автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Прочность и жесткость изгибаемых железобетонных элементов с трещинами при коррозионных повреждениях

На правах рукописи

005015871

Никитин Станислав Евгеньевич

ПРОЧНОСТЬ И ЖЕСТКОСТЬ ИЗГИБАЕМЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С ТРЕЩИНАМИ ПРИ КОРРОЗИОННЫХ ПОВРЕЖДЕНИЯХ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 2072

Санкт-Петербург - 2012

005015871

Работа выполнена на кафедре строительных конструкций и материалов ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук,

старший научный сотрудник Белов Вячеслав Вячеславович

(ОАО "Санкт-Петербургский НИПКИ "Атомэнергопроект", главный специалист по ЖБК)

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Веселов Анатолий Александрович

(Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, профессор кафедры железобетонных и каменных конструкций);

кандидат технических наук Бенин Андрей Владимирович

(Петербургский государственный университет путей сообщения, заведующий лабораторией)

Ведущая организация: ОАО «Всероссийский научно-исследовательский

институт гидротехники им. Б.Е. Веденеева», Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится 24 мая 2012 г. в 14— часов на заседании диссертационного совета Д 212.223.03 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4, зал заседаний (ауд. 219 главного корпуса).

Факс: (812) 316-58-72.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет».

Автореферат разослан <Д0» апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Л.Н. Кондратьева

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Разрушающему воздействию агрессивных атмосферных и производственных сред подвергается большинство строительных конструкций. Из-за необходимости ремонтов и усиления конструкций ущерб от этих воздействий превышает 5 % общемирового валового дохода. В Российской Федерации указанные потери оцениваются в настоящее время в 20-25 млрд рублей ежегодно. В том числе, парирование этой глобальной угрозы затруднено из-за неполноты соответствия современным вызовам имеющейся научно-методической базы.

Нормы проектирования бетонных и железобетонных конструкций, обеспечивая приемлемый в целом технико-экономический уровень проектных решений, уделяют явно недостаточно внимания вопросам эксплуатационной надежности сооружений. Влияние агрессивных сред и режимов на сопротивление железобетона учитывается косвенно и чрезмерно обобщенно, используя аппарат коэффициентов надежности. Прямая оценка проектного ресурса возводимых либо остаточного ресурса эксплуатируемых зданий и сооружений из железобетона существующими Нормами не регламентируется. При этом тематические исследования, главным образом, сосредоточены на проблемах защиты конструкций от коррозии либо преодоления последствий коррозионных повреждений. Однако, такой подход не позволяет рационально использовать ресурсные возможности железобетона и зачастую экономически не оправдан из-за чрезмерности затрат и ограниченности срока службы сооружения.

Помимо материальных издержек нерешенность вопросов прогнозирования предельных состояний железобетонных конструкций при совместных силовых и средовых воздействиях чревата гуманитарным и экологическим ущербами. Статистика аварий и чрезвычайных ситуаций на строительных объектах прямо свидетельствует о наличии здесь неуправляемых технических рисков.

Насущность рассматриваемых проблем подтверждается также направленностью целевых исследовательских программ, тематикой отраслевых периодических изданий и повестками дня специализированных научно-технических конференций. Так, одним из приоритетных направлений фундаментальных исследований PA ACH в 2010-2015 гг. является "Разработка теоретических основ конструктивной безопасности конструкций зданий, сооружений и строительной инфраструктуры с учетом критериев живучести и изменяющегося во времени прочностного и эксплуатационного ресурса".

Степень разработанности проблемы. Многолетними усилиями отечественных и зарубежных научных школ строительного материаловедения -С.Н. Алексеев, Е.А. Гузеев, Ф.М. Иванов, С.Н. Леонович, В.М. Москвин, Н.К. Розенталь, Л.Я. Цикерман, С. Atkins, M.F. Dan, А. С. Estes, Т. Häkkinen, V. Hogg, К.-Y.Lin, M.B. Roberts и др. - сегодня достигнут высокий уровень развития теории коррозии бетона и арматуры.

С другой стороны, значимые достижения имеются в теории силового сопротивления железобетона. В странах СНГ они связаны, главным образом,

с работами В.М.Бондаренко, П.И. Васильева, Г.А.Гениева, Н.И.Карпенко, В.И. Мурашева, Е.Н. Пересыпкина и их последователей. В том числе, в технической теории сцепления арматуры с бетоном широко известны труды А.А. Веселова, А.А. Оатула, М.М. Холмянского, Т. Kanakubo, В. Martin-Perez, Т. Rabczuk, A. Yasojima и др.

Междисциплинарный характер и системность проблем обусловили ограниченность предложений по развитию механики железобетона с коррозионными повреждениями (В.М. Бондаренко, И.Г. Овчинников, А.И. Попеско, A. Castellani, D. Coronelli и др.). До сих пор мало исследованы особенности коррозионного сцепления арматуры с бетоном (J. Rodriguez, Н. Schlune). В ущерб надежности проектных решений комплексный подход к оценке сопротивления железобетонных элементов силовым и агрессивным средовым воздействиям заменяется преимущественно решением задач частного вида (А.А. Землянский, J1.M. Пухонто, Б.А Ягупов, G. Horrigmoe и др.).

Целью работы является разработка инженерно-ориентированного метода оценки эксплуатационного состояния, несущей способности, а также проектного или остаточного ресурса коррозионно-поврежденных изгибаемых железобетонных элементов.

Объектом исследования являются изгибаемые железобетонные элементы с нормальными трещинами, эксплуатируемые в условиях агрессивной среды.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• Комплексный анализ существующих экспериментальных и теоретических исследований изменения характеристик бетона, арматуры и их контактного взаимодействия, прочности и жесткости изгибаемых железобетонных элементов под воздействием агрессивных сред природного и техногенного происхождения.

• Разработка диахронной модели деформирования, методики оценки эксплуатационного и предельного состояний изгибаемых поврежденных коррозией железобетонных элементов различного профиля с поперечными трещинами.

• Разработка методики прямого численно-аналитического определения проектного ресурса вновь возводимых и остаточного ресурса эксплуатируемых изгибаемых железобетонных элементов.

• Верификация диахронной модели путем систематического сопоставления расчетных результатов с экспериментальными данными.

• Практическое использование предлагаемой методики для расчетного обоснования проектов строительства и реконструкции железобетонных конструкций.

• Разработка рекомендаций по совершенствованию оценок эксплуатационных и предельных состояний изгибаемых железобетонных элементов, работающих при совместном действии силовых нагрузок и агрессивной окружающей среды.

Научную новизну диссертации составляют:

• Диахронная модель сопротивления нетрещиностойких изгибаемых железобетонных элементов различного профиля с коррозионными повреждениями;

• Методика прямого численно-аналитического определения проектного ресурса вновь возводимых и остаточного ресурса эксплуатируемых изгибаемых железобетонных элементов;

• Оценка несущей способности и долговечности железобетонных изгибаемых элементов при различных схемах и уровнях деградации свойств бетона, арматуры и их контакта.

Практическое значение и реализация полученных результатов.

Разработаны предложения по уточнению прочностных и деформационных расчетов железобетонных конструкций, работающих при совместном действии силовых нагрузок и агрессии окружающей среды.

Результаты выполненных исследований внедрены в проектах реконструкции двух производственных объектов - Камского целлюлозно-бумажного комбината (г. Краснокамск Пермской области) и Каменской бумажно-картонной фабрики (г. Кувшиново Тверской области).

Материалы диссертационной работы используются в специальном курсе железобетонных конструкций для магистрантов, а также при дипломном проектировании на кафедре строительных конструкций и материалов Инженерно-строительного факультета СПбГПУ.

Практическая значимость работы подтверждается грантами Правительства Санкт-Петербурга для аспирантов по направлению «Строительство и архитектура» (ПСП№ 10491, 2010 г. и ПСП №11391, 2011 г.).

Достоверность результатов исследований подтверждается:

• физическим соответствием полученных результатов моделируемым процессам и явлениям;

• качественной и количественной сходимостью расчетных прогнозов с экспериментальными данными;

• согласием в области возможного сопоставления результатов расчета с частными решениями по ранее предложенным методикам;

• положительными экспертными оценками специалистов в области механики железобетона, полученными при обсуждении работы на научных конференциях и семинарах.

Апробация и публикация работы:

Основные результаты исследований были доложены и обсуждены на:

• ежегодных международных научно-практических конференциях "Неделя Науки СПбГПУ" в 2007-2011 гг.;

• 7-ой международной конференции «Новые идеи нового века - 2007». Тихоокеанский Государственный Университет, Хабаровск, 2007;

• II и III международных конференциях «Проблемы современного бетона и железобетона», БелНИИС, Минск, 2009, 2011;

• международной научно-технической конференции "Строительная наука -2010. Теория, практика, инновации северо-арктическому региону", Северный (Арктический) Федеральный университет, г. Архангельск, 2010;

• расширенном заседании кафедры железобетонных и каменных конструкций СПбГАСУ.

По теме диссертации опубликовано 14 научных статей, из них 3 в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы из 116 наименований, 1 приложения. Общий объем составляет 146 страниц машинописного текста, в том числе 70 рисунков, 8 таблиц.

Во введении обоснована актуальность проводимых исследований, сформулированы цель и задачи, научная новизна и практическая значимость диссертационной работы.

В первой главе выполнен анализ современного состояния исследований долговечности бетона и коррозии стальной арматуры в бетоне, рассмотрены вопросы нарушения контакта арматуры с бетоном, в том числе, в условиях коррозии, представлена ретроспектива моделей силового сопротивления изгибаемых железобетонных элементов с трещинами, а также моделей деформирования и методов расчета коррозионно-поврежденных железобетонных элементов.

Вторая глава диссертации посвящена экспериментальным основам работы изгибаемых железобетонных элементов и разработке диахронной модели сопротивления коррозионно-поврежденных изгибаемых железобетонных элементов с трещинами.

В третьей главе представлены параметрический анализ диахронной модели с определением ее области применения, а также результаты комплексной верификации модели.

В четвертой главе описана методика оценки долговечности изгибаемых железобетонных элементов с трещинами с позиций диахронной модели. Даны практические рекомендации по прогнозированию состояния изгибаемых железобетонных элементов при совместном действии силовых нагрузок и агрессии окружающей среды.

II. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Разработана диахронная модель деформирования коррозионно-поврежденных железобетонных элементов нормальными трещинами.

Рассматривается напряженно-деформированное состояние изгибаемого железобетонного элемента с симметричным в плоскости нагружения поперечным сечением Б и двойным армированием. В случае поперечного изгиба влияние изгибающего момента М и продольного усилия N является превалирующим. Образование и развитие системы нормальных трещин в растянутой зоне бетона происходит при достижении момента трещинообразования Мсгс. Преимущественно трещины располагаются примерно на одинаковом расстоянии Ьсгс = 2Ь одна от другой, имеют почти одинаковую глубину Исгс и ширину раскрытия аск (рис. 1).

Далее изгибаемый элемент рассматривается детерминировано как регулярная контактная система деформируемых блоков, разделенных равноотстоящими трещинами изменяемого шага. Смежные блоки взаимодействуют в об-

ласти сохраняющего сплошность бетона, а также посредством сжатой А' и растянутой А5 стержневой арматуры. При этом напряженно-деформированное состояние нетрещиностойкого элемента является циклически симметричным относительно характерных сечений двух типов: с трещинами (I = ±Ь) и равноудаленных от смежных трещин-близнецов (/ = 0). При таком подходе проблема определения напряженно-деформированного состояния элемента сводится к решению задачи для симметричной половины характерного блока (рис. 2).

Рис. 1. Схема элемента при силовых и коррозионных воздействиях йИШпЕпшай

а) 6) в)

Рис. 2. Расчетный блок с эпюрами: а) перемещений, б) относительных деформаций, в) внутренних усилий

Изменение продольных перемещений иь(у) в зоне сплошного бетона, а также их линейная связь с осевыми перемещениями продольной арматуры и принимается линейным по высоте сечения вследствие циклической симметрии в сечении с трещиной ( /= ±/,):

Ширина раскрытия трещины асгс равна удвоенному смещению арматуры относительно бетона в сечении с трещиной II- IIы =0,5 ■ асгс = gL. В центральном сечении (/ = 0) расчетного блока принимается линейное распределение по высоте элемента Ь продольных относительных деформаций бетона:

Ьь _ " "ы

т 1Ш (2)

Ь1 "Ы

Деформации сжатой арматуры и е'™ (см. рис. 2) принимаются равными деформациям сжатого бетона, соответственно еь и е"' вплоть до достижения предельной сжимаемости бетона е4ц,-В центральном сечении деформации растянутой арматуры и растянутого бетона считаются совместными только до е™ = еш. После ££ > еш, имея в виду образование при стесненных деформациях системы неслитных микротрещин, используется условный прием: совместность деформаций растянутой арматуры и бетона нарушается при ограничении максимальных деформаций арматуры =

Следуя рекомендациям действующих СНиП, для растянутой и сжатой стержневой арматуры при Мс/< М Л принимается линейно-упругий закон деформирования. Работа бетона в условиях одноосного напряженного состояния описывается расчетной диаграммой деформирования:

&ь(У) = Еь ■ £ь(У) ■ [' - У' £ь(У)] > где у = 1/2е6я (у = 1/2еЛ/Я) - характеристика нелинейных деформаций, £м и еш-деформации при пиковых напряжениях и Лы.

Эпюра относительных деформа-

ций крайнего сжатого волокна бетона еь{[) представляется состоящей из двух

« „ т

частей: прямоугольной с высотой еь

Рис. 3. К определению смещений крайнего т

,,_____(ft - деформации сжатого бетона

сжатого волокна бетона v Ъ «"ff

в сечении / = 0) и криволинейно-треугольной с высотой As6 =еь-е™ при / = L (рис. 3). Аналогичный прием использован для оценки деформаций растянутой арматуры по длине блока. При этом учитывается мнение ряда исследователей (в частности, Ю.П. Гущи, E.H. Пересыпкина), что, в отличие от площади, вид функции сцепления арматуры с бетоном ТСц = /(■*) мало влияет на значения относительных деформаций бетона еь и арматуры £s в сечении с трещиной и на высоту сжатой зоны х. Таким образом, для оценки перемещений Ub и С/ имеем функциональные зависимости:

Ub=sZL + (sb-sZ)-L-vbi (3)

С/, =6?£ + (е,(4)

где (оь =

£Ъ

со.

- коэффициенты полноты эпюр сь(1) и е (/).

6,: (5ь)

У^Ч)

У^Чс-у.кс!

V-

Рис. 4. Зонирование бетона у поверхностей элемента (ду — обобщенная характеристика)

£Ь,и1

Основными факторами негативного влияния агрессивных воздействий на железобетонный элемент являются:

• деградация прочностных и деформационных свойств сжатого и растянутого бетона;

• коррозия арматурных стержней;

• повреждения сцепления растянутой арматуры с бетоном.

Изменение геометрических и механических параметров бетона и их комбинаторика зависят от направленности агрессивного воздействия по отношению к сторонам сечения, а также вида и интенсивности агрессии. В общем случае вариации свойств бетона по глубине моделируются по трехзонной схеме (рис. 4):

• полностью разрушенный бетон (уменьшение начальных габаритов сечения);

• слой частично-поврежденного бетона (у боковых граней сечения 8, со стороны сжатой 5 и/или растянутой 8Ь зоны сечения), в пределах которого деформационные {Еы еЬиГ гЬшГ еья, еш) и прочностные (Кь, характеристики линейно изменяются от нулевого (минимального) до номинального значения;

• неповрежденный бетон, сохранивший номинальные характеристики.

При отсутствии полностью разрушенного бетона, пониженные характеристики краевых волокон бетона эксплуатируемых сооружений устанавливаются по результатам технического обследования. Для проектируемых сооружений аналогичные параметры определяются в соответствии с принятыми моделями деградации (например, диссипативная модель В. М. Бондаренко, степенные функции А. И. Попеско).

Одновременно, за счет снижения начального модуля деформации Е , сопротивлений Ль, Яы и базовых деформаций ем и £ш в пределах коррозионно-поврежденного слоя трансформируются исходные диаграммы деформирования сжатого и растянутого бетона (рис. 5).

<7

Ль

вЛ«р

<71,= ЕьФ - ;ч)

1

\ Щ,

1 1 1 • 1 ' 1 1 1 \ А

£1> ,11

Рис. 5. Трансформация диаграмм деформирования бетона при сжатии и растяжении

Равномерная и питгинговая коррозия металла отражается независимым либо согласованным (в зависимости от направленности и характера агрессивного воздействия) уменьшением площади исходных поперечных сечений растянутой А; и сжатой А\ арматуры с учетом неравномерности коррозии арматуры по длине блока. Учитывается влияние уровня напряжений и вида напряженного состояния на степень коррозии. Так, усиленная деструкция бетона имеет место в сечении с трещиной. За счет прямого доступа агрессивных сред через раскрытую трещину здесь формируется и локальный максимум потери сечения площади растянутой арматуры (см. рис. 1).

Коррозионные повреждения контактной системы «арматура-бетон» обусловлены суперпозицией избыточного давления продуктов коррозии арматуры, превышающих первоначальный объем металла в 2-4 раза, и расклинивающего эффекта при выходе профилированного арматурного стержня из бетона. Сложные физические процессы косвенно учитываются путем трансформации закона сцепления и снижения длины активного сцепления.

Локальный закон сцепления «т ц - g» трансформируется в соответствии с предложением H.Schlune за счет введения дополнительных смещений арматуры относительно бетона Ag = m-8tP где <5rf- глубина коррозии арматуры, т -эмпирический коэффициент. При этом формально исходный график «тс- g»

как жесткое целое смещается на Ag в отрицательную область оси абсцисс.

Существенным фактором является раскалывание бетонной обоймы арматуры с соответствующим уменьшением участка активного сцепления. При этом по разным источникам остаточные касательные напряжения сцепления хо оцениваются от

0,4 - t х (CEB-FIP 1990, т - проч' max v max г

ность сцепления) до нуля (A.A. Про-копович). Дггина трещины раскалывания ß L ф < I) (рис. 6) в предположении линейного распределения взаимных смещений арматуры и бетона по длине стержня равна:

Р _ 1 _ 1 8crc ~ Ag 1 S«c~m-Sd t

gL Sl Sl

где g - смещение арматуры, вызывающее раскалывание бетонной обоймы при отсутствии коррозионных воздействий.

При проведении практических расчетов смещения gcrc вычислялись по «нормальному» закону сцепления М.М. Холмянского, а критические распорные и касательные напряжения определялись по упрощенным зависимостям (Т. Belytschko и Т. Rabczuk):

Eb ГТТп IHM Eb

Рис. 6. К расчету длины трещины раскалывания

К<**) (6)

где к - эмпирический коэффициент, 0 = 45° - угол наклона трещины сцепления. При наличии трещины раскалывания абсолютное смещение арматурного

стержня С/4. в сечении с трещиной корректируется (см. рис. 6): 1

4-/М.т0С(И

где б, = £< -

На основе вышесказанного построена математическая модель сопротивления поврежденных коррозией изгибаемых железобетонных элементов с поперечными трещинами. Разрешающие системы нелинейных алгебраических уравнений составляют условия статической эквивалентности = О, £М = О и кинематические зависимости (1) и (2). При всесторонней агрессии для расчетных сечений / = 0 имеем:

^ ЛГ + + АТ -А?- А? -А£+ А? ~А£=М,

В? + + В? - - - В% + В? = N • ^ - а ] + М , (8)

А-ЛЙ

^ "Ы

где равнодействующие напряжений:

^т т

' + - в коррозионно-повре-

жденном бетоне сжатой зоны;

хт

А™ = (Ь-2-3™)- <х6(у)иу - в сжатом бетоне без повреждений;

4< + ■ ~ в коррозионно-

поврежденном бетоне растянутой зоны;

т аЫ {у)^У ~ в растянутом бетоне без повреждений; А™ = А'х • Е5 • е™ - в сжатой арматуре;

А™ - А$-Е5-£™ - в растянутой арматуре; а изгибающие моменты:

Гт т

' (у)-(И/2-а + у)с1у + 2 < • (у)-(И/2-а + у)с1у -

в коррозионно-поврежденном бетоне сжатой зоны;

11

хт

-а + у)с1у - в сжатом бетоне без повреждений;

в растянутом коррозионно-поврежденного бетоне растянутой зоны;

т аЫ+ у)Лу - в растянутом бетоне без повреждений;

= А\ ■ Е5 ■ е™ ■ {И - а - а') - в растянутой арматуре.

Для сечения I = ±Ь в этом же случае имеем: г Ах+ А2 + А3 + А7 - А%= N ,

В, +В2 +ВЪ +В7 = N'1 --а \ + М

(9)

ч±

и.

£ь +

_ ЕЬи1

"1

И—х-а'

где слагаемые АГ..В7 определяются по аналогии с соответствующими слагаемыми для сечения / = 0.

Неизвестными разрешающей системы уравнений в сечении

с трещиной I = Ь являются: высота ¿л сжатой зоны бетона х, относитель-аь ные деформации наиболее сжатого волокна бетона еь и растянутой ар-\ матуры е5; в центральном сечении °'р1 1 = 0: высота сжатой зоны бетона х™, относительные деформации наибо-

£ь

Рис. 7. Расчетная схема расслоения элемекга

и растянутой арматуры .

Для сечения I = ±Ь в случае раскола бетонной обоймы кинематическое уравнение с учетом (7) принимает вид:

__ЦЬ х

----------- (Ш)

2-Р-1-т0

•Р +

И-х-а

Локальная кривизна р железобетонного элемента в сечении с трещиной (рис. 2, а) определяется выражением:

и ь и, ~-- (11)

Ф 2-Ь

х 12

И-х-а

Критерием образования вторичных продольных трещин, исходящих из вершин поперечных и обусловливающих прогрессирующее расслоение элемента, принимается : o,p,=Rbt (рис. 7). Здесь нормальные напряжения откола сжатой зоны бетона в соответствии с предложением E.H. Пересыпкина определяются в долях от краевых сжимающих напряжений над пионерной трещиной «V %Гк ■ к ^ fix/h) при Lm=2H.

Ширина раскрытия пионерной трещины асгс и шаг трещин Lcr определяются с использованием мультиплексной модели сцепления Gambarova P.G.:

(12)

2 бт„

где 3 = Es ■ ds ■ р^: V Es

Lcrc = --г-(13)

2-г

^ ' шах

ния J

2. Разработана методика прямого численно-аналитического определе-I проектного ресурса вновь возводимых и остаточного ресурса эксплуатируемых изгибаемых железобетонных конструкций.

При определении проектного ресурса вновь возводимых конструкций принимаются известными:

• тип агрессивной среды, фронтальность и режим ее воздействия;

• модели коррозии бетона и арматуры во времени.

В пределах экспозиции предполагается неизменность параметров воздействия агрессивных сред. В случаях с переменными параметрами агрессивных воздействий используются кусочно-линейные аппроксимации.

Типовыми задачами для изгибаемых железобетонных элементов с агрессивной средой эксплуатации являются:

• проверка сечения элемента при заданном сроке службы;

• подбор площади рабочей арматуры элемента при заданном сроке службы;

• подбор сечения элемента для заданного срока эксплуатации;

• определение срока службы элемента по заданному критерию (-ям).

Решение рассматриваемых типов задач базируется на определении напряженно-деформированного состояния железобетонного элемента в агрессивной среде с позиций диахронной модели (рис. 8).

Расчетная процедура начинается с анализа центрального сечения (/ = 0) при заданном изгибающем моменте М и нормальной силе N. Исходными данными здесь являются:

• геометрические характеристики сечения и параметры армирования;

• прочностные и деформационные характеристики бетона и арматуры;

• локальные параметры коррозионного повреждения бетона и арматуры

( Хт Ят Хт II \

Рис. 8. Блок-схема определения НДС

Результаты решения системы (8) (относительная высота сжатой зоны элемента относительная деформация сжатого бетона и растянутой арматуры в среднем сечении) используются далее при определении основных неизвестных задачи в сечении с трещиной / = ±Ь. Для этого при тех же внутренних усилиях МиН геометрических характеристиках сечения и параметрах армирования решается система (10) с заданными параметрами коррозионных повреждений бетона и арматуры в сечении I = ±Ь.

Далее, зная для сечения с нормальной трещиной относительную высоту сжатой зоны относительную деформацию сжатого бетона е4 и растянутой арматуры £5, вычисляются ширина раскрытия (12) и шаг (13) поперечных трещин, локальная кривизна элемента (11).

При необходимости ф * 0) длина участка активного сцепления (/-/3)Ь уточняется методом простой итерации. Внутренняя сходимость процесса достигается при шаге А[3 < 0,0001.

Полученный комплекс параметров напряженно-деформированного состояния бетона и арматуры в пределах расчетного блока позволяет с методологически единых позиций оценивать расширенную номенклатуру предельных состояний элемента:

• достижение растянутой арматурой в трещине предела текучести, £5 = £1е,, (при коррозионном повреждении арматуры = е*^);

• исчерпание несущей способности сжатого бетона в сечении с трещиной, £ = е^Дпри коррозионном повреждении бетона еь = е^г;

• откол защитного слоя бетона и потеря сцепления арматуры с бетоном, /3 =

• расслоение сечения вторичными продольными трещинами, <т,р/ = Иы;

• чрезмерное раскрытие нормальной трещины, асгс = а ¡,

• чрезмерный угол поворота (р = (ри1 и/или прогиб/=/и(.

При этом задачи проверки и подбора сечений при заданном сроке службы отличаются от традиционных постановок только учетом в рамках диахронной модели сопротивления прогнозируемых для расчетной экспозиции коррозионных повреждений бетона и/или арматуры в соответствии с принятыми для них моделями коррозии.

При определении расчетного срока службы элемента решается задача проверки сечения по заданным критериям прочности и жесткости. С этой целью рассматриваются не менее трех моментов времени в начале, в середине и по окончании ожидаемой экспозиции агрессивного воздействия. Для расчетных моментов времени напряженно-деформированное состояние изгибаемого элемента определяется с позиций диахронной модели. Для параметров, определяющих наступление того или иного предельного состояния элемента, строятся аппроксимирующие зависимости их изменения во времени. При необходимости (немонотонность или малые градиенты изменения параметров, целесообразность уточнения ресурса и т. п.) дополнительно рассматриваются промежуточные расчетные моменты времени. В общем случае расчетный срок службы определяется графоаналитическим способом по наискорейшему достижению одним из рассматриваемых критериев соответствующего предельного значения. При синхронных изменениях критериальных параметров или в условиях превалирования одного из факторов расчетный срок службы возможно устанавливать по интегральной характеристике - изгибающему моменту Мпроеп, при котором достигает предельного значения определенный контролируемый параметр (рис. 9). Предлагаемый расчетный аппарат открывает возможность актуального повышения экономической эффективности проектных решений путем обеспечения однородной долговечности железобетонных конструкций с синхронизацией проектного ресурса отдельных зон, элементов и частей зданий и сооружений.

Определение остаточного ресурса эксплуатируемых железобетонных конструкций производится по аналогичным алгоритмам. Отличия сводятся к использованию в качестве исходных данных материалов технического обследования о фактическом состоянии конструкции. Кроме того, по результатам мониторинга и экспертизы технического состояния целесообразно уточнять параметры агрессивной среды эксплуатации, а также моделей коррозии материалов. Специфику имеет и выбор расчетного элемента конструкции. Если у проектируемых конструкций в первую очередь рассматриваются наиболее нагруженные сечения, то для эксплуатируемых зданий могут быть актуальны наиболее коррозионно-поврежденные сечения.

3. Оценка несущей способности и долговечности железобетонных изгибаемых элементов при различных схемах и уровнях деградации свойств бетона, арматуры и их контакта. Внедрение результатов работы.

Выполнен параметрический анализ диахронной модели применительно к элементам прямоугольного профиля. Перечень и диапазоны изменения варьируемых параметров приняты с учетом частоты использования в гражданском строительстве:

• высота сечения h, [м]: 0,25...!;

• относительная ширина сечения b/h: 0,25...2;

• класс бетона: В20...В40;

• процент армирования ц, [%]: 0,5... 1,5;

• относительная площадь сжатой арматуры AVAs: 0,5...1;

• диаметр арматуры ds, [мм]: 12...32;

• относительная глубина повреждения сжатого бетона 5/а: 0...4;

• относительная глубина повреждения бетона с боковых граней сечения SJa: 0...4;

• относительная глубина повреждения растянутого бетона SJa: 0...4;

• относительная потеря площади арматуры (1-Asdes'/As) • 100 %: 2... 10;

• отношение уровней деградаций материалов в среднем сечении к уровням в сечении с трещиной 8"/8: 0,5... 1.

Отмечено, что коррозия бетона сжатой зоны оказывает более существенное влияние на несущую способность элемента, нежели коррозия бетона растянутой зоны. Выявлено, что коррозионное повреждение бетона сжатой зоны наиболее опасно для переармированных элементов, особенно изготовленных из низкопрочного бетона (рис. 10—11, m = M/b - Rbl- h2-относительный изгибающий момент). В таких элементах проявляется склонность к хрупкому разрушению. Поэтому в условиях воздействия агрессивных сред рекомендуется использовать бетон не ниже класса В30. Напротив, для малоармированных элементов наиболее существенным фактором является корродирование арматуры.

В целом у поврежденных коррозией железобетонных элементов зафиксировано снижение раскрытия трещин и уменьшение прогибов при разрушении. Это также свидетельствует о тенденции к более хрупкому характеру разрушения коррозионно-поврежденных железобетонных элементов. Диахронная модель позволяет количественно оценивать этот известный на практике эффект. При существенной коррозии арматуры происходит раскалывание бетонной обоймы с развитием трещины раскалывания по всей длине блока. При этом снижение предельного момента по данному критерию составило в среднем -17,0 %.

Выполненные сопоставительные расчеты для переармированных элементов продемонстрировали разнонаправленность погрешностей результатов по методике СП 52-101—2003. Учитывая, что значительная часть сечений фактически является переармированной, повышается практическая значимость применения диахронной модели. Параметрический анализ показал, что диахронная модель позволяет получать устойчивые и физически достоверные оценки напряженно-деформированного состояния изгибаемых железобетонных эле-

ментов, работающих в условиях агрессивной среды. В области возможного сравнения среднеквадратическое отклонение результатов расчета по диахрон-ной модели от СП 52-101-2003 составило: по предельному моменту - 2,58 %, а по ширине раскрытия трещин - 28,6 %.

Ми!, СП, 640

-В20 -В30 -В40

О 0,5 1 2

Относительная глубина повреждения бетона

6/а

Рис. 10. Снижение предельного момента элементов из бетонов различных классов при всестороннем повреждении (сечение 0,5x0,25 м, ц= 1%)

ЮЬ! Шз

-Относительная высота сжатой зоны

---Приведенная деформация сжатого бетона а>ь,

----Приведенная деформация растянутой арматуры ю5,

Рис. 11. НДС железобетонного элемента, выполненного из В20, [1=1%; черный - неповрежденный, серый - глубина всесторонней коррозии бетона 4 а.

Выполнена верификация диахронной модели путем сопоставления результатов расчета с экспериментальными данными ряда исследователей (Maaddawy Т. Е., Mangat P. S. и Попеско А.И.).

Отклонение расчетных значений разрушающего изгибающего момента МиН от соответствующих опытных значений не превышает 12 %, среднеквад-ратическое отклонение составляет 8,9 %. Отклонение расчетных прогибов /от фактических значений находится в пределах 30 %, среднеквадратическое отклонение составляет 22,4 % (таблица). Важно отметить, что совпадает фактический и прогнозируемый по диахронной модели тип разрушения. Качественное и количественное соответствие теоретических и экспериментальных результатов позволило сделать вывод о пригодности диахронной модели для применения в инженерной практике.

Сравнение экспериментальных и теоретических результатов

Элемент Экспериментальные результаты Результаты расчетов по СП 52-101-2003 Результаты расчетов по диахронной модели дм= и-и и •100% Af= м-и •100% Вид разрушения Длительность воздействия (с коэф. ускорения)

м„,„ кН-м f, мм Mu|t, кН-м f, мм М„,„ кН м f, мм - лет

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 И

Maaddawv Т. Е., Soudki К., ТоррегТ.

Контрольный 37,50 15,6 44,01 22,8 36,5 13,2 -2,7 -18,3 •текучесть арматуры 0

CS-50 33,04 12,3 - - 33,3 10,6 0,8 -16,7 нет данных

CS-110 32,30 8,93 - - 31,2 7,86 3,5 -13,6

CS-210 32,09* 8,41 - - 28,8 6,69 -11,4* -25,7

CS-310 28,43 7,42 - - 26,15 6,15 8,7 -20,7

ManeatP. S„ ElgarfM. S.

Контрольный 9,1 2,1 9,35 7,82 8,95 2,96 -1,7 29.1 нет данных 0

1,25% 8,54 2,0 - - 8,60 2,75 0,7 27.3 0,54

2,50% 8,12 1,9 - - 8,15 2,53 0,4 24.9 1,08

3,75% 7,28 1,8 - - 7,35 2,31 1,0 22.1 1,62

5,00% 6,58 1,7 - - 6,45 2,18 -2,0 22.0 2,16

7,50% 4,72 1,5 - - 5,20 1,91 9,2 21.5 3,24

10,00% 3,64 1,3 - - 3,75 1,71 2,9 24.0 4,32

Попеско А.И.

Контрольный 2,818 3,64 2,89 4,14 2,74 3,6 3.6 -7.1 нет данных 0

HCl 180с 2,713 4,74 - - 2,71 3.36 4.7 -41.1 0,5

HCl 180ср 2,960 3,46 - - 2,71 3.36 3.5 -3.0 0,5

HCl 180в 3,010 3,05 - - 2,65 3.33 3.1 8.4 0,5

HCl 360с 2,748 3,33 - - 2,665 3.33 3.3 0.0 1

HCl ЗбОср 2,975 2,74 - - 2,66 3.33 2.7 17.7 1

HCl ЗбОв 2,844 2,67 - - 2,6 3.30 2.7 19.1 1

HCl 720с 2,450 3,84 2,61 3.30 3.8 -16.4 2

HCl 720ср 2.800 2,68 - - 2,605 3.30 2.7 18.8 2

HCl 720в 2.713 3,17 - - 2,52 2.75 3.2 -15.3 2

H2S04180b 2,896 2,59 - - 2,72 3.36 2.6 22.9 0,5

H2S04360b 2.835 2,97 - - 2,7 ' 3.35 3.0 11.3 1

H2S04720b 2.713 2,43 - - 2,66 3.33 2.4 27.0 2

С использованием диахронной модели сопротивления железобетонных элементов произведено расчетное обоснование проекта реконструкции Камского целлюлозно-бумажного комбината. В частности, разработана конструкция усиления существующих балок перекрытия производственного цеха. Определена долговечность существующих железобетонных ригелей перекрытия цеха автокартона при реконструкции Каменской бумажно-картонной фабрики.

На примере ригелей серии 1.020-1/87 реализована методика проверки долговечности изгибаемых железобетонных балок, работающих в агрессивной промышленной среде.

Показано, что при нормативных показателях рабочей среды (паров H2S04 до 0,145 мг/л, H2S до 0,01 мг/л и CS2äo0,03 мг/ л при относительной влажности 80-85 %) за нормативный срок эксплуатации 50 лет произойдет существенное снижение несущей способности ригеля (рис. 12)-до 12,9%. Расчетный срок службы рассматриваемого ригеля 6,5 лет. для ооеспечения треоуемои долговечности рекомендовано применение вторичной защиты.

Основными достоинствами диахронной модели являются:

• уточненная оценка несущей способности переармированных элементов;

• расчет ширины раскрытия нормальных трещин на расширенном диапазоне изменения изгибающих моментов;

• учет коррозионных повреждений бетона и арматуры, в том числе с учетом влияния неравномерности повреждений по длине блока;

• учет снижения прогибов и раскрытия нормальных трещин при коррозионном воздействии;

• возможность определения проектного и остаточного ресурса элемента;

• отказ от априорного задания и прогнозирование схемы разрушения элемента;

• обоснование необходимости применения вторичной защиты;

• возможность достижения однородной долговечности элементов (за счет обеспечения одновременности наступления локальных предельных состояний) и конструкции в целом (путем обеспечения равного ресурса составляющих её элементов).

В результате работы сделаны следующие выводы:

1. Разработана диахронная модель сопротивления нетрещиностойких изгибаемых коррозионно-поврежденных железобетонных элементов.

280 | 270 *.260 ^ 250

8 240 g 230

5 220 J

f 210

- 200

1 3 5 10 20 Длительность эксплуатации, лет

Рис.

12. Прогнозируемая несущая способность ригеля РДП 4.56-70 АШв

2.Параметрический анализ и верификация продемонстрировали пригодность применения предложенной диахронной модели при проектировании.

3.На основе диахронной модели разработана методика определения долговечности эксплуатируемых и проектируемых изгибаемых железобетонных элементов с трещинами, работающих при одновременном действии силовых и агрессивных факторов.

4. Разработана методика решения типовых задач для изгибаемых балок, работающих в агрессивных средах, с учетом долговечности.

5.Проведена оценка состояния существующих несущих конструкций и целесообразность реконструкции конструкций двух производственных объектов — Камского целлюлозно-бумажного комбината, г. Краснокамск Пермской области и Каменской бумажно-картонной фабрики, г. Кувшиново Тверской области.

6. Даны предложения по совершенствованию расчетных методов по одновременному учету силовых и агрессивных воздействий, повышению экономичности проектирования железобетонных элементов и определения целесообразности использования вторичной защиты.

III. ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Статьи, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК России:

1.Никитин С.Е., Белов В.В. Верификация расчетной модели деформирования коррозионно-поврежденных железобетонных конструкций / В.В. Белов, С.Е. Никитин //Научно-технические ведомости СПбГПУ. Серия «Наука и образование». -2011 г. - № 4 - С. 252-258.

2.Никитин С.Е., Белов В.В. Диахронная модель деформирования корро-зионно-поврежденных железобетонных элементов с трещинами /В.В. Белов, С.Е. Никитин //Вестник гражданских инженеров СПбГАСУ. -2011. —№ 4,— С. 18-25.

3.Никитин С.Е. Оценка долговечности коррозионно-поврежденных железобетонных конструкций на базе диахронной модели деформирования / С.Е. Никитин // Современные проблемы науки и образования. -2012. -№2. URL: http://www.science-education.ru/102-5914 (дата обращения: 04.04.2012).

Статьи, опубликованные в прочих изданиях:

4.Никитин С.Е., Андреев Н.В., Белов В.В. Сопротивление изгибаемых коррозионно-поврежденных железобетонных элементов с макротрещинами / Н.В. Андреев, В.В. Белов, С.Е. Никитин //Новые идеи нового века 2007: материалы седьмой международной конференции ИАС ТОГУ. The New Ideas of the New Century 2007: The Seventh International Scientific Conference Proceeding of the IACE PHU. Тихоокеанский Государственный Университет. - Хабаровск: Изд-во Тихоокеан. гос. ун-та, 2007. - С. 483-485.

5.Оценка несущей способности коррозионно-поврежденных железобетонных элементов с макротрещинами /Н.В. Андреев, В.В. Белов, С.Е. Никитин //

Инновационные технологии в повышении надежности и долговечности строительных конструкций: материалы международной науч.-техн. конф., поев. 85 -летию со дня рождения проф. П. П. Ступаченко — Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2008. - С. 48 - 53.

6.Модель деформирования коррозионно-поврежденных железобетонных элементов с трещинами /Н.В. Андреев, В.В. Белов, С.Е. Никитин // XXXVI Неделя Науки СПбГПУ: Материалы Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов. Ч. 1. -СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2008. -С. 172-173.

7.Никитин С.Е., Андреев Н.В., Белов В.В. Оценка работоспособности изгибаемых железобетонных элементов при коррозионном повреждении / Н.В. Андреев, В.В. Белов, С.Е. Никитин //XXXVI Неделя Науки СПбГПУ: Материалы Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов. Ч. 1. -СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2008. - С. 173-175.

8.Никитин С.Е., Андреев Н.В., Белов В.В. Оценка долговечности коррозионно-поврежденных железобетонных элементов с макротрещинами / Н.В. Андреев, В.В. Белов, С.Е. Никитин // RELMAS 2008.Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения: Труды Междунар. конф. -СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2008.-С. 27.

9.Никитин С.Е., Белов В.В. Блочная модель деформирования железобетонных элементов с трещинами /В.В. Белов, С.Е. Никитин // XXXVII Неделя науки СПбГПУ : Материалы Всероссийской Межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов. 4.VII. -СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2008.-С. 215-217.

10. Никитин С.Е., Белов В.В. Оценка эксплуатационных и предельных состояний, проектного и остаточного ресурсов коррозионно-поврежденных элементов с позиции блочной модели деформирования / В.В. Белов, С.Е. Никитин // Проблемы современного бетона и железобетона : сб. тр. в 2 ч. Ч. 1. Бетонные и железобетонные конструкции / редколл.: М.Ф. Марковский (гл. ред.) [и др.]. -Минск: Минсктиппроект, 2009.-С. 127-138

11. Никитин С.Е., Белов В.В. Модель деформирования коррозионно-поврежденных изгибаемых железобетонных изгибаемых элементов с трещинами / В.В. Белов, С.Е. Никитин // Кафедра СКиМ. 75 лет на факультете : сборник материалов научно-технического семинара. 29-30 октября 2009 года. Санкт-Петербург. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2009. - С. 21-27.

12. Никитин С.Е., Белов В.В. Методика прогнозирования ресурсных отказов коррозионно поврежденных железобетонных элементов с трещинами / В.В. Белов, С.Е. Никитин // XXXVIII Неделя Науки СПбГПУ: Материалы международной научно-практической конференции. Ч. 1. -СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2009. - С. 385-387.

13. Никитин С.Е., Белов В.В.Силовые и коррозионные нарушения контактной системы «арматура-бетон» /В.В. Белов, С.Е. Никитин // Сборник научных

трудов международной научно-технической конференции «Строительная наука - 2010. Теория, практика, инновации Северо-арктическому региону». -Архангельск, 2010. - С. 83-91.

14. Никитин С.Е., Белов В.В. /В.В. Белов, С.Е. Никитин Сопротивление изгибаемых железобетонных элементов при силовых и агрессивных средовых воздействиях/ЛЛроблемы современного бетона и железобетона: материалы III междунар. симпозиума (Минск, 9-11 ноября 2011 г.). В 2 т. Т. 1.Бетонные и железобетонные конструкции - Минск: Минсктиппроект, 2011. - С. 82-91.

Компьютерная верстка И. А. Яблоновой

Подписано к печати 18.04.12. Формат 60x84 1/16. Бум. офсетная. Усл. печ. л. 1,4. Тираж 120 экз. Заказ 45. Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет.

190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., 4. Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., 5.

61 12-5/3610

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

Никитин Станислав Евгеньевич

Прочность и жесткость изгибаемых железобетонных элементов с трещинами при коррозионных повреждениях

05.23.01 Строительные конструкции, здания и сооружения Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, старший научный сотрудник Белов Вячеслав Вячеславович

Санкт-Петербург - 2012

Оглавление

1. Особенности деформирования коррозионно-поврежденных изгибаемых

железобетонных элементов....................................................................................9

1.1. Модели деградации бетона....................................................................9

1.2. Коррозия стальной арматуры в железобетонных конструкциях.....14

1.3. Нарушения контакта арматуры с бетоном..........................................20

1.4. Модели силового сопротивления изгибаемых железобетонных элементов с трещинами.....................................................................................29

1.5. Модели деформирования и методы расчета коррозионно-поврежденных железобетонных элементов....................................................34

1.6. Выводы по главе 1.................................................................................39

2. Диахронная модель силового сопротивления нетрещиностойких изгибаемых железобетонных элементов в условиях агрессивной среды эксплуатации..........................................................................................................41

2.1. Экспериментальные основы работы изгибаемых железобетонных элементов............................................................................................................41

2.2. Метод двух сечений..............................................................................43

2.3. Моделирование деградации свойств материалов железобетонных элементов............................................................................................................49

2.4. Модель деградации сцепления арматуры с бетоном.........................55

2.5. Диахронная модель деформирования коррозионно-поврежденных изгибаемых железобетонных элементов с трещинами..................................59

2.6. Выводы по главе 2.................................................................................63

3. Прочность, жесткость и долговечность изгибаемых железобетонных элементов...............................................................................................................65

3.1. Методика и алгоритмы решения задач...............................................65

3.1.1. Определение напряженно-деформированного состояния коррозионно-поврежденных железобетонных элементов............................65

3.1.2. Подбор сечения арматуры....................................................................69

3.1.3. Подбор сечения элемента.....................................................................70

3.1.4. Определение долговечности элемента................................................72

3.2. Параметрический анализ диахронной модели сопротивления изгибаемых железобетонных элементов.........................................................74

3.3. Верификация численных результатов.................................................93

3.4. Выводы по главе 3.................................................................................99

4. Расчетное обоснование проектов строительства и реконструкции промышленных зданий и сооружений с использованием диахронной модели.

.........................................................................................................................101

4.1.1. Камский целлюлозно-бумажный комбинат.....................................101

4.1.2. Каменская бумажно-картонная фабрика..........................................106

4.2. Использование диахронной модели при проектировании вновь возводимых зданий и сооружений.................................................................111

4.3. Рекомендации по практическому применению диахронной модели.. ...............................................................................................................118

4.3.1. Проектирование изгибаемых железобетонных элементов с заданным сроком службы...............................................................................118

4.3.2. Оценка технического состояния и долговечности эксплуатируемых железобетонных конструкций........................................................................118

4.3.3. Усиление железобетонных конструкций..........................................120

4.3.4. Обеспечение однородной долговечности железобетонных конструкций.....................................................................................................120

4.4. Краткое описание программы по расчету изгибаемых железобетонных конструкций, работающих при совместном действии силовых нагрузок и агрессии окружающей среды.......................................121

4.5. Выводы по главе 4...............................................................................122

Заключение..........................................................................................................123

Условные обозначения.......................................................................................127

Литература...........................................................................................................129

Приложение 1..............................................................................141

Введение

Актуальность темы. Разрушающему воздействию агрессивных атмосферных и производственных сред, в той или иной степени, подвергается большинство строительных конструкций. Ущерб от этих воздействий из-за необходимости проведения ремонта и усиления конструкций превышает 5% общемирового валового дохода. В Российской Федерации указанные потери оцениваются в настоящее время в 20 - 25 млрд. рублей ежегодно. Парирование этой глобальной угрозы затруднено, в том числе, и вследствие неполного соответствия современным вызовам имеющейся научно-методической базы.

Нормы проектирования бетонных и железобетонных конструкций, обеспечивая в целом достаточно высокий технико-экономический уровень проектных решений, вопросам эксплуатационной надежности сооружений внимания уделяют явно недостаточно. Методологическое отставание действующих нормативных методик приводит к тому, что влияние агрессивных сред и режимов на сопротивление железобетона учитывается косвенным образом и чрезмерно обобщенно. Главным образом используется аппарат коэффициентов надежности, назначение численных значений которых носит во многом субъективный характер и имеет достаточно грубую градацию. Прямая оценка проектного ресурса вновь возводимых либо остаточного ресурса эксплуатируемых зданий и сооружений из железобетона существующими Нормами не регламентируется. Более того, в СНиП 2.03.1185 [1] и РВСН 20-01-2006 СПб [2] срок эксплуатации - основополагающая характеристика для принятия решений по инженерной защите сооружений -не нормируется. В ГОСТ 31384-2008 [3] нормативный срок службы конструкций (50 лет) уже декларируется, но при этом оценка, например, предельного состояния по глубине повреждения бетона в средах разной агрессивности выполняется безотносительно к временному или времяподобному фактору.

При этом большая часть теоретических и практических исследований по теме сосредоточена на решении, безусловно, актуальных проблем непосредственной защиты конструкций от коррозии либо преодоления последствий коррозионных повреждений. Однако, такой подход не позволяет рационально использовать ресурсные возможности железобетона и зачастую экономически не оправдан из-за чрезмерности затрат и ограниченности срока службы сооружения.

Помимо материальных издержек нерешенность вопросов прогнозирования предельных состояний железобетонных конструкций, работающих при совместных силовых и средовых воздействиях, чревата гуманитарными и экологическими ущербами. К сожалению, статистика аварий и чрезвычайных ситуаций на строительных объектах прямо свидетельствует о наличии здесь неуправляемых технических рисков.

Следует подчеркнуть, что насущность рассматриваемых проблем подтверждается и направленностью целевых исследовательских программ, и тематикой отраслевых периодических изданий, и повестками дня специализированных научно-технических конференций. Так, одним из приоритетных направлений фундаментальных исследований Российской академии архитектуры и строительных наук в 2010-2015 гг. является: "Разработка теоретических основ конструктивной безопасности конструкций зданий, сооружений и строительной инфраструктуры с учетом критериев живучести и изменяющегося во времени прочностного и эксплуатационного ресурса".

Целью работы является создание инженерно-ориентированной метода оценки эксплуатационного состояния, несущей способности, а также проектный или остаточный ресурс коррозионно-поврежденных изгибаемых железобетонных элементов. Для достижения указанной цели решаются следующие основные задачи:

1. Комплексный анализ существующих экспериментальных и теоретических исследований изменения характеристик бетона,

арматуры и их контактного взаимодействия, прочности и жесткости изгибаемых железобетонных элементов под воздействием агрессивной среды природного и техногенного происхождения.

2. Разработка диахронной модели деформирования и методики оценки напряженно-деформированного состояния изгибаемых поврежденных коррозией железобетонных элементов различного профиля с поперечными трещинами для оценки их эксплуатационных и предельных состояний.

3. Разработка методики прямого численно-аналитического определения проектного ресурса вновь возводимых и остаточного ресурса эксплуатируемых изгибаемых железобетонных конструкций.

4. Уточнение области применения модели и верификация полученных результатов расчетов путем систематического сопоставления с экспериментальными данными.

5. Практическое использование предлагаемой методики для расчетного обоснования проектов строительства и реконструкции железобетонных конструкций.

6. Разработка рекомендаций для совершенствования нормативных документов по оценке эксплуатационных и предельных состояний изгибаемых железобетонных элементов, работающих при совместном действии силовых нагрузок и агрессивной окружающей среды.

Научную новизну полученных результатов составляют:

1. Диахронная модель сопротивления изгибаемых железобетонных элементов различного профиля с коррозионными повреждениями;

2. Методика прямого численно-аналитического определения проектного ресурса вновь возводимых и остаточного ресурса эксплуатируемых изгибаемых железобетонных конструкций;

3. Оценка несущей способности и долговечности железобетонных изгибаемых элементов при различных схемах и уровнях деградации свойств бетона, арматуры и их контакта.

Практическое значение работы. Результаты расчетов по предлагаемому методу позволяют оценивать техническое состояние и прогнозировать срок службы стержневых железобетонных элементов в промышленно-гражданском, энергетическом и транспортном строительстве.

Разработаны рекомендации по совершенствованию норм проектирования железобетонных конструкций, работающих при совместном действии силовых нагрузок и агрессии окружающей среды.

Результаты выполненных исследований использованы при проектировании реконструкции двух производственных объектов - Камского целлюлозно-бумажного комбината, г. Краснокамск Пермской области и Каменской бумажно-картонной фабрики, г. Кувшиново Тверской области.

Материалы диссертационной работы используются в специальном курсе железобетонных конструкций для магистрантов, а также в дипломном проектировании на кафедре строительных конструкций и материалов инженерно-строительного факультета СПбГПУ.

Практическая значимость работы подтверждена грантами Правительства Санкт-Петербурга для аспирантов по теме «Прогнозирование долговечности железобетонных конструкций при комбинированных силовых и агрессивных воздействиях» (ПСП №10491, 2010 г.) и «Оценка долговечности коррозионно-поврежденных железобетонных конструкций на базе диахронной модели деформирования» (ПСП №11391, 2011 г.) по направлению «Строительство и архитектура».

Достоверность научных положений, выводов и результатов подтверждается:

• физическим соответствием результатов расчета моделируемым процессам и явлениям;

• качественной и количественной сходимостью результатов расчета с экспериментальными данными, полученными различными авторами;

• качественным и количественным согласием в области возможного сопоставления полученных результатов и результатов расчета по ранее предложенным методикам.

Апробация работы и публикации. Основные результаты исследований были доложены и обсуждены на:

• ежегодных международных научно-практических конференциях "Неделя науки СПбГПУ" в 2007-2011 гг.;

• 7-ой международной конференции ИАС ТОГУ «Новые идеи нового века - 2007», Тихоокеанский Государственный Университет, Хабаровск, 2007;

• II и III международных конференциях «Проблемы современного бетона и железобетона», БелНИИС, Минск, 2009 и 2011 гг.;

• международной научно-технической конференции "Строительная наука - 2010. Теория, практика, инновации североарктическому региону", Северный (Арктический) Федеральный университет, г. Архангельск, 2010 г.

По теме диссертации опубликовано 13 научных статей, из них 2 в изданиях, рекомендованных ВАК России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 116 наименований, содержит 146 страниц машинописного текста, 70 рисунков, 8 таблиц и 1 приложение.

1. Особенности деформирования коррозионно-поврежденных изгибаемых железобетонных элементов

Объекты строительства при эксплуатации могут испытывать одновременно силовые, химические, физические и биологические виды воздействий. При этом комбинированное воздействие нагрузки и внешней среды провоцирует ускорение процесса коррозионного разрушения строительных конструкций, понижая уровень их безотказности и долговечности.

1.1. Модели деградации бетона

Агрессивные среды способны значительно снижать прочность бетона и ухудшать его деформационные характеристики. Особенности работы корродированного бетона изучались параллельно с сопротивлением железобетона механическим воздействиям [4]. Важной вехой в развитии теории долговечности железобетона является фундаментальная монография В.М. Москвина "Коррозия бетона" [5].

Общее признание получила классификация видов коррозии бетона, предложенная в работе [6]. К коррозии I вида относят процессы, сопровождающиеся растворением и выносом растворимых составных частей цементного камня. Наибольшее развитие данные процессы получают под действием быстротекущих вод или при фильтрации жидкостей с малой временной жесткостью. Коррозию II вида связывают с обменными реакциями между веществами, растворенными в воде, и составными частями цементного камня, в результате которых образуются растворимые продукты. К этому виду могут быть отнесены процессы коррозии бетона под действием растворов кислот, магнезиальных солей, солей аммония и т.п. Процессы, в результате которых в порах бетона накапливаются продукты реакции, относят к коррозии III вида. Это, например, процессы коррозии под

действием сульфатов, связанные с накоплением гидросульфатоалюмината, гипса и др.

Напряженно-деформированного состояние оказывает существенное влияние на скорость проникновения агрессивных веществ в тело бетона. Так, в результате многочисленных наблюдений установлено, что проницаемость сжатого бетона намного ниже, чем растянутого. За счет уплотнения и уменьшения пористости бетона продукты химической коррозии, продвигаясь вглубь бетонного тела, кольматируют поры и тем самым уменьшают проницаемость бетона, тормозя скорость продвижения агрессивных сред и фиксируя предельную глубину проникновения. Однако с увеличением обжатия происходит деструктуризация бетона и снижение вышеописанного эффекта. Например, в опытах НИИЖБ [7] установлено, что в сжатых до уровня (0,6...0,7) Яь бетонных образцах скорость диффузии углекислого газа понижается на порядок, а поглощение хлоридов и сульфатов натрия уменьшается в 1,2 раза. В растянутых до (0,6...0,7) Ыы бетонных образцах скорость диффузии углекислого газа повышается на один-два порядка, а проницаемость растворов хлоридов и сульфатов натрия увеличивается в 2-4 раза. Стоит отметить, что некоторые вещества, например, соляная кислота, проникают практически по всему сечению элемента.

Медленно протекающие процессы коррозии в целях эксперимента ускоряют, как правило, увеличением концентрации активного иона или увеличением площади контакта образца с агрессивной средой.

Можно выделить несколько направлений исследований коррозии бетона.

В работах В.М. Москвина, Ф.М. Иванова, С.Н. Алексеева, Е.А. Гузеева [8, 9] изложены представления о формировании структуры и свойств цементного камня и бетона для придания им наибольшей стойкости к агрессивным средам, а так же о методологии прогноза сроков службы бетона. Авторы предлагают использовать физико-химические закономерности кинетики коррозии для расчета количества агрессивного компонента,

проникающего в бетон и после экспериментального определения последствий такого проникновения, т.е. изменения прочности и других физико-химических свойств бетона, назначить предельные параметры коррозионного процесса, при которых свойства бетона в течение заданного срока служ�