Levetidsprosjektering av betongkonstruksjoner i marint miljø

Levetidsprosjektering av betongkonstruksjoner i marint miljø Gro Markeset COIN- Concrete Innovation Centre SINTEF Betongforeningen, Universitetet i Stavanger, 18.11.08

Innhold: Generelt om bestandighet og levetid Armeringskorrosjon Levetidsdimensjonering etter NS-EN 3473 ved beregninger Konstruksjonstyper Andre faktorer som påvirker levetiden NB publikasjon utkast oktober 2008

Bestandighet Bestandighet er definert som konstruksjonens evne til å motstå miljøets nedbrytende påvirkninger De vanligste nedbrytningsmekanismer er: Armeringskorrosjon Frostsprenging Alkalireaksjoner

Nedbrytning av betong Transport av vann og stoffer oppløst i vann eller luft er avgjørende for om og hvor hurtig nedbrytningen av betong skjer CO CO 2 Cl - Cl - O 2 H 2O

Dimensjonerende levetid NS 3490 (1999): Prosjektering av konstruksjoner - Krav til pålitelighet Pkt 2.4 Dimensjonerende brukstid: (1) Den dimensjonerende brukstid er den tiden konstruksjonen forutsettes brukt til det tiltenkte formålet med forventet forutsatt tilstandskontroll og vedlikeholdsprosedyrer uten at større reparasjoner er nødvendig. (2) Den dimensjonerende brukstiden fastsettes i hvert enkelt tilfelle. (3) Minste dimensjonerende brukstid (anbefaling): 60 år for bygningskonstruksjoner og andre vanlige konstruksjoner 100 år for monumentale bygningskonstruksjoner, bruer og andre anleggskonstruksjoner

Dimensjonerende levetid SVV krever 100 års dimensjonerende levetid for sine bruer Har egne regler/spesifikasjoner for å oppå dette Bærekonstruksjonene for Tjuvholmen og Operaen er det krav til dimensjonerende levetid på 300 år!

Armeringskorrosjon forårsaket av klorider Kloridinitiert armeringskorrosjon er den dominerende skaden på armerte betongkonstruksjoner i Norge

For tidlig og ukontrollert nedbrytning kan gi uønsket konsekvenser: Estetiske missfarging, oppsprekking og avskalling av betongoverflaten Sikkerhetsmessige heft/forankringsbrudd, redusert armeringstverrsitt og sammenbrudd Økonomiske Vegvesenets forskning: en økning av levetiden av brumassen med 1 år representerer en samfunnsmessig besparelse på 1 milliard kroner

Bestandighet over tid Levetid Initieringsfasen beskriver inntrengning av klorider i betongen og inn til armeringen Korrosjonsfasen beskriver nedbrytning av betong pga armeringskorrosjon. Den kan deles inn i flere faser Oppstart av korrosjon Tid Oppsprekking Nedbrytning avskalling Heftbrudd Kritisk grense Sammenbrudd Initieringsfase Korrosjonsfase

Korrosjonsprosessen Når kloridinnholdet i betongen ved overflaten av armeringen overskrider et kritisk nivå, vil det passiverende sjiktet på armeringen brytes ned. Korrosjonsstrøm starter Dannelse av groptæring og tilhørende korrosjonsprodukt Korrosjonsprodukt Cl Passiv film Katode Armering Pit Anode

Nedbrytning av betong og armering Korrosjonsproduktet Type oksyd avhenger av ph, oksygen- og fukttilgang i betongen Volumutvidelsen forårsaker ekspanderende krefter i betongen Oppsprekking og avskalling av betong a) Armering i passiv tilstand, b) oppsprekking c) avskalling av betong Armeringstverrsnittet reduseres Heftbrudd og sammenbrudd

Strategi 1: Levetidsstrategier Bestemme nødvendige betongkvaliteter, overdekning, rissvidder og utførelse for å beskytte armeringen mot korrosjon ved å øke (styre) tiden det tar før kloridnivået ved armeringen overskrider kritisk grense for begynnende korrosjon Strategi 2: Unngå at nedbrytningsprosessen av betongen oppstår. Dette kan oppnås gjennom bruk av rustfri armering, beskytte betongen mot kloridinntrengning ved tette belegg/membraner. etc

Strategi 2 unngå korrosjon! Den enkleste måten å oppnå lang levetid for marine betongkonstruksjoner er å unngå armeringskorrosjon Ved bruk av ikke-korroderende/rustfri armering vil krav til armeringsoverdekning for å motstå klorider ikke lenger blir et dimensjoneringskriterium

Levetidsdimensjonering av marine betongkonstruksjoner etter NS

Dimensjonering av betongkonstruksjoner Laster og miljøpåvirkninger Laster: Krefter og påført deformasjon som medfører spenninger og tøyninger i konstruksjonen Miljøpåvirkninger: Kjemiske og fysiske påvirkninger som betongen utsettes for, og som fører til nedbrytning av betong og armering, og som ikke anses som laster ved konstruksjonsberegningen Miljøpåvirkninger Kort- og langtidslaster

Dimensjonering av betongkonstruksjoner Bruddgrensetilstand Tilstand som knyttes til sammenbrudd eller lignende former for konstruksjonssvikt Bestemmelse av tverrsnittsdimensjoner, betongens fasthetsklasse og armeringsmengde Bruksgrensetilstand Tilstand som svarer til en definert grense som ikke skal overskrides ved normal bruk av en konstruksjon eller en konstruksjonsdel Krav til betong for å motstå miljøbelastninger er angitt i form av begrensninger i betongsammensetninger og påviste betongegenskaper Bestemmelse av eksponerings- og bestandighetsklasse og overdekning til armering

Eksponeringsklasser: - korrosjon framkalt av klorider fra sjøvann XS1 Utsatt for luftbårne salter, men ikke i direkte kontakt med sjøvann Konstruksjoner nær eller på kysten XS2 Permanent neddykket Deler av marine konstruksjoner XS3 Tidevannssonen og skvalpesonen Deler av marine konstruksjoner

Eksponerings- og bestandighetsklasser Bestandighets klasse Klorider som ikke stammer fra sjøvann Eksponeringsklasser Klorider fra sjøvann Klorider i kombinasjon med frost XD1 XD2 XD3 XS1 XS2 XS3 XF2 XF4 M-40 x x x x X x MF-40 x x x x x x x x M-45 x x MF-45 x x x

Dimensjonering av konstruksjonsdeler i tidevann- og skvalpesone: Eksponeringsklasse: XS3 Bestandighets klasse: M40 / MF40 vann/bindemidellforhold (v/b) < 0.40 b= sement+tilsetningsmateriale, b > 330 kg/m3 > 4 % luft (luftinnførende tilsetningsstoff) Sementtype: f.eks CEM I og 4% silika (evt CEM II/A-V) Minimums armeringsoverdekning (vanlig armering) 50 år: 50 mm (+ 10 mm toleranse) 100 år: 60 mm (+ 10 mm toleranse)

Minimumsoverdekning 50 års dimensjonerende levetid 100 års dimensjonerende levetid Eksponeringsklasse Spennstål Vanlig armering Spennstål Vanlig armering XS3, 60 mm 50 mm 70 mm 60 mm XS1, XS2, XD1,XD2, XD3 50 mm 40 mm 60 mm 50 mm

Levetidsdimensjonering av marine betongkonstruksjoner ved beregning

Dimensjonering av nye konstruksjoner Dimensjonerer for ikke å overskride terskelverdien for oppstart av korrosjon Tid Nedbrytning av betong Nye konstruksjoner Terskelverdi/kritisk grense Initieringsfase Nedbrytningsfase

Levetidsberegninger Bestemme nødvendig betongkvalitet og overdekning for å beskytte armeringen mot korrosjon, dvs Strategi 1 Kloridkonsentrasjonen på betongoverflaten karakteriserer miljøbelastningen på betongen Kloriddiffusjonskoeffisienten karakteriserer motstanden mot kloridinntrengningen i betong. Levetidsmodeller begrenset seg til initieringsperioden, tiden det tar før kloridnivået ved overflaten av armeringen overskrider kritisk grense for korrosjonsinitiering.

Kloridinntrengning i betong initieringsfasen Kritiske parametere: overdekningens tykkelse overdekningens kvalitet kritisk kloridinnhold

Kritisk kloridinnhold 0.40 Kloridinnhold & korrosjonsnivå A-E Cl - in % of concrete mass 0.30 0.20 0.10 (ca 300 inspeksjoner) Ref: SVV Gimsøystraumen Other coastal bridges B A C D E 0.00 No corrosion Start depassivation Corrosion Heavy corrosion Heavy corrosion & pitting Kloridinnhold ved begynnende korrosjon tilsvarer det nivå B eller C eller.?

C der ( x,t) = C Initieringsfasen Modellering av kloridinntrengning Fick s 2. lov s 1 erf 2 x D(t) t t: tid fra første klorideksponering x: avstand fra klorideksponert betongoverflate C s : kloridkonsentrasjon på overflaten D(t): diffusjonskoeffisient for klorid ved tiden t D : o diffusjonskoeffisient bestemt ved tiden t 0 t 0 : refereranseperiode α : aldringsfaktor Initiering av korrosjon når C D(t) D(t) c: armeringsoverdekning C cr : kritisk kloridkonsentrasjon (terskel verdi): = = ( c,t) Ccr D D 0 0 t0 t α konstant diffusjon tidsavhengig diffusjon

Målt kloridkonsentrasjon på betongoverflaten på norske bruer 1 0.9 Kloridinnhold Cl - i % av betongvekt 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 I II Data fra Statens vegvesen III 0.1 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Høyde over havet [meter]

Beregnet overflatekonsentrasjon fra norske kaier Surface chloride concentration (% of concrete mass) 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 Height above highest high water level (m)

Fick s 2. lov om kloriddiffusjon Deterministisk vs. probabilistisk Deterministisk analyse bør benyttes når konstruksjonens egenskaper (material, geometri og last) alle er entydig fastlagt. Probabilistisk analyse - bør benyttes når en eller flere av konstruksjonens egenskaper er av en viss tilfeldig eller ufullstendig kjent natur. På grunn av usikkerhet og stor spredning i måleresultater beskrives inngangs-parameterne i Fick s 2. lov best ved hjelp av statistiske fordelinger

Beregning av nødvendig armeringsoverdekning for en kai med dimensjonerende levetid på 50 år Inngangsparametere og fordelinger: Kloridkonsentrasjonpå betongoverflaten, C s C s = LN(2.67, 60 %) (% av sementvekt) Overdekningens tykkelse, x x = LN(x, 10) [mm] Diffusjonskoeffisient, D 0 D 0 = LN(7.0 10-12, 30%) [m 2 /s] Aldringsparameter, α a = N(0.4, 15 %) Kritisk kloridonsentrasjon, C cr C cr : LN (0.77, 32%) Karakteristiske verdier: C cr = 0.34 and 0.67 (% av sementvekt) Akseptgrense for oppstart av korrosjon: 10 % sannsynlighet for korrosjon (SLS)

Probabilistisk levetidsberegning basert på statistisk modellering av inngangsparametere Effekt av kritisk kloridinnhold (% av sementvekt) middelverdi 10% sannsynlighet for korrosjon 20mm forskjell i nødvendig overdekning avhengig av Ccr

Beregning av nødvendig armeringsoverdekning - Effekt av forskjellige belastningsmiljøer: brusøyler i sone 0-3 meter fra havoverflaten brusøyler i sone 3-12 meter fra havoverflaten Kaibjelker Dimensjonerende levetid [år] Resultat sammenlignet med NS 3473 Sone 3-12 m [mm] Brusøyler Sone 0-3 m [mm] Kai bjelker [mm] NS 3473 [mm] 50 48 54 58 50 100 60 67 73 60 150 68 76 83 200 75 83 91 300 85 95 103

Konstruksjonstyper

Typiske betongplattformer Betongfasthet C50 - C65 Dimensjonerende levetid = 35 år Bestandighet v/c = 0.4, 0-5% silika overdekning: 50 mm Epoxy belegg på skaftene Offeranoder Oppgraderes nå for lengre levetid!

Bruer Dimensjonerende levetid=100 år MF40 (v/b=0.40) C>350 kg/m 3 SV-30 (tidevann/skvalpesonen) CEM I: 8-11% silika SV- 40 (6/12 m o.h. og under vann) CEM I: 4-6 % silika Overdekning: se Håndbok 185

Kaier Kaikonstruksjoner er ofte utsatt for ekstreme miljøpåkjenninger Kloridinntrengningen er spesielt høy på kaiens underside og bakvegg.

Andre faktorer som påvirker levetiden

Effekt av tilsetningsmaterialer - Kloriddiffusjonen og utvikling over tid 100 - Diffusjonskoeffisient, 10-12 m 2 /s 10 1 v/b=0,45, 20% FA v/c=0,45 v/b=0,45, 10% FA v/b=0,45, 35% FA v/b=0,40, 4%SF, 20% FA Power (v/b=0,40, 4%SF, 20% FA) 0,1 0,001 0,01 0,1 1 t 0 /t

Konstruktiv utforming Alle konstruksjonsdeler bør detaljeres slik at kloridbelastningen blir minst mulig Gunstig med mest mulig slette flater uten skarpe overganger. Lager, fuger og drenering bør detaljeres nøye Konstruksjonsdeler som er utsatt for sterk påkjenning og rask nedbryting, kan prosjekteres med tanke på utskiftning i brukstiden

Rustfri armering Rustfritt stål er stållegeringer som inneholder minimum 12 % krom Kan leveres i samme dimensjoner som armering av karbonstål og stort sett med tilsvarende egenskaper Stålkvalitet Dimensjon [mm] Strekkgrense 0,2 % [N/mm 2 ] Strekkfasthet [N/mm2] E-modul ved 20 C [kn/mm 2 ] Kaldtrukket Varmvalset 1.4301 3-16 550 600 200 1.4436 3-16 550 600 200 1.4571 3-16 550 600 200 1.4301 20-40 500/ 550 700 200 1.4571 20-32 500/ 550 700 200 1.4462 20-50 500/ 550 700 200

Seletiv bruk av rustfri armering Økonomisk lønnsomt når alle kostnader som er forbundet med å bygge, drifte og vedlikeholde konstruksjonen summeres. For at sammenligningen skal bli pålitelig, må investeringene som gjennomføres ut i tid diskonteres tilbake til nåtidspunktet ved hjelp av nåverdiberegninger (LCC). 6.000 p Eksempel: Kantbjelker på bruer Rustfri armering A0 Vanlig armering B0 Net present value [DKK1.000] 5.000 4.000 3.000 2.000 1.000 0 A0 B0 0 2 4 6 8 Real rate of interest [% p.a.]

NB publikasjon Prosjektering, bygging og vedlikehold av betongkonstruksjoner i marint miljø utkast oktober 2008

INNHOLD 3 LEVETID OG LIVSSYKLUSKOSTNADER 4 ANSKAFFELSESPROSESSEN FOR OFFENTLIGE BYGGHERRER 5 KRAV TIL AKTØRENE 6 LEVETIDSPROSJEKTERING 6.1 Generelt 6.2 Miljøpåvirkninger og eksponeringsklasser 6.3 Konstruktiv utforming 6.4 Betong og delmaterialer 6.5 Armering 6.6 Levetidsberegninger 6.7 Armeringsoverdekning 6.9 Katodisk forebygging, impregnering og belegging 6.10 Kontroll av prosjektering og innvirkning på sikkerhetsnivået 7 BYGGING 8 VEDLIKEHOLDSPLANLEGGING

Betong og delmaterialer Blandingssementer gir både økt motstand mot kloridinntrenging, økt elektrisk motstand og redusert varmeutvikling. Dette er positive egenskaper som med fordel kan utnyttes. Fordelene må imidlertid vurderes opp mot negative konsekvenser som redusert fasthetsutvikling og eventuelt redusert frostmotstand.

Ståltype Armering Stålkvalitet EN 10088-1 Legering PREN verdi Klasse 0 Karbonstål (-) (-) (-) Klasse 1 Austenitisk 1.4301 X5CrNi 18-10 19 (uten Mo) 1.4541 X6CrNiTi 18-10 17 Klasse 2 Klasse 3 Austenitisk (med Mo) Ferritiskaustenitisk (Duplex) 1.4401 X5CrNiMo 17-12-2 25 1.4429 X2CrNiMoN 17-13-3 26 1.4436 X5CrNiMo 17-12-2 26 1.4571 X6CrNiMoTi 17-12-2 25 1.4462 X2CrNiMoN 22-5-3 36

Utførelse Betongkonstruksjoner skal prosjekteres robuste. Robusthet mht bæreevne og variasjon i laster Robusthet mht utførelse Robusthet mht bestandighet Robusthet mht bestandighet vil i mange sammenhenger være det samme som robusthet mht utførelse.

Forebyggende tiltak Etablere kontinuitet i armering for eventuell senere installasjon av katodisk beskyttelse Montere offeranoder på konstruksjonsdeler i sjø Selektiv bruk av rustfri armering i sensitive områder/deler av konstruksjonen som er vanskelig tilgjengelig for inspeksjon og vedlikehold Etablere systematisk FDV-system og dokumentasjon som kan fange opp eventuelle avvik og iverksette korrektive tiltak

Vedlikeholdsplanlegging Vedlikeholdsplanlegging anbefales utført som en del av byggeprosessen og kan deles i følgende fire hoveddeler: Beskrivelse av konstruksjonen Inspeksjonsplanlegging Vedlikeholdsplanlegging Budsjettplanlegging og kostnadsoppfølging Vedlikeholdsplanen og FDV-dokumentasjonen anbefales utarbeidet allerede under prosjekteringsprosessen, og fulgt opp under byggingen og avsluttes når kommentarer/feil fra ferdigbefaringen er utbedret.

Forslag - kaier Eksp.- klasse Best.- klasse Maks Masseforhold m=v/(c+k s) Materialsammensetning Minste bindemiddelmengde Silika/FA innhold [kg] [%] Gjelder permanent neddykkede konstruksjonsdeler Godstykkelsen til stålrørspeler inngår i overdekningskravet Klorid-klasse Forutsetter kombinert med andre tiltak som kontinuitet i armering, bruk av offeranoder, etc. Stålkvalitet må være godkjent iht. NS 3576, tilfredsstille mekaniske egenskaper og duktilitetskrav Luftinnhold i fersk betong [%] XS2 M40 0,40 350 >5 + FA? Cl-0,1 - XS3 MF40 0,40 350 >5 + FA? Cl-0,1 5,5±1,5 Minimumsoverdekning for forskjellige levetider på forskjellige konstruksjonsdeler [mm] Sted i forhold i havnivå Eksponerings klasse Tradisjonell armering (karbonstål) Rustfri armering 4) Klasse: 1 2 3 50år 100år 150år 200år 300år 100<200<300år Neddykket 1) XS2 40 50 60 70 80 40 Stålrørspeler 2) XS3 50 50 60 70 80 40 Uk. kai, alle deler XS3 65 75 3) 85 3) 95 3) 105 3) 40 Ok.kaidekke XS3 50 60 70 80 90 40