Probabilistische Lebensdauerbemessung von Stahlbetonbauwerken
Zuverlässigkeitsbetrachtungen zur wirksamen Vermeidung von Bewehrungskorrosion
Gehlen, Christoph
Ein Bauwerk gilt dann als zuverlässig gegenüber einer bestimmten Einwirkung, wenn zum Ende der angestrebten Lebensdauer sowohl Gebrauchsgrenzzustände als auch Bruchgrenzzustände mit einer zuvor festgelegten Wahrscheinlichkeit nicht überschritten werden. Der Nachweis kann mit Hilfe einer vollprobabilistischen Zuverlässigkeitsanalyse erbracht werden. Ziel der hier vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines vollprobabilistischen Nachweiskonzeptes zur Dauerhaftigkeitsbemessung von Stahlbetonbauwerken. Im Rahmen dieser Arbeit werden die Mechanismen Carbonatisierung von Beton, Chloridpenetration in den Beton und jeweils die damit verbundene Korrosionsgefahr am Bewehrungsstahl betrachtet. – Die Bemessung, die sich auf ein wahrscheinlichkeitstheoretisches Sicherheitskonzept abstützt, impliziert, daß eine Gegenüberstellung von R und S unter Einbezug von Schadensfortschrittmodellen nicht allein auf Mittelwertbasis, sondern unter Berücksichtigung der Variabilität der einzelnen Para-meter durchzuführen ist. Zur Vorbereitung entsprechender Dauerhaftigkeitsbemessungen werden die Parameter, die auf die oben genannten Mechanismen einen entscheidenden Einfluß ausüben, auf der Grundlage physikalischer und chemischer Gesetzmäßigkeiten in Abhängigkeit zur Auslagerungszeit mit der modellierungs-technisch gebotenen Genauigkeit in funktionalen Zusammenhang gebracht. Die Modellbildung wird unter der Randbedingung durchgeführt, ein möglichst ausgewogenes Verhältnis zwischen Modell-komplexizität und Vorhersagegenauigkeit zu erreichen. Zur Beschreibung des zeitabhängigen Carbonatisierungs-fortschrittes und des zeitabhängigen Fortschreitens der Chlorid-eindringfront werden unter anderem prüfbare Material- und quantifizierbare Umweltparameter berücksichtigt, die einmal den Materialwiderstand R und im anderen Falle die Umwelteinwirkung S repräsentieren. Zur statistischen Beschreibung dieser Parameter gehört neben der Angabe zum Verteilungstyp, die Angabe des Mittelwertes, der Standardabweichung und in Einzelfällen auch eine Angabe zur Schiefe der Verteilung. – Die maßgebenden Diffusionswiderstände, die in Eignungsprüfungen unter definierten Randbe-dingungen zu einem festgelegten Referenzzeitpunkt geprüft werden, hängen nicht nur von der Mischungszusammensetzung des Betons, sondern auch stark von der verwendeten Zementart, und von den Zusatzstoffen ab. Im Falle der Carbonatisierung wurden bei vergleicharen Festigkeitsniveaus bindemittelabhängige Unter-schiede im Carbonatisierungswiderstand der Größenordnung 10 ge-funden. Rezepturabhängige Unterschiede, die für die untersuchten Bindemittelvariationen über einen Bereich von Wasserzementäquivalentwerten w/zÄqv = 0,40 bis w/zÄqv = 0,60 bestimmt wurden, waren in vergleichbarer Größenordnung. In ungünstigster Kombination ist danach eine materialabhängige Widerstandsspannweite von maximal 1:100 zu erwarten. Ähnliches gilt für den Chlorideindring-widerstand. Die sorgfältige Prüfung dieser Kennwerte hilft nicht nur das Material hinsichtlich seiner Widerstandsfähigkeit gegenüber der entsprechenden Einwirkung statistisch korrekt einzustufen bzw. zu beschreiben, sondern vor allem auch die richtige Materialauswahl zu treffen. – Unter Berücksichtigung der quantifizierten stochastischen Eingangsvariablen werden mit Hilfe der vorgestellten Modelle Zuverlässigkeitsbetrachtungen durchgeführt. Alle Berechnungen beziehen sich auf die Gebrauchsgrenz-zustände carbonatisierungsinduzierte und chloridinduzierte Depassivierung der Bewehrung. Die Ergebnisse der Analysen werden vor dem Hintergrund entsprechender Zuverlässigkeitsanforderungen zum Ende der technischen Lebensdauer beurteilt, die auf grob vereinfachter Wirtschaftlichkeitsüberlegung fußen. – Die Berechnungsergebnisse zeigen, daß bei richtiger Wahl des Materialwiderstandes, der über die Mischungsverhältnisse und die eingesetzten Zementarten und Zusatzstoffe eingestellt werden kann, eine carbonatisierungsinduzierte Korrosion mit den beispielsweise in der DIN 1045 geforderten Betondeckungen wirksam und zuverlässig verhindert werden. Hinsichtlich Carbonatisierung können folglich dauerhafte und nahezu wartungsfreie Bauwerke mit gewohntem wirt-schaftlichen Aufwand erstellt werden. Für chloridinduzierte Korrosion kann diese Einschätzung nicht übernommen werden. Es ist, wie an mehreren Beispielen gezeigt wird, z. T. ein erheblicher Aufwand erforderlich, um selbst mit optimierten Materialwiderständen die für das Bauwerk geforderte Zuverlässigkeit zu erzielen. – Am Ende der Ausführungen werden Hinweise darauf gegeben, wie das in dieser Arbeit beschriebene vollprobabilis-tisches Bemessungskonzept in Zukunft in ein semi-probabilistisches Bemessungs-konzept (Bemessung mit Hilfe von Teilsicherheitsbeiwerten) überführt werden kann. Nach voll-ständiger Ausarbeitung der Dauerhaftigkeitsbemessung mit Teilsicherheitsbeiwerten, könnte eine Ein-führung in Richtlinie und Norm erfolgen. –
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beton 11/2000 ab Seite 652
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