Введение к работе
Актуальность темы: Железобетонные оболочечные и складчатые конструкции, к которым можно отнести и канализационные трубы, используемые для отвода агрессивных жидкостей, и колодцы и водопропускные трубы на автомобильных дорогах, и железобетонные резервуары для хранения агрессивных сред, во время эксплуатации подвергаются воздействию не только эксплуатационных нагрузок и температуры, но и различных агрессивных сред. Моделирование напряженно-деформированного состояния и прогнозирование поведения железобетонных оболочечных конструкций с учетом воздействия агрессивных эксплуатационных сред позволит не допустить наступления аварийных ситуаций и организовать своевременное проведение их ремонта и усиления.
Коррозионное разрушение оболочечных и складчатых железобетонных конструкций, происходит в основном из-за карбонизации и хлоридной коррозии, причем нередко эти факторы действуют совместно. Карбонизация происходит вследствие диффузии углекислого газа, который в необходимом количестве содержится в воздухе. Хлориды же попадают в бетон водопропускных и канализационных труб и колодцев в результате использования солей-антиобледенителей или в случае эксплуатации этих конструкций в приморской атмосфере.
И, хотя в процессе обследования указанных конструкций и карбонизация, и хлоридная коррозия диагностируются, оценка их влияния на напряженно-деформированное состояние и долговечность конструкций носит больше качественный, нежели количественный характер.
Поэтому проблема построения и использования расчетных моделей для прогнозирования поведения железобетонных оболочечных и складчатых конструкций применительно к водопропускным и канализационным трубам с учетом совместного воздействия карбонизации и хлоридсодержащей среды является весьма важной и научной и народно-хозяйственной проблемой.
Одним из путей увеличения долговечности тонкостенных оболочечных и складчатых конструкций водопропускных и канализационных труб является использование сталефибробетона и фибробетона на основе высокомодульной неметаллической фибры как в дополнение к стержневому армированию, так и с отказом от стержневого армирования, создающего проблемы технологического и эксплуатационного характера. Еще одним из направлений повышения долговечности таких конструкций является использование торкрет фибробетона для ремонта и усиления водопропускных и канализационных труб без их извлечения.
Однако методы расчета фибробетонных тонкостенных конструкций оболочечного и складчатого типа применительно к водопропускным и канализационным трубам до сих пор либо повторяют известные нормативные методологии 30-40 давности, либо используют существующие конечно-элементные программные комплексы при сильном упрощении особенностей поведения материалов и практически без учета воздействия агрессивных сред.
Проблеме разработки моделей деформирования и прогнозирования долговечности железобетонных элементов конструкций при совместном действии нагрузок и агрессивных эксплуатационных сред посвящены исследования нескольких научных центров страны: в Москве под руководством Бондаренко В.М., Баженова Ю.М., Васильева А.И., Римшина В.И., Гусева Б.В., Степановой В.Ф., в Санкт-Петербурге под руководством Санжаровского Р.Б., Комохова П.Г., в Саратове под руководством Овчинникова И.Г., Петрова В.В., Иноземцева В.К., в Волгограде под руководством Игнатьева В.А., в Саранске под руководством Селяева В.П., Черкасова В.Д., Ерофеева В.Т., в Пензе под руководством Скачкова Ю.П., в Казани под руководством Р.З.Рахимова и в других городах.
Проблеме разработки моделей деформирования сталефибробетона посвящены работы Ю.М. Баженова, В.В. Бабкова, Г.И. Бердичевского, А.С. Бочарникова, И.В.Волкова, Б.А. Крылова, Л.Г. Курбатова, К.В. Михайлова, И.Г. Овчинникова, Ю.В. Пухаренко, Ф.Н. Рабиновича и других исследователей. Созданию и исследованию дисперсно-армированных материалов посвящены исследования В.И. Калашникова, В.С. Демьяновой с учениками.
Резюмируя вышесказанное, можно отметить, что для построения расчетных моделей оболочечных и складчатых конструкций водопропускных и канализационных труб применительно к реальным условиям эксплуатации необходимо учитывать процессы взаимодействия рассчитываемых конструкций как с нагрузками, так с агрессивными эксплуатационными средами, в частности, вызывающими карбонизацию и хлоридную коррозию. При этом также следует корректно описывать и характер напряженно-деформированного состояния рассчитываемых конструкций, и механические свойства используемых материалов.
Целью диссертационной работы является:
Разработка расчетных моделей и методов прогнозирования поведения железобетонных и сталефибробетонных оболочечных и складчатых конструкций водопропускных и канализационных труб с учетом совместного действия внешней нагрузки и агрессивной эксплуатационной среды, вызывающей карбонизацию и хлоридную коррозию. Для достижения этой цели сформулированы следующие задачи:
Задачи работы:
- анализ условий работы водопропускных и канализационных труб при совместном действии нагрузки и агрессивных эксплуатационных сред; анализ изменений напряженно-деформированного состояния элементов железобетонных водопропускных и канализационных труб, вызываемых воздействием сред, вызывающих карбонизацию и хлоридную коррозию;
- разработка моделей деформирования армированных оболочечных и складчатых конструкций водопропускных и канализационных труб с учетом совместного воздействия на них внешних нагрузок и эксплуатационных сред, вызывающих карбонизацию и хлоридную коррозию;
- разработка моделей деформирования фибробетонных оболочечных и складчатых конструкций водопропускных и канализационных труб с учетом воздействия на них внешних нагрузок и эксплуатационных сред;
- проведение экспериментальных исследований с целью определения механических характеристик фибробетонных конструкций и разработка методик идентификации построенных моделей деформирования железобетонных и фибробетонных оболочечных конструкций при работе их в реальных условиях эксплуатации по экспериментальным данным;
- разработка методик расчета железобетонных и фибробетонных оболочечных и складчатых конструкций водопропускных и канализационных труб с учетом воздействия эксплуатационных сред, проведение численных экспериментов и исследование влияния агрессивных сред на изменение напряженно-деформированного состояния и долговечности указанных конструкций.
Научная новизна работы:
- проведен анализ и систематизация экспериментальных данных по воздействию сред, вызывающих карбонизацию и хлоридную коррозию, на прочностные и деформативные свойства железобетона, и показан характер возникающей неоднородности механических свойств материала;
- построены модели деформирования армированных оболочечных и складчатых конструкций водопропускных и канализационных труб с учетом совместного воздействия на них внешних нагрузок и эксплуатационных сред, вызывающих карбонизацию и хлоридную коррозию;
- построены модели деформирования фибробетонных оболочечных и складчатых конструкций водопропускных и канализационных труб с учетом воздействия на них внешних нагрузок и эксплуатационных сред;
- проведены экспериментальные исследования с целью определения ряда механических характеристик фибробетонных конструкций;
- разработаны методики идентификации моделей деформирования железобетона и фибробетона при работе их в реальных условиях эксплуатации; выполнена их идентификация по экспериментальным данным;
- разработаны методики расчета железобетонных и фибробетонных оболочечных и складчатых конструкций водопропускных и канализационных труб с учетом воздействия эксплуатационных сред, проведены численные эксперименты по исследованию влияния агрессивных сред на изменение напряженно-деформированного состояния и долговечности указанных конструкций;
- для расчета армированных элементов оболочечных конструкций водопропускных и канализационных труб применена деформационная теория, позволившая корректно связать статическую, геометрическую и физическую стороны задачи;
- с использованием общей и полубезмоментной теории оболочек получена полная система разрешающих уравнений, описывающих напряженно деформированное состояние железобетонных и фибробетонных водопропускных и канализационных труб при действии на них нагрузки и сред, вызывающих карбонизацию и хлоридную коррозию. Эта система уравнений может быть использована при расчете любых круглых водопропускных и канализационных труб.
Практическая значимость работы заключается в том, что разработанные модели, методики идентификации и расчета могут быть использованы для прогнозирования напряженно-деформированного состояния и работоспособности железобетонных и фибробетонных водопропускных труб с учетом воздействия агрессивных сред. Применение разработанных моделей деформирования фибробетонных водопропускных и канализационных труб позволит более корректно оценивать их долговечность в реальных условиях.
Реализация результатов работы:
Результаты работы приняты к использованию Саратовским филиалом ОАО «ГИПРОДОРНИИ», ЗАО НТЦ «Волгопромстройбезопасность» для прогнозирования поведения и оценки остаточного ресурса железобетонных труб с целью планирования мероприятий по обследованию и ремонту. Результаты диссертационной работы использованы в Саратовском государственном техническом университете при подготовке отчета по программе 11В «Совершенствование методов диагностики, расчета, проектирования, строительства и эксплуатации транспортных и коммуникационных сооружений» (2008-2010 годы), при подготовке Стандарта организации «Рекомендации по применению водопропускных спиральновитых полиэтиленовых труб на автомобильных дорогах общего пользования» М. 2009, а также преподавателями при проведении лекций и практических занятий со студентами строительных специальностей.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 10 публикациях, в том числе в 3 изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Достоверность результатов работы обеспечивается корректным построением расчетных моделей, их идентификацией и верификацией, сравнением результатов численного моделирования с рядом экспериментальных данных, а также с результатами некоторых исследований, проведенных другими авторами.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались и докладывались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Саратовского государственного технического университета (2004-2010 гг.); на международной научно-технической конференции «Эффективные строительные конструкции: теория и практика» (Пенза, 2004), на III научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и научно-технический прогресс в дорожной отрасли Юга России» (Волгоград, 2009), на X и XI Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии» (Тула. 2009, 2010), Международном научно-практическом симпозиуме «Социально-экономические проблемы жилищного строительства и пути их решения в период выхода из кризиса» (Саратов. 2009).
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка литературы (250 наименований), содержит 155 рисунков, 69 таблиц. Основное содержание диссертации изложено на 250 страницах текста.
На защиту выносятся:
- система моделей деформирования оболочечных и складчатых конструкций железобетонных и фибробетонных водопропускных и канализационных труб, подвергающихся совместному действию нагрузки и сред, вызывающих карбонизацию и хлоридную коррозию;
- результаты идентификации построенных расчетных моделей армированных оболочечных и складчатых конструкций по экспериментальным данным;
- результаты экспериментальных исследований по анализу поведения фибробетонных конструкций в реальных условиях нагружения, а также результаты анализа работы железобетонных конструкций при действии на них карбонизации и хлоридсодержащей среды;
- методики расчета железобетонных и фибробетонных оболочечных и складчатых конструкций водопропускных и канализационных труб с учетом воздействия эксплуатационных сред, результаты численных экспериментов по влиянию агрессивных сред на изменение напряженно-деформированного состояния и долговечности указанных конструкций;
- оболочечные теории деформирования железобетонных и фибробетонных водопропускных и канализационных труб, подвергающихся одновременному воздействию нагрузки, карбонизации и хлоридсодержащей среды;
- применимость деформационной теории к расчету оболочечных железобетонных и фибробетонных конструкций с учетом совместного воздействия карбонизации, хлоридсодержащей среды и внешней нагрузки.
