دانلود رایگان مقاله ارزیابی قابلیت اطمینان سازه برای ساختمان های بتن آرمه

چکیده

            کورنل و همکارانش درسال2002، یک معیار احتمالاتی پیشنهاد دادند و توسط تولنتینو و همکارانش گسترش یافت، در این مقاله، برای بررسی اثرات استهلاک مواد در بلندمدت به علت خوردگی ساختمان‌های بتن آرمه واقع در ساحل اقیانوس آرام مکزیک، از این معیار استفاده می‌کنیم. تغییرات همزمان ظرفیت و تقاضای سازه‌ را در طول زمان، به روش عبارات ریاضی فرم بسته، باتوجه به معیار بررسی می‌کنیم. همچنین قابلیت اطمینان سازه از لحاظ شاخص‌های جایگیزین نیز ارائه شده است: الف) تعداد خرابی و شکست مورد انتظار در یک بازه زمانی  و ب) فاکتور‌های اطمینان به عنوان توابع زمان، در فرم طراحی ضریب تقاضا و ظرفیت. در این مقاله، به منظور اینکه خرابی سازه ناشی از خوردگی را درنظر بگیریم، شاخص‌های قابلیت اطمینان را توسعه داده‌ایم. هر دو عدم قطعیت شناختیک وکتره ای را نیز درنظر گرفته ایم. در پایان قابلیت اطمینان سازه‌ای برای یک ساختمان چهار طبقه در خلیج آکاپولو مکزیک، تحت عنوان مجموعه‌ای از زمین لرزه‌های واقعی و ثبت شده، را ارزیابی کردیم.

1. مقدمه

            بتن آرمه یکی از رایج‌ترین مصالح ساختمانی است، با این‌حال هنگامی که آن‌ها پس از یک دوره زمانی دربرابر هجوم عوامل متجاوز همچون یخبندان یا برف در نواحی ساحلی قرار می‌گیرند و یا اینکه در محل‌هایی با سطح بالایی از آلودگی واقع شده اند به قابلیت اطمینان با سطحی غیر قابل قبول حساس می‌شوند. فاکتورهایی که روی خوردگی بتن آرمه های فولاد تاثیر می‌گذارد شامل دما، رطوبت، اسید‌شدگی اقیانوس و آلودگی‌های هوایی است. هر از کدام از آن‌ها بسته به شرایط، خوردگی را شروع یا پیشرفت می‌دهند. 

            خرابی سازه‌های بتن آرمه باتوجه به خوردگی، به علت افت ظرفیت سازه ناشی از خرابی خواص است که بر چسبندگی بتن، ترک خوردگی بخش ها و یاحتی پکیدگی بتن اثر می‌گذارد(آندراده و همکاران1993، یواپینک و ویرس 1998 ، کاستاندا 1997)

            هزینه سالانه خوردگی در سراسر جهان حدودا 1.8 تریلیون دلار آمریکا است که به 3 تا 4 درصد از تولید ناخالص داخلی (GDP) کشورهای صنعتی منتهی می‌شود (اشمیت، 2009 ).ابزارهای مبتنی برقابلیت اطمینان  به عنوان معیاری برای برنامه ریزی بازرسی و نگهداری زیرساخت‌ها و سازه‌های متاثر از خوردگی، جهت کاهش مشکلات اجتماعی واقتصادی ناشی از بتن های آرمه ارائه می‌شود با توجه به اینکه ظرفیت و تقاضای سازه در طول زمان به علت خرابی ناشی از خوردگی متفاوت است، برنامه‌ریزی به صورت دقیق، بستگی به برآورد قابلیت اطمینان سازه  دارد.

2. خوردگی بتن‌های آرمه

           خوردگی ناشی از نفوذ کلرید اغلب در سازه‌هایی رخ می‌دهد که در معرض محیط‌های دریایی قرار دارند. یون کلرید در آب دریا وجود دارد: به طوری‌که باد بصورت نسیم، این یون ها را به سمت سازه‌های نزدیک به دریا می‌برد.

          در بخش های-1-2 و 2-2، چندین تعریف پایه مرتبط با فرایند خوردگی مرور می‌شود.

2.1 زمان شروع خوردگی

          مدل‌سازی نفوذ یون کلرید در بتن دشوار است، با این‌حال معمولا از قانون انتشار (قانون فیک) استفاده می‌شود. اگر فرض کنیم، غلظت کلریدها در سطح بتن و ضریب انتشار برای بتن، مستقل هستند.

2.1.1 ضریب انتشار

          ضریب انتشار ، یکی از مهم‌ترین متغیرهای معادله2 است. به منظور تقریب خوب از ، ضروری است که از نسبت آب به سیمان (W/C)، دما () و مواد افزودنی آگاهی داشته باشیم(ینسن وهمکاران، 1999 ).

3. ارزیابی قابلیت اطمینان سازه

            به منظور ارزیابی قابلیت اطمینان سازه، از مفهوم نرخ سالیانه خرابی سازه استفاده می کنیم، و آن را به تعداد خرابی ها در یک بازه زمانی مربوط به تخریب(ناشی از خوردگی) از هر دو تقاضای لرزه‌ای سازه و ظرفیت سازه برای شدت داده شده، بسط می‌دهیم. 

3.1 تخمین خرابی در یک فاصله زمانی

          متوسط نرخ خرابی یکساله، نشان‌دهنده تعداد دفعات مورد انتظار در سال است که ظرفیت سازه(C) با حالت حدی  مشخصی در ارتباط است و باتوجه به اثرات بارهای مربوط به حوادث زلزله با تمام شدت‌های ممکن، بیش از حد موردانتظار شود. 

ABSTRACT

             A probabilistic criterion proposed by Cornell et al (2002) and extended by Tolentino et al (2012) is used here to study the effect of long-term material degradation due to corrosion of reinforced concrete buildings located in the Pacific Coast of Mexico. The criterion considers, by means of closed form mathematical expressions, the simultaneous variation of the structural capacity and of the structural demand, over time. The structural reliability is represented in terms of two alternative indicators: a) the expected number of failures over a time interval, and b) the confidence factors as functions of time, within a Demand and Capacity Factor Design format. The reliability indicators are extended here in order to take into account the structural deterioration due to corrosion over a time interval. Both, aleatory and epistemic uncertainties are taken into account. The structural reliability is evaluated for a 4-story building subjected to a set of real seismic ground motions recorded in Acapulco Bay, Mexico.

1. INTRODUCTION

           Reinforced concrete is one of the most common materials in construction; however, it is susceptible to present unacceptable reliability levels when it is exposed, after an interval of time, to the attack of aggressive agents in coastal areas, to icing or snow, or in sites with high levels of contamination. The factors that affect the corrosion of reinforcing steel are several, including temperature, humidity, ocean acidification, airborne pollutants, etc. Depending on the exposure conditions, each of them can influence the time of initiation and/or progression of corrosion.

             The cause of failure of reinforced concrete structures subjected to corrosion is due to the loss of structural capacity resulting from the properties deterioration, which affects the adherence to the concrete, section cracks or even spalling (Andrade et al. (1993); Youping and Weyers (1998); Castaneda et al. (1997)).

           The annual cost of corrosion worldwide is estimated to exceed $US 1.8 trillion, which translates to 3% to 4% of the Gross Domestic Product (GDP) of industrialized countries (Schmitt, 2009). A measure to reduce the social and economic problems that it involves can be solved by providing reliability-based tools for inspection and maintenance planning of the infrastructure and structures affected by corrosion. The planning will depend, in part, on the estimation of the structural reliability considering that both structural capacity and structural demand varies over time due to the deterioration of the structural members caused by corrosion.

2. CORROSION OF REINFORCED CONCRETE

          Corrosion induced by chloride penetration occurs mainly in structures exposed to marine environments. The chloride ions are present in seawater; however, as the wind shifts as breeze, these are deposited in structures close to the seafront.

          In sections 2.1 and 2.2 several basic definitions related with the corrosion process are reviewed.

2.1. Time when corrosion begins

         The penetration of chloride ions in concrete is difficult to model. Commonly, the law of diffusion (Fick's law) is used. If it is assumed that the concentration of chlorides in the concrete surface and the diffusion coefficient Dc for concrete are independent.

2.1.1. Diffusion coefficient

          The diffusion coefficient Dc is one of the most important variables in equation 2. In order to make a good approximation of Dc, it is necessary to know the water/cement ratio w/ c , temperature and additives (Jensen et al., 1999).

3. STRUCTURAL RELIABILITY ASSESSMENT

         In order to evaluate the structural reliability here the concept of average annual rate of structural failure is used, and it is extended to the number of failures in a time interval considering the deterioration (caused by corrosion) of both structural capacity and seismic structural demand for a given intensity.

3.1. Estimating the number of failures in a time interval

        The average annual failure rate (c) F represents here the expected number of times per year that the structural capacity c, associated with a certain limit state, is exceeded due to the effects of the loads corresponding to seismic events of all possible intensities.

چکیده

1. مقدمه

2. خوردگی بتن‌های آرمه

2.1 زمان شروع خوردگی

2.1.1 ضریب انتشار

2.2 شروع ترک خوردگی بتن به علت خوردگی

3. ارزیابی قابلیت اطمینان سازه

3.1 تخمین خرابی در یک فاصله زمانی

3.2 فاکتور اطمینان

4. مثالی گویا

4.1 خوردگی ساختمان

4.2 ارزیابی ظرفیت سازه در طول زمان

4.3 بررسی تقاضای سازه برای شدت داده شده، در طول زمان

4.4 ضریب اطمینان  و تعداد خرابی های مورد انتظار در طول زمان

4.5 ضریب اطمینان در طول زمان

5. نتیجه گیری

منابع

ABSTRACT

1. INTRODUCTION

2. CORROSION OF REINFORCED CONCRETE

2.1. Time when corrosion begins

2.1.1. Diffusion coefficient

2.2. Start of concrete cracking due to corrosion

3. STRUCTURAL RELIABILITY ASSESSMENT

3.1. Estimating the number of failures in a time interval

3.2. Confidence factor

4. IILUSTRATIVE EXAMPLE

4.1. Building Corrosion

4.2. Evaluation of the structural capacity over time

4.3. Evaluation of the structural demand for a given intensity, over time

4.4. Correction factor and expected number of failures over time

4.5. Confidence factor over time

5. CONCLUSIONS

REFERENCES