Пространственная работа цилиндрического железобетонного силоса при локальных повреждениях, вызванных воздействием внешней среды Нгуен Нгок Нам

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА I. Состояние вопроса, цель и задачи исследований

1.1. Особенности климата Вьетнама и его влияние на процесс коррозии бетона и железобетона 13

1.1.1. Природно-климатические особенности Вьетнама 13

1.1.2. Химический состав морской воды мира и Вьетнама 15

1.1.3. Влияние климатических факторов на процесс коррозии бетона и железобетона 18

1.2. Моделирование повреждений в стенах железобетонных силосов 21

1.2.1. Дефекты и деформации стен силосов и бункеров 22

1.2.2. Механизм образования повреждений в стенах круглых железобетонных силосов в виде вертикальных трещин большой протяженно-сти 29

1.3. Обзор работ по моделированию и расчету элементов конструк ций с учетом воздействия агрессивных сред 33

1.4. Основные математические модели деформирования тонких круговых цилиндрических оболочек 52

1.4.1. Цилиндрические эюелезобетонные силосы и нагрузки на их стены 53

1.4.2. Аналитические методы теории цилиндрических оболочек 56

1.4.3. Применение теории оболочек для расчета стен цилиндрических железобетонных силосов 65

1.4.4. Расчет оболочек методом конечных элементов 70

1.5. Выводы по главе 1 80

ГЛАВА 2. Исследование и анализ моделей описы вающих влияние хлоридсодержащеи среды на пове дение железобетона 81

2.1. Особенности кинетики проникания хлорид содержа щей среды в железобетон силосных сооружений в условиях, аналогичным климати ческим условиям Вьетнама 71

2.1.1. Экспериментальные данные по кинетике проникания хлоридсо-держащей среды в бетон железобетонных элементов 71

2.1.2. Закон распределения концентрации хлоридов в железобетонные элементы 76

2.1.3. Закон продвю/сения границы коррозионного фронта вглубь железобетонных элементов 81

2.1.4. Идентификация модели проникания хлоридов в бетон по экспериментальным данным 86

2.2. Влияние хлоридсодержащей среды на механические характеристики железобетона 89

2.2.1. Влияние хлоридсодержащей среды на механические характеристики бетона 89

2.2.2. Влияние хлоридсодержащей среды на механические характеристики стальной арматуры 92

2.3. Деформирование бетона в условиях воздействия хлоридсодер жащей среды 96

2.3.1. Учет воздействия хлоридсодержащей среды при описании диаграммы деформирования бетона 96

2.3.2. Идентификация модели деформирования бетона по экспериментальным данным 99

2.4. Деформирование стальной арматуры в условиях воздействия

хлоридсодержащей среды 104

2.4.1. Коррозионное разрушение стальной арматуры в условиях воздействия хлоридсодержащей среды 104

2.4.2. Моделирование коррозионного износа стальной арматуры в условиях воздействия хлоридсодержащей среды 107

2.5. Вывод по главе 2 114

ГЛАВА 3. Расчет долговечности железобетонных силосов, эксплуатируемых в прибрежных районах

3.1. Моделирования долговечности для оценки срока службы. Анализ и выбор моделей срока службы железобетонных конструкций 117

3.1.1. Исследование моделей долговечности для оценки срока слуэюбы 119

3.1.2. Анализ и выбор моделей срока службы 122

3.2. Методика оценки долговечности железобетонных конструкций, основанная на использовании C-D-a-t диаграммы для практического расчета параметров долговечности бетона 125

3.2.1 Методика оценки основных факторов диффузионного процесса ионов хлора в бетон оіселезобетонньїх конструкций 126

3.2.1.1. Определение начальной концентрации хлоридов для условий прибрежных регионов 127

3.2.1.2. Определение коэффициента диффузии ионов хлора в бетон для условий прибрежных регионов 135

3.2.2. Численное моделирование процесса диффузии ионов хлора в бетоне на основе C-D-c-t диаграммы 138

3.2.2.1. Основные предпосылки численного моделирования 138

3.2.2.2. Основные элементы компьютерной программы для численного моделирования процесса диффузии ионов хлора в бетоне 139

3.2.2.3. Проверка достоверности предлагаемой методики 142

3.2.2.4. Анализ результатов численного моделирования 144

3.2.3. Пример практического расчета параметров долговечности для

железобетонных силосов цементного завода Ха Тиен 2 148

3.3. Выводы по главе 3 150

ГЛАВА 4. Численное исследование напряженно- деформированного состояния и долговечности стен железобетонных силосов 151

4.1. Введение 151

4.2. Особенности применения нелинейного МКЭ при оценке долговечности железобетонных конструкций при локальных повреждениях 152

4.3. Применение нелинейного конечного элемента для исследования долговечности стен силосов цилиндрической формы 156

4.3.1. Постановка задачи 156

4.3.2. Расчетные предпосылки 158

4.3.3. Методика и алгоритм решения задачи 161

4.3.3.1. Краткая характеристика программного комплекса "LIRA -

WINDOWS 9.0" 163

4.3.3.2. Методика и алгоритм решения задачи 170

4.4. Пример расчета и анализ результатов численного эксперимента силосов с локальной коррозией, вызванной агрессивной средой...175

4.5. Выводы по главе 4 195

Общие выводы 197

Список литературы 200

• Особенности климата Вьетнама и его влияние на процесс коррозии бетона и железобетона
• Особенности кинетики проникания хлорид содержа щей среды в железобетон силосных сооружений в условиях, аналогичным климати ческим условиям Вьетнама
• Моделирования долговечности для оценки срока службы. Анализ и выбор моделей срока службы железобетонных конструкций
• Особенности применения нелинейного МКЭ при оценке долговечности железобетонных конструкций при локальных повреждениях

Введение к работе

Проблема надежности и долговечности железобетонных монолитных силосов кругового очертания, используемых для хранения различных сыпучих материалов, не перестает быть актуальной в связи с известными случаями повреждений стен, износом сооружений, их реконструкцией, проектированием и строительством новых типов силосных корпусов.

Монолитные железобетонные силосы широко используются для хранения зерна и в качестве аккумулирующих емкостей в различных отраслях промышленности. Имея значительные преимущества перед другими конструкциями, выполняющими аналогичные функции, силосы выгодно отличаются сравнительно низкими капитальными вложениями при строительстве и эксплуатации, компактны, хорошо вписываются в технологический цикл и являются универсальными. Наиболее распространенным и рациональным типом силосов являются силосы кругового очертания, представляющие собой вертикально установленные одиночные или сблокированные тонкостенные замкнутые оболочки вращения.

Железобетонные силосы являются сложными инженерными сооружениями, проектирование и строительство которых связано с решением комплекса расчетных, конструктивных и технологических задач. В этой области уже выполнен большой объем экспериментально-теоретических исследований по изучению действующих нагрузок и накоплен значительный опыт проектирования. Но известны случаи повреждения и даже разрушение стен силосов, построенных в полном соответствии с нормами проектирования. Это дает основания утверждать о необходимости на данном этапе проведения дополнительных исследований по уточнению действующих нагрузок от сыпучего материала с учетом неблагоприятного воздействия окружающей среды.

Анализ результатов исследований показывает, что железобетонные конструкции силосных сооружений находят широкое применение в промышленном и сельскохозяйственном строительстве. Однако при их изготовлении, монтаже и эксплуатации в них возникают дефекты и повреждения различного характера, которые оказывают влияние на их напряженно-деформированное состояние и долговечность.

Одними из опасных форм разрушения стен железобетонных силосов являются локальные разрушения. Некоторые из проанализированных и систематизированных форм локальных разрушений недостаточно отражены в практике проектирования конструкций для инженерных сооружений.

Морские и прибрежные бетонные и железобетонные сооружения работают в исключительно неблагоприятных условиях многокомпонентной агрессивной среды. Одним из характерно-опасных факторов для железобетонных конструкций силосных сооружений, эксплуатируемых в морских и прибрежных условиях является воздействия ионов хлора. Основные ее источники: морская вода либо солевой туман (характерный для приморской атмосферы), имеющие контакт с конструкцией; добавки-ускорители твердения (на основе хлоридных солей),

Многолетние исследования различных ученых свидетельствуют о том, что воздействие агрессивной хлоридсодержащей среды приводит к значительным изменениям деформативно-прочностных свойств бетона пораженной зоны. Изменение свойств материала во времени носит необратимый характер и зависит от условий деформирования и взаимодействия со средой. Кроме этого, по мере проникания хлоридсодержащей среды в объем конструкции снижаются защитные свойства бетона по отношению к арматуре, которая начинает корродировать. В результате коррозии уменьшается площадь поперечного сечения арматуры и нарушается ее сцепление с бетоном. Все это оказывает существенное влияние на несущую способность и долговечность железобетонных конструкций силосных сооружений.

К настоящему времени расчетные схемы и методы расчета, отражающие влияние дефектов и повреждений, возникающих в процессе эксплуатации при воздействии агрессивной окружающей среды разработаны недостаточно для практического применения. В отечественных и зарубежных нормативных документах разделы, посвященные расчету железобетонных конструкций в целом (СНиП 2.05.03-84 ), и стен силосных сооружений в частности (СНиП 2.10.05-85), подверженных воздействиям агрессивных эксплуатационных сред, отсутствуют, а СНиП 2.03.11-85 лишь позволяет выбрать средства защиты железобетона в зависимости от степени агрессивного воздействия среды.

Поэтому задача разработки расчетных схем, методик расчета напряженно-деформированного состояния и прогноза срока службы для круглых железобетонных силосов, эксплуатируемых в условиях прибрежных зон и с локальным повреждением, является весьма актуальной.

Целью диссертационной работы являются оценка степени влияния силовых и несиловых воздействий на напряженно-деформированное состояние (НДС) и долговечность железобетонных круглых силосов с локальным повреждением защитного слоя и коррозией арматуры, эксплуатируемых в условиях прибрежных зон Вьетнама (Жаркого и влажного климата).

Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие задачи:

- Выявить особенности природно-климатических условий Вьетнама и определить наиболее агрессивные по отношению к железобетону воздействия морского и прибрежного воздуха.

- Выявить общие закономерности работы и разрушения стен круглых железобетонных силосов на основе анализа результатов натурных обследований и литературных источников.

- Разработать обоснованные расчетные схемы их трещинообразования и разрушений и выявить процессы появления и развития локальных повреждений.

- Изучить механизм основных деградационных процессов в бетоне и арматуре и выполнить анализ изменения параметров свойств железобетона тонкостенных пространственных силосных конструкций, работающих в среде прибрежной атмосферы. - Разработать практическую методику расчета долговечности железобетонных конструкций инженерных сооружений, эксплуатируемых в прибрежных районах южных морей.

- Разработать методику расчета и изучения НДС стен железобетонных круглых силосов с учетом повреждений и физической нелинейности - методами нелинейных КЭ.

Объектом исследований являются тонкостенные железобетонные стены круглых силосов, в которых на локальных участках может быть поврежден или разрушен защитный слой, образованы трещины, прокорродиро-вана или оголена арматура.

Предметом исследований является определение динамики изменения НДС и долговечности стен железобетонных круглых силосов в зависимости от месторасположения и характера локальных повреждений, специфики и продолжительности агрессивных воздействий.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- На основании выполненного анализа состояния и повреждений эксплуатируемых силосов в разных условиях эксплуатации выявлены наиболее характерные для этих сооружений схемы повреждений и разрушений стен круглых силосов.

- Выявлены особенности деградационных процессов в бетоне и арматуре тонкостенных силосных сооружений, характерные для прибрежных зон южных морей.

- Проанализированы работы по исследованию влияний хлоридсодер-жащих сред на прочностные и деформативные характеристики железобетонных конструкций. Построены диаграммы деформирования бетона и модель коррозионного износа стальной арматуры под воздействием агрессивной хлоридсодержащей среды.

- Разработана новая условная модель проникания агрессивной хлорсо-держащей среды в железобетон. На этой основе создана компьютерная про грамма, позволяющая построить C-D-a диаграмму для расчета параметров качества защитного слоя и срока службы железобетонных стен силосов.

- Разработана практическая методика расчета несущей способности стен силосов с локальным повреждением защитного слоя и коррозией арматуры на основе метода конечных элементов в нелинейной постановке.

- Теоретически исследованы НДС и долговечность железобетонных стен круглых силосов, которые имеют локальные повреждения и коррозию арматуры в зоне hmt по высоте силоса.

Практическая ценность работы:

- Предложенные методики позволяют более точно определить долговечность и несущую способность железобетонных стен круглых силосов с локальными повреждениями защитного слоя и коррозией арматуры, которые возникают в условиях эксплуатации жаркого и влажного прибрежного климата.

- Предложены основные расчетные схемы повреждений и разрушений стен круглых силосов.

Достоверность результатов работы обеспечивается использованием экспериментальных данных при определении коэффциентов исходных уравнений моделей деградационных процессов; сопоставлением результатов расчета долговечности и напряженно-деформированного состояния железобетонных стен силосов по предложенным методикам с теоретическими и экспериментальными исследованиями, полученными другими авторами, и решением ряда тестовых задач.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались:

- на Международной конференции «Долговечность строительных конструкций. Теория и практика. Защита от коррозии», Волгоград, 7-9 октября 2002 г.;

- на Международной конференции «Строительство и Архитектура», Минск, 3-5 февраля 2003 г.; - на Первой Международной научно-практической конференции молодых ученых «Строительство - формирование среды жизнедеятельности», Москва, МГСУ, 21-22 мая 2003 г.

- на Четвертой Международной научно-практической конференции молодых ученых «Строительство - формирование среды жизнедеятельности», Москва, МГСУ, 20-21 апреля 2006 г.

В целом диссертационная работа докладывалась и обсуждалась на заседании кафедры «железобетонных и каменных конструкций» Московского государственного строительного университета.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 2 статьях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 179 наименований и содержит 199 страниц машинописного текста, 91 рисунков, 34 таблиц.

Во введении рассмотрена актуальность диссертационной работы, дается краткое описание отдельных глав, характеристика научной новизны и обосновывается ее практическая цельность.

В первой главе изучены характерные для условий прибрежных зон (в том числе и Вьетнама) агрессивные по отношению к железобетону инженерных сооружений среды. Сделан вывод о значительном влиянии на срок службы железобетонных конструкций инженерных сооружений, проникновения хлоридов, способствующих коррозии арматуры и снижению несущей способности. 

Проведен качественный и количественный анализ дефектов и повреждений железобетонных конструкций силосных сооружений, подвергающихся воздействию постоянных и временных нагрузок в условиях агрессивного воздействия окружающей среды и техногенных факторов. По результатам натурных обследований получены схемы повреждений и разрушений стен силосов. Приведен обзор отечественных и зарубежных литератур, и показано, что к настоящему времени методы расчета стен силосов, отражающие влияние дефектов и повреждений, возникающих в процессе эксплуатации при воздействии агрессивной окружающей среды разработаны недостаточно для практического применения.

Рассмотрены особенности методов (аналитических и численных) проектирования цилиндрических железобетонных силосов, а так же основных математических моделей их деформирования, и отмечены универсальность, высокая алгоритмичность и целесообразность применения МКЭ для расчета конструкций, имеющих сложную геометрическую форму или нерегулярную структуру (наличие дефектов и повреждений).

Во второй главе приведены экспериментальные данные по кинетике проникания хлоридсодержащей среды в бетонные и железобетонные конструкции, по влиянию хлоридсодержащей среды на механические характеристики бетона, по кинетике коррозионного износа арматуры в хлоридной среде.

Изучены основные деградационные процессы в бетоне и арматуре. Проведены анализ и построение моделей, описывающих изменение параметров свойств железобетона инженерных сооружений, эксплуатируемых в хло-ридсодержащих средах: модели проникания хлоридов в бетон, модели деформирования материала (бетона, арматурной стали), модели коррозионного износа арматуры и соотношений, отражающих влияние агрессивной среды на характеристики компонентов железобетонной конструкции. Коэффициенты этих моделей определены по экспериментальным данным.

В третьей главе рассмотрены основные положения и практическая методика (в рамках детерминированного подхода) расчета долговечности железобетонных конструкций инженерных сооружений, эксплуатируемых в прибрежных районах южных морей.

Для железобетонных конструкций, в которых не допускается коррозия арматуры, временной интервал, за которое концентрация ионов хлора на по верхности арматуры достигнет критического значения, рассматривается как долговечность конструкций по признаку начала коррозии арматуры.

Расчет основан на временном и пространственном распределении ионов хлора по массиву железобетонных конструкций, описываемом уравнением диффузии. Предложена методика определения основных факторов диффузионного процесса хлоридов в зависимости от состава бетона и местоположения железобетонных конструкций в морской и прибрежной атмосфере.

С помощью предложенной методики выполнен анализ параметров долговечности железобетонных стен круглых силосов, эксплуатируемых в разных зонах морской и прибрежной атмосферы.

В четвертой главе изложена методика расчета НДС стен круглых железобетонных силосов на основе ПК «Лира Window 9.0» в нелинейной постановке. При этом учтены локальные изменения во времени толщины стены, диаметра арматуры и свойств бетона вследствие их коррозии, а также влияние ограниченных по площади повреждений в виде брешей и одиночной вертикальной трещины.

С помощью численного эксперимента исследуются особенности сопротивления тонкостенных конструктивных элементов железобетонных силосов при этих повреждениях. Оцениваются деформативность и прочность сооружений в последовательные значения времени эксплуатации в зависимости от характера и степени повреждения стен.

Выявлены что местная коррозия, инициирующая локальные повреждения, приводит к значительному не только количественному, но и качественному искажению начальной картины распределения по поверхности оболочки напряжений и деформаций.

Автор приносит свою искреннюю благодарность научному руководи телю, кандидату технических наук, доценту Л.М.Пухонто и доктору технических наук, профессору Б.С. Расторгуеву за внимание и ценные советы, высказанные ими в процессе выполнения работы.  

Особенности климата Вьетнама и его влияние на процесс коррозии бетона и железобетона

Вьетнам расположен в Юго-восточной Азии, на Индо-Китайском полуострове и принадлежит к области действия экваториального муссона. Её территория занимает узкую полосу, вытянутую с севера на юг и протирающуюся от 8 30 до 23 22 северной широты и от 102 10 до 109 21 восточной долготы (без учёта островов). Береговая линия Тихого океана тянется на 3300 км и находится полностью в тропическом районе северного полушарья. Климат Вьетнама относится к жарким и влажным тропикам, находящимся под влиянием муссонов, моря, географического расположения.

Изучению особенностей климата Вьетнама в формировании микроклимата промышленных, жилых и общественных зданий, а так же влиянию климата на технические свойства ограждений и гигиенические условия помещений посвящен ряд работ вьетнамских исследователей [28,160,164,166,173]. В этих работах содержатся особенности, характеристики и влияния климата, даётся описание климата отдельных районов.

По стандарту TCVN-4088-85 «Климатические данные для проектирования в строительстве» [173], климатическая характеристика Вьетнама может разделяться на две части климата (северная и южная части).

Для северной части характерны, по существу два сезона (холодная зима и жаркое лето) с переходами между ними. Поэтому можно считать, что северная часть Вьетнама является особой формой тропического климата с холодной длиной зимой, что отличает его от других районов мира.

Климат Южного Вьетнама (в которой находится г. Хошиминь) отличается от климата севера. Он характеризуется двумя четно выраженным сезонам: сухим и влажным.

Особенность климата Северного Вьетнама, (в которой находится г. Ханой) характеризуется следующим сочетанием: температура в июне и июле постоянно превышает 32С и часто достигает значения 37 - 38С а даже доходит до 41,6С при относительной влажности (80 - - 85 %) а в декабре и январе она часто поступает ниже 5С и также до 2 -ьЗС [173].

Характерной чертой климата северной части являются колебания температуры воздуха от зимы к лету (от 16,6 С до 28,8 С по значению среднемесячной температуры) и от ночи к дню (с 23 С до 35 С). Средняя относительная влажность воздуха сильно изменяется в течение суток (с 93% до 42%).

Солнечная радиация значительно влияет на температуру воздуха и поверхностных слоев земли. В свою очередь, она в значительной степени зависит от циркуляции атмосферы и особенности подстилающей поверхности. В табл. 1.1.1. приведены некоторые значения параметров климата в природно-климатических условиях г. Ханоя.

Таким образом, природно-климатические условия Северного Вьетнама характеризуется большим перепадом годового и суточного колебаний температуры.

В табл. 1.1.2 и 1.1.3. показаны основные параметры климата в северной и южной части Вьетнама: средняя температура, относительная влажность воздуха, прямая солнечная радиация, среднее месячное количество осадков и средняя скорость ветра.

Результаты многочисленных исследований говорят о том, что соленость мирового океана изменяется в незначительных пределах, составляя 34...35% (или г/л). Соотношение содержания различных солей в воде океана весьма устойчиво и характеризуется данными табл. 1.1.4 и 1.1.5 [175]. В различных морях степень солености воды и соотношение содержания солей изменяются в значительных пределах. Степень солености воды в морях с малым притоком пресных вод и повышенным испарением несколько выше, чем океанской: в морях, где значительнее приток пресных речных вод или вод от таяния льда, степень солености может быть значительно ниже океанской. Соотношение между отдельными солями различно в воде морей, изолированных от океана (Каспийское море) и сообщающихся с ним. В наибольшем количестве в морской воде присутствует NaCl (73...79%) общего количества солей. На втором месте стоит MgCl2 (10,5...10,9%), на третьем - MgS04 (4.4...4,8%), затем идет CaS04 (3,4...3,6%), количество бикарбонатов и карбонатов не превышает 2,1%. Сумма всех хлоридов довольно устойчиво равна 88...89%, а сумма всех сульфатов - 10,5%.

Кроме того, в морской воде содержатся и другие химические вещества: нитраты, нитриты, фосфаты, Si02, а также соли брома и йода, железа, углекислота и др.

Характеризующее концентрацию водородных ионов в морской воде рН наблюдается в застойных местах у берега - при преобладании животных сообществ в обрастании, а повышение рН - при обладании растительных сообществ.

Изменение содержания нитритов, нитратов, фосфатов и кислорода целиком зависит от жизнедеятельности биомассы моря. Так, например, весной и осенью вследствие фотосинтеза наблюдается пресыщение воды кислородом в верхних ее слоях на 10...12% от нормального содержания.

Временное изменение состава морской воды наблюдается также у поверхности сооружений в местах, где затруднен обмен и перемешивание воды (например, в швах и углублениях).

Особенности кинетики проникания хлорид содержа щей среды в железобетон силосных сооружений в условиях, аналогичным климати ческим условиям Вьетнама

Одна из первых попыток количественной оценки долговечности бетона в агрессивной среде была сделана проф. Г.К. Дементьевым [39]. Он впервые в СССР предложил расчетные формулы состава бетона, в частности, расход цемента и количество пуццоланической добавки, в зависимости от требуемого срока эксплуатации сооружения. При этом другие факторы, влияющие на долговечность материала, им не рассматривались, поскольку, как замечал сам автор, он располагал скудным и неточным опытным материалом.

По мере накопления экспериментальных данных углубляется понимание механизма коррозионного процесса, и появляются новые попытки математического описания его кинетики. В конце 40-х, или начале 50-х годов СВ. Шестоперовым и Ф.М. Ивановым для процессов коррозии, находящихся под диффузионным контролем, было предложено уравнение вида L = 4K1 (2.1.16) где: К - константа скорости процесса; L - глубина коррозионного поражения; t - время.

Это уравнение было получено на основе описания кинетики гетерогенной реакции, так называемое уравнение Таманна. Хотя физико-химической сущности коэффициента К раскрыто не было, однако дальнейшие работы в этой области были направлены в той или иной степени на совершенствование предложенного аналитического выражения и уточнения условий его применения.

В.М. Москвин учитывая, что размерность [Щ - см /с, предположил связь этой константы с коэффициентом диффузии [161]. И.П. Выродов попытался уточнить значение параметра К. Выделив из формулы (2.1.16) коэффициент диффузии, он предложил записать ее как L = K0J51 (2117) полагая, что безразмерный параметр Ко может быть определен методом размерности. Приняв без доказательств, что величина константы К0 зависит от температуры, пористости, плотности и количества диффундирующего вещества, он предложил ее аналитическое выражение. При этом остаются неучтенными растворимость исходного вещества, характеристики скорости его растворения и диффузии и прочее. В дальнейшем формула (2.1.16) была использована авторами работ для описания кинетики коррозии бетона как в жидких кислых, так и в газовоздушных агрессивных средах [40]. А.И. Минас [68] предложил для описания скорости коррозии бетона формулу (2.1.16) представить в виде L = Km (2.1.18) здесь: К- константа скорости коррозии, имеющая размерность мм/год; т - показатель степени, который может быть меньше, равен или больше единицы. Следует отметить, что при мало изменяющихся внешних условиях, именно такое ограничение вводит А.И. Минас, показатель степени т 1 трудно объясним.

Зарубежные исследователи также при описании кинетики коррозионных процессов в основном приходят к аналитическим выражениям типа (2.1.16). Так, А. Майер [64] предложил формулу вида (L + lf=K (2.1.19) причем константа К в его работе получила физическое содержание К = 2DI1 APT015 л1Т (2.1.20) рС0 213inR где: D - коэффициент диффузии агрессивного агента; 77 - пористость бетона; р - плотность бетона; Со - максимальное количество агрессивного вещества.

Параметр / в работе [64] не раскрывается и определяется экспериментально, так же как, впрочем, и константа К.

В работе М. Хамада [121] константа К в формуле (2.1.16) раскрывается следующим образом К = 0,3(1,15 + 3W)/{W - 0,25)2 ГеГаГя (2.1.21) где: W- водоцементное отношение бетонной смеси;

В работе В.Ф. Степановой, Г.В. Черныщука [117], было установлено, что скорость процессов коррозии в газовых средах определяется влажностью газовоздушной среды, т.е. степенью заполнения пор водой. В одних случаях лимитирующими процесс коррозии могут быть процессы, протекающие в жидкой, в других - в газообразной фазе. Автор приходит к заключению, что одним из основных факторов, влияющих на процессы коррозии в газовоздушных средах, является степень заполнения пор водой. Таким образом, расчет коррозионной стойкости сооружений из бетона и железобетона сводится к такому подбору состава бетона, чтобы степень заполнения пор водой не превышала бы определенного значения, зависящего от конкретной влажности воздуха, зависящей от метеорологических условий той местности, где предполагается строительство сооружения, и определенной пористости и реакционной емкости бетона, что является вполне решаемой задачей.

Моделирования долговечности для оценки срока службы. Анализ и выбор моделей срока службы железобетонных конструкций

В настоящее время в развитии практики и теории оценки долговечности и в вопросах аналитических подходов прогнозирования срока службы железобетонных конструкций, как отмечено в гл. 1, сложилось несколько основных направлений.

Наиболее эффективным из них получается математическое моделирование, основанное на знании фундаментальных физико-химических механизмов деградационных процессов в сочетании с привлечением результатов испытаний, опыта проектирования, строительства и многолетней эксплуатации конструкций. Оно позволяет раскрывать механизмы деградационных процессов и может применяться для решения широких кругов различных прикладных задач, в том числе: -прогнозирование срока службы новых (проектируемых) железобетонных конструкций как наиболее важный этап проектирования конструкций на заданный срок службы; -оценку и уточнение срока службы существующих конструкций к изменившимся условиям эксплуатации.

Взаимодействие конструкций и сооружения в целом с окружающей средой выражается посредством моделей внешних воздействий как важной составной части общей расчетной схемы. Под внешним воздействием здесь понимается действие нагрузок, климатические, агрессивные и другие воздействия и их сочетания.

Оценка долговечности железобетонных конструкций существенно зависит от правильности выбора модели, которая должна обладать способностью отразить влияние агрессивной среды на процессы, протекающие в структуре железобетона.

Существенным отличием расчетов сроков службы от традиционных расчетов несущей способности является, как отмечено в [136], введение в расчет скорости протекания процессов нагружения и изменения внутренних свойств железобетонной конструкции. Это дает возможность рассмотрения деградации материалов как части проблемы долговечности, при которой безопасность элемента конструкции от разрушения, вызванного нагрузками и воздействием внешней среды, является функцией времени.

К числу моделей долговечности, которые создаются на основании анализа деградационных механизмов, как показано в работах [98,149, 41] относятся: модель деградации, модель эксплуатационного качества и модель срока службы.

К деградационным моделям относятся математические выражения, которые описывают увеличение во времени уровня деградации вследствие накопления повреждений при изменении соответствующих расчётных параметров [149, 73].

Деградационную модель можно представить в виде: //(D) = D(xx,x2,...xn,t) (3.1.1) где M(D) среднее деградации; xl; х2;...хп - параметры материалов, железобетонных конструкций и окружающей среды, t - возраст конструкции.

Эти модели используются в расчёте долговечности в тех случаях, когда предельное состояние выражается через максимум деградации.

Математическое выражение, показывающее снижение эксплуатационного качества, как функцию времени и расчётных параметров, называется моделью эксплуатационного качества. Модель эксплуатационного качества имеет вид Ju(P) = P(xl,x2,...xn,t) (3.1.2) где /и(Р) - среднее эксплуатационного качества.

Этот тип модели используется при оценке долговечности, если предельное состояние выражается через минимум эксплуатационного качества. Оба типа моделей могут быть рассмотрены на уровне материалов, конструктивных элементов или сооружения в целом.

Деградационные модели дают возможность оценить изменения в материалах и железобетонных конструкциях, связанные со временем. Основные преимущества деградационных моделей: они могут помочь понять природу механизма деградации; их можно использовать для прогнозирования в широком диапазоне изменений расчётных параметров. Последние включают в себя: размеры железобетонных конструкций; свойства материалов; параметры окружающей среды и другие воздействия.

Особенности применения нелинейного МКЭ при оценке долговечности железобетонных конструкций при локальных повреждениях

С позиций нелинейной строительной механики сущность физической нелинейности составляет замена закона Гука нелинейными зависимостями между напряжениями и деформациями. Геометрическая нелинейность возникает при отказе от предпосылки расчета по недеформированному состоянию. Классификация возникающих при этом задач составлена В. В. Новожиловым и предусматривает следующие их типы: 1) линейные физически и геометрически; 2) нелинейные физически и геометрически линейные; 3) линейные физически и нелинейные геометрически; 4) нелинейные физически и геометрически [75].

Несмотря на успехи МКЭ в других областях инженерного дела, его использование в задачах оценки долговечности путем численного моделирования долговременных и медленнопротекающих процессов проникания агрессора, например, в виде хлоридов или карбонизации бетона и коррозии арматуры, находятся, по-видимому, в начальной стадии.

Разные аспекты этой проблемы нашли отражение в исследованиях В.М. Бондаренко, Е.Н. Гузеева, Н.И. Карпенко, А.В.Забегаева и других ученых, а также в публикациях О.Зенкевича, И. Чанга, Д. Айзенберга, 3. Базанта, В. Гервенка, М. Качанова, Д. Оха, М. Крисфилда, М. Ортиза, Е.П.Попова [132,17,33,52,51,44,152,122]; подробный анализ состояния и перспективы дальнейшего развития нелинейного МКЭ в данном ракурсе в развитых странах Запада освещены в обзоре Н.Бичанича и Р.Кроу [167]. Анализируя состояние вопроса по проблеме равновесия пространственных конструкций в условиях износа, автор опирался на исследования П.А. Лукаша, В.Д. Райзера, А. Рафика, В.В. Петрова, И. Г. Овчинникова и других авторов [77,100,96].

Одно из главных направлений исследований реализуется в форме общего подхода, в основе которого лежит решение интегральных уравнений, отражающих основные математические модели в сочетании с температурно-механическими и электрохимическими системами. Важной стороной исследований долговечности является изучение и математическое описание механизма прогрессирующего развития микротрещин из-за механических циклических нагрузок, эффекта увлажнения - высушивания или замораживания - оттаивания в защитном слое бетона, которые влияют на скорость переноса хлоридов, состояние вяжущего и дальнейшие потери контакта по поверхности "бетон - арматура", способствуют росту коррозии арматуры.

При образовании трещин изменяются граничные условия и, следовательно, скорость проникания хлоридов будет нарастать. Это предполагает сильно нелинейный процесс, где требуется смешанная формулировка МКЭ, чтобы управлять различными переменными.

Железобетон обладает физической нелинейностью, обусловленной проявлением неупругих свойств бетона и арматуры, механизм которых, в соответствии с современными представлениями [33,167], выражается через образование и развитие микротрещин.

Описание этих феноменов требуется для анализа переменной жесткости самой конструкции и понимания кинетики напряженно-деформированного состояния на всех стадиях работы, включая разрушение. Нелинейное поведение материала моделируется с помощью локальных законов деформирования в координатах. Оба эти класса нелинейных задач, когда: 1) нелинейность предопределена свойствами материала; 2) нелинейность проявляется в результате больших деформаций или геометрических изменений, могут быть решены с помощью шагового метода.

Проблемы прогрессирующего микротрещинообразования так же относятся к задачам нелинейного моделирования. Такой анализ позволяет прогнозировать скорость коррозии во взаимосвязи с потерями конструкцией ее механических качеств.

На практическом уровне оценка чувствительности несущей способности и жесткости по отношению к потере эффективной площади сечений или ослаблению связи между бетоном и арматурой важна для отыскания оптимального, с точки зрения безопасности и экономии, времени ремонта инженерных сооружений.

Основные принципы детерминированного подхода к оценке долговечности цилиндрических оболочек в агрессивной среде с привлечением теории накопления повреждений для описания длительной прочности разработаны В.В.Петровым и И.Г. Овчинниковым [77].