Při návrhu každé stavební konstrukce je nutné dbát toho, aby její životnost byla co nejdelší, společně s její trvanlivostí a spolehlivostí, a to nejen z hlediska účelu a funkce, ale také z ekonomického hlediska. Právě proto se v poslední době stala trvanlivost betonu velmi diskutovanou vlastností. Ke specifikaci betonu se nově začalo přistupovat prioritně dle vlivu prostředí a dle životnosti konstrukce v daném prostředí. Tento vliv prostředí a požadovaná životnost konstrukce v něm teprve udává minimální kvalitativní nebo kvantitativní parametry betonu. Oproti dřívější době, kdy se specifikovala pouze pevnost, případně stupeň vodotěsnosti, bude nutné specifikovat mnohem více parametrů betonu. Příčin poruch ovlivňujících životnost i kvalitu konstrukcí je mnoho, jednou z nich je také karbonatace betonu.
Životnost je časový (kvantitativní údaj), který není materiálovou vlastností, ale je vztažen ke schopnosti materiálů, prvků a systémů zachovat specifické užitné i jiné vlastnosti na požadované úrovni, za běžné údržby, během jistého časového rozpětí a za daných podmínek provozu a působení prostředí. Životnost konstrukcí souvisí s technickými, environmentálními i ekonomickými podmínkami a kritérii. Je zde tedy přímá souvislost s ověřováním únosnosti, použitelnosti a s úrovní udržitelnosti. U stavebních objektů můžeme rozeznávat životnost technickou, ekonomickou, morální či právní.
Často se hovoří také o trvanlivosti stavebních materiálů, výrobků, konstrukcí či stavebních objektů. Trvanlivost je vztažena ke schopnosti zachovat specifické užitné i jiné vlastnosti na požadované úrovni, během daného časového rozpětí a za daných podmínek provozu a působení prostředí nebo projektem předpokládané údržby. Trvanlivost je obecný výraz pro schopnost odolávat degradaci vnějšími vlivy a opotřebení provozem. Výslednicí trvanlivosti všech komponentů je pak životnost stavebního prvku, konstrukce či objektu, která je vlastně kvantifikací trvanlivosti (vyjádřenou obvykle v rocích). Při projektování nové konstrukce hovoříme o návrhové životnosti a u konstrukce již provozované pak o životnosti zbytkové. Při úvahách o životnosti musí být brán ohled nejenom na výchozí podmínky, ale též na předpokládanou degradaci materiálů, konstrukčních prvků i celku v čase (vyvolanou provozem a působením prostředí). Současně musí být uvažována také nutnost údržby, oprav, resp. výměny některých částí ve vztahu k cenovým relacím. To pak umožní objektivněji hodnotit a srovnávat alternativní řešení, příp. omezit riziko neplánovaných a neekonomických důsledků. Trvanlivost je neměřitelná a v současnosti neexistuje žádná metodika pro její přesné stanovení [1, 2, 3]. S životností a trvanlivostí konstrukcí souvisí vznik vad a poruch betonových konstrukcí.
OVĚŘENÍ ŽIVOTNOSTI KONSTRUKCE PŘI JEJÍM NÁVRHU Z HLEDISKA KARBONATACE VÝPOČTEM DLE ISO 16204
Karbonatace betonu je jev, který závisí na velkém množství parametrů, jako jsou např. propustnost a tloušťka krycí vrstvy výztuže, relativní vlhkost vzduchu nebo teplota a obsah oxidu uhličitého v okolním prostředí. Propustnost betonu v krycí vrstvě je mj. dána typem a granulometrií jeho jednotlivých složek, celkovým složením, zpracováním a ošetřováním betonu. Je-li tedy beton bez trhlin, pronikají molekuly CO2 rovnoměrně od povrchu betonu do jeho vnitřních vrstev difuzí a čelo zkarbonatované vrstvy tak kopíruje povrch betonu. Je-li však beton porušen trhlinkami, stávají se trhlinky místem, kudy mohou do struktury betonu intenzivně pronikat plyny z vnějšího prostředí. V takto zasažených místech jsou vytvářeny podmínky pro rozvoj karbonatace.
Ověření životnosti konstrukce při jejím návrhu z hlediska karbonatace výpočtem dle ISO 16204
Norma ISO 16204 – Durability – Service life design of concrete structures [4] umožňuje dvě strategie navrhování – jedná se o metodu odolávání degradaci a metodu zamezení degradaci. Při volbě metody odolávání degradaci můžeme postupovat třemi způsoby: plně pravděpodobnostní metodou, metodou dílčích součinitelů a metodou vyhovění požadavkům.
Ověření plně pravděpodobnostní metodou
Při ověření pravděpodobnostní metodou se používají takové modely, které jsou dostatečně ověřeny a dávají realistické a reprezentativní výsledky. Parametry použitých modelů musí být kvantifikovatelné pomocí testů, pozorování nebo zkušeností. Nejistoty spojené s modely a zkušební metody musí být vzaty v úvahu [4]. Pro ověření mezního stavu z hlediska depasivace musí být splněny následující podmínky:
p { } = pdep = p{a – xc(tSL) < 0} < p0 (1)
p { } … pravděpodobnost, že dojde k depasivaci
a … krycí vrstva betonu
xc(tSL) … hloubka karbonatace v době tSL
tSL … životnost
p0 … pravděpodobnost poruchy
Proměnné a a xc(tSL) je nutné kvantifikovat plně pravděpodobnostním přístupem.
Ověření metodou dílčích součinitelů
Metoda dílčího součinitele odděluje ošetření nejistot a proměnných pocházejících z různých příčin [4].
Návrhová hodnota hloubky karbonatace, v době (tSL), xc(tSL) se dle ISO 16204 [4] vypočte takto:
xc,d (tSL) = xc,k (tSL) · γf (2)
xc,d(tSL) … návrhová hodnota hloubky karbonatace v době tSL
xc,k(tSL) … charakteristická hodnota hloubky karbonatace v době tSL
γf … dílčí bezpečnostní faktor hloubky karbonatace
Návrhová hodnota hloubky karbonatace xc(tSL), v době (tSL), je dle fib [5] definována takto:
tSL … návrhová životnost
kc,d … návrhová hodnota parametru provedení
kt,d … návrhová hodnota regresního parametru
R–1ACC,0,k … charakteristická hodnota efektivní odolnosti proti karbonataci
γR … bezpečnostní součinitel pro inverzní karbonataci odolnosti betonu
εt,d … návrhová hodnota chyby termínu
CS,d … návrhová hodnota koncentrace oxidu uhličitého
W(tSL) … funkce počasí v čase
Ověření metodou vyhovění požadavkům
Tato metoda je souborem pravidel pro dimenzování, výběr materiálů a postupy provádění. Požadavky jsou určeny na základě statistického vyhodnocení experimentálních dat nebo na základě dlouholetých zkušeností. V rámci této metody musí být nalezen kompromis mezi geometrickými parametry (např. tloušťka krycí vrstvy výztuže) a aspekty provádění (hutnění betonu, ošetřování betonu apod.) [4].
Ověření metodou zamezení degradace
Způsob metody vyhnutí se degradaci znamená, že degradační proces nebude probíhat v důsledku např. použití jiných materiálů, oddělením reakčních složek, zamezením kritické míry vlhkosti apod. Obecně platí, že zamezení nastane, pokud nemůže dojít k depasivaci výztuže [4].
EXPERIMENT
V příspěvku je rozebrán výpočet teoretického průběhu hloubky karbonatace metodou dílčích součinitelů podle normy ISO 16204 [4] a dle fib [5]. Životnost konstrukce je uvažována 100 let. V příspěvku jsou zhodnoceny tři druhy betonu pro inženýrskou stavbu s lokalitou v Brně. Každá receptura betonu (viz tabulka 1) má rozdílné složení. První beton je bez přísad a příměsí, druhý obsahuje plastifikační přísadu a třetí beton obsahuje ještě navíc příměs v podobě elektrárenského popílku. Při využití metody dílčích součinitelů je důležitá volba modelu a získání reálných výsledků vstupujících do výpočtu [3]. Dílčí součinitel musí obsáhnout možnost nepříznivých odchylek hodnot vnějšího působení od reprezentativních hodnot, možnost nepříznivých odchylek parametrů materiálů a vlastností výrobků od reprezentativních hodnot a modelové nejistoty a rozměrové změny. Číselné hodnoty dílčích faktorů se určí na základě statistického vyhodnocení experimentálních dat a pozorování v terénu podle plně pravděpodobností metody. Velký vliv na průběh karbonatace má samozřejmě počasí W(tSL), které ovlivňuje především povrch betonové konstrukce. Počasí je ve výpočetním modelu zohledněno z hlediska průměrné vlhkosti a pravděpodobnosti deště. Průměrná vlhkost pro zjišťovanou lokalitu je rovna podílu počtu dní se srážkami, které jsou vyšší než 2,5 mm, k celkovému počtu dní v roce.
V tabulce 2 jsou vypsané parametry, které budou využity pro výpočty. Hodnoty parametrů jsou vyčísleny na základě údajů v fib [5].
Charakteristická hodnota efektivní odolnosti proti karbonataci R–1ACC,0,k je určena pro každý beton zvlášť (tabulka 3), je totiž závislá na jeho složení, především na vodním součiniteli.
Grafické znázornění na str. 18 představuje nárůst karbonatační hloubky pro vybrané druhy betonu. Výpočty jsou provedeny dle rovnice (3). Z grafu je patrné, že u betonu A rychle narůstá hloubka karbonatace – po 10 letech dosáhne hloubka karbonatace 10 mm. U betonu B je patrnější menší nárůst hloubky karbonatace – po 10 letech hloubka karbonatace dosáhne 8 mm. Nejhorších výsledků dosahuje beton C – hloubka karbonatace po 10 letech dosahuje skoro 12 mm. Pokud budeme uvažovat pro navrhovanou konstrukci krytí výztuže 25 mm, z výstupů analýzy provedené dle normy [4] vyplývá, že požadované životnosti dosáhne pouze beton B. Beton A požadavkům nevyhoví sice pouze těsně, ale přece jen nevyhoví, a jako zcela nejhorší se jeví receptura C – tento druh betonu evidentně není pro zamýšlenou inženýrskou stavbu v dané lokalitě vhodný. Pokud by byl přece jen pro její výstavbu použit, dá se předpokládat, že by ještě před uplynutím návrhové životnosti musely proběhnout opravy.
ZÁVĚR
Životnost úzce souvisí s trvanlivostí a spolehlivostí konstrukcí, jejichž nejlepších výsledků bude dosaženo správným návrhem, stejně jako kvalitním zhotovením a nezanedbanou údržbou. Při návrhu konstrukce je nutno dbát na možné hrozby, které mohou konstrukci v průběhu výstavby a následné životnosti dostihnout a ohrozit její funkci, dále na bezpečné užívání a hospodárnost stavby.
Z výpočtů nárůstu karbonatační hloubky dle ISO 16204 [4] a dle fib [5] je patrné, že v případě nahrazení cementu popílkem dochází k rychlejšímu průběhu karbonatace. Snížení množství cementu vede ke vzniku menšího množství hydroxidu vápenatého během hydratace cementu, to se projeví rychlejším snížením koncentrace hydroxidových iontů v přítomnosti popílku, a tedy i rychlejším průběhem karbonatace. Naopak beton s přísadou dosahuje nejlepších výsledků. Při zhodnocení výsledků dle ISO 16204 [4] je třeba dbát na to, že do výpočtu jsou zahrnuty průměrné hodnoty vlivu životního prostředí, jedná se například o vlhkost, která se během roku mění, a na beton tedy v různých obdobích působí rozdílně. Výsledky tedy nemusí zcela odpovídat realitě.
Autoři také chtějí upozornit, že norma ISO 16204 [4] není v současné době začleněna do českého normalizačního systému a pravděpodobně ani nikdy nebude. Není však na škodu čtenáře s tímto způsobem navrhování konstrukcí seznámit, protože v budoucnu to možná bude standardní způsob, jak betonovou konstrukci navrhnout. Nový fib Model Code 2020 problematiku navrhování, lehce nastíněnou v tomto článku, upřesňuje a zlepšuje. Mnoho indicií současně naznačuje, že navrhování dle fib Model Code 2020 bude začleněno do všech Eurokódů.
KRISTÝNA HRABOVÁ, TOMÁŠ VYMAZAL, DALIBOR KOCÁB, IVETA BUČILOVÁ
Příspěvek vznikl za podpory mezifakultního specifického výzkumu VUT, evidovaného pod číslem FAST/ÚSI-J-19-5901.
Literatura:
1) HRABOVÁ, K., B. TEPLÝ a P. HÁJEK. Concrete, sustainability and limit states. In Proceedings of CESB19 – Central Europe Toward Sustainable Building 2019. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. IOP Publishing, 2019. ISSN: 1755-1315.
2) TEPLÝ, B. a P. HÁJEK. Integrované navrhování – efektivní rozhodování cílových investorů, Stavebnictví, 2007. ISSN: 1802-2030.
3) BUČILOVÁ, I. Aspekty navrhování staveb zaměřené na životnost. Brno, 2016. Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební. Vedoucí práce: doc. Ing. Tomáš Vymazal, Ph.D.
4) ISO 16204: Durability – service life design of concrete structures. Švýcarsko: ISO Copyright office, 2012, 31 s.
5) fib Bulletin 34: Model Code for Service Life Design. 1. Švýcarsko: International Federation for Structural Concrete, 2006, 110 s. ISBN: 2-88394-074-6. ISSN: 1562-3610.
Ing. et Ing. Kristýna Hrabová (*1990)
je absolventkou Fakulty stavební VUT v Brně, Ústavu soudního inženýrství, kde se v rámci doktorského studia věnuje pedagogické a vědeckovýzkumné činnosti. Zabývá se hodnocením trvalé udržitelnosti betonových receptur, hodnocením vad a poruch betonových konstrukcí a řízením rizik technických systémů.
Doc. Ing. Tomáš Vymazal, Ph.D., (*1974)
je absolventem Fakulty stavební VUT v Brně, kde se v současné době věnuje pedagogické a vědeckovýzkumné činnosti. Zabývá se výzkumem a vývojem zkušebních metod, kvalitou a validací výsledků, řízením kvality a rizik. Pořádá tuzemské i mezinárodní akreditované zkoušení způsobilosti v oblasti stavebního zkušebnictví a je pořadatelem řady vědeckých výborů a seminářů, konferencí a sympózií.
Ing. Dalibor Kocáb, Ph.D., (*1983)
je absolventem Fakulty stavební VUT v Brně, kde se v současné době věnuje pedagogické a vědeckovýzkumné činnosti. Jeho doménou jsou návrhy a realizace experimentů se zaměřením na pružnostní chování betonových těles a konstrukcí a také experimentální ověřování trvanlivostních a fyzikálně-mechanických charakteristik stavebních hmot, především betonu. Zabývá se též nedestruktivním zkoušením (primárně pomocí ultrazvukové impulzové metody a metody rezonanční) materiálů na bázi silikátových pojiv se zaměřením na jejich pružnostně-přetvárné vlastnosti.
Ing. Iveta Bučilová (*1990)
je absolventkou Fakulty stavební VUT v Brně, Ústavu soudního inženýrství, oboru Řízení rizik stavebních konstrukcí.
