina karbonatizacije v cm t - čas v letih n - 0,5 do 0,25 Kc - koeficient karbonatizacije, ki je običajno funkcija vlage in temperature okolice ali xc = a X kex X (kenvx t)1/2 (En. 8) kjer pomenijo: xc - globina karbonatizacije v cm a - koeficient kakovosti in sestave betona kex - faktor kakovosti izvedbe kenv - faktor agresivnosti okolja t - čas v letih Pomen in vplivnost posameznih faktorjev sta razvidna iz slike 26. k Referenčna linija Slika 26. Globina karbonatizacije v odvisnosti od časa in vpliv sestave betona (a), kakovosti izvedbe (kex) in agresivnosti okolja (kenv) Čas začetne faze t! se določi iz pogoja, da je karbonati- zacija dosegla armaturne palice in je torej njena globina X enaka debelini zaščitnega sloja c. Bolj sofisticirani modeli pa pri računanju življenjske dobe zaradi napredo­ vanja karbonatizacije že uporabljajo verjetnostni pristop. b) v primeru penetracije kloridov z difuzijo Izračuna se iz izraza za koncentracijo CI” ionov v globini X, v času t0 C (x ,r0 ) = C(] 1 - e r f i j D c i - t , (En. 9) kjer pomenijo: C(x,t) - koncentracija kloridnih ionov (ut.% na maso betona ali cementa) v globini x (cm), po času t (sek) C0 - začetna koncentracija (ut.% na maso betona ali cementa), na površini betona (globina x0) v času t0 DCi - koeficient difuzije kloridnih ionov (cm2/s) erf - funkcija napake. Začetna faza t! se konča, ko doseže koncentracija klorid­ nih ionov v globini armature določeno kritično vrednost (0,4 % do 1 % na maso cementa v armiranem betonu oz. 0,2 % do 0,5 % v prednapetem betonu). Trajanje faze širjenja korozije Trajanje druge faze t2 je možno najboljše oceniti z izrazom /8/: 0,1 X O . h = — t-------------- 1----------r (En. 10) Y X (0 ,023 X p X iko r) kjer pomenijo: ep, - začetni premer armaturne palice v cm y - varnostni koeficient g - koeficient povečanja gostote korozijskega toka glede na lokacijo objekta ikor - gostota korozijskega toka v A/cm2 Vrednosti ikor in kriteriji za hitrost napredovanja korozije so podani preglednici 14b. Projektiranje trajnosti nove konstrukcije Ob uporabi gornjih enačb se naloga rešuje glede na zahteve podane v projektu konstrukcije in poznane vhodne podatke. Glede na okoliščine je pri tem treba rešiti eno od treh nalog: a) Določitev sestave betona • Zahteva: življenjska doba t let • Vhodni podatki: izbrana debelina zaščitnega sloja c, začetna koncentracija (predvidena koncentracija agresiv­ nega medija na površini betona) C0 ali Kc • Izračunana vrednost: potrebni parameter prepustnosti (D, A ali k) in pripadajoča v/c vrednost. b) Določitev debeline zaščitnega sloja • Zahteva: življenjska doba t let • Vhodni podatki: parameter prepustnosti (D; A; ali k), začetna koncentracija C0 ali «c • Izračuna vrednost: potrebna debelina zaščitnega sloja c c) Določitev življenjske dobe • Vhodni podatki: debelina zaščitnega sloja c, parameter prepustnosti (D; A; ali k), predvidena začetna koncentra­ cija C0 ali Kc • Izračunana vrednost: življenjska doba t let. Pri projektiranju trajnosti se življenjska doba t običajno računa z določeno rezervo, tako da se faza širjenja korozije t2 ne upošteva in je enostavno t = t1f ko preneha pasivna zaščita. Podatki za parametre prepustnosti in začetne koncentra­ cije je mogoče najti v literaturi. Bolj zanesljiv vir je lastna podatkovna baza meritev na betonih iz istih osnovnih materialov. Problematičen je zlasti izbor ustrezne vrednosti za za­ četno koncentracijo. Za kolikor toliko stalne okoliščine, v kakršnih se nahajajo objekti v morski vodi ali v obmorski atmosferi, so podatki na razpolago ali pa jih je možno dovolj zanesljivo pridobiti z enostavnimi meritvami vseb­ nosti kloridov na elementih v podobnih razmerah. Delova­ nje kloridov na betonske elemente na cestah in mostovih pa je mnogo bolj zapleteno, ker se soljenje opravlja J. Žnidarič: Trajnost občasno in ker se vlažnost betona ciklično spreminja, s tem pa tudi koncentracija kloridov na površini betona. Za te okoliščine je možno dobiti primerno zanesljive podatke le iz večjega števila meritev na gotovih objektih, ki jih je treba obdelati s primerno analitično metodo, npr. s po­ močjo nevronskih mrež. /9/ Za reševanje enačbe 9 obstajajo poleg računalniških programov tudi enostavni nomogrami /10/, iz katerih je možno za poznane vhodne podatke direktno odčitati iskano vrednost iz naloge, ki jo je treba rešiti (slika 27). Žal so uporabni le za betone, ki se nahajajo v bolj ali manj stacionarnih okoliščinah. Običajno se predpostavlja, da lahko sega preostala živ­ ljenjska doba deloma v fazo širjenja korozije t2. Z enačbo 10 se izračuna čas od začetka korozije, ko se premer glavnih armaturnih palic v prizadetem konstrukcijskem elementu zmanjša na še dopustno mejo, ki jo dovoljuje ocena varnosti konstrukcije (slika 28). Preostalo življenjsko dobo lahko ocenjujemo oz. napove­ dujemo enotno za celotni objekt ali pa za posamezne dele objekta ali dele konstrukcije. Slednje prihaja v poštev pri razsežnih objektih, če je bila s preskusi ugotovljena različna stopnja ali kategorija poškodovanosti. Slika 27. Nomogram C-D-a-t za določanje življenjske dobe betona v primeru difuzije klo­ ridov Življenjska doba konstrukcije (leta) Napovedovanje preostale življenjske dobe Preostala življenjska doba se ugotavlja glede na zatečeno stanje betona in dominantni agresivni medij (C02 ali kloridi), ki se določijo s kemično analizo vzorcev, vzetih iz konstrukcije. Za ta namen je treba s preskušanjem na objektu dobiti podatke o: • karakteristični debelini zaščitnega sloja, • pH-vrednosti oz. globini karbonatizacije, izraženi s karakteristično vrednostjo, • koncentracijah CP ionov po globini zaščitnega sloja armature • prepustnosti betona, izraženi z enim od parametrov. Ti podatki in poznana starost konstrukcije teoretično omogočajo določitev koeficienta karbonatizacije oz. koe­ ficientov prepustnosti (D, A, k) betona v konstrukciji. 10 s 5 ss Začetna A _ faza Faza Siljenja Čas (leta) Depasivizacija Slika 28. Ocena zmanjševanja prereza armature premera 20 mm Prevladujoči agresivni medij: C02 Koeficient karbonatizacije Kc se določi po enačbi 7 iz primernega števila meritev globine karbonatizacije x oz. pH vrednosti na različnih mestih konstrukcije. Šteti je, da se čelo karbonatizirane plasti zaščitnega sloja v globini x nahaja pri pH = 10. Preostalo trajanje začetne faze t1x je nato kjer pomenijo: Kc - koeficient karbonatizacije, ugotovljen s preskusi globine karbonatiziranega čela, c - izmerjena debelina zaščitnega sloja nad armaturo, tx - starost betona v času meritev Prevladujoči agresivni medij: kloridi Za izračun časa t = tt , ko bo koncentracija kloridov C(x,t) v globini zaščitnega sloja x = c dosegla določeno kritično vrednost Ckr, je treba v enačbi 9 poznati začetno koncen­ tracijo d " ionov C0 in koeficient difuzije Dcf . Obe vredno­ sti je v načelu možno določiti s preskusom večjega števila vzorcev vzetih iz objekta. V enostavnejših okoliščinah, ko je delovanje agresivnega medija bolj ali manj stacionarno (npr. v morskem okolju), se za začetno koncentracijo kloridov v nekem elementu vzame izmerjena koncentracija v zunanjih 5 mm zaščit­ nega sloja. Precej zanesljive podatke o začetni koncentra­ ciji in koeficientu difuzije dobimo, če pri poznani starosti betona na več mestih izmerimo koncentracije C(x,t) na različnih globinah x. Na ta način lahko za vsako presku- šeno mesto rešimo po dve enačbi z dvema neznankama C0 in Dcf. Meritve na več mestih omogočajo tudi stati­ stično določitev povprečnih vrednosti in koeficientov varia­ cije za oba iskana parametra. Za modeliranje delovanja soli za taljenje oz. slanice na izpostavljene elemente objektov na cestah pa velja isto kot v primeru projektiranja trajnosti teh elementov /9/. D D o O E L o u& m m um sE ®esT®ji©D^ ߀®Msrayc€®y UVOD Projektiranje novih konstrukcij in ocenjevanje stanja ob­ stoječih betonskih konstrukcij sta dve različni veji analize konstrukcij. Pri projektiranju se bodoče obnašanje in zanesljivost (varnost, uporabnost in trajnost) konstrukcije predvidevata na podlagi zahtevanih lastnosti materialov in predpostavljene kakovosti izvedbe. Ocena trenutne zanesljivosti obstoječe konstrukcije pa temelji na ugotov­ ljenem stanju konstrukcije na podlagi pregleda in meritev konstrukcije ter preskusov vgrajenih materialov. Pri tem pa se vedno lahko zgodi, da tako pridobljene informacije niso celovite in popolnoma zanesljive in je treba takšne praznine zapolniti z inženirsko presojo.Skoraj vse preiska­ ve, ki se za ta namen uporabljajo, so namreč indirektne in neporušne in običajno zahtevajo ustrezno inženirsko tolmačenje. Stanje obstoječih betonskih konstrukcij naj zato ocenjuje inženir, ki ima dovolj izkušenj s področja tehnologije betona in o postopkih grajenja ter široko znanje o mehanizmih propadanja betona in obnašanju konstrukcij. Stanje konstrukcij se ugotavlja: a) po potrebi, na zahtevo upravljavca, • če se zaradi poškodb dvomi v zanesljivost konstrukcije, • če se spremenijo okoliščine uporabe konstrukcije, npr. zaradi dodatne koristne obtežbe, • kot podlaga za predvideno sanacijo ali ojačitev kons­ trukcije. b) redno, za nekatere energetske in infrastrukturne objek­ te, zlasti mostove: • da se za vsak objekt v cestni mreži zagotovi varnost pri normalnem prometu ali izrednih prevozih, • da se zanesljivo odkrijejo in spremljajo prevladujoči mehanizmi razpadanja in določijo parametri za prikaz njihovega napredovanja, • da se pripravi podatkovna baza o stanju vsakega objekta in analitična podpora za razvrščanje objektov glede na ugotovljeno stopnjo poškodovanosti in za spre­ jemanje odločitev o potrebnih ukrepih, • da se določijo prioritete vzdrževalnih in obnovitvenih del ter zamenjav neustreznih objektov. Podlage za ugotovitev stanja obstoječih konstrukcij so: • podatki o zasnovi in gradnji konstrukcije, o okolju in o njeni uporabi , • podatki pregleda konstrukcije, • rezultati in-situ in laboratorijskih preiskav. Ugotavljanje stanja obstoječe konstrukcije zato običajno obsega: • preučitev dokumentacije o objektu: izvedbenega pro­ jekta, dokazil o kakovosti vgrajenih materialov iz katerih se razberejo bistvene karakteristike vgrajenih materialov (marka betona, posebne lastnosti betona, vrsta jekla), zapisnika tehničnega pregleda, poročil o morebitnih prejš­ njih pregledih in izvedenih ukrepih, Preglednica 8. Poškodbe betona in jekla, pomembne za oceno poškodovanosti betonske konstrukcije Predmet pregleda - opazovanja Vrsta ali oblika poškodbe Osnovne preiskave Razpoke nastale pred strditvijo betona in zaradi napak betoniranja dolžina, širina in odprtina razpoke zaradi preobtežbe, vsiljenih ali oviranih deformacij zaradi kemijskih procesov vzdolž armaturnih palic ali kablov, zaradi korozije jekla Mehanske poškodbe betona odlom zaradi udarca velikost (površina) erozijske ali kavitacijske zajede globina abrazija površine Napake betoniranja gnezda, votlavost, manjkajoče vezivo velikost (površina slojevitost razkrita armatura dolžina Vlažna mesta - zamakanje na površini - skozi beton velikost površina skozi stike Razpadanje betona zaradi zmrzovanja ali kemičnih vplivov: krušenje, drobljenje, lomljenje velikost prizadete površinezaradi zmrzovanja in talilnih soli: luščenje zaradi korozije armature: odpadanje zaščitnega sloja Kakovost zaščitnega sloja votlavost pretrkavanje debelina profometer globina karbonatizacije, poroznost fenolftalein vsebnost in razpored kloridov kemična analiza Jeklo za armiranje korodiranost obseg zmanjšanje prereza oz. pretrg palic preostali premer Jeklo za prednapenjanje korodiranost žice oz. vrvi (pramenov) obseg zmanjšanje prereza oz. pretrg žic oz. vrvi preostali premer praznine v zaščitnih ceveh kablov endoskop Sidrišča kablov mehanske in korozijske poškodbe vizualno • ogled konstrukcije, kar je podlaga za načrt nadaljnjega dela, • pregled konstrukcije, • izvedbo načrtovanih preskusov, s katerimi se ugotovijo dejanske lastnosti vgrajenih materialov in/ali vzroki, jakost in obseg posameznih vrst poškodb, • kategorizacijo posameznih, za stanje konstrukcije odlo­ čujočih poškodb, in kategorizacijo poškodovanosti celot­ nega objekta oz. njegovih delov, ki izdvoji najbolj poško­ dovana in najbolj ogrožena območja na konstrukciji, • oceno preostale življenjske dobe konstrukcije, glede na ugotovljeno stanje ali po opravljenih popravilih oz. rekonstrukciji, • po potrebi: oceno trenutne varnosti in uporabnosti konstrukcije, v kateri se lahko, poleg dejanskih parametrov nosilnosti upoštevajo tudi resnične obtežbe, če so bile zanesljivo ugotovljene. Potrebne postopke za ugotovitev stanja obstoječe kons­ trukcije je treba programirati glede na namen ocene in pomembnost objekta ter odvisno od jakosti in obsega poškodb oz. obsežnosti nameravanih ukrepov. Program se običajno izdela na podlagi ugotovitev prvega, informa­ tivnega ogleda objekta in podatkov iz razpoložljive doku­ mentacije o objektu. Pri izbiranju najprimernejšega ukrepa na podlagi ugotov­ ljenega stanja ima upravljavec objekta na razpolago štiri glavne opcije: • ne storiti ničesar, t.j. pustiti konstrukcijo v zatečenem stanju in odložiti ukrepanje, • začasno ustaviti prevladujoči proces razpadanja, npr. korozijo armature, • sanirati ali ojačiti konstrukcijo, • zamenjati obstoječi objekt z novim. Zanimiva in racionalna je zlasti prva možnost. Ponuja se v primeru poškodovanih konstrukcij, ki pa imajo iz kate­ rega koli razloga še zadostno varnost, zlasti če se jim izteka življenjska doba. Takšna odločitev namreč omo­ goča preusmeritev načrtovanih sredstev na druge, bolj kritične probleme. PREGLED KONSTRUKCIJE V okviru pregleda konstrukcije, ki je pretežno vizualen, lahko pa vsebuje enostavne meritve in osnovne preiskave, je treba: • ugotoviti neskladja ali spremembe glede na projekt izvedenih del, • preveriti obnašanje in funkcionalnost posameznih konstruktivnih elementov ali delov objekta; na nepravilno obnašanje konstrukcije ali njenih elementov se sklepa iz nenormalnih deformacij (povesov, zasukov) ali odstopanja od vertikale, • odkriti poškodbe in napake na betonu in armaturi, ki pomenijo odstopanje od zahtev projekta konstrukcije in bi zato lahko vplivale na varnost, uporabnost in/ali trajnost konstrukcije, pri mostovih pa tudi na varnost prometa, • po potrebi opraviti osnovne preiskave oz. meritve, ki omogočijo popolnejšo in kvantificirano oceno stanja po­ škodovane konstrukcije; poleg sklerometriranja za oceno tlačne trdnosti so to predvsem meritve širine razpok in preiskave za ugotovitev debeline in kakovosti zaščitnega sloja armature, • določiti potrebne dodatne preskuse na objektu in v laboratoriju za ugotovitev dejanskih lastnosti vgrajenih materialov ter vzrokov in obsega poškodb, • oceniti morebitno neposredno nevarnost ugotovljenih poškodb za varnost konstrukcije. V preglednici 8 so navedene bistvene poškodbe in po­ manjkljivosti betona in jekla, ki jim je med pregledom treba nameniti pozornost in podatki, ki jih je treba pridobiti z enostavnimi meritvami in osnovnimi preskusi. Poročilo o pregledu mora vsebovati • opis ugotovljenih napak, poškodb in pomanjkljivosti, rezultate opravljenih meritev, • po potrebi: zahtevo po dodatnih preiskavah, za ugoto­ vitev lastnosti vgrajenih materialov ter vzrokov, jakosti in obsega poškodb, • sklep o stanju konstrukcije in potrebnih ukrepih za odpravo oz. popravilo ugotovljenih poškodb in pomanjklji­ vosti. Za objekte, ki se redno pregledujejo, obstajajo stalni obrazci teh poročil, v katerih se uporabljajo poenoteni opisi poškodb, kar omogoča računalniško vnašanje in obdelavo pridobljenih podatkov /11/. PREISKAVE ZA DOLOČITEV STANJA BETONA IN ARMATURE V preglednici 9 so navedene fizikalne in mehanske, pretežno neporušne preiskave, namenjene pridobitvi po­ datkov o: • lastnostih in strukturi betona, • položaju in dimenzijah armature, • lastnostih in stanju armature, • jakosti in obsegu nekaterih poškodb. Izbor teh preiskav je treba prilagoditi glavnim ciljem preskušanja, ki so: • določitev parametrov za izračun dejanske nosilnosti kritičnih prerezov, potrebnih za oceno varnosti konstruk­ cije: - trdnost, - modul elastičnosti, - položaj in prerez armature, debelina zaščitnega sloja, - globina razpok, - homogenost • pridobitev podatkov o jakosti in obsegu poškodb, po­ trebnih za projekt sanacije ali za oceno preostale življenj­ ske dobe; v primeru kloridne korozije armature so to zlasti: - koncentracije kloridov po prerezu, da se določi globina potrebnega odstranjevanja kontaminiranega betona, - globina karbonatizacije oz. pH vrednost, ker vpliva na dovoljeno dopustno koncentracijo kloridov v neodstranje- nem betonu - verjetnost korozije s kartiranjem potencialov, da se pod še nepoškodovanim zaščitnim slojem odkrijejo začetki korozije na armaturi, - debelina zaščitnega sloja, da se po potrebi predvidi povečanje debeline, - vrsta in globina korozije, da se po potrebi nadomesti morebiti manjkajoči prerez, - vlažnost, - penetrabilnost. Preiskave je treba opraviti čim bolj sistematično in selek­ tivno tudi na na videz nepoškodovanih delih konstrukcije. Le tako je v začetni fazi procesa korozije možno odkriti ogroženost armature zaradi napredujoče karbonatizacije ali prodiranja kloridov, in predvideti čas depasivizacije in začetek aktivne korozije armature. Podobno velja tudi v primeru drugih procesov razpadanja, ki grozijo varnosti in trajnosti konstrukcije. KRITERIJI KAKOVOSTI BETONA IN ARMATURE V KONSTRUKCIJI Mednarodno usklajene kriterije za oceno kakovosti betona Preglednica 9. Preiskave za določitev stanja in poškodo- vanosti vgrajenega betona in armature Parameter/meritev Metoda/naprava * Standard a. Lastnosti betona Penetrabilnost: H?0, 0?, CI , C02 zaradi vpijanja ISAT - L.T JUS U.M8.300 BS 1881 zaradi prepustnosti FLOPLAB- L APIS-L, T vodoprepustnost - L DIN 51058 GFZ DIN 1048 zaradi difuzije difuzijska celica - L Debelina zaščitnega sloja profometer - L, T Natezna trdnost Pull-off - L, T Break-off - L, T BS 1881 BS 1881 Tlačna trdnost iz konstrukcije izvrtani valji sklerometriranje - L, T ultrazvok - L, T Pull-out - L, T Windsor probe - L, T JUS U.M1.020 JUS U.M1.041 JUS U.M1.042 BS 1881 BS 1881 b. Struktura in stanje betona Poroznost mikroskopija vakumiranje ASTM C 457 Razpoke ultrazvok - L, T akustična emisija - L merila, senzorji - L, T BS 1881 BS 1881 Homogenost ultrazvok - L, T radiografija - L, T radiometrija - L, T termografija - L, T JUS U.M1.042 BS 1881 BS 1881 BS 1881 Vlažnost vlagomer - L, T nevtronska tehnika - L, T BS 1881 BS 1881 Kloridi v betonu Hachova metoda - L, T titracijska metoda - L JUS B.C1.011 Globina karbonatizacije Hachova metoda - L, T fenolftalein - L, T c. Položaj in dimenzije armature Položaj profometer - T radar - T Dimenzija profometer - T d. Lastnosti in stanje armature Diagram o -e L Vizuelna kontrola endoskopija - T DIN 1048 Verjetnost korozije kartiranje elektropotencialov - T kartiranje električnega upora ASTM C 876/80 BS 1881 Hitrost korozije elektrokemične meritve - L ASTM Vrsta in globina korozije metalografija - L rentgenska analiza - L t * L - laboratorijska meritev/preskus T - terenska meritev/preskus Preglednica 10a. Penetrabilnost - vpijanje vode Začetno površinsko vpijanje v ml/m2/s Količina vpijanja (%) Koeficient vpijanja v ml/s05 Vpojnost betona Kakovost betonapo 10 min. po 30 min. po 1 uri <0 ,25 <0,17 <0,10 < 3 < 5 x1 0‘6 majhna dobra 0,25 do 0,50 0,17 do 0,35 0,10 do 0,20 3 do 5 5x10‘6 do 1x10'5 srednja srednja > 0 ,50 >0,35 >0 ,20 5 >10'5 visoka slaba Preglednica 10b. Penetra­ bilnost - vodoprepustnost Preglednica 10c. Penetrabil­ nost - plinoprepustnost Plinoprepustnost v m2 Plinoprepustnost betona Kakovost betona 00ÖV majhna dobra 10‘18 do 10'16 srednja srednja CDbA velika slaba Vodoprepustnost v m/s Vodoprepustnost betona Kakovost betona < 1 0 12 majhna dobra 10'12 do 10'1° srednja srednja > 10'10 visoka slaba Preglednica 10d. Penetra­ bilnost - difuzija klorovih io­ nov Koeficient difuzije klorovih ionov v m2/s Difuzija klorovih ionov v beton Kakovost betona A _» O t o majhna dobra 1 X 10‘12 do 5 X 10'12 srednja srednja > 5 X 1 0 ‘ 12 močna slaba Preglednica 11. Površinska trdota betona - sklerometrira- nje Srednji odčitek na sklerometru Kakovost betona > 4 0 dobra 30 do 40 srednja 20 do 30 slaba < 2 0 votlavost, razpokanost Preglednica 12. Homoge­ nost betona Radiografija: reflektirajoči odčitek v mm Ultrazvok hitrost v km/s Kakovost betona >8,5 > 4 dobra 7,5 do 8,5 3 do 4 srednja < 7 ,5 < 3 slaba Vsebnost klorovih ionov (v % na maso cementa) Tveganje za korozijo armature < 0 ,4 majhno 0,4 do 1,0 srednje > 1,0 veliko Preglednica 13. Vsebnost klorovih ionov v betonu Korozijska napetost Ekor v mV Verjetnost korozije > -2 0 0 < 5 % - 200 do - 350 = 50 % < -3 5 0 > 95 % Preglednica 14a. Verjetnost in hitrost napredovanja koro­ zije armature - kartiranje po­ tencialov - polceličnih z ba- ker-bakersulfatno elektrodo (Cu/CuS04) Električna upornost betona v Ohm x.cm *s Hitrost napredovanja korozije > 20 000 neznatna 10 000 do 20 000 majhna 5 000 do 10 000 velika < 5 000 želo velika Preglednica 14b. Verjetnost in hitrost napredovanja koro­ zije armature - električna upornost betona Gostota korozijskega toka v A/m2 Hitrost napredovanja korozije 10'4 do 10'3 0,1 do 1 mm/leto 10'2 do 10‘1 s 0,1 mm/leto > 1 s 1 mm/leto Preglednica 14c. Verjetnost in hitrost napredovanja koro­ zije armature - gostota elek­ tričnega toka in stopnje korodiranosti armature glede na dobljene rezul­ tate preiskav nekaterih značilnih lastnosti in strukture betona ter armature je pripravil CEB (Evropski komite za beton) /12/. Prikazani so v Preglednicah 10, 11, 12, 13 in 14. KATEGORIZACIJA POŠKODB IN POŠKODOVANOSTI KONSTRUKCIJE Splošno Ugotovljene poškodbe ali objekt je smiselno in koristno razvrstiti v ustrezen poškodbeni razred oz. mu določiti stopnjo poškodovanosti. Na ta način se ugotovitve pre­ gleda ovrednotijo in dopolni opisna ocena poškodbe oz. stanja konstrukcije. S takšnim podatkom upravljalec objekta lažje načrtuje potrebne ukrepe. Na podlagi kate­ gorizacije je možno določiti dele objekta, ki jih je treba najprej sanirati in tudi izdelati grobo oceno stroškov ukrepanja. Poškodbeni razred neke poškodbe je opredeljen z ustre­ znimi parametri njene jakosti in razširjenosti, poškodbeni razred objekta ali njegovih delov pa je običajno opredeljen z možnimi posledicami ugotovljenega stanja za varnost, uporabnost in trajnost konstrukcije. V obeh primerih so kriteriji za določitev kategorije lahko: • subjektivni, kadar pregledovalec določi kategorijo po svoji osebni presoji, • opisni in kvalitativni, na podlagi podrobnih opisov vsake stopnje poškodbe in posledic za zanesljivost konstrukcije, po možnosti pa vsebujejo tudi merljive parametre, • kvantificirani, na podlagi primerjave preiskanih lastnosti vgrajenih materialov z uveljavljenimi kriteriji kakovosti, ki za posamezne kategorije poškodovanosti določajo mejne vrednosti značilnih lastnosti betona in armature. Izbira metode in poti je odvisna od pomembnosti objekta, v največji meri pa od usposobljenosti pregledovalca. Kategorizacija večjih in zahtevnejših objektov se običajno izvaja v dveh fazah. V prvi fazi določi kategorijo oz. razred poškodovanosti izkušen pregledovalec po videzu poškodb in s pomočjo opisnih kriterijev za posamezni razred. V drugi fazi se kategorizacija poškodovanih območij dopolni in kvantificira z rezultati preiskav. Opisni kriteriji za kategorizacijo poškodovanih objektov Obstaja veliko načinov opisnega klasificiranja poškodova­ nih objektov. Izmed številnih predlogov je za ilustracijo, kot zelo primerna izbrana metoda iz /13/ (preglednici 15 in 16). Kategorizacija na podlagi preiskanega stanja betona in jekla Za ta namen se na več poškodovanih mestih opravijo preiskave izbranih lastnosti betona in armature, ki so indikativne za ugotovljeni prevladujoči mehanizem propa­ danja konstrukcije. V poštev prihajajo preiskave, ki so relativno enostavne in jih je možno opraviti v primerno velikem številu, tako da se dobljeni rezultati lahko tudi statistična obdelajo. Število mest oz. območij na konstruk­ ciji, ki se za ta namen raziščejo in izbira najprimernejših preiskav so odvisni od velikosti in razčlenjenosti objekta in od vrste in različnosti poškodb, ki so bile ugotovljene pri pregledu objekta. Dobljeni rezultati preiskav določene lastnosti se nato primerjajo z ustreznim kriterijem kakovosti vgrajenega betona oz. armature. Kategorija poškodovanega mesta na konstrukciji je načelno tista, ki jo pokaže največ izmerjenih parametrov. Nanaša se na celotno pripadajoče območje z enako sliko poškodovanosti. Preglednica 15. Kriteriji razvrščanja objektov v poškodbene razrede Razred Opis stanja in posledic ter primeri poškodb I Nobenih poškodb, le pomanjkljivosti gradnje. Predvideti rti treba nobenih sanacijskih ukrepov. Prim eri: geometrijske nepravilnosti, estetske pomanjkljivosti, razlike v barvi betona il Lažje poškodbe, ki bi šele čez dolgo časa vplivale na zmanjšanje uporabnosti in trajnosti, če se ne bi v primernem času odpravile. Poškodbe je mogoče odpraviti z majhnimi stroški v okviru vzdrževanja. Primeri', lokalne razpoke, manjše pomanjkljivosti betoniranja, na mestih pretanek zaščitni sloj. III Srednje poškodbe, ki vplivajo na zmanjšanje uporabnosti in trajnosti, vendar ne zahtevajo omejitve uporabe. Potrebna je sanacija poškodb v primerno kratkem roku. Prim eri: razpoke, pomanjkljivosti betoniranja, tanek zaščitni sloj na vlažnih mestih, poškodbe izolacije na mostovih IV Težke poškodbe, ki bistveno zmanjšujejo uporabnost in trajnost, vendar še ne zahtevajo omejitve uporabe. Potrebna je takojšnja sanacija, s katero se lahko še ohranita projektirana uporabnosti in trajnost. Prim eri: korozijske poškodbe na glavnih nosilnih elementih, odprte rege, pomanjkljivosti injektiranja prednapetih kablov V Zelo težke poškodbe, ki zahtevajo omejitev uporabe, na mostovih delno zmanjšanje dopustne teže vozil, ali začasno podpiranje ali druge varovalne ukrepe. Potrebna je takojšnja sanacija; brez posebnih ojačitvenih posegov je možno takšno konstrukcijo usposobiti za delno zmanjšano uporabo in ji zagotoviti omejeno uporabnost in trajnost. Prim eri: močna korozija armature in kablov v glavnih nosilnih elementih, močne razpoke zaradi preobteženosti, voda v ceveh za kable, zlom ležišča, manjše zmanjšanje varnosti konstrukcije iz kakršnega koli vzroka. VI Izredno težke poškodbe, ki zahtevajo takojšnje podpiranje konstrukcije in bistveno omejitev uporabe, na mostovih popolno zaporo prometa. Potrebna je takojšnja, obsežna sanacija, s katero pa konstrukcije ni več mogoče usposobiti za prvotno uporabo niti ji zagotoviti primerne trajnosti oz. preostale življenjske dobe oziroma bi bili stroški za to ekonomsko neupravičeni. Primeri: podobno kot za V in vsako znatno zmanjšanje varnosti konstrukcije. Preglednica 16. Opisni kriteriji za jakost poškodb betona in jekla za armiranje Stopnja Jakost Stadij Opis stanja I. majhna začetni Poškodba je dimenzijsko majhna in lokalna. Nima tendence večanja. Nosilnost in trajnost elementa tudi dolgoročno nista ogroženi. II srednja progresivni Poškodba je dimenzijsko srednje velika, v glavnem lokalna ali pa se le v manjšem obsegu pojavlja na več mestih konstrukcijskega elementa. Ima tendenco večanja. Nosilnost in trajnost elementa se dolgoročno lahko poslabšata. lil močna aktivni Poškodba je dimenzijsko velika in se pojavlja na več mestih konstrukcijskega elementa. Ima močnejšo tendenco večanja. Nosilnost in trajnost elementa sta ogroženi, vendar ne vplivata na uporabnost konstrukcije kot celote. IV zelo močna kritični Poškodba je dimenzijsko zelo velika in se pojavlja na pretežnem delu konstrukcijskega elementa. Ima zelo močno tendenco večanja. Nosilnost in trajnost elementa sta problematični in vplivata na uporabnost konstrukcije kot celote. Preglednica 17. Kategorije poškodovanosti zaradi korozije armature Kategorija Faza korozije Opis stanja Plinoprepust- nost, m2 Elektropoten- ciali, mV pH c r ut.% cem Pull-off MPa I ni razpoke <0,1 mm < 1 0 '18 > -200 >11 <0 ,4 3,0 II začetna razpoke < 1 mm, opazne sledi stremen 10'18 do 5x10'17 -200 do -350 11 do 10 0,4 do 1,0 3,0 do 2,0 III razširjenja razpoke 1 - 2 mm, luščenje do 10 mm, 10'17do 10'16 -350 do -500 10 do 9 1,0 do 2,0 2,0 do 1,0 IV aktivna luščenje do 30 mm, odpadanje zaščitnega sloja lokalno in vzdolž robov, korodirana nosilna armatura > 10"16 <-500 < 9 > 2 ,0 <1,0 V kritična odpadanje zaščitnega sloja na velikih površinah, prekorodirana armatura Postopek torej omogoča kvantificirano oceno stanja kons­ trukcije, ne dopušča pa samodejnega sklepanja o katego­ riji poškodovanosti. Parametri, ki se preiskujejo in pripada­ joči kriteriji namreč niso do te mere usklajeni, da bi vsak dobljeni rezultat preiskave pokazal isti kakovostni razred. Zlasti če je število preiskanih mest majhno, je pri odločanju še vedno nujna presoja strokovnjaka, ki mora v primeru neusklajenosti rezultatov na nekem območju dati reali­ stično oceno stanja konstrukcije na nekem območju in določiti končno kategorijo poškodovanosti na tem mestu. Pri tem je koristno kombinirati tudi vizualne vtise o poškodovanosti obravnavanega območja in pri ocenjeva­ nju upoštevati vse spremljajoče pojave, kot npr. razpoka­ nost, zamakanje i.sl. V preglednici 17 so določene kategorije poškodovanosti zaradi korozije armature. Za vsako so navedeni vizualni kriteriji in mejne vrednosti za pet najustreznejših preiskav. Zaradi omenjenih problemov smo na podlagi tega po­ stopka razvili novo metodo določanja kategorije poškodo­ vanosti, ki v osnovi prestavlja nevronsko mrežo. Temelji na bazi podatkov, pridobljenih s konkretnimi terenskimi in laboratorijskimi meritvami na obstoječih mostovih v Slove­ niji. Metoda je bolj podrobno razložena v /9/. UGOTAVLJANJE STANJA IN USTREZNOSTI OBSTOJEČIH MOSTOV Splošno Ustreznost mostov se ne ugotavlja le, ko se zaradi poškodb močno poslabša njihovo stanje in je treba na podlagi analiz in detajlnih raziskav v zvezi z ugotovljenim stanjem sprejeti odločitve o zanesljivosti konstrukcije in o potrebnih ukrepih, ampak tudi kot sestavni del sistema upravljanja mostov (BMS - Bridge management system). Eden od ciljev BMS je, da nudi upravljalcu kvantificirane podatke o stanju vsakega mostu na cestno upravnem območju in da omogoči ovrednotenje problemov na mo­ stu. Glavne komponente sodobnega sistema upravljanja mo­ stov so: • Zbiranje podatkov: - o konstrukciji in stanju mostu, - o gostoti in strukturi prometa. • Obdelava in vnašanje podatkov v podatkovno bazo: - poročila o pregledih mostov, - rezultati meritev teže težkih tovornih vozil. • Izhodni podatki o vsakem mostu: - kazalci stanja, - rating ustreznosti, - kategorija poškodovanosti. Podatkovna baza vsebuje splošne podatke o vsakem objektu, podatke o konstrukciji, izvršenih pregledih in vzdrževalnih ali sanacijskih ukrepih, ter kazalce stanja mostu. Kazalci stanja predstavljajo informacijsko podporo za sprejemanje objektiviziranih odločitev o najustreznejših ukrepih na poškodovanih mostovih in omogočajo kva lifi­ cirano oceno uporabnosti nekega mostu. Kazalci stanja so: stopnja (rating) poškodovanosti objekta, dejanska varnost konstrukcije, preostala življenjska doba objekta in merilo funkcionalnosti mostu. Rating ustreznosti je sintetična vrednost vseh izračunanih kazalcev stanja, ki celostno opredeljuje stanje in primer­ nost mostu in je zato namenjen razvrščanju mostov glede na nujnost ukrepanja. Zbiranje podatkov Zbiranju podatkov so namenjeni: • redno pregledovanje vseh mostov na državnih in avto cestah, • detajlno pregledovanje, preiskovanje in analiziranje poškodovanih konstrukcij, • ugotavljanje dejanske teže težkih tovornih vozil in gostote prometa na mostovih s sistemom tehtanja med vožnjo (WIM); potrebno je za določitev realne koristne obtežbe na mostu in oceno dejanske varnosti nosilne konstrukcije. Redni pregledi mostov V Sloveniji se pregledi mostov izvajajo na vseh mostovih v določenih časovnih intervalih, po pred nekaj leti vpelja­ nem sistemu /11/: Vsaki 2 leti se opravi redni pregled, ki zajema vizualni pregled in, po potrebi, nekaj enostavnih in hitro izvedljivih preskusov (npr. ugotavljanje votlavosti oz. delaminacije zaščitnega sloja s pretrkavanjem, sklerometriranje i.sl.). Vsakih 6 let je treba pri t.i. glavnem pregledu pregledati tudi mesta, ki so sicer pokrita ali pa dostopna le s posebnimi napravami in opraviti osnovne in-situ preskuse vgrajenih materialov (npr. meja karbonatizacije, vsebnosti kloridov po globini betona, trdnost betona). Z dobro programiranimi in v primernih časovnih razmakih izvaja­ nimi osnovnimi preskusi na objektu je možno izdelati poenostavljene, vendar koristne ocene varnosti in življenj­ ske dobe konstrukcije, ki omogočajo točnejše razvrščanje mostov glede na njihovo ustreznost. Ugotovitve vsakega pregleda se sistematično zapisujejo in sproti vrednotijo po izdelani metodologiji /14/. Za ta namen je bil pripravljen tudi računalniški program, ki uporablja standardizirane in zgoščene opise poškodb na posameznih delih oz. elementih mostu (okolica objekta, podporna konstrukcija, prekladna konstrukcija, krov in oprema mostu) in na vseh možnih konstrukcijskih materia­ lih (beton, jeklo, les, opeka, kamen, izolacija, asfalt) in delih mostne opreme (ležišča, dilatacije, ograja, odvodnja­ vanje). Pregledovalec določi tudi številčno vrednost vsake ugotovljene poškodbe, s katero se ovrednoti: vpliv po­ škodbe na varnost oz. trajnost konstrukcije, njena jakost in razširjenost na obravnavanem konstrukcijskem ele­ mentu in tudi nujnost ukrepanja, če zaradi ugotovljene poškodbe obstaja neposredna nevarnost za objekt ali okolico. Detajlni pregledi Detajlni pregled je potreben, če so bile pri rednem ali glavnem pregledu ugotovljene poškodbe, ki bi lahko ogrozile varnost in trajnost objekta. Na podlagi kartiranja ugotovljenih poškodb in sistematično opravljenih presku­ sov vseh tistih lastnosti vgrajenih materialov, ki so relevan­ tne za ugotovitev vzrokov poškodb in oceno stanja kons­ trukcije, je treba s takšnim pregledom dobiti podatke za: • kvantificirano kategorizacijo posameznih, različno po­ škodovanih območij na objektu, ki je namenjena zaneslji­ vejši oceni obsega in stroškov sanacije za letni finančni načrt, • določitev realne nosilnosti kritičnih prerezov nosilne konstrukcije, ki je potrebna za oceno njene dejanske varnosti, • modeliranje prevladujočega procesa propadanja (koro­ zije), za natančnejšo oceno preostale življenjske dobe kritičnih elementov mostu ali posameznih kategoriziranih območij mostu s pomočjo primerne analitične metode. Meritve prometa in modeliranje verjetne maksimalne obtežbe mostu Sistemi za tehtanje vozil med vožnjo (ang. WIM, weigh-in- motion) omogočajo zbiranje podatkov o težah praktično vseh vozil, ki peljejo čez merjeno mesto. Dobljeni podatki o osnih pritiskih, osnih razdaljah, hitrostih in skupni teži vozil, ki so peljala čez tehtalni sistem, se statistično obdelajo in rabijo za pomoč pri: • načrtovanju in kontroli prometa, • dimenzioniranju in vzdrževanju voziščnih konstrukcij, • določanju verjetne maksimalne obtežbe mostu. Najbolj popolne podatke za analizo varnosti mostov nudi mostna različica WIM sistemov (BWIM - Bridge weigh-in- motion), pri katerem prevzame funkcijo tehtnice instru- mentirana prekladna konstrukcija objekta. S to metodo pridobimo tudi podatke o odzivu konstrukcije, ki so po­ membni za analizo varnosti mostu, npr. koeficienta sunka in prečnega raznosa obtežbe. Statistično obdelani podatki o težah vozil, ki so v določe­ nem času prečkala most, in podatki o spremljajočem odzivu konstrukcije se uporabijo v računskem modelu verjetne maksimalne obremenitve kritičnega prereza konstrukcije. Pričakovano maksimalno obtežbo mostu določimo s simulacijo ali z računsko metodo. Značilna vrednost statistične obdelave je karakteristična teža določene kategorije vozil W[g5, od katere je bilo težjih 5% stehtanih vozil. Končni praktični podatek simulacije je faktor istočasne prisotnosti vozil H, ki pomnožen z W 95 pomeni verjetno maksimalno obtežbo mostne razpetine s temi vozili. Kazalci stanja konstrukcije Stopnja (rating) poškodovanosti Stopnja ali rating poškodovanosti je vsota vseh številčnih vrednosti, ki jih je na objektu za vsako ugotovljeno poškodbo določil pregledovalec v zapisniku o pregledu. Stopnja poškodovanosti izraža splošno poškodovanost celotnega objekta ali njegovega dela. Ta vrednost se uporablja za: • kategorizacijo poškodovanosti glede na postavljene mejne vrednosti, • prvo razvrstitev vseh mostov v cestno upravnem ob­ močju, ki je za manj poškodovane objekte (z nizko stopnjo poškodovanosti) tudi končna, • določitev tendence nadaljnjega propadanja konstruk­ cije s pomočjo regresijske krivulje po več zaporednih rednih in glavnih pregledih, kar omogoča tudi grobo predvidevanje preostale življenjske dobe mostu. Varnost konstrukcije Za izračun dejanske varnosti nekega mostu je treba razpolagati s podatki o resnični nosilnosti kritičnih prere­ zov konstrukcije in poznati verjetno maksimalno obreme­ nitev teh prerezov. Na podlagi opravljenih WIM meritev na več objektih v R Sloveniji z različno strukturo prometa in izvrednotenih maksimalnih verjetnih obtežb na teh mostovih, je bila izdelana tudi posebna obtežna shema za primerjalno ocenjevanje varnosti mostov. Konfiguracija osi in osni pritiski vozila v tej shemi predstavljajo težka komercialna tovorna vozila, ki dejansko vozijo po naših cestah, 3-osni tovornjak teže 300 kN in 5-osni vlačilec teže 420 kN, kolikor znašajo njihove povprečne karakte­ ristične teže (slika 29). SLS 1 3 kN/m2 9 0 1 105| |105 kN r ------ . . * *.. I 3,6 m 1,3 «i------------------------X > SLS 2 70 j 110, 3 kN/m2 8 0 , 80, 80,kN 3,5 m 5,3 m 1,3 1,3<-------------- ------------------------X— s*— > Slika 29. Posebni obtežni shemi za ocenjevanje varnosti obstoje­ čih mostov Dejansko varnost določamo z varnostnim indeksom ß, ki posredno izraža verjetnost porušitve, primerjalno varnost pa določamo z rating faktorjem RF, ki je izpeljan iz enačbe za mejno stanje nosilnosti, in pomeni razmerje s katerim se, glede na razpoložljivo nosilnost, sme povečati ali mora zmanjšati prometna obremenitev. Rating faktor torej omo­ goča računsko podprto in zato bolj preudarno omejevanje dovoljene dopustne obtežbe mostov. Bolj podrobno je sistem ugotavljanja varnosti predstavljen v /15/. Preostala življenjska doba konstrukcije Enostavne metode ugotavljanja preostale življenjske dobe obstoječih konstrukcij slonijo na spremljanju kazalcev stanja mostu, predvsem stopnje poškodovanosti. Kritična raven stanja konstrukcije, ko naj bi bila tudi dosežena življenjska doba, se lahko določi s pomočjo regresijske krivulje, ki povezuje zaporedno ugotovljene vrednosti ratinga poškodovanosti. Za bolj zanesljivo oceno preostale življenjske dobe, zlasti v primeru korozije armature, je treba uporabiti ustrezni analitični model. Na mostovih nastopi korozija armature in kablov za prednapenjanje zaradi karbonatizacije betona, najpogo­ steje pa zaradi penetracije kloridov iz talilnih soli. Zaradi klimatskih vplivov in režima soljenja se vsebnost in po­ vršinska začetna koncentracija kloridov med uporabo objekta spreminjata, pogosto pa gre za lokalizirano agre­ sijo na mestih zamakanja. Zato je priporočljivo z večkrat­ nim zaporednim merjenjem med glavnimi, pa tudi rednimi pregledi zbrati čim več podatkov o penetrabilnosti betona, koncentracijah kloridov v betonu in stopnji korodiranosti armature. Z metodami umetne inteligence, npr. z nevron­ skimi mrežami /12/, je potem možno dobiti zanesljivejše praktične vrednosti parametrov difuzije kloridov (koeficient difuzije, začetna koncentracija) za izračun preostale živ­ ljenjske dobe. Rating ustreznosti Rating ustreznosti združuje v eni številčni vrednosti štiri kazalce stanja mostu: • varnost, izraženo z rating faktorjem RF ali z varnostnim indeksom ß, • preostalo življenjsko dobo izraženo v letih, • poškodovanost izraženo s stopnjo (ratingom) poškodo­ vanosti, in • funkcionalnost in položaj mostu v cestni mreži, izra­ žena s kategorijami od 1 do 5. Določi se s pomočjo tabel ali diagramov, ki so zasnovani z uporabo nevronskih mrež. Rating ustreznosti predstavlja objektivno merilo za raz­ vrščanje mostov glede na njihovo celostno stanje in uporabnost (slika 30). Slika 30. Pot do ratinga ustreznosti L I T E R A T U R A 1. U k ra in czyk , V ., B jegov ić , D ., Ž n id a r ič , J.: "P ro je k tira n je tra jnos ti in napovedovan je preosta le ž iv lje n js k e dobe a rm iranobe tonsk ih m o s to v ", 2 . del raz iskova lne na loge "D o lo č a n je varnosti in preosta le ž iv lje n js k e do b e o b s to je č ih m ostov", Z A G L ju b lja n a , 1995 2. D u ra b le C oncre te S tructures, CEB D esign G u id e , B u lle tin d 'ln fo rm a tio n N o. 182, 1989 3. M e h ta ,P .K .: C oncre te . S tructure, p roperties and m ate ria ls , P re n tice -H a ll, Inc. 4 . CEB — FIP M o d e l C ode (M C 90), CEB B u lle tin d 'ln fo rm a tio n , N o . 195 -196 , 1990 5. ENV 1992 -E urocode 2 : D esign o f co ncre te structures 6. prEN 206 C oncre te . Peform ance, p ro d u c tio n and c o n fo rm ity , 1996 7. ZTV-SIB 9 0 : Z u sä tz lich e techn ische V ertragsbed ingungen und R ich tlin ie n fü r Schutz und Instandsetzung von B e tonbau te ilen , B undesm in is te r fü r V e rkeh r, V e rkeh rsb la tt V e rlag , D o rtm u n d , 1990 8. A nd rade , C ., A lo n so , C ., G onza les, J .A .: A pp roach to the c a lc u la tio n o f the residual life in co rro d in g concre te re in fo rcem en ts based on co rros ion in tens ity va lues; 9 th European congress on co rro s io n , U trech t, 1989 9. Perus I. e t a l, N o v p ris top pri reševanju p ro b le m o v u p ra v lja n ja in vzd rže va n ja cestn ih m o s to v ; G radben i vestn ik , 8 -9 -1 0 , 1996 10. B jegov ić , D ., M ilč ić , R., U k ra in czyk , V . : P ro jek tiran je za š titnog s lo ja a rm a tu re -m o d e lira n je toka k lo r id a u be tonu , IX Kongres Saveza d ruštva g rađev insk ih kons truk te ra Jugoslavije , C avta t 1991 , Z b o rn ik kn jiga T 11. Ž n id a r ič J., T e rče lj S .: S istemi o p a zo va n ja in m e tode za u g o ta v lja n je stanja cestn ih m ostov I. — III. de l. R aziskova lna na loga št. 0 6 -2 6 8 5 -2 2 7 -8 8 1 2. D iagnosis and Assessment o f C oncre te Structures-State o f the A rt Report, CEB B u lle tin N o . 192, 1989 13. W ic k e M ., e t a l. : V erfahren zu r Vorhersage des U m fanges von B rückensan ie rungen , Strassenfors- chung , H e ft 338 , W ie n 1 9 8 7 14. Ž n id a r ič J., T e rče lj S., M a ro lt J.: D o lo č ite v standardov upo rabnosti cestn ih m ostov. Š tev ilčna ocena stanja m o s to v -ra tin g ; R aziskova lna na loga D N 691 /89 15. Ž n id a r ič A .: K o n tro la va rnosti o b s to je č ih m ostov, G radben i vestn ik , 8 -9 -1 0 , 1996 NOV PRISTOP PRI REŠEVANJU PROBLEMOV UPRAVLJANJA IN VZDRŽEVANJA CESTNIH MOSTOV New approach to the probleme of bridge management UDK 624.21 + 69.059 IZTOK PERUS*, LOJZE BEVC** in JAŠ ŽNIDARIČ*** Prispevek p rika zu je tri t ip ič n e a p lik a c ije novega p ris to p a pri reševanju p ro b le m o v u p ra v lja n ja in vzd rže va n ja cestn ih m ostov. U p o ra b lje n je b il in te lig e n tn i sistem tip a nevronska m reža, ki v osnov i p reds tav lja v e č d im e n z io n a ln o n e p a ram e trično regres ijo . V d o sedaj zn a n ih a p lik a c ija h na p o d ro č jih g radbenega konstrukterstva je p o znan pod im enom ECA nevronska m reža a li CAE m etoda . N a inš titu tu za k o n s tru kc ije , potresno in že n irs tvo in ra ču na ln iš tvo te r na Z avodu za g radben iš tvo S loven ije se m etoda s ta lno ra z v ija in d o p o ln ju je . Z a rad i om e jenega p rosto ra je podan le kra tek preg led m e tode in same p ro b le m a tik e . N am en prispevka je p redvsem da ti o sn o vn o in fo rm a c ijo o m o žn o s tih uporabe in m o tiv ira ti in ž e n ir je z d ru g ih p o d ro č ij. NEW APPROACH TO THE PROBLEMS OF BRIDGE MANAGEMENT S U M M A R Y ------- In the pape r th ree typ ica l a p p lica tio n s o f a new app roach fo r so lv in g p rob lem s in b ridge m anagem ent and m a in te n a n ce are presented. A n in te llig e n t, neura l n e tw o rk - lik e system w h ic h corresponds to a m u lti-d im e n s io n a l n o n -p a ra m e tric regression was used. As ECA neura l n e tw o rk a n d /o r ACE m e thod is kn o w n in p resent a p p lica tio n s fro m the fie ld o f c iv il e ng inee ring . A t the Institu te o f S tructura l and Earthquake eng inee ring , and th e S loven ian N a tio n a l B u ild in g and C iv il E ng ineering Institu te the m e thod is be ing co n s ta n tly deve loped and im p ro ve d . D ue to the lim ite d space o n ly a b r ie f re v ie w o f the m e thod and bo th d e sc rip tio n and so lu tio n o f the p rob lem s are d escribed . The a im o f th is paper is to g ive m a in ly the basic in fo rm a tio n o f poss ib le a p p lica tio n s o f the presented m e thod and to m o tiva te engineers fro m o the r fie lds . 1 . U V O D Pri upravljanju in vzdrževanju cestnih mostov se pojavljajo problemi, katerih uspešno reševanje (obvladovanje) je bistvenega pomena za širšo družbeno skupnost. Pri tem gre za zagotavljanje njihovega nemotenega obratovanja, saj omogočajo delovanje celotnega gospodarstva siste­ ma. Realno opisovanje pojavov, ki so prisotni v teh procesih, je dokaj težavno. Močno poenostavljeni modeli dajejo le zelo približne rešitve, izdelava bolj sofisticiranih Avtorji: * dr., dipl. inž. gradb., zasebni raziskovalec, sodelavec Zavoda za gradbeništvo Slovenije, Dimičeva 12, Ljubljana * * mag., dipl. inž. gradb., Zavod za gradbeništvo Slovenije, Dimičeva 12, Ljubljana * * * dipl. inž. gradb., Zavod za gradbeništvo Slovenije, Dimičeva 12, Ljubljana modelov pa je možna le na interdisciplinarnem nivoju, ki zahteva strokovnjake različnih profilov. Ne nazadnje pa boljši modeli zahtevajo tudi uporabo bolj zahtevnih in novejših metod reševanja. V splošnem velja, da realistična obravnava naravnih pojavov sloni na meritvah in opisih, ki temeljijo na relacijah med opaženimi rezultati. S teoretičnega stališča je mo­ goče relacije najbolj primerno opisati z abstraktnimi mate­ matičnimi modeli, ki opisujejo matematične zakonitosti pojavov. S praktičnega stališča pa so analogni modeli, ki se lahko simulirajo z različnimi elektronskimi napravami, na primer z računalniki, pogosto bolj enostavni in primer­ nejši za uporabo.1 Prav takšni modeli, ki se razvijajo na Zavodu za gradbeništvo Slovenije, so prikazani v okviru tega prispevka. Ugotovljeno je bilo, da lahko v relativno kratkem času razviti modeli dajejo enakovredne rezultate kot jih dajejo modeli ali postopki obstoječih metodologij v svetu. Z nadgradnjo modelov je mogoče rezultate rela­ tivno enostavno še precej izboljšati. Pri opisovanju pojavov realnega sveta se je potrebno zavedati dejstva,2 da se poskuša izredno kompleksna realnost na eni strani opisati z izredno poenostavljeni­ mi, pogosto močno abstraktnimi matematičnimi modeli (slika 1). V Opisani problemi, skupaj z varnostjo obstoječih cestnih mostov, so bili do sedaj v domeni ozkega kroga (izbranih) strokovnjakov. Hitro razvijajoča se družba, v kateri na­ rašča število betonskih konstrukcij, istočasno pa obstoječe propadajo zaradi vplivov agresivnega okolja in obtežbe, zahteva mnogo širši in bolj splošen pristop k temu problemu. Že zelo groba ocena poškodovanosti (na primer določanje ratinga poškodovanosti4) zahteva visoko stop­ njo profesionalnosti in znanja. Zato se lahko šteje, da imajo strokovne ocene, utemeljene z znanstvenimi pristo­ pi, tudi večjo praktično (ekonomsko!) vrednost za družbo. Iz tega razloga postajajo (profesionalne) zahteve po znanju, ki ga morajo obvladovati tovrstni strokovnjaki, zelo stroge in lahko segajo dlje od zahtev za običajne inženirje v konstrukcijskem inženirstvu. Strogim profesionalnim zahtevam je možno zadovoljiti le z ustreznim nivojem teoretičnega znanja in dolgoletnimi izkušnjami. Ker je na eni strani število takšnih strokovnja­ kov omejeno, na drugi strani pa želimo zmanjšati vpliv subjektivnosti posameznih strokovnjakov, smo v okviru omenjene raziskovalne naloge nadaljevali z matematič­ nim reševanjem problemov ocene obstoječih mostnih konstrukcij.5 Namesto tako imenovanih “obrtniških pravil“ stroke, ki temeljijo na znanju in izkušnjah posameznih ekspertov, so bili (na osnovi posameznih relevantnih parametrov) izboljšani že predlagani prototipi matematič­ nih modelov ratinga ustreznosti in kategorizacije poškodo­ vanosti betonskih konstrukcij. Isti pristop je bil uporabljen še pri kompleksnem (pod)problemu določanja preostale življenjske dobe betonskih konstrukcij, kjer je bil upošte­ van mehanizem propadanja betona zaradi korozije arma­ ture. Pri izdelavi t.i. neparametričnih modelov je bil upo­ rabljen inteligentni sistem tipa nevronska mreža (v različ­ nih aplikacijah poimenovan tudi ECA nevronska mreža, CAE metoda), ki omogoča pogled na obravnavane pro­ bleme s povsem drugega zornega kota. Poudarek pri tem je bil dan predvsem na izdelavi modelerja, ki omogoča enostavno in avtomatično modeliranje vseh treh pojavov, ter praktično uporabnost dobljenih rezultatov. 2 . P R E G L E D S T A N J A Slika 1. Opis realnosti (večetažnega objekta) z abstraktnim matematičnim (pseudo-tridimenzionalnim) modelom. V prispevku so predstavljeni modeli, povezani s problemi upravljanja in vzdrževanja cestnih mostov. V ospredju je naravni pojav, imenovan propadanje obstoječih betonskih konstrukcij. Pojav je kompleksen, sestavljen iz množice podpojavov. Opis kompletnega pojava, brez delitve na podpojave in ločeno obravnavanje najbolj aktualnih, daleč presega okvire raziskovalne naloge,3 katere rezultati so prikazani, in trenutne zmožnosti znanih metod. Zato so se reševali samo tisti problemi (podpojavi), za katere se kaže največji interes v praksi in zanimanje mednarodne strokovne javnosti. To so problemi kategorizacije poško­ dovanosti, preostale življenjske dobe in ratinga ustreznosti obstoječih cestnih mostov. Inženirski pristop k problemom trajnosti betonskih kons­ trukcij izvira šele iz leta 1960. Intenzivnejše zanimanje graditeljev in drugih strokovnjakov, ki se vključujejo v to problematiko, se kaže na mednarodnih kongresih o trajno­ sti gradiv v letih 1978,1981 in 1984. Kongresi so od takrat naprej vsaka tri leta in jih skupno organizirajo RILEM, CEB, ACI in CAN MET (glej ref. 6, 7, 8, 9, 10 in 11). Leta 1981 sta RILEM in CEB osnovala skupno tehnično komi­ sijo “napovedovanje življenjske dobe gradiv in elementov“, potem pa je sledila vrsta drugih projektov na isto temo (glej na primer ref. 12, 13 in 14). Očitno je, da v svetu potekajo zelo intenzivne raziskave. Ker je problemsko področje izredno široko, smo se v pregledu literature (relevantnih raziskav) omejili samo na raziskave, ki so neposredno povezane s problemi, prika­ zanimi v prispevku. Za kategorizacijo poškodovanosti v svetu še ni posebno natančnih modelov. Zaenkrat je mogoče kategorijo poško­ dovanosti določiti po kriterijih, ki jih predpisuje CEB.15 Le-ta se določa glede na najbolj kritično oceno po posa­ meznem parametru. Podobna situacija je pri določanju ratinga ustreznosti. Sodobne metodologije, na primer ameriška,16 podajajo razne zelo približne obrazce. Žal se rezultati takšnih modelov med seboj bistveno razlikujejo. Opazen je močan vpliv subjektivnosti in lokalnih značilnosti posameznih držav ZDA. Pri napovedovanju preostale življenjske dobe je bilo narejenega dosti več. Ker gre za izredno kompleksen problem, so zaenkrat razviti le zelo enostavni in približni, bolj ali manj teoretični modeli. Večina raziskav je zato omejena na raziskave prevladujočih mehanizmov propa­ danja betona, ki predstavljajo izhodiščne podatke za napoved preostale življenjske dobe betonskih konstrukcij. Mnogo raziskovalcev se ukvarja s preiskavami obstojnosti betona, ki je odvisna od možnosti prodiranja agresivnih snovi v beton. Osnovni parametri prepustnosti porozne strukture cementnega kamna oziroma transporta vode v beton so vpijanje, difuzija in tečenje fluidov pod pritiskom. Na te parametre pa odločilno vplivajo homogenost, poro­ znost in vlažnost betona, na samo obstojnost pa tudi obstoj razpok in geometrija prereza konstrukcijskih ele­ mentov. Vse opisane parametre lahko ocenimo le s preskušanjem in z dolgotrajnim opazovanjem relevantnih lastnosti betona v konstrukciji in samo obnašanje kon­ strukcije pri teh lastnostih. Jasno je, da pridejo v poštev samo neporušne metode preskušanja. Do danes so bili že razviti postopki za nekatere metode, ki temeljijo na fizikalnih modelih. Vsi predhodno našteti modeli so razviti klasično. Le nekateri novejši modeli so razviti s probabilističnim pristo­ pom.17, 18 Pristop, ki povezuje hkrati postopke umetne inteligence in probabilistični pristop, pa je uporaba siste­ mov tipa nevronska mreža. Grabec, ki je razvil enega takšnih sistemov,19 ga uporablja pri modeliranju različnih fizikalnih pojavov (glej na primer ref. 20). Kot kažejo raziskave uporabe takšnih inteligentnih sistemov na po­ dročju potresnega inženirstva,21 je možno sistem s pri­ merno predelavo in prilagoditvijo uporabiti tudi na drugih področjih gradbene stroke. 3 . O S N O V N I PRINCIPI N O V E G A P R IS T O P A V formulaciji modelerja (imenovali ga bomo CAE, po angleški kratici iz Conditional Average Estimator), s kate­ rim bomo lahko pripravili neparametrične modele pojavov, bomo predpostavili, da lahko z enim opazovanjem pojav delno opišemo z L spremenljivkami m,. Zato lahko vsako opazovanje v matematični obliki predstavimo z vektorjem, tako imenovanim modelnim vektorjem: m \ = (m ] ,m2,...,m L) (En. 1) Za opis celotnega pojava potrebujemo čimveč takšnih informacij. Predpostavimo, da je pojav v celoti opisan s končnim številom meritev ali opazovanj (N), ki jih zapi­ šemo v tako imenovani bazi podatkov ali bazi znanja - le-ta vsebuje N modelnih vektorjev: m odel = {m v „ m v2, m v „ } (En. 2) Izraz /2/ lahko v matrični obliki zapišemo kot: mv, mv2 mvN mu m,2 ... m ,L m2, m22 ... ™2L ... ... ... ... mN1 m N2 ... m NL (En. 3) V nadaljevanju predpostavimo, da je vsak modelni vektor sestavljen iz dveh delov: prvi del predstavlja vhodne spremenljivke pojava, drugi del pa izhodne spremenljivke pojava. Prvi vektor bomo označili s P, drugega pa s Q: P = (mx, m2 , . . . , mM , # ) .. . v h o d n e sprem enljivke Q = ( # , mM+l , mM+2, mL) . .. izhodne sp rem en ljivke (En. 4) Konkatenacija (združitev) obeh delnih vektorjev da origi­ nalni modelni vektor, kar lahko zapišemo kot: mv = P®Q = (m],m2,...,mM,mM+l,...,mL) (En. 5) ali v matrični obliki: mv, mv2 mvN m u m , 2 m lM + l ... " > IL m 21 m 22 ™ 2 M m 2 M Jr l ... »■'2 L ... ... % m N2 m N M m N M + l ... ” >NL Pri tem osenčeni del označuje delni vektor Q. Iz kratkega opisa je jasno, da lahko vsak pojav opišemo s poljubnim številom modelnih vektorjev, ki prestavljajo matematičen zapis meritev pojava ali ocene bistvenih spremenljivk pojava. Privzeli bomo, da lahko na podlagi zbranih podatkov in na podlagi primerne ureditve baze podatkov, ki jo imenujemo bazo znanja, zadovoljivo opi­ šemo vsak naravni pojav. Vse, kar mora bralec vedeti v nadaljevanju, je poznavanje zgoraj opisanega načina zapisa pojava. Povezave posameznih modelov z navede­ nimi izrazi bomo podali v kasnejših podpoglavjih. Zahtev­ nejši bralec pa lahko, kot smo že omenili, teoretične osnove metode in nadaljnje izpeljave najde v člankih, podanih v spisku literature. Enačbo za CAE lahko zapišemo v kompaktni obliki, ki je zelo enostavna in primerna za direktno kodiranje v raču­ nalniški program:21 cn = e x p -Ž(p/ - p-)V2° j (En. 7) Pri tem posamezni členi pomenijo: qk - /c-ti iskani parameter problema; k bo v naših prime­ rih vedno enak 1, qnk - isti izhodni parameter, ki pripada n-temu znanemu primeru iz baze znanja, pni - /-ti vhodni parameter n-tega znanega primera v bazi znanja, Pj - /-ti vhodni parameter primera, za katerega želimo določiti iskano vrednost, N - število znanih primerov v bazi znanja, M - število vhodnih parametrov pojava; M je v naših primerih večji ali enak 4. Za razliko od običajnega, klasičnega pristopa k modelira­ nju naravnih pojavov je lahko pristop z izdelavo nepara- metričnih modelov enostavnejši in bolj prilagojen inženir­ skemu načinu razmišljanja. Seveda se tudi tu ne moremo izogniti nekaterim predpostavkam. Problem pa lahko poe­ nostavimo tako, da uporabimo primeren zapis oziroma predstavitev spremenljivk pojava. S posebnimi postopki, ki temeljijo na statistični obdelavi podatkov, je mogoče izločiti manj pomembne (nebistvene) spremenljivke poja­ va, tako, da dobimo predstavitev pojava z obvladljivim številom spremenljivk. Pri tem je osnovna zahteva, da so te spremenljivke enostavno merljive in/ali opisljive. Neparametrični modeli ne dajejo rešitve v eksplicitni obliki, njihova uporaba pa je vezana na uporabo računal­ niškega programa. Gre za način uporabe, ki je znan s področja uporabe na znanja oprtih sistemov, ko je sklep- nik, ki daje rezultate na podlagi uporabljene baze znanja, neodvisen in povsem samostojen računalniški program.26 V našem primeru je sklepnik nadomeščen s CAE, bazo znanja pa predstavlja v obliki modelnih vektorjev kodirana baza znanja ali baza podatkov. Uporaba neparametričnih modelov je praviloma najeno­ stavnejša na računalniku. Za reševanje posameznega problema je posebej prilagojen le uporabniški vmesnik računalniškega programa, ki simulira delovanje CAE ne­ vronske mreže. Poleg tega obstaja še en način uporabe, ki je namenjen “ročnemu“ delu in ga omenjamo bolj zaradi kompletnosti. Gre za uporabo grafov in/ali preglednic, ki sicer predstavljajo dokumentiran rezultat razvoja nepara- metričnega modela. Grafični prikaz rezultatov daje pogo­ sto zelo dobro informacijo o pojavu oziroma vplivu posa­ meznih spremenljivk, kar je lahko izrednega pomena pri inženirski presoji. 4 . N E P A R A M E T R IČ N I MODELI 4.1 Model ratinga ustreznosti za cestne mostove (RU) 4.1.1. Splošno Računski model za rating ustreznosti mora nujno upošte­ vati več spremenljivk. Le takšno orodje omogoča uprav­ ljalo/ obstoječih cestnih mostov racionalno gospodarjenje. V praksi drugod po svetu se uporabljajo zelo enostavna pravila. V ZDA, na primer, se obstoječi mostovi v prvi razvrstitvi sortirajo po velikosti določenih ratingih poškodo- vanosti. Objekti z najvišjimi ocenami se še detajlno analizirajo - eksperti upravljalca, ki imajo na razpolago natančne podatke o teh mostovih, izvršijo revizijo tako določene prve razvrstitve. Ker se upošteva ena sama ocena, lahko pride do napak. Tudi razvrstitve močno poškodovanih mostov po različnih metodologijah se precej razlikujejo. Razlike so vsekakor precej večje, kot bi bilo logično pričakovati glede na enake predpostavke pri uporabljenih modelih. Nazadnje se tudi subjektivnosti posameznih ekspertov ali skupini ekspertov ni mogoče povsem izogniti. V svetu se za določitev ratinga ustreznosti uporabljajo različni izrazi, ki se močno razlikujejo od države do države. Trenutno najbolj izdelano metodologijo najdemo v ZDA.16 Rating ustreznosti se v splošnem določa na osnovi štirih parametrov: nosilnosti mosta, ocene preo­ stale življenjske dobe, svetle širine mosta in višine po­ dvoza oziroma nadvoza (zadnja dva parametra predstav­ ljata po vrsti funkcionalnost in pomen objekta v cestni mreži I). Pri tem imajo parametri uteži, ki se med posame­ znimi državami močno razlikujejo. Velike razlike pri utežeh za isti parameter kažejo na precejšen vpliv subjektivnosti, različne poglede na problematiko, neupoštevanje ostalih pomembnih parametrov pri ratingu ustreznosti itd. Za rešitev se povrhu uporabljajo še linearni nastavki, kar je pri tako zahtevnem problemu le zelo grob približek. 4.1.2. O snovni param etri v oceni ratinga ustreznosti Ocena ratinga ustreznosti predstavlja enega ključnih po­ datkov pri upravljanju cestnih mostov, določa pa se na podlagi več pomembnih parametrov. V okviru prikazanih raziskav, ki predstavljajo logično nadaljevanje predhodne raziskovalne naloge na podobno temo,4 smo v oceni ratinga ustreznosti upoštevali iste štiri pomembne para­ metre. To so: • varnostni indeks ß, • rating poškodovanosti ali indeks stanja objekta CF, • preostala življenjska doba RL in • pomen objekta v cestni mreži ali pomembnost objekta lF. Varnostni indeks ß omogoča izražavo nosilnosti mosta na probabilističen način (višja je vrednost, večja je rezerva v nosilnosti in obratno). Rating poškodovanosti CF pred­ stavlja številčno oceno stanja mosta oziroma stopnjo poškodovanosti objekta. Določa se na podlagi rednih ali glavnih pregledov mostov po metodologiji številčnega vrednotenja vseh ugotovljenih poškodb. Preostala življenj­ ska doba Rl je eden najpomembnejših parametrov v oceni ratinga ustreznosti mostov. Napoved temelji na matematičnem modelu prevladujočega mehanizma pro­ padanja materiala konstrukcije (korozija jekla za armiranje in prednapenjanje, propadanje betona zaradi agresivnega okolja). Pomen objekta v cestni mreži lF določi oziroma predpiše upravljalec. Za primer matematičnega obravnavanja problema je po­ treben še dogovor o številčnih vrednostih, ki jih bodo zavzemali objekti v oceni. Velikost zgornjih in spodnjih mej je pravzaprav nepomembna, saj gre pri ratingu ustreznosti le za primerjavo različnih objektov med seboj. Privzete vrednosti se nahajajo v razponu od 0 do 10. 4.1.3. M atem atična form ulacija p roblem a Problem primarne razvrstitve mostov lahko v matematični obliki zelo splošno zapišemo kot pr = pr(ß,cf , n, , I,,) (En. 8) Izkušnje kažejo, da je zelo težko podati zaključene mate­ matične izraze za rating ustreznosti, ki bi smiselno in dovolj natančno zajemali ekspertno znanje. To je bil eden izmed glavnih razlogov, da smo se lotili izdelave modela, ki ne bo dal rešitve v zaključeni obliki. Pri pripravi modela se moramo zavedati, da so osnovne relacije med oceno ratinga ustreznosti in posameznimi vplivnimi parametri jasne. Zaradi narave uporabljene metode tudi ni pomem­ bna povezanost (odvisnost) med posameznimi parametri, kar precej olajša delo. Enačbo 7 lahko zapišemo v zaključeni obliki samo za oceno ratinga ustreznosti: (En 9) 2(7 2 in končno le-te zelo dobro napovedujejo v primeru interpolacije rezultatov in slabo v primeru ekstrapolacije; še slabše, pogosto lahko dajo precej nepredvidene in napačne rezultate. To seveda ni problem nevronske mreže kot orodja ampak problem reprezentativnosti baze znanja. Problem lahko rešimo tako, da upoštevamo vse možne kombinacije ekstremnih vrednosti vhodnih parametrov. S tem pa verjetna nelinearnost rešitve še ni zagotovljena, zato je logična izbira dodatnih primerov. Te smo v našem primeru izbrali na sredinah robov, v središčih vseh stran­ skih ploskev in v središču hiperkocke z dimenzijami: minimalna vrednost po vsakem vhodnem parametru, maksimalna vrednost po vsakem izhodnem parametru. Ker gre za šibko definiran problem, verifikacija modela v pravem pomenu besede ni mogoča. Obstoječe rešitve so lahko namreč prav tako vprašljive kot rezultati neparame- tričnega modela. Zato en del ocene uspešnosti modela predstavlja ocena grafičnega prikaza rešitve, ki je na tem mestu zaradi pomanjkanja prostora ne prikazujemo. Drugo potrditev uspešnosti modela je mogoče dobiti na podlagi primerjave rezultatov neparametričnega modela z ekspertnimi rešitvami. Najprej so objekte razvrščali trije eksperti neodvisno. Nato smo primarno razvrstitev določili še z modelom RU. Rezultati so prikazani v preglednici 1. Pr = H rn -~ r- (En.10) "" I> , ./'= I 4.1.4. M odeliran je pojava in verifikacija m odela S področja uporabe nevronskih mrež je dobro znano, da Razlike med posameznimi eksperti so v nekaterih primerih kar precejšnje. Rezultati, dobljeni z modelom RU, dajejo v grobi oceni povprečje rezultatov vseh ekspertov. Razlika v rezultatih nastopa predvsem zaradi dveh vzrokov: 1. nelinearnosti modela RU in 2. upoštevanja zahtev v modelu, t.j. višjih ocen pri bolj kritičnih razmerah. Preglednica 1: Primerjava ocen ratinga ustreznosti (oznake od A do N predstavljajo oznake mostov). e k s p e r t 1 e k sp e r t 2 e k sp e r t 3 p o v p r e č je m o d e l R U (8 .0 ) L (9 .5 ) L (8 .5 ) A (8 .5 0 ) L (9 .0 0 ) L ( 8 .0 ) 1 (9 .0 ) A (8 .0 ) L (8 .1 7 ) A (8 .9 5 ) A (7 .0 ) A (7 .5 ) F (7 .0 ) F (6 .8 3 ) F (8 .6 2 ) B (7 .0 ) B (7 .5 ) C (7 .0 ) E (6 .3 3 )1 (8 .3 7 ) F (7 .0 ) E (5 .5 )1 (6 .5 ) B (5 .8 3 ) C (8 .2 3 ) E (7 .0 ) J (4 .0 ) N (5 .5 ) J (5 .5 0 ) E ( 8 .0 9 )1 (6 .0 ) F (3 .0 ) J (5 .5 )1 (5 .1 7 ) J (7 .8 9 ) C (6 .0 ) H (2 .5 ) E (5 .0 ) C (5 .0 0 ) B (6 .9 2 ) J (5 .0 ) C (2 .5 ) H (4 .5 ) H (4 .3 3 ) H (6 .9 2 ) N (5 .0 ) G (2 .0 ) K (3 .5 ) M (3 .6 7 ) N (6 .2 9 ) M (4 .0 ) N (1 .5 ) B (3 .0 ) K (3 .0 7 ) G (4 .9 9 ) H (3 .0 ) K (1 .2 ) G (3 .0 ) N (2 .6 7 ) K (4 .6 8 ) G (2 .0 ) M (1 .0 ) M (3 .0 ) G (2 .1 7 ) M (4 .2 9 ) K (1 .0 ) D (1 .0 ) D (1 .5 ) D (1 .1 7 ) D (1 .0 0 ) D Tretjo potrditev uspešnosti modela smo dobili na podlagi močno poenostavljenega primera, kjer se rating ustrezno­ sti določa samo na podlagi pomembnosti objekta in ratinga poškodovanosti. Rezultate smo primerjali s pred­ logom za nacionalni program 1995, ki je bil narejen zelo približno. Ugotovili smo, da daje model RU podobne, vendar bolj logične rezultate. 4.2. Model kategorizacije poškodovanosti armirano­ betonskih konstrukcij mostov (KP) 4.2.1. Splošno Poškodbe objekta, ki so posledice obtežbe ali propadanja, je potrebno v doglednem času, v odvisnosti od vrste in obsega poškodb, ustrezno sanirati. Zanesljiv projekt sana­ cije pa je mogoče pripraviti na podlagi detajlnega pregleda poškodovane konstrukcije. Rezultati takšnih terenskih in nato laboratorijskih meritev določajo različne kategorije poškodb posameznih delov konstrukcije, ki rabijo kot osnova za odločitve o obsegu in vrsti sanacije. Problem določanja kategorije poškodb v svetu še ni zadovoljivo rešen. V okviru predhodnega raziskovalnega projekta4 smo že razvili preprost prototip modela, ki je na podlagi petih pomembnih parametrov določal kategorijo poškodovanosti mikrolokacije. Prototip modela je omogo­ čal zvezne prehode med posameznimi kategorijami, kar je trenutno še velika pomanjkljivost obstoječih modelov drugod po svetu. Tako na primer CEB15 iz leta 1989 predlaga tabelarično podane meje, ki veljajo za posame­ zne karakteristične poškodbe betonske konstrukcije. Ka­ tegorizacija dela konstrukcije (mikrolokacije) se določi tako, da se upošteva najbolj kritična posamezna ocena. Takšna poenostavitev v splošnem ni sprejemljiva in lahko pogosto vodi do nelogičnih zaključkov, predvsem če jih primerjamo z vizualnimi ocenami kategorizacije. 4.2.2. O snovni param etri v ocen i kategorizacije poškodovanosti A B konstrukc ij V osnovi se je kategorija poškodovanosti mikrolokacije, kljub temu, da so bili znani tudi ostali parametri, določala samo na podlagi petih. Takšen pristop je logičen, saj se sklada z veljavnimi, vendar preprostimi računskimi modeli, ki obravnavajo proces korozije armature. Kategorija po­ škodovanosti je bila tako določena na podlagi kombinacije vizualne ocene (ki v prototipnem modelu ni bila upošteva­ na, glej ref. 4) in računskih kriterijev za pet upoštevanih parametrov. Ti so bili: • vsebnost klorovih ionov na težo cementa (%), • alkalnost betona (pH vrednost), • (verjetnost) proces(a) korozije, ki se izraža z elektropo- tenciali (mV), • absorpcija betona po metodi ISAT (ml/m2/s) in • plinoprepustnost betona po metodi APIS (m2). Za izboljšanje ocene kategorizacije smo v novem modelu vpeljali nekaj novih parametrov, med katerimi so tudi vizualni opisi mikrolokacije. Pri tem se moramo zavedati, da moramo pri obvladljivih problemih vedno paziti na primerno (ne preveliko) število vhodnih parametrov. Njihov natančnejši opis je mogoče najti v ref. 3. To so: • vlažnost betona, povezana s površinskimi poškodbami betona, • razpoke, • trgalne napetosti površinske plasti betona, • globina karbonatizacije in • parameter, ki zajema vpliv razširjenosti (in jakosti) poškodb. 4.2.3. M odeliran je pojava in verifikacija m odela Razpoložljiva baza znanja vsebuje majhno število model­ nih vektorjev. Problem smo matematično formulirali po­ dobno kot pri oceni ratinga ustreznosti, le da smo uporabili več spremenljivk pojava in da baza znanja predstavlja podatke konkretnih meritev. Na sliki 2.a je prikazan tipičen rezultat modela KP. Kot lahko oceni večina inženirjev, daje model logične rezulta­ te. Očitno je namreč, da je vpliv zamakanja in razpokanosti mikrolokacije na kategorizacijo precej velik. Na sliki so vrednosti v grafu za obe spremenljivki razdeljene na 10 enakih delov. Za opisne spremenljivke so po dogovoru vrednosti v spodnjem levem vogalu enake 0, v spodnjem desnem in zgornjem levem pa 1. Kategorija poškodovano­ sti je prikazana z izolinijami enakih vrednosti, ki so označene v sliki. Slika 2.b prikazuje primerjavo med napovedanimi ocenami modela KP in ekspertnimi ocenami. Pri tem velja opozoriti, da za dva primera iz pete kategorije, ki najbolj odstopata, ni znanih večina merjenih parametrov. Za ostale primere je očitna dobra korelacija, kar govori v prid izdelanemu modelu. Ob tem je pomembno dejstvo, da so razlike med CEB-ovimi in ekspertnimi ocenami bistveno večje (CEB- ova pravila v nekaterih primerih vodijo do nelogičnih zaključkov!). 4.3. Model preostale življenjske dobe (PŽD) 4.3.1. S plošno Inženirske modele za napovedovanje preostale življenjske dobe lahko v splošnem razdelimo v tri skupine:5 • empirični modeli, • fizični modeli in • matematični modeli, ki opisujejo matematične zakonito­ sti naravnega pojava propadanja betonskih konstrukcij. Empirični modeli predstavljajo prehod od tradicionalnega k inženirskemu obravnavanju problemov trajnosti beton­ skih konstrukcij. Določijo se na podlagi meritev pojava. Fizični modeli temeljijo na zahtevni shemi l i l definicije problema, /2/ priprave raziskav, /31 preliminarnega in /4/ detajlnega preskušanja in končno /5/ analize rezultatov in izdelave modelov. Matematični modeli, kot zadnji, opisujejo posamezne zakonitosti propadanja betonskih konstrukcij. Gre za pojave transporta agresivnih snovi skozi heterogeno porozno betonsko strukturo ter pojave korozije in drugih vrst razpadanja betona. Velja omeniti, da obstaja na zadovoljivi inženirski ravni le nekaj modelov za tipične pojave. /a/ upoštevanje zamakanja (horizontalno: 0-1) in razpok (vertikalno: 0-1). Slika 2. Rezultati modela KP Najbolj pereč problem pri pojavu propadanja betonskih konstrukcij je korozija armature, ki v splošnem nastopa zaradi prodiranja kloridov v beton. Zato pod imenom model PŽD v tem prispevku, razen splošne formulacije, natančneje prikazujemo le modeliranje procesa prodiranja kloridov. 4.3.2. M atem atična form ulacija p rob lem a Pojav prodiranja kloridov v beton je mogoče v matematični obliki opisati s parcialnimi diferencialnimi enačbami, ki opisujejo difuzijo - gibanje snovi - skozi beton zaradi kemičnega, vlažnostnega ali temperaturnega potenciala. Drugi Fickov zakon, ki pojav opisuje, je zapisan kot: dC D d 2C dt ~ dx2 (En. 11) Pri tem pomeni: sc .......- sprememba koncentracije kloridov s časom, a2c d x 2 .... - sprememba koncentracije kloridov po preseku betonskega elementa in ° - koeficient difuzije. Pri tem velja omeniti, da sicer zahtevna parcialna diferen­ cialna enačba velja za idealiziran, enodimenzionalen primer prodiranja kloridov v beton. Za zahtevnejše robne pogoje se enačba 11 rešuje numerično. Za enostaven /b/primerjava med napovedano (model KP) in ekspertno oceno primer prodiranja kloridov v beton se lahko rešitev zapiše v obliki: C(x,t) - c0 (En. 12) Pri tem so: X - globina, t - čas, C(x,t) - koncentracija kloridov na globini x v času t, C0 - začetna koncentracija kloridov, erf - funkcija napake in / t = j D ( t , ) d r , (En. 13) 0 Enačba 13 predstavlja izraz za spremenljivko, ki opisuje časovno odvisnost koeficienta difuzije. Enačbe 11, 12 in 13 predstavljajo matematičen model prodiranja kloridov v beton. Pri tem je razporeditev klori­ dov po globini in po času odvisna od dveh spremenljivk: začetne koncentracije kloridov in koeficienta difuzije. Me­ ritve na mostovih pa so pokazale, daje lahko razporeditev bistveno drugačna, kot jo daje enačba 12. Zato je potrebno bolj splošno obravnavanje modela. Za del konstrukcije - mikrolokacijo - lahko preostalo življenjsko dobo v splošni obliki zapišemo kot: Ri. = K.(pkP2<->a ) (En. 14) Pri tem p, predstavlja /-ti proces razpadanja betona. Vsak posamezen proces razpadanja betona pa je spet funkcija spremenljivk betona in vplivov okolja, v katerem se konstrukcija nahaja. Formalno lahko zapišemo po­ dobno enačbo, kot je enačba 14, tudi za vsak n-ti proces razpadanja betona: P« - P„{xi>x2’ - ’ xi) (En. 15) Pri tem x, predstavlja /-to spremenljivko n-tega procesa razpadanja betona. Enačbo 15 lahko sedaj zapišemo tudi kot: */. = ’ * > u » - - A y P * i » A » P» j ) (En. 16) Pri tem pxij predstavlja /-to spremenljivko x /-tega procesa razpadanja betona. Pri kompletnem opisu pojava propa­ danja betonskih konstrukcij lahko zapišemo, če upošteva­ mo, da je preostala življenjska doba t = RL: it (En- 17) Enačba 17 predstavlja formalno enak zapis, kot smo ga predstavili v prvem delu prispevka (glej enačbo 5). Jasno je, da je opis pojava bolj zahteven, če upoštevamo več spremenljivk. Jasno pa je tudi, da lahko vključimo poljub­ ne, mehkejše opise spremenljivk pojava. Iz enačbe 17 je razvidno tudi, da je mogoče pojav propadanja betonskih konstrukcij opisati z modelnimi vektorji, ki ustrezajo različ­ nim kombinacijam spremenljivk pojava. Modelne vektorje pa smo, kot je bilo že omenjeno, dobili na podlagi meritev na posameznih mikrolokacijah obstoječih cestnih mostov. 4 D globina (cm) /a / En. 12 pri C0=4% £ 5 2 4 6 8 10 globina (cm) /c / model PŽD pri različnih globinah karbonatizacije za primer srednje močnega zamakanja in srednjih razpok betona. globina (cm) /b/ model PŽD pri različnih globinah karbonatizacije za primer močnega zamakanja in delaminiranega betona globina (cm) /d/ model PŽD pri različnih globinah karbonatizacije za primer šibkega zamakanja in brez razpok betona. Slika 3. Razpored kloridov po globini 4.3.3. M odeliran je pojava in verifikacija m odela Za razliko od večine raziskovalcev pri določanju preostale življenjske dobe pri prodiranju kloridov v beton smo poleg spremenljivk v enačbi 12 vpeljali še dodatne opisne spremenljivke mikrolokacije na konstrukciji. To so: • zamakanje (0-1), • razpoke (0-1), • časovni potek zamakanja (0-1) in: • vzrok nastanka razpok (0-1). Kot kaže primerjava slike 3.a s slikami 3.b, 3.c in 3.d, je lahko dejanski razpored kloridov po globini na realni konstrukciji daleč od razporeda, ki ga daje močno poeno­ stavljena enačba 12. Zamakanje in razpoke, ki jih z enačbo 12 ne moremo zajeti, namreč bistveno vplivajo na razpored. Do podobnega zaključka pridemo, če primer­ jamo rezultate še za ostale vplive (globina karbonatizacije, vzrok nastanka razpok, ...). Z novim pristopom lahko bolj realno opišemo pojav. Zaradi dobljenih rezultatov pa se vsiljuje vprašanje o pravilnosti obstoječega načina določanja preostale živ­ ljenjske dobe. Očitno je namreč, da življenjske dobe mostne konstrukcije ni mogoče realno oceniti samo na podlagi prodiranja kloridov v beton, ki je enako za celotno konstrukcijo (primer za stacionarna okolja, npr. obala morja), ampak tudi na osnovi različnih scenarijev razvoja poškodb posameznih delov konstrukcije. Pri tem je nujen probabilističen pristop, ki se že uporablja pri oceni varnostnega indeksa ß. Trditev opravičuje tudi trenutno stanje nekaterih premostitvenih objektov na ob­ stoječih prometnicah. Njihova projektirana (ali predvidena) življenjska doba je bila kljub vplivom agresivnega okolja bistveno daljša, kot se je pokazalo. Izredno kratke življenj­ ske dobe teh objektov ne bi bilo mogoče določiti z nobenim od obstoječih modelov. Močne poškodbe, ki so bile predvsem lokalne, so namreč nastale zaradi izvedb posameznih detajlov, ki jih lahko matematično v probabi- lističnem smislu obravnavamo kot različne scenarije na­ stanka poškodb. Relativno hitra izdelava modela PŽD (v času nastajanja članka gre še za preliminarni model) je opozorila na potrebo po drugačnem obravnavanju problema preostale življenjske dobe. Prioriteta pri nadaljnjih raziskavah ne bo v izdelavi čimbolj natančnega modela prodiranja kloridov v beton, ampak izdelava probabilističnega modela, ki bo v močni povezavi z oceno varnostnega indeksa ß. Zadnja trditev se ujema z zaključki drugih raziskovalcev, ki so bili zaenkrat potrjeni samo preko osebnega stika. 5 . Z A K L JU Č K I Uporabljen pristop omogoča relativno enostavno opisova­ nje različnih pojavov pri problemih upravljanja in vzdrže­ vanja cestnih mostov. Možno je enostavno zbiranje, kontrola, popravljanje, prikazovanje in ne nazadnje tudi vključevanje ekspertnega znanja v modele. Ker so po­ stopki sedaj avtomatizirani, so se tudi ob uporabi novega pristopa prej zamudne in dolgotrajne faze precej skrajšale. Končni rezultat razvoja neparametričnih modelov ni izraz v zaključeni obliki. Rezultate je mogoče prikazati v obliki grafov ali preglednic, sicer pa je za praktično rabo priporočljiva uporaba računalniškega programa. Rezultati kažejo, da so obravnavani problemi nelinearni. Glede na primerjavo z obstoječimi rezultati lahko sklenemo, da so obstoječe rešitve približne. Nov pristop se je izkazal za primernega, saj dajejo izdelani modeli podobne ali boljše rezultate od obstoječih modelov. Izdelani model RU je nelinearen. Z upoštevanjem novih zahtev v primerjavi s preliminarnim modelom se je neli­ nearnost še povečala. V splošnem velja, da večja je zahtevnost problema, bolj nelinearna je rešitev. Problem ratinga ustreznosti je v bistvu “šibko“ definiran problem. Obstoječe rešitve (tudi v svetovnih razmerah) in ekspertne ocene so precej podvržene trenutnim vplivom in subjektiv­ nosti. Prednost izdelanih neparametričnih modelov je v enostavnem upoštevanju poljubnega števila vhodnih spre­ menljivk. To je izrednega pomena v primerih, ko niso znani oziroma izračunani vsi potrebni parametri. Jasno je namreč, da bo za vse mostove v R Sloveniji nemogoče določiti vse štiri vhodne parametre. Za vse objekte bosta znana pomembnost in rating poškodovanosti, preostala življenjska doba in varnostni indeks pa se bosta praviloma določala le za pomembnejše objekte. Neparametrični model KP je podobno kot model RU nelinearen. Rezultati prototipnega modela KP so omogo­ čili bistveno dopolnitev in izboljšavo novega modela. Namesto petih spremenljivk je v novem modelu upošteva­ nih deset spremenljivk. Izboljšavo modela je prinesla predvsem vključitev novih opisnih spremenljivk, ki dejan­ sko precej vplivajo na ekspertno oceno poškodovanosti mikrolokacije. Novi model, podobno kot prototipni model, omogoča objektivno oceno kategorizacije, ki deloma sicer temelji na ekspertnem znanju. Izrednega pomena za upravljalca je, da je pri uporabi modela KP kategorizacija različnih objektov izvršena na enak način. Le tako so ocene poškodovanosti različnih objektov primerljive med seboj. Da bi se pri uporabi modela KP v praksi izognili subjektivnosti, so potrebni pri nekaterih vhodnih parame­ trih še natančni opisi (na primer, pri razpokah je potrebno točno definirati številčne vrednosti, ki ustrezajo možnim stanjem). Preliminarni model PŽD zadovoljivo opisuje pojav prodira­ nja kloridov v beton. Očitno je, da je pojav v realni konstrukciji bolj zahteven kot ga lahko opišejo obstoječi poenostavljeni matematični modeli (glej En. 12). Zaključki, dobljeni na podlagi rezultatov modela PŽD, so opozorili, da se bo potrebno problema preostale življenjske dobe lotiti na drugačen način. Kot alternativna rešitev se kaže probabilističen pristop, ki je podoben pristopu določanja varnostnega indeksa ß. ZAHVALA Prispevek je rezultat raziskovalnega dela v okviru aplikativnega raziskovalnega projekta, ki ga financirata Ministrstvo za znanost in tehnologijo Republike Slovenije in Ministrstvo za promet in zveze, Direkcija Republike Slovenije za ceste. Delo poteka na Zavodu za gradbeništvo Slovenije. Avtorji se zahvaljujejo tudi ostalim sodelav­ cem na projektu za njihovo pomoč. L I T E R A T U R A - ^ ------ » 1. G rabec, I. & Sachse, W ., A u to m a tic m o d e lin g o f P hys ica l P henom ena : A p p lic a tio n to U ltra s o n ic D ata, J. A p p l. Phys., 69 (9), 1991. 2. a iN e t - a N e u ra l N e tw o rk W in d o w s™ A p p lic a tio n , V er. 1 .1 0 , U ser's M a n u a l, w ritte n by I. Peruš & A . K ran jc , June, 1995. 3. Peruš, I., R azvo j n e p a ra m e tričn ih m o d e lo v za ka te g o riza c ijo po ško d o va n o s ti, n a p o ve d o va n je p reosta le ž iv lje n js k e do b e a rm ira n o b e to n sk ih k o n s tru k c ij in za d o lo č a n je p r io r ite te za sanac ijo ces tn ih m ostov, Letno p o ro č ilo za le to 1995 , P ro jekt L2 -7071 , Z A G L ju b lja n a , 1996 . 4. Ž n id a r ič , J., T e rče lj, S. & M a ro lt, J., D o lo č ite v s tanda rdov u p o ra b n o s ti cestn ih m o s to v : Š tev ilčna ocena stanja m os tov — ra ting , R aziskova lna na loga Z R M K , D N 6 9 1 /8 9 . 5. Ž n id a r ič , J., Ž n id a r ič , A ., U k ra in czyk , V . & Peruš, L, D o lo č a n je va rnos ti in p reosta le ž iv lje n js k e dobe o b s to je č ih m ostov, R aziskova lna na loga Z A G L ju b lja n a (n a ro čn ika M in is trs tvo za znanost in te h n o lo g ijo in R epubliška uprava za ceste), z a k lju č n o p o ro č ilo , 1995. 6. V a len ta , O ., From the second RILEM S ym pos ium D u ra b ility o f C oncre te , Prag, 1970 , M a te ria ls and S tructures, 17, pp . 3 3 3 -3 4 5 , 1970. 7. P roceedings o f the 1st In te rna tiona l C on fe rence D u ra b ility o f B u id lin g M a te ria ls a n d C om ponen ts , A STM Specia l T e ch n ica l P u b lica tio n 691 , O tta w a , C anada, A ug . 2 1 -2 3 , P h ilade lph ia , 1978. 8. In te rn a tio n a l C on fe rence on P erfo rm ance o f C on rete in M a r in e E nv ironm en t, St. A nd rew s by the Sea, C anada, AC I P u b lica tio n SP-65, A m erican C onre te Institu te , D e tro it, 1980 . 9. P roceedings o f the 2 nd In te rna tiona l C on fe rence D u ra b ility o f B u ild in g M a te ria ls a n d C om ponents , ASTM T e ch n ica l P u b lic a tio n , M a ry la n d , USA, Sept. 14 -16 , 1981 . 10. P roceed ings o f the 3 rd In te rn a tio n a l C on fe rence D u ra b ility o f B u ild in g M a te ria ls a n d C om ponen ts , VTT T e ch n ica l Research C entre o f F in land , Espoo, F in land , Aug. 12 -15 , 1984 . 11. C o n cre te D u ra b ility , C a the rine and B ryn t M a th e r In te rn a tio n a l C on fe rence , AC I SP-100, A m e rica n C oncre te Institu te , D e tro it, 1987. 12. S o lv in g Rebar C orros ion P rob lem s in C oncrete , S em inar R eprints, Sept. 27 — 29, C h icago , I ll in o is , USA, 1982 . 13. IABSE S ym posium , D u ra b ility o f S tructures, L isabon, P ortuga l, IABSE R eport, Sept. 6 — 8, 1989 . 14. D u ra b le C oncre te S tructures, CEB D esign G u ide , B u lle tin d 'ln fo rm a tio n N o 182, C H -1 0 1 5 Lausanne, June 1989 . 15. D ia g n o s is a n d Assessm ent o f C onre te S tructures, CEB B u lle tin d 'ln fo rm a tio n N o 182, S ta te -o f-the -A rt R eport, January, 1989. 16. O 'C o n n o r , D . S. & H ym a n , W . A ., B ridge M a n a g e m e n t Systems, D e m o n s tra tion P ro ject N o . 71, F H W A -D P -7 1 -01 R, U.S. D e p a rtm e n t o f T ranspo rta tion , Federal H ig h w a y A d m in is tra tio n , O c to b e r 1989. 17. S iem es, T. and V ro u w e n v e ld e r, T ., D u ra b ility — a P ro b a b ilis tic A p p ro a ch , IABSE Proceedings, pp. 6 5 -76 , P - 8 5 /8 5 . 18. Sentier, L., S tochastic C h a ra c te riza tio n o f C a rb o n a tio n o f C oncre te , 3 rd In te rn a tio n a l C on fe rence on the D u ra b ility o f B u ild in g M a te ria ls and C om ponen ts , V o l. 3, pp. 5 8 1 -5 9 0 , 1984 . 19. G rabec, I., S e lf-o rg a n iza tio n o f neurons d e sc rib e d b y the m a x im u m e n tro p y p r in c ip le , B io lo g ica l C yberne tics , S pringer-V erlag , pp . 4 0 3 -4 0 9 , 1990. 20. G rabec, I. and Sachse, E., A p p lic a tio n o f an in te llig e n t s ig n a l p rocess ing system to a co u s tic em iss ion analysis, Journa l o f A co u s tic S oc ie ty o f A m e rica , V o l. 8 5 , N o . 3, pp. 1 2 2 6 -1 2 3 5 , 1989. 21. Peruš, I., Fajfar, P. & G rabec, I., P re d ic tio n o f the se ism ic ca p a c ity o f RC s tru c tu ra l w a lls b y a n o n -p a ra m e tr ic m u ltid im e n s io n a l regression, Earthquake E ng ineering & S tructura l D ynam ics , V o l. 23 , pp. 1 1 3 9 -1 1 5 5 , 1994. KONTROLA VARNOSTI OBSTOJEČIH MOSTOV Controlling the safety of existing bridges UDK 624.21 + 69.059 ALEŠ ŽNIDARIČ P O V Z E T E K V arnost m ostov o c e n ju je m o z va rnostn im indeksom ß a li z ra ting fa k to rje m RF. Pri a n a liz i ig ra jo p o m e m b no v lo g o de janski p o d a tk i o nos ilnosti ko n s tru kc ije te r o sta ln i in p rom e tn i o b re m e n itv i o b jek ta . M e d te m ko poda tke o nos ilnos ti in s ta ln i ob težb i u g o to v im o s preg led i ko n s tru kc ije , d o b im o n a jb o lj za n e s ljive podatke o p ro m e tn ih o b re m e n itva h s p o m o č jo s istem ov za teh tan je v o z il m ed v o ž n jo (w e ig h - in -m o tio n , W IM ), ki za g o ta v lja jo n e p re k in je n o zb ira n je p ro m e tn ih in fo rm a c ij. V p rispevku so p reds tav ljen i tu d i d o lo č ite v p ričakovane m aks im a lne p rom etne ob težbe na pod lag i W IM m eritev , izb ira p a rc ia ln ih va rn o s tn ih fa k to rje v in upo raba posebn ih o b te žn ih shem pri računu ra ting fa k to rja RF. Postopek računa varnosti je ilus triran s p rim e rom a . CONTROLLING THE SAFETY OF EXISTING BRIDGES s u M M A R Y R ealistic tra ff ic data is an essential param eter in the safety assessment o f ex is ting bridges e ith e r by the safety index ß o r by the ra ting fa c to r RF. W h ile the resistance and the dead load data are o b ta in e d d u rin g the d e ta iled in spec tion o f the structure , the w e ig h - in -m o tio n (W IM ) m easurem ents are the m ost a p p ro p ria te te ch n iq u e fo r re lia b le tra ff ic data a cq u is itio n . Se lection o f the load facto rs , d e te rm in a tio n o f the m a x im u m expected live load e ffe c t and a p p lica tio n o f the ra ting lo a d in g schem es used in the safety ana lys is o f road bridges are also d iscussed in the paper. The safety eva lu a tio n p ro ce d u re is illus tra ted by tw o exam ples. U V O D Pogosto vprašanje, ki si ga zastavljajo upravljalci poško­ dovanih mostov, je: »Ali in za koliko je potrebno omejiti prometno obtežbo mostu?« Osnovni podatek o stanju objekta, ki je za vse objekte na slovenskih magistralnih cestah na razpolago, je rating poškodovanosti, t. j. števil­ čna ocena vseh vizualno ocenjenih poškodb, ki so bile ugotovljene med rednimi in glavnimi pregledi objekta. Ker pa rating poškodovanosti ne vsebuje nikakršne informa­ cije o sposobnosti poškodovanega objekta za prevzem obtežbe, je potrebno pri takšnih objektih poleg upošteva­ nja zmanjšane trajnosti preveriti tudi njegovo varnost. Šele na podlagi takšne analize lahko upravljavec argu­ mentirano izbira med naslednjimi ukrepi: • ne storiti nič, • poiskati dodatne rezerve z uporabo natančnejše ana­ lize konstrukcije ali natančnejših, bolj zanesljivih podatkov, • omejiti obtežbo mostu, • izvesti sanacijo mostu ali • izvesti rekonstrukcijo oz. zamenjavo mostu. Avtor: Aleš Žnidarič, mag. dipl. inž. gradb., Zavod za gradbeništvo Slovenije, Dimičeva 12, Ljubljana R A Č U N V A R N O S TI Določanje varnosti obstoječih mostov je eden osnovnih elementov vsakega sistema za upravljanje z mostovi [1 Oj. Varnost konstrukcije oz. kritičnega prereza ocenjujemo z varnostnim indeksomß v normalni ali lognormalni obliki: ß = R - S VCTf i +CTs ali (D Iz enačb 1 in 2 izhaja, da so tako standardna odklona oR, os in koeficienta variacije VR in Vs kot tudi varnostna faktorja yg in Yq odvisni od zanesljivosti uporabljenih podatkov. Bolj zanesljive podatke uporabimo, višje vred­ nosti izračunanega varnostnega indeksa oz. rating faktorja ß lahko dokažemo. V splošnem velja, da je varnost objekta dovolj velika, ko je večja ali enaka 3,5, če ocenjujemo varnost za normalno življenjsko dobo, oz. večja od 2,5, če upoštevamo skrajšano življenjsko dobo (npr. do naslednjega pregleda ali do predvidene sanacije mostu). Vrednost RF mora vedno presegati 0,95. ali z rating faktorjem RF, ki je izpeljan iz enačbe mejnega stanja prereza: J t F_ O x R d - Y a xG„ y Q*Qn (2) Določitev prometne obtežbe Vpliv prometne obtežbe upoštevamo v računu varnosti bodisi z obtežnimi shemami bodisi z računskim modelom, ki temelji na rezultatih tehtanja težkih tovornih vozil na odseku, na katerem se obravnavani objekt nahaja. kjer so: R - srednja vrednost nosilnosti prereza Š - srednja vrednost celotnega vpliva obtežbe v prerezu Rd - projektirani vpliv obtežbe po metodi mejnega stanja porušitve 0 - koeficient zmanjšanja računske nosilnosti Gn< Qn - računska vpliva stalne in koristne • (prometne) obtežbe CTr , <7S - standardna odklona nosilnosti in vpliva skupne obtežbe VR, Vs - koeficienta variacije nosilnosti in vpliva skupne obtežbe Yg , Yq - parcialna varnostna faktorja za stalno in prometno obtežbo. Medtem ko račun varnostnega indeksa zahteva verjetnos­ tni pristop in se uporablja v bolj ali manj izjemnih primerih, je račun rating faktorja RF determinističen in primeren za kar najširšo uporabo. Račun realne varnosti temelji na uporabi dejanskih in ne projektiranih vrednosti nosilnosti ter stalne in prometne obtežbe. Nosilnost in stalno obtežbo dovolj natančno določimo na podlagi rezultatov detajlnega pregleda kons­ trukcije, ki mora biti sestavni del analize močno poškodo­ vanega objekta. Za določitev prometne obtežbe v večini primerov uporabimo posebne obtežne sheme za analizo obstoječih mostov, najbolj natančne podatke o obremeni­ tvah pa dobimo z metodo tehtanja vozil med vožnjo (ang. weigh-in-motion, WIM, [9]). Obtežne sheme za določanje varnosti Vpliv prometne obtežbe najbolj enostavno izvrednotimo z uporabo obtežnih shem. Da bi preverili njihovo primer­ nost za računanje realne varnosti mostov, smo v parame­ trični študiji [8] preizkusili obtežne sheme za dimenzioni­ ranje PTP-5 in DIN 1072, ki smo jih v Sloveniji uporabljali po letu 1950, ter obtežno shemo LM1 iz Eurocoda 1 [1], Medtem ko je vpliv prometne obtežbe ob uporabi sheme PTP-5 pri kratkih razpetinah izrazito podcenjen (v shemi niso zastopane dvojne oz. trojne osi, ki so običajne na sodobnih vozilih), sta preostali shemi pretirano konzerva­ tivni. Rezultat analize sta predlagani posebni obtežni shemi, ki temeljita na rezultatih WIM meritev in zato ustrezno predstavljata realni promet na slovenskih cestah (slika 1). Računski model prometne obtežbe Mnogo bolj zanesljivo sliko o prometnih obremenitvah na obravnavanem mostu dobimo s statistično obdelavo rezul­ tatov tehtanja vozil med vožnjo čez objekt. V tem primeru zapišemo statično količino v prerezu zaradi vpliva pro­ metne obtežbe, O, v obliki [5, 9]: Q - a x IV95 X H x mx Kd x g (3) kjer je : a - deterministična vrednost, s katero se obtežba referenčnega vozila pretvori v statično količino lN95 - karakteristična teža izmerjenih vozil, ki je defini­ rana kot 95 % verjetnost izmerjenih tež H - mnogokratnik karakteristične teže W95, s katerim se upošteva istočasno prisotnost več vozil na konstrukciji SLS 1 3 kN/m 2 90 SLS 2 105, ,105 kN 70 I 110| 3 kN/m2 80 | 8 0 | 80 [kN 3,6 m 1,3 <-------------s«— > 3,5 m 5,3 m 1,3 1,3 <------------------------X ------------------------------------- X ------X — > Slika 1 : Obtežni shemi v vsakem voznem pasu pri računu varnosti obstoječih mostov m - razmerje med vplivom normirane obtežbe z refe­ renčnim in naključnim vozilom g - koeficient prečnega raznosa obtežbe Kd - koeficient sunka Razen vrednosti a so vsi parametri tega modela naključne spremenljivke s srednjo vrednostjo in standardnim odklo­ nom. Parcialni varnostni faktorji Nezanesljivost uporabljenih podatkov pri računu RF upo­ števamo s parcialnimi varnostnimi faktorji za stalno in prometno obtežbo, yg in y q - Ker Pri analizi varnosti uporabljamo dejanske podatke o konstrukciji in prometni obtežbi, je nesmiselno uporabiti varnostne faktorje za dimenzioniranje konstrukcij (npr. yg/Yq = 1 ,6/1,8 za armi­ rani beton). V odvisnosti od razpoložljivih podatkov je lahko yg = 1,4 ali celo manj, če temelji na rezultatih detajlnega pregleda konstrukcije in se analiza varnosti izvaja za omejeno življenjsko dobo objekta. Izbira varnos­ tnega faktorja za prometno obtežbo yQ je odvisna od razpoložljivih podatkov o prometu, od pričakovane življenj­ ske dobe objekta ali obdobja, za katerega se varnost preverja (npr. do naslednjega pregleda mostu), in od gostote prometa. Algoritem izbire yq je prikazan na sliki 2. Njegova vrednost se giblje v območju med 1,4 in 2,2. Če vrednotimo varnost prednapetih konstrukcij, delimo yg in yq z 0,85, kolikor znaša razmerje med parcialnimi varnostnimi koeficienti za armirano-betonske in predna­ pete konstrukcije. Izbira koeficienta zmanjšane nosilnosti prereza Slika 3 prikazuje postopek izbire koeficienta zmanjšane nosilnosti prereza O v odvisnosti od [8]: • poškodovanosti objekta; vhodni podatek je poškodbeni indeks aR, ki je funkcija ratinga poškodovanosti, • obremenjenosti cestnega odseka in možnosti nastopa izrednih dogodkov (ciljni varnostni indeks ßc), • zanesljivosti določitve nosilnosti objekta (koeficient va­ riacije VR), • statične zasnove in s tem povezane rezervne nosilnosti objekta (ali je objekt v primeru hude poškodbe nekega nosilnega elementa sposoben prerazporediti obtežbo) in • načina kontrole in vzdrževanja objekta. Če ne izvedemo detajlnega pregleda konstrukcije in ne uporabimo dovolj natančne analize obravnavanega mo­ stu, je lahko vrednost O največ 0,95 in je torej v računu varnosti upoštevana nosilnost manjša od računskega vpliva obtežbe. Z zanesljivimi podatki o konstrukciji pa lahko upoštevamo tudi vrednosti , ki so večje od 1. R A Č U N S K A PR IM E R A Armiranobetonska konstrukcija V letu 1995 smo po naročilu Direkcije Republike Slovenije za ceste izvedli analizo varnosti mostu čez Limarico v Trenti. Ker zaradi močnega zamakanja beton že vrsto let razpada, armatura pa je močno korodirana, so bili kot Ne Da H YQ=YQ + 0,2 Slika 2: Izbira varnostnega faktorja vQ rezultat rednih in glavnih pregledov mostu po pričakovanju dobljeni razmeroma visoki ratingi poškodovanosti, na podlagi katerih je bila predlagana omejitev obtežbe na 5 ton. Objekt je bil zgrajen leta 1958, načrti pa niso dosegljivi. Most je prostoležeča armiranobetonska konstrukcija prek 1 polja, sestavljena iz 4 nosilcev razpetine 9,42 m, ki so povezani s prečnikom, in ploščo. Višina prekladne kons­ trukcije se spreminja glede na vzdolžni naklon cestišča. Med ploščo, za katero smo z vrtino ugotovili, da je debela najmanj 40 cm, in asfaltom se nahaja neenakomerna plast podložnega materiala debeline 38 do 94 cm. Prečni prerez konstrukcije v sredini razpetine je prikazan na sliki 4. S stališča trajnosti je objekt v zelo slabem stanju. Opazno je močno zamakanje vseh nosilcev in spodnje strani plošče. Na več mestih na nosilcih je odpadel zaščitni sloj betona in so palice glavne in stremenske armature odkrite. Detajlni pregled objekta je pokazal, da je bila površina prereza glavne natezne armature zaradi korodiranosti zmanjšana med 5% v nosilcu 1 in 20% v nosilcu 4. Q RAČUN O V Of, sklopa / n o s tT b ^ta - V e č ja ^ 0=0-0,1 0=0+0 0=0-0,2 Vr = 20% Vr -15% Vr =10% I L = - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - = l_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ O = e- “ RPc-VR Do brcX^Vzd rževa nje^; Srednje f ▼ 5-Slabo _________3 0=0+0,1 0=0+0,05 0=0+0 Slika 3: Izbira koeficienta zmanjšanja ( (J) j nosilnosti --------------------- Stremena so bila na nosilcu 1 korodirana površinsko, na nosilcu 4 pa do 40%. Večje število palic glavne nosilne armature v plošči je bilo odkritih, vendar izguba prereza nikjer ni presegala 5 %. Za potrebe analize varnosti smo odvzeli vzorce betona in armature. Beton je bil zelo porozen in slabe kakovosti. Zrna agregata so bila slabo zalita in na nekaterih mestih praktično brez veziva. Trdnost valja iz tlačne plošče je znašala 19,9 MPa. Z nateznim preizkusom ugotovljeni meji plastičnosti aa dveh armaturnih palic sta znašali 398 in 354 MPa, kar je bilo precej nad pričakovanji. Račun rating faktorja RF Analiza je pokazala, daje najbolj kritičen upogibni moment v sredini nosilca št. 4, kjer znašata vrednosti zaradi lastne in prometne obtežbe MG = 360 kNm oz. MQ = 207 kNm. Največji vpliv zaradi prometne obtežbe smo dobili z obtežno shemo SLS1 (slika 1), v kateri smo zaradi ozkega vozišča upoštevali samo 1 vozilo na mostu. Zaradi izmerjenih dimenzij objekta in eksperimentalno določenih materialnih karakteristik smo izbrali yG = 1,2, v skladu z diagramom iz slike 2 pa yQ = 1,6, ki smo ga dodatno zmanjšali za 0,1 zaradi gorske ceste z izredno redkim tovornim prometom. Faktor zmanjšanja nosilnost O po diagramu iz slike 3 je znašal 0,86. Mejni računski upogibni moment nosilca 4, Mu = 960 kNm, smo izračunali na 4,96 -------------------------------------------- 4,34 ---------------------------------------- -X Slika 4: Prečni prerez mostu čez Limarico podlagi zbranih podatkov o dimenzijah prereza ter količini in kakovosti armature in betona. Koeficient sunka smo izvrednotili po Pravilniku o tehničnih normativih za določa­ nje velikosti obtežb mostov [3]. Izračunani rating faktor RF je znašal: RF = 0 ,8 6 x 9 6 0 -3 6 0 x 1 ,2 207x1,5x1,32 0,96)0,95 Varnost objekta je bila torej zadovoljiva kljub temu, da je bilo njegovo stanje s stališča trajnosti zaradi močne poškodovanosti kritično in je bilo nujno načrtovati sanacijo ali rekonstrukcijo objekta. Ker pa je zaradi slabega stanja objekta obstajala nevarnost, da se bo varnost konstrukcije v kratkem zmanjša pod dopustno vrednost, smo predlaga­ li, da se v obdobju naslednjih dveh let oz. do sanacije objekta dovoli normalni promet brez omejitve obtežbe, izredne prevoze pa je potrebno dodatno kontrolirati. Če ne bi izvedli detajlnega pregleda objekta ter preiskav materialnih karakteristik jekla in betona, bi morali upošte­ vati: • Yg/Yq = 1,4/1,6 in <£> = 0,80 • mejo plastičnosti jekla največ oa = 240 MPa in kot posledico upogibno računsko nosilnost Mu = 702 kNm • upogibni moment zaradi vozila skupne teže 5 ton, MQ = 26,5 kNm Rating faktor v tem primeru znaša: RF = 0 ,8 0 x 7 0 2 -3 6 0 x 1 ,4 26,5x1,6x1,32 = 1,03 »1,0 Brez opravljenih preiskav bi bila torej predvidena omejitev obtežbe na 5 ton povsem ustrezna. Prednapeta konstrukcija Med sanacijo desnega viadukta Ravbarkomanda (v smeri od Ljubljane proti morju) je na levem viaduktu v smeri proti Ljubljani, ki je prevzel promet v obeh smereh, prihajalo do večjih zastojev prometa. Zaradi zadostne Slika 5: Prečni prerez in predvidena prometna obremenitev viadukta Ravbarkomanda širine objekta je bilo zato smiselno predvideti dodatni vozni pas v sredini objekta (slika 5). Ker pa je tudi na tem objektu nekaj nosilcev močno poškodovanih, je bilo naj­ prej potrebno odgovoriti na vprašanje: »Ali je varnost najbolj poškodovanih nosilcev dovolj velika tudi v primeru, da vozijo tovorna vozila ob levem in ,desnem robu mostu (nad najbolj poškodovanimi krajnimi nosilci), v sredini mostu pa se dovoli še tretji pas, namenjen samo osebnim vozilom?« Ker smo analizirali močno poškodovan objekt na zelo prometni cesti, smo varnost kritičnih prerezov objekta izvrednotili tako z rating faktorjem RF kot z varnostnim indeksom ß. Da bi v največji možni meri zmanjšali nezanesljivost podatkov o prometni obtrežbi, smo name­ sto splošnih obtežnih shem za vrednotenje obstoječih mostov (slika 1) uporabili model prometne obtežbe (e- načba 3), ki temelji na rezultatih tehtanja vozil med vožnjo na obravnavanem objektu. Tehtanje vozil med vožnjo Meritve tež smo izvedli v prvem polju objekta v smeri proti Ljubljani. Na vsakega izmed štirih prostoležečih nosilcev dolžine 36,3 m smo pritrdili po en merilec specifičnih deformacij, na cestišče pred merjeno razpetino pa v vsakem pasu po dva detektorja osi. Njihov razpored ter orientacija voznih pasov 1 in 2 sta prikazana na sliki 6. Polje XV/L, 36,3 m 3,8 3,9* 25,4 m 10,9 m 54,0 3,5 - D 1 S2/1 S2/2 Ljubljana - D 2 I I «- Pas 1 Pas2 \ j Postojna •» _ n a Si/2 S1/1 Slika 6: Situacija WIM postavitve na viaduktu Ravbarkomanda Na slikah 7 in 8 so rezultati meritev skupnih tež tovornih vozil po posameznih pasovih prikazani v obliki histogra­ mov. V prvem primeru so vsa vozila združena po posame­ znih dnevih, v drugem primeru pa po voznih pasovih. Na sliki 9 so podatki iz slike 8 podani še v kumulativni obliki. Iz njih smo pri 95% verjetnosti odčitali karakteristične vrednosti izmerjenih tež, ki smo jih uporabili v nadaljnjem računu varnosti. Faktor istočasne prisotnosti vozil na mostu, H, smo določili s pomočjo simulacije maksimalne prometne obte­ žbe v različnih časovnih obdobjih (slika 10). Ker je v kratkem načrtovana sanacija objekta, smo v nadaljnjem računu uporabili pričakovane vrednosti za obdobje 5 let. Koeficienta sunka, Kdl in prečnega raznosa, g, smo določili s statistično obdelavo signalov specifičnih defor­ macij 60 naključnih težkih vozil s 4 do 6 osmi, ki edina lahko tvorijo ekstremno obtežbo. Koeficient m je po definiciji razmerje med notranjima 100 200 300 0 400 500 O u u Skupna teža vozil [kN] Slika 7: Histogram skupnih tež vozil v kN v pasu 1 po posameznih dnevih 700 11.08.95 09.08.95 07.08.95 05.08.95 03.08.95 01.08.95 >780 100 200 300 400 500 600 700 >780 Skupna teža vozil [kN] Slika 8: Histogram skupnih tež vseh 9850 vozil v kN po posame­ znih pasovih Slika 9: Verjetnost skupnih tež vozil v kN s pripadajočimi karak­ terističnimi vrednostmi W95 v obeh voznih pasovih 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Pričakovana skupna teža 2 vozil [kN] --------- 1 d o g o d e k ---------- 1 d a n ---------- 1 m e s e c --------- 1 l e t o ----------2 leti ------ 5 le t Slika 10: Pričakovana maksimalna teža dveh vozil za različna časovna obdobja statičnima količinama zaradi normirane obtežbe (teža vozila je 1) z referenčnim vozilom in naključnim vozilom iz populacije, za katero koeficient m računamo. Z njegovo pomočjo ocenimo vpliv razporeda osnih pritiskov na velikost statične količine. Ker lahko tvorita ekstremno pričakovano obremenitev le dve dolgi vozili, smo primerjali normirane momente naključnih vozil in dolgega referenč­ nega vozila [8], t.j. vozila skupne teže 420 kN in z razporedom medosnih razdalj in osnih pritiskov, ki je značilen za slovenske ceste (slika 11). 3x19% 26% 17% Slika 11: Razpored osnih pritiskov in medosnih razdalj dolgega referenčnega vozila Faktor a, ki predstavlja razmerje med statično količino in težo vozila, smo izvrednotili za upogibni moment zaradi dveh vozil, katerih medosne razdalje in razpored obtežbe po oseh so enaki kot pri dolgem referenčnem vozilu (slika 11), njuna skupna teža 1.160kN pa ustreza rezultatu simulacije pričakovane prometne obremenitve za obdobje 5 let, t.j. 1.159 kN (slika 10). Izvrednotene srednje vrednosti s pripadajočimi koeficienti variacije vseh parametrov ter pričakovani maksimalni moment zaradi prometne obtežbe s tovornimi vozili, MQ T, na najbolj obremenjenem nosilcu so zbrani v preglednici 1. Pri tem je skupni koeficient variacije določen kot koren vsote kvadratov koeficientov variacije posameznih para­ metrov. Račun varnosti V računu upogibne varnosti kritičnega prvega nosilca (slika 6) smo upoštevali: • računski mejni moment prereza Mu in maksimalni moment zaradi vpliva stalne teže MG, iz glavnega projekta Tehnogradnje [2]; ker je bilo med detajlnim pregledom konstrukcije ugotovljeno, da so v kritičnem nosilcu trije od devetih kablov močno poškodovani, smo mejni moment iz projekta zmanjšali za eno tretjino, • vpliv osebnih vozil M0 v predvidenem dodatem sred­ njem pasu z obtežbo 5,0 kN/m, • parcialna varnostna faktorja za stalno težo yg = 1A in za prometno obtežbo yq = 1.65 (slika 2), • koeficient zmanjšanja računske nosilnosti prereza O = 0,89 (slika 3). Parameter Srednja vrednost Koeficient variacije V 14/95 x H 1.159 kN 2,8% Kd 1,15 8,4% 9 30% 3,6% m 0,923 8,4% a 6,33 - M q . t 2.339 kNm 12,7% Preglednica 1. Rezultati WIM meritev in pričakovani maksimalni moment zaradi prometne obtežbe, M0 T Moment Srednja vrednost Koeficient variacije V M u 14.469 kNm 15,0% M g 5.603 kNm 10,0% M q- M q j * M o 2.568 kNm 12,7% M s 8.171 kNm 16,2% Preglednica 2. V računu varnosti uporabljeni upogibni momenti Vsi v računu varnosti upoštevani momenti so zbrani v preglednici 2. Za upogibno obremenitev prereza smo tako dobili nasled­ nje vrednosti rating faktorja RF in varnostnega indeksa ß: Parameter Srednja vrednost Koeficient variacije V M S L S 2 5.328,6 kNm 8,0% Kd 1,11 10,0% 9 30% 5,0% m 1,04 10,0% M q,t 1.845 kNm 17,0% M q 797 kNm M q 2.642 kNm 17,0% Preglednica 3. Upoštevane vrednosti parametrov v primeru, da ne bi izvedli WIM meritev Iz preglednice 3 je razvidno, da sta izračunana srednja vrednost in koeficient variacije upogibnega momenta zaradi prometne obtežbe večja kot ob upoštevanju rezul­ tatov WIM meritev. Vrednost rating faktorja RF zato znaša le 0,90, varnostnega indeksa ß pa 2,25, kar je oboje pod dopustnimi vrednostmi. Če torej ne bi imeli na razpolago rezultatov meritev prometnih karakteristik ter koeficientov sunka in prečnega raznosa obtežbe, zadostne varnosti kritičnega nosilca ob vpeljavi tretjega voznega pasu ne bi mogli dokazati. 0,89x14.469-5 .603x1,4 2.568 X 1,65 = 1,19)0,95 Z A K L J U Č E K ln P = 14.469 8.171 JÖ,152 + 0,1622 0,571 0,212 = 2,69)2,5 Po obeh kriterijih je bila torej izvrednotena varnost kritič­ nega prereza večja od dopustne. Če WIM meritev ne bi izvedli, bi morali upoštevati [8]: • koeficient sunka po projektu, • predpostavljeni prečni raznos obtežbe, • računski faktor m za razpetino 32,6 m • večji parcialni varnostni faktor za prometno obtežbo, 7 0 = 2 ,1, • prometno obremenitev zaradi obtežne sheme SLS, MSLS2 , ki je sestavljena iz dveh dolgih referenčnih vozil skupne teže 2 x 420 kN in enakomerne obtežbe 3 kN/m2 na širini 2 m, kolikor odpade na kritični krajni nosilec, Mq. Kontrola varnosti je pomemben člen sistema za upravlja­ nje z mostovi, ki je nepogrešljiv zlasti pri racionalnem omejevanju obtežbe poškodovanih objektov. Varnost mo­ stov, za katere so bili ugotovljeni visoki ratingi poškodova- nosti in so torej s stališča trajnosti problematični, je v velikem številu primerov dovolj velika za normalno ali samo delno omejeno uporabo. Z analizo varnosti lahko upravljavci mostov: • omilijo hude omejitve prometnih obtežb, ki temeljijo zgolj na podlagi slabega stanja mostu, in s tem občutno zmanjšajo težave in stroške uporabnikov objektov, • racionalizirajo porabo in razporeditev sredstev, ki so namenjena za vzdrževanje objektov. Izračunana varnost mostu je močno odvisna od kakovosti uporabljenih podatkov. Medtem ko nezanesljivost podat­ kov o nosilnosti in stalni obtežbi zmanjšamo s pregledom objekta in preiskavami vgrajenih materialov, zagotovimo najbolj zanesljive informacije o prometnih obremenitvah s tehtanjem vozil med vožnjo. L I T E R A T U R A ' ' ..... 1. Evropski p redstandard prEN V 1 933 -3 , E urocode 1 — Basic o f D esign and A c tio n s on S tructures — Part 3 : T ra ffic Loads on Bridges, B ruse lj, 1994 2. G la vn i p ro je k t v ia d u k ta R avbarkom anda, Tehnogradn je , 1970 3. P ra v iln ik o te h n ič n ih n o rm a tiv ih za d o lo č a n je ve liko s ti o b te žb m ostov, U r. lis t 1 /91 , 1991 4 . P ra v iln ik o te h n ič n ih n o rm a tiv ih za be ton in a rm iran i be ton , U radn i lis t 11 /87 , 1987 5. M oses F., V e rm a D .: Load C apac ity E va lua tion o f Existing Bridges, N a tio n a l C o -o p e ra tive H ig h w a y Research Program (N CH RP) R eport 301, W a sh in g to n D C , 1987 6. Ž n id a r ič A ., S nyder R. E., Ž n id a r ič J., M oses F .: B ridge W e ig h - in -M o tio n Testing o f V e h ic le Gross W e igh ts in S loven ia , 1. Evropska W IM kon fe renca , 323 -3 3 0 , Z ü r ic h , 1995 7. Ž n id a r ič J., Ž n id a r ič A . : E va lua tion o f the C a rry ing C apac ity o f Existing Bridges, S lovensko -A m erišk i p ro je k t JF 0 26 , L ju b lja n a , 1994 8. Ž n id a r ič J., Ž n id a r ič A ., U k ra in c z y k V ., Perus I. : V re d n o te n je va rnosti in p reosta le ž iv lje n js k e dobe o b s to ječ ih m ostov, R aziskova lna na loga Z A G L ju b lja n a , 1995 9. Ž n id a r ič A - : M e r itv e p ro m e tn ih o b re m e n ite v z m e todo te h ta n ja v o z il m ed v o ž n jo (W IM ), G radben i ves tn ik št. 3 -4 ,1 9 9 6 10. Ž n id a r ič J.: U g o ta v lja n je ustreznosti o b s to je č ih cestn ih m os tov v R epub lik i S lo v e n iji, Z a k lju čn a kon fe renca O EC D/RTR P, L ju b lja n a , 1995 Z V E Z A D R U Š T E V G R A D B E N I H I N Ž E N I R J E V IN T E H N I K O V S L O V E N I J E , L J U B L J A N A , K A R L O V Š K A 3 STROKOVNI IZPITI ZA GRADBENIŠTVO IN ARHITEKTURO TER PRIPRAVLJALNI SEMINARJI ZA STROKOVNE IZPITE V LETU 1996 A. B. Rok Leto Mesec SEMINAR IZPIT VIII. 1996 November 18.-22. november pisni ustni IX. 1996 December 16.-20. december 19. oktober 4.-8. november 16. november 2.-6. december A. Pripravljalni seminar za strokovne izpite organizira ZVEZA DRUŠTEV GRADBENIH INŽENIRJEV IN TEHNI­ KOV SLOVENIJE, LJUBLJANA, KARLOVŠKA 3, telefon (061)221-587. Prijavo, v obliki dopisa, pošlje organizatorju plačnik seminarja za prijavljeno osebo. Če je plačnik seminarja podjetje (pravna oseba), priobči v prijavi izjavo, kdo je plačnik. Samoplačnik pošlje organizatorju prijavo v obliki dopisa, skupaj s kopijo dokazila o plačilu seminarja. Cena seminarja za eno osebo znaša 57.960.00SIT (znesku je že prištet 5% prometni davek). Številka žiro računa je 50101-678-47602. Prijave za seminar v določenem rokuje potrebno poslati najmanj 14 dni prej. B. Strokovni izpit organizira GRADBENI INŠTITUT ZRMK, Dimičeva 12, Ljubljana, Gradbeni center (Dimičeva 9), telefon (061)342-671. Prijave, v obliki obrazca, z vsemi prilogami, ki so razvidne iz obrazca, sprejema organizator 20 dni pred pisnim delom izpita. Obrazce je mogoče dobiti pri organizatorju, vse informacije pri inž. Jakobu Grošlju od 8.00 do 12.00 ure. ZVEZA DRUŠTEV GRADBENIH INŽENIRJEV IN TEHNIKOV SLOVENIJE LJUBLJANA, KARLOVŠKA 3 STR O K O VNI IZPITI ZA G R A D B E N IŠTVO IN A R HITEK TU R O TER PR IPR A VLJA LN I SEM INA R JI ZA STR O K O VN E IZPITE V LETU 1 9 9 7 A. SEMINARJI B. IZPITI Rok Leto Mesec SEMINAR pisni ustni IX. 1996 December 16.-20. december 14. december 1996 6.-10. januar 1997 I. 1977 Januar 20.-24. januar 18. januar 3.-7. februar II. 1997 Februar 17.-21. februar 15. februar 3.-7. marec III. 1997 Marec 17.-21. marec 22. marec 7.-11. april IV. 1997 April 18.-18. april 19. april 5.-9. maj V. 1997 Maj 19.-23. maj 24. maj 9.-13. junij VI. 1997 September 15.-19. september VII. 1997 Oktober 20.-24. oktober 18. oktober 3.-7. november Vlil. 1997 November 10.-14. november 15. november 1 -5. december IX. 1997 December 15.-19. december A. Pripravljalni seminar za strokovne izpite organizira ZVEZA DRUŠTEV GRADBENIH INŽENIRJEV IN TEHNIKOV SLOVENIJE, 1000 Ljubljana, Karlovška 3 (telefon/fax: 061/221-587. Prijavo, v obliki dopisa, posije organizatorju plačnik. Če je plačnik seminarja podjetje (pravna oseba), priobči v prijavi še to izjavo. Samoplačnik pošlje organizatorju poleg prijave še kopijo dokazila o plačilu. Cena seminarja za eno osebo znaša 57.960,00 SIT (znesku je že prištet 5 % prometni davek). Številka žiro računa je 50101-678-47602. B. Strokovni izpit organizira GRADBENI INŠTITUT ZRMK, Dimičeva 12, 1000 Ljubljana, telefon (061)301-133. Prijave, v obliki obrazca, z vsemi prilogami, ki so razvidne iz obrazca, sprejema organizator 20 dni pred pisnim delom izpita. Obrazce je mogoče dobiti pri organizatorju, vse informacije pri inž. Jakobu Grošlju od 8.00 do 12.00 ure. Zavod za gradbeništvo Slovenije Slovenian National Building and Civil Engineering-Institute D'inttčeva 12, 1000 Ljubljana, Slovenija Tel.: +386 6 1 /188 81 00; Fax: +386 6 1 /188 84 84 El.pošta: info@zag.si; Http: / / www.zag.si/ • certificiranje gradbenih proizvodov, materialov in dei • temeljne in aplikativne raziskave • predkonkurenčni razvoj novih materialov • nove metode preskušanja • preskušanje in opazovanje konstrukcij in okolja • raziskave učinkovite rabe in obnovljivih virov energije • tehnični preskusi in analize • kalibriranje meril in preskuševalne opreme