Ein performance-basiertes Konzept zur Dauerhaftigkeitsbemessung chemisch beanspruchter Betonbauteile

Abstract

Die Sicherstellung der Dauerhaftigkeit chemisch beanspruchter Betonbauteile und Betonbauwerke erfolgt nach dem derzeit gültigen Normenwerk deskriptiv. Das auf Erfahrungswerten beruhende Nachweiskonzept stößt jedoch an Grenzen, wenn durch den Einsatz neuer Betone, Baustoffe und Bauweisen der normativ abgesicherte Erfahrungsbereich verlassen wird. Um die Grenzen des derzeitigen deskriptiven Nachweiskonzepts zu überwinden, wurde in dieser Arbeit ein performance-basiertes Konzept zur Dauerhaftigkeitsbemessung chemisch beanspruchter Betonbauteile entwickelt. Durch eine Berücksichtigung der beim chemischen Angriff ablaufenden Schädigungsprozesse und der zu erwartenden Einwirkungen und Materialwiderstände wird damit eine quantitative Bemessung der Dauerhaftigkeit ermöglicht. Für die Bemessung der Dauerhaftigkeit ist es zunächst erforderlich, dass die Betonleistungsfähigkeit auf Baustoffebene (Materialwiderstand) bestimmt wird. Hierfür wurde ein auf Prüfgrundsätzen (Anforderungen an Prüfparameter) basierendes Prüfkonzept entwickelt, das es ermöglicht, derzeit existierende Prüfverfahren zu vereinheitlichen. Mithilfe der Prüfgrundsätze wird sichergestellt, dass die in Säureprüfungen gewählten Angriffs- und Randbedingungen zu einer vergleichbaren Einwirkung führen und somit die Vergleich- und Reproduzierbarkeit von Untersuchungsergebnissen gewährleisten. Um die Auswirkung baustofflicher Schädigungsprozesse auf makroskopische Eigenschaften und das Tragverhalten zu berücksichtigen, erfolgt der Nachweis der Dauerhaftigkeit auf Bauteilebene. Um die dafür erforderliche Entwicklung der Bauteilschädigung beschreiben zu können, wurde ein physikalisch begründetes Diffusions-Abtrags-Modell entwickelt. Dieses beschreibt den Transport der angreifenden H3O+-Ionen in der geschädigten Zone, deren chemische Umsetzung an der Korrosionsfront sowie den oberflächigen Abtrag der geschädigten Zone, wobei der mithilfe des Prüfkonzepts ermittelte Materialwiderstand in das Modell einfließt. Die eigentliche Bemessung erfolgt mithilfe eines Nachweiskonzepts durch eine grenzzustandsbezogene Zuverlässigkeitsbetrachtung, in der eine zulässige Schädigungstiefe einer zeitveränderlichen Schädigungstiefe gegenübergestellt wird, wobei letztere mithilfe des entwickelten Diffusions-Abtrags-Modells ermittelt werden kann. Innerhalb des Nachweiskonzepts stehen mit einem voll- und semiprobabilistischen Nachweisverfahren sowie einem vereinfachten Nachweisverfahren mit Bemessungsnomogrammen unterschiedliche Bemessungsformate zur Verfügung, die es ermöglichen, unterschiedliche Strategien zur Sicherstellung der Dauerhaftigkeit (z. B. Betone mit erhöhtem Säurewiderstand oder Opferbetonkonzepte) sowie deren Kombination zu bemessen, zu vergleichen und begründet auszuwählen.

The current design approach to ensure durability of concrete structures in acidic environments ist commonly based on prescriptive specifications. Due to the lack of proven experiences, this design approach has its limitation when using innovative concretes, novel constituent materials and construction methods. In order to overcome the limitations of the prescriptive design approach, a performance-based design concept for durability design of concrete structures in acidic environments has been developed in this thesis. This concept allows a quantitative consideration of durability by taking into account the degradation processes caused by acidic environments as well as the environmental load and material resistance. The design approach first requires the determination of the material resistance. Therefore, a testing approach has been developed which offers the possibility to standardise existing test methods. The standardisation of existing test methods is achieved by testing principles which ensure roughly comparable exposure conditions during testing and therefore lead to comparable and reproducible test results. Considering acid attacks on concrete structures, reduced structural dimensions have to be assumed at the end of the service life due to the formation of corroded surface layer with low mechanical strength. Therefore, it is necessary to consider the degradation of the structural component. To describe the degradation of the structural component, a diffusion-erosion-model has been developed. This model describes (i) the transport of H3O+-ions in the corroded surface layer, (ii) the chemical reactions at the corrosion front, and (iii) the erosion of the corroded surface layer. As model input parameter, the material resistance determined by the developed testing approach is used. For the actual design of the structural components, the time-varying degradation as a result of the diffusion-erosion-model has to be compared with the permissible degradation depth by using a reliability-based limit state. For the analysis of the limit state, the developed performance-based concept offers different design levels including (i) a fully probabilistic approach, (ii) a semi-probabilistic approach, and (iii) a simplified design approach with design nomograms. These different design levels can be used for a quantitative estimation of concrete durability. With these different design levels, the service life of concrete structures in acidic environments can be estimated and hence allow for a quantitative consideration of concrete durability.