Projekty a granty

Analýza odolnosti vybraných betonových směsí vůči chloridům

SP2014/186

PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU Trvanlivost železobetonových konstrukcí vystavených působení agresivních látek, jako jsou posypové soli, je dlouhodobě ohrožena korozí. Koroze výztuže je způsobena přístupem dostatečného množství chloridových iontů při dané hodnotě vlhkosti a přístupu kyslíku. Jedním z důležitých parametrů ovlivňujících pronikání iontů betonem je difuzní součinitel související s kvalitovu betonové směsi. Vliv zrání betonu na vývoj difuzního součinitele popisující vnikání agresivních látek v čase je obecně známý ([1], [4]). Studie [5] sleduje vliv betonové směsi na vývoj součinitele difuze v čase, přičemž je sledováno 33 směsí vysokohodnotného betonu. U každé sledované směsi je analyzováno dostatečné množství vzorků, tak aby bylo možno popsat sledované parametry pravděpodobnostním rozdělením. Znalost difuzního součinitel sama o sobě je indikátor kvality betonu, ale neposkytuje informace o riziku vzniku koroze. K analýze rizika vzniku koroze je vhodná kombinace difuzního modelu ([6], [12], [7], [2]) aplikace pravděpodobnostního přístupu ([15], [13], [14], [7]). Popis difuzního součinitel, jako v čase neměnného parametru, byl nedostatek modelů [7] popisujících degradaci železobetonových konstrukcí. Doplnění časově závislého difuzního součinitele do analytického vztahu popisujícího vnikání chloridů v čase [3] je úkol komplikovaný, zatímco numerické řešení za pomoci metody konečných differencí, či konečných prvků je poměrně schůdné ([8], [2]). Ověření pravděpodobnostního výpočtu analyzujícího riziko vzniku koroze bylo provedeno v diplomové práci [10], a to pro dvě betonové směsi z 33 dostupných [5]. METODIKA K analýze vlivu druhu vysokohodnotného betonu, jeho zrání a rozptylu vlastností na pravděpodobnost iniciace koroze výztuže u železobetonové konstrukce vystavené působení chloridů bude využito rozšířeného difuzního modelu [9], se zohledněním vlivu stáří betonu na difuzní součinitel a pravděpodobnostní nástavbou [10]. Vlastnosti betonu budou modelovány v návaznosti na laboratorní měření [5]. 1) Popis betonových směsí Dostupná laboratorní data [5] popisují zrání vysokohodnotných betonů v čase od 7 – 161 dnů. U každé směsi je uvedeno 32 hodnot difuzního součinitele v konkrétním čase. Difuzní součinitel byl dopočítán na základě měření resistivity, a to pomocí 8 čtení na 4 válcích. Budou vypočteny průměrné hodnoty difuzního součinitele v konkrétním čase. Dále se určí koeficient stárnutí, který ovlivňuje difuzní součinitel v čase. Ze získaných hodnot v rámci 28 dne od počátku tvrdnutí se určí statistické parametry (minimum, maximum, počet vzorků, počet tříd) a vytvoří frekvenční histogramy. Následně se vypočtou četnosti jednotlivých tříd a histogramy se využijí jako vstupy ve výpočetním modelu. 2) Difuzní model Difuze chloridových iontů je transportní proces, který lze popsat systémem parciálních diferenciálních rovnic. V rámci difuzní úlohy je využit model [9], [10] založeny na metodě konečných prvků, který je naprogramován v prostředí softwaru MatLab. Jedná se o nestacionární úlohu, při které do prvku přichází více látky, než odchází, což způsobuje nárůst chloridů v čase. Model je ovlivňován časově závislým difuzním součinitelem materiálu, jehož vliv na trvanlivost betonu bude zkoumán. U difuzního modelu bude v návaznosti na práci [10] dokončena implementace izoparametrického čtyřúhelníkového modelu. 3) Deterministická analýza vlivu zrání betonu na pronikání chloridů V rámci deterministické analýzy bude provedena parametrická studie koncentrace chloridů ve zvolené hloubce betonové mostovky a vyhodnocen rozdíl při modelování difuzního součinitele jako konstantní veličiny a časově proměnné veličiny. Ve vybraných případech bude model [10] porovnán s implementací v rámci software ANSYS [2, 9] 4) Pravděpodobnostní analýza vlivu zrání betonu na pronikání chloridů: Výše uvedený model bude využit v rámci pravděpodobnostního posudku. K pravděpodobnostní analýze bude využito metody Monte Carlo. Při popisu vstupních parametrů useknutými histogramy dle metody SBRA – Simulation-.Based Reliability Assessment [11]. V rámci projektu bude využit algoritmus [10], který vyvolává výpočetní model jako funkci a zavádí do něho vstupní data ve formě náhodně proměnných. ČASOVÝ PLÁN Březen až duben: analyza vstupních dat – tvorba histogramů difuzního součinitele a popis vlastností směsí v čase; Duben až květen: úprava modelu MKP modelu – aplikace a odladění 4-úhelníkového prvku. Květen až červenec:deterministická analýza; Červenec až září: pravděpodobnostní analýza; Řijen až listopad: rezerva a publikace. MOŽNÁ ÚSKALÍ • V případě přetrvávajících problémů při implementaci čtyřúhelníkových konečných prvků budou využity trojúhelníky. • Omezené množství druhů zkoumaných směsí (cca 33) nedává prostor pro pokrytí všech možných vzájemných kombinací popílku, metakaolinu a granulované strusky. • Součástí projektu je v roce 2014 pouze numerická analýza, a to vzhledem k působení školitele v zahraničí, a to do konce června 2014. Laboratorní práce by bylo obtížné koordinovat. LITERATURA [1] ANDRADE, C. (2010) Types of Models of Service Life of Reinforcement: The Case of the Resistivity, Concrete research Letters, Vol. 1 [2], June 2010. [2] Ansys 14.0, Release Documentation dostupné na: <http://www.ansys.com>, 2013. [3] COLLEPARDI, M., MARCIALIS, A., and TURRIZUANI, R. (1972). “Penetration of Chloride Ions into Cement Pastes and Concretes,” Journal of American Ceramic Research Society, V55, No. 10, pp 534-535. [4] BENTZ, E. and THOMAS, M. D. A. (2001). “Life-365 Service Life Prediction Model”, Computer Program for Predicting the Service Life and Life-Cycle Costs of Reinforced Concrete Exposed to Chlorides, Silica Fume Association. [5]. GHOSH, P. a TRAN, Q. (2013) Long Term Variation and Correlation between Bulk and Surface Resistivity for Different Cementitious mixtures. : (personal correspondence of P. Konecny) . [6] HOOTON, R.D., THOMAS, M.D.A. and STANDISH, K. (2001). „Prediction of Chloride Penetration in Concrete, Federal Highway Administration, Washington, D.C., No. FHWA-RD-00-142, pp. 405. [7] KONEČNÝ, P., TIKALSKY, P. J. AND TEPKE, D. G. (2007) Performance Evaluation of Concrete Bridge Deck Affected by Chloride Ingress: Simulation-Based Reliability Assessment and Finite Element Modeling, Transportation Research Record, vol. 2020/2007, Transportation Research Board of the National Academies, ISSN: 0361-1981, Washington, DC, U.S.A. [8] KONEČNÝ, P., GHOSH, P. a LEHNER, P. (2013) Uvážení časově závislého difuzního součinitele při modelování difuze chloridů v betonu. Ostrava, Czech Republic : Modelování v mechanice 2013 : sborník příspěvků vědecké konference : 22. a 23. května 2013, VŠB - Technická univerzita, s. 1-7. 978-80-248-2985-2, 2013. [9] LEHNER, P. Numerické řešení 2D difuze chloridů užitím MKP. Ostrava : Bakalářská práce, Fakulta Stavební, VŠB-TUO, 2012. [10] LEHNER, P. Pravděpodobnostní analýza s využitím izoparametrických konečných prvků. Ostrava : Diplomová práce, Fakulta Stavební, VŠB-TUO, 2013. [11] MAREK, P., et al. (2003). Probabilistic Assessment of Structures using Monte Carlo simulation. Basics, Exercises Software. Prague, Czech Republic : ITAM Academy of Sciences, ISBN 80-86246-19-1, 2003. [12] MATESOVÁ, D., TEPLÝ, B. (2006). “Aplikace a popis software pro pravděpodobnostní hodnocení degradace materiálů (Aplication and Software for probabilistic evaluation of Material degradation)”. CIDEAS, Available on-line at: <http://www.cideas.cz/free/okno/technicke_listy/3tlv/TL06CZ_1132-4.pdf> [13] TEPLÝ, B., et al. (2005) Durability vs. Reliability of RC structures. Lyon : Internationa Conference on Durability of Building Materials and Components, 2005. [14] TIKALSKY, P., J., PUSTKA, D., MAREK, P. (2005). “Statistical Variations in Chloride Diffusion in Concrete”, ACI Structural Journal, vol. 102, is. 3, pp:481-486. [15] VOŘECHOVSKÁ, D., et al. (2009) Modelling of Chloride Concentration Effect of Reinforcement Corrosion. Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering, 24, 446-458., 2009.

2014

2014

Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy

SGS

Specifický výzkum VŠB-TUO

Konečný Petr doc. Ing., Ph.D.