Como é calculada a vida útil do projeto de uma estrutura de concreto armado?

As especificações para grandes projetos estruturais normalmente exigem que a estrutura tenha uma vida útil de design específica. Isso pode ser de 50 anos, 100 anos etc.

Acomodar a vida útil do projeto do aço pode ser tão simples quanto adicionar espessura adicional para levar em consideração a corrosão esperada nesse período. Esse cálculo também levaria em consideração quaisquer variações baseadas em revestimentos ou tipo de aço.

A história mostrou que estruturas de concreto não reforçado podem durar centenas de anos . Os romanos têm alguns exemplos disso, como o Panteão .

O problema do concreto armado é que, eventualmente, o reforço corroerá , aumentará de tamanho e fará com que o concreto rache. Também pode haver problemas com os agregados usados.

Como um projetista pode calcular e, por contrato, garantir a vida útil de uma estrutura de concreto armado?

A vida do design pode ser uma de duas coisas diferentes, e elas não são intercambiáveis.

Uma referência a '100 anos de vida útil projetada' pode significar que ela foi projetada para um caso de carregamento de '1 em 100 anos' (carga de vento ou aumento de maré ou qualquer outra coisa). Isso é apenas um meio de quantificar a magnitude do carregamento. Na verdade, nada tem a ver com a durabilidade da estrutura, é sobre a força da estrutura.

A pergunta é sobre uma questão diferente - a durabilidade e, especificamente, a durabilidade do concreto armado. Ele é quantificado normalmente por referência a experiências passadas em um ambiente específico, informando qual é o provável mecanismo de deterioração crítica e, em seguida, fazendo referência a uma solução padrão ou a um cálculo da vida útil desse mecanismo. Os cálculos são normalmente até certo ponto empíricos.

Para uma estrutura 'padrão', com uma condição de exposição 'normal', características concretas 'normais' e requisitos de vida 'normal' do projeto, haverá soluções padrão no código de projeto relevante, que provavelmente simplesmente define a quantidade de cobertura que será aplicada. satisfazer a vida do projeto. O que constitui 'normal' dependerá da jurisdição do código de projeto - diferentes misturas de cimento estão disponíveis em diferentes partes do mundo, e o que é 'normal' para um código nacional de projeto em um país totalmente temperado não será '' normal 'nos trópicos ou nas regiões polares.

Por exemplo, em uma estrutura na zona de respingo na península Arábica, o ataque de geada não será um problema, mas o ataque físico de sal (ou intemperismo) será. O ataque do gelo é onde a água congelada nos poros e rachaduras se expande e quebra o concreto. O desgaste do sal é onde a água salgada é absorvida e evapora a uma velocidade tal que os cristais de sal crescem dentro dos poros e quebram o concreto.

Se um projetista se desviar do que suas regras de projeto locais consideram 'normal', ou se o ambiente for especialmente agressivo ou se os requisitos de durabilidade forem extraordinariamente onerosos, será necessário um cálculo específico.

A falha mais comum do concreto armado é que o reforço metálico começa a corroer. O aço no concreto não sofre corrosão porque o concreto é de pH muito alto, e o aço em um ambiente de pH alto é 'passivado' e não é corrosivo. No entanto, lentamente, com o tempo, o dióxido de carbono da atmosfera se difunde no concreto e o neutraliza. Se você conhece as características do seu concreto, pode prever com que rapidez isso acontece (por referência à experiência empírica).

O que normalmente realmente desencadeia a corrosão (pelo menos em ambientes marinhos ou outros ambientes salgados - por exemplo, sal de estrada), no entanto, é o ataque de cloretos, onde os íons cloretos se difundem da superfície. Quando a concentração dos íons cloreto na superfície da barra atingir um valor crítico, a corrosão logo se firmará. Você pode calcular isso se assumir uma concentração de cloreto na superfície (a partir de dados empíricos) e conhecer as características do concreto (dados empíricos ou testando a rapidez com que os íons cloreto se difundem por ele, mas tenha cuidado com o concreto) idades, suas características mudam e é necessário permitir isso) e conhecer o limite crítico (a partir de dados empíricos).

Existe um programa gratuito útil que faz esse cálculo para você chamado Life-365 e sai de um comitê do American Concrete Institute. Ele faz o cálculo da difusão de cloreto para você, desenha gráficos e outras coisas e, se você estiver nos EUA, ainda possui os dados empíricos necessários para que você não precise procurar quais são as condições locais. (Eu uso o programa, mas não estou associado a ele de outra forma). O manual do programa tem uma discussão mais detalhada da ciência por trás dele, mas o melhor é que você pode simplesmente brincar com ele e ver que efeito a mudança de algo tem na vida.

Se você faz o cálculo e não obtém vida suficiente, pode aprofundar o reforço (para que o cloreto demore mais tempo a difundir) ou tornar o concreto mais resistente ao difusão do cloreto nele, ou você usa barras que precisam de um valor-limite mais alto de cloreto (inoxidável, por exemplo), ou trata a barra, ou o concreto, ou instala sistemas galvânicos ou eletro-químicos, inibidores de corrosão ou qualquer outra coisa. Muitas dessas coisas retornam aos dados empíricos - eles testaram e têm dados de teste que mostram que evitarão a corrosão por n anos se você colocar uma quantidade x de qualquer coisa.

Não posso responder a essa pergunta em termos de estrutura de construção; no entanto, posso fazer um pavimento de concreto armado, o que ainda pode lhe interessar.

De acordo com as outras respostas, é elaborado um projeto de pavimento experimental, que é então avaliado em relação à vida útil do projeto. A carga partida no pavimento é expressa em termos de uma repetição de eixo padrão ao longo da vida útil do projeto. Por exemplo, um pavimento pode ser projetado para suportar 1x10 ⁵ repetições de eixo padrão ao longo de uma vida útil de 40 anos. Isso é chamado de repetições de design.

Um pavimento experimental é selecionado e, em seguida, é realizada uma análise de fadiga que determina as Repetições permitidas do pavimento . As repetições de projeto são divididas pelas repetições permitidas e se esse valor, definido como o fator de dano cumulativo (CDF), for <1,0, seu pavimento sobreviverá à vida útil do projeto.

Portanto, CDF = n / N onde n = Repetições de projeto, N = Repetições permitidas. Observe que você poderia fazer um cálculo regressivo para determinar a vida útil do design se conhecesse os outros termos.