1
TRWAŁOŚĆ KONSTRUKCJI. OTULENIE ZBROJENIA
1. Czynniki wpływające na trwałość konstrukcji i podstawowe wymagania
Trwała konstrukcja powinna przez cały zaprojektowany okres użytkowania spełniać
wymagania dotyczące nośności i użytkowania bez istotnego obniżenia przydatności
lub nadmiernych, nieprzewidzianych kosztów utrzymania
.
Konstrukcja jest wystawiona na oddziaływanie środowiska, które może w długim
okresie czasu doprowadzić do obniżenia przydatności a nawet nośności istotnych jej
elementów. Niekorzystne czynniki są związane ze zjawiskami chemicznymi i
fizycznymi. Niekorzystne czynniki to:
•
karbonatyzacja przypowierzchniowych obszarów betonu,
•
oddziaływanie chlorków
•
ewentualne mechaniczne uszkodzenia powierzchni wywołane oddziaływaniem
zamrażania i rozmrażania wody, abrazją, zmianami temperatury, agresją
chemiczną.
Zjawiska te mogą doprowadzić do degradacji powierzchni betonu, która pociągnie
za sobą korozję zbrojenia.
Trwałość konstrukcji zależy od warunków, które panują w środowisku, w którym
konstrukcja będzie użytkowana, oraz od właściwej konserwacji konstrukcji.
2
Wymaganą ochronę konstrukcji należy ustalać, biorąc pod uwagę planowane
zastosowanie, projektowany okres użytkowania (patrz EN 1990), program
utrzymania oraz oddziaływania, które mogą pojawić się czasie użytkowania.
Należy rozpatrzyć ewentualną rolę oddziaływań bezpośrednich i pośrednich, oraz
skutków ich wspólnego, jednoczesnego działania (np. rola odkształceń skurczu i
wpływ pełzania).
W celu zapewnienia wymaganego okresu użytkowania konstrukcji należy
rozpatrzyć:
koncepcję konstrukcji,
dobór materiałów,
szczegóły konstrukcyjne,
metody wykonania,
rolę kontrolę jakości i przeglądów oraz zakres niezbędnych sprawdzeń,
Ewentualne zastosowanie środków specjalnych (np. zastosowanie stali
nierdzewnej, powłok, ochrony katodowej)
Przede wszystkim należy uwzględniać znormalizowane wymagania
dotyczące trwałości.
3
2. Korozja zbrojenia
Ochrona zbrojenia przed korozją zależy
od jakości betonu, grubości otulenia i
szerokości rys
.
Na powietrzu zbrojenie koroduje bardzo szybko – otulenie betonem uniemożliwia
korozję, gdyż w zaczynie cementowym występuje wysoka koncentracja jonów
OH-, która zapobiega korozji stali. Przenikanie dwutlenku węgla z otoczenia do
betonu powoduje (po długim okresie czasu) utratę właściwości ochronnych
otuliny betonowej (proces karbonatyzacji).
Innym bardzo ważnym czynnikiem wpływającym na korozję jest wnikanie
chlorków do wnętrza betonu.
Okres istnienia konstrukcji umownie dzieli się na dwa etapy:
etap 1. - penetracji substancji agresywnej przez otulenie betonowe,
etap 2. - korozji zbrojenia.
4
Etap drugi korozji można ponadto podzielić na okres trwający do chwili
pęknięcia otulenia
(stosunkowo mały zakres zniszczeń korozyjnych) oraz okres
występujący po uszkodzeniu otulenia. Okres trwania etapu 1 uznaje się za
miarę trwałości konstrukcji. Po upływie tego okresu (dotarciu strefy
zobojętnionego betonu lub jonów chlorkowych do powierzchni zbrojenia)
należy spodziewać się
odspajania
betonu otulenia wskutek wzrostu objętości
produktów korozji wkładek stalowych.
Ochrona stali przed korozją zależy od zagęszczenia, jakości i grubości otuliny
betonowej i od zarysowania. Zagęszczenie i jakość otulenia osiąga się,
kontrolując maksymalny współczynnik woda - cement, minimalną zawartość
cementu i minimalną klasę betonu.
Wystawione na działanie środowiska zamocowania metalowe, które mogą być
poddane przeglądowi i wymianie, można zabezpieczać powłokami ochronnymi.
W innych przypadkach należy je wykonywać z materiału odpornego na korozję.
5
3. Oddziaływanie środowiska – klasy ekspozycji
Warunki ekspozycji są to warunki chemiczne lub fizyczne, na które – w dodatku do
oddziaływań mechanicznych - wystawiona jest konstrukcja. Warunki środowiskowe
sklasyfikowane na podstawie EN 206 -1 przedstawiono w Tablicy 1.
W uzupełnieniu do warunków według Tablicy 1 należy uwzględniać szczególne
formy agresywnych lub pośrednich oddziaływań włącznie z:
oddziaływaniami chemicznymi powstającymi na skutek np.:
- użytkowania budynku lub konstrukcji (składowanie płynów itd)
- działania roztworów kwasów albo soli siarczanowych (EN 206-1, ISO 9690)
- działania chlorków zawartych w betonie (EN 206-1)
- reakcji alkalia - kruszywo (EN 206-1, normy krajowe),
oddziaływaniami fizycznymi powstającymi na skutek np.:
- zmian temperatury,
- ścierania
- przenikania wody (EN 206-1).
6
Klasa
Opis środowiska
Przykłady
1. Brak zagrożenia korozją i agresją chemiczną
X0
Dotyczy betonu niezbrojonego i nie
zawierającego wbudowanych elementów
metalowych. Wszystkie środowiska z
wyjątkiem takich, w których występuje
zamrażanie/rozmrażanie, ścieranie lub
agresja chemiczna..
W przypadku betonów zbrojonych lub
zawierających wbudowane elementy
metalowe: środowisko bardzo suche
Beton wewnątrz
budynków o bardzo
niskiej wilgotności
powietrza
Klasy ekspozycji w zależności od warunków w środowisku
Tablica 1a
7
2. Korozja spowodowana karbonatyzacją
XC1
Suche lub stale mokre
Beton we wnętrzach o niskiej
wilgotności powietrza lub stale
zanurzony w wodzie
XC2
Mokre, sporadycznie suche
Powierzchnie betonu narażone na
długotrwały kontakt z wodą.
Wiele
fundamentów
XC3
Umiarkowanie wilgotne
Beton wewnątrz budynków o
umiarkowanej lub wysokiej
wilgotności powietrza
Beton na zewnątrz osłonięty przed
deszczem
XC4
Cyklicznie mokre i suche
Powierzchnie betonu narażone na
kontakt z wodą, ale nie jak w klasie
ekspozycji XC2
Uwaga: Kolorem czerwonym oznaczono zmiany w porównaniu z PN-B-03264
Tablica 1b
8
3. Korozja spowodowana chlorkami
XD1
Umiarkowanie wilgotne
Powierzchnie betonu narażone na działanie
chlorków z powietrza
XD2
Mokre, sporadycznie
suche
Baseny
pływackie, beton narażony na
działanie wody przemysłowej
zawierającej chlorki
XD3
Cyklicznie mokre i suche
Elementy mostów narażone na działanie
rozpylonych cieczy zawierających chlorki,
nawierzchnie dróg,
płyty parkingów
4. Korozja spowodowana chlorkami z wody morskiej
XS1
Narażenie na działanie soli
zawartych w powietrzu, ale nie na
bezpośredni kontakt z wodą morską
Konstrukcje zlokalizowane na
wybrzeżu lub w jego pobliżu
XS2
Stałe zanurzenie
Elementy budowli morskich
XS3
Strefy wpływów, rozbryzgów i
aerozoli
Elementy budowli morskich
Z poz. XD1 zniknęły
„płyty parkingów - spód”,
a z poz. XD3 „
płyty parkingów - wierzch”
Tablica 1c
9
5. Agresywne oddziaływanie zamrażania/rozmrażania
XF1
Umiarkowanie nasycone
wodą bez środków
odladzających
Pionowe powierzchnie betonowe narażone na
deszcz i zamarzanie
XF2
Umiarkowanie nasycone
wodą ze środkami
odladzającymi
Pionowe powierzchnie betonowe konstrukcji
drogowych narażonych na zamarzanie i
działanie z powietrza środków odladzających
XF3
Silnie nasycone wodą
bez środków
odladzających
Poziome powierzchnie betonowe narażone na
deszcz i zamarzanie
XF4
Silnie nasycone wodą ze
środkami odladzającymi
lub wodą morską
Płyty
dróg i mostów narażone na działanie
środków odladzających. Powierzchnie
betonowe narażone bezpośrednio na
opryskiwanie środkami odladzającymi
i na
zamarzanie.
Strefy narażone na ochlapywanie
i zamarzanie w konstrukcjach morskich
.
Z poz. XF2 zniknęły
„płyty parkingów - spód”.
, z a poz. XF4 „
płyty parkingów - wierzch”
Tablica 1d
10
6. Agresja chemiczna
XA1
Środowisko chemiczne
mało agresywne zgodnie z
Tablicą 2 EN 206-1
Naturalne grunty i woda gruntowa
XA2
Środowisko chemiczne
średnio agresywne zgodnie
z Tablicą 2 EN 206-1
Naturalne grunty i woda gruntowa
XA3
Środowisko chemiczne
silnie agresywne zgodnie z
Tablicą 2 EN 206-1
Naturalne grunty i woda gruntowa
Uwaga: Skład betonu wpływa zarówno na ochronę zbrojenia, jak i na odporność
betonu na agresję. Klasy wytrzymałości wskazane dla poszczególnych klas
ekspozycji podano w tablicy 2. Wskazówki te mogą prowadzić do wyboru klas
wytrzymałości wyższych niż wymagane ze względów wytrzymałościowych. W
takich przypadkach do obliczeń minimum zbrojenia i szerokości rys przyjmuje się
wartość f
ctm
przyporządkowaną wyższej wytrzymałości betonu.
Tablica 1e
11
Niekiedy ze względu na trwałość należy zastosować beton o odpowiednim
składzie, odporny na szkodliwe czynniki i chroniący zbrojenie przed korozją,
mający wytrzymałość większą niż potrzebna ze względu na nośność.
Zalecane ze względu na trwałość klasy wytrzymałości przedstawiono w tablicy 2
wg tab. E1.N Załącznika E (informacyjnego) w EC2. Te same wartości znajdujemy
w tablicy F1 z Załącznika F (informacyjnego) do PN-EN 206-1, z którego
dowiadujemy się ponadto, że zostały one określone przy założeniu, iż
przewidywany czas użytkowania konstrukcji wynosi 50 lat. Tamże umieszczono
zalecenia dotyczące minimalnej zawartości cementu i maksymalnego wskaźnika
w/c, oraz (nie przytoczone tu) dodatkowe informacje jakiego cementu i kruszywa
dotyczą wartości w tablicy. W F1 znajdują się także uwagi dotyczące
napowietrzania betonu (stosowane w celu podwyższenia mrozoodporności) oraz
stosowania cementu odpornego na siarczany (klasy XA2 i XA3).
Scalone informacje z tablic zawartych w obu wyżej wymienionych Załącznikach
przedstawiono w tablicy 2
4. Klasy wytrzymałości wymagane ze względu na trwałość
12
Klasa
eksp.
Klasa
wytrz.
Max.
w/c
Min. cem.
[kg/m3]
Uwagi
X0
C12/15
Nie ma ryzyka
XC1
C20/25
0,65
260
Zagrożenie korozją wywołaną
przez karbonatyzację
XC2
C25/30
0,60
280
XC3
C30/37
0,55
280
XC4
0,50
300
XD1
C30/37
0,55
300
Zagrożenie korozją wywołaną
chlorkami
XD2
0,55
300
XD3
C35/45
0,45
320
XS1
C30/37
0,50
300
Zagrożenie korozją wywołaną
chlorkami z wody morskiej
XS2
C35/45
0,45
320
XS3
0,45
340
Tablica 2. Zalecana klasa betonu, maksymalny wskaźnik w/c i minimalna
zawartość cementu w zależności od klasy ekspozycji – część 1
13
XF1
C30/37
0,55
300
Zagrożenie zamrażaniem
i rozmrażaniem
XF2
C25/30
0,55
300
XF3
C30/37
0,50
320
XF4
C30/37
0,45
340
XA1
C30/37
0,55
300
Zagrożenie chemiczne
XA2
0,50
320
XA3
C35/45
0,45
360
Tablica 2. Zalecana klasa betonu, maksymalny wskaźnik w/c i minimalna
zawartość cementu w zależności od klasy ekspozycji – część 2
14
5. Otulenie zbrojenia
5.1. Zasady ogólne
Otuleniem betonem nazywa się najmniejszą odległość pomiędzy powierzchnią
zbrojenia (z włączeniem połączeń i strzemion oraz zbrojenia powierzchniowego, gdy
jest istotne) i powierzchnią betonu.
Nominalne otulenie należy podać na rysunkach.
Otulenie nominalne jest sumą otulenia minimalnego c
min
i dodatku (uwzględnianego
w projekcie) ze względu na ewentualną odchyłkę wykonania
∆
cdev
c
nom
= c
min
+ ∆c
dev
.
Otulenie minimalne c
min
powinno być wystarczające do zapewnienia:
współpracy zbrojenia z betonem (przez przyczepność),
ochrony zbrojenia przed korozją,
odporności ogniowej konstrukcji.
Wymagania ze względu na odporność ogniową zostaną omówione w innym miejscu.
15
5.2. Otulenie ze względu na przyczepność, umożliwiające także odpowiednie
zagęszczenie betonu, nie powinno być mniejsze od wartości c
min,b
Jeśli nominalny, maksymalny wymiar ziaren kruszywa nie jest większy niż 32 mm,
to c
min,b
przyjmuje się równe średnicy pręta lub zastępczej średnicy wiązki prętów.
Jeśli nominalny, maksymalny wymiar ziaren kruszywa jest większy niż 32 mm, to
tak wyznaczone c
min,b
należy zwiększyć o 5 mm.
Ponadto w EC2 znajdują się wskazówki (tu nie przytoczone) dotyczące
konstrukcji sprężonych.
Wymagania ze względu na przyczepność i korozję uważa się za spełnione,
gdy otulenie jest co najmniej równe
c
min
= max{c
min,b
; c
min,dur
; 10 mm}.
W powyższym wzorze:
c
min,b
oznacza minimalne otulenie ze względu na przyczepność
c
min,dur
oznacza minimalne otulenie ze względu na środowisko
Ponadto należy uwzględnić zasady przedstawione tu w punkcie Dodatkowe
wymagania dotyczące otulenia.
16
5.3. Minimalne otulenie zbrojenia ze względu na korozję c
min,dur
wyznacza się,
biorąc pod uwagę klasę ekspozycji i klasę konstrukcji.
Według EC2: Klasyfikacja konstrukcji i wartości c
min,dur
do stosowania w kraju
mogą być ustalone w Załączniku krajowym
Polski Załącznik krajowy nie zawiera takich informacji.
Według EC2: Jeżeli stosuje się wskazane wytrzymałości betonu według Załącznika
E, to
zalecaną klasą konstrukcji (projektowy okres użytkowania 50 lat) jest
S4
. Zalecane modyfikacje klasy konstrukcji podano w Tablicy 4.3N. Zalecaną
minimalną klasą konstrukcji jest S1.
Im wyższa jest klasa konstrukcji, tym wyższe wymagania dotyczące trwałości.
Tablica 3 (oparta na tablicy 4.3N z EC2) zawiera zasady zwiększania klasy (np.
dla konstrukcji, które maja służyć 100 lat) i zmniejszania, możliwego np. wtedy,
gdy zastosuje się beton mocniejszy niż minimum określone w tablicy 2.
Na podstawie klasy konstrukcji, wygenerowanej przez zastosowanie tablicy 3,
z tablicy 4 wyznacza się minimalne otulenie c
min,dur
.
17
Tablica 3. Zwiększenia i zmniejszenia klasy konstrukcji (w porównaniu z S4)
generujące otulenie
Kryterium
Klasa ekspozycji
X0
XC1
XC2
XC3
XC4
XD1
XD2
XS1
XD3
XS2
XS3
Klasa wytrzymałości betonu
1) 2)
≥C30/37
-1
≥C35/45
-1
≥C40/50
-1
≥C45/55
-1
Projekt. okres użytkowania 100 lat
Zwiększyć numer klasy o 2
Element mający kształt płyty
3)
Zmniejszyć numer klasy o 1
Specjalna kontrola jakości betonu
Zmniejszyć numer klasy o 1
1)
(-1) oznacza, ze należy zmniejszyć numer klasy o 1. Klasę konstrukcji i stosunek w/c
uważa się za wartości związane
2)
Jeśli stosuje się zawartość powietrza wyższą niż 4%, to wymagania można zmniejszyć
o jedną klasę wytrzymałości
3)
Chodzi o elementy, w których proces wznoszenia konstrukcji nie ma wpływu na
usytuowanie zbrojenia
18
Tablica 4. Minimalne otulenie c
min,dur
(mm) wymagane (wg EN 10080) ze
względu na trwałość stali zbrojeniowej
Wymagania ze względu na środowisko
Klasa
konstrukcji
Klasa ekspozycji
X0
XC1
XC2/XC3
XC4
XD1/XS1
XD2/XS2
XD3/XS3
S1
10
10
10
15
20
25
30
S2
10
10
15
20
25
30
35
S3
10
10
20
25
30
35
40
S4
10
15
25
30
35
40
45
S5
15
20
30
35
40
45
50
S6
20
25
35
40
45
55
55
W EC2 znajduje się podobna tablica dotycząca stali sprężającej (wymagane otulenia
są takie same lub większe)
19
Otulenie betonem należy powiększyć o dodawany składnik bezpieczeństwa
∆
cdur,
γ
.
Uwaga: Wartość
∆
cdur,
γ
do stosowania w kraju może być podana w Załączniku
krajowym. Wartością zalecaną jest zero.
Jeżeli zastosowano stal nierdzewną lub podjęto inne specjalne kroki, to minimalne
otulenie można zmniejszyć o
∆
cdur,st.
W takich sytuacjach należy rozpatrzyć
wpływ zastosowania tych środków na wszystkie związane z nimi właściwości
materiału, w tym na przyczepność.
Uwaga: Wartość
∆
cdur,st
do stosowania w kraju może być podana w Załączniku
krajowym. Wartością zalecaną, gdy nie ma dalszych wymagań, jest zero.
Jeżeli stosuje się dodatkową ochronę betonu (np. przez powlekanie), to minimalne
otulenie można zmniejszyć o
∆
cdur,add
Uwaga: Wartość
∆
cdur,add
do stosowania w kraju może być podana w Załączniku
krajowym. Wartością zalecaną, gdy nie ma dalej idących wymagań, jest zero.
Cytaty z EC2 (dotyczą składników otulenia, które w wykładzie zostały
pominięte)
20
5.4. Dodatkowe wymagania dotyczące otulenia.
Jeżeli beton jest układany in-situ na innych elementach (prefabrykowanych lub
wykonanych in-situ), to minimalne otulenie zbrojenia, odmierzane do powierzchni
styku, można zmniejszyć do wartości odpowiadającej wymaganiom ze względu na
przyczepność (patrz (3) powyżej) pod warunkiem, że:
- klasa betonu wynosi co najmniej C25/30,
- czas wystawienia powierzchni betonu na środowisko na zewnątrz pomieszczeń
jest krótki (< 28 dni),
- powierzchnia styku została wykonana jako szorstka.
Jeżeli powierzchnia betonu ma być nierówna (np. odsłonięte kruszywo), to
otulenie należy zwiększyć co najmniej o 5 mm.
Jeżeli istnieje zagrożenie ścieraniem betonu, to szczególną uwagę należy
zwrócić na kruszywo (zgodnie z EN 206-1). Wpływ ścierania betonu można
uwzględnić przez zwiększenie otulenia betonem, stosując warstwę
przeznaczoną do starcia. Minimalne otulenie c
min
należy zwiększyć o 5 mm dla
klasy ścieralności XM1, o 10 mm dla klasy ścieralności XM2 i o 15 mm dla
klasy ścieralności XM3.
21
Klasa ścieralności XM1 oznacza umiarkowaną abrazję, jak ścieranie na częściach
terenów przemysłowych (np. na dojazdach) uczęszczanych przez pojazdy z oponami
napełnionymi powietrzem.
Klasa ścieralności XM2 oznacza ciężką abrazję, jak ścieranie na częściach terenów
przemysłowych uczęszczanych przez wózki widłowe z oponami napełnionymi
powietrzem lub z pełnymi oponami gumowymi.
Klasa ścieralności XM3 oznacza ekstremalną abrazję, jak ścieranie na częściach
terenów przemysłowych uczęszczanych przez wózki widłowe na kołach z tworzywa
sztucznego lub ze stali lub przez pojazdy na gąsienicach.
5.5. Odchyłki otulenia
Obliczając nominalne otulenie c
nom
uwzględnia się odchyłkę
∆
c
dev.
Wartość
∆
c
dev
do stosowania w kraju może być podana w Załączniku krajowym.
Wartością zalecaną jest 10 mm.
22
Jeżeli istnieje pewność, że do kontroli stosowane jest bardzo czułe urządzenie
pomiarowe i elementy nie spełniające wymagań są odrzucane (np. elementy
prefabrykowane), to
∆
c
dev
można zmniejszyć do poziomu
0 ≤ ∆c
dev
≤10 mm.
Zwiększanie odchyłek otulenia
Jeżeli beton układa się na nierównych powierzchniach, to na ogół należy
zwiększyć otulenie, stosując w projekcie większe odchyłki dopuszczalne.
Zwiększenie to powinno odpowiadać różnicom spowodowanym przez
nierówności, ale minimalne otulenie powinno wynosić co najmniej 40 milimetrów
dla betonu układanego na przygotowanym podłożu (z włączeniem wytłoczeń i
nierówności) oraz 75 milimetrów betonu układanego bezpośrednio na gruncie.
Należy także, w celu uwzględnienia nierównej powierzchni zwiększać otulenie
zbrojenia dla każdej powierzchni mającej takie cechy jak użebrowane wykończenie
lub eksponowane kruszywo.
Zmniejszanie odchyłek otulenia
Jeżeli przy wytwarzaniu konstrukcji lub elementów stosuje się system zapewniania
jakości, w którym otulenie betonem objęto pomiarami, to w projekcie dodatek
∆
c
dev
można zmniejszyć do poziomu
5 mm ≤ ∆c
dev
≤ 10 mm,
23
Klasa ekspozycji wg tab. 1
Klasa betonu wg tab. 2
Ewentualna zmiana klasy
betonu i określenie klasy
konstrukcji wg tab. 3
c
min,dur
wg. tab. 4
w/c wg. Tab. 2
Ewentualne zwiększenie c
min
wg p. 5.4
Dane: środowisko; planowany okres
użytkowania
c
min,b
wg. p. 5.2 ( na ogół c
min,b
= Φ)
c
min
= max{c
min,b
; c
min,dur
; 10 mm}
∆
c
dev
według p. 5.5
c
nom
= c
min
+ ∆
∆
∆
∆c
dev
OKREŚLANIE GRUBOŚCI OTULENIA
24
Przykład
Otulenie zbrojenia płyty w garażu.
Według tab.1 klasa ekspozycji wynosi XD3 (płyty parkingów).
W tab. 2 znajdujemy, że klasa betonu powinna wynosić co najmniej C35/45.
Przyjmujemy, że zastosuje się specjalną kontrolę jakości betonu. Ponieważ
element ma kształt płyty, to z tab.3 wynika, że można zastosować klasę
konstrukcji o 2 mniejszą niż S4 – przyjęto S2.
Uwaga: Stosując beton klasy C40/50 można by zmniejszyć c
min,dur
jeszcze o 5 mm.
Z tab. 4 otrzymuje się c
min,dur
= 35 mm, co jest oczywiście większe niż c
min,b
,
a więc c
min
= 35 mm
Nie zachodzą żadne szczególne okoliczności wymienione w p. 5.4 i 5.5, a więc
c
nom
= 35 + 10 mm