Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы прогнозирования долговечности железобетонных конструкций, работающих в агрессивных средах 11
1.1. Влияние различных факторов на процессы коррозии и сопротивление железобетонных конструкций нагружению 12
1.1.1. Факторы среды эксплуатации 12
1.1.2. Факторы вторичной защиты 16
1.1.3. Факторы железобетонной конструкции 17
1.2. Модели коррозионного износа элементов сечений железобетонных конструкций 32
1.2.1. Модели коррозионного износазащиты 32
1.2.2. Модели коррозионного износа бетона 34
1.2.3. Модели коррозионного износа арматуры 37
1.3. Модели сопротивления нагружению железобетонных конструкций и их элементов при воздействии агрессивных сред,
1.3.1. Модели силового сопротивления бетона 44
1.3.2. Модели силового сопротивления арматуры 47
1.3.3. Модели силового сопротивления железобетона 48
1.4. Выводы по главе 1 52
2. Основы моделирования силового сопротивления железобетонных конструкций работающих на изгиб с учетом коррозионного износа рабочей арматуры 54
2.1. Теоретические основы 54
2.1.1. Износ рабочей арматуры железобетонных конструкций в процессе взаимодействия элементов системы 56
2.1.2. Силовое сопротивление работающих на изгиб железобетонных конструкций в процессе износа рабочей арматуры 61
2.2, Экспериментальные основы 65
2.2.1. Анализ экспериментальных данных по износу элементов сечений железобетонных конструкций 65
2.2.2. Анализ экспериментальных данных по силовому сопротивлению железобетонных конструкций 68
2.3 Выводы по главе 2 70
3. Моделирование силового сопротивления железобетонных конструкций, работающих на изгиб в агрессивных средах, с учетом коррозионного износа рабочей арматуры 72
3.1. Гипотезы, положенные в основу моделирования процессов деградации 72
3.2. Модель коррозионного износа элементов сечений железобетонных конструкций при движении коррозионного фронта в бетоне с рН=9 76
3.2.1. Модель коррозионного износа элементов сечений железобетонных конструкций при постоянной скорости движения коррозионного фронта в бетоне с рН=9 76
3.2.2. Формулировка в безразмерных величинах модели коррозионного износа бетона и арматуры при постоянной скорости движения фронта с рН=9 84
3.2.3. Результаты и анализ модели коррозионного износа элементов сечений железобетонных конструкций при постоянной скорости движения коррозионного фронта по бетону с рН=9 87
3.2.4. Модель коррозионного износа элементов сечений железобетонных конструкций при затухающих скоростях движения коррозионного фронта по бетону с рН=9 92
3.2.5. Формулировка в безразмерных величинах модели коррозионного износа элементов сечений железобетонных конструкций при затухающих скоростях движения коррозионного фронта по бетону с рН=9 98
3.2.6. Результаты и анализ модели коррозионного износа элементов сечений железобетонных конструкций при затухающих скоростях движения коррозионного фронта по бетону с рН=9 101
3.3. Моделирование силового сопротивления изгибаемой железобетонной конструкции в присутствии агрессивной среды 104
3.3 Л. Вывод основных уравнений и анализ полученных формул 104
3.3.2. Связь максимального прогиба изгибаемой железобетонной конструкции с износом элементов сечений 113
3.3.3. Определение центра масс эпюры напряжения в сжатой зоне бетона 114
3.3.4. Определение разрушающего внешнего момента для железобетонной конструкции с учетом износа элементов сечений 115
3.3.5. Анализ и результаты модели сопротивления железобетонной конструкции силовым нагрузкам в присутствии агрессивной среды 117
3.4, Выводы по главе 123
4. Методика прогнозирования долговечности железобетонных конструкций работающих на изгиб в агрессивных средах с учетом коррозионного износа элементов сечений 125
4.1.Обследование 127
4.2.Анализ информации 133
4.3.Моделирование 136
4.4.Прогноз 142
4.5.Выводы по главе 4 143
5. Практическое применение модели и методики прогнозирования долговечности 144
5.1. Прогнозирование долговечности железобетонных балок покрытия ЧМУПП «Водоканал» г. Чебоксары 144
5.2. Сравнение с результатами моделирования других исследователей 153
5.3. Выводы по главе 5 156
Заключение и основные выводы 156
Библиографический список
- Влияние различных факторов на процессы коррозии и сопротивление железобетонных конструкций нагружению
- Износ рабочей арматуры железобетонных конструкций в процессе взаимодействия элементов системы
- Гипотезы, положенные в основу моделирования процессов деградации
- Прогнозирование долговечности железобетонных балок покрытия ЧМУПП «Водоканал» г. Чебоксары
Введение к работе
Актуальность. Известно, что многочисленные здания и сооружения с использованием железобетонных конструкций, серийно произведенных в 50-80-е годы XX века в СССР, не отработав нормативного срока по причине физического износа, нуждаются в принятии мер по обеспечению их безаварийной эксплуатации.
Прогнозирование долговечности любого объекта - сложный аналитический процесс. Многообразие подходов (энергетический, механический, физический, химический, реологический, феноменологический и др.) дает возможность рассматривать проблему деградации железобетонных конструкций во времени с разных позиций и с различной вероятностью. Спектр железобетонных конструкций, защит, сред эксплуатации и условий их взаимодействия весьма широк. Нет универсальных методик и моделей, описывающих эти процессы. Практика меняет первоначальное представление о железобетоне, как об абсолютно долговечном материале. В отличие от одно-компонентных конструкций (стальных, деревянных, каменных и др.) железобетонные конструкции, как композиты, подвержены влиянию большего количества факторов системы: «среда-защита-конструкция». Эти факторы каждый по своему влияют на изменения характеристик элементов сечений (бетон, арматура) разных зон (по виду НДС, среды, защиты и др.) железобетонных конструкций. Изменения характеристик элементов сечений по-разному влияют на снижение несущей способности и долговечности конструкций.
Попытка на практике перейти от проверочного расчета соответствия критериям предельного состояния к расчету остаточного ресурса до достижения этого предельного состояния, т.е. оценки технического состояния к прогнозу долговечности, столкнулась с рядом трудностей методического характера. В требованиях к оценке технического состояния конструкций зданий и сооружений, нормативными документами не включены требования по
расчету остаточного ресурса. Соответственно, нет и методик расчета, по-разному трактуются критерии предельного состояния
С введением Закона РФ о промышленной безопасности опасных производственных объектов (ПБ ОПО) [161] на Федеральную службу по экологическому, технологическому и атомному надзору — Ростехнадзор (в прошлом - Госгортехнадзор РФ) - возложены функции по контролю не только за техническими устройствами, но и за зданиями и сооружениями ОПО, где эксплуатируются эти устройства. Начата масштабная экспертиза строительных конструкций зданий и сооружений ОПО, предусматривающая расчет остаточного ресурса (наработки под нагрузкой) до перехода в предельное состояние. Методик такого расчета, отработанных на практике и официально опубликованных, как для технических устройств, на сегодня практически нет. Наличие в системе Ростехнадзора методик для технических устройств объясняется их более тяжелым режимом работы, интенсивным износом, коротким ресурсом, высоким числом отказов, и соответственно, непрерывным документальным контролем процесса от разработки до вывода из эксплуатации на протяжении уже более 80 лет. Не отработана такая методика и в Федеральном агентстве по строительству и ЖКХ (в прошлом - Госстрой РФ). Основной контроль здесь осуществляется на стадии строительства инспекцией ГАСН, а на стадии эксплуатации — только собственником.
В итоге систематический контроль, сбор и анализ информации практически отсутствует и при общем высоком уровне изученности вопросов коррозии материалов в лабораторных условиях, процессы деградации эксплуатируемых строительных конструкций зданий и сооружений недостаточно проработаны до уровня их практического применения, особенно для композитов. Поэтому вопросы долговечности железобетонных конструкций актуальны и требуют дальнейшего и ускоренного развития.
Цель исследования заключается в разработке практической методики и модели прогнозирования долговечности железобетонных конструкций, работающих на изгиб в агрессивных средах, с учетом износа рабочей армату-
7 ры, а также обоснование и проверка этой методики на реальных конструкциях.
Задачами исследования являются:
1. Теоретический и экспериментальный обзор и анализ влияния различных
факторов на процессы коррозии и изменения сопротивления нагружению
железобетонных конструкций с обоснованием возможности создания мето
дики прогнозирования их долговечности по доле коррозионного износа ра
бочей стальной арматуры, зависящей от контролируемого интегрального
динамического параметра ЬрМ9 - глубины продвижения коррозионного
фронта в цементный бетон, характеризующегося понижением уровня щелочности бетона во фронте с исходного рН=12-13 до рН=9 - уровня устойчивого моделируемого коррозионного износа рабочей арматуры, вовлеченной в этот фронт.
Разработка модели продвижения коррозионного фронта LbpU9 вглубь бетона конструкций (модели износа бетона) и модели износа рабочей арматуры в зависимости от глубины фронта Lb п9 в бетоне.
Разработка модели сопротивления длительному нагружению железобетонных конструкций, работающих на изгиб, в процессе коррозионного износа элементов сечений, идентификация (определение расчетных параметров) и верификация (проверка) модели.
Применение разработанной модели для прогнозирования долговечности изгибаемых железобетонных конструкций с отработкой корректной компьютерно ориентированной методики прогнозирования долговечности и ее практической проверкой.
Научная новизна работы заключается в следующем: 1. Предложена инженерная методика прогнозирования долговечности железобетонных конструкций, работающих на изгиб в агрессивных многокомпонентных средах, по доле коррозионного износа рабочей арматуры, зависящей от параметра Z,b ш. При этом, теоретически и практически обоснован
выбор Lbpm в качестве контролируемого интегрального динамического параметра, характеризующего динамику процессов взаимодействия между собой элементов системы «среда-защита-конструкция», взаимосвязанных с износом и сопротивлением элементов сечений разных зон конструкции и всей конструкции в целом внешним воздействиям.
В качестве основы методики, разработана комплексная математическая модель, описывающая процессы деградации нагруженных железобетонных элементов в агрессивной среде в зависимости от контролируемой доли коррозионного износа рабочей арматуры AAS, взаимосвязанной с контролируемой глубиной фронта ЬН9, а так же от расчетной координаты нейтрального слоя бетона Za=0. Проведена идентификация и верификация модели с использованием различных экспериментальных данных.
На основе разработанных методики и модели прогнозирования создан программный комплекс в операционной среде MatLab, позволяющий автоматизировать процедуру прогнозирования долговечности, и для эффективной визуализации и анализа моделируемых процессов деградации - комплексная графоаналитическая диаграмма (КГАД).
Практическая значимость. Разработанные методика и модель позволяют специализированным, научным, проектным, строительным организациям и техническим службам балансодержателя с применением доступных средств контроля для достаточно широкого спектра систем «среда-защита-конструкция»: на основе данных, полученных при оценке технического состояния конструкций, выполнять анализ и прогноз их долговечности (остаточного ресурса) до достижения заданного уровня предельного состояния; по полученному прогнозу обоснованно вырабатывать план мероприятий по обеспечению дальнейшей безопасной эксплуатации конструкций; осуществлять мониторинг долговечности наиболее коррозионно уязвимых групп конструкций.
Результаты диссертационной работы использованы при проведении
9 экспертных, проектных и ремонтно-усилительных работ на ряде промышленных объектов города Чебоксары с различными агрессивными многокомпонентными средами, в том числе: очистная водопроводная станция ЧМУПП «Водоканал», бетонорастворный и формовочный цеха ООО «ЖБК-9», гальванический, термический и механосборочный цеха ОАО «ЧАЗ». Исходя из отзывов перечисленных организаций, экономический эффект от использования работы составит не менее 150 млн рублей.
Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на втором межрегиональном научно-практическом семинаре «Эксплуатация и реконструкция зданий и сооружений» (2001), на третьей (2001) и четвертной (2003) всероссийских конференциях «Новое в архитектуре, проектировании строительных конструкций и реконструкций» в г. Чебоксары, на 4 Международной междисциплинарной научно-практической конференции «Современные проблемы гуманизации и гармонизации управления» (2003) в г. Харькове, на III Международной конференции «Эффективные строительные конструкции: теория и практика (МК-68-14)» (2004) в г. Пенза.
На защиту выносятся:
1. Теоретическое и экспериментальное обоснование выбора интеграль
ного параметра рН, характеризующего динамику процессов износа элемен
тов сечения железобетонных конструкций, а так же математическая модель
коррозионного износа элементов железобетонных конструкций при посто
янной и затухающей скоростях движения коррозионного фронта в бетоне с
рН=9.
Методика прогнозирования долговечности железобетонных конструкций, работающих в агрессивных средах на изгиб, по доле коррозионного износа рабочей арматуры, зависящей от параметра LbpU9 - глубины продвижения коррозионного фронта в бетон растянутой зоны.
Математическая модель сопротивления во времени изгибаемой железобетонной конструкции силовому воздействию в процессе коррозионного износа элементов сечений конструкции в присутствии агрессивной среды.
10 4. Результаты применения методики на реальных промышленных объектах.
Публикации. Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 9 научных работах, общим объемом 2,94 печатных листа.
Структура и объем работы. Диссертация объемом 155 страниц состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы из 180 наименований, 4 приложений, включающих таблицы экспериментальных данных, фотографии, программу в среде MatLab и КГ АД.
Влияние различных факторов на процессы коррозии и сопротивление железобетонных конструкций нагружению
Среда эксплуатации многопланово воздействует на конструкцию с ее защитой. Степень влияния среды оценивается по различным признакам:
1. Действующие нормы [139] дают оценку степени агрессивности газообразных, жидких и твердых сред в зависимости от концентрации агрессивных веществ среды и характеристик бетона по водонепроницаемости и вида цемента. Однако в оценке степени агрессивности среды не регламентированы продолжительность воздействия среды и характер и степень повреждений, глубина коррозионного поражения, не учитываются напряженное состояние бетона, арматуры, вторичная защита, температурные, конструктивные и другие факторы. Среды, в зависимости от содержания и концентрации компонентов, по степени агрессивности подразделяются на неагрессивные, слабо-, средне- и сильноагрессивные. При этом они дифференцированы для бетона и железобетона.
2. По общепринятой международной классификации, предложенной В.М. Москвиным [85], коррозионное воздействие любых сред на бетоны подразделяют натри основных вида: — к коррозии 1-го вида относят процессы, возникающие в бетоне при воздействии на него вод с малой жесткостью, когда составные части цементного камня растворяются, вымываются и уносятся перемещающейся водной средой. — к коррозии 2-го вида относят процессы, которые развиваются в бетоне при воздействии на него жидких сред, содержащих химические вещества, вступающие в обменные реакции с составными частями цементного камня, с образованием продуктов легко растворимых водой либо аморфных продуктов, не обладающих вяжущей способностью массы в зоне реакции. — к коррозии 3-го вида относят все процессы коррозии бетона, под действием жидких агрессивных сред, при развитии которых в порах, капиллярах и других пустотах бетона происходит накопление малорастворимых солей, кристаллизация которых вызывает возникновение значительных усилий в стенках структуры цементного камня, ограничивающих рост кристаллических образований. 3. Влияние газовой среды оценивается группой газов по классификации, предложенной С.Н. Алексеевым [5]: 1) газы, образующие при взаимодействии с гидроксидом кальция практи чески нерастворимые и малорастворимые соли, кристаллизующиеся с не большим изменением объема твердой фазы; 2) газы, образующие слаборастворимые кальциевые соли, которые при кристаллизации присоединяют значительное количество воды. 3) газы, которые, реагируя с гидроксидом кальция, образуют хорошо растворимые соли, обладающие высокой гигроскопичностью: а) не вызывающие коррозии стали в щелочной среде бетона; б) вызывающие коррозию стали в щелочной среде бетона.
4. Метод оценки степени воздействия среды по внешнему виду бетонных образцов. За критерий стойкости принимают продолжительность до появления признаков визуально оцениваемых разрушений бетона. Так, Н.Л. Мощанский [88] предлагает использовать пятибалльную систему, где баллом «5» характеризуется отличное состояние образцов, без изменения внешнего вида; баллом «1» — полное разрушение.
5. Метод измерения линейных деформаций бетонных образцов, находящихся в агрессивных растворах, характеризует коррозию бетона в условиях, когда под влиянием агрессивных растворов образуются новые соединения, объем которых больше суммы объемов исходных веществ, что сопровожда ется увеличением объема образцов. Наиболее точные результаты данный метод позволяет получить при коррозии третьего вида. Работами В.М. Москвина [85], Ф.М. Иванова [61], Г.В. Чехний [166] и др. установлено, что величина деформации коррозионного расширения зависит от размера и формы опытного образца, марки цемента, агрессивности среды.
6. Метод определения потери массы бетонных образцов за определенный промежуток времени с целью количественной оценки воздействия сред на цементный камень использовали В.И. Бабушкин [13], В.Б. Ратинов, В.Д. Миронов [81] и др.
7. Метод определения снижения прочности образцов на сжатие и поперечный изгиб применяли В.В. Кинд [70], Н.А. Мощанский [88], Ф.М. Иванов [61], Ю.М. Бутт [26] и др.
8. Метод оценки величины динамического модуля применялся В.М. Москвиным [85], А.И. Панферовой [101] и другими исследователями.
9. Качественный химический метод- определение глубины проникновения различных агрессивных агентов в тело бетона путем обработки образцов срезов бетона соответствующими индикаторами Л.И. Попеско [112], Ф.М. Иванов [55], [29].
10. Количественный химический метод, основанный на определении концентрации агрессивных агентов по телу бетона. Этот метод применяли в своих исследованиях Ф.М. Иванов [61], Е.Л. Гузеев [49], В.В. Яковлев[174] и др.
Износ рабочей арматуры железобетонных конструкций в процессе взаимодействия элементов системы
Прогнозирование долговечности изгибаемой железобетонной конструкции -есть моделирование процесса снижения сопротивления конструкции силовому на-гружению до заданного уровня предельного состояния с учетом коррозионного износа элементов сечений в процессе взаимодействия элементов системы. Бетон играет роль связующего компонента элементов системы, сечений, одновременно являясь элементами разных силовых зон сечений. Процесс взаимодействия элементов системы описывается и моделируется продвижением вглубь бетона границы коррозионного фронта. В процессе вовлечения в него элементов сечений изменяются их геометрические, физико-механические, защитные характеристики. Взаимодействие элементов системы
Анализ работ и практический опыт автора [149], [150], посвященный исследованию и моделированию коррозионного износа элементов сечений, позволяет сказать, что все факторы элементов системы, в той или иной степени, влияют на характер распределения и массо-энергоперенос компонентов среды природной и специальной (воды, инертных, ингибирующих, катализирующих и агрессивных агентов), в ее контактном слое, защитном слое бетона и по глубине элементов сечений конструкции, начиная с поверхности, и одновременно на процессы их взаимодействия с компонентами бетона (гидратацию, дегидратацию, соединение, деление, замещение) с их законами массо-энергопереноса и последующее изменение фазового состояния, химического и минералогического состава и распределение по глубине кальциевой составляющей, других компонентов цементного камня, определяющих концентрацию гидрооксид ионов и ионов водорода (рН) поровой жидкости цементного камня бетона (в дальнейшем - рН бетона). Эти процессы одновременно определяют структурные (прочность, деформативность) и защитные характеристики бетона, представленного в виде минерально-кристаллического скелета цементного камня как композита капиллярно-пористой структуры кристаллических и коллоидных минералов с внутрипоровыми воздушно-газоводными фазово-непостояиными мигрирующими средами. Они, в свою очередь, взаимосвязаны с моделью конструктивного элемента, его НДС, уровнем и режимом нагружен ия, прочих факторов среды производственной (температура, давление, условий и режима контакта) и др.
Интегральный динамический параметр взаимодействия элементов системы Процессы взаимодействия между элементами системы определяют изменения характеристик основного структурного компонента системы - бетона, которые могут быть увязаны с функциями продвижения криволинейных фронтов с разными уровнями рН бетона во фронте (рН=5, 6; 7; 8; 9; 10; 11), начиная с р№=4,5 -нижней границы структурной прочности бетона и кончая рН=12-13 исходного бетона. Чем ближе этот уровень щелочности к показателю щелочности депассивации арматуры рН=9,5-11, запускающего механизм коррозионного износа арматуры, в зависимости от электрического потенциала и сопротивления, толщины и состава защитной оксидной пленки стали, свойств агентов и др., тем шире область применения методики по показателю рН среды, раньше учтены процессы коррозии арматуры и точнее модели износа и сопротивления нагружению элементов сечений конструкции при воздействии агрессивной среды. Для цели исследования принимаем критический параметр защитных характеристик бетона, соответствующий уровню щелочности рН=9 бетона. При таком параметре коррозионный износ арматуры достаточно устойчив и моделируем. Процессы взаимодействия элементов системы можно в большинстве случаев с высокой вероятностью описать изменением геометрических координат некой условно сплошной, криволинейной поверхности (или поверхностей- в зависимости от зональности) с уровнем рН=9 бетона во фронте расположенной в объеме конструкции. Линии пересечения этой поверхности с секущими плоскостями наиболее загруженных сечений образуют границы фронтов с рН=9 бетона сечений.
Уровни рН бетона и границы фронтов достаточно надежно определяются методами качественного анализа [29]. Метод контроля по рН является одним из наиболее чувствительных методов, т.к. уменьшение рН на 1 единицу означает понижение концентрации гидроксид-ионов в 10 раз. Опыт исследований показал, что наиболее приемлемыми для качественного анализа и определения глубины границы фронта с рН для целей методики прогнозирования являются жидкостные индикаторы, которые можно наносить непосредственно на объекте на фрагмент сечения бетонного образца или конструкции при соответствующей их подготовке (см. главу 4).
В изгибаемых конструкциях наиболее подвержена коррозионному износу рабочая арматура растянутой зоны, вследствие большей диффузионной проницаемости ее бетона, приводящей к снижению его защитных характеристик. Снижение механических характеристик остаточного сечения арматуры не столь значительно и не входит в цель исследования. Коррозионный износ бетона растянутой зоны и снижение его механических характеристик, при сохранении анкеровки арматуры за пределами наиболее загруженных сечений, на снижение несущей способности конструкции практически не влияет, так как в работе конструкции не учитывается. В сжатой зоне бетон имеет меньший коэффициент диффузии, поэтому глубина коррозии значительно меньше, чем растянутой зоны, уменьшение сечения бетона, как правило, незначительное, а изменение механических свойств в большей степени определяется его длительной деформативностью, включающей силовой и коррозионный факторы. Таким образом, на снижение несущей способности конструкции, работающей под постоянной нагрузкой на изгиб в агрессивных средах, в большей степени влияет коррозионный износ рабочей арматуры растянутой зоны, зависящий от глубины коррозионных изменений ее бетона, и процесс коррозионных и структурных изменений прочности и деформативности бетона сжатой зоны. 2,1.1. Износ рабочей арматуры железобетонных конструкций в процессе взаимодействия элементов системы
Гипотезы, положенные в основу моделирования процессов деградации
1. Бетон во всех зонах конструкции сплошной, однородный с гарантированными физико-механическими характеристиками и защитными свойствами по отношению к арматуре до момента начала процесса коррозии бетона под воздействием на него агрессивной внешней среды или активизации внешней средой ранее достаточно пассивных внутренних агентов. Показатель рН такого здорового бетона =12-13.
2. Под процессом коррозии бетона подразумевается снижение его защитных свойств по отношению к арматуре, без учета снижения физико-механических характеристик: в растянутой зоне - по причине того, что бетон на растяжение практически не работает, и в сжатой — т.к. глубина коррозионного фронта здесь на порядок меньше, чем в растянутой.
3. За момент начала процесса коррозии бетона і0г=1ЗПБгв исследуемой зоне железобетонной конструкции принимается момент понижения рН на поверхности бетона до рН=9 под защитным покрытиехМ, что отражает срок службы соответствующей зоны покрытия в агрессивной среде с рН 9. Определяется путем сопоставления глубин Lbpm разных защитных покрытий (в т.ч. без покрытия) в одинаковых условиях эксплуатации или определяется в процессе моделирования по параметрам, принятым из аналогичных систем «среда-защита-конструкция».
4. Процесс проникания коррозионного фронта с рН=9 вглубь бетона исследуемой зоны железобетонной конструкции описывается затухающей степенной функцией с показателем менее единицы.
5. С момента начала процесса коррозии бетона в исследуемой зоне железобетонной конструкции с поверхность и вглубь бетона движется фронт коррозии бетона с рН9, описываемый затухающей степенной функцией ЬрН9 с показателем менее единицы (3.45), или с постоянной скоростью по п.3.2.
6. В точках соприкосновения фронта коррозии бетона с рН9 с поверхностью арматуры начинается ее устойчивый коррозионный износ. До соприкосновения коррозионный износ в этой точке арматуры отсутствует. Фронт коррозии в арматуре описывается формулой (3.53) или движется с постоянной скоростью (см. п.3.2).
7. Арматура стальная малоуглеродистая, термически не упроченная и не подвержена питтингу. Снижение физико-механических характеристик не изношенной доли арматуры мало и в расчетах не учитывается.
8. Для расчета коррозионного износа поперечного сечения арматуры принято следующее допущение: поперечное сечение арматуры представляет собой не круг, как на рис 3.1, а правильный и-угольник.
9. Скорости движения фронтов коррозии в бетоне и арматуре с течением времени замедляются в соответствии с формулами (3.45) и (3.53).
10. Бетон неодинаково работает на растяжение и сжатие. Эта гипотеза может быть конкретизирована следующим образом: бетон работает только на сжатие, а в растянутой зоне изгибаемых конструкций сам бетон практически не работает на растяжение, но обеспечивает совместную работу сжатой зоны бетона с арматурой растянутой зоны и защиту арматуры от коррозии.
11. Снижение физико-механических характеристик бетона сжатой зоны, пораженной фронтом с рН9 моделируется, одновременно с деформативностью, смещением экстремального значения сжимающего напряжения Gj, в бетоне с крайнего верхнего волокна вглубь бетона по оси z на глубину фронта.
12. Арматура учитывается в расчетах только в растянутой зоне.
13. Бетон в сжатой зоне работает нелинейно упруго с начальным модулем упругости Еь{рь), в соответствии с кубической зависимостью описываемой формулой (3.92).
14. Изгибаемая железобетонная конструкция находится в условиях одноосного напряженного состояния (то есть напряжения, возникающие в ней только нормальные, а касательные или отсутствуют - при чистом изгибе, или невелики и могут быть определены через дополнительные уравнения по формуле Журавского при поперечном изгибе).
15. Действующие нагрузки — постоянные, длительные и кратковременные малоцикличные. Цикличность определена сезонными изменениями.
16. Под действием износа сечения арматуры растянутой зоны происходит изменение напряженно-деформативного состояния (НДС) и сопротивления нагружению работающей на изгиб конструкции в соответствии с гипотезой плоских сечений.
17. Взяв за основу, что сумма сжимающих усилий в сечении равна сумме растягивающих и сумма моментов внутренних усилий относительно оси Оу равна внешнему изгибающему моменту, получим систему уравнений для определения безразмерных высоты сжатой зоны Z0r бетона и кривизны изгибаемой железобетонной конструкции Хг
18. По кривизне определяется безразмерный максимальный прогиб железобетонной конструкции (3.124).
19. Процесс длительной деформативности бетона сжатой зоны моделируется смещением экстремального значения сжимающего напряжения аь в бетоне с крайнего верхнего волокна вглубь бетона по оси z в соответствии с формулой z = zRb =/i(l-KRJ/2, где коэффициент KR определяется функцией (3.139).
20. Растягивающие напряжения в арматуре crs подчиняются закону Гука до достижения некоторого критического значения а , а после которого определяются нелинейно-упругой степенной зависимостью в соответствии с формулой (3.95).
21. По сечению арматуры растягивающие напряжения распределяются одинаково.
22. Сцепление арматуры с бетоном считается обеспеченным за счет анкеровки в прилегающих менее загруженных и изношенных сечениях до момента разрушения конструкции.
23. При расчете несущей способности сечения за плечо пары сил принято расстояние между геометрическим центром массы корродирующего сечения арматуры и равнодействующей криволинейной эпюры напряжений сжатой зоны бетона.
Прогнозирование долговечности железобетонных балок покрытия ЧМУПП «Водоканал» г. Чебоксары
Численное исследование модели было выполнено при следующих значениях параметров: = 14 мм- радиус арматуры (при этом на одном уровне zs расположены 3 одинаковы арматуры); / = 5800 мм- расчетный пролет балки; 6 = 250 мм- ширина балки; А = 500 мм- высота балки; 1ЗСБ=10мм- глубина защитного слоя бетона; М = 170кН-м- момент внешних сил на расстоянии 1/2 от опор; Ц. =2.1-10" Па; n = DafDb =12.
Вычислим на основе приведенных данных безразмерные параметры модели: bT=bjrm =17,86; HT=h/ros =35,72; /r = І/гл = 414,29; Zsr = zjrci = -16,64; M /xu = r.AoS =0,71; Mr=-—= 0,2947; a = as/ocb =0,12; p = ps/pb =0,286; Dr S OS Y = rosp\/ab =0,321; r\[ =0.005; є] =0.00186. При этих параметрах единица времени равна toj =ros/ab = 10,69 год. Значение KR , входящего в выражения (3.112), (3.113), (3.115) и (3.116) зададим так: KRb=v( r- or)- (3.139)
Здесь, \г - коэффициент, учитывающий длительность эксплуатации в заданном режиме. Нормативное сопротивление бетона В20 (М250) сжатию составляет /?to =15МПа. По данным замеров, полученных неразрушающими методами контроля, фактическая прочность бетона сжатой зоны центрального сечения исследуемого изгибаемого элемента составила Rbi = 22.5 МПа. Расчетное сопротивление бетона В20 (М250) сжатию составляет Rb = Лм/1,3 = 11,54МПа. Нормативное сопротивление арматуры класса ЛШ растяжению равна 7?sn =390МПа. Предельная прочность такой арматуры растяжению равна Л8р=650МПа [96]. Расчетное сопротивление арматуры класса ЛШ растяжению равна Rs = Rsni 1,1 = 354,55МГТа. Тогда указанные параметры в безразмерных единицах соответственно равны: К, =- ь„/М, =-" b„/A =-0.00086; Rbii=-Rbt/Db= -nRbi/Ds =-0.0013; ь, =- ь/А, =-nRb/Ds =-0,000662; Rsnc = RjDt = 0.0019; su, =ЯМ/Д =0.0031; Ят =Л5/Д =0,00173. Результаты численного анализа модели (3.112), (3.113), (3.114) и (3.115) представлены на рис.3.31-3. 37.
На рис.3.31 представлены вычисленная по формулам (3.103) и (3.104) расчетная диаграмма деформативности (1) и фактическая диаграмма деформативности (2) стали класса АГП марки 35ГС.
Зависимость величины Gb, входящей в формулы (3.92) и (3.102) и связанной соотношением (ЗЛЮ) с относительными деформациями сжатой зоны бетона, от величины Lhf}ni показана на рис. 3.33. Эта величина 7Ь, зависящая от физических характеристик сжатой зоны бетона, определяет эволюцию эпюры напряжений в сжатой зоне бетона в процессе коррозионного износа арматуры растянутой зоны. Характер ее изменения во времени связан с тем, что по мере коррозионного износа арматуры возрастают напряжения в верхних волокнах бетона сжатой зоны и при достижении в них предельных значений напряжения начинается перестройка напряжений вследствие длительной деформативности бетона, когда наиболее загруженные верхние волокна разгружаются, а менее загруженные нижние волокна догружаются. При этом одновременно происходит уменьшение высоты Z0r сжатой зоны бетона. Вследствие этих процессов максимум напряжения в сжатой зоне бетона смещается вглубь по оси z (см. рис. 3.29) и параметр Gb, соответствующий достижению этого максимума, определяется из (3.111).
На рис.3.37 приведен график долговечности, т.е. зависимости снижения несущей способности центрального нормального сечения изгибаемого железобетонного элемента, рассчитанной по первой группе предельных состояний по формуле (3.138) при оед=Лп- (AfRsJ)r) и при a Rsl, т.е. напряжение в арматуре соответствует достижению экстремума напряжений в сжатом бетоне уровню фактической исследованной прочности бетона на сжатие Rbi-(MRsit) от величины L nr. Здесь Мг момент в указанном сечении от действия основного сочетания внешних нагрузок
Прогнозируемая долговечность конструкции может быть рассчитана с использованием различных критериев предельного состояния. Результаты численного моделирования в MATLAB показали, что моменты времени, при которых напряжения растяжения в арматуре достигнут уровня допустимых напряжений, соответствующих /?s, RM и R , равны tRi =5,2754 , tRm =5,6407 и fRsi =6,3382. Аналогично, моменты времени, при которых максимумы напряжений в сжатой зоне бетона достигнут значений Rb, Rbn и 121 Rb, соответственно равны tRb=0 , tKbn =5,8732 и rEbl =6,3382 . Моменты времени, соответствующие несущей способности сечения, рассчитанной по параметрам /?5, Кш и /?si, равны /м =5,2754, /м =5,6407 и /м =6,3382 .
Похожие диссертации на Прогнозирование долговечности железобетонных конструкций, работающих в агрессивных средах с учетом коррозионного износа рабочей арматуры
