Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

ОЦЕНКА ДОЛГОВЕЧНОСТИ КОРРОЗИОННО-ПОВРЕЖДЕННЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА БАЗЕ ДИАХРОННОЙ МОДЕЛИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ

Никитин С.Е. 1
1 ЗАО "Гипробум-Пеуру"
Отмечается актуальность разработки методологически единых подходов к оценке эксплуатационных и предельных состояний железобетонных элементов при одновременном воздействии силовых нагрузок и агрессивных сред. Предлагается диахронная модель деформирования коррозионно-поврежденных изгибаемых железобетонных элементов с макротрещинами (швами). Приводятся результаты численных экспериментов. Проводится верификация предлагаемой модели с лабораторными экспериментами различных авторов. Обсуждается возможность прямой оценки проектного и остаточного ресурса элементов. Предлагается графоаналитическая методика определения проектного ресурса вновь возводимых и остаточный ресурс эксплуатируемых изгибаемых железобетонных конструкций. Рассчитан срок службы ригеля серии 1.020-1/87, работающего в агрессивной промышленной среде. Выявлено, что даже при нормативных показателях рабочей среды происходит существенно снижение несущей способности рассматриваемого ригеля – до 12,4% за 50 лет. Приводится расширенная номенклатура наступления предельного состояния.
долговечность
агрессивное воздействие
Железобетонные конструкции
1. Коррозия бетона и железобетона, методы их защиты / В. М.Москвин [и др.]; под общ. ред. В. М. Москвина. - М.: Стройиздат, 1980. - 536 с., ил.
2. Никитин С. Е., Белов В. В. Верификация расчетной модели деформирования коррозионно-поврежденных железобетонных конструкций // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Серия «Наука и образование». - 2011 г. - № 4. - С. 252-258.
3. Никитин С. Е., Белов В. В. Диахронная модель деформирования коррозионно-поврежденных железобетонных элементов с трещинами // Вестник гражданских инженеров СПбГАСУ. - 2011. - № 4. - С. 18-25.
4. Попеско А. И. Работоспособность железобетонных конструкций, подверженных коррозии - СПб.: СПб гос. архит.-строит. ун-т., 1996. - 182 с.
5. Rabczuk T., Belytschko T. Application of particle methods to static fracture of reinforced concrete structures // International Journal of Fracture. - 2006. - № 137. - P. 19-49.
6. Schlune H. Bond of Corroded Reinforcement. Analytical description of the bond-slip response. Chalmers University of Technology. Master`s thesis 2006:107. - Göteborg, Sweden.: 2006. - 85 p.
Разрушающему воздействию агрессивных атмосферных и производственных сред подвергается большинство строительных конструкций. Из-за необходимости проведения ремонтов и усиления конструкций ущерб от этих воздействий превышает 5 % общемирового валового дохода. В Российской Федерации указанные потери оцениваются в настоящее время в 20-25 млрд рублей ежегодно. Парирование этой глобальной угрозы затруднено, в том числе, и по причине неполноты соответствия современным вызовам имеющейся научно-методической базы.

Целью настоящего исследования является разработка инженерно-ориентированного метода оценки эксплуатационного состояния, несущей способности, а также проектного или остаточного ресурса коррозионно-поврежденных изгибаемых железобетонных элементов.

Диахронная модель рассматривает напряженно-деформированное состояние изгибаемого железобетонного элемента с симметричным в плоскости изгиба поперечным сечением площадью S и двойным армированием. В случае поперечного изгиба предполагается превалирующей роль изгибающего момента M и продольного усилия N при пренебрежимом влиянии перерезывающих сил. Образование и развитие системы нормальных трещин в растянутой зоне бетона происходит при достижении момента трещинообразования Mcrc. Преимущественно трещины располагаются на примерно одинаковом расстоянии - Lcrc = 2L одна от другой, имеют почти одинаковую глубину hcrc и ширину раскрытия acrc (рис. 1).

 

Рис. 1. Схема элемента при силовых и коррозионных воздействиях

Далее изгибаемый элемент рассматривается как детерминировано-регулярная контактная система деформируемых блоков, разделенных равноотстоящими трещинами. Блоки взаимодействуют в области сохраняющего сплошность бетона, а также посредством сжатой A's и растянутой As стержневой арматуры. При этом напряженно-деформированное состояние нетрещиностойкого элемента является циклически симметричным относительно характерных сечений двух типов: с трещинами (l=±L) и равноудаленных от смежных трещин-близнецов (l=0). При таком подходе проблема определения напряженно-деформированного состояния элемента сводится к решению задачи для симметричной половины S x L характерного блока [2, 3].

Основными факторами негативного влияния агрессивных воздействий на железобетонный элемент являются:

  • деградация прочностных и деформационных свойств сжатого и растянутого бетона;
  • коррозия арматурных стержней;
  • повреждения сцепления растянутой арматуры с бетоном;

Изменение геометрических и механических параметров бетона зависит от направленности агрессивного воздействия - с боковых граней сечения δs, со стороны сжатой δt и / или растянутой зоны δb, а также вида и интенсивности агрессии. Изменчивость свойств бетона по глубине схематизируется трехзонной моделью:

  • полностью разрушенный бетон (уменьшение начальных габаритов сечения);
  • слой частично-поврежденного бетона, в пределах которого деформационные (Eb, ebu, ebtR) и прочностные (Rb, Rbt) характеристики линейно изменяются - от нулевого (минимального) до номинального значения;
  • неповрежденный бетон, сохранивший номинальные характеристики.

При отсутствии полностью разрушенного бетона пониженные характеристики краевых волокон бетона эксплуатируемых сооружений устанавливаются по результатам технического обследования. Для проектируемых сооружений аналогичные параметры определяются в соответствии с принятыми моделями деградации (например, диссипативная модель В. М. Бондаренко, степенные функции А. И. Попеско [4]).

Одновременно, за счет снижения начального модуля деформации Eb, сопротивлений Rb, Rbt и базовых деформаций εR и εb ul в пределах коррозионно-поврежденного слоя трансформируются исходные диаграммы деформирования сжатого и растянутого бетона (рис. 2).

 

Рис. 2. Трансформация диаграмм деформирования бетона при сжатии и растяжении

Изменение модуля деформации бетона Eb,ar,c описывается степенной функцией с коэффициентами аппроксимации, полученной методами регрессионного анализа:  (t - время воздействия, aE, bE - эмпирические коэффициенты).

Равномерная и питтинговая коррозия металла отражается независимым либо согласованным (в зависимости от направленности и характера агрессивного воздействия) уменьшением исходных поперечных сечений растянутой As и сжатой A's арматуры, с учетом неравномерности коррозии арматуры по длине блока.

Учитывается влияние уровня напряжений и вида напряженного состояния на скорость проникновения агрессивных веществ в тело бетона. Так, усиленная деструкция бетона имеет место в сечении с трещиной. За счет прямого доступа агрессивных сред через раскрытую трещину здесь формируется и локальный максимум потери площади растянутой арматуры (рис. 1).

Коррозионные повреждения контактной системы «арматура-бетон» обусловлены суперпозицией избыточного давления продуктов коррозии арматуры, превышающих первоначальный объем металла в 2-4 раза, и расклинивающего эффекта при выходе профилированного арматурного стержня из бетона. Сложный физический процесс моделируются путем трансформации закона сцепления «τсц - g» и снижения длины активного сцепления.

Локальный закон сцепления трансформируется в соответствии с [6] за счет введения дополнительных смещений арматуры относительно бетона , где Δrs - глубина коррозии арматуры, m - эмпирический коэффициент. При этом исходный график функции «τсц - g» как жесткое целое смещается в отрицательную область оси абсцисс -  на .

При проведении практических расчетов критические распорные и касательные напряжения определялись по упрощенным зависимостям [5].

Критерием образования вторичных продольных трещин, исходящих из вершин поперечных и обусловливающих прогрессирующее расслоение элемента, принимается . Откалывающие напряжения σspl (рис. 3) определяются как:

Рис. 3. Расчетная схема расслоения элемента

Ширину раскрытия пионерной трещины acrc и шаг трещин Lcrc определяются в соответствии с мультиплексной моделью сцепления Gambarova P. G.:

  (1)

 (2)

Выполнена верификация предлагаемой диахронной модели с лабораторными испытаниями разных авторов: Maaddawy T. E., Mangat P. S. и Попеско А.И [4] (таблица 1).

Таблица 1. Схемы экспериментов

 

Результаты лабораторных экспериментов и расчетов по диахронной модели сведены в таблицу 2. Отклонение результатов расчетов разрушающего изгибающего момента Mult не превышают 12 %, среднеквадратическое отклонение составило 8,9 %. Отклонение результатов расчетов прогиба f находится в пределах 30 %, среднеквадратическое отклонение составило 22,4 %. Важно отметить, что фактический и прогнозируемый по диахронной модели вид разрушения совпадают. Ввиду хорошего соответствия теоретических и фактических результатов можно рекомендовать диахронную модель для применения в инженерной практике.

Таблица 2. Сравнение экспериментальных и теоретических результатов

Элемент

Эксперимен-тальные результаты

Результаты расчетов по СП 52-101-2003

Результаты расчетов по диахронной модели

ΔM= 

Δf=  

Вид разрушения

-

Длительность воздействия (с коэф. ускорения)

лет

Mult, кН∙м

f, мм

Mult, кН∙м

f, мм

Mult, кН∙м

f, мм

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

Maaddawy T. E., Soudki K., Topper T.

Контроль

37,50

15,63

44,01

22,8

36,5

13,21

-2,7

-18,3

текучесть арматуры

0

CS-50

33,04

12,34

-

-

33,3

10,57

0,8

-16,7

н/д

CS-110

32,30

8,93

-

-

31,2

7,86

3,5

-13,6

CS-210

32,09*

8,41

-

-

28,8

6,69

-11,4*

-25,7

CS-310

28,43

7,42

-

-

26,15

6,15

8,7

-20,7

Mangat P. S., Elgarf M. S.

Контроль

9,1

2,1

9,35

7,82

8,95

2,96

-1,7

29.1

нет данных

0

1,25 %

8,54

2,0

-

-

8,60

2,75

0,7

27.3

0,54

2,50 %

8,12

1,9

-

-

8,15

2,53

0,4

24.9

1,08

3,75 %

7,28

1,8

-

-

7,35

2,31

1,0

22.1

1,62

5,00 %

6,58

1,7

-

-

6,45

2,18

-2,0

22.0

2,16

7,50 %

4,72

1,5

-

-

5,20

1,91

9,2

21.5

3,24

10,00 %

3,64

1,3

-

-

3,75

1,71

2,9

24.0

4,32

Попеско А. И.

Контроль

2,818

3,64

2,89

4,14

2,74

3,6

3.6

-7.1

нет данных

0

HCl 180 с

2,713

4,74

-

-

2,71

3.36

4.7

-41.1

0,5

HCl 180 cр

2,960

3,46

-

-

2,71

3.36

3.5

-3.0

0,5

HCl 180 в

3,010

3,05

-

-

2,65

3.33

3.1

8.4

0,5

HCl 360 с

2,748

3,33

-

-

2,665

3.33

3.3

0.0

1

HCl 360 ср

2,975

2,74

-

-

2,66

3.33

2.7

17.7

1

HCl 360 в

2,844

2,67

-

-

2,6

3.30

2.7

19.1

1

HCl 720 с

2,450

3,84

-

-

2,61

3.30

3.8

-16.4

2

HCl 720 ср

2.800

2,68

-

-

2,605

3.30

2.7

18.8

2

HCl 720 в

2.713

3,17

-

-

2,52

2.75

3.2

-15.3

2

H2SO4180в

2,896

2,59

-

-

2,72

3.36

2.6

22.9

0,5

H2SO4360в

2.835

2,97

-

-

2,7

3.35

3.0

11.3

1

H2SO4720в

2.713

2,43

-

-

2,66

3.33

2.4

27.0

2

                               

Предлагаемая диахронная модель позволяет определить ресурс железобетонных элементов работающих при совместном силовом и коррозионном воздействиях. Решение задачи ведется графо-аналитически в следующей последовательности:

  1. В разрешающие уравнения вводятся принятые характеристики бетона и арматуры, габариты сечения.
  2. На основании данных об агрессивной среде эксплуатации по реономным моделям деградации бетона и арматуры определяется физико-механические свойства материалов в моменты времени t1, t2, t3 и т. д. При ожидаемом сроке службы, например, 50 лет, принимаются t1=0, t2=25, t3=50 годам.
  3. Определение напряженно-деформированного состояния элемента и предельного момента Mult1, Mult2, Mult3 и т.д. и всех других параметров оценки наступления предельных состояний во время соответственно - t1, t2, t3 и т.д.

Рис. 4. Прогнозируемая несущая способность ригеля РДП 4.56-70 AIIIв

По предложенной методике определен срок службы ригеля серии 1.020-1/87, работающего в агрессивной промышленной среде. Выявлено, что даже при нормативных показателях рабочей среды (паров H2SO4 до 0,145 мг/л, H2S до 0,01 мг/л и CS2 до 0,03 мг/л при относительной влажности 80-85 %) происходит существенное снижение несущей способности рассматриваемого ригеля - до 12,4 % за 50 лет (рис. 4). Срок службы рассматриваемого ригеля составляет 6,5 лет. Для обеспечения нормативного срока эксплуатации 50 лет рекомендовано применение вторичной защиты.

Предполагая неизменным характер и интенсивность деградационного воздействия окружающей среды, с помощью диахронной модели деформирования, задаваясь реономными моделями деградации бетона и арматуры, возможно прямое определение проектного ресурса вновь возводимых и остаточный ресурс эксплуатируемых изгибаемых железобетонных конструкций по наступлению следующих предельных состояний:

  • достижение растянутой арматурой в трещине предела текучести по условию ss=Rs;
  • исчерпание несущей способности сжатого бетона в сечении с трещиной по условиям eb=ebul либо sb=Rb;
  • разрушение системы сцепления из условия β=1;
  • расслоение элементов с образованием и развитием вторичных трещин, исходящих из вершин пионерных трещин, по условию sz=Rbt;
  • чрезмерность раскрытия трещин аcrc=acrc,ult.

Важно отметить, что применение такой методики впервые открывает возможность актуального повышения экономической эффективности проектных решений путем обеспечения однородной долговечности железобетонных конструкций с синхронизацией проектного ресурса отдельных зон, элементов и частей зданий и сооружений.

Рецензенты:

  • Белов В. В., д.т.н., главный специалист по железобетонным конструкциям ОАО «Санкт-Петербургский НИПКИ "Атомэнергопроект"», г. Санкт-Петербург.
  • Лалин В. В., д.т.н., профессор, зав. каф. СМиТУ ФГБОУ ВПО «СПбГПУ», г. Санкт-Петербург.

Библиографическая ссылка

Никитин С.Е. ОЦЕНКА ДОЛГОВЕЧНОСТИ КОРРОЗИОННО-ПОВРЕЖДЕННЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА БАЗЕ ДИАХРОННОЙ МОДЕЛИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 2.;
URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=5914 (дата обращения: 15.12.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074