Styrkeberegning av eksisterende og nye vinkelstøttemurer: Dimensjoneringsmetoder, utførelse og effekt av lokal korrosjon

Abstract

Armeringskorrosjon er en velkjent skademekanisme for betongkonstruksjoner i utsatt miljø, som i verste fall kan føre til kollaps hvis skadene blir store nok. For mange konstruksjonstyper kan skader som følge av korrosjon oppdages ved inspeksjon før skadenivået når et kritisk stadium. For en vinkelstøttemur er ikke dette tilfellet, da konstruksjonens mest kritiske snitt ligger nederst i veggen med strekkarmering på baksiden, tildekt av jordmasser. En vinkelmurs største armeringsareal, som er kritisk for konstruksjonens bæring, ligger på strekksiden av veggen, utilgjengelig for inspeksjon og med potensielt store riss og muligheter for tilførsel av fukt og klorider til armeringen. Utfordringen med en slik situasjon er at man ikke kan vite tilstanden til strekkarmeringen i en vinkelstøttemurs vegg, i støpeskjøten ved overgang mellom vegg og fundament, uten en inspeksjon som krever utgraving av masser eller kjerneboring. Tilstanden til en gammel eksisterende vegg trenger ikke være kritisk, men flere nyere studier fra Sør-Europa viser at dette er et reellt problem og det finnes flere eksempler på vinkelstøttemurer som har gått til brudd ved kollaps av veggen grunnet lokal korrosjon i den kritiske armeringen nederst i veggen. Selv om en vinkelstøttemur kan anses som en relativt enkel konstruksjonstype, i form av at veggen opptrer som en vertikal utkrager som tar opp de horisontalt opptredende kreftene som følge av bakenforliggende masser, er den også relativ kompleks i så måte at det er flere parametere som spiller inn for kapasitet og levetid. Denne oppgaven belyser derfor først de grunnleggende prinsippene for dimensjoneringsprosessen av denne konstruksjonstypen. Ved først å vise beregningsgangen og dimensjonere 6 ulike fiktive vinkelstøttemurer, ser oppgaven videre på hvordan ulike dimensjoneringsforutsetninger påvirker kapasiteten, rissvidder og korrosjonsbestandigheten til aktuelle støttemurer. Oppgaven viser at vinkelstøttemurer dimensjonert etter en eldre standard uten rissviddekrav og med en tillatt på overdekning lik 35mm for strekkarmering i veggens innside, potensielt kan ha en høy utnyttelsesgrad allerede ved ferdigstillelse og derfor en lav robusthet mot lokal korrosjon. Rissvidder opp til 0.4mm i vegg, og potensielt enda større i støpeskjøt, fører til en konstruksjon der armeringen vil være korrosjonsutsatt. En korrosjonsgrad på 3-4% kan i et slikt tilfelle være kritisk for konstruksjonens kapasitet. Store riss, lav overdekning, tilgang på fukt ved dårlig drenering og en høy utnyttelsesgrad i strekkarmeringen vil sammen være kritisk for en eksisterende vinkelstøttemur med tanke på kapasitet. Beregninger viser at et tap av armeringsareal på 10 % ved lokal korrosjon kan gi en kapasitetsreduksjon på 25%. Vinkelstøttemurer konstruert etter dagens regler med rissviddekrav og større overdekning, vil etter all sannsynlighet være vesentlig mer bestandig mot lokal korrosjon. Lav utnyttelsesgrad, lav rissvidde, stor overdekning og god drenering i bakkant er viktige faktorer for å oppnå en god robusthet mot korrosjon.

Corrosion of reinforcement is a well-known damage mechanism for concrete structures in exposed environments, which can potentially lead to collapse if the damage becomes significant. For many types of structures, corrosion-induced damage can be detected through inspection before reaching a critical stage. However, for a cantilever retaining wall where the backside of the wall is covered by soil, this is not the case. The largest reinforcement area, critical for the structure's load-bearing capacity, is on the tension side (back) of the wall, inaccessible for inspection and potentially prone to significant cracks, moisture ingress, and chloride exposure to the reinforcement. The challenge in such a situation is the inability to assess the condition of the tension reinforcement, particularly at the joint between the wall and the foundation, without an inspection involving excavation or core drilling. The condition of an old existing wall is not necessery critical for all cases, but recent studies in Southern Europe indicate that this is a real concern. There are examples of cantilevered retaining walls collapsing due to local corrosion in the critical reinforcement at the bottom of the wall. Despite a cantilevered retaining wall being a relatively straightforward type of structure, where the wall acts as a vertical cantilever supporting horizontal forces from the soil-pressure, it is complex in terms of all the parameters influencing its capacity and lifespan. This thesis first outlines the fundamental principles of the design process for this type of structure. By first demonstrating the calculation procedure and designing six hypothetical cantilevered retaining walls, the thesis further explores how different design assumptions affect the capacity, crack widths, and corrosion resistance of the relevant retaining walls. The thesis reveals that cantilevered retaining walls designed according to an older standard without crack width requirements and with an allowable cover depth of 35mm for the reinforcement on the inner side of the wall, may potentially have a high utilization degree already at completion, resulting in low resistance to local corrosion. Crack widths up to 0.4mm in the wall, and potentially even larger at the joint, leads to a structure where the reinforcement is susceptible to corrosion. A corrosion rate of 3-4% may be critical for the structure's capacity in such cases. Large crack widths, low cover depth, the possibility of moisture ingress due to poor drainage, and an high utilization degree of the tension reinforcement, may together pose a critical risk to an existing cantilevered retaining wall in terms of capacity. Calculations demonstrate that a loss of 10% of reinforcement area due to local corrosion can result in a 25% reduction in capacity. Cantilevered retaining walls constructed according to current regulations with crack width requirements and greater cover depth will likely be significantly more resistant to local corrosion. Low utilization degree, small crack widths, large cover depth, and an effective drainage system at the back are essential factors for achieving a robust corrosion resistance in the structure.