مقاله پیش بینی عمر مفید سازه های بتنی

بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

پیش بینی عمر مفید سازه های بتنی

چکیده

یکی از مهمترین عللی که لازم است عمر سازه های بتنی پیش بینی گردد , برنامه ریزی صحیح جهت تعمیر و نگهداری وبهره برداری از اینگونه سازه ها می باشد. برای این منظور در نظر گرفتن تعریف درست از عمر و دوام برای سازه بسیار حایز اهمیت می باشد , که براساس آن مدل مناسب را جهت استخراج نتایج لازم برای پیش بینی عمر بدست آورد. برای این منظور آیین نامه ها و افراد مختلف تعاریف متفاوتی از عمر و دوام را برای بتن ارائه نموده اند و براساس آن مدلهای پیشنهادی خود را ارائه کرده اند که هر کدام به نوبه خود دارای نقاط قوت و ضعف می باشند.در این مقاله سعی بر آن شده است که ابتدا به تعاریف اشخاص و مراکز مختلف از عمر و دوام بطور مختصر پرداخته شده و سپس به نحوه پیش بینی عمر توسط دو مدل شماتیک و عددی پرداخته و نتایج این مدلها مستقلا" مورد بررسی قرار گرفته و مدل بهتر با توجه به استفاده از نتایج نمونه های واقعی ساخته شده ارائه گردیده است.

واژههای کلیدی: دوام, مدلهای پیش بینی عمر, غلظت کلرید آزاد, محیطهای کلریدی, اشباع

-1 مقدمه

بتن بعنوان یک مصالح ساختمانی که سالهاست در صنعت ساختمان در حال استفاده می باشد ولی در طراحی سازه ها به خواص مکانیکی و مقاومتی آن همواره توجه ویژه شده به نحوی که دستورالعمل ها و استانداردهای فراوانی جهت تامین نیازهای این بخش از طراحی در نظر گرفته شده است, و همواره در محل اجرا فقط به برآورده کردن خواستهای آن توجه گردیده است. و علیرغم اینکه ساخت سازه های بسیار مهم, عظیم و استرتژیک در محیطهایی که دارای خورندگی زیاد بلحاظ عوامل مهاجم مانند کلریدها,سولفاتها و سایر عوامل می باشند در حال انجام است, و هزینه هنگفتی بابت اجرای اینگونه سازه ها می شود, لذا لازم است عمر بهره برداری از آنها بنحوی باشد که هزینه های انجام شده توجیه اقتصادی داشته باشند .
در حال حاضر با توجه به گزارشات در دسترس در کشورهای پیشرفته صنعتی بیش از 40 درصد کل منابع پولی صنعت ساختمان در بخش تعمیر و نگهداری سازه های موجود، و کمتر از 60 درصد آن برای ایجاد سازه های جدید خرج می گردد. این مورد گویای آن است که در طراحی سازه های قرار گرفته در معرض محیطهای خورنده بخصوص محیطهای کلریدی نسبت به طراحی سازه براساس دوام و در نظر گرفتن عوامل مختلف در تخریب سازه ها کوتاهی شده است.لذا توجه به مقوله دوام و عمر سازه های بتنی در سالهای گذشته بسیار مورد توجه واقع شده است به نحوی که آیین نامه ها و افراد مختلفی تعاریف متفاوتی از مقوله دوام و عمر را ارائه نموده اند.

ازآنجاییکه شرایط محیطهای کلریدی برای خوردگی آرماتور و بدنبال آن تخریب سازه بسیار مساعد می باشد لذا توجه به موضوع خوردگی در اثر یون کلر سیار حایز اهمیت است و برای بررسی آن مدلهای مختلفی در شرایط مختلف محیطی پیشنهاد شده است که همگی در انتها منجر به پیش بینی عمر سازه می گردد. جهت امر مدل سازی در سالهای گذشته تلاشهای فراوانی شده است و برای اولین بار در 40 سال پیش آقای کوله پاردی مدل مربوط به آن را ارائه نمود. از آن سالها به بعد مدلها

1

تغییرات فراوانی نموده اند. ولی کماکان برای در نظر گرفتن نفوذ یون کلر در بتن فرضیات ساده کننده زیادی وجود دارد و در صورتیکه بخواهیم تمام عوامل موثر را در نظر بگیریم با معادلات بسیار پیچیده و بغرنجی مواجه خواهیم شد. لذا دراین مقاله ابتدا به تعریف آیین نامه ها و اشخاص مختلف در زمینه عمر و دوام و مدلهای در نظرگرفته توسط آنها پرداخته و سپس به تخمین عمر توسط دو مدل در نظر گرفته شده (شماتیک و عددی) در محیطهای کلریدی و روشهای استفاده آنها در پیش بینی عمر میپردازیم و در انتها به بررسی دقت نتایج هر کدام از مدلهای گفته شده پرداخته خواهد شد.

-2تعاریف دوام عمر سرویس دهی

از آنجایی که جهت تخمین عمر سازه های بتنی لازم است در رابطه با تعریف طول عمر و همچینین عواملی که روی طول عمر موثر میباشند مانند دوام بررسی های لازم صورت گیرد لذا در این تحقیق تعاریفی و نقطه نظری که متولیان امر مختلف مانند آیین نامه ها و افراد صاحب نظر مانند NMX-C -403-ONNCCE 1999(1) و ACI-365 وسایرین اشاره شده است بنحوی که هر کدام از این آیین نامه ها پارامترهای مختلفی را مورد توجه قرار داده اند و عوامل محیطی و همچنین اشتباهات پنهانی که تاثیر گذار در دوام بتن میباشند را مد نظر قرار داده اند.

مفهوم دوام در تعریف عمر سازه بتنی بسیار مهم می باشد. در حالی که استانداردهای مختلف تعاریف متفاوتی از دوام و طول عمر سازه های بتنی ارایه داده اند. عمر سرویس دهی یک سازه بتنی در ابتدا توسط یک دوره زمانی سه قسمتی بیان می شد: فنی- کاربردی- اقتصادی. بهر حال دوام سازه بتنی مقامت آن در مقابل عوامل مخرب است بنحوی که وظیفه خدمتی خود را به انجام برساند.

بعضی از صاحب نظران مانند DURAR NETWORK متغیرهای ایمنی-عملکرد و زیبایی را نیز وارد موضوع نموده اند و تعریف طول عمر را به این صورت آورده اند که طول عمر دوره ای است که سازه بدون تعمیر و نگهداری بتواند باقی بماند و به وظیفه خود انجام دهد.و ACI 365 طول عمر را دورهای معرفی می کند که در آن همه خواص سازه از مقادیر حداقلی بالاتر باشد. و CIB W 80 معتقد است پایان عمر سازه وقتی است که سازه قادر به انجام عملکرد مورد انتظار نباشد .

این صاحب نظران و آیین نامه ها هر کدام جهت تخمین عمر سازه های بتنی یک مدل را در نظر گرفته اند که هر کدام از این مدلها بر اساس متغییر ها و پارامترهایی که در نظر گرفته شده است کار برد دارند.

که این مدلها را می توان به بصورت زیر بیان نمود : -1 مدل قطعی -2 مدل احتمالی -3 مدل شماتیک

در جدول ذیل لیست صاحب نظران و مدل های در نظر گرفته شده توسط آنها و همچنین مفروضاتی که در مدلهای انتخابی در نظر گرفته اند ارایه شده است .

جدول :1مدلهای انتخابی بعضی از صاحب نظران( قطعی- احتمالاتی-شماتیک)
سال ارائه مدل شماتیک مدل احتمالاتی مدل قطعی استاندارد/ نام محقق ردیف
1982 X Tutti(7] 1
1987 X Masters(8] 2
1992 X British Standard Institution(9] 3
1995 X Canadian Standard Assocuation(10] 4
1996 X X Saraja and Vesiksri(11] 5
1998 X K.Petterson(12] 6

2

Fe 2+
3.th International Congress on Civil Engineering , Architecture and Urban Development
29-31 December 2015, Shahid Beheshti University , Tehran , Iran

1998 X R.de Coss, G.Murrieti, P.Castro(13] 7
1998 X Paulo Helene(14] 8
1999 X Simes,T., Edvarsen,C.(15] 9
2000 X S.Careand E.Herve(16] 10
2002 Simes,T., de Vries, H.(17] 11
2003 X X Steen rostam(18] 12
2004 CIB W80/RILEM 175 SLM(6] 13
2005 X A.Lindvall(19] 14
2006 X X Jieying Zhang,zoubirLounis(20] 15

استفاده از مدلهای احتمالاتی در سالهای اخیر برای پیش بینی طول عمر زیاد شده است اگر چه دستور العملهای زیادی جهت استفاده از مدلهای شماتیک ارائه گردیده است. و روند استفاده از مدلهای مختلف و همچنین در نظر گرفتن پارامترهای متفاوت در آنها بطور خلاصه بصورت زیر می باشد که در جدول شماره 2 نیز ارائه شده است :

الف) مدلهای احتمالاتی با استفاده از متغیرهای قبلی تکمیل شده اند.
ب) مدلهایی که متغیرهای خاصی را وارد محاسبات نمودند(مانند ترک خوردگی). ج) مدلهایی که عوامل مختلف را بصورت همزمان در نظر گرفتند.

د) مدلهایی که رفتار سازه را به جای متغیرهای مستقل در نظر گرفته اند. و) مدلهایی که از فرمولهای پیچیده ریاضی به حل موضوع پرداخته اند.

در مقاله حاضر با توجه به اینکه روشهای مختلف تعریف طول عمر و مدلهای متفاوت جهت پیش بینی عمر سازه های بتنی بیان گردید. در ادامه به بررسی پیش بینی طول عمر بتن توسط دو مدل یکی با استفاده از مدل شماتیک ودیگری با استفاده از

مدل عددی پرداخته و دقت نتایج بدست آمده از این دو مدل را بررسی می نماییم .

1-2 مدل شماتیک
محیط های خیلی قلیایی در بتن تازه از خوردگی آرماتور محافظت می کنند . این محافظت در اثر یک لایه اکسید آهن

و یا ) Fe3 + که یک لایه نازک غیر فعال می باشد) که از اکسیداسیون آرماتور ممانعت می نماید (بروم فیلد – کلرادو (2006 در محیط های اشباع کلرید محیط خارجی از پوشش بتن به طرف آرماتور انتشار می یابد . شروع خوردگی آرماتور وقتی است که غلظت کلرید دریا نزدیک سطح آرماتور به حداقل غلظت مجاز شناخته شده بعنوان کلرید بحرانی می رسد که غلظت آستانه نامیده می شود .(CTC) مقدار (CTC) مهمترین پارامتر لازم برای تخمین عمر می باشد. و این پارامتر نشان دهنده تغییرات قابل توجهی به عوامل مختلفی وابسته می باشد (ریچاردسون .(2002 کلریدی که باعث خوردگی می شود دارای یک کاتالیزور طبیعی می باشد و وقتی که خوردگی شروع می شود متوقف نمودن آن بسیار سخت است.

حجم آرماتور خورده شده یا زنگ زده حدود 6 تا 8 برابر حجم فولاد اصلی می باشد. این افزایش حجم باعث بوجود آمدن تنش های کششی قابل توجهی در پوشش بتن می شود.

بطور معمول حدود (% 10 از دست رفتن ظرفیت سازه پایان عمر در اثر ترک خوردگی و ورقه شدن می باشد مگر اینکه کار تعمیراتی کافی انجام شده باشد .

برای تخمین عمر لازم است از طول دوره ایمنی و پایداری سازه بتن آرمه در مقابل خوردگی ناشی از کلرید اطمینان حاصل نمود .

3

همانطوریکه در شکل یک بطور کلی نشان داده شده است عمر سازه بتن آرمه در معرض محیط کلریدی می تواند مجموع طول شروع خوردگی و انتشار خوردگی و مرحله تعمیر باشد باید توجه شود که طول مرحله شروع بطور معمول طولانی تر از انتشار یا مرحله تعمیرات است

شکل(1 مراحل مختلف خرابی در سازه بتن آرمه (فیلایی (2003

بسیاری از محققان خرابی و خوردگی سازه بتن آرمه (RC) را در دو مرحله :

-1 مرحله شروع -2 مرحله انتشار (توتی -1982 امی (19998 میدانند

در مرحله شروع فرآیند اصلی نفوذ یون کلرید بطرف آرماتور است در این مرحله نرخ خوردگی آرماتور قابل اغماض است و در طول مدت زمانی که مقدار کلرید کمتر از CTC می باشد آرماتور غیر فعال است طول مدت مرحله شروع بطور گسترده ایی بستگی به شدت دما , مراحل اولیه رطوبت و شرایط کلریدی محیط و کیفیت پوشش بتن و CTC تعبیه شده برای فولاد دارد. مرحله انتشار زمان بین شروع خوردگی آرماتور و ترک خوردگی و ورقه ورقه شدن پوشش بتن می باشد . که و نرخ خوردگی در مراحل اولیه انتشار یکنواخت (پایدار ) بوده ودر مراحل بعدی انتشار افزایش پیدا کرده و ناپایدار می شود.
این افزایش و تغییر در مراحل بعدی بخاطر نرخ نفوذ رطوبت , کلراید و اکسیژن و یا از بین رفتن ) لایه های موجود متراکم (که از خوردگی محافظت می کنند) می باشد .
وقتی که پوشش بتن در اثر فرآیند خوردگی شروع به ترک خوردن می کند. در نتیجه مراحل خرابی سازه بتن آرمه RC در اثر خوردگی آرماتور می تواند در سه کلاس طبقه بندی شود نرمال (استرادز(2000/ شروع خوردگی , انتشار پایدار و ناپایدار / عدم تخمین انتشار.

4

بسیاری از محققان روش های مختلف پیش بینی عمر را هنگامی که بتن در معرض یونهای کلرید می باشد را پیشنهاد نموده اند (احمد -1997 انوپ 2002 و .(ACI 365 2002 , 2010 در حالیکه بیشتر تحقیقات عمر را تقریبی از فقط طول مرحله شروع خوردگی می دانند (توتی ,1982 سنتر 1998 و ) Life 365 -2010

-عمر سازه

برآورد زمان شروع خوردگی – انتشار پایدار و ناپایدار پایه برای پیش بینی عمر سازه می باشد اگر تمام این دوره ها برآورد شوند بدون شک میتوان عمر را تخمین زد. همانطور که توضیح داده شد که محققان مختلف عقاید متفاوتی نسبت به تعریف عمر دارند )استرادز)life 365 -2010-ACI 365 – IR 2010 در اینجا فرض شده است که عمر جمع دوره شروع خوردگی (ti) و دوره انتشار پایدار (tsp) و به شرح ذیل می باشد . استرادز (2000)

tsp + ti = ts

-دوره شروع : (ti )
بر اساس قانون دوم فیک در انتشار بیشتر محققان از فرمول زیر برای تخمین ( t i( وقتی که بتن در معرض محیطهای کلریدی قرار دارد استفاده کرده اند. )ACI – 365.1R – 2010-LIFE-365 - 2010)

C (x , t ) = C0 {1-erf { x/2 √DC t I ) ]

که در آن:
• C (x , t ) غلظت کلرید در عمق x و یا ( ct د ر این مورد ) بعد از زمان

· C0 غلظت کلرید در سطح بتن

· Dc ضریب انتشار آشکار

· erf تابع خطای گوس

· x فاصله میلگردها از سطح بتن یا ضخامت پوشش بتن

هنگامی که مقادیر CTC و C0 و Dc در معلوم می باشند و زمانی که غلظت C(x, t) روی آرماتور به CTC رسیده باشد ti بدست می آید . در واقع مقدار CTC و Dc مقادیر تصادفی می باشند. به نحوی که مقدار CTC بستگی به عوامل مختلفی مانند ساختار میکروسکوپی و متالوژی آرماتور و همچنین ساختار پیچیده بتن اطراف آرماتور و PH بتن، منافذ و ظرفیت چسبندگی سیمان و ویژگی های محیطی و به روش آزمایش بکار گرفته شده است برای ارزیابی این پارامتر دارد (آلوسن 2000 و فیلایی و تریبو – 2005 آنگست .( 2009 در صورتیکه شرایط یکسان باشد و غلظت کلرید آستانه بدست آمده زیاد باشد پیش بینی عمر طولانی تر و برعکس غلظت کلرید آستانه کمتر باشد پیش بینی عمر کمتر می باشد. بنابر این لازم است مقدار کلرید آستانه با دقت بدست آید. در تحقیق صورت گرفته مقدار %0,4 CTC فرض شده است که از مقدار بکار رفته جهت تخمین ti در روش محققان دیگر بیشتر در نظر گرفته شده است ( استرادز -2000 بورمفیلد - ACI 365.1R-)2010,life-365-2010, 2006 بطور کلی مقدار co با گذشت زمان در سازه های که درمعرض محیط کلریدی قرار دارند افزایش می یابد . و همچنین داده ها نشان می دهند که co افزایش می یابد که و بطور کلی به تخلخل بتن و شدت محیط کلریدی بستگی دارد.در تحقیق حاضر ، غلظت کلرید سطحی برابر%1 وزن سیمان (شبیه مقداری که در منطقه جزر و مد

5

توسط Life 365 2010 تعریف شده است همچنین باید توجه داشت غلظت کلرید آستانه فرض شده برای هر بتن , OPC PPC ممکن است درست نباشد(ریچاردسون (2002

دوره انتشار پایدار ( : ( t sp

در مورد پیش بینی عمر سازه های بتنی توجه به دوره انتشار خوردگی نسبتا کمتر از دوره شروع خوردگی به چشم می خورد

. در اینجا t sp بر اساس پیشنهاد رودریگرز و همکارانش 1996 محاسبه شده است

در این مدل کاهش قطر میلگرد در زمان t (بر حسب سال ) بصورت زیر تخمین زده می شود

که در آن :

· قطر اولیه آرماتور (بر حسب میلیمتر )

· P ( t) مقطع کاهش یافته بر حسب میلی متر در زمان t sp = t s - t i
· I corr متوسط مقدار شدت جریان خوردگی (بر حسب میکرو آمپر بر سانتی متر مربع ( µA/CM 2

· TS کل زمان سپری شده ( بر حسب سال ) و Ti زمان شروع خوردگی ( سال )

· α فاکتور حفره می باشد (حفره هایی که در خوردگی ناشی از کلرید بسیار موثر می باشند . برای خوردگی یکنواخت

α=2 و برای حفره هایی که موجب خوردگی می شوند10تاα=5 میباشد(

-برآورد عمر (پیش بینی عمر )
دوره شروع :
برای محاسبه دوره شروع خوردگی ti معادله 2 را میتوان بصورت زیر نوشت :

با استفاده از معادله 5 مقدار ضریب انتشار Dc و مدت زمان دوره شروع خوردگی Ti برای پوشش بتن روی آرماتور به ضخامت 20 میلیمتر برای Ctc=0.4% و C0 = 1% بر حسب وزن سیمان در جدول 1 برای بتنهای OPC , PPC و مقدار Dc برای بتنهای OPC , PPC برابر 7/67 *10-13 و 3/92 * 10 -13 بدست آمده اند . بر اساس این پارامتر پایه ایی فرض شده زمان دوره شروع خوردگی ti برای بتنهای PPC , OPC بترتیب 2/1 و 4/2 برآورد شده است. میتوان نتیجه گرفت که زمان شروع خوردگی در PPC تقریبا دو برابر OPCمی باشد.

-دوره انتشار پایدار :
برای محاسبه Tsp نرخ خوردگی و یا شدت جریان خوردگی واحد سطح (Icorr) و خرابی سطحی مورد نیاز است. همانطوریکه قبلا ذکر شد نمونه هایی U شکل از OPCو PPC برای مدت زمان مشابه به جهت اندازه گیری شتاب خوردگی ناشی از کلرید ( نمک طعام 3/5 در صد, ولتاژ 10 ولت آندی برای 22 روز ) قرار داده شدند. در پایان مدت زمان مشخص نمونه ها شکافته شده و آرماتورها بیرون آورده شدند و مطابق روش ASTM G1 برای محاسبه خوردگی تمیز شدند

. وزن از دست رفته (مقدار خورده شده ) آرماتور بر اساس کم شدن وزن از فاصله 300 میلیمتر از وسط طول آرماتور نمونه بر

6

اسا س وزن از دست رفته معادل نرخ خوردگی یا چگالی جریان شدت جریان I corr برای بتن های OPC و PPC بترتیب µA/cm2 768 , 289 برآورد گردید ( بهاسکر- ( 2012 همانطوریکه مشاهده می شود مقدار آن برای بتن PPC خیلی کمتر از بتنOPC می باشد . افزایش مقاومت ویژه و کاهش تخلخل بخاطر وجود fly ash در اختلاط می باشد (اسکات و الکساندر – 2007 بهاسکر .(2011 بخاطر اینکه مقادیر بدست آمده در شرایط شتاب داده شده بوده اند لذا به احتمال زیاد بیشتر از آنچه که در واقعیت رخ می دهد خواهد بود. در حالیکه توسط آندراده (1990) و اوستاین(( 2004 مقادیر I corr تحت شرایط واقعی برای محیطهای شدید کلریدی حدود 011 µA/cm2تا 011 µA/cm2 می باشد و برای بتن نرمال (حالت بتن OPC در مطالعه حاضر ) آندرراد و همکاران (1990) و گونزالس و همکاران ( 1995) بر اساس گزارشات بعدی مقادیرI corr از 3 µ A/cm2 - 0µ A/cm2 بدست آمد توصیه شده01µ A/cm2 می باشد که بندرت بالاتر از آن در سایت دیده شده است . برای بتن OPC مقدار I corr بدست آمده بصورت تجربی توسط بهاسکر 2013 ) با مقادیر بدست آمده توسط آندراد و همکاران ( 1990) تفاوت زیادی دارد بنابراین لازم است مقدار Icorr بدست آمده در آزمایشگاه اصلاح شده و مقدار واقعی آن جهت تخمین عمر در معادله t sp وارد شود. بنابراین برای بتن I corr OPC مقدار بین1 µ A/cm2 تا01µ A/cm2 (که بیش تر از مقدار واقعی است) بجای مقدار بدست آمده در آزمایشگاه )768 µA/cm 2) فرض می شود .و مقدار واقعی برای نمونه بتن PPC از مقادیر i آزمایشکاهی PPC, OPC بدست می آید( موریناگا (1999

]field ] lab = [ [
]lab ×(icorr , PPc) field (i corr , PPc) field = [

یکی دیگر از پارامترهای مهم که مورد نیاز است برای تخمین دوره انتشار پایدار (tsp) در نظر گرفته شود تعریف سطح یا سطوح خرابی است که تحت تاثیر ظرفیت سرویس دهی سازه قرار دارد سطوح خرابی در بتن شماره (CEB 1983) 162 طبقه بندی شده است و در اینجا ما سطح خرابی را C در نظر گرفتیه ایم در این حالت فرض می شود که در انتهای دوره انتشار پایدار (tsp)مقطع فولاد % 10 کاهش پیدا کرده است .

بنابراین آخرین گام برای برآورد (tsp) محاسبه زمان برای رسیدن به سطح خرابی است که کاهش 10 درصدی مقطع فولاد از دوره شروع می باشد که بصورت زیر می باشد :

که در آن :

=Tsp دوره انتشار پایدار (بر حسب سال ) = θ ( 0) قطر آرماتور در شروع (mm)
= θt قطر خالص آرماتور (mm) بعد از کم شدن % 10 فرض شده =I corr متوسط مقدار شدت جریان بر حسب ( µA/cm2)
=α فاکتور حفره (برای خوردگی یکنواخت α= 2 و حفره ای که باعث خوردگی شده است 10 تا ( α= 5

با داشتن مقادیر , ti و tsp را می توان ا زمعادله ts عمر بتن را محاسبه نمود. و شکل و جدول ,ts ,ti ,. 3 و tsp بدست آمده برای بتن های PPC, OPC وقتی که مقدار icorr واقعی برای OPC مقادیر 1 µ A/cm2 و5 µ A/cm2 و01 µ A/cm2 در نظر گرفته شده است .

با توجه به مقادیر جدول شماره 3 می توان گفت که عمر سازه بتن آرمه Rc که در معرض خوردگی شدید کلریدی است به شدت انتشار کلرید در بتن و میزان کلریدی که در محیط قرار گیری بتن وجود دارد وابسته است وقتی که I corr برابر 1 می