سال دوازدهم/ شماره42/پاییز و زمستان 5931)59-44( نشریه مهندسی دریــا

تخمین عمر مفید سازههای بتنآرمه در شرایط دریایی جزر و مدی

محمد قانونیبقا1*، محسنعلی شایانفر2، سعید عسگرانی3، مسعود ذبیحی سامانی4

1عضو هیئتعلمی، گروه مهندسی عمران، دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران شرق؛ ghanoonibagha@iauet.ac.ir
2عضو هیئتعلمی، گروه مهندسی عمران، دانشگاه علم و صنعت ایران،قطب علمی پژوهشهای بنیادین در مهندسی سازه؛ shayanfar@iust.ac.ir
3کارشناسی ارشد، مهندسی عمران-سازه، دانشگاه علم و صنعت ایران؛ s_asgarani@civileng.iust.ac.ir
4عضو هیئتعلمی، گروه مهندسی عمران، دانشگاه آزاد اسلامی واحد پرند؛ zabihi@piau.ac.ir

اطلاعات مقاله

چكيده

چكيده

تاریخچه مقاله: شرایط مهاجم محیطهای دریایی جزر و مدی به علت حمله یونهای کلرید و تر و خشک شدن متوالی تاریخ دریافت مقاله: 39/30/5931 بتن سبب خوردگی بیشازحد آرماتورها میشود .شبیهسازی رفتار بتن در زمینه خوردگی میتواند در تاریخ پذیرش مقاله: 30/33/5931 زمینـه کاهش هزینههای ناشی از خسارت بسیار مؤثر واقع گردد. در این مقاله با استفاده از تحلیل

احتمالاتی مونتکارلو، تأثیر تغییرات میانگین و انحراف معیار عمق همرفتی و همچنین سایر پارامترهای کلمات کلیدی: مؤثر بر شروع خوردگی در شرایط جزر و مدی بررسیشده است. مطابق نتایج تحلیلها، با در نظر گرفتن سازههای بتن مسلح احتمال خرابی 53%، عمر مفید سازه در شرایط جزر و مدی با عمق همرفت 53 میلیمتری، نسبت حالت طراحی برای دوام بدون جزر و مدی در حدود 51 سال کمتر هست. از میان پارامترهای مؤثر بر شروع خوردگی، اثر تغییرات ناحیه جزر و مدی پوشش بتنی بر زمان آغاز خوردگی بسیار زیاد است و عدم توجه کافی به تغییرات پوشش بتنی در حین خوردگی ناشی از کلرید اجرا باعث کاهش شدید عمر مفید سازههای بتن مسلح خواهد شد.
احتمال شروع خوردگی

Service-Life Prediction of Reinforced Concrete Structures in Tidal Zone

1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:05 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:05 +0330 on Monday October 30th 2017

Mohammad Ghanooni-bagha1*, Mohsen Ali Shayanfar2, Saeed Asgarani3, Masoud ZabihiSamani4

1Department of Civil Engineering, East Tehran Branch, IAU, Tehran, Iran; ghanoonibagha@iauet.ac.ir
2Centre of Excellence for Fundamental Studies in Structural Engineering, IUST, Tehran, Iran; shayanfar@iust.ac.ir
3M.Sc. of Structural Engineering, School of Civil Engineering, IUST; s_asgarani@civileng.iust.ac.ir
4Department of Civil Engineering, Parand Branch, IAU, Parand; Iran; zabihi@piau.ac.ir

ARTICLE INFO

ABSTRACT

ABSTRACT

Aggressive marine environments and tidal conditions due to chloride ions attack and subsequent wetting and drying concrete, lead to excessive corrosion of reinforcing steel that creates destruction. Simulating behavior of corrosion can be effective in reducing the damage, regional investigations are necessary for durability-based design
and evaluation of the models proposed for service-life prediction. In this paper Monte Carlo simulation use for service-life prediction of reinforced concrete structures in tidal zone. This study evaluates the influence of mean and standard deviation variations for each of the parameters that affect on the time of corrosion initiation. In tidal condition that studied in this paper, in the case of 10 mm convection depth with respect to non tidal zone, the service life of the structures decrease about 15 years. So it is found the effect of corrosion occurrence to standard deviation of concrete cover that must be noticed in constructions of marine structures.

59
Article History:
Received: 24 Sep. 2016
Accepted: 27 Nov. 2016

Keywords:
RC Structure
Durability Design
Tidal Condition
Chloride Corrosion
Reliability Analysis

1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:05 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:05 +0330 on Monday October 30th 2017

1- مقدمه
در سالهای اخیر، خوردگی آرماتورهای فـولادی در بـتن بـهعنـوانیکی از مهمترین دلایـل الـلی خرابـیهـای زودر در سـازههـایبتنآرمه شناختهشده است]5[. در سالهای اخیـر تعـداد زیـادی ازسازههای بتنی در کشورهای مختلف دنیا و همچنین در ایران در اثر ض عف ب تن د ار آس یبدی دگی و ی ا خراب ی زودر ش دهان د .
بهعبارتدیگر عمر مفید این سازهها با مقدار پیشبینیشـده تطـابقنداشته و بسیار کمتر از آن بوده است]4، 9[. در محیطهای جـزر ومدی دریایی معمولامعمولاً انتشار یون کلرید بـه داخـل بـتن و خـوردگیناشی از آن عامل اللی خرابیهـا و کـاهش عمـر مفیـد سـازههـایبتنآرمه هست]2، 1[.
در این سازهها که بهطور کامل اشباع نیسـتند و مـدام تحـت تـاثیرفرآیندتر و خشک شدن متوالی میباشند، نفوذ یون کلـر بـه داخـلبتن بسیار سریعتر نسبت به انتشار خالص بـه وقـوع مـیپیونـدد. درایـن سـاز و کـار، انتشارهمراه مکش موئینه مکانیزم ترکیبی داشـتهو هر قدر درجه اشباع کمتر باشد اثر مکـش موئینـه زیـادتر مـی-شود]6[.
بههمین خاطر تحقیقات زیادی در خصوص پایـایی بـتن در شـرایطمحیطی جزر و مدی انجامشده است. یکی از این مطالعات مربوط به تولید نرمافزار تخمین عمر مفیـد سـازههـای بـتنآرمـه در شـرایطمحیطــی خلــیج فــار و دریــای عمــان بــا عنــوانDuraPgulf هست]0[.
از دیگر تحقیقات ،بررسی نفوذ یون کلرید در داخل بـتن در محـیطدریایی در شرایط جزر و مد و اتمسفری و ناحیه اسپری میباشد که در سال 5331 توسط محققیـن دانشـگاه لیسبــون منتشــر شـدهاسـت ]1[. ایـن تحقیـق شـامل ارزیـابی دوام دراز مـدت) 51س اله( نمونههای بتنی ساخته شده با سـیمان پرتلنـد معمـولی، سـرباره وخاکستر بادی در شرایط محیطی دریـایی در سـواحل پاپـن تحـتشرایط جزر و مدیاست.
52
همچنین دوام نمونههای بتنی ساختهشده تحت شرایط مختلـف درخلیجفار ، توسط مرکز تحقیقـات سـاختمان و مسـکن بررسـی ونتــایج آن در ســال 4336 منتشرشــده اســت. در تحقیــق اخیــر،نمونههای ساختهشده در شرایط محیطی واقعی مختلف: در سـاحل،ناحیه جزر و مدی و کاملاً مغروق در آب دریا در سواحل بندرعبا نگهداری میشدند]3[. در سال 4330 نتیجه یک کار تحقیقـاتی درسواحل 55 کشور در مقالهای تحت عنوان “اثـرات محـیط دریـا بـرروی دوام بتن مسلح” منتشرشده است]53[. در سال 4331 مقاله-ای با عنوان اثرات ناحیه جزر و مدی خلیجفار بـر روی دوام بـتنحاوی میکروسیلیس توسط محققین دانشگاه کـاو نتری منتشرشـدهاست. در مقالـه اخیـر، نمونـههـای بتنـی در شـرایط جـزر و مـدیشبیهسازیشده در آزمایشگاه و همچنین در سواحل خلـیج فـار وحوضچه آب شیرین، نگهداری و آزمونهای مقاومت فشاری و جذب آب بر روی نمونهها انجامشده است] 55[. در سال 4351 شـایانفر وهمکاران به بررسی احتمال وقوع خـوردگ ی میلگردهـا ی مـدفون درسازههای بتنآرمه سـاخته شـده در شـرایط غیـر جـزر و مـدی بـااستفاده از الگوریتمهای فراکاوشی پرداختند]54، 59[.
با توجه به اهمیت بیشتر محیط جزر و مدی دریا و شرایط شـدیدترآن، در این مقاله به بررسی تخمین عمر مفید سـازه تحـت شـرایط جزر و مدی برای پیشبینی زمان شروع خوردگی میپردازیم و تأثیر تغییرات میانگین و انحراف معیار عمق همرفتـی و همچنـین سـایرپارامترها در شرایط جزر و مدی بر وقـوع و زمـان شـروع خـوردگیبررسی و میزان تأثیر این ضرایب نشان داده میشود. در این راسـتا،با استفاده از نرمافـزار متلـب و تحلیـل احتمـالاتی مونـتکـارلو بـهتخمین عمر مفید سازههای بتنی قرارگرفته در شرایط جزر و مـدیپرداختهشده است.

2- فرایند وقوع خوردگی و مدلسازی انتقال یون کلرید
فرآیند خوردگی که در آن آرماتورها مکرراًمکررا خورده میشوند، عملی پیچیده اسـت که تا حد زیـادی به عوامل محیطی و خارجـی همچــون دمـا و رطـوبت وابستــه هست .شایانذکر است که بار کلرید سطحی و میزان نفوذیون کلرید بسته به نوع قرارگیری در شرایط متفاوت دریاییمقدار متفاوتی خواهد داشت.شکل 5 شرایط متفاوت دریایی )اتمسفری، پاششی، جزرومدی و غوطهوری( را نشان میدهد که سازه در معرض آنهاقرارگرفته است.

شكل 1-مقطع بتنی در شرایط محيطی متفاوت تحت خوردگی ]11[

1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:05 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:05 +0330 on Monday October 30th 2017

در بین شرایط نشان دادهشده در شکل 5، حالت جزر و مدی و پاششی بهعنوان آسیبرسانترین شرایط برحسب دوام معرفیشدهاند، درحالـیکه شرایط اتمسـفری به سبب نفوذ کمتر یونهای کلرید دارای اثر تخریبـی کمتری هست]52[. در بخش-های بعدی فقـط به بررسی مخربترین حالت یعنی شرایط جزر و مدی پرداختهشده است.
در سازههای بتنی دریایی عمر مفیـد سـازه مشـابه شـکل 4 بـه دوبخش الـلی تقسـ یمبنـد ی مـی شـود ] 59، 51[. دوره آغـازین ، ti
،مدتزمانی است که تا شروع خوردگی طول مـی کشـد. دوره انتشـار ،tp، زمان گسترش خوردگی و کاهش ظرفیت المان بتنی است کـهمیتواند مطابق شکل 4 شامل مرحله ترک خوردگی]51[ و یا حتی شامل مرحه پوسته ای شدن المان باشد]56[.

شكل 2-نمایش مفهوم عمر مفيد در سازههای بتنی در معرض خوردگی ناشی از حمله یونهای کلرید) مدل اصلاح شده توتی( ]11،11[

طول عمر کلی سازههای بتنی) tS(، در معادله )5( نشان داده شـدهاست:

ts  ti t p )5(

که در آنti مدتزمـان ی اسـت کـه مقـدار کلریـددر سـطح میلگـردبهحدی برسد که منجـر بـه تخریـب لایـه محـافو فـولاد و شـروعخوردگی شود وtpمدتزمانی که خوردگی میلگـرد بـه یـک شـرایطبحرانی میرسد که ظرفیت سازه بسیار کم شود. ازآنجاییکـه زمـانشروع خوردگی تـا تـرک خـوردگی،tc ، در حـدود 9سـال در نظـرگرفته میشود] 4، 50[، و بعد از آن ظرفیت سازه با سرعت و شدت زیادی کاهش مییابد ، نیـن مدتزمانی در مقایسه بازمـان نسـبتاًطولانـــی موردنیــاز بــرای شــروع خوردگـــی قابــل شــمپوشــی هست]51[. بههمین دلیل برای محاسبه عمر مفید ،ti مورد توجـهمیباشد .مقدارti نیز وابسته به نفوذ یون کلرید بـه داخـل بـتن بـودهکهاز قانون فیک برآورد میشود )رابطه 4(.

508036102104

Ct  D x2C2 )4(

51
که در آن C مقدار کلریـد در زمـان و مکـان مشـخص،D ضریــبانتشـار کلرید ،x عمق نفوذ و tنشانگر زمان میباشند. غلظت کلریـدسطحی در یکزمان و عمق مشخص) x,t( و در فضای یکبعدی بـاحل تحلیلی معادلـه بـالا و قـرار دادن شـرایط مـرزیC(t=0)=0 وC(x=0)=Cs بهلورت زیر تعریف میشود:

143596688133

Cx,t CS1erf 2x D*xt  )9(

که در آن CSغلظت کلرید سطحی و erf تابع خطا هست. زمانی که غلظت کلرید سطحی در سطح آرماتور بـه حـد آسـتانه یـا بحرانـیبرسد) C(x,t)=Cth(، خوردگی آغاز شـده و بـه عنـوان عمـر مفیـدقابلمحاسبه است]53[.

پارامترهای مؤثر بر خوردگی
در اینجا 1 پارامتر مؤثر بر تخمین عمر مفیـد سـازه در معادلـه) 9( تعریف گردیده و مقادیر آنها مشخصشده اسـت. ضـمن اینکـه دراین مقاله توزیع در نظر گرفتهشده برای همه پارامترهای احتمالاتی توزیع نرمال هست.

کلرید آستانه )Cth(
حداقل تراکم کلرید لازم برای انهدام لایه منفعل و آغـاز خـوردگی،کلرید آستانه نامیده میشود؛ که به عوامل بسیاری ازجمله آرمـاتور،محیطزیست الکتروشیمیایی بتن، نسبت آب بـه سـیمان، رطوبـت،مواد افزودنی و … بستگی دارد.موسسه استاندارد بریتانیـا )اسـتانداردBS8110( مقدار 3.2% وزنی سیمان را بهعنوان مقدار کلرید آستانه پیش نهاد م یکن د ک ه مع ادل 3.30% وزن ب تن اس ت]43-44[.
همچنین بر طبق fib مقدار ضریب تغییـرات بـرای کلریـد آسـتانه وشرایط جزر و مدی برابر 41% در نظر گرفته مـی شـود ] 49[ کـه بـاتوجه به شرایط مختلف قرارگیری و همچنین نوع قطعه بتنی مـی -تواند مقادیر جدول 5 را اختیار کند.

جدول

1

مقاد
ی
ر

کلرید

آستانه

مرجع

مقدار

م
ي
انگ
ي
ن

(
wt%cem
)

cov
%
)
(

انحراف
استاندارد

(
wt%cem
)

[
53
،
52
]

3.9

41

3.301

استاندارد

بریتانیا

5330

[
44
]

3.2

53

3.32

41

3.5

23

3.56

[
53
،
43
]

3.1

41

3.541

جدول



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

پاسخ دهید