Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса исследования.
1.1 Введение 6
1.2 Коррозионные повреждения бетона 8
1.3 Коррозионные повреждения арматуры 13
1.4 Оценка сопротивления поврежденных коррозией железобетонных элементов 21'
1.5 Виды разрушения железобетонных элементов по наклонным сечениям 29
Выводы по главе 1 36
Глава 2. Расчетная модель поврежденного коррозией изгибаемого железобетонного элемента по наклонным сечениям .
2.1 Состояние устойчивого и неустойчивого развития глубины повреждения в зависимости от уровня напряженного состояния 37
2.2 Предпосылки и обоснование расчетной модели исследования 50
2.3.Отличительные особенности оценки прочности железобетонных элементов с учетом коррозионных повреждений от традиционных расчетов по наклонным сечениям 59
Выводы по главе 2. 62
Глава 3. Оценка силового сопротивления по наклонным сечениям поврежденных коррозией железобетонных элементов .
3.1. Алгоритм расчета железобетонного элемента по наклонным сечениям с учетом коррозионных повреждений 64
3.2. Влияние различных сочетаний параметров на изменение силового сопротивления от коррозионных повреждений 69
3.3. Оценка возможности разрушений по наклонным сечениям, поврежденных коррозией 77
Выводы по главе 3. 83
Глава 4. Модели и расчеты усиления изгибаеых железобетонных элементов по наклонным сечениям .
4.1 Задача восстановления силового сопротивления железобетона 84
4.2. Способы восстановления несущей способности поврежденных опорных частей элементов, работающих на восприятие поперечной нагрузки 86
4.2.1. Усиление наращиванием 86
4.2.2. Усиление дополнительным поперечным армированием 89
4.3. Количественная оценка конструктивной безопасности 94
Выводы по главе 4 98
Основные выводы 99
Библиографический список
- Коррозионные повреждения арматуры
- Предпосылки и обоснование расчетной модели исследования
- Влияние различных сочетаний параметров на изменение силового сопротивления от коррозионных повреждений
- Способы восстановления несущей способности поврежденных опорных частей элементов, работающих на восприятие поперечной нагрузки
Введение к работе
Реконструкция зданий и сооружений в последнее время занимает значительную часть в общем объеме строительных работ, что обусловлено с одной стороны физическим и моральным износом существующих строительных фондов, с другой— их технологическим перевооружением и перепрофилированием.
Здания и сооружения со временем утрачивают свои потребительские качества; они морально и физически изнашиваются. Моральный износ следует за изменением эстетических, технологических и конструктивных характеристик. Физический износ предопределяется особенностями природы строительных материалов, возрастом конструкции и условиями эксплуатации -предысторией существования и особенностей силового сопротивления [11].
До 80% зданий и сооружений в зависимости от условий эксплуатации подвергаются воздействиям агрессивных сред. В промышленно развитых странах ущерб от коррозии оценивается в 3-5% от валового национального дохода, при этом 13-19% приходится на долю строительных конструкций [59].
Исследования за последние годы показали, что разрушающие процессы в железобетоне, причиной которых является коррозионное воздействие окружающей среды приводят к ослаблению силового сопротивления т.е. ослаблению определенной части конструкции (зданий, сооружений), а также может сопровождаться изменением всей расчетной схемы сооружения. В конечном итоге происходит потеря запаса прочности конструкции. Предельное состояние по условию сохранения эксплуатационной пригодности для большего числа конструкций наступает значительно раньше нормативного срока эксплуатации. В многочисленных публикациях рассмотрены вопросы снижения силового сопротивления вследствие коррозионных повреждений и приведены важные для теории и практики предложения по восстановлению конструкций зданий и сооружений. К их числу необходимо отнести работы: Алексеева С.Н. [2], Бабушкина В.И. [5], Бондаренко В.М. [11], Гузеева Е.А. [27], Гусєва Б.Ф.[29], Иоселевского Л.И. [12], Комохова В.П. [36], Корчинского И.Л. [38], Москвина A.M. [47], Окшиной Л.М. [73], Полака А.Ф. [56], Попеско А.И. [58], Розенталя Н.А. [66], Санжаровского Р.С. [71], Степановой В.Ф. [19], Селяева В.П. [72], Федорова B.C. [81], Чиркова В.П. [84] и многих других авторов, чьи работы послужили теоретической и методологической основой исследования.
Несмотря на большое количество исследований, для построения расчетных моделей силового сопротивления бетонных и железобетонных конструкций, необходимо отметить, что подавляющее большинство их касается нормальных сечений, прочности изгибаемых элементов. Между тем практика эксплуатации железобетонных конструкций, показывает, что разрушение конструкции часто происходит и по наклонным сечениям. Поскольку разрушение изгибаемых элементов по нормальным и наклонным сечениям равновероятно, этот вопрос требует дальнейшего развития и обобщения и является предметом настоящего исследования.
Целью настоящих исследований является разработка методики оценки прочности изгибаемых железобетонных конструкций по наклонным сечениям с учетом коррозионных повреждений.
Основные результаты диссертационной работы отражены в научных статьях, а также изложены в тезисах докладов на научно-технических конференциях студентов и аспирантов МГАКХиС в 2002,2008 г.г.
Работа выполнялась в соответствии с координационным планом Министерства образования Российской Федерации, в Московской государственной академии коммунального хозяйства и строительства на факультете РиСЗиС, на кафедре «Железобетонные конструкции», в 2002-2009г.
Диссертационная работа разрабатывалась под руководством академика РААСН, доктора технических наук, профессора В.М.Бондаренко.
Коррозионные повреждения арматуры
В процессе эксплуатации промышленных зданий и сооружений в агрессивной среде одновременно с развитием коррозионных повреждений бетона также происходит коррозия стальной арматуры. Коррозионные повреждения арматуры осуществляются как некий электрохимический процесс, порождаемый во влажной среде без внешнего источника.
Помимо влажности, как необходимого условия коррозии, важное значение для процесса корродирования стали имеют насыщенность кислородом и температура среды, а также наличия малых постоянных и блуждающих токов. Коррозия арматуры начинается после исчерпания защитного потенциала пассивирующих пленок на ее поверхности, когда зона корродирования цементного камня или непосредственное соприкосновение
Плиты проезжей части мостов, построенных до начала 80-х гг. часто не имеют качественной гидроизоляции. Вода, содержащая агрессивные вещества, беспрепятственно проникает внутрь бетонной конструкции. Следствием этого процесса является интенсивная коррозия стальной арматуры, которая приводит к уменьшению ее сечения (хлоридная коррозия). с активным цементным камнем активизирует обменные физико-химические процессы.
Анализ имеющихся экспериментальных и аналитических результатов, выполненных Г.В. Акимовым, С.Н. Алексеевым, Г.П, Вербецким, Е.В.Гороховым, В .П. Королевым, М.Б. Кудайбергеновым и др. [1, 3, 24, 26, 37, 39] при обследовании зданий и сооружений различных отраслей промышленности, сельского хозяйства, транспорта, жилищной сферы, а также железобетонных конструкций, расположенных в прибрежной зоне рек, морей и океанов, выявил, что разрушение чаще всего связано с коррозией арматуры в условиях практически неагрессивной или слабо агрессивной среды по отношению к бетону. В связи с этим, имеющиеся в настоящее время, данные позволяют рассмотреть и проанализировать механизм защитного действия бетона по отношению к арматуре и причины ее коррозии. Для его протекания процесса коррозии стали в бетоне как электрохимического процесса необходимы следующие условия: 1 — наличие разности потенциалов на поверхности металла; 2—существование электролитической связи между участками поверхности металла с различными потенциалами; 3 —активное состояние поверхности на анодных участках, где растворяется металл; 4—наличие достаточного количества деполяризатора, в частности кислорода, необходимого для ассимиляции на катодных участках поверхности металла избыточных электронов.
Первое условие всегда выполняется, поскольку технические металлы имеют неоднородную структуру, что таюке характерно и для условий контакта поверхности-стали с бетоном.
Учитывая особенности бетона, представляющего собой капиллярно-пористое тело с активной и гидрофильной внутренней поверхностью, можно полагать, что вьшолняется второе и четвертое условия: Третье условие в бетоне на портландцементе практически не выполняется до тех пор пока он под влиянием среды не потеряет способность пассивировать сталь. Оценивая это как состояние повышенной коррозионной стойкости металла или сплава, вызванное преимущественным торможением анодного процесса. Условия пассивности в плотном бетоне на портландцементе сохраняются для стали в щелочной среде благодаря блокированию отдельных активных центров поверхности металла адсорбированным атомами кислорода, а в дальнейшем образованию и более утолщенных слоев оксидной и гидроксидной природы.
В некоторых случаях протекание электрохимического процесса коррозии может быть заторможено или полностью прекращено вследствие, например, низкой относительной влажности среды эксплуатации железобетонных конструкций.
Предпосылки и обоснование расчетной модели исследования
Влияние коррозионных повреждений на силовое сопротивление железобетона зависит как от интенсивности и координатного расположения очага агрессий, так и напряжённого состояния конструкций, а следовательно определяется совместным учетом воздействий силовых и коррозионных факторов.[52]
Постоянно все эксплуатируемые, существующие и повреждённые конструкции находятся в стадии устойчивого повреждения или предшествующей ему. Это формулирует задачу как равновесную в терминах равновесия, поэтому, приступая к оценке силового сопротивления железобетонных элементов по наклонным сечениям, необходимо убедиться, что состояние конструкции равновесно, хотя силовое сопротивление сильно снижено. Также предполагается, что рассматривается эксплуатируемая конструкция с неизменными во времени величинами напряжений.
Исходные предложения расчетной модели. помимо общих посылок (условия равновесия, положения о малости относительных деформаций; признания анизотропии механических свойств бетона; нелинейности и неравновесности силового сопротивления; взаимонезависимости и сложения частных деформаций и т.п.) приняты следующие исходные посылки: -коррозионное повреждение бетона сжатой зоны моделируется кольматационным типом (т.н. коррозия 2-ого вида (2.14) [8]; -поскольку необходимо исключить переход кольматационных повреждений к фильтационному -вводится ограничение (2.26): - аффинноподобие разноуровневого представления одноимённых факторов силового сопротивления (ординаты кривых одноименных деформаций образцов- близнецов, загруженных различными по величине напряжениями отличаются между собой в определенное и неизменное во времени число раз, зависящее только от уровня напряжений) - постулат Л.Ф.Лолейта о априорной форме эпюры нормальных напряжений в сжатой зоне поперечного сечения исходных элементов и назначении расчётных пределов прочности бетона; - при оценке прочности железобетонных элементов-отказ от учёта сопротивления бетона растянутой зоны сечений; - принцип сложения сопротивлений; - ограничение глубины химкоррозионных повреждений высотой сжатой зоны; считается, что коррозионные повреждения арматуры достаточно отражаются снижением её расчетной площади умножением её на некоторый коэффициент 1; -при изменении по высоте сечения элемента расчетные значения характеристик силового сопротивления определяются как произведение их исходных величин на некоторый множитель повреждения К [8] (этими характеристиками могут быть Яъ, Яы, Vr. и др); -в соответствии с постановкой задачи исследуется традиционная схема возможного разрушения изгибаемого железобетонного элемента по наклонным сечениям (рис 2.8.6); -устанавливается 3-х слойная модель развития повреждений. Таким образом, при одностороннем контакте бетонного тела с химагрессивной средой можно выделить три последовательно расположенные по глубине области (рйс.2.6):
а) область полного разрушения бетона, расположенная непосредственно у поверхности контакта с агрессивной средой (толщиной z ), величина 2 для разных сочетаний агрессора и бетона, разных интенсивности агрессивного воздействия и температурно-влажностных характеристик среды различны, а соответствующие численные значения z к моменту стабилизации процесса повреждений фиксированы;
б) некоторая переходная область, в которой по мере удаления от указанной поверхности контакта интенсивность повреждения уменьшается вплоть до полного исчезновения последних на некоторой глубине нейтрализации (глубине повреждения S);
в) область неповреждённого бетона, толщина которой зависит от общего характера напряжённо-деформированного состояния- конструкций (в частности, для изгибаемых элементов она ограничивается толщиной сжатой зоны балки х).
Как показано В.М. Бондаренко геометрические условия позволяет представить механические характеристики поврежденного бетона (R b,Rlt,—г) в виде произведения их начальных значений на некоторую функцию повреждений K {Z), зависящую от функции Z, отсчитываемой от поверхности контакта химагрессора бетона. Обозначив для общности любую характеристику силового сопротивления символом L, представим схему силового сопротивления повреждённого бетона на рис.2.5.
Влияние различных сочетаний параметров на изменение силового сопротивления от коррозионных повреждений
На рис ЗЛ. изображена схема химкорозионного повреждения сжатого железобетонного элемента. v-грань контакта с агрессивной средой; z -ордината по высоте ; х-высота сжатой зоны элемента; z -высота разрушенного слоя бетона; 6-ширина элемента; 5 -глубина коррозионного повреждения; іС-функция коррозионного повреждения, отражающая снижение величины характеристики силового сопротивления бетона;
Схема химкорозионного повреждения сжатого железобетонного элемента. Rb - первоначальная прочность бетона на сжатие; As -площадь продольной арматуры Rs -расчетное сопротивление продольной арматуры О) SW -коэффициент повреждения поперечной арматуры; Asw -площадь сечения поперечной арматуры; Rsw -расчетной сопротивление поперечной арматуры; Базовое ограничение условия согласно своду правил [77] хг х0й Д ; х, = - - - (3.1) bRh vb х0 -высота сжатой зоны неповрежденной конструкции: И0 -рабочая высота сечения; %R -множитель, определяемый по [77] Второе ограничение Зш о-2 или S Zb-z Q = Qsw + Qb Q =Qlw+Ql (3.2) Q- поперечное усилие от внешней нагрузки; Qsw -поперечное внутреннее усилие, воспринимаемое поперечной арматурой, пересекающей наклонную трещину; Qsw предельная несущая способность поперечной арматуры наклонного сечения разрушению (с учётом возможных повреждений арматуры); -предельное поперечное внутреннее усилие, воспринимаемое бетоном в армированном наклонном сечении; QI - предельная величина силового сопротивления сжатой части сечения. с-длина участка элемента, на котором учитывают работу хомутов, или длина проекции опасной наклонной трещины на продольную ось элемента; с - горизонтальная проекция наклонной трещины поврежденного коррозией элемента; c = J— (3.3) =%Рт (3-4) усилие в хомутах на единицу длины элемента: л ли г, - V Л Р — ЛЭТД51С 4sw ZJ- SWKSW „ 0 «- «. для поврежденного коррозией: SL (3.5) где где Sw- шаг поперечных стержней k = l,5bhQ2Rbt; (3.6) а с учетом повреждений: (3.7) с се QI = == Л)[МЛ -(Л + 5ВД = - [bh,Rbt-(z bRbl +\дЬК)\ = се Ъ с 3 = 1 - bRbt[Kf+\s)l (3.9) с — sw -sw к Sw V Ча тогда, без учета повреждений: G = GW+ft= „-c+—, (ЗЛІ) с с учетом коррозионных повреждений
Таким образом, приняв за основу схему расчета железобетонного элемента по наклонному сечению по действующим нормам, транспонировав его с учетом коррозионных повреждений, введя в расчет утерянные области сопротивления (высоту разрушенного слоя, глубину повреждения, а также коэффициент повреждения арматуры) находится остаточный ресурс силового сопротивления поврежденного железобетонного элемента по вертикальному срезу.
Пример расчета Исходные данные (рис.2.8): высота сечения h=60 см; ширина сечения 6=3 Осм; толщина защитного слоя я=2см; рабочая высота сечения ho=5& см; класс бетона ВЗО; прочность бетона на сжатие Rb=17 МПа; прочность бетона на растяжение Rbt =1,15 МПа продольная арматура Л 400; расчетное сопротивление Rs-355 МПа; поперечная арматура Л 300; расчетное сопротивление R —215 МПа область разрушения z =0; рабочая высота сечения hQ = h - а = 60 - 20 = 58 см 1 ограничение х0 % ; Хх e Ms. = /МА-Л5 58x355 = 21Ъш. 6ДА 100W 100x17 xQ 0 0,55х58 = 31,9сл -условие выполняется где х0 -высота сжатой зоны исходной конструкции; 2 ограничение ?тах xQ-z ; т.к. z = 0, ведется расчет от оси v, принимаем глубину повреждения SmsK -31,9см к = \,5bh02Rbt =1,5x58x30x1,15x58 = 174,09 Г =1.5Мь ДкОД, -0г + -)]=1,5х58х30х1,15х(58- ) = 142,17 Чш Ч ш„ S№ =—г = 215,86ІШ/ЛІ (при й = 1),считаем, что арматура не ow 250 повреждена. U 174,09 = = jr_ = 142Д7 я A V 215,86 \qJ І 215,86 & = " = = 193,85 tf ; Ql = - = = 175,182 tf с 0,89 с 0 81 0яг = „ с = 215,86 0,89 = 145,39І2У Q sw = Я -с =215,86 0.81 = 131,39iCff Q=Qb + Qsw=193 85 +14539 = 339,24tftf Є = 6 + Qlw = 142,17 + 131,39 = 306,57 77 -Є1400=В9Д4-30б:57.100й10% б 339,24 Вычисляя общие потери силового сопротивления при области разрушения z = 0, глубине повреждения J, = JC0 , a s = 1, потери могут достигать 10 %. Случай 2 область разрушения z - 2см, принимаем cosw = 0,6 Глубина повреждения S = 0.8х0 = 25,52см к = \,5bh02Rbt =1,5 х 58 х 30 х 1,15 х 58 = 174,09 = 1.5W% JAb -(z + -)] l,5x58x30xl,15x(58-(2 + )==142,55 =i Sr SL== 215x251 Sw 250 gj =0,6x215x251/250 = 129,52; V«u Д/215,86 ; AL V 129,52 к 174 09 к 1?9 52 Q =- = іі = 193,85/да а для е;= — = і±і = 135,88 7/ с 0,89 с 1049 б = «« -с = 215,86 -0,89 = 145,39 7/ Qsw=qJ с = 129,52 1,049- 101,91 7/ Q = Qb + Qsiv = 193,85 +145,39 = 339,24KH Q = & + бяг = 135,9 + 101,91 = 237J9KH g l.l00 = 339 24-237 79.100,30Q/o Є 339,24 При области разрушения z =2cv, г 5„,=0,6, глубине повреждения S = 0,8x0 потери силового сопротивления поперечного усилия достигают уже порядка 30%.
Способы восстановления несущей способности поврежденных опорных частей элементов, работающих на восприятие поперечной нагрузки
На этапе, следующим за обследованием конструкции и оценкой остаточного ресурса её силового сопротивления Q , фиксируется геометрическое положение конструкции. Затем производится удаление повреждённой части бетона сжатой зоны (не меньше, чем глубина полного коррозионного разрушения Z"), восстанавливаются или устанавливаются закладные детали и связи, которые в дальнейшем, после укладки бетона усиления окажутся недоступными для осмотра, в т.ч. привариваемые к арматуре сжатой зоны элементы анкеровки слоя вновь наращиваемого бетона со старым бетоном, а также устраиваются шпоночные борозды или насечка в обнажённом предыдущим вскрытием фибровом слое усиливаемой конструкции. Одновременно, инструментальным зондированием уточняются величины Z и д.
Предельное силовое сопротивление усиливаемой конструкции с учетом наращиваемого слоя бетона в наклонном сечении на AQ, имеет запись:
Восстановление несущей способности изгибаемых элементов при разрушении их опорных частей, равно как и вообще усиление указанных элементов на восприятие поперечных сил, целесообразно в основном производить посредством увеличения сечения поперечной и наклонной арматуры. Простым по трудоемкости способом является усиление вертикальными накладными хомутами (рис.4.2) [40] Рис.4.2. Установка поперечных хомутов: 1 —усиливаемая балка; 2 —хомуты с гайками; 3 — поперечные уголки; 4 — продольные уголки; 5 — трещины в балке.
Восстановление необходимой площади поперечной арматуры производится путем введения дополнительных арматурных стержней в соответствующую зону сечения. Перед началом работ по восстановлению конструкцию максимально разгружают от действующих на нее нагрузок (при невозможности снятия нагрузок под усиливаемую конструкцию подводят временные опоры, по возможности в точках приложения сосредоточенных сил). Дополнительная поперечная арматура закрепляется и натягивается и закрепляется вручную (т.е. гайками) для включения в работу усиливаемого элемента. Напряжения, возникающие в установленной арматуре не учитывают. Для нахождения площади дополнительной поперечной арматуры ААт запишем условие: Qo-Qs„-Q AQiV, (4.8) ЬО -М» "С -ЬАя,К,п (4.9) С где w "o -количество стержней. Площадь устанавливаемой дополнительной поперечной арматуры: д4 =А6=А&» ,У» (4.10) б) предварительно напряженной поперечной арматурой.
При восстановлении силового сопротивления поврежденных железобетонных элементов возникают случаи, когда целесообразно обжать конструкцию с помощью арматуры по способу натяжения «на бетон». Этим осуществляется закрытие трещин а также изменение знака действующих напряжений.
После разгружения элемента, установка дополнительной поперечной арматуры проводится под контролем напряжений: либо механически-домкратом, либо электротермическим способом —на упоры- при закреплении целесообразно делать натяжение одновременно. Усилия натяжения, номинация и сечения канатов (или арматуры) назначаются в зависимости от размеров обжимаемой конструкции. Между тем, дальнейшая эксплуатация таких усиленных обжатием элементов показывает, что с течением времени их состояние ухудшается. Как правило, это обусловлено недостаточной точностью прогноза потерь предварительного натяжения этих канатов (или арматуры) — - отношением напряжения в момент t к начальному О-Д о) напряжению в момент t0.
Уточнение обеспечивается учетом релаксации напряжений канатов (или арматуры) и просадки анкерных устройств, опирающихся на неравновесно деформируемые железобетонные элементы.
Расчетная схема использует следующие посылки: - равенство укорочения канатов AUK и осадки поверхности усиливаемого элемента ALT . AU AUoc (4.11) -принимается упруго-ползучая модель силового сопротивления арматуры и основания. - для бетонов учитывается т.н. быстронатекающая ползучесть, а для канатов и арматуры она не учитывается. Реологическое уравнение силового сопротивления материалов принимается в записи [10]: 1. для бетона с учетом т. н. быстронатекающей ползучести C (t,t): C\t0,t0) 0; C\ttt) 0, e(t,to) = -0±-+ (t)C\t,t)- )a{r)j-C\t,t)dt; (4.12) 2. для арматуры (и канатов) без учета т.н. быстронатекающей ползучести: С ( оЛ) = 0;Г( ,0 = 0, e{tjQ) = j -)a(T)j-C\t,T)dr-, (4.13) где: (t,tD) -полная относительная деформация к моменту времени наблюдений t {10 -время начала нагружения); а(т) -действующие в текущий момент времени т напряжения (при однородном напряженно деформированном состоянии); Е M(t) - модуль мгновенной деформации; C (t,T)-Mepa простой ползучести материала, определяемая с учетом износа и повреждений. Усилие в арматуре (канате) имеет запись: P{t) = AK rK{t), (4.14) а напряжения записываются в виде: с последующим линеаризующим упрощением (0 = er,r( o)- i( - o), (4.16) где -расчетная площадь сечения арматуры (или каната): AK=a sAS0; (4.17) P(t) -усилие в арматуре (или канате) в момент его передачи на бетон после закрытия трещин и местного обмятая торцов конструкций; а,-искомый параметр снижения усилий (напряжений) арматуры (или каната)
