автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Расчет и прогнозирование долговечности железобетонных конструкций

На правах рукописи

Сорокпп Евгении Вячеславович

РАСЧЕТ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Автореферат диссертации па соискание ученой степени кандидата технических наук

Пенза 2014

1 АВГ 20)4

005551627

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва»

Научный руководитель

академик РААСН, доктор технических наук, профессор

Сслясв Владимир Павлович

Официальные оппоненты:

Мурашкпн Геннадии Васильевич

член-корреспондент РААСН, доктор технических наук, профессор, НОУ ППДПО «Институт повышения квалификации специалистов строительного профиля», г. Тольятти, проректор по науке

Римшнп Владимир Иванович

член-корреспондент РААСН, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», г. Москва, директор института жилищно-коммунального комплекса

Ведущая организация

ФГБОУ ВПО «Саратовски» государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Защита состоится 26 сентября 2014 года в 15:00 на заседании диссертационного совета Д 212.184.01, созданного на базе Пензенского государственного университета архитектуры п строительства по адресу: 440028, г. Пенза, ул. Германа Титова, д. 28, корп. 1, конференц-зал.

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке Пензенского государственного университета архитектуры и строительства и па сайте http://dissovet.pguas.ru/index.php/contact-us/d-212-184-01.

Автореферат разослан «25» июля 2014 г.

Ученый секретарь АЛ^^*Ъакушсв

диссертационного совета ¿/ Сергей Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В процессе эксплуатации железобетонные конструкции подвергаются воздействию различных факторов окружающей среды: силовых, физических, химических, техногенных и т.д. Учет воздействия данных факторов на работу конструкции осуществляется путем введения различных коэффициентов запаса. Данные коэффициенты не отражают в полной мере реальную работу конструкции, а зачастую не учитывают механизм изменения свойств материала под действием агрессивных сред. Известно, что под действием химически-активных веществ свойства материала изменяются, причем данное изменение происходит неравномерно по объему образца. Расчет долговечности и надежности конструкций должен учитывать динамику процессов, протекающих в материале под действием агрессивных сред. Для этого необходимо определить основные характеристики сопротивления бетонов действию химически-активных веществ и механизм взаимодействия материала со средой.

Многочисленные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что значения расчетно-конструктивных параметров конструкций, а также величины внешних воздействий носят случайный характер, т.е. отклоняются от средних значений. Можно утверждать, что метод, достоверно отражающий работу конструкции, должен учитывать статистическую изменчивость расчетных параметров. Следовательно, наличие достоверных статистических характеристик расчетно-конструктивных параметров и факторов окружающей среды является необходимым условием для объективной оценки состояния конструкции.

Для более точной оценки долговечности и повышения безопасности при эксплуатации расчет конструкций должен отражать их реальную работу при совместном действии нагрузки и агрессивной среды, а также учитывать случайный характер величин, принятых в расчете.

Поэтому создание метода расчета долговечности железобетонных конструкций, учитывающего воздействие различных факторов и достоверно отражающего вероятностную природу работы конструкции, является актуальной задачей.

Целыо данной работы являлась разработка методики расчета и прогнозирования долговечности железобетонных конструкций, основанной на детерминированных и вероятностных моделях деградации армобетоиных элементов, работающих в условиях действия агрессивной среды.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- разработать методику расчета и прогнозирования долговечности железобетонных конструкций с учетом деградации материала конструкционных элементов под действием агрессивных сред;

- установить основные характеристики химического сопротивления бетонов (полимерных, цементных) действию агрессивных сред; разработать методику идентификации основных параметров деградации по экспериментальным данным,

полученным методом микро разрушений (методом микротвёрдости, склерометрии);

- экспериментальным методом определить статистическую изменчивость конструкционных параметров железобетонных и полимербетонных элементов;

- методами статистического моделирования произвести анализ работы конструкционных элементов с учетом действия агрессивных сред, оценить изменение надежности во времени и изучить влияние статистической изменчивости конструкционных параметров па долговечность изделий из железобетона.

Научная новизна работы:

- Предложена методика расчета и прогнозирования долговечности железобетонных конструкций, основанная на детерминированных и вероятностных моделях деградации армобетонных элементов, работающих в условиях действия агрессивной среды;

аналитически и экспериментально обоснованы характеристики химического сопротивления цементных и полимерных композитов действию сульфатных растворов, необходимые для моделирования деградации и расчета долговечности железобетонных конструкций;

- обоснована вероятностная модель для прогнозирования и оценки долговечности, надежности железобетонных конструкций, учитывающая статистическую изменчивость расчетных параметров и кинетику деградационных процессов.

Степень достоверности результатов проведенных исследовании

подтверждена сходимостью большого числа экспериментальных данных, полученных с применением комплекса стандартных и высокоинформативных методов исследования, их непротиворечивостью известным закономерностям. Выводы и рекомендации работы получили положительную апробацию и внедрение в строительной практике расчета и прогнозирования долговечности строительных конструкций.

Практическая значимость н реализация результатов работы:

В результате проведенных исследований разработана методика расчета и прогнозирования долговечности существующих и вновь возводимых зданий и сооружений, учитывающая влияние факторов агрессивной средьГ на работу конструкций.

Установлены основные расчетные характеристики сопротивления материала агрессивному воздействию среды, предложены методики их определения.

Внедрение результатов исследования позволит простыми методами с достаточной точностью определять долговечность существующих конструкций и проектировать здания и сооружения с заданным уровнем надежности, что приведет к значительному экономическому эффекту в процессе эксплуатации.

Разработанные методики расчета и прогнозирования долговечности армобетонных элементов, а так же методики определения основных характеристик сопротивления бетона агрессивному воздействию получили

научно-практическую проверку и экспериментальное внедрение в ООО «Научно-производственное объединение «Стройиндустрия» г. Москва н в ООО «Региональный научно-исследовательский информационный центр» г. Саранск.

На защиту выносятся:

- методика расчета и прогнозирования долговечности железобетонных конструкций, основанная па детерминированных и вероятностных моделях деградации армобетопных элементов, работающих в условиях действия агрессивной среды;

- обоснование выбора параметров химического сопротивления бетона, необходимых для расчета долговечности железобетонных конструкций;

методика экспериментального определения численных значений параметров деградации;

- вероятностная модель для прогнозирования и оценки долговечности и надежности железобетонных конструкций, основанная на применении деградацнонпых функций и экспериментальных данных о статистической изменчивости расчетных параметров.

Публикации- Основные результаты диссертационной работы отражены в 14 научных изданиях, в том числе 7 - в изданиях по Перечню ВАК МОиН РФ.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:

- на ежегодно проводимой научно-практической конференции «Огаревские чтения» (Саранск, 2006-2012 гг.);

- на международной конференции "Актуальные вопросы строительства" (Саранск, 2006-2012 гг.);

- па международной конференции «Science and Education» (Германия, Мюнхен, 2012 г.);

- на конференции «Science, Technology and Higher Education» (Westvvood, Canada, 2013 г.);

- на семинарах кафедры «Строительные конструкции» МГУ им. Н.П.Огарева (2006-2012 гг.).

Лпчпос участие автора в получении результатов, изложенных в диссертации, состоит в анализе экспериментальных данных, выявлении закономерностей в процессах деградации железобетонных элементов, получении теоретических зависимостей, описывающих процесс деградации, разработке и реализации вероятностной модели армобетонного элемента работающего при совместном действии нагрузки и агрессивной среды, обработке результатов исследований, их обобщении и анализе.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения в виде основных выводов по результатам диссертационной работы, списка использованной литературы из 126 наименований. Общий объем составляет 206 страницы, содержит 50 рисунков, 22 таблицы, 16 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Расчет конструкции, в том числе железобетонных, производится с целью обеспечения их безотказной, надежной работы в процессе эксплуатации. Задача это достаточно сложная, так как механические свойства материала, внешние воздействия и нагрузки являются случайными величинами.

Эволюция расчетных методов происходила от рассмотрения предельного состояния конструкции в точке (метод расчета по допускаемым напряжениям), к анализу предельного состояния в сечении (метод расчета по разрушающим усилиям), к полувероятностному методу расчета по предельным состояниям и к развивающемуся методу предельного равновесия, в котором рассматривается предельное состояние в объеме конструкции.

В общепринятом методе расчета конструкций по предельным состояния надежность конструкций при проектировании обеспечивается путем введения частных коэффициентов запаса - коэффициента надежности по нагрузке, по материалу, коэффициентов условия работы, коэффициентов надежности по назначению, величина которых не имеет достаточного теоретического и экспериментального обоснования.

Основным расчетным требованием этого метода является сравнение расчетных значений нагрузки и несущей способности, т.е., используя данный метод, мы не можем получить ответ на вопрос о том, какова вероятность безотказной работы конструкции в данный промежуток времени.

Современная нормативная база по расчету железобетонных конструкций СП 52-101-2003 не готова дать оценку долговечности и надежности железобетонных конструкций, работающих в условиях действия агрессивных сред.

В настоящее время большинство задач по расчету долговечности и надежности строительных конструкций еще только поставлены и не получили необходимых для практики решений. Разработка этих задач представляет собой важную и актуальную проблему.

Долговечность - один из важнейших показателей качества строительных конструкций. Длительное время считалось, что бетонные и железобетонные конструкции имеют неограниченную долговечность и даже более того, прочность бетона конструкций,"а, следовательно, долговечность со временем увеличивается. Однако оказалось5, что улучшение показателей качества бетона происходит лишь при определенных влажпостных и температурных условиях. В большинстве случаев железобетонные конструкции в процессе эксплуатации подвергаются агрессивным воздействиям и разрушаются. Данные обследований показывают, что железобетонные конструкции, запроектированные без учета требований долговечности, могут прийти в аварийное состояние в течение 5-10 лет и раньше.

В настоящее время делаются попытки разработать методы прогнозирования долговечности железобетонных конструкций, основы которых изложены в работах В.М. Бондаренко, В.В. Петрова, В.П. Селяева, B.C. Федорова, Г.В. Мурашкина, В.И. Римшина, Ю.М. Баженова, С. Н. Алексеева, В.И. Бабушкина,

В.М. Москвина, Е.А. Гузеева, Ш.М. Рахимбаева, С.Н. Леоновича. Однако до сих пор нет теоретических методов расчета, оценки и прогнозирования долговечности и надежности строительных конструкций, работающих при совместном действии силовых факторов и агрессивных сред.

Расчет долговечности и надежности конструкций должен учитывать динамику процессов, протекающих в материале под действием агрессивных сред. Для этого должны быть определены основные характеристики сопротивления бетонов действию химически-активных веществ и определен механизм взаимодействия материала со средой.

Для более точной оценки долговечности и повышения безопасности при эксплуатации расчет конструкций должен отражать их реальную работу при совместном действии нагрузки и агрессивной среды, а также учитывать случайный характер величин, принятых в расчете.

Поэтому создание метода расчета долговечности железобетонных конструкций, учитывающего воздействие различных факторов, вероятностный характер их взаимодействия и достоверно отражающего реальную работу конструкции, является актуальной задачей.

Для определения параметров деградации применялись микромеханические испытания цементных образцов, выдержанных в условиях агрессивной среды.

Научные исследования проводились на кафедре «Строительные конструкции» Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарева совместно с Л.М. Ошкиной на образцах-призмах размерами 20x20x70 мм из мелкозернистого цементного бетона. После выдерживания образцов в 2% водном растворе серной кислоты по стандартной методике определялись изменения размеров, веса, прочности. Склерометрическим методом измерения микротвёрдости пластинок, вырезанных из образцов, были получены графики изменения твердости (прочности) по высоте поперечного сечения пластинки (изохроны деградации). Прочностные и сорбцнонные характеристики экспериментальных составов были определены при различных уровнях сжимающих напряжений. Характерные графики, полученные в процессе экспериментальных исследований, представлены на рисунке 1.

Анализом изохрон деградации установлено:

- деградация может протекать одновременно с набором прочности бетона во времени (явление, характерное только для цементных композитов) и, как правило, сопровождается двумя процессами (разрушения структуры и переноса энергии), соотношение интенсивности которых определяет механизм деградации;

- деструкция материала на поверхности образца протекает интенсивнее, чем в объеме, так как потенциал энергетического воздействия имеет наибольшее значение, и в предельном случае возможна ее стабилизация. При этом прочностные свойства материала на поверхности образца могут снижаться до нулевого уровня;

- после предельного насыщения материала агрессивной средой деструкция имеет объемный характер. Изохропы деградации описываются квадратной параболой или в первом приближении - линейным уравнением;

предельная концентрация агрессивной среды в материале,

термодинамически соответствующая максимальному насыщению при I—>оо, может быть определена по кривым сорбции;

- скорость продвижения фронта деструкции зависит от уровня сжимающих напряжений;

- этап латентной деградации при долгосрочном прогнозировании работы изделий из цементных композитов можно не учитывать, так как длительность этапа ограничена одним годом

Полученные данные позволяют провести более глубокий анализ физических и химических процессов, происходящих при взаимодействии водных растворов серной кислоты с цементным мелкозернистым бетоном.

Изохроны деградации, полученные склерометрическим методом, дают возможность экспериментально определить параметры, характеризующие сопротивление бетона действию агрессивной среды.

= 1.40 £ 1,20 % 1,00 Éo.so \ 0.60

1 0.40

2 0.20 0,00

0,00 0,10 0.20 0.30 0,40 0.50 0.60

Коорлината сечения yvh -О-7 сут -О- 14 сут -¡V2S еут -H-5S сут -*-!20сут -♦-150 сут Рис. 1 Изменение микротвердости в 2% растворе H2SO.1 (наполнение ОПФ- 10%)

На основе анализа экспериментальных данных предложена методика экспериментального и аналитического определения основных параметров, характеризующих процесс взаимодействия материала с агрессивной средой.

Аналитическое описание процессов взаимодействия агрессивных растворов с цементным композитом может быть основано на принципах теории обобщенной проводимости, согласно которой поток вещества энергии J, переносимый в направлении А-, прямо пропорционален градиенту субстанции су.

•* = -ПтЕгас1(д), (1)

где J- вектор энергетического потока, вызванный градиентом параметра Д„ -показатель эффективной проводимости. Под параметром ц может пониматься

- = (2)

температура, концентрация агрессивной среды, химическая или биологическая энергия.

Зависимость степени разрушения структуры материала от уровня энергетического воздействия является общей для всех материалов и видов энергии. Исходя из этого, можно утверждать о наличии объективных предпосылок для создания обобщенной теории деградации материалов. Однако необходимо учитывать, что каждый вид энергии будет вносить свои особенности в процесс деградации материала.

Энергию химического воздействия принято определять формулой в виде произведения vq, где V - химический потенциал, д - концентрация агрессивной среды (характеристика количества химической энергии). Следовательно, уравнение переноса химической энергии можно выразить законом Фика, который при условии, что в уравнении (1) £)т не зависит от д, имеет вид:

д1 "' дх2

Решение этого уравнения дает возможность определить координаты фронта области деградации «о» по формуле:

" = (3)

где к(¡;) - коэффициент, который зависит от многих факторов, в том числе и от химического потенциала реакционно-активных компонентов среды и материала.

Предельную концентрацию д0 предлагается определять по сорбциоиным кривым, описывая процесс сорбции дробно-линейной функцией вида:

где д0 - предельная сорбционная емкость при /—>оо, одинаковая при разных температурах и напряжениях; /«-характеристика кинетики набухания, зависящая от температуры и нагрузки.

Для проверки пригодности и выявления констант ¿7,, и 1и формулу (4) можно

„ „ 11 представить линеипои зависимостью---в следующем виде:

= —+ Ч <7о

(5)

Определив предельную сорбционную емкость д„, можно упростить методику нахождения по сорбциоиным кривым коэффициента диффузии Д определяя его численное значение по формуле:

я Чо

ЛЯ2

л-2/

Можно предположить, что показатель скорости продвижения фронта диффузии агрессивной жидкости является достоверной оценкой показателя скорости продвижения фронта деградации (0=Д„).

Так как скорость процесса переноса энергии можно описать уравнением (2), в котором <7 является показателем количества энергии разрушения, доставленной в заданную точку, скорость процесса разрушения можно описать уравнением:

^=-кс';;Чо, (?)

где с/, - концентрация связей в материале; - предельная концентрация агрессивной среды в микрообъеме; т — порядок реакции («1=1); к — константа скорости процесса разрушения химических связей в материале.

Решение уравнения (7) при условии, что т=\, дает возможность определить изменение концентрации связей во времени функцией вида:

М)=44 = 41 = ехр{-^}. (8)

СЛ(0) Л(о) сг(о)

Анализом изохрон деградации установлено, что при определении долговечности изделий из цементных композитов изменение во времени относительной прочности внешних слоев бетона Кхс можно оценивать функцией вида:

(9)

Л,

где К„ и /„ - коэффициенты уравнения, определяемые по экспериментальным данным.

Если учитывать эффект латентной деградации, то следует применять формулу (8) вида:

К,с = К,ехр{-КЧо/}, (10)

где К, — коэффициент, учитывающий временное упрочнение бетона.

Для подтверждения принятых гипотез были обработаны экспериментальные данные, из анализа которых можно сделать выводы:

- экспериментальные значения координаты фронта деструкции, полученные по изохронам деградации, ложатся (см. рис. 2) на прямые линии в координатах

«а - л/Г », следовательно, для определения координаты фронта разрушения структуры цементного бетона (глубинного показателя деградации) можно применять функцию (3), в которой зависит от инструментальной точности измерения твердости материала и химической активности реакционноспособных компонентов бетона и среды;

Рис. 2 Изменение глубинного показателя во времени: 1, 2, 3,4, 5 - составы отличаются видом наполнителя и технологией приготовления

- величина коэффициента й меняется во времени и зависит от уровня сжимающих напряжений (уменьшается по линейному закону с увеличением уровня сжимающих напряжений). Коэффициенты, характеризующие скорость продвижения фронта жидкости ф) и деструкции (Д„), сопоставимы по величине, имеют наибольшие значения в начальный момент времени взаимодействия бетона с агрессивной средой;

- коэффициент, учитывающий интенсивность химического взаимодействия агрессивной среды с бетоном внешних слоев, хорошо описывается функциями вида 8 и 9 (см. рис.3). Анализируя график, можно сделать вывод, что эффект временного упрочнения можно не учитывать, так как он имеет место только в начальный период времени.

:.оо

0.00 ----------"Г—•1-1

0 2 4 Л К 10 12 М 1(> 1К 20 22

Недели

--- Крпнля посфосиная но экспериментальным данным

для образцов с наполнителем пз 011Ф (10%)

Кривая построенная но экспериментальным данным дли образцов с наполни гелем и.) шлака (20%)

- Теорешческая крпиаи

Рис. 3 Изменение Кхс. = 1?,(1)/К„(0) во времени

Полученные данные дают возможность экспериментально определить численные значения параметров деградации Д„ , В, а, сон , Кхс, которые можно применять для построения и идентификации моделей деградации и при расчете долговечности железобетонных конструкций. Причем, каждому механизму деградации соответствует определенная модель, которая позволяет описать процесс деградации специальными функциями. Деградационная функция в общем виде может быть представлена следующим выражением:

D = B(t)t 3(0) = /(t, Т, о, с, /г, а,а),

(П)

где t - время; Т - температура; а - напряжение; с - концентрация агрессивной среды; h - геометрическая характеристика; а и а - параметры деградации.

Проанализирована работа изгибаемого элемента с прямоугольной формой поперечного сечения и одиночной арматурой (например, плита с арматурой в растянутой зоне). Деградация бетона плиты вызвана жидкими агрессивными средами, действие которых обусловлено технологической линией, расположенной на вышележащих этажах. Возможные расчетные схемы прочности поперечного сечения, нормального к оси изгибаемого элемента с учетом линейных моделей деградации будут иметь вид, представленный на рис. 4. Анализ представленных схем позволяет получить следующие деградационные функции (таблица 1).

RA,

ш *

Л -А,

_V №

i^fÍ Ur •é

RA. RA,

•

\ \ *

Л. л.

RA. RA,

Рис. 4 Деградационные модели изгибаемого элемента

Подставляя экспериментально полученные значения параметров деградации в функции таблицы 1, можно определить, как меняются их значения в зависимости от: длительности действия сульфат-ионов (/, час); высоты

поперечного сечения изгибаемого элемента (/¡«, м); относительного содержания арматуры (.1/ и других расчетно-конструктивных параметров.

Таблица 1

Расчет! 1ая схема „ А; ь/ - . /'0 ми0

0 1

1 <?о + £п 1- 1-0,5#0

2 #0 + Й2(1-^2/Лй) , ЯгЬ-Нп/Кь), °.5#122 Л/,2/«АО0-/«¿0) 1-0,5#о й(1-0^о)

3 ¿0+0,56з(1-Л„/Лй) 0,125(1-Яи/Д6)-1 6

4 #0+ 0,5^4-0,5^0=-^/' «6 , (^14 + <5/Л0)0,5 ( (^4+0,5^1-1^^ 1-0,5^0 ' £о(1-0,5£о)

10 20

90 100

Рис. 4

40 50 60 70 годы

5. Деградационные функции для расчетных схем 1, 2,3. - график изменения координаты фронта деградации а

На рис. 5 представлены графики изменения деградационных функций во времени, анализ которых показывает: для обеспечения безопасности, надежности прогноза оценку долговечности железобетонных элементов следует проводить с

применением модели 1 или 2. Модель 3 дает более высокие оценки долговечности по сравнению с двумя первыми моделями. Потеря 20% несущей способности по прогнозу с применением моделей 1 и 2 наступит через 10 лет, модели 3 через 15 лет. Снижение несущей способности на 50% наступит в первом случае через 80 лет, во втором через 100 лет.

В главе 5 приведены результаты статистических испытаний расчетно-конструктивиых параметров железобетонных элементов.

Испытания производились на колоннах, которые были изготовлены в 2004 году и установлены в проектное положение в 2005 году. Испытания проводились в 2007 году после двух лет выдержки колон в условиях воздействия атмосферных факторов (влаги, знакопеременных температур). Принято 3 участка испытаний на каждой колонне. В качестве исследуемых параметров приняты - высота и ширина сечения колонны, прочность бетона. Испытания прочности проводились на боковых поверхностях образцов (по направлению бетонирования).

Для каждой партии бетона вычисляли среднюю прочность /?„„ дисперсию, среднее квадратическое отклонение Б„„ коэффициент вариации прочности У,„ и другие статистические характеристики. Затем определяли средние значения прочности и партионного коэффициента вариации прочности бетона У„ за год.

Проверка статистической однородности расчетно-конструктивных параметров осуществлялась путем сравнения теоретических значений отклонений параметра с действительными значениями, проверкой статистических гипотез.

Таблица 2

Итоговые статистические характеристики проектной прочности бетона плит

СТАТИСТИЧЕСКИЕ ГОД ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ

ХАРАКТЕРИСТИКИ 2011г. 2012г.

1 2 3

ПРОЕКТНАЯ ПРОЧНОСТЬ, МПА

Среднее значение 41,986 38,864

Медиана 41,908 38,110

Мода 40,803 38,002

Среднеквадратическое отклонение 1,298 1,697

Дисперсия выборки 1,587 2,945

Эксцесс -0,983 1,242

Асимметрия 0,201 1,566

Минимальное значение 39,700 37,500

Максимальное значение 44,400 43,930

Коэффициент вариации V,,, % 3,005 1,750

Таблица 2 Продолжение

1 2 3

Критерий Пирсона Х1,в.,. =6,39 > Хкр. (0,05;2) = 6,00 Х1,с,,. =96,65 >4,.(0,05;2) = 6,00

Критерий Кохрена С„:1бл =0,30 < Ск„(0,05;29;4)=0,39 0,т6л.=0,88>Скр.(0,05;29;3)= =0,496

Критерий Фишера Рмиг,,=1,69 >Р|ф.(0,05;87;119)= 1,394

2-критерий г„аг)Л=14>гкп=1,9б

Однофакторный дисперсионный анализ ^=2,05^=2,683 Рцибл.=77,19>Р|ф.=3,104

Аналогичные испытания проводились для плит безопалубочного формования производства ОАО «Железобетон» (таблица 2), По результатам статистического анализа данных, полученных за 2011 - 2012 гг., выполнена оценка изменчивости расчетно-конструктивных параметров исследуемых элементов. Испытанием стандартных образцов получены средние значения прочности бетона на сжатие и передаточной прочности. В качестве исследуемых геометрических параметров были приняты следующие: высота поперечного сечения, длина плиты, толщина защитного слоя, толщина и ширина верхней полки, ширина ребра. Объем объединенной выборки составлял 40 объектов в 2011 году и 30 плит, изготовленных в 2012 году.

Полученные данные о статистической изменчивости железобетонных конструкций использовались при разработке вероятностных моделей.

При вероятностном методе расчета железобетонных конструкций основная часть исходных расчетных данных была представлена в виде случайных величин с заданными кривыми распределения.

При определении надежности изгибаемых элементов критерием отказа являлось исчерпание несущей способности конструкции:

М0„ <М,„ (12)

где М0„ и М„- момент в расчетном сечении от внешней нагрузки и максимальный момент, воспринимаемый сечением.

Тогда по формуле (13) можно определить вероятность отказа плиты Р.

(13)

р=ф

где Ф - функция нормального распределения; 5 - среднеквадратическое отклонение.

Начальную безотказность Н конструкции находим из выражения: Н= 1-Р.

С целью определения надежности была составлена программа расчета изгибаемого элемента.

Произведены расчеты начальной безотказности предварительно напряженных плит безопалубочного формования, изготовленных на длинных стендах «Тэнсиланд» со следующими номинальными размерами: ширина поперечного сечения - 1,2 м, высота поперечного сечения — 22 см; расчетные пролеты -5,9; 7,1; 8,9 м, длина- 6,0; 7,2; 9,0 м.

Расчетные параметры, использованные при расчете надежности плиты пролетом 9,0 м, приведены в таблице 3.

Таблица 3

Определение начальной безотказности для плиты пролетом 9 метров из условия прочности сечений нормальных к продольной оси элемента

Варьируемые параметры Единица измерения Среднее значение Коэффициент вариации V, Изменчивость параметров S.x Изменчивость М ki

5', кНм (S'f кНм

S(&Mn-AM0n)

Яы, МПа 30,0 0,013 0,390 0,265 0,071 0,010

Л.,„ МПа 1400,0 0,050 70,000 9,582 91,605 13,128

л«. МПа 500,0 0,050 25,000 0,047 0,001 0,15x1o"1

А, см2 8,9 0,011 0,080 1,964 3,812 0,548

А, см2 0,77 0,011 0,020 0,012 0,0001 0,015x10 o

Ьг см 118,4 0,005 0,480 0,082 0,008 0,001

А см 22,8 0,013 0,250 3,212 10,302 1,472

а см 3,1 0,084 0,240 3,088 9,540 1,368

а см 1,4 0,084 0,130 0,047 0,002 0,288х10'5

SV„= 45,331 1=16,625

8п кН/м 3,5 0,100 0,354 3,514 12,360 1,778

v„ кН/м 8,0 0,300 2,413 23,879 570,160 81,713

lo м 8,8 0,0004 0,003 0,078 0,007 0,8х10"3

S2 ад/П„=582,54 1=83,478

Р = 0.00024, Н= 99.976%

В результате анализа надежности установлено, что начальная безотказность, определенная из условия прочности сечений нормальных к продольной оси элемента, обеспечена и составляет для плит длиной 6,0; 7,2; 9,0 м - 99,41; 99,75; 99,976 % соответственно.

Установлено, что изменчивость временной нагрузки оказывает наибольшее влияние на надежность элемента и составляет 85,1; 84,6 и 81,7 % для плит длиной 6,0; 7,2 и 9,0 м, соответственно. Изменчивость геометрических характеристик и

нормативного сопротивления арматуры растяжению оказывают менее выраженное влияние на начальную безотказность конструкции.

Расчетом надежности плит из условия прочности сечений наклонных к продольной оси элемента установлено, что начальная безотказность составляет для плит пролетом 6,0; 7,2 и 9,0 м соответственно 99,9998; 99,999 и 99,43 %. Увеличение пролета плиты в 1,5 раза приводит к снижению надежности до 0,56 % и соответствующему увеличению вероятности отказа.

Влияние изменчивости временной нагрузки на надежность плит в этом случае находится в пределах от 85 до 92%. С увеличением пролета влияние временной нагрузки усиливается.

Большой запас прочности плиты по нормальным и наклонным сечениям обуславливает то, что кривые распределения усилий от внешних нагрузок и несущей способности элемента при сроке эксплуатации 50 лет не пересекаются.

Исследовано изменение надежности плит, работающих при совместном действии внешней нагрузки и жидкой агрессивной среды.

Надежность плиты по сечениям наклонным и нормальным к продольной оси элемента определяли по формулам Н.С. Стрелецкого:

где у - индекс надежности, характеризующий запас прочности по отношению к действующей нагрузке; С>павг ,а0т1,г и Мп;1„г, <тМпа!;г - средние значения поперечной силы и изгибающего момента от внешней нагрузки и их среднеквадратические отклонения; Qв, оСв и МПС8, оМпсз - средние значения поперечной силы и изгибающего момента, воспринимаемые сечением и их среднеквадратические отклонения.

Предполагали, что величины внутренних и внешних усилий являются случайными величинами, распределенными по нормальному закону.

Для вычисления долговечности была составлена программа, позволяющая определить прочность сечений нормальных к продольной оси изгибаемого элемента в зависимости от реализации одного из шести случаев взаимного расположения координаты фронта агрессивной жидкости и верхней полки плиты и несущую способность наклонных сечений по формулам с учетом времени и статистической изменчивости параметров.

Для определения индекса надежности у был использован метод Монте-Карло. При расчете учитывалась изменчивость средних и среднеквадратических отклонений значений расчетно-конструктивных параметров элементов. Количество испытаний приняли равным 100000.

(14)

в в Опя ГЦ

(15)

Значения статистических характеристик параметров конструкций, использованные в расчете, приведены в главе 4. Графики па рисунке 6 представляют собой результаты численного эксперимента

О 10 20 30 40 50 ад 70 ¡¡О 90 100 1. лгг

—а- Наклонные ссчип-.и —■— Нирлимьимс чеченца

Рис. 6 График изменения величины деградационной функции £>("0 и О(М) во времени

Из графиков видно, что на ранних сроках эксплуатации (0-30 лет) происходит резкое снижение прочности сечений нормальных к продольной оси. Так, снижение прочности нормальных сечений на 45 % происходит уже к 30 годам. Кривая, характеризующая изменение прочности наклонных сечений, имеет более плавный характер. В этом случае работает только бетон, и под воздействием агрессивной среды происходит постепенное «выключение» деградировавшей зоны из работы сечения. Анализируя полученные данные, можно сделать вывод о том, что надежность плиты в большей мере определяется прочностью сечений нормальных к продольной оси элемента.

Графики изменения индекса надежности (индекса Н.С. Стрелецкого), построенные из условия прочности сечений нормальных и наклонных к продольной оси элемента, при различных коэффициентах диффузии приведены на рисунке 7.

Из графиков на рисунке 7 видно, что изменение коэффициента диффузии оказывает наибольшее влияние на индекс надежности у, определенный из условия прочности сечений наклонных к продольной оси элемента, так плита перестает соответствовать 3 классу по безопасности примерно па 30 лет раньше при увеличении коэффициента диффузии в 1,5 раза.

0.0

Рис.7 График изменения индекса надежности во времени при различных коэффициентах диффузии (£>*=(),5-10"4 м2/с, 1,5•£>*)

> класс всюпасиоети V = 5.2

I класс остаиасностп у - -1.2 2 класс безопасности

о К) 20 30 40 50 (.

1, лет

11;!к.1{>нпыс сечения при Д —я-

Наклонные сечения при Дх 1.5 —а-

11<>рмальные Сечения прп /У Нормальные ееченни нрн Дх

у = 4.7

Рис. 8 Графики зависимости вероятности безотказной работы колонны от глубины деградации

На основании полученных результатов установлено, что плиты обладают значительным запасом прочности при работе по сечениям нормальным и наклонным к продольной оси. Надежность, определенная из условия прочности сечений нормальных к продольной оси, значительно ниже, чем определенная из условия прочности наклонных сечений, поэтому расчет по нормальным сечениям должен быть основным при определении долговечности.

Методом статистических испытаний произведен расчет надежности железобетонных внецептренно-сжатых элементов, работающих в условиях совместного действия агрессивной среды и нагрузки.

На рис. 8 представлены графики обеспеченности несущей способности внецентренно-сжатого элемента, работающего в условиях агрессивной среды, от времени. Расчет показал, что обеспеченность несущей способности за первые 50 лет снижается незначительно: для бетонов класса В15 на 2.1 %, для бетонов класса В20 на 0.6 %, для бетонов класса В25 на 0.3 %.

В работе произведена численная реализация инкрементальной модели расчета пластинки, работающей без трещин в агрессивной среде. Задача была решена методом последовательных нагружений, в соответствии с которым производилось последовательное догружение пластинки поперечной нагрузкой и последующее решение дифференциального уравнения (16) относительно w.

Эл-2

'd2Aw I Э2ДиЛ

дхду ^ ЭхЭу

ду2

Э2Ди> 1 Э2Ди>

2 Эл-2

А

Проникновение агрессивной среды вглубь материала на величину

приращения фронта деструкции приводит к появлению дополнительных

прогибов, величина которых определялась из последовательного решения уравнения:

Эл-2

Э2Ди> 1 Э2Дw ,

э2 Гэ2дшмЛ д2

+ —— -Dk +—г

дхоу\дхс)у ) Э^"

d2Aw 1 Э2Ди> ,

С помощью реализованной модели построены графики изменения уровня напряжений во времени при различных концентрациях агрессивной среды (рис. 9). Верхняя ниспадающая кривая соответствует пределу прочности для определенного материала. Интенсивность напряжений в наиболее опасной точке сечения описывают восходящие кривые, полученные расчетным путем. В точке пересечения происходит разрушение конструкции.

В расчете принималась пластинка со следующими исходными данными: размеры в плане 4x4 м, высотой поперечного сечения 18 см.

На рисунке 10 представлены графики долговечности пластинки, подверженной воздействию агрессивной среды.

o¡/o¡.„, I.OO

0.90

0.80

0.70

0.60

0.50 0.40 0.30

O 50 100 150 200 250 300 350 400 1.Д1Ш

Рис. 9 Графики изменения напряжений во времени

при разных концентрациях агрессивной среды

t, голы 1.20

1.00

0.80

0.60

0.40

0.20

0.00

0 0.2 0.4 0.6 0.8 I q/q,m,

Рис. 10 Графики долговечности построенные при различных уровнях концентраций агрессивной среды

Установлено, что при отношении сторон пластины более 1/25, расчет с достаточной точностью может быть выполнен по балочной аналогии. Соответственно, вероятностный расчет можно производить по выше приведенной методике.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Анализ данных выполненной диссертационной работы позволяет сформулировать следующие основные результаты.

1. Предложена методика расчета и прогнозирования долговечности железобетонных конструкций, основанная на детерминированных и вероятностных моделях деградации, которая позволяет оценить остаточный

\ . \ \ ' ■ х -T- l.273cxp[-6.636q/q,nu]

\ ^—^ t \ \ T = 4.1 llexp[-7.9446q/qlni*]

\ \ T = I2.895cxp[-8.6997q/q„j

\ 2 V \

\ \ 15 Ч \ 0.5

T = 0.6253cxp[-5.89S¡iJtSj- '■•..' \ T = 9.7648cxp[-6.4409q/q,„,J

ресурс армобетонных конструкций, работающих в условиях действия агрессивной среды.

2. Разработана методика определения основных параметров деградации, которая дает возможность неразрушающими методами в процессе эксплуатации контролировать основные показатели качества бетона, моделировать развитие деградационных процессов и прогнозировать изменение несущей способности, жесткости и трещиностойкости конструкций во времени.

3. Произведен анализ работы железобетонных элементов в условиях действия жидкой агрессивной среды, содержащей сульфат ионы. Установлено, на начальном этапе взаимодействия материала с агрессивной средой можно выделить три зоны деградации: латентную, активную и нулевую. Впервые по изохронам деградации определены: глубинный показатель, описывающий изменение координаты фронта деструкции во времени; параметр D -характеризующий скорость продвижения фронта деградации.

4. Построены феноменологические модели деградации и определены деградационные функции для железобетонного изгибаемого элемента. Определено влияние основных расчетио-конструктивных параметров на долговечность конструкции.

5. Методом анализа статистической изменчивости получены обоснованные статистические характеристики расчетно-конструктивных параметров железобетонных конструкций.

6. Вероятностными методами произведен анализ работы конструкционных элементов зданий и сооружений при совместном действии нагрузки и агрессивной среды. Установлены основные расчетные параметры, статистическая изменчивость которых оказывает наибольшее влияние на надежность железобетонных конструкций. Построены графики изменения надежности армобетонных элементов во времени.

Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в следующих научных изданиях:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК России для кандидатских диссертации:

1. Селяев, В.П. Анализ надежности внецентренно сжатых железобетонных колонн [Текст] / В.П. Селяев, В.Н. Уткина, П.В. Селяев, Е.В. Сорокин II Приволжский научный журнал. -2011. -№4. - С. 46-53.

2. Селяев, В.П. Оценка надежности изгибаемых элементов, работающих без трещин [Текст] / В.П. Селяев, А.О. Колдин, Е.В. Сорокин, П.В. Селяев, И.Ю. Уткин // Региональная архитектура и строительство. -2011. — №2. - С. 70-75.

3. Селяев, П.В. Анализ работы пластинок, взаимодействующих с агрессивной средой [Текст] / П.В. Селяев, Е.В. Сорокин И Региональная архитектура и строительство. -2011. - №2. - С. 91-95.

4. Селяев, В.П. Оценка надежности железобетонных внецентренно сжатых колонн [Текст] / В.П. Селяев, П.В. Селяев, Е.В. Сорокин II Региональная архитектура и строительство. - 2012. - №1. — С. 61-65.

5. Селяев, В.П. Влияние сил трения на прочность бетона [Текст] / В.П. Селяев, П.В. Селяев, Е.В. Сорокин, A.B. Колотушкин, E.J1. Кечуткина // Региональная архитектура и строительство. -2012. -№3. - С. 12-17.

6. Селяев, В.П. Исследование химической стойкости цементных бетонов с учетом сульфатной коррозии [Текст] / В.П. Селяев, J1.M. Ошкина, П.В. Селяев, Е.В. Сорокин II Региональная архитектура и строительство. - 2012. -№1. - С. 411.

7. Селяев, В.П. Сопротивление цементных бетонов сульфатной коррозии [Текст] / В.П. Селяев, В.А. Неверов, J1.M. Ошкина, П.В. Селяев, Е.В. Сорокин, Е.Л. Кечуткина // Строительные материалы. - 2013. -№12 - С. 26-30.

Публикации в других изданиях:

1. Уткина, В.Н. Определение обеспеченности прочности нормальных сечений железобетонных изгибаемых элементов [Текст] / В.Н. Уткина, И.Ю. Уткин, А.О. Колдин, И.С. Петров, Е.В. СорокинИ Актуальные вопросы строительства / Материалы международной научно практической конференции. Саранск: Из-во МордГУ. - 2006. - С. 573-579.

2. Уткина, В.Н. Определение обеспеченности несущей способности железобетонных внецентренно-сжатых элементов [Текст] / В.Н. Уткина, И.Ю. Уткин, А.О. Колдин, И.С. Петров, Е.В. СорокинИ Актуальные вопросы строительства / Материалы международной научно практической конференции. Саранск: Из-во МордГУ. - 2006. - С. 579-585.

3. Колдин, А.О. Оценка влияния расчетно-конструктивных параметров на надежность железобетонных плит безопалубочного формования [Текст] / А.О. Колдин, И.С. Петров, Е.В. СорокинII Актуальные вопросы строительства / Материалы международной научно практической конференции.: в 2 ч. Ч. 2./ Саранск: Из-во МордГУ. - 2007. - С.109-117.

4.Селяев, П.В. Исследование долговечности пластин, взаимодействующих с агрессивной средой [Текст] / П.В. Селяев, Е.В. СорокинИ Актуальные вопросы строительства / Материалы международной научно практической конференции.: в 2 ч. Ч. 1./ Саранск: Из-во МордГУ. - 2009. - С.285-294.

5. Селяев, П.В. Долговечность пластин и их взаимодействие с агрессивной средой [Текст] / П.В. Селяев, Е.В. Сорокин!! Актуальные вопросы строительства/ Материалы международной научно практической конференции./ Саранск: Из-во МордГУ, 2012 - с.399-406.

6. Selyaev, V.P. Physical bases of materials strength with the structure of conglomerate type [Текст] / V.P. Selyaev, P.V. Selyaev, E. V. Sorokin / Science, Technology and Higher Education: materials of the international research and practice conference, Vol. II, Westwood: publishing office Accent Graphics communications, December llth-12th, 2012. P.523-531.

7. Selyaev, V.P. Crack resistance of reinforced concrete structures with epoxy coating [Текст] / V.P. Selyaev, P.V. Selyaev, E. V. Sorokin, O.A. Udina, V.V. Tsganov / Science and Education: materials of the III international research and practice conference, Vol. I. Munich: publishing office Vela Verlag Waldkraiburg, April 25th -26th, 2013. P. 167-176.

Подписано в печать 30.06.2014. Объем 1,25 п. л. Тираж 100 экз. Заказ >6 972. Типография Издательства Мордовского университета 430005, Саранск, ул. Советская, 24.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева»

На правах рукописи

04201 46062? /Л/ 7

Сорокин Евгений Вячеславович

РАСЧЕТ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ

КОНСТРУКЦИЙ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель Академик РААСН д.т.н., профессор В.П. Селяев

САРАНСК - 2014

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ С УЧЕТОМ ДЕЙСТВИЯ АГРЕССИВНЫХ СРЕД 8

1.1 Нормативные методы расчета железобетонных конструкций 8

1.2 Вероятностные методы расчета железобетонных конструкций 13

1.3 Методы оценки и прогнозирования долговечности железобетонных конструкций 19

1.4 Методы повышения долговечности железобетонных конструкций 30

1.5 Цели и задачи исследования 34 ГЛАВА 2. ХИМИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ЦЕМЕНТНЫХ БЕТОНОВ 35

2.1. Прогнозирование долговечности бетонных изделий при развитии механизма коррозии первого вида 35

2.2. Показатели химического сопротивления при коррозии второго вида 39

2.3. Кислотная коррозия 47

2.4. Сульфатная коррозия 51 2.5 Выводы 75 ГЛАВА 3. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСРУКЦИЙ МЕТОДОМ ДЕГРАДАЦИОННЫХ ФУНКЦИЙ 77

4.1 Прогнозирование долговечности бетонных изделий методом деградационных функций 77

3.2 Применение метода деградацонных функция для оценки долговечности железобетонных конструкций 80

3.3 Оценка долговечности железобетонных изгибаемых элементов методом деградационных функций 86

3.4 Выводы 89 ГЛАВА 4. АНАЛИЗ СТАТИСТИЧЕКОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ 91

4.1 Анализ статистической изменчивости прочности бетона железобетонных колонн 91

4.2 Результаты статистического анализа изменчивости геометрических параметров колонн 99 4.3. Статистическая оценка расчетно - конструктивных параметров железобетонных плит 104

4.4 Результаты определения геометрических параметров

плит перекрытий 106

4.5 Выводы по главе 112 ГЛАВА 5 ВЕРОЯТНОСТНАЯ ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ 114 5.1 Определение обеспеченности несущей способности железобетонных внецентренно сжатых элементов 114

5.2 Анализ надежности железобетонного сжатого элемента 122 5.3. Оценка влияния изменчивости расчетных параметров на надежность

колонн 130 5.4 Определение величины несущей способности с заданным уровнем

надежности 139

5.5. Исследование изменения области безотказной работы колонны 142

5.6. Оценка долговечности железобетонной внецентренно-сжатой колонны 145

5.7 Вероятностная оценка долговечности изгибаемых элементов 154

5.8 Моделирование работы пластинок взаимодействующих с агрессивной средой 162

5.9 Выводы 166 Основные выводы 167 Список использованной литературы 168 Приложение 180

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы:

В процессе эксплуатации железобетонные конструкции подвергаются воздействию различных факторов окружающей среды: силовых, физических, химических, техногенных и т.д. Учет воздействия данных факторов на работу конструкции осуществляется путем введения различных коэффициентов запаса. Данные коэффициенты не отражают в полной мере реальную работу конструкции, а зачастую не учитывают механизм изменения свойств материала под действием агрессивных сред. Известно, что под действием химически-активных веществ свойства материала изменяются, причем данное изменение происходит неравномерно по объему образца. Расчет долговечности и надежности конструкций должен учитывать динамику процессов протекающих в материале под действием агрессивных сред. Для этого должны быть определены основные характеристики сопротивления бетонов действию химически-активных веществ и определен механизм взаимодействия материала со средой.

Многочисленные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что значения расчетно-конструктивных параметров конструкций, а так же величины внешних воздействий носят случайный характер, т.е. отклоняются от средних значений, обычно принимаемых в расчетах. Можно утверждать, что метод, достоверно отражающий работу конструкции, должен в большей степени базироваться на методах теории вероятности. Следовательно, наличие достоверных статистических характеристик расчетно-конструктивных параметров и факторов окружающей среды является необходимым условием для вероятностного расчета конструкций.

Для более точной оценки долговечности и повышения безопасности при эксплуатации, расчет конструкций должен отражать их реальную работу при совместном действии нагрузки и агрессивной среды, а так же учитывать случайный характер величин принятых в расчете.

Поэтому создание вероятностного метода расчета железобетонных конструкций, учитывающего воздействие различных факторов и достоверно отражающего реальную работу конструкции, является актуальной задачей.

Цель работы:

Целью данной работы являлась разработка методики расчета и прогнозирования долговечности железобетонных конструкций, основанной на вероятностных моделях деградации армобетонных элементов, работающих в условиях действия агрессивной среды.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- разработать методику расчета и прогнозирования долговечности железобетонных конструкций с учетом деградации материала конструкционных элементов под действием агрессивных сред

- установить основные характеристики химического сопротивления бетонов (полимерных, цементных) действию агрессивных сред; разработать методику идентификации основных параметров деградации по экспериментальным данным, полученным методом микроразрушений (методом микротвердости, склерометрии)

- экспериментальным методом определить статистическую изменчивость конструкционных параметров железобетонных и полимербетонных элементов

- методами статистического моделирования произвести анализ работы конструкционных элементов резервуаров с учетом действия агрессивных сред, оценить изменение надежности конструкции во времени и изучить влияние статистической изменчивости конструкционных параметров на долговечность железобетонных конструкций.

Научная новизна: - Предложена методика расчета и прогнозирования долговечности железобетонных конструкций, основанная на детерминированных и вероятностных моделях деградации армобетонных элементов, работающих в условиях действия агрессивной среды;

аналитически и экспериментально обоснованы характеристики химического сопротивления цементных и полимерных композитов действию сульфатных растворов, необходимые для моделирования деградации и расчета долговечности железобетонных конструкций;

- обоснована вероятностная модель для прогнозирования и оценки, долговечности, надежности железобетонных конструкций, учитывающие статистическую изменчивость расчетных параметров и кинетику деградационных процессов.

Публикации.

Основные результаты диссертационной работы отражены в 14 публикациях, в том числе 7 работа в журнале по Перечню ВАК МОиН РФ.

Достоверность результатов работы обеспечивается корректной идентификацией и верификацией построенных моделей, сопоставлением результатов численного моделирования с рядом экспериментальных данных; а также с результатами некоторых теоретических исследований, полученных другими авторами.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:

- на ежегодно проводимой научно-практической конференции «Огаревские чтения» (Саранск, 2006-2012 гг.);

- на международной конференции "Актуальные вопросы строительства" (Саранск, 2006-2012 гг.);

- на международной конференции «Science and Education» (Германия, Мюнхен, 2012 г.);

- на конференции «Science, Technology and Higher Education» (Westwood, Canada 2013 г.);

- на семинарах кафедры строительных конструкций МГУ им. Н.П. Огарева (2006-2012 гг.).

Объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения в виде основных выводов по результатам диссертационной работы, списка

использованной литературы из 126 наименований. Общий объем составляет 202 страницы, содержит 50 рисунков, 22 таблицы, 14 приложений.

На защиту выносятся:

- методика расчета и прогнозирования долговечности железобетонных конструкций, основанная на детерминированных и вероятностных моделях деградации армобетонных элементов, работающих в условиях действия агрессивной среды;

- обоснование выбора параметров химического сопротивления бетона, необходимых для расчета долговечности железобетонных конструкций;

методика экспериментального определения численных значений параметров деградации;

- вероятностная модель для прогнозирования и оценки долговечности и надежности железобетонных конструкций, основанная на применении деградационных функций и экспериментальных данных о статистической изменчивости расчетных параметров.

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ЖЕЛЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ С УЧЕТОМ ДЕЙСТВИЯ АГРЕССИВНЫХ СРЕД

1.1 Нормативные методы расчета железобетонных конструкций

Нормативные методы расчета железобетонных конструкций формировались на основе работ Н.С. Стрелецкого, А.Ф. Лолейта, A.A. Гвоздева, С.С. Давидова, В.В. Михайлова, В.И. Мурашева, П.П. Пастернака Я. В. Столярова, О. Я. Берга, В.М. Бондаренко, A.C. Залесова, Н.И. Карпенко, В.Н. Байкова и др.

Расчет конструкций, в том числе железобетонных, производится с целью обеспечения их безотказной, надежной работы в процессе эксплуатации. Задача это достаточно сложная, так как механические свойства материала, геометрические размеры элементов, внешние воздействия и нагрузки, являются случайными величинами [49,37]. Поэтому основное расчетное условие принято записывать в виде неравенства:

ax^min (1.1)

где Smax - наибольшее (предельное) значение усилия от внешних воздействий в элементе; Rmin - наименьшее значение усилия, характеризующего сопротивление элемента.

Анализом многочисленных экспериментальных данных [57, 39, 83] установлено, что кривые статистического распределения функций S и R имеют нормальный характер. Тогда условие безотказной работы элемента конструкций

На рисунке 1.1 и Ят - математическое ожидание усилий 5 и Л; ^ и ог -соответствующие среднеквадратические отклонения; г — зона надежности, которую предлагается определять по формуле:

г = Кп-$тп (1-2)

Ятпи8тп - соответствующие характеристические значения равные: Ятп=Ят-\Маг (1.3)

-1.64а, (1.4)

Так как распределение функций Ятп и 8тп подчиняются закону близкому к нормальному, то распределение функции г будет также нормальным. Тогда характеристика вероятности безотказной работы элемента р будет определяться функцией вида:

т т

«Г?

(1.5)

Выражение (1.5) применяют при отсутствии стохастической связи между величинами Я и 5 и в литературе принято называть индексом Стрелецкого, характеристикой безопасности или гауссовским коэффициентом надежности. Многочисленные данные обследований свидетельствуют, что значение коэффициента Р = 2,8 +4,0 соответствует вероятности безотказной работы Р]1 = 99,74-99,99%.

Современная нормативная база по расчету железобетонных конструкций СП 52-101-2003 не готова к применению вероятностных методов в практике проектирования, в основном из-за недостаточного количества экспериментальных данных по статистической изменчивости расчетных параметров. Поэтому на практике для железобетонных конструкций применяют метод расчета по предельным состояниям, который основан на полувероятностном подходе [70, 58, 56, 57].

Под предельным состоянием (отказом) понимается любое нарушение нормативных требований, которое способно привести конструкцию в состояние опасное для эксплуатации.

Эволюция расчетных методов происходила от рассмотрения предельного состояния конструкции в точке (метод расчета по допускаемым напряжениям), к анализу предельного состояния в сечении (метод расчета по разрушающим усилиям) к полувероятностному методу расчета по предельным состояниям и к развивающемуся методу предельного равновесия, в котором рассматривается предельное состояние в объеме конструкции [70, 56].

Метод расчета по допустимым напряжениям или метод «упругого железобетона» основан на фундаментальных принципах механики твердого тела [70]. Применяется в отдельных случаях до сих пор. Расчет на кручение производится еще по данному методу, некоторые положения используются также при расчете предварительно напряженных железобетонных конструкций на трещиностойкость наклонных сечений.

При расчете по методу допустимых напряжений принимается ряд предпосылок, к которым относятся: гипотеза плоских сечений (Бернулли); выполнение закона Гука для бетона сжатой зоны; не учитывается работа бетона на растяжение; под действием внешних сил арматура принимает на себя напряжения, в а раз большие, чем бетон; площадь сечения арматуры можно заменить эквивалентной площадью сечения бетона и рассматривать сечение железобетонного элемента как однородное составленное из материала с одним модулем упругости [70].

Рассматриваемый метод обладает рядом существенных недостатков:

1. Не учитываются пластические свойства бетона. Модуль упругости бетона принимается за постоянную величину, тогда как на самом деле зависит от величины напряжений, состава, возраста бетона и других трудно учитываемых факторов.

2. Не учитывается работа бетона в пределах растянутой зоны.

3. Не позволяет определять действительных напряжений в бетоне и арматуре, находить разрушающую нагрузку, правильно назначать коэффициент запаса

Метод расчета конструкций по разрушающим усилиям основан на следующих положениях[70]:

1. Расчет элементов производится по стадии разрушения (стадия 3) в предположении, что бетон в сжатой зоне н арматура уже достигли пластического состояния, но совместная работа бетона и стали еще не нарушена.

2. Учитываются упругопластические свойства железобетона. Эпюра сжимающих напряжений в бетоне принята прямоугольная вместо первоначальной криволинейной, что приводит к незначительной погрешности (не более 2%) в определении величины разрушающего момента.

3. В растянутой зоне (при изгибе) прочность бетона также не учитывается.

4. Расчет по этому методу связан с определенным общим коэффициентом запаса прочности к, под которым понимается отношение разрушающего усилия в

элементе к усилию, действующему в нем в стадии эксплуатации (к = —-).

М

Метод расчета по разрушающим усилиям дает более полно представление о действительной работе железобетона, позволяет более правильно использовать прочностные и деформативные свойства материалов и в ряде случаев позволяет получить более экономичные конструктивные решения.

Недостатком метода расчета по разрушающим усилиям является использование единого коэффициента запаса, в связи с чем, не могут быть явно учтены возможные отклонения фактических значений нагрузок, прочностных характеристик материалов, размеров сечений и пр. от расчетных значений. Кроме того, метод расчета по разрушающим усилиям позволял определять только несущую способность конструкции.

Основными отличиями метода расчета по предельным состояниям от прежних являются четкое установление предельных состояний конструкции и введение системы расчетных коэффициентов взамен общего коэффициента запаса прочности.

Конструкция достигает предельного состояния тогда, когда дальнейшее ее использование невозможно из-за достижения предела несущей способности,

потери устойчивости формы либо положения или появления недопустимых деформаций. Выделяют две группы предельных состояний предельных состояний: первая - по несущей способности; вторая - по пригодности к нормальной эксплуатации [89]. Первая группа предельных состояний включает: расчет по прочности, на изгиб, на выносливость и т.д. [55].

Вторая группа предельных состояний ограничивает чрезмерные перемещения, образование и ширину раскрытия трещин и т.д.

При расчете конструкций по предельным состояниям основное расчетное условие имеет вид:

где - предельное расчетное усилие в сечении элемента от внешних нагрузок; Яи - предельное расчетное усилие воспринимаемое материалом элемента; у/, у„, щ Cf- коэффициенты надежности, учитывающие: изменчивость нагрузок (Г), назначение здания, сочетание нагрузок, обоснованность расчетной схемы; уЬт, уЬтЬ ъЬт сг,- коэффициенты надежности: по материалам, условиям работы, сочетаний материалов, формы и размеров сечения, \х - процент армирования.

К недостаткам метода предельных состояний можно отнести следующее:

1. Метод предельных состояний является полувероятностным. Надежность конструкций при проектировании обеспечивается путем введения частных коэффициентов запаса - коэффициент надежности по нагрузке, по материалу