Especificação LNEC E465

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1 Especificação LNEC E465 Metodologia para estimar as propriedades de desempenho que permitem satisfazer a vida útil de projecto de estruturas de betão armado ou préesforçado sob as exposições ambientais XC e XS

2 Enquadramento Desenvolvimento da deterioração no tempo Nível de deterioração despassivação fendilhação 3 delaminação 4 rotura 1 iniciação t i propagação t p tempo Vida útil t L = t i + t p

3 Vida útil Categorias de vida útil na EN 1990 Vida útil pretendida Exemplos Categoria t g (anos) 1 10 Estruturas temporárias 10 a 5 Partes estruturais substituíveis 3 15 a 30 Estruturas para a agricultura e semelhantes 4 50 Edifícios e outras estruturas comuns (v.g., hospitais, escolas) Edifícios monumentais, pontes e outras estruturas de engenharia civil As diferentes partes de uma estrutura podem ter diferentes vidas úteis

4 Dada a aleatoriedade dos processos de deterioração a avaliação da vida útil deve ser realizada com base numa análise probabilística, tal como acontece no projecto de estruturas. tipos de abordagem: Service period design p r = P{[R(t)- S(t)<0]} T < P alvo p alvo nível aceitável da probabilidade de rotura S(t) efeito da acção R(t) - resistência Lifetime design p r = P(T L <T g ) < P alvo r L g alvo T L vida útil T g vida útil pretendida T g alvo

5 No caso das funções S(t) e R(t) terem distribuições normais a análise probabilística pode ser realizada com base no Índice de Fiabilidadeβ p r = P(T L <T g ) = P(Z<0) T L = Ф(-β) em que Z(t) = R(t) S(t) Relação entre a probabilidade de rotura e o índice de fiabilidade p r β β.σ(z) = µ R -µ S β.σ(z) = µ Z f Z

6 Nível de deterioração Índice de fiabilidade p r β deterioração Nível de despassivação fendilhação delaminação rotura 1 o o o o β ~ 1.5 β ~ 3.8 tempo β

7 O cálculo da vida útil é realizado com base em estados limites: Estado limite de despassivação das armaduras Estado limite de fendilhação Estado limite de delaminação Estado limite último Para definição da vida útil a Esp LNEC E465 estabelece apenas o estado limite de utilização definido como início da fendilhação do betão de recobrimento por corrosão de armaduras terioração Nível de det despassivação fendilhação delaminação rotura 1 t i t p tempo t L

8 Metodologia adoptada pela E 465 Garantir que: t L t g > 0 t L vida útil avaliada através de modelos de desempenho t g vida útil pretendida Análise semi-probabilística considerar um factor de segurança da vida útil γ Esta metodologia permite: Calcular de forma determinística as propriedades de desempenho para vida útil de cálculo: t d = γ t g de modo a satisfazer a condição t L t g > 0 com uma abordagem probabilística.

9 Factores de segurança / Índices de fiabilidade Mínimos índices de fiabilidade β Classes de fiabilidade RC3 RC RC1 β,0 1,5 1, probabilidade,3 * 10-6,7 * 10-1 * 10 - Factores de segurança da vida útil γ Classes de fiabilidade Factor γ para o Estado Limite de Utilização RC3,8 RC,3 RC1,0

10 Modelação da deterioração Objectivo: Especificar propriedades de desempenho para o betão de modo a que t L > t d t L = t i + t p Necessário: Modelar a fase de iniciação: Período de tempo até que a frente de Carbonatação ou o teor crítico de Cloretos atinja o nível das armaduras Modelar a fase de propagação: Período de tempo até o nível de corrosão causar a fendilhação do betão de recobrimento

11 Modelos de cálculo para o Período de Iniciação CARBONATAÇÃO Modelo 1 Objectivo: Definir a resistência à carbonatação do betão de modo a que ao fim do período de iniciação t i a profundidade de carbonatação seja no máximo igual ao recobrimento X = = * D * c * t * K a * D * c * t * a = k 0 * k 1 * k t t 0 n onde: X - profundidade de carbonatação (m) D coeficiente de difusão do CO no betão carbonatado (65% HR; 0 ºC) c =0,0007kg/m 3 (concentração do CO no ar) a= consumo de CO, função do tipo e dosagem de cimento (quantidade de CO necessário para carbonatar uma unidade de volume de betão) K0 factor igual a 3 quando ensaio de carbonatação é realizado segundo a esp LNEC E 391 K1 factor dependente da HR do betão K factor dependente da cura do betão n factor dependente da molhagem/secagem ao longo do tempo (<0,3) t 0 período de referência (1 ano)

12 Considerando que a resistência à carbonatação R C65 pode ser medida pela seguinte relação: R C = a D 65 (kg.ano/m 5 ) Introduzindo esta relação na expressão anterior vem: X 0,0007 t R C 65 t k0* k1 k t = 0 n 3 1,4*10 t i t = k0* k1 k R t i 0 RC 65 n Valor da resistência à carbonatação a exigir ao betão A medição de R C65 é feita no ensaio acelerado (LNEC E391) R C 65 = c acel 1 X t 1 C acel concentração de CO na câmara de carbonatação (90 x 10-3 kg/m 3 5% CO )

13 ACÇÃO DOS CLORETOS Modelo base Objectivo: Definir a resistência à penetração de cloretos do betão de modo a que ao fim do período de iniciação t i a profundidade do teor critico seja no máximo igual ao recobrimento C ( x, t ) = C S 1 erf X D t D é o coeficiente de difusão dos cloretos no betão, em m /s; C (x, t) é a concentração dos cloretos, à profundidade x (m) após decorrido o tempo t (s) C S é a concentração dos cloretos, em % da massa de ligante, na superfície do betão (X=0) erf é a função erro: erf (z)=w D = X 4 t ξ com: ξ = erf 1 C S C ( x, t ) C S A despassivação das armaduras ocorre para uma concentração de cloretos ao nível das armaduras C (x, t) = C(R,t i ) = C R (teor critico de cloretos) R recobrimento das armaduras

14 Teor crítico de cloretos C R (% em massa do cimento) Água/cimento XS1; XS XS3 a/c 0,30 0,6 0,5 0,30 < a/c 0,40 0,5 0,4 a/c >0,40 0,4 0,3 A concentração superficial C s é dada por: C s = C b k a / c k vert k hor k temp C b =3,0% nas classes XS e XS3 e C b =,0% na XS1 K a/c =,5 * (a/c), sendo a/c a razão água/ligante K temp, referente ao betão, tem os seguintes valores: 0 ºC 10 ºC 15ºC 0 ºC 5ºC 30 ºC 35ºC, 1,5 1, 1,0 0,8 0,7 0,6 k vert e k hor têm os valores indicados no quadro: Classe de exposição k vert XS1 0,7 XS 1 a 1m de profundidade 1,4 a 4 m de profundidade* XS3 1,0 Distância à linha de costa** K hor Km* 0,6

15 O coeficiente de difusão D é dado por: D a (t) = D a (t 0 ) * (t 0 /t) n = k D,c * k D,RH * k D,T * D 0 * (t 0 /t) n k D,c k D,RH k D,T é um factor que tem em conta a influência das condições de cura; é um factor que tem em conta a influência da humidade relativa do ambiente; é um factor que tem em conta a influência da temperatura; D 0 é o coeficiente de difusão potencial (m /s), determinado em laboratório de acordo com a Especificação LNEC E 463, com o betão na idade de referência t 0 =8 dias; n é um factor que tem em conta o decréscimo de ingresso dos cloretos ao longo do tempo. Número de dias de cura k D,c normalizada,4 em contacto permanente com água Cofragem de permeabilidade controlada e 3 dias de cura húmida Classes de exposição CEM I / II* n 0,75 1,0 CEM III / IV XS1 0,55 0,65 XS 0,45 0,55 XS3 0,55 0,65 * Excepto CEM II-W, II-T, II/B-L e II/B-LL Classes de exposição K D,RH XS1 0,4 XS3 1,0 XS 1,0 Temperatura do betão (ºC) K D,T 30 ºC 1,5 5 ºC 1, 0 ºC 1,0 15 ºC 0,8 10 ºC 0,75 0 ºC 0,4

16 Modelo de cálculo para o Período de Propagação O modelo recorre: - lei de Faraday x = 0,0115I cor t p x (mm) é a redução de raio provocada pela intensidade da corrente de corrosão Icorr (µa/cm ) durante o tempo de propagação da corrosão tp (anos) - à expressão experimental de estima da redução de raio, x, que provoca a iniciação da fissuração: x = 10-3 * (74,5 + 7,3R/φ 0 17,4 f cd ) R é o recobrimento (mm); f cd é a resistência à compressão diametral do betão, com o valor e,5 MPa nos betões para a carbonatação e 3 e 4 MPa nos betões para os cloretos. φ 0 diâmetro inicial das armaduras - à consideração da diferente influência na corrosão da carbonatação e da acção dos cloretos φ 0 - φ = αx α = quando a corrosão é uniforme, caso da corrosão por carbonatação α 10 quando a corrosão é por picadas, caso da corrosão por cloretos

17 - à consideração dos níveis de corrosão expectáveis nas classes de exposição XC e XS em função dos teores de humidade nos poros do betão Classes de exposição e níveis de corrosão das armaduras XC1 XC XC3 XC4 XS1 XS XS3 Despr Baixo Despr. Baixo/ Moder. Moder. Despr Elevado Níveis de corrosão Intensidade da corrente de corrosão (µa/cm ) Nível de corrosão < 0,1 0,1-0,5 0,5-1 desprezável baixo moderado >1 elevado Período de propagação: t p = k φ 0 / (1,15 α I corr ) com: k = 0,1*(74,5 + 7,3 R/φ 0 17,4 f cd ) /(φ 0 /)

18 Cálculo das propriedades de desempenho do betão Definir previamente: Período de vida útil pretendido t g Classe de fiabilidade da estrutura ou do elemento estrutural: RC1//RC/RC3 Classes de exposição a que cada elemento estrutural está sujeito: XC1 a XC4 ou XS1 a XS3 Recobrimento mínimo a adoptar em cada elemento estrutural Seguidamente calcular: O período de propagação t p O período de iniciação de cálculo t ic = γ (t g t p ). t ic (anos) Valores do período de iniciação de cálculo t ic (anos) t g =50 anos t g =100 anos t p RC3 RC RC1 t p RC3 RC,8,3,0,8,3 XC1 > > XC XC XC4 s s h h XS XS XS Adoptando os recobrimentos da E464 As propriedades do betão relacionadas com a durabilidade resistência à carbonatação R C65 e coeficiente de difusão aos cloretos D 0 com base nos modelos de deterioração.

19 Exemplo Valores das propriedades de desempenho do período de iniciação R c65 (kg.ano/m 5 ) região húmida região seca anexo C XC XC3 XC4 betão com cura normalizada k1 0,0 0,77 0,41 n 0,183 0,0 0,085 (Classe estrutural) e recobrimento (mm) (1) () 15 0 (3) 0 5 Acção da carbonatação (4) 5 30 (5) (6) t ic (anos) RC3 R C65 (1) () (3) (4) (5) t g =50 anos RC R C65 (6) t ic (anos) (1) () (3) (4) (5) (6)

20 Exemplo Valores das propriedades de desempenho do período de iniciação Coeficientes de difusão potencial dos cloretos, D 0 (10-1 m/s), do betão com CEM I/II ou CEM III/IV na classe XS1 junto ao mar D 0 (10-1 m/s) (XS1, junto ao mar) a/c 0,40 0,45 0,50 0,55 C R (%) 0,5 0,4 0,4 0,4 C S (%) 1,680 1,890,100,310 Acção dos cloretos Ligante Rec.(cm) t ic = 140 anos CEM I / II,0,5 3,0 3,4,3,1,0 5,3 3,7 3,3 3,1 7,6 5,3 4,8 4,4 3,5 10,3 7, 6,5 6,1 4,0 13,5 9,4 8,6 7,9 t g = 50 anos RC3 CEM III / IV 4,5,0,5 17,1 11,9 10,8 10,0 7, 5,0 4,5 4, 11, 7,8 7,1 6,5 3,0 16,1 11, 10, 9,4 3,5 4,0 4,5 1,9 15, 13,9 1,8 8,6 19,9 18,1 16,8 36, 5,,9 1,

21 EXEMPLO Ponte localizada no estuário de um rio Período de vida útil pretendido 10 anos CORTE TIPO XC4/XS1 XC4/XS3 XC4/XS3/XA1 XC/XS/XA1 Cálculo das propriedades de desempenho do betão para os elementos estruturais sujeitos à classe de exposição XS3

22 Classe de fiabilidade da estrutura RC3 Classe de exposição XS3 Recobrimento mínimo 50mm Recobrimento nominal 60mm Betão: cimento tipo IV; razão A/C : 0.35 Cálculo do período de iniciação: t ic = γ (t g t p ). Factores de segurança da vida útil γ Classes de fiabilidade Factor γ para o Estado Limite de Utilização RC3,8 RC,3 RC1,0

23 Período de propagação: t p = k φ 0 / (1,15 α I corr ) k = 0,1*(74,5 + 7,3 R/φ 0 17,4 f cd ) /(φ 0 /) R = 50mm 0 = 1 mm f cd = 4 MPa α = 8 I corr = 5 µa/cm t p = 0.38 anos t ic = γ t g t ic =.8 x 10 = 336 anos

24 Modelo de cálculo C ( x, t ) = C S 1 erf X D t C (x, t) = C(R,t i ) = C R (teor critico de cloretos) C R (% em massa do cimento) Água/cimento XS1; XS XS3 a/c 0,30 0,6 0,5 0,30 < a/c 0,40 0,5 0,4 a/c >0,40 0,4 0,3

25 C s = Cb ka / c k vert k hor k temp 0 ºC 10 ºC 15ºC 0 ºC 5ºC 30 ºC 35ºC, 1,5 1, 1,0 0,8 0,7 0,6 C b =3,0% nas classes XS e XS3 K a/c =,5 * (a/c) K a/c =,5 x 0.35 = C s =.65% Classe de exposição k vert XS1 0,7 XS 1 a 1m de profundidade 1,4 a 4 m de profundidade* XS3 1,0 Distância à linha de costa** K hor Km* 0,6 C ( x, t ) = C S 1 erf X D t 0.4 =.65 1 erf * D D = 1.67 mm /ano

26 Cálculo do coeficiente de difusão D 0 (LNEC E 463) a exigir ao betão de modo a garantir o período de vida de 10 anos para a estrutura D a (t) = D a (t 0 ) * (t 0 /t) n = k D,c * k D,RH * k D,T * D 0 * (t 0 /t) n Número de dias de cura k D,c normalizada,4 em contacto permanente com água Cofragem de permeabilidade controlada e 3 dias de cura húmida Classes de exposição CEM I / II* n 0,75 1,0 CEM III / IV XS1 0,55 0,65 XS 0,45 0,55 XS3 0,55 0,65 * Excepto CEM II-W, II-T, II/B-L e II/B-LL Classes de exposição K D,RH XS1 0,4 XS3 1,0 XS 1,0 Temperatura do betão (ºC) K D,T 30 ºC 1,5 5 ºC 1, 0 ºC 1,0 15 ºC 0,8 10 ºC 0,75 0 ºC 0,4 D 0 = 16 mm /ano = 5.1x10-1 m /s