Progettare la vita utile delle strutture (Service Life Design) Giuseppe Mancini Professor of...

Progettare la vita utile delle strutture

(Service Life Design)

Giuseppe Mancini

Professor of Structural EngineringPolitecnico di Torino

Italy

Convegno AICAPLa durabilità delle strutture in calcestruzzoAncona 27 febbraio 2007


Giuseppe Mancini – Politecnico di Torino

Documento di riferimento

fib – bulletin 34/2006Model Code for Service Life Design

Corrosione indotta da

Gelo e disgelo

CarbonatazioneAttacco da cloruri

Senza sali antigeloCon sali antigelo

Guida alla progettazione della vita utile delle strutture con quattro livelli di affinamento


Approccio completamente probabilistico

Approccio semiprobabilistico

Approccio deterministico idoneo al soddisfacimento dei requisiti di progetto (Deemed to satisfy method)

Approccio idoneo ad evitare il meccanismo di deterioramento (Avoidance of deterioration method)



Vita utile di progetto

Periodo in cui la struttura o parti di essa possono essere utilizzate per l’uso previsto con la manutenzione prevista, senza interventi manutentivi straordinari

Definizione di uno stato limite

Un numero di anni

Livello di probabilità di non raggiungimento dello stato limite nel previsto numero di anni



Durabilità

Capacità della struttura di rimanere funzionale nelle sue condizioni ambientali per la vita utile di progetto

Adozione di misure protettive o di mitigazione

Uso di materiali non soggetti a deterioramento

nella durata di vita (se ben mantenuti)

Dimensionamento idoneo a compensare il deterioramento nella

durata di vita

Scelta di una durata di vita minore per gli

elementi che possono essere

sostituiti



I requisiti prestazionali devono essere associati a valori limite di affidabilità, per fissare i quali occorre tener conto di:

Classi di conseguenze CC3, CC2, CC1

Classi di affidabilità RC3, RC2, RC1

Livelli di controllo del progetto DSL3, DSL2, DSL1

Classi di esecuzione EXC1, EXC2, EXC3

Classi di robustness ROC1, ROC2, ROC3

Classi di controllo nella durata di vita CCL3, CCL2, CCL1, CCL0



Verifica della durata di vita di progetto

a) Corrosione indotta da carbonatazione / cls non fessurato

a1) Metodo completamente probabilistico

Stato limite Depassivazione

0( ) 0dep cp p p a x t p

ricoprimentoprofondità di carbonatazione

al tempo t



Stato limite Fessurazione, spalling e collasso indotti dalla corrosione

( ) ( ) 0( ) 0crack R Sp p p r r t p

massimo incremento di raggio per corrosione sopportabile del

calcestruzzo senza fessurazione superficiale (m)

incremento di raggio per corrosione (m) al tempo t



Procedura di progetto alternativa

00crack SL ini propp p p t t t p

durata di vita di progetto

periodo di inizio del deterioramento

periodo di propagazione del deterioramento



a2) Metodo semiprobabilistico

, ( ) 0d c da x t

valore di progetto del ricoprimento (mm)

valore di progetto della profondità di carbonatazione al tempo t

minda a a

valore caratteristico del ricoprimento

tolleranza

, ,( ) ( )c d c c fx t x t

valore caratteristico del ricoprimento

coefficiente di sicurezza parziale per la profondità di carbonatazione



a3) Metodo deterministico

Si stabilisce un insieme di parametri geometrici (ricoprimento), sui materiali (parametri di diffusione e di legante),

esecutivi (curing)

Approccio EN 1992-1-1: Design of concrete structures



Class designation

Description of the environment Informative examples where exposure classes may occur

1 No risk of corrosion or attack For concrete without reinforcement or

X0 embedded metal: all exposures except where there is freeze/thaw, abrasion or chemical attack

For concrete with reinforcement or embedded

metal: very dry Concrete inside buildings with very low air humidity

2 Corrosion induced by carbonation XC1 Dry or permanently wet Concrete inside buildings with low air humidity

Concrete permanently submerged in water XC2 Wet, rarely dry Concrete surfaces subject to long-term water

contact Many foundations

XC3 Moderate humidity Concrete inside buildings with moderate or high air humidity

External concrete sheltered from rain XC4 Cyclic wet and dry Concrete surfaces subject to water contact, not

within exposure class XC2 3 Corrosion induced by chlorides

XD1 Moderate humidity Concrete surfaces exposed to airborne chlorides XD2 Wet, rarely dry Swimming pools

Concrete components exposed to industrial waters containing chlorides

XD3 Cyclic wet and dry Parts of bridges exposed to spray containing chlorides

Pavements Car park slabs

Table 4.1: Exposure classes related to environmental conditions in accordance with EN 206-1



Class designation

Description of the environment Informative examples where exposure classes may occur

4 Corrosion induced by chlorides from sea water XS1 Exposed to airborne salt but not in direct

contact with sea water Structures near to or on the coast

XS2 Permanently submerged Parts of marine structures XS3 Tidal, splash and spray zones Parts of marine structures

5. Freeze/Thaw Attack XF1 Moderate water saturation, without de-icing

agent Vertical concrete surfaces exposed to rain and freezing

XF2 Moderate water saturation, with de-icing agent

Vertical concrete surfaces of road structures exposed to freezing and airborne de-icing agents

XF3 High water saturation, without de-icing agents Horizontal concrete surfaces exposed to rain and freezing

XF4 High water saturation with de-icing agents or Road and bridge decks exposed to de-icing agents

sea water Concrete surfaces exposed to direct spray containing de-icing agents and freezing Splash zone of marine structures exposed to freezing

6. Chemical attack XA1 Slightly aggressive chemical environment

according to EN 206-1, Table 2 Natural soils and ground water

XA2 Moderately aggressive chemical environment according to EN 206-1, Table 2

Natural soils and ground water

XA3 Highly aggressive chemical environment according to EN 206-1, Table 2

Natural soils and ground water



Table 4.3N: Recommended structural classification



Table 4.4N: Values of minimum cover, cmin,dur , requirements with regard to durability for reinforcement steel in accordance with EN 10080


S4


Table 4.5N: Values of minimum cover, cmin,dur , requirements with regard to durability for prestressing steel


S4


Table E.1N: Indicative strength classes



a4) Metodo di impedimento del deterioramento

Resistenza infinita (molto elevata) del

materiale alla depassivazione o alla

corrosione

Azione ambientale nulla



b) Corrosione indotta da cloruri / cls non fessurato

b1) Metodo completamente probabilistico

Stato limite Depassivazione

0( , ) 0dep critp p p C C a t p

contenuto critico di cloruri

contenuto di cloruri alla profondità “a” al tempo t

Stato limite Fessurazione, spalling e collasso indotti dalla corrosione

Analogo a quello della carbonatazione



b2) Metodo semiprobabilistico

b3) Metodo deterministico

b4) Metodo di impedimento del deterioramento

Vedasi a1)

Vedasi a2)

Vedasi a3)



c) Gelo e disgelo senza sali antigelo

c1) Metodo completamente probabilistico

0( ) 0gelo CR ACT SLp p p S S t t p

grado critico di saturazione grado effettivo di

saturazione al tempo t

Stato limite Danno da gelo che provochi perdita locale di proprietà meccaniche, fessurazione, spalling, perdita di sezione

durata di vita di progetto



c2) Metodo semiprobabilistico

, , ( ) 0CR d ACT d SLS S t t

valore di progetto del grado di saturazione

valore di progetto del grado effettivo di saturazione al tempo t

, ,minCR d CR CRS S S

valore caratteristico del grado critico di

saturazione

tolleranza

, ( ) ( )ACT d ACT ACTS t S t S

valore caratteristico del grado effettivo di

saturazione al tempo t tolleranza



c3) Metodo deterministico

Si stabilisce un insieme di parametri quali lo spazio per l’espansione (aria trattenuta), materiale (acqua non geliva),

l’invecchiamento (carbonatazione)

c4) Metodo di impedimento del deterioramento

Resistenza del materiale infinita (molto elevata)

Azione ambientale nulla



d) Gelo e disgelo con sali antigelo

d1) Metodo completamente probabilistico

0( , ) ( ( ), ( ),....) 0scaling SL Rp p p T t t Cl T RH T T t p

temperatura del calcestruzzo

temperatura critica del gelo per la delaminazione al tempo t

Stato limite Danno da gelo e sali che provochino delaminazione della superficie



d2) Metodo semiprobabilistico

d3) Metodo deterministico

d4) Metodo di impedimento del deterioramento

Vedasi c1)

Vedasi c2)

Vedasi c3)



Gestione della sicurezza per il progetto della durata di vita

a) Classi di conseguenze

Necessarie per la differenziazione della

sicurezzaConseguenze della rottura o della carenza di

funzionalità



Table A2-1: Definition of consequences classes



b1) Differenziazione della sicurezza tramite

3 classi di sicurezzaRC3 / RC2 / RC1 associate a CC3 / CC2 / CC1

Table A2-2 (MCSLD) Table A2-1 (MCSLD)



Table A2-2Recommended

minimum values for reliability index ß for use in SLD



b2) Differenziazione della sicurezza tramite F

F viene corretto tramite un moltiplicatore KFI

Table A2-3: K FI factor for actions


<1.0 (~0.9) >1.0 (~1.1)


c) Robustness delle zone soggette a corrosione

Si definisce una perdita critica di sezione delle barre per corrosione in grado di comportare la rottura (ULS)

Per differenziare le diverse modalità di rottura si definiscono le classi di Robustness



Table A3-1: Robustness Classes (ROC)



d) Differenziazione per qualità del progetto

Misure di controllo di qualità del progetto


(Design supervision level)


Table A4-1: Design supervision levels (DSL)



e) Controllo di qualità dell’esecuzione

3 classi di controllo

Table A5-1: Execution Classes (EXC)



f) Controllo durante la durata di vita

Ispezione e monitoraggio

Table A6-1: Conditions Control Levels (CCL)



Gestione della sicurezza: da SLS a ULS

Processo di corrosione

Periodo di depassivazione(incipiente corrosione) tini

Periodo di propagazione tprop,i

,SL ini prop it t t



Figure R1.1-1: Deterioration process of reinforcement corrosion and definition of limit states for basic scheme of the service life design



Modello per il calcolo del periodo di iniziazione(Esposizione XC4)

1,0

( , ( )) ( )

2 ( ) ( )

c SL c SL

e c t ACC t S SL SL

g a x t a x t

a k k k R C t W t

funzione ambientale (RH)

parametro di curing

parametro regressione

- 1° definizione dello SL di depassivazione

funzione climatica

inverso della resistenza effettiva alla carbonatazione

termine di errore

concentrazione di CO2



11 2 1

,0 202

( , )

2 ( )

ini SL ini SL

we c t ACC t S w

SL

g t t t t

k k k R Ct t

a

- 2° definizione dello SL di depassivazione



Table R3-1(exposition XC4)



Modello per il calcolo del periodo di propagazione

, ,( , , )ini prop i SL ini prop i SLg t t t t t t

- Funzione di Stato Limite

definito come sopra

tprop,crack

tprop,spall

( )( ) prop i

prop refTi

t Tt T

K

1 1

1Ti

bT Tref i

K

e

Tref = 20° C

parametro regressione (4300 k)



Figure R4.2-2: Cumulative frequency of the evaluated variables tprop,i linked to

the event of cracking and spalling (T = 293 K)



Figure R5.1-1: Evaluated reliability indices at the end of service life linked to the limit states of depassivation of reinforcement, cracking and spalling of concrete cover and collapse of the structure. 4 calculations have been carried out considering different boundary conditions (xcrit,collapse

has been considered as 2,000 μm)



Approccio semiprobabilistico(Carbonatazione)

1,010 1.3 1.5 ( 1.3 )ACCa mm RHreal R per SLS

, ( )c c d SLa x t a

probabilità di pioggia

tempo di bagnatura



Esempio



Figure S4.1-1: Required nominal concrete cover with time of exposure, exposure carbonation, middle European climate, cyclic wet and dry, exposed to driving rain (vertical reinforced concrete fassade), CEM I-concrete, w/c = 0.60



Grazie per l’attenzione


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