A vasbetonszerkezetek tervezésénekjelene és jövője

Teljesítőképesség-alapú tervezés, Tervezési eljárások

Komárom-Esztergom Megyei Mérnöki Kamara

szakmai továbbképzés

Tatabánya, 2019. márc. 28.

Dr. Kovács TamásBME Hidak és Szerkezetek Tanszék

2019.03.28. Model Code 2010 2

Cél: A jövőbeli szabványok alapja

1970 1980 1990 2000 2010 2020

1978

CEB-FIP

Model Code 78

ENV 1992-1-1

CEB-FIP

Model Code 90

EN 1992-1-1

fib

Model Code 2010

Revised

EN 1992-1-1

Megközelítésmód

Pontosság

Időráfordítás

Közelítés szintje

MC 2010: Továbbfejlesztés + innováció

2019.03.28. Model Code 2010 3

Innováció Teljesítőképesség-alapú tervezés (1)

(alapkövetelmények → teljesítőképességi jellemző → számszerű követelményérték)

„Life-cycle management”

◼ tervezés

◼ megvalósítás (zsaluzás, betonacél-szerelés, feszítés, betonozás)

◼ üzemeltetés (stratégia, állapotvizsgálat)

◼ szerkezeti beavatkozások (felújítás, megerősítés)

◼ bontás (elbontás, újrafelhasználás, újjáépítés)

Új anyagok és viselkedési modellek

◼ normál testsűrűségű beton ≤C120/140, szálerősítés

◼ nem acél anyagú vasalás

◼ tapadási modellek

Újonnan épülő meglévő szerkezetek között

Meglévő tudásanyag továbbfejlesztése

Tervezési eljárások (megbízhatósági alapon, minimumkövetelmények alapján, határállapot

elkerülése alapján)

Szerkezettervezési módszerek (koncepcionális tervezés, numerikus szimuláció, kísérlettel segített

tervezés)

Minőségbiztosítás és minőség-ellenőrzés

2019.03.28. Model Code 2010 4

1. Teljesítőképesség-alapú tervezés

Alapkövetelmények

B) Tervezési élettartam (T)

Teljesítőképességi

jellemző

A) Megbízhatóság (Pf, )

Tartósság

Tervezési módszer

Teherbírási határállapotok

helyzeti állékonyság, szilárdság, stabilitás, fáradás

Használhatósági határállapotok

repedezettség, alakváltozás, rezgés

Robusztusság

progresszív összeomlással szembeni ellenállás

Erőtani tervezési módszerek (2)• valószínűségelméleti• fél-valószínűségi (parciális

tényezős módszer)• globális biztonságon alapuló

(globális tényezős módszer)• minimumkövetelmények• hatás elkerülése

Tartószerkezeti megoldások• károsodáskorlátozás• kulcsfontosságú elemek

Nem tartószerkezeti megoldások• megelőzés• védelem• kárkövetkezmény csökkentése

C) Fenntarthatóság

Degradációt leíró időfüggvények

Környezeti hatás

Társadalmi hatás

Gazdasági hatás

Környezeti (pl. emissziós) indexek definiálása

pl. esztétika

2019.03.28. Model Code 2010 5

A) Megbízhatóság

( )−=fpKockázat – megbízhatósági index:

Szempontok

• megbízhatósági szintek (következmény mértéke, biztonsági intézkedések költsége)

• referencia időszak (tR) ≠ tervezési élettartam (T)

• új szerkezet – meglévő szerkezet (tR=T javasolt)

• tönkremenetel módja (duktilis) → rideg tönkremenetel esetén nagyobb szükséges

Alapkövetelmény

tR=50 év, T=50 év tR=1 év, T=50 év

kárkövetkezmény mértéke kárkövetkezmény mértékebiztonsági intézkedés költsége

biztonsági intézkedés költsége

B) Tervezési élettartam

2019.03.28. Model Code 2010 6

SzerkezettípusElőirányzott tervezési

élettartam, T [év]

Ideiglenes szerkezetek 10

Cserélhető szerkezeti részek, pl. darupályatartók,saruk

10-25

Mezőgazdasági és hasonló, kis jelentőségű szerkezetek 15-30

Épület- és egyéb szokásos szerkezetek 50

Monumentális épületszerkezetek, hidak és egyébépítőmérnöki szerkezetek

100

Alapkövetelmény

Teljesítőképességi jellemző: Tartósság

A teljesítőképesség csökkenése nem veszélyezteti a szükséges megbízhatóságot.

Előirányzott tervezési élettartam, T (új szerkezetek)

Fennmaradó tervezési élettartam, TR (meglévő szerkezetek)

Tervezési követelmény

pl. karbonátosodás:Minimumkövetelmények (összetétel, betonfedés)

2019.03.28. Model Code 2010 7

Újonnan épülő szerkezetek (T=50 év) Meglévő szerkezetek (TR50 év)

Befolyásoló szempontok:

• fennmaradó tervezési élettartam (TR)

• a beavatkozás költsége

• a tényleges bizonytalanságok mértéke

fáradás: = 3,1

Parciális tényezők

2019.03.28. Model Code 2010 8

C) Fenntarthatóság

Cél: A szerkezet

környezetre

a társadalomra

a gazdaságra (MC 2010 nem tárgyalja)

gyakorolt hatásának csökkentése.

a) Környezeti hatás

• emberi egészség

• komfortérzet

• biodiverzitás

• termelékenység

Teljesítőképességi jellemzők → Tervezési követelmények

Teljesítőképességi jellemző Tervezési követelmény (indexek)

Emberi egészség

• légszennyezettség (CO2, NOx, SOx kibocsátás)

• ózonréteg károsodás

• ivóvízszennyezettség

• stb.

b) Társadalmi hatás

• esztétika

• közérzet

Esztétika

• vizuális megjelenés

• geometriai arányok

• színkezelés, felületi megjelenés

• környezetbe illeszkedés

• stb.

2019.03.28. Model Code 2010 9

2. Erőtani tervezési eljárások

Tervezési stratégia

Tervezési állapot Stratégia

tartós

ideiglenes

• a hatás elkerülése

• a hatásnak ellenálló szerkezet tervezése (ULS)

• a szerkezeti károsodás korlátozása (SLS)

rendkívüli

szeizmikus

• a hatás elkerülése

• a hatásnak ellenálló szerkezet tervezése (ULS)

• robusztusság biztosítása

Határállapot-koncepció

r (R) e (E) Tervezési módszerek

a) Valószínűségelméleti módszer (Pf, )

b) Parciális biztonsági tényezős módszer a)

c) Ellenállás-oldali globális tényezős módszer a)

d) Minimumkövetelményeken alapuló módszer a)

e) A hatás elkerülésén alapuló módszer

2019.03.28. Model Code 2010 10

a) Valószínűségelméleti módszer

( ) ( ) ( ) ( ) fptEtRProbEeRrProb =

Tervezési követelmény:

Feltétel

• A tervezési (valószínűségi) változók (E, R) eloszlásának ismerete → statisztikai adatok

Alkalmazás

új szerkezetek: nincs (statisztikai értelemben) elegendő adat

meglévő szerkezetek: adatok beszerzése lehetséges

Célszerű alkalmazás meglévő szerkezetek esetén• a teljesítőképesség kérdésessé válik

• a tervezési élettartam lejárt

• meghibásodások, szokatlan viselkedés

• funkcióváltás

• MC 2010 alkalmazási területén kívüli probléma

FORM: min

kockázat-analízis, szimuláció:

2019.03.28. Model Code 2010 11

b) Parciális biztonsági tényezős módszer

Tervezési változók

• Hatások (Fd=FFk)

• Anyag- és termékjellemzők (Xd=Xk/M)

• Geometria (ad=anom vagy ad=anom+a)

• Modellbizonytalanságok (d)

A szükséges megbízhatóságot a tervezési értékek tartalmazzák.

( ) 0,a,X,Fg dddd

Tervezési követelmény:

( ) ( )dddddd ,a,Xr,a,Fe

Parciális biztonsági tényezők () (kalibráció):

Új szerkezetek esetén:

A szükséges megbízhatósággal () összhangban.

Meglévő szerkezetek esetén:

A szükséges megbízhatósággal összhangban, de a beavatkozás költségeinek és az üzemeltetési feltételek mérlegelésével.

Alapkövetelmény

(Pf, )

tönkremeneteli függvény:

tervezési változók szétválasztása:

TEHERBÍRÁSI HATÁRÁLLAPOT (ULS)

2019.03.28. Model Code 2010 12

A megbízhatóság szétosztása (ULS)

Prob{R(t)E(t)} pu ≈10-4-10-5, 0<t≤T Ed Rd

pR [R < Rd] ≈ 1‰ → Rd

pE [E > Ed] >≈ 1% → Ed

ELLENÁLLÁS (R)

IGÉNYBEVÉTEL (E)

pR=p[R<Rd]≈1‰

Rd

R

EEd

pE=p[E>Ed]≈1%

Ed<Rd

2019.03.28. Model Code 2010 13

Parciális (biztonsági) tényezők összetevői

hatások: f, m: a tervezési változó statisztikai változékonysága

Sd, Rd: geometriai és modell bizonytalanságokellenállás:

F= f × Sd

M= m× Rd

Megbízhatósági analízis (pl. FORM) alapján (statisztikai adatok rendelkezésre állnak)

Pl. Anyagjellemző esetén (normál eloszlás)

Xd = (1 - V) : alapkövetelmény

: várható érték

V: relatív szórás (meglévő adatok alapján)

: érzékenységi tényező (FORM v. MC2010 alapján)

M/1

Parciális (biztonsági) tényezők meghatározása

Szabványok (EC, MC2010) alapján (statisztikai adatok hiányában)

M = m × Rdd

km

X

X=

Pl. anyagjellemző esetén (normál eloszlás)

Rd = Rd1 × Rd2

Xk : karakterisztikus érték (definiált kvantilis)

Xd: osztott kockázat (pR) alapján előirányzott kvantilis

Rd1: modell bizonytalanságok

Rd2 : geometriai bizonytalanságok

2019.03.28. Model Code 2010 14

Hatások parciális tényezői (MC 2010) F= f × Sd

A) Állandó hatások (pl. önsúly)

Az állandó hatás parciális tényezője(Az 50%-os kvantilist a 95÷98%-os

kvantilisbe transzformálja)

karakterisztikus értékTervezési érték

d G kG G=

Várható érték=

Karakterisztikus érték

(50%-os kvantilis)

Tervezési érték(95÷98%-os kvantilis)

Sd=1,05

Parciális tényező

( )GE

G

GEG

k

dsup,g V1

V1

G

G−=

−==

E =-0,7

=3,8 (közepes kár)

VG: 0,05 (pl. önsúly)

VG: 0,10 (pl. felhordott súly)

g,sup=1,05×1,13=1,19≈1,20

g,sup=1,05×1,27=1,33≈1,35

2019.03.28. Model Code 2010 15

Hatások parciális tényezői (MC2010) F= f × Sd

B) Esetleges hatások (pl. hasznos terhek, meteorológiai hatások)

Az esetleges hatás parciális tényezője(Az ?%-os kvantilist a 95÷98%-os

kvantilisbe transzformálja)

Karakterisztikus érték

(?%-os kvantilis)

Tervezési érték(95÷98%-os kvantilis)

d Q kQ Q=

Az esetleges hatások reprezentatív értékei

0 50Év

karakterisztikus érték

kvázi-állandó érték

gyakori értékQfr

tervezési érték

Tervezési élettartam

Qfr= 1Qk

Qqp= 2Qk

C) Rendkívüli hatás (pl. robbanás)

tervezési érték: Ad (nincs statisztikai adat)

D) Szeizmikus hatás (T=50 év)

SLS

folyamatos üzem ≤50 év (P100% /T)

üzemszünet: ≈100 év (P=50% /T)

ULS

emberéletet veszélyeztető =475 év (P=10% /T)

összeomláshoz közeli =2475 év (P=2-5% /T)

2019.03.28. Model Code 2010

Hatáskombinációk - ULS

Tartós és ideiglenes tervezési állapot

G,i k,i Q,j k,j Q,i 0,i k,i

i j

" " " " i

G Q Q

+ +

k, Ed 1,j k,j 2,i k,i

i j

" " " " " " i

i

G A Q Q

+ + +

k, Ed 2,i k,i " " " " i

i i

G A Q+ +

állandó hatások

kiemelt (domináns) esetleges hatás

egyidejű esetleges hatások

rendkívüli hatás

szeizmikus hatás

kiemelt (domináns) esetleges hatás

egyidejű esetleges hatások

összes esetleges hatás

16

Rendkívüli tervezési állapot

Szeizmikus tervezési állapot

állandó hatások

állandó hatások

( )

++++

+++

1i

i,ki,0i,Q1,k1,QP

1j

j,inf,kj,infGj,sup,kj,supGj

1i

i,ki,0i,Q1,k1,01,QP

1j

j,kj,G

""""""

""""""

maxQQPGG

QQPG

alapkombináció

(>3,8):

alternatív kombinációk

(=3,8):

Épületek (0=0,7)

2019.03.28. Model Code 2010 17

1,00

1,05

1,10

1,15

1,20

1,25

1,30

1,35

1,40

1,45

1,50

1,55

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00

Pa

rciá

lis t

én

yező

, b

izto

nság

i szin

t

G=0Q=0

Q

G+Q

G=Q

MC-alt1

MC-alt2

MC-alap

A hatás-oldal „biztonsági szintje”

2019.03.28. Model Code 2010 18

Tervezési változó: Tol (ad=anom+a)

vétlen külpontosság

ferdeség, kezdeti görbeség (oszlopok, falak)

vasalás pozíciója (h<100 mm elemek)

imperfekció: a = 1,2×Tol

Geometria (a)

Nem tervezési változó: Tol (anom)

A geometria bizonytalanságát (Sd és/vagy Rd

tartalmazza)

~ 4% teljesítőképesség-csökkenés

Méreteltérések () ellenőrzése szükséges

Elemméret - toleranciák

Vasalási pozíció - toleranciák

Elemméret - toleranciák

2019.03.28. Model Code 2010 19

Anyagjellemzők parciális tényezői (MC 2010) M= m × Rd

Rd,c=Rd1,c×Rd2,c=1,05×1,05=1,10

Parciális tényezők

( )( ) RR

R

RRR

RR

d

km

V1

V645,11

V1

V645,11

R

R

−

−=

−

−==

R =0,8

=3,8 (közepes kár)

VR=Vc=0,15 (beton)

VR=Vs=0,05 (acél)

c=1,39

C=1,10×1,39=1,52≈1,50

Az ellenállás parciális tényezője(Az 5%-os kvantilist a ~0,1%-os

kvantilisbe transzformálja)

Karakterisztikus érték

Tervezési érték

Várható érték(50%-os kvantilis)

Karakterisztikus érték

(5%-os kvantilis)

Tervezési érték(0,1%-os kvantilis)

s=1,08

beton:

Rd,s=Rd1,s×Rd2,s=1,025×1,05=1,08acél: S=1,08×1,08=1,17≈1,15

2019.03.28. Model Code 2010 20

a) Képlékeny alakváltozás, túlzott mértékű kúszás és repedezettség elkerülése

normálfeszültség-korlátozás: (Fd) limfd

repedéstágasság-korlátozás: w (Fd, fd) wlim

(irreverzibilis → karakterisztikus szint)

(reverzibilis → gyakori szint)

repedészáródás: (Fd) 0 (reverzibilis → gyakori szint)

b) Alakváltozások korlátozása

F=M=1,0

a (Fd) Clim(funkció → karakterisztikus szint)

(megjelenés→ kvázi-állandó szint)c) Rezgések korlátozása

(merevség, periódusidő korlátozása, dinamikai vizsgálat)

k, k,j 0,i k,i

i j

" " " " i

i

G Q Q

+ + Karakterisztikus szint

Kockázati szintek (Erep)

Gyakori szint k, 1,j k,j 2,i k,i

i j

" " " " i

i

G Q Q

+ +

Kvázi-állandó szintk, 2,i k,i " " i

i i

G Q+

irreverzibilis határállapotok

tartós hatások és a szerkezet megjelenése

reverzibilis határállapotok

Erep RserTervezési követelmény

„hatás-oldal”számított szerkezeti jellemző adott használhatósági szinten

„ellenállás-oldal”a számított jellemző megengedett értéke

pser[E>R]≈10-2÷10-3

Tervezési kockázat

HASZNÁLHATÓSÁGI HATÁRÁLLAPOTOK (SLS)

A szerkezet szokásos működési körülményei → tartós tervezési állapot

2019.03.28. Model Code 2010 21

c) Ellenállás-oldali globális tényezős módszer

Globális nemlineáris vizsgálatok esetén, ahol a bizonytalanságok nem választhatók szét.

( ) ( )dddd ,a,RrFe

Tervezési követelmény

RdR

mdkFd

RRFF

==

Rm ellenállás várható értéke

Rd modellbizonytalanságok (nem a numerikus modellé!)

Rd=1,0 jól ismert működési körülmények esetén (meglévő szerkezetek)

Rd=1,06 időtől függő hatások és környezeti hatások bizonytalansága

Rd=1,10 terhelési történet bizonytalansága

Alkalmazás

2019.03.28. Model Code 2010 22

d) Minimumkövetelményeken alapuló módszer

Alapelv: meglévő tapasztalati adatok◼ statisztikai értékelése

◼ teljes élettartamra való kalibrációja

Módszer: előírt szabályok (minimumkövetelmények)◼ méretfelvétel

◼ anyagválasztás, összetétel

◼ megvalósítási módszerek

Alkalmazási terület: tartósságra való tervezés ◼ környezeti osztályba sorolás

◼ minimális betonszilárdsági osztályok

◼ összetételre vonatkozó minimumértékek

Környezeti osztályok

1. Nincs korróziós kockázat

2. Karbonátosodás okozta korrózió

3. Nem tengervízből származó kloridok által okozott korrózió

4. Tengervízből származó klorid által okozott korrózió

5. Fagyási/olvadási korrózió

6. Kémiai korrózió

2019.03.28. Model Code 2010 23

e) A hatás elkerülésén alapuló módszer

Alapelv

A károsító hatás és a szerkezet elválasztására irányuló vonatkozó stratégiákat tartalmaz.

Alkalmazási területek

Tartósságra való tervezés

◼ a környezeti hatás elszigetelése a szerkezettől (pl. homlokzatburkolat, bevonatok)

◼ a szerkezet működési feltételeinek szabályozása (pl. páratartalom-szabályozás, mesterséges szellőztetés)

◼ nem reaktív anyagok alkalmazása (korrózióálló acél, szulfátálló cement és/vagy adalék)

◼ a károsító hatás megelőzése (pl. elektrokémiai módszerekkel)

Szeizmikus tervezés: szeizmikus szigetelés

◼ az épület és az altalaj közé

◼ a felszerkezet és az alépítmény közé (hidak)

◼ az érzékeny berendezések és a tartószerkezeti elem közé

Módszer: előírt szabályok (hasonló a minimumkövetelményeken alapuló módszerhez)

2019.03.28. Model Code 2010 24

Köszönöm a megtisztelő figyelmet!