Содержание к диссертации
Введение
1. Напряженно-деформированное состояние и расчет поврежденных коррозией железобетонных изгибаемыхэлементов по прочности и деформативности 10
1.1. Физические модели деградационных процессов железобетонных конструкций 10
1.1.1 Деградационные процессы в бетоне 11
1.1.2 Деградационные процессы в арматуре 16
1.2. Физические и расчетные модели сопротивления железобетона, подверженного коррозии 26
1.3. Дефекты и повреждения железобетонных конструкций покрытий и перекрытий 32
1.4. Выводы. Цели и задачи исследований 39
2. Экспериментальные исследования прочности, трещиностойкости и деформативности железобетонных изгибаемых элементов в агрессивной среде с учетом влияния дефектов 40
2.1 Экспериментальные исследования железобетонных балок при длительном действии нагрузки 40
2.1.1. Цели, задачи и программа исследований 40
2.1.2. Объем эксперимента. Конструкции опытных образцов . 41
2.1.3. Методика проведения экспериментальных исследований 49
2.2. Результаты экспериментальных исследований и их анализ 55
2.2.1. Анализ величины и характера коррозионных повреждений арматурных стержней 56
2.2.2. Результаты испытаний железобетонных балок по прочности, трещиностойкости и деформативности 59
2.3. Основные результаты и выводы 74
3. Методика расчета поврежденных коррозией железобетонных изгибаемых элементов 75
3.1. Исходные положения и рабочие гипотезы 75
3.2. Методика определения величины коррозионных повреждений при расчете железобетонных элементов по прочности и деформативности 79
3.3. Метод расчета по прочности нормальных сечений поврежденных коррозией железобетонных элементов 85
3.4. Метод расчета деформативности поврежденных коррозией железобетонных элементов 89
3.5. Алгоритм расчета 94
3.6 Основные результаты и выводы 99
4. Численные исследования по прочности и деформативности поврежденных коррозией железобетонных изгибаемых элементов 100
4.1. Цели и задачи численных исследований 100
4.2. Исходные данные для расчета поврежденных коррозией железобетонных элементов по прочности и деформативности 100
4.3. Оценка достоверности предложенной математической модели развития коррозионных повреждений арматуры 102
4.4. Численные исследования прочности поврежденных коррозией железобетонных элементов 111
4.5. Численные исследования деформативности поврежденных коррозией железобетонных элементов 113
4.6. Рекомендации к прогнозированию прочности и деформативности железобетонных конструкций покрытий и перекрытий с коррозионными
повреждениями арматуры и оценке и их остаточного ресурса 122
4.7. Основные результаты и выводы 129
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 130
Список литературы
- Деградационные процессы в арматуре
- Объем эксперимента. Конструкции опытных образцов
- Методика определения величины коррозионных повреждений при расчете железобетонных элементов по прочности и деформативности
- Оценка достоверности предложенной математической модели развития коррозионных повреждений арматуры
Введение к работе
Актуальность темы исследования. При длительном периоде эксплуатации железобетонных конструкций в условиях агрессивной среды возникает необходимость в оценке их напряженно-деформированного состояния вследствие коррозионных повреждений, остаточного ресурса, учете уменьшения площади поперечного сечения арматуры.
Коррозия элементов железобетонных конструкций может привести к изменению прочностных характеристик материалов, расчетных схем и перераспределению усилий в сечениях конструкций, нарушению совместной работы бетона и арматуры и другим последствиям, снижающим их эксплуатационные параметры. Наиболее неблагоприятным последствием развития коррозионных процессов в железобетоне является снижение несущей способности конструкций, их эксплуатационной пригодности, несоответствие требованиям безопасности и предельным состояниям при проектных нагрузках.
Коррозия арматурной стали – одно самых распространенных эксплуатационных повреждений железобетонных конструкций перекрытий и покрытий. Происходящий процесс коррозии арматуры, как правило, вызван нарушением условий эксплуатации, действием агрессивной среды, снижением защитных свойств бетона, ошибками проектирования и дефектами изготовления конструкций. При этом ресурс эксплуатации конструкций существенно снижается.
В условиях хлоридной коррозии при определенной концентрации хлоридов бетон теряет защитные свойства по отношению к арматуре, коррозия развивается локально и вглубь стержня, приводя к значительным потерям площади его сечения, зачастую без видимых повреждений на поверхности бетона. Действию хлоридов подвержены конструкции перекрытий бассейнов, паркингов, мостов, а также конструкции, эксплуатируемые в условиях агрессивных промышленных вод, содержащих хлориды, или подверженные действию хлоридов воздушной среды.
В отечественных строительных нормах детально рассмотрены вопросы проектирования и расчета конструкций без коррозионных повреждений. При этом отсутствуют конкретные требования и рекомендации, учитывающие наличие коррозионных повреждений бетона и арматуры, а также их совместное влияние на прочность, деформативность и трещиностойкость конструкций.
Изучение вопросов коррозии также актуально при оценке остаточного ресурса конструкций с коррозионными повреждениями, в связи с обоснованным прогнозированием развития в них коррозионных процессов.
Вследствие этого, автором были проведены исследования прочности и деформативности железобетонных изгибаемых элементов с коррозионными повреждениями арматуры.
Степень разработанности темы исследования. Вопросы моделирования физических и химических процессов коррозии бетона и арматуры рассмотрены в работах С.Н. Алексеева, В.И. Бабушкина, А.А. Васильева, Б.В. Гусева, Ф.М. Иванова, В.М. Москвина, И.Г. Овчинникова, И.И. Овчинникова,
Н.К. Розенталя, Н.Д. Томашова, В.П. Чиркова, К. Андараде, К. Алонсо, Д.А. Гонсалеса и др.
Проблеме расчета железобетонных конструкций с различными коррозионными повреждениями посвящены исследования В.М Бондаренко, В.М. Бо-рисенко, А.В. Боровских, Р.Б. Гарибова, Е.А. Гузеева, Н.С. Дядькина, СВ. Маркова, С.И.Мутина, И.Г. Овчинникова, Е.Г. Пахомовой, А.И. Попеско, Л.М. Пухонто, В.И. Римшина, Н.В. Савицкого, А.А Серкулова, Г.А. Смоляго С.Н. Степанова, А.А. Тытюка и др.
Объект исследования - прочность и деформативность железобетонных изгибаемых элементов.
Предмет исследования - влияние процессов развития и накопления коррозионных повреждений стальной арматуры и бетона сжатой зоны на прочность и деформативность железобетонных изгибаемых элементов
Цель исследования - разработать методику расчета прочности нормальных сечений и деформативности железобетонных изгибаемых элементов, поврежденных коррозией. В соответствии с поставленной целью определены
задачи исследования:
-
Провести экспериментальные исследования по определению прочности и деформативности железобетонных балок, подверженных коррозии рабочей арматуры и имеющих заложенные в конструкции дефекты.
-
Разработать алгоритм и программу расчета железобетонных изгибаемых элементов с коррозионными повреждениями по прочности нормальных сечений и деформативности на ЭВМ.
-
Провести численные исследования по расчету прочности нормальных сечений и деформативности железобетонных изгибаемых элементов с коррозионными повреждениями с учетом влияния существующих дефектов.
Научная новизна исследования:
экспериментальные данные о накопленных коррозионных повреждениях стальной арматуры в агрессивной хлоридной среде, показавшие, что коррозионные повреждения арматуры представлены в виде отдельных близкорасположенных питтингов с неравномерной глубиной коррозии и затухающем характере ее развития;
новые экспериментальные данные прочности, деформативности и тре-щиностойкости железобетонных балок с коррозионными повреждениями и их изменением с течением времени;
математическая модель накопления коррозионных повреждений арматуры с течением времени, учитывающая величину защитного слоя бетона, агрессивность среды и динамику развития коррозионных процессов;
методика расчета по прочности и деформативности железобетонных изгибаемых элементов с коррозионными повреждениями, учитывающая реальные диаграммы деформирования бетона;
Практическая значимость работы. Разработаны рекомендации по прогнозированию прочности и деформативности железобетонных конструкций покрытий и перекрытий с коррозионными повреждениями и оценке их остаточного ресурса.
Методология исследования включает такие научные методы, как наблюдение и эксперимент - для проведения экспериментальных исследований железобетонных конструкций; анализ и моделирование - для построения теоретических зависимостей.
Достоверность результатов работы обеспечивается согласованностью с базовыми положениями нелинейной теории железобетона, удовлетворительным совпадением результатов расчета с экспериментальными исследованиями, а также соответствием результатов численного моделирования с экспериментальными данными автора и других исследователей, эксплуатационной пригодностью усиленных железобетонных конструкций.
Положения, выносимые на защиту:
результаты экспериментальных исследований железобетонных изгибаемых элементов с коррозионными повреждениями;
математическая модель развития коррозионных процессов арматуры в бетоне под действием агрессивной среды;
методика расчета поврежденных коррозией изгибаемых железобетонных элементов;
численные исследования прочности и деформативности изгибаемых железобетонных элементов с коррозионными повреждениями. Апробация результатов работы. Результаты диссертационной работы
были представлены и рассмотрены на:
Международной научно-технической конференции молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова. Белгород, 2013 г.;
Международной научной конференции «Актуальные вопросы строительной физики. Энергосбережение. Надежность строительных конструкций и экологическая безопасность», Москва. 2013 г.;
Международной научно-технической конференции молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова, Белгород, 12-23 мая 2014 г.;
III Всероссийской (II Международной) конференции по бетону и железобетону, МГСУ, Москва, 12-16 мая 2014 г;
Научно-технический семинар, ЮЗГУ, Курск, 12 декабря 2016 г.
В полном объеме работа рассмотрена и одобрена на заседании кафедры «Строительства и городского хозяйства» 14 февраля 2017 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, 6 из которых в изданиях, входящих в перечень ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Диссертация изложена на 143 страницах и содержит 128 страниц основного текста, 19 таблиц, 45 рисунков, 92 наименований списка литературы.
Деградационные процессы в арматуре
Коррозионные процессы в бетоне могут быть представлены в виде физико-химических процессов, происходящих в поровом пространстве бетона. Согласно работе Н.К. Розенталя и др. [28] в эксплуатируемых конструкциях наиболее частыми являются следующие повреждения: - деструкция бетона вследствие периодического замораживания и оттаивания, в особенности при одновременном действии растворов солей; - утрата бетоном защитного действия по отношению к стальной арматуре из-за карбонизации и проникания в бетон агрессивных к стали солей; - разрушение бетона техногенными и природными растворами кислот; - разрушение бетона в зоне капиллярного подсоса и испарения кристаллизирующими солями из растворов при наличии испаряющейся поверхности; - разрушение бетона от выщелачивания при фильтрации воды через слой бетона. Одним из главных факторов, влияющих на долговечность и работоспособность строительных конструкций, является наличие внешней агрессивной среды. Наибольшую опасность для железобетонных элементов представляют жидкие агрессивные среды, так как большинство коррозионных процессов - это химические реакции, возможность прохождения которых при обычных температурах требует наличия жидкой среды. Наиболее распространенной и общепринятой классификацией коррозионных процессов при контакте бетона с жидкостями является классификация В.М. Москвина [43,44], в которой выделены три основных вида коррозии, определяемые механизмом деградационных процессов. Следует отметить, что в чистом виде коррозия определенного вида протекает редко. Под действием агрессивной среды происходят коррозионные процессы всех трех видов, но в разной степени.
I-й вид коррозии отражает случаи действия воды и водных растворов, при которых происходит растворение и удаление из структуры бетона компонентов цементного камня. Так как гидроксид кальция является наиболее растворимым компонентом цементного камня на основе портландцемента, то коррозия бетона происходит вследствие выщелачивания извести. Коррозия I-го вида является наиболее опасной при фильтрации воды через тело бетона под напором в результате соприкосновения воды со значительной внутренней поверхностью цементного камня.
Вначале при постепенном выщелачивании Ca(OH)2 из цементного камня в раствор переходит свободный гидроксид кальция. Когда его значительная часть удаляется, начинается гидролиз гидросиликатов и гидроалюминатов кальция с выделением гидроксида кальция. По мере снижения концентрации CaO в растворе происходит разрушение других гидратов, стабильное существование которых возможно только в растворах гидроксида кальция определенной концентрации. При дальнейшем снижении его концентрации происходит полное разрушение силикатов: в твердой фазе остается только гель Si(OH)4. Установлено, что при потере 10% СаО прочность цементного камня снижается на 10%, при потере 20% – на 25%, при потере 30% – на 50%.
Признаками выщелачивания могут служить пятна белого налета на участках высыхания воды, вызванные карбонизацией растворенного в воде карбоната кальция под действием углекислоты воздуха.
Скорость выщелачивания зависит от проницаемости бетона, скорости фильтрации, температуры и состава воды, контактирующей с бетоном. Присутствие в растворе одноименных ионов (Са2+ и OH–) снижает, а присутствие посторонних (SO42–, Cl–, Na+, K+) повышает растворимость гидроксида кальция, ускоряя выщелачивание.
Повышению стойкости цементного камня к коррозии I-го вида способствует введение в состав цемента пуццолановых добавок, понижающих основность гидросиликатных новообразований. Процессы карбонизации поверхностного слоя бетона могут повысить его стойкость к выщелачиванию за счет образования труднорастворимых карбонатов кальция, уплотняющих поверхностные слои бетона.
II-й вид коррозии объединяет процессы химического взаимодействия кислот и кислых солей внешней среды с образованием соединений, которые не упрочняют структурные элементы цементного камня. Разрушение цементного камня идет в поверхностных слоях бетона, непосредственно соприкасающихся с агрессивной средой. Образование нерастворимых продуктов реакции может сформировать в бетоне прочный слой, определяющий дальнейшее развитие коррозии.
Наиболее часто встречающейся коррозией бетона II-го вида является коррозия под действием углекислых соединений, содержащихся в воздухе и воде. Угольная кислота в воде диссоциирует в две ступени: H2CO3 H+ + HCO3–; HCO3– H+ + CO32–. Если ионы H+, HCO3–, CO32– находятся в равновесном состоянии, то такая вода не будет агрессивной по отношению к бетону. В таком случае из бетона под действием гидроксида кальция выделяется CaCO3, который повышает плотность и прочность бетона. При этом карбонизация бетона защитного слоя снижает коррозионную стойкость арматуры вследствие ее депассивации. Снижение защитных свойств бетона по отношению к арматуре во многом определяет срок службы конструкции и более подробно рассмотрено в гл. 1.1.2.
При повышении содержания углекислого газа возможно нарушение равновесного состояния, что способно сделать среду агрессивной. В результате взаимодействия угольной кислоты с ранее образовавшимся карбонатом кальция, образуется бикарбонат кальция, являющийся легкорастворимым веществом, способным удаляться из тела бетона: H2CO3 + CaCO3 Ca(HCO3)2
Объем эксперимента. Конструкции опытных образцов
Подбор состава бетонной смеси был произведен согласно требованиям [23]. В целях уточнения состава бетонной смеси предварительно были проведены расчеты и изготовлены дополнительные вспомогательные образцы – бетонные кубы размерами 100x100x100 мм. Изготовление и хранение образцов производилось в лабораторных условиях. Кубы выдерживались в течение 28 суток до набора прочности, а затем были испытаны на прочность на сжатие в универсальной испытательной машине. В соответствии с расчетами и испытаниями образцов на прочность на сжатие, было установлено, что полученный бетон соответствует классу прочности В15.
Для изготовления всех основных и вспомогательных образцов в целях исключения влияния типов компонентов на прочностные характеристики бетона были использованы следующие одинаковые материалы: - портландцемент марки М400; - крупный заполнитель -щебень гранитный, фракция заполнителя 5-20 мм; - мелкий заполнитель - песок; Полученный состав бетона приведен в таблице 2.3. Таблица 2.3 - Состав бетонной смеси Класс бетона по прочности на сжатие Расход материалов на 1 м3 бетона, кг В/Ц Цемент щебень песок вода В15 260 1081 849 210 0,81 Бетонирование и хранение основных опытных производилось в лаборатории кафедры строительства и городского хозяйства БГТУ им В.Г. Шухова. Для изготовления двенадцати образцов балок было выполнено три замеса бетонной смеси: первый для образцов № 1 - № 4, второй для образцов № 5 - № 8, третий для образцов № 9 - № 12. Состав бетонной смеси принят согласно таблице 2.3, за исключением добавки хлорида натрия в соотношении 5% от массы цемента только в первый и второй замесы. Такое количество добавки NaCl обусловлено инициированием коррозии стальной арматуры с момента начала испытания, а также увеличением скорости протекания коррозионных процессов в связи с ограниченными сроками проведения исследований. Опытные образцы выдерживались в опалубке в течение 7 суток, после чего были извлечены и хранились до полного набора прочности в нормальных температурно-влажностных условиях.
Для определения деформаций усадки бетона балок после окончания их влажностного хранения были установлены индикаторы часового типа МИГ-1 с ценой деления 0,001 мм.
С целью определения механических характеристик бетона опытных образцов были изготовлены и испытаны вспомогательные образцы бетонных кубов и призм из бетона тех же замесов, что и основные образцы. Для каждого из трех бетонных замесов было изготовлено по четыре куба с размерами 100x100x100 мм и по три призмы с размерами 100x100х400 мм. Изготовление и хранение вспомогательных и основных образцов производилось в одинаковых условиях. Образцы кубов были использованы для испытаний на сжатие, три призмы были использованы для испытаний на растяжение при изгибе, остальные шесть призм были использованы для определения модуля упругости и призменной прочности. Возраст бетона вспомогательных образцов на момент испытаний соответствовал возрасту основных образцов балок при их испытании на прочность. Параметры образцов, проведение испытаний и обработка результатов производились согласно требованиям [20,22]. В результате проведенных испытаний были получены фактические значения прочностных и деформационных характеристик бетона, приведенных в таблице 2.4.
Класс бетона Начальныймодульупругости Eb,МПа Прочность на сжатие R, МПа Призменнаяпрочность Rb,МПа Прочность нарастяжение Rbt,МПа В15 17,910" 20,4 15,2 1,7 2.1.3. Методика проведения экспериментальных исследований Проведение основной части экспериментальных исследований можно представить в виде двух отдельных этапов: - длительные испытания железобетонных балок, в течение которых происходило накопление коррозионных повреждений арматуры; - кратковременные испытания железобетонных балок с доведением их до разрушения.
При проведении длительных испытаний было решено разделить образцы на две группы по продолжительности воздействия агрессивной среды. Первая группа со сроком действия агрессивной среды 14 месяцев включала в себя образцы под номерами 2, 4, 6, 8, 10 и 12; вторая группа со сроком действия агрессивной среды 21 месяц включала в себя образцы под номерами 1, 3, 5, 7, 9 и 11. Таким образом, основные и контрольные балки-близнецы были разделены по разным группам по продолжительности коррозионного воздействия в целях исследования динамики развития коррозионных процессов во времени. В каждой из получившихся групп балок представлены все типы исследуемых образцов. Данная продолжительность проведения длительных испытаний обусловлена необходимостью накопления достаточного уровня коррозионных повреждений, а также ограничениями сроков проведения всего исследования.
Проведение длительной части эксперимента также требовало приложения нагрузки на железобетонные элементы для моделирования работы конструкций в реальных условиях. Для этого была принята расчетная схема каждого элемента, приведенная на рисунке 2.5. Величина сосредоточенной силы P составила 0,7Pult , где Pult - величина предельно допустимой нагрузки, определенной в соответствии с требованиями [73].
Из возможных методов нагружения было принято гравитационное с использованием штучных грузов, так как оно обеспечивает достаточную точность величины нагрузки и является наиболее технически простым и удобным решением в условиях данного эксперимента. Рисунок 2.5. Расчетная схема при длительном нагружении основных образцов
С учетом вышеупомянутых требований был запроектирован и изготовлен испытательный стенд (рисунок 2.6), состоящий из прокатных стальных профилей. Стенд разработан с учетом размещения измерительных приборов, обработки образцов, одновременного загружения всех образцов и возможности проведения как длительных, так и кратковременных испытаний. Согласно предварительным расчетам конструкция стенда и сечения его элементов обеспечивают его необходимую прочность, жесткость и устойчивость. Деформации элементов стенда пренебрежимо малы в условиях данного эксперимента. Нагружение образцов происходило установкой грузов на специально разработанные подвесы, посредством которых нагрузка передавалась на траверсу, распределяющую вес грузов равномерно на 4 балки (2 балки в крайнем левом пролете). До полного нагружения было произведено 7 отдельных ступеней. Величина нагрузки на каждом этапе составляла примерно 10% от предельно допустимой. Время выдержки на каждом этапе составляло 10-15 мин. В качестве грузов были использованы стальные диски, пластины, бетонные кубы и призмы, масса которых была предварительно определена взвешиванием на лабораторных весах. Нагруженные образцы приведены на рисунке 2.7.
Методика определения величины коррозионных повреждений при расчете железобетонных элементов по прочности и деформативности
В целях разработки методики расчета поврежденных коррозией железобетонных элементов по прочности и деформативности разработана математическая модель развития коррозионных повреждений стальной арматуры с течением времени, основанная на экспериментальных данных автора, отраженных в главе 2, а также теоретических и экспериментальных работах других авторов.
В соответствии с результатами проведенных экспериментальных исследований автора, изложенных в главе 2, установлено, что наибольшее влияние коррозионных повреждений на прочность и деформативность железобетонных изгибаемых конструкций связано с уменьшением поперечного сечения стержней рабочей продольной арматуры. При этом влияние на прочность и деформативность железобетонных балок, подверженных агрессивной хлоридной среде, других повреждений, таких как образование продольных коррозионных трещин, снижение сцепления арматуры с бетоном, установлено не было. Также не было выявлено изменение механических характеристик арматурной стали в результате длительного накопления коррозионных повреждений. Таким образом, для математического моделирования развития коррозионных повреждений арматуры с течением времени в целях разработки методики расчета железобетонных элементов по прочности и деформативности были приняты следующие предпосылки и допущения:
В рамках модели рассматривается только коррозионный период, т.е. период, наступивший после депассивации стали в щелочной среде бетона, вызванный критическим содержанием хлорид ионов на поверхности стали.
1. Агрессивность среды по отношению к арматуре остается постоянной в пределах рассматриваемого периода времени.
2. Диффузионная проницаемость бетона защитного слоя к агрессивной среде остается постоянной в пределах рассматриваемого периода времени и не испытывает значительного влияния от образования в нем трещин.
3. Отсутствует явление коррозионного охрупчивания стали, механические характеристики арматурной стали остаются постоянными в пределах рассматриваемого периода времени.
4. Изменение сцепления арматуры с бетоном в результате накопления на контактной поверхности продуктов коррозии пренебрежимо мало или отсутствует.
Исходя из вышеизложенных положений, можно утверждать, что кинетика развития коррозионных повреждений будет зависеть от типа и агрессивности среды, направления движения ее фронта, накопления продуктов коррозии, диффузионной проницаемости бетона защитного слоя и его толщины. Также стоит отметить, что в связи с накоплением продуктов коррозии на поверхности арматуры, развитие коррозионных процессов имеет затухающий характер, что было подтверждено экспериментальными исследованиями в главе 2.
Таким образом, расчет железобетонных конструкций с коррозионными повреждениями сводится к анализу напряженно-деформированного состояния сечений элемента, в которых произошло изменение площади поперечного сечения рабочей арматуры. Изменение площади рабочей арматуры за определенный промежуток времени можно отразить следующим образом:
A s=As-AAs, (3.5) где As - остаточная площадь сечения арматуры, As – начальная площадь сечения арматуры, As – площадь сечения арматуры, потерянная в результате коррозии.
В научной литературе встречаются различные подходы к моделированию потери площади сечения арматуры и накопления продуктов коррозии. Наиболее распространена модель равномерного износа арматуры (рисунок 3.3, а) [15,38,83]. В рассматриваемом подходе глубина коррозии на поверхности стержня одинакова. Однако такой подход не соответствует случаям питтинговой коррозии, когда коррозия проявляется локально на поверхности арматуры. Некоторыми авторами [17, 49, 93, 110] рассмотрены модели локального износа арматуры, в которых потеря сечения происходит в пределах кругового сегмента или серповидной фигуры (рисунок 3.3, б, в, г). При таком подходе учитывается преимущественное развитие коррозии не по поверхности, а вглубь стержня, что соответствует характеру коррозионных повреждений арматуры в хлоридной среде, описанных в главе 2.
Для дальнейших расчетов принята модель коррозионного износа по круговому сегменту. Данная модель достаточно удобна в использовании, т.к. для определения площади арматуры, потерянной в результате коррозии, необходимы только величины глубины коррозии и радиуса стержня R. Также данная модель наиболее приближенно соответствует опытным данным. Тогда для определения потерянной площади арматуры As можно воспользоваться формулой для нахождения площади кругового сектора (3.6)
Так как поперечное сечение арматуры периодического профиля отличается от круга, рассмотренного на рис. 2.2, был проведен анализ изменения площади поперечного сечения на примере арматурных стержней серповидного профиля согласно ГОСТ 5781-82 и ГОСТ Р 52544-2006. Установлено, что периметр арматуры периодического профиля больше круглого до 15%, а величина потерянной площади арматуры при одинаковой глубине коррозии для периодического профиля превышает до 20% (рис. 2.3). Таким образом, предложено определять потерянную площадь арматуры As по следующей формуле (3.7) где – коэффициент, принимаемый равным 1,0 – для арматуры гладкого профиля, 1,2 – для арматуры периодического профиля.
В связи с тем, что при изменении поперечного сечения стержня по принятой схеме происходит смещение его геометрического центра тяжести, было изучено влияние уменьшения величины внутренней пары сил в следствие коррозии арматуры на прочность нормального сечения. Для этого были рассмотрены поперечные сечения железобетонных балок, использованных в экспериментальных исследованиях автора, конструктивные особенности которых приведены в главе 2 диссертации. Был произведен расчет элементов по прочности нормальных сечений при отсутствии коррозионных повреждений и с коррозией арматуры при значениях потерянной площади As, составляющей 5% и 20% от начальной. Выполнено два варианта расчета: с изначальной величиной h0 и с учетом изменения положения центра тяжести сечения стержня h0 . Результаты расчета приведены в таблице 3.1.
Оценка достоверности предложенной математической модели развития коррозионных повреждений арматуры
На начальных этапах нагружения опытные значения прогибов превышают теоретические в связи с наличием остаточного прогиба, полученного при длительных испытаниях, однако, в связи с этим, приращение опытных значений прогиба на данном участке меньше, и при достижении уровня нагружения, соответствующего условиям длительных испытаний, происходит наибольшее сближение точек опытных и теоретических кривых.
На основании теоретических и опытных значений прогибов, приведенных в таблице 4.6, можно судить о достаточно высокой точности определения прогибов железобетонных балок по разработанной методике. Следует отметить, что разработанная методика допускает значительно меньшие погрешности в сравнении с методикой, используемой в строительных нормах.
Таким образом, данная методика расчета предоставляет достоверные данные о деформировании изгибаемых элементов вплоть до их разрушения, учитывая разные параметры армирования конструкций, величину защитного слоя бетона и степень коррозионных повреждений.
Для анализа возможных дальнейших изменений деформативности образцов выполнен расчет их прогбов на уровнен нагружения 0,7Pразр для сроков действия агрессивной хлоридной среды до 5 лет. Результаты расчеты представлены в виде диаграмм «Прогиб - время» на рис. 4.22, 4.23.
В результате проведенных расчетов установлено, что за 5 лет прогиб образца с диаметром рабочей арматуры 6 мм и величиной защитного слоя 15 мм должен увеличиться на 23,4%, при этом балка с таким же армированием и защитным слоем 10 мм достигает предельного состояния по II-ой группе за 4 года. Увеличение прогибов образцов с диаметром рабочей арматуры 8 мм и величиной защитного слоя 15 мм и 10 мм составляет 14% и 20,3% соответственно. Аналогично с расчетом по I-ой группе предельных состояний, можно утверждать, что снижение защитного слоя бетона приводит к более высоким значениям увеличения прогибов в следствии коррозии и к последующему снижению долговечности конструкций.
В результате проведенных численных исследований можно считать целесообразным применение разработанной математической модели коррозионных повреждений арматуры с течением времени и метода расчета железобетонных изгибаемых элементов по прочности и деформативности для практических расчетов проектируемых и эксплуатируемых железобетонных конструкций перекрытий и покрытий с учетом особенностей их армирования и наличия дефектов изготовления. Также считается возможным использование данной методики для оценки остаточного ресурса прочности и деформативности таких конструкций.
Рекомендации к прогнозированию прочности и деформативности железобетонных конструкций покрытий и перекрытий с коррозионными повреждениями арматуры и оценке и их остаточного ресурса
Разработанная методика расчета железобетонных конструкций перекрытий и покрытий с коррозионными повреждениями обладает достаточно высокой достоверностью получаемых результатов и может быть использована как для прогнозирования прочности и деформативности конструкций, так и для оценки их остаточного ресурса.
Применение данной методики ограничено допущениями, принятыми в пункте 3.2, глава 3. При невыполнении указанных условий используемая методика может не обеспечить требуемую точность получаемых результатов.
В качестве исходных данных для расчета следует принимать достоверные геометрические параметры элементов и их сечений и фактические прочностно-деформационные характеристики материалов, основываясь на проектной документации и натурных обследованиях конструкций и учитывая имеющиеся дефекты.
Основная задача выполняемого расчета состоит в определении коэффициентов k и n в формуле 3.7, а также момента инициации коррозии. Определение неизвестных можно достигнуть путем решения системы трех уравнений с использованием данных о глубине коррозии д{ в соответствующий момент срока эксплуатации t{. 1- -( 1-О" = 0; \ja S2- -(t20)" =0; (4.1) s3- -(t30)" = 0. При отсутствии необходимого количества данных можно воспользоваться расчетными моделями определения периода инициации коррозии (1.1-1.12). Тогда, при ti = t0, Si = 0, определение неизвестных сводится к решению системы двух уравнений.
При отсутствии данных о величине глубины коррозии в течение срока эксплуатации конструкции допускается использование значения коэффициента п, принятого в пределах 0,5…0,8. Таким образом, определение закона изменения глубины коррозии с течением времени сводится к решению уравнения, определяющего величину глубины коррозии S в текущий момент срока службы конструкции Ґ. S- r-(t0)" =0. (4.2)
После определения значений коэффициентов кип, следует определять величину коррозии Si в любой интересующий момент срока эксплуатации tt: =kr-{h-h)n. (4.3) \la Дальнейший расчет следует вести в соответствии с алгоритмом, приведенным в пункте 3.5, глава 3.
В случае необходимости определения величины остаточной площади арматуры в соответствии с (3.5, 3.6) первоначально следует определять остаточную площадь для одного стержня каждого из используемых диаметров арматуры, а затем определять суммарную остаточную площадь арматуры в сечении элемента.
Для оценки остаточного срока службы конструкции следует установить условия безопасной работы конструкции в соответствии с предъявляемыми требованиями долговечности и надежности ее эксплуатации: P(t) F; (4.4) f(t) f, (4.5) где P(t) и f(t) - величина внешней нагрузки, воспринимаемой сечением элемента и его наибольшая величина прогиба в определенный момент времени эксплуатации t соответственно, Р и/ - их предельно допустимые значения.
Для определения остаточного ресурса конструкции возможно с использованием алгоритма, приведенного в пункте 3.5, глава 3, путем итерационного подбора параметра t с определенным шагом и применением оператора цикла, выполняющего итерации до тех пор, пока выполняются условия (4.4, 4.5). Наибольшее значение параметра t, в таком случае, и будет соответствовать величине прогнозируемого остаточного срока службы конструкции.