Vaurioituneen teräsbetonirakenteen kantavuuden arviointimenetelmät

Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia vaurioituneen teräsbetonirakenteen kantavuuden arviointimenetelmiä. Rakenteiden kantavuus voi heiketä monen vaurioilmiön seurauksena, mutta Suomessa ulkoilmalle alttiiden teräsbetonirakenteiden yleisimmät vauriot aiheutuvat betonin pakkasrapautumasta ja raudoitteiden korroosiosta. Vaurioiden yleisyyden vuoksi nämä valikoituivat tutkittaviksi vauriomekanismeiksi. Tutkimus tehtiin kirjallisuuskatsauksena. Työn alkuosassa tutkittiin valittujen vauriomekanismien vaikutuksia teräsbetonirakenteiden ominaisuuksiin. Jälkimmäisessä osassa tutkittiin julkaistuja kantavuuden arviointiohjeita, sekä pohdittiin näiden soveltuvuutta koskien vaurioituneita teräsbetonirakenteita. Näiden tietojen pohjalta johdettiin kantavuuden arvioinnin toimintamalli sekä vauriomekanismeja koskevaa ohjeistusta kohdeyrityksen käyttöön. Kirjallisuuskatsauksessa tutkittiin maailmalla julkaistuja tutkimuksia ja ohjeita sekä vertailtiin näitä keskenään. Merkittävimpiä havaintoja vaurioiden osalta ovat pakkasrapautumisen aiheuttama betonin materiaaliominaisuuksien epätasainen aleneminen sekä kimmomoduulin mahdollinen jopa dramaattinen lasku. Raudoitteiden osalta merkittävintä on, että sitkeys voi alentua merkittävästi vähäisenkin korroosion seurauksena. Lisäksi betonin rapautuminen sekä raudoitteiden korroosio lisäävät rakenteen hauraan murtotavan riskiä. Kantavuuden arviointiprosessi oli kirjallisuuskatsauksessa tehtyjen huomioiden pohjalta melko vakiintunut. Monet julkaisut rajasivat vaurioituneen rakenteen ohjeistuksen vaikutusalueen ulkopuolelle tai ohjeistus vaurioituneiden rakenteiden kohdalla oli hyvin suppeaa. Useat tutkitut toimintamallit sisälsivät arviointimenetelminä sekä yksinkertaisen että yksityiskohtaisen menetelmän. Hajontaa toimintamallien kesken oli etenkin lähtötietojen osalta siinä, missä vaiheessa kuntotutkimus tulee teettää. Useammassa tutkitussa toimintamallissa kuntotutkimus kuului vasta yksityiskohtaiseen laskentamenettelyyn. Tässä työssä johdetussa toimintamallissa suositellaan poikkeuksetta tekemään kuntotutkimus vaurioituneen rakenteen kantavuuden arvioinnin lähtötiedoksi. Lisäksi rakenteen todellinen kunto tulee selvittää kuntotutkimuksin, sillä menneinä vuosikymmeninä betonirakentamisen laatu on vaihdellut merkittävästi. Rakenteesta mitatut todelliset arvot lisäävät kantavuusarvion luotettavuutta. Lähtötiedot vaikuttavat oleellisesti laskennan tulokseen ja vaadittuihin toimenpiteisiin. Liian konservatiivisilla lähtötiedoilla laskennallinen kantavuus jää usein liian alhaiseksi ja tämä voi johtaa rakenteen ylikorjaamiseen. Rakenteen kantavuutta voidaan analysoida yksinkertaisimmillaan käyttäen laskennassa betonin ja raudoitteiden jäännöspoikkileikkauksia. Yksinkertaisia laskentamenetelmiä ovat muun muassa kimmoteorian mukaiset menetelmät. Pidemmälle edenneet vauriot ovat hyvin laaja-alaisia ja vaikuttavat yksittäisen materiaaliominaisuuden tai poikkileikkauksen lisäksi koko rakenteen toimintaan. Pidemmälle edenneiden vaurioiden laskennassa tulee käyttää vaativampia menetelmiä, kuten epälineaarista FEM-laskentaa, jolla rakenteen toiminnasta voidaan saada todenmukaisempi käsitys. Mikäli rakenne on pahoin vaurioitunut, on mahdollista, että luotettavaa analyyttista kantavuuden arviointimenetelmää ei ole. Yksinkertaista ja yksityiskohtaista laskentaa yhdistää se, että laskentamallin tulee kuvata rakenteen todellista kuntoa.The aim of this master’s thesis was to study the load-bearing capacity assessment methods of a damaged reinforced concrete. The load-bearing capacity of structures can be lowered as a result of many damage phenomena. In Finland, the most common damage to reinforced concrete structures exposed to the outdoor climate is caused by frost attack of concrete and corrosion of reinforcements. Due to the prevalence, these were selected as damage mechanisms to be studied. The study was a literature review. First, the effects of the selected damage mechanisms on reinforced concrete structures were studied. The second part examined the published load-bearing capacity assessment guidelines and considered their suitability for damaged reinforced concrete structures. Based on this information, the operating model of the load-bearing capacity assessment and the guidance on damage mechanisms were derived for the use of the target company. Worldwide published researches and guidelines were studied and compared these with each other. The most significant observations are the uneven decrease in the material properties of the concrete caused by frost cracking and the possible even dramatic decrease in the modulus of elasticity. Most importantly for reinforcements, the viscosity can be significantly reduced as a result of even minor corrosion. In addition, the weathering of the concrete and the corrosion of the reinforcements increase the risk of the structure’s brittle behavior. The load-bearing capacity assessment process was mostly well-established. Many publications excluded the damaged structure from the guidelines or the guidelines for damaged structures were very limited. Most of the operating models studied included both a simple and a detailed method of analysis as calculation methods. There was a dispersion between the operating models, especially regarding the input data, in the stage at which the detailed inspection should be commissioned. In several operating models the detailed inspection was only part of a detailed assessment procedure. In the operating model derived from this thesis, it is recommended to make a detailed inspection as an input data for assessing the load-bearing capacity of a damaged structure. In addition, the actual condition of the structure should be determined by inspection, as the quality of concrete construction has varied significantly in recent decades. Actual values measured from the structure increase the reliability of the load-bearing estimate. The input data significantly affects the result of the calculation and the required actions. With too conservative input data the calculated carrying capacity is often too low. That may lead to unnecessary and costly repairs for customer and in worst scenario it may lead to demolition of the entire structure. The load-bearing capacity of the structure can be analyzed at its simplest using the residual cross-section areas of the concrete and the reinforced in calculations. Simply analyses can be made with elastic theory. The more advanced damage is very extensive and affects not only the individual material property or cross-section but also the performance of the entire structure. More demanding methods, such as non-linear FEM calculations, should be used to calculate more advanced damage. More detailed methods give more realistic results. If the structure is severely damaged, it is possible that there is no reliable analytical method for assessing bearing capacity of the structure. Whatever the analyze method is, the calculation model must describe the actual condition of the structure