автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Расчет железобетонных конструкций, подверженных коррозии

На правах рукописи

ПОПЕСКО Антонина Ивановна

>Г Б ОД

УДК 624.07.012.35:620.193.4

I 5 ДЬН Шь

РАСЧЕТ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ, ПОДВЕРЖЕННЫХ КОРРОЗИИ

05.23.01 - строительные конструкции, зданиям" сооружении

АВТОРЕФЕРАТ " диссертации на соискание ученой степени. доктора технических наук

Санкт-Петербург -1996

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном архитектурно-строительном университете

• Научный консультант - заслуженный деятель наука и техники РФ, доктор технических наук,' профессор Р.С.Санжарооскнй

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Г.Н.Стапров; доктор технических наук, профессор В.П.Морозов; доктор технических иауи, профессор В.И.Колчунов

Ведущая организация - СПбЗНИПИ

Зашита состоится " 30 " декабря 199 6 г. р. 11 ч 00 мпн на заседании- диссертационного совета Д.063.31.04 при Санкт-Петербургском государственном архитектурно-строительном ушшер-ситете по адресу; 198005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., 4

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного . университета .. '

Автореферат разослан "З9 " ноября 199 6 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, допей г

И.С.Дерибин

ОЫЦЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальное!ь проблемы. Но данным натурных обследований, анализа -проектных материалов и экспертного опрос;Г специалистов устано- . илено, что до 75% строительных конструкций зданий и сооружений подвергается разрушающему воздействию агрессивных сред. Большой материальный и моральный ущерб от коррозии, особенно для предприятий с агрессивной; производственной средой, вызывает необходимость • учитывав коррозию железобетона при проектировании, возведении и икс-имуа/ацпи конструкции зданий и сооружении. СНиГ! 2.03.01-84 "Бетонные и железобетонные конструкции" не дает указаний по расчету таких конструкций; СНиП 2.03.11-85 "Защита строительных консгрукцкт от коррозии" предусматривает лишь средства защиты железобетона в зависимости от вида и степени агрессивного воздействия.

Сегодня химия процессов коррозии бетона и стали » агрессивных средах изучена достаточно глубоко, существует несколько фундаментальных теорий описания этого процесса. Однако богатейший экспериментальный материал, характеризующий общие условия разрушения железобетона в различных агрессивных средах не обобщен и ие нашел применения в расчетах железобетонных конструкций. Деформирование и разрушение конструкции при воздействии агрессивных сред вызывается не только приложенными нагрузками,- но н сложными физико-химическими 'процессами, протекающими на поверхности и в объеме железобетонных элементов. Современная теория прочности и устойчивости железобетонных конструкций не получила развития в направлении расчетом конструкций, предназначенных для эксплуатации в химически агрессивных средах. Немногочисленные методики расчета железобетонных конструкции, работающих п агрессивных средах, имеют частный характер, не доведены до практического применения. Это подтверждает актуальность проблемы создания теории расчета железобетонных конструкций, подверженных коррозии, а также обобщения богатейшего экспериментального материала по коррозии бетона, стал» и железобетона.

Цели н задачи диссертации: .

Разработать теорию расчета стержневых железобетонных конструкций, подверженных коррозии в химически агрессивных средах.

На основе систематизации экспериментальных данных по механизму коррозии Склона (I стали разработать уравнения механического состояния корродирующего бетона при кратковременном и дшпелыюм действии нагрузки, а также теоретический подход для оценки развития коррозионных процессов арматур!.! в железобетонном элементе.

Разработать феноменологическую модель исследования наприженно-деформпрованного состояния (НДС) и устойчивости железобетонных элементов, подверженных коррозии.

Создать программы расчета для численной реализации математических моделей железобетонных элементов, подверженных коррозии, при кратковременном и длительном нагруженкях.

Провести натурные экспериментальные исследования влияния вре> мени воздействия промышленных агрессивных газовоздушных сред ш диаграммы деформирования при кратковременном сжатии тяжелы? бетонов.

Провести экспериментальные исследования прочности и устоичн вости железобетонных элементов, подверженных коррозии. ..

Разработать численно-аналитическим метод расчета статически не определимых железобетонных, рамных систем, подверженных коррозш создать программу для реализации метода расчета на ЭВМ и провеет численные исследования.

Построить на основе обобщения опытных данных многофакторны статистические модели расчета и прогнозирования глубины разрушени бетона и деформаций коррозионного расширения бетона в сульфатны средах.

Автор защищает.

теорию расчета железобетонных стержневых конструкций, подве жатых коррозии в химически <ирсшншых средах;

статистически обоснованные зависимости изменения прочное коррелирующего бетона во времени под воздействием агрессивных сре;

феноменологические соотношения, описывающие деформирован корродирующею бетна при кратковременном и длительном нагружения к-орсшческии подход к исследованию и оценке развития корроз армипры в желеюбегоином элементе;

нелинейные модели расчета стержневых железобетонных констр; нин, подверженных коррозии, в условиях кратковременного я длигельнс •пшруження;

Л

результаты экспериментально-теоретических исследований влияния промышленных газовоздушных сред на диаграммы сжатия тяжел'ослопов;

результаты экспериментальных исследований влияния жидких кис- ' лых сред на несущую способность сжатых и изгибаемых железобетонных конструкций;

практические рекомендации по оценке несущей способности железобетонных элементов, подверженных коррозии;

.методику расчета и исследования перераспределения усилий в стати-чески неопределимых рамных железобетонных конструкциях, подверженных коррозии;

программное обеспечение алгоритмов рассматриваемых задач; обобщение большого массива опытных данных с использованием корректных статистических процедур обработки.

Достоверность результатов обеспечивается использованием в исследовании общепринятых гипотез строительной механики и современной теории железобетона, данными экспериментальных исследований автора, а так;:;е сопоставительным анализом результатов расчета по предложенным теоретическим положениям с опытными данными экспериментальных исследований других ученых.

Практическое значение и реализация результатов работы.

• Разработанные в диссертации экспериментально-теоретические модели расчета железобетонных, конструкций предназначены для использования при оценке и прогнозировании работоспособности железобетонных конструкций на стадии проектирования и реконструкции зданий и сооружений предприятий с агрессивной промышленной средой. Полученные результаты внедрены при разработке проектов реконструкции зданий основных цехов ПО "Амурскбумпром" (Хабаровский край).

Апробации работы. Настоящая диссертационная работа проводилась автором в рамках научно-технической программы "Строительство" ГК РФ по высшему образованию, программы "Архитектура и строительство" по фундаментальным исследованиям в области архитектуры и строительных наук, а также по единому наряд-заказу работ, выполняемых СПбГАСУ в рамках базового финансирования ГК РФ по высшему образованию (головной Совет "Механика").

Материалы работы докладывались и получили одобрение на международных римпозиумах: "Механика строительных конструкций из ¡юных материалов и проблемы практического внедрения п произвола ьо" (Комсомольск-на-Амуре, 1993); "Реконструкция - Санкт-Псчербург 2005''

(С.-Петербург, международных конференциях: "Математика в вузе:

Альтернат ииные системы образования ч обучения" (Новгород, ¡994); "'Инженерные проблемы современного /кеяезобетона" (! ¡каково,5995). 50-й Международной конференции молодых ученых (С.-Петербург, 1996), на ежегодных научных конференциям профессорско-преподавательскош состава С! 101 'АСУ (1993-199/>).

Основные положения диссертации изложены в монографии и 18 научных стьях.

Структура к объем раГкны. Диссертация состоит из введения, семи глав, основных сыьодоп, списка испояьювашюи литературы и иягн приложений. Включает 212 страниц основного машинописного текст», 126 рисунков, 93 таблиц., бнблишрафто из 271 наименования к 56 страниц приложений.

Работ выполнена при научных консультациях Заслуженно! о деятеля . науки и техники РФ, доктора технических наук, профессора Р.С.Санжароиского, которому автор выражает глубокую признательность.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ' Глава I

состояние • ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

Мод шшчнием агрессивной среды н объеме железобетонного элемента существенно изменяется распределение напряжений и деформаций, что за-часчую приводи! к''снижении» его несущей способное!и и даже к разрушению. Для учета в расчетах воздействия агрессивных сред нужна информация об их влиянии на фшнко-меда ни четкие свойства бетона и С1 ильной арматуры и поведении корродирующих железобетонных элементов под па1 рузкой.

В эксперпмет-.шьно-теоретических исследованиях В.М. Москвина, С.Н.Алексеева, Н.П.Ахвердова, В.И.'Бабушшна/ И .А.Мещанского Ф.М.Пьаноиа, В.В.Кннда, А.П.Мннаса, А.Ф.Подака, Е.А.Гузеева, Г.С. Роя к, Я.Я.Ямбора и др. показано, что коррозия бетона - сложный комплекс химических процессов, в результате развития которых сущее» пенис изменяются его прочностные и деформапшиые свойства. Исследование типичных коррозионных процессов и стойкости цементных бетонов но зволнш объединить отдельные случаи коррозии в различных среда: но общим признакам & три основных вида коррозии бетона.

В работах С.Н.Алексеева, И К.Розенталь, A.M.Í¡остального, Л.Ю.Ссгкоцп, ) 1.С.Шибановой п др. показано, чго коррозия прштуры в беюне является частным случаем коррозии металлов. При этом постепенно у.иеныиается рабочее сечение нрм;иуры за счет перемола наружных слоев металла в продукты коррозии, занимающие больший обьем, чем прокорроднронанпый металл, и под давлением слоя продуктов коррозии о бетоне образуются трешины, В исследованиях A.M.Подвального, А.Л.Старосельского, И.М.Ершова, В. И. Ивановой,

A.А.Прокопошт отмечается наличие связи между толщиной слоя про-' дуктов коррозии и шириной раскршпя трещины а бетоне, но-' явившейся в результате коррозии арматуры.

Экспериментальным)! исследованиям.i IOЛ.Вольбер.а, А.С.Керр-копа. Г.В.Акимова, Г.В.Карпенко, Р.А.Зарпиова, Г.Г.Кошслева, И.Г.Овчлшткола и др. установлено, "по процесс коррозионного'износа стали (уменьшение рабочих? сечения элементов) в различных агрессивных федах развивается по времени но закону, близкому к экспоненциальному, влияние атргсснапоп среды отрицательно сказывается на лласшческих свойствах строительной стали. Единого мнения о степени влияния коррозионных поражений на прочностные характеристики сталей лег.

С.Н.Алексеевым, Г.П.Вербепхлм, В.И.Новгородским, Б.И.Ппнусом,

B.И.Куриловым и др. экспериментально доказано, что в конструкциях, работающих с трещинами в бетоне, коррозненшый процесс на арматурном стержне протекает ло законам коррозии открьной стали в со-ответегпующей среде п как незатухающий является опасным.

В немногочисленных экслерпмешалъно-теоретаческих исследованиях (Е.А.Гузеев, Н.В.Савнцкий, А.Л.Тьгпок, Ф.К.Рукумутаву, А.А.Мутнн, В.М.Бормсепко и др.) приводятся данные о характере н особенностях перераспределения усилий в стержлепых' железобетонных элсмеп iax при воздействии жидкой сульфатной среды и нагрузки; возникновение процесса коррозии арматуры рассматривается как отказ конструкции. Ис-. следования не доведены до практического применения.

Наиболее эффективными методами изучения НДС жслезобешнных элементов на всех стадиях и.х работы являются методы, основанные на использовании реальных диаграмм ^сформирования бетона и арматуры (И.М.Болдареико, Т.А.Генпси, Г.В.Ппмшш. Г.Е.Бельскпй, В.П.Мопжа-ловский, С Baumami, A.Habe!, , К.Э.Таль, 'Е.А.Чистяков,- В.П.Банков, Р.С.Сацжаровскнн. Н.П.Карпенко, В.Я.Бачннский, А.П.Бамбура и др.).

Воздействие агрессивной среды носит диффузионный характер, толщина слоя бетона с измененными физике механическими характеристиками (корродирующего) увеличивается во времени, чю позволяет рассматривать сечение железобетонного элемента, подверженного коррозии, состоящим ¡13 бетонов с разными физико-механическими свойствами. Экспериментальные исследования влияния агрессивных сред на диаграммы деформирования корродирующего бетона ограниченны. Однако экспериментальный материал об изменении прочности бетона в различных агрессивных средах можно использовать для установления аналитических зависимостей изменения прочности бетона (как одного из параметров диаграммы деформирования), в зависимости от времени воздействия конкретной агрессивной среды.

На сегодняшний день не существует достаточно обоснованной количественной оценки коррозии арматуры в бетоне как процесса, влияющего на работоспособность конструкции в целом. Имеются разрозненные опытные данные по исследованию отдельных этапов развития этого процесса. Исследование НДС бетона вокруг корродирующего арматурного стержня на базе теории упругости и пластичности позволяет разработать теоретический подход к учету развития коррозии арматуры в бетоне.

Железобетонный рамный каркас зданий и сооружений химических, предприятий, кроме действия эксплуатационных нагрузок, подвергается воздействию агрессивной производственной среды, что ощутимо изменяет НДС его элементов. Но в научной литературе отсутствуют опытные- данные и теоретические положения об особенностях работы железобетонных рамных систем, подверженных коррозии.

Все вышесказанное свидетельствует об 'актуальности разработки феноменологической теории, расчета железобетонных стержневых конструкций, подверженных коррозии, которая позволяла бы адекватне оценивать-и прогнозировать НДС и работоспособность конструкций < учетом коррозии бегона и стальной арматуры, а также длительность действия нагрузки.

Глава 2

ГИПОТЕЗЫ И ДОПУЩЕНИЯ ^ЕОРИИ РАСЧЕТА ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, ПОДВЕРЖЕННЫХ КОРРОЗИИ • В рабо>е принимается допущение о существовании границы, раз делающей бетоны здоровый и корродирующий бетоны. Гипотезы не линейной теории железобетона, характеризующие зависимости межд

напряжениями и деформациями бетона при кратковременном и длительном нагружениях, распространены па корродирующий бетон

Для описания диаграммы деформирования ксгрродирующего бетона при кратковременном нягруженнн построена зависимость, коэффициенты которой связаны с временем воздействия конкретной агрессивной среды (t):

abcr(t) = Acr(t)'eb+Bcr(T)-e^+Ccr(f)-Sb ; О.

АсгСО^Еь.агс? BwW -R-b,iirc-2 -Eb.arc'SbR.arc)/ SbR.arc '

3 1

Ccr(T) = (Eb,arc'EbR,arc~2 •Rb.arcVsbR.arc '

Основные параметры диаграммы сжатия корродирующего бетона определяются статистически обоснованными зависимостями:

прочность при коррозия в воде, растворах щелочи и кислот

Rb,arc = Rb-a-тЬ ! (2)

при коррозии в растворах сульфатных солей

Rb,arc=Rb a -expib % +с -х2)< О)

начальный модуль упругости

; ,4,

1.208 ■[Rb.arci'1) f +20

деформация, соответствующая максимальным напряжениям

8Ы1,агс(*)=еья = <10022. (5)

Для определения коэффициентов a, b ц с в уравнениях (2) и (3) в диссертации приведены таблицы для наиболее характерных жидких сред в эавз(снмости от их коиаешрашш. Практическая реализация уравнения (1) с параметрами (3)-(5) осуществлена с- использованием енытых данных И.В.Саницкого и А.АЛытюка.

Влияние шрессивной среды на деформации ползучести корродирующего бетона учитывается зависимостями, построенными и обоснованными авюром. Характеристика линейной ползучести

ф -ц ф -ti-iA/K-b-t)] , (6)

, rt,arc 'arc /v "

где J]arc - гозффнциент влияния ai решшной среды,

Пагс = а + Ь-К ; (7)

a, b - параметры; К - концентрация среды.

• 7

Для сульфатной коррозии на основе теоретической обработки опытов А.И.Мальганова

Лаге = 1.647+ 0.372К, (8)

где К - концентрация сульфат-ионов, г/л.

Нелинейная ползучесть корродирующего бетона учитывается нелинейной функцией, напряжений

Даи (1,г)]=<г (1,тИ1 + п '.(^Гп. Р) у 1 Ь.агс ' п Ь,агс ' 1 'п.агс х 11Ь,агс(т)

где шп,агс = 5+0,07• 11Ь,ггс(т); Т1 (10)

п'аг~ ЯЬ.агф)

кс - коэффициент учета влияния среды на нелинейную ползучесть.

При описании деформаций ползучести корродирующего бетона используется уравнение нелинейной теории старения И.И.Улицкого с учегом (2) и (3), (4), (6), (8)-(10)

е (1т)^агс(!'? + а,т)х ■

Ь.апг ' ЕЬ,агс(т) Ео Ь'агс

п+п ■(дЬ,»гс(1Д)) п.агстф (11)

1 'а.агс 1 Щ>,агс(т) ' * ф1,агс и "

Продвижение во времени границы, между корродирующим и здоро вым бетоном поперечного сечения железобетонного элемента характера зуезся глубиной нейтрализации бетона .

Цт)=Кь-тт, . (12)

где Кь, т - коэффициенты агрессивности конкретной среды к опредо ленному классу бетона. " '

В работе показано, что модель (12) адекватно характеризует га; бнну нейтрализации бетона по экспериментальным данным для разли1 ных пиоюоздушных и жидких шресснишлх сред (опыты Л.А.Ванд; ловскон, А.Ф.Гк/лак, 'З.Г.Абоймопоч, В.М.Кравцова, С.Н.Алексеев Н.А.Шашкннон и Е.А.Пушниной). Рассчитаны параметры Кь и т м< дели глубины нейтрализации бетона разных классов по прочности в ра творах серной и соляной кислот различных концентраций.

Как только глубина мейфгшшшш бе! он а, а в вместе с ней агрессивные ионы' достигнут стальной арматуры, на поверхнос стержня начинайся развитие коррозионного процесса. Процесс корр

зии стальной арматуры в бетоне .характеризуется толщиной слоя продуктов коррозии, образующихся за определенный срок:

6(т-т<,)=5к('с-то)+Да(х-то), ' (13)

где 5к(т-То) - коррозионные потери диаметра стержня; Д(3(т-То) - увеличение диаметра сгержия за счет продуктов коррозии стали; Т0 - время потери бетоном защитных свойств по отношению к арматуре.

Закон коррозионных потерь диаметра стержня в бетоне описывается уравнением Л.Я.Цикермана:

8 -Гт—т 1 '

где Т, ёо - константы среды.

Уравнение (14) дает хорошие результаты при аппроксимации экспериментальных данных, полученных при исследовании коррозии арматуры в плотном бетоне (опыты С.Н.Алексеева, Н.А.Шашхиной я Е.А.Пучининой), в бетоне с силовыми трещинами, а также открытого арматурного стержня (оньпы Г.П.Зербецкого, В.И.Новгородского),

Продукты коррозии ста™ занимают объем в 1,5...2 раза больший, чем его коррозионные потери, поэтому увеличение диаметра стального стержня за счет продуктов коррозии принимается в виде зависимости

• • а ^-[т-тЛ

. 0 к к [Т+(т—т0>] к

В диссертации на основе допущений теории упругости и пластичности исследовано НДС бетона вокруг корродирующего арматурного стержня. Решение получено как для задачи об упруго-пластическом равновесии под действием внутреннего давления цил; ндра с использованием критериев пластичности Р.Мнзеса и Г.А.Га.^.па. Для апробации решения использованы опытные данные И.М.Пришил и В.И.Ивановой, а также А.Л.Прокоповнча. Предложены таблицы для определения приращений диаметра корродирующей арматуры в момент появления коррозирмион трещппы Л1сг1, а также при выходе трещины на поверхность бетона Дс1сг2, в зависимости от класса бетона (В) и толщины защитного слоя. Учет диаметра арматуры осуществляется поправочными -коэффициентам:! у<1) и у<,12.

Глава 3

МОДЕЛИ РАСЧЕТА СТЕРЖППВЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ■ КОНСТРУКЦИЙ, ПОД0БРЖЕ1ШЫХ КОРРОЗИИ

В ii«, '..чией главе описываются построение и решение матеыати- . ческой mojumh НДС впецептрепно-сжатых и изгибаемых железобетонных элементов, подверженных коррозии, при кратковременном и длительном иагружеишк. Построение модели осуществляется на основе подхода нелинейной теории железобетона, разработанного Р.С.Саижаровским и апробированного при решении различных задач устойчивости сжаю-. изогнутых железобетонных стержней. При решении используются следующие физические и теоретические предпосылки.

Считается справедливой гипотеза плоских сечений. Изогнутая ось стержневого элемента с шарннрно-опертым» концами аппроксимируется синусоидой. Для определения кривизны используется приближенное выражение. Влияние агрессивной среды на бетон рассматривается как фактор, изменяющий во времени его деформативно-прочностные свойства. Количественной характеристикой процесса коррозии бетона является глубина нейтрализации бетона (12). В случае кратковременного нагружения зависимость между напряжениями и деформациями доя любого волокна здорового бетона аппроксимируется полиномом третьей степени, для корродирующего бетона - уравнением (I), Для описания процесса работы здорового бетон« при длительном пагруженни принимается нелинейное уравнение теории старения И.И.Улнцкого, для корродирующего бетона-(13). Количественная характеристика коррозии арматуры - коррозионные потерн Диаметра стержня (14). Физико-механические характернанки стальной арматуры под влиянием агрессивной среды не изменяются. Для описания закона деформировании арма туры с физическим пределом текучести принимается кусочно-линейная зависимость.

Рассмачрипиется срединное наиболее натруженное сечение железобетонного элемента в виде совокупности п учаечкои, параллельных продольной оси. Использование гипотезы плоских сечений позволяет выразить деформации бетона на границах у—стков п деформации арматуры через краевые дефоршц/i" бетона. НДС железобетонного элемент ири любом уровне янтружения определяется с использованием условий , равновесия, составленных доя срединного ".ечения внеценгреино-сжатоге или изгибаемого элемент Главный вектор и главный момент в уравнениях равновесия записываются в соответствии с коикрешой схемой распределения напряжений и деформаций й сечешш корродирующее элемента, Различие схем определяется наличием и шириной раскрыт»)

силовых трещин, фронтальностью проникания . агрессивной среды, глубиной нейтрализации бетона, появлением коррозионных процессов на арматуре (рис.1), а также наличием коррозионные трещин.

а г. с.

? ъ

¡1' :

1'<Уг -ъ)

шшшщ

Рис.1. Расчетная схема корродирующего стержня

Начало развития коррозии арматуры характеризуется условием

Цт)=Кь-тт > (а-сЗ11), (16)

условие зарождения коррозионной трещины в бетоне

(17)

Дс1(т-т0) > У л • Лс1сг1 ,

условие выхода коррозионной .трещины на крайнюю фибру бетона

•Мс

4/т

т0) > У -Д<1сг2,

где

(¡8) (19)

_ (а-<!/2)

Изменение рабочей площади сечения корродирующей арматуры учитывается зависимостью

А (тЛ,т) = я-[с!/2-5 (т~т ^¿О^-А . (20)

5,СТ 0 1 X 0 5 '

Уравнения равновесия для виеиентренно-сжатого железобетонного стержня в условиях длительного действия нагрузки (рис.2,а) и всестороннего проникания агрессивной среды по закону (12) имеют вид .

Рвн(1гт) = Р(1]) ;

Мвн(11,т) = РС1;.[е+/01,т)1

/2 ' где = ,т)-£п(1 ,т)]; /0 - расчетная длина;

л Ь 1

(21)

А; —РЛ

<1 f—i . л. ^ V ь,

С?" к

P(t<)

ег.с

мим* Ж -I"

toil in inn .

ВГЛ ■■■, . . . .

Рис.2. Этапы, работы сечении элемента при длительном действии .. •• нагрузки и агрессивной среды:

.а - нагружение до заданного уровня; б - коррозия бетона; в - коррозия бетона и арматуры; г-развитие коррозионных трещин

12

1'е"а„т) = Рв" а„т) + 2 РШ,(1„Т) + Рвп(1,,т);-г оси 1 сг 1 8 1

М

1 ОСИ Г СГ 4 Г 8 1 '

Исследование НДС элемента начинается с рассмотрения схемы на рис.2,б , когда влияние агрессивной среды проявляется в изменении физико-механических свойств бетона по периметру сечения элемент? на глубину нейтрализации. Слагаемые право/! част» формул (23) опреде-лягатся из соотношения эпюр напряжений н деформаций (пусть п=4):

Рп" а т Ь (Ь-2-Ь) г 1 (Ь-2-Х) оси I I —-2------1осг1 + о'сг1] +-8--

+2 (Ь - 2- и• а2 + Ь • (2-ст3 + 04)] + .8!

(Ь-4-Ь)о' + 1

+3-

Е1~85

М

вн

осн

* V V = • ь -4 • Ь)ст'сг 1 И - 2- Ь)осг,] 4-

2 3 4 УО . 4 £(-£5 Е1_Б5

(24)

сг1т¥ 8

Ост 1 ^ 2' (<Усг2 + СТс, СТСГ4' О ь

Е1 + 3'е5

МстЧ,1Л1)=1%,: [>СТсП+б Осг2 + 2'Осг4

и

61-85 2-6|-(С| + 3-£|)

(срез)2

Мв"

8

(25)

(26)

Закон движения инецеигрснно-сжанмо стержня при дшпельном действии I нрузкн н среды с учеюм пришлых допущений на этом этане описывается системой дифференциальных уравнений

1 5 ' ^гоа. 1 от^ «I «о

» 5 м- ! ы29сг. I да1 ^¿Чо "7

РШЬ ... 1е1~е;1.

^ •¿1+131-е5=^'отЛо-11-ф(

Я

2-/1

¡=2...4; '

(27)

Шсг

Ь ¡=гл.

■ Система (27) описывает движение стержня до того момента времени. пока не выполняется условие (16). Когда бетон потеряет защитные свойства по отношению к арматуре, в выражениях (23) необходимо учитывать уменьшение рабочего сечения начавшей корродировать арматуры (рис.2,в):

рви и т Ь'(Ь 2 Ь) оси' 1' 2 2 -

О +СГ' + СТ' , сг1 • сг( сг5

■х[о;+2.(о2+01+а4)+в'5];_ в----сг51- —

PBH(t ,т )=cr'-A' -a -A ;

s i 2 s s,ci s s,cr

Mr(vv^;-A;)cr{T-a')^s-As>cr{T-a} ■ <30)

Система движения длительно нагруженного стержня с корродирующей арматурой принимает вид

5Рш ар»".A ,<5Рвн.Л , у дГ^, + ;

дпО!1 ЯПВН 4 ?Г)ВН

+М—.а' .+-Й—ff' - + 'I О ■ =0;

ca , «1 да' , с" ~\ссг . C'J

cri Cr5 J-' . ci}

agis i+êMlH-è 5+^Çl.â;+ г

сЦ 1 . ce5 5 Sa, ¡_2 caj 1 cc5 5

, гмв" -,. , амЕН -, , f эмвн A _r.. . fc'èi+b^êj'^-â's+^o'sHt;

él='àcrl+crcri 'Фсг +V ■

f JZçrL Tlcr> UberWj '

j = 2L„4. • (31)

Как только перестает выполняться условие (18), т.е., когда коррозионная трещина вышла поверхность бетона (рис.2,г), слагаемые правой части (23) приобретают вид

C<VV=CA9= ' 1321

MD11(t„Tj=i-(h~4-h' )-[<TV(5'l»-»-h' )-t-4-c (h-h' )]h cr4 Г 3 96 4 cr L cri or cr2 v cr

+ 43 cr2 cr4 96 cr4 ei-cs 1 e|_e5 J> 1 '

где h;f(t0,r)=a'+d/2+Ad(T-r0);

P-(Vr3)=P-(t1,T2); M;«(t1,t3) = M«4tlfT2), (34)

Система уравнений движения стержня на этом временном этане будет иметь вид

ôfij 1 5£5 5 Sa; 1 ¡r23a. i ôa'5 5 ^ cri

4.5Pb" л' 3рШ « +дрШ h» ±dpM A» -n. + -——-cr , +-. L, —--0 .+-r—;—cr . —-—о , — U;

CCS' . cr5 i~T| CG . crJ de", crl ô<y", crS cO I 1 cij cr I cr5

de. 1 cfc. 5 6a 1 ¡-г бет. 1 Sa', 5 dar' , c>' I 5 1 1 1 i 5 cri

x y 5МВИ • : эмвн • „ амвн •„ ^ m-il f. ; ■,.

ЦТ, ^T^Wicrcs1'

fc • ci + ' ¿5 = " à's + ' Ла'5ЗФ i (35)

Ьсг '

Ьсг и V ^Ьсп V

Г осг1

кьсг(т);

^ • \тсг Сед

I1 Ь—11 , (!) ( ДПТСГ

Решение систем дифференциальных уравнений: сначала (27), (31), затем (35) осуществляется методом РунГе-Кутта на ЭВМ. Процесс разрушения стержня моделируется с использованием критерия устойчивости Р.С.Сапжаровского в виде равенства вариаций внешних и внутренних моменюв.

• При кратковременном натружении железобетонного стержня, под- . яерженного воздействию агрессивной среды в течение времени Т, для исследования НДС задается произвольный закон возрастания нагрузки, и уравнения равновесия дифференцируются по параметру нагружеиня I. Система уравнений, описывающих движение стержня при кратковременном сжатии, имеет вид

дршЧт) . , арви(т) • _ар

6,+ _ -г = -, дг. 1 ¿Зе п 1 а

5г, 1 дс . п & <И

1 п

СТ^ , 0С С".^ СС1

оРш,(т) = сР&'„(т) + 2. 6Р + 5Р?и(т).

Въ Зг дь ос.

11 п 11 а

17

(36).

амви(т) _ эм'^нСО 12,ш'сТО | эмГ'(т). ■

' • 5Мвн(т) = 5М^м(т) , , ам^'Чт), (37)

- ' <5е се се Зе

п п пи

ск и' Л гсг.ь 1 11

где а - коэффициент приращения нагрузки.

Система дифференциальных уравнений (36) решается мегодох Рунге-Кутта на ЭВМ. Процесс разрушения стержня моделируется ( использованием критерия устойчивости Р.С.Санжаровского и условтн прочности по ограничению величины предельных деформации крайней сжатого волокна здорового бетона и растянутой арматуры.

Разработанные в диссертации феноменологические модели расчел позволяют учитывать сложный характер перераспределения усилий в сече нии корродирующего железобетонного стержня, .влияние длительности действия агрессивной среды и нагрузки на бетон, уменьшение рабочей сечения корродирующей арматуры, появление и развитие силовых и кор розношгых трещин. Используемые критерии прочности и устойчивости по зволяют адекватно оценить предельную несущую способность сжатых : изгибаемых элементов, подверженных коррозии, при кратковременном ; длительном нагружениях.

Глава 4

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ БЕТОННЫХ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, ПОДВЕРЖЕННЫХ КОРРОЗИИ

С целыо получения данных об изменении физико-механически свойств тяжелого бетона в условиях воздействия агрессивной газовоздуи нон среды, а также данных о глубине нейтрализации бетона кислыми газ; мн проведены длительные натурные исследования. Физнко-мехаииче кие характеристики бетона определялись на призмах размером ЮхЮх^ см и кубах с размером ребра 10 см из бетонов четырех классов (В1 В25, В35, В50) после хранения их в агрессивной среде производи вен нь цехов целлюлозно-кыртонного комбината (ЦКК). Примы предназнач лнсъ для получения диаграммы напряжения-деформации при кратковр меипом сжатии в соответствии с методикой ГОСТ 24452-80, кубы - д! определения кубнковой прочности. Характер изменения защитных свойс

бетона под действием агрессивных газов определялся по глубине нейтрализации бетона путем обработки сколов образцов (кубов и призм) 1%-ным раствором фенолфталеина.

После испытания контрольных образцов в возрасте .28 сут остальные образцы были вывезены в г.Амурск Хабаровского края на ЦКК. Половина образцов была размешена в отбельном цехе (вблизи башни 1-й ступени хлорирования); вторая - в кислотно-варочном цехе (вблизи конвейера загрузки серы). По истечении б, 12, 18, 24 и 30 месяцев проводились механические испытания образцов."

Проведенные исследования позволили выявить закономерности изменения основных параметров диаграммы сжатия тяжелого бетона в зависимости от времени действия производственной газовоздушной агрессивной ср ды двух типов (рис.3, 4). На основе полученных данных о глубине нейтрализации бетона исследуемыми газами, подтверждающих диффузионный характер проникания газов в бетон, рассчитаны коэффициенты для подели глубины нейтрализации бетона (12). Все полученные опытные данные и построенные па их основе математические зависимости являются основой инженерного метода оценки и прогнозирования работоспособности железобетонных конструкций, экс. .плуатирующихся в исследованных промышленных средах:

С целью прогнозирования работоспособности сжатых и изгибаемых железобетонных элементов, подверженных коррозии в кислых жидких средах, автором проведены экспериментальные исследования в лабораторных условиях. Основной задачей исследований являлось получение данных-/ ..о влиянии времени воздействия кислых агрессивных сред на НДС внецеи-тренно-сжатых и изгибаемых железобетонных элементов и получение опытных разрушающих нагрузок /утя апробации разработанных в гл. 3 физически нелинейных моделей расчета железобетонных элементов, подверг женных коррозии.

Геометрические размеры образцов 6x12x100 см, бетон с прйзмен» ной прочностью ЯЬ=3",74 МПа и модулем упругости ЕЬ=35920 МПа», армирование 2 08 А-Ш (1*8=355 МПа, Яи=753 МПа, Ев=200000 МПа)>. Рабочие агрессивные среды: 1%-ный раствор соляной кислоты с рН=0.56 ж концентрацией ионов хлора 10,09 г1п; 1%-ный раствор серной кислоты с рН=0.7 и с содержанием сульфат-ионов 9.82 г/л. Ие:ледовалось всестороннее воздействие среды на образцы, со стороны сжатой и растянутой' зон сечения, а также только на сжатую часть сечения. Железобетонные элементы испытывались на внецентреиное сжатие (при эксцентриситете 4,5 и 7 см) н изгиб. Испытания проводились в возрасте 28 сут

К)

о

Кагс/К; К.Ь,агсЖъ а 1.8

1.4

1.0 0.6 0.2

1.« 1.4 1.0 0.6 0.2

еьК.агс/0.0022

30 Т, мес

1.41.00.60.2-

+ 8ьКлгс/0'0022=Ь036-Т \ *

Ч *

\ *

с -------- ' ^ +20%

с4 ^.....5„-.....¡5-......

о 6 Ьд. см

•.................Я_____4.......

-20%*

12

.18 24 30 Т,мес

30 ' Т,М£С

Рио.З. Изменение а промсредс, седаржащзй газообсазный хлор: а-прочности бетона; 6-начального модуля упругости; в - деформаций, соответствующих-максимальным напряжениям; г-глубины нейтрализации бетона

К-агс/К-* К-Ь.агс/К-Ь

1.8- \

1.4- « \ \ \ \

1.0

0.6-

0.2-

Яь,агс/Яь=1.664-Т

-20%

12 -18 24. 30 Т,мес

. -20%

Еьк,агс/0.0022

1.4-

1.0

0.6 0.2

0 6 Ьэог, см

.12 18 24 30 Т,мес

Г 1.4

1.0

0.6

0.2

■

---

1В50

да

24 30 Т, мес

менение в промсред : б - начального мод> максимальным напряжениям; г-глубины нейтрализации бетона

12 18 24 30 "С.мес

Рис.4. Изменение в промсреде, содержащей сеонистый ангидрид: • а-прочности бетона: б-начального модуля упругости; в - деформаций, соответствующих

нормального твердения, затем после 180, 360, 540 п 7/0. сут хранения в растворах кислот. ^

Результаты испытаний приведены в диссертации в виде • графиков и таблиц. Выявлено, что для внецентренно-сжатых элементов при одинаковом времени воздействия среды процент снижения несущем способ-кости зависит от величины эксцентриситета приложения нагрузки. По истечение 24 месяцев коррозионных испытаний железобетонных образцов в исследуемых кислых средах коррозии арматуры не наблюдалось.

Одновременно с бетонными и железобетонными образцами в лабораторных условиях исследовалось влияние тех же сред на коррозионный износ и механические свойства Ъз крытой арматурной стали. На основании полученных результатов и разработанных в гл.2 теоретических псожеяий построены математические модели (рис.5, 6), являющиеся основой инженерного метода оценки и прогнозирования несущей способности железобетонных конструкций, эксплуатирующихся в исследованных средах.

Глава 5

ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ МОДЕЛЕЙ РАСЧЕТА ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, ПОДВЕРЖЕННЫХ КОРРОЗИИ

С целью апробации разработанных в гл.З,: нелинешпх моделей расчета составлен комплекс программ дня ППЭВМ. Обработаны опытные данные автора, результаты экспериментов Е.А.Гузеева и А.А.Тытюка, полученные при испытании железобетонных балок, подверженных коррозии в сульфатных раегдорах с последующим кратковременным нагружашем, а также данные опытов Е.А.Гузеева и А.А.Мутина с внецентреино-статыми стойками, подверженными сульфатной коррозии при длительном иагружении. Во всех случаях разработанные модели расчета железобетонных элементов, подверженных коррозии, позволили точно смоделировать поведение корродирующих конструкций в процессе кратковременного и длительного нагружений.

На основе численных экспериментов по составленным программам проанализировано влияние действия жидких и газовоздушных агрессивных сред на предельную несущую способность внецентренно-сжатых железобетонных стержней при кратковременном и длительном действии шт рузкл с использованием результатов натурных и лабораторных эксперименте*. По результатам численных экспериментов предложена практическая методик;' оценки несущей способности железобетон.

Rarc/R: Rb.arc/Rb

va Rb.arc/Rb=l,230-T

к* ^ .

у >----«•.......

-o,os»

+20%

ЧГ"

0 120 240 360 480 600. " 720 T, Cjrr Eb.arc/Eb

0.S

по уравнению (4) A.

Eb,arq/Eb=exp(-0,013+0,2410 T)

Lcl, cm

2 -

1 -

La =0,099-X

La=0,033-T

0 ISO 360 540 720 X, CJT Or, mm

0.8 -

0.6 ■ 0.4 0.2

0 !20 240 360 480 600 720 X, сут

0 ISO 360 540 720 900 T, сут

«

Рис.5. Изменение в 1%-ном растворе соляной кислоты: а-прочности бетона; б-начального модуля упругости; в-глубины нейтрализации; г-толщины* коррозионных ' потерь арматурного стержня; - опытные данные автора

Нагс/Я; Rb.orG/Rb

1.5

1.0 •

0.5-

Г -0.223

Кь.агс/Кь=2,458-Х

ду

А 1 ....... «, +20% .....*.............

-20%

120 240 360 -»30 600 720 X, сут ЕЬ,агс/ЕЬ

ы

по уравнению (4)

0.5 •

з

НЬ,агс/ Еь=ехр(-0,013+0,0310 Т)

О 120 240 360 480 600 720 Т, сут

В

1^504, см

• 0.8 0.60.40.2

О 180 360 540 720 900 .Т, сут

Рис.6. Изменение в 1%-нсм растворе серной кислоты: а-прочности бетона: б-начального модуля упругости; в-глубины нейтрализации; --толщины коррозионных потерь арматурного стержня; & - опытные данные автора

ных стоек, подверженных коррозии, основанная на использовании коэффициентов продольного изгиба и длительного сопротивления.

Проверка несущей способности внецентренно-сжатых элементов, подверженных воздействию агрессивной среды, при кратковременном нагружешш производится по формуле

Nn^cNM-Ared-Rb ' -<38)

где Nn - продольная сила; Ared - приведенная площадь сечения элемента; Rb - расчетное сопротивление бетона; фвн - коэффициент продольного изгиба; ф™ - коэффициент влияния конкретной агрессивной среды при продольном изгибе.

Проверка несущей способности стержня в условиях длительно действующей нагрузки •

. Nn<ma-mM4pB1I-Àred-Rb,' (39)

где шДл - коэффициент длительного сопротивления; mix - коэффициент влияния конкретной агрессивной среды при длительном сопротивлении.

В диссертации приведена таблица единых обобщенных коэффициентов продольного изгиба <рвн в зависимости от приведенного эксцентриситета: '

_ _ g'Arcd -,

red ~ Wred.

и условной гибкости: • .

• у' _Jq_ /Rb-

• •„,•; rcd~rred VEb'

где rred = Vlred/ Ared .;

Wred, Ired - приведенный момент сопротивления и момент инерции сечения; е - эксцентриситет приложения силы; /д - расчетная Длина.

Учет класса бетона по прочности н процента армирования железобетонного стержня осуществляется с помощью поправочных коэффициентов (я nfim. 3 приведены таблицы коэффициента фвНдля разных классов бетона, а также обобщенных коэффициентов q>wt', построенных на основе методики СНиП 2.03.01-84). Коэффициент длительного _ сопротивления гпдл рассчитан в зависимости от приведенного эксцентри ситета и процента армирования р=0,5...30/.

Построены таблицы коэффициентов влияний агрессивной среды при продольном изгибе ф®" п длительном сопротивлении /Мдл для оценки работоспособности сжатых железобетонных элементов, подвер-

25

женных коррозии в жидких сульфатных и хлорсодержащих средах. Характер влияния агрессивных сред на коэффициенты <рвн и тда виден из сопоставления кривых на рис.7 и из данных табл.1. Коэффициенгы рассчитывались. для элемента с сечением 30x30 см из бетона D25. и р=2%, толщина защитного слоя 3 см. Влияние агрессивных сред на железобетон учитывалось феноменологическими зависимостями, подученными в гл.4 (см, рис.5,6).

Рис.?. Г рафики коэффициентов продольного изгиба при полной нейтрализации защитного слоя батоне в растворах соляной кислоты

Для железобетонных колонн (из бетонов В15...В50), подверженных коррозии в газовоздушных промышленных средах,. в диссертации приведены таблицы коэффициента влияния агрессивной среды при продольном изгибе ср®" в функции от приведенного "хсцентрнсптега при условии полной нейтрализации защитного слоя бетона. Размеры поперечного сечения колонн принимались 40x40 см, ц=2%, толнгчи защитного Слоя бетона 4 см. В расчетах использовали зависимости, приведенные на рис.3, 4. Влияние пр.омереды, содержащей газообразный хлор, на несущую способности сжатых железобетонных элементов из бетонг Класса В25 показано на рнс.8. .

Таблица 1

Коэффициенты длительного сопротивления гпдл в инертной и

жидкой среде с содержанием сульфат-ионов 9.82 г/л

\ ш„1 0.1 0.25 0.5 0.75 1.0 1.25 1.5 1.75 2.0

3.0 0.970 0.943 0.902 0.875 0.835 0.826 0.871 0.859 0.885 0.872 0.887 0.878 0.885 0.876 0.880 0.872 0,878 0.871

2.0 0.829 0.811 0.777 Э.757 0.767 0.721 0.826 0.795 0.857 0.841 0.869 0.859 0,868 0.856 0.860 0.845 0,854 0.830

1.5 0.845 0.825 0.797 0.775 0.731 0.707 0.753 0.706 0.797 0.772 0.820 0.798 0.831 0.8 П 0.839 0.822 ■ 0.84-4 0.829

1.0 0.871 0.849 0.818 0.795 0.746 0.716 0.708 0.639 0.748 0.720 0.772 0.751 0.785 0.764 0.797 0.779 0.812 0.800

0.5 0.899 0.873 0.946 0.820 0.767 0.734 0,639 0.561 0.626 0.543 0.667 0,635 0.708 0.687 0.733 0.7 И 0.748 0.740

Примечание: над чертой - для инертной среды; под чертой - дня агрессивной среды. ■ •

Рис.8. Графики коэффициентов продольного изгиба

Полученные автором в ходе численных зкспериж тое коэффициенты влияния агрессивной среды при продольном изгибе и длительном сопротивлении не имеют аналогов. Практическая реализация инженерного метода в диссертации показана на примерах.

Глава 6

РАСЧЕТ СТАТИЧЕСКИ НЕОПРЕДЕЛИМЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ РАМНЫХ КОНСТРУКЦИЙ, ПОДВЕРЖЕННЫХ КОРРОЗИИ

Разработана методика расчета железобетонных рам, подверженных коррозии, с учетом физической и геометрической нелинейности. Методика основана на методе эквивалентных модулей деформаций Р.С.Санжаровского и построенных в гл.З диссертации феноменологических моделях расчета железобетонных элементов, подверженных коррозии. Расчет предусматривает итерационный процесс определения усилий во всех рассматриваемых сечениях элементов конструкции. В нулевой итерации рама рассматривается как упругая система с постоянными жеспсостями на изгиб по длине элементов, разбитых на участки:

El^Eb-líed, .

где Еь - начальный модуль упругости бетона; Ired - приведенный мо. мент инерции сечения i-ro участка.

Число участков зависит от характера воздействия aipeccimnoií среды, силовых факторов и требуемой точности расчета. Из -упругого расчета статически неопределимо.1 рамы с элементами постоянной жесткости стандартными методами строительной механики определяются внутренние усилия в каждом участке элемента. Затем каждому упругому участку сопоставляется эквивалентный участок, НДС которого определяется из решения системы дифференциальных уравнений, описывающей закон движения корродирующего стержня при кратковременной или длительном нагружении (гл.З). В каждой последующей итерации по внутренним усилиям и изгибающим моментам, полученным из предыдущей итерации, корректируются значения изгибных жесткостей. Изменение жесткостей на каждом этапе расчета учитывается с помощью эквивалентных модулей деформаций:

pi _Мг Ired'hj Eeq,cr i i

i £|_£n где Ecq cr - эквивалентный модуль деформации i-ro участка корроди

рующего элемента; е}, gjj - крайние фибровые деформации в í-м сече

hiiii; hi - высота i-ro сечения; -расчетное значение момагга i

середине i-ro участка. .

Для анализа устойчивости элементов рамы используется крптери: устойчивости Р.С.Санжаровского. Условию потери несущей способно* ти всей системы соответствует расходимость вычислительного процесс;

Для численной реализации разработанной методики составлена программа длл ЕС ЭВМ. Программа позволяет рассчитывать железобетонные рамные конструкции при работе в инертной среде, агрессивной среде и при выборочном влиянии среды на отдельные элементы рамы. Для раскрытия статической неопределимости рамы используется метод дискретных моделей А.А.Чираса. Ввиду отсутствия в мировой практике экспериментальных исследований статически неопределимых железобетонных рам, подверженных коррозии, реализация методики расчета осуществлялась на известных. данных, полученных при испытании железобетонных рам в инертной среде, с моделирование.) работы опытной рамы в агрессивной среде (при полной нейтрализации защитного слоя бетона). По полученным теоретическим результатам анализировался характер влияния агрессивной среды на перераспределение усилий в статически неопределимой железобетонной раме, подверженной коррозии. Численной обработке подлежали экспериментальные данные, полученные при испытании статически неопределимых железобетонных рам сотрудниками лаборатории теории железобетона НИЙЖБ. Рассматривались рамные си. стемы различной конфигурации при сложных, в том числе непропорциональных, режимах нагружения. При ' моделировании коррозионных процессов принималась жидкая агрессивная среда, содержащая ионы хлора в количестве Юг/л, при ограничении ее воздействия временем, необходимым для нейтрализации защитного слоя бетона.

В ходе численных экспериментов влияние процессов коррозии (в такой постановке) на характер перераспределения усилий. в рамах, подверженных воздействию агрессивной среды, проявилось главным образом в увеличении перемещений всех элементов рам (рис.9). Горизонтальна" реакция рам в результате коррозии бетона уменьшается (до 10%), а вертикальная реакция практически не изменяется.

Эквивалентный модуль деформации впервые использован для расчета статически неопределимых рам "ри моделировании коррозионных процессов. Это позволяет оолее обоснованно подходит? к оценке деформативностн железобетонных рамных снсгех, подверженных коррозии, а также учитывать характер перераспределения усилий на каждом этапе нагружения конструкции.

№ этапа .»агружения

г ¡61

14

12

10

8-1 6

А -'2 -О

-|Р,еИ «г» 1.КН

тг

т.г т

4*2 и,г т 5

<56,2 <5,0

Л 5

61.1 да.о

СП ем 7.5

61? -

—

и.ъ -

ыя

гъ.о -

<г.ч —

Л

мм

Рис.9. Изменение перемещений сечений стоек П-о^ разных рам (РП-1 - а и РП-4 - б) при разных режимах нагружения: 1-опыты С.М.Крылова, Л.Н.Зайцева, Ю.Р.Юсупова; трория (2-инертн среда; 3 - ко| изия стоек рамы; 4 - коррозия всех элементов рамы

Глава 1

МРОГОФАКТОРНЫЕ МОДЕЛИ РАСЧЕТа П ПРОГНОЗИРОВАНИЯ НЕКОТОРЫХ СВОЙСТВ ЦЕМЕНТНЫХ ЫУГОНОИ В УСЛОВИЯХ СУЛЬФАТНОЙ КОРРОЗИИ На основе анализа экспериментальных результатов отечественных н зарубежных ученых за последние 50-60 лет методами многофакгор-ной математической статистики построены модели прогнозирования глубины разру шепия и свободных деформаций коррозионного расширения цементных бетонов в сульфатных средах. Построенные модели прогнозирования прочности при сжатии корродирующего бетона в сульфатных средах приведены автором п работе [8].

Построение моделей осущес! влялось в два этапа - на первом строилась статическая модель, при определении коэффициентов которой фактор времени не принимается в расчет. Для исходной статической модели в виде линейного полинома, было отобрано 22 фактора, 11 из которых характеризовали хнмнко-минералогичешш состав и активность цемента, 4 - состав цементно-несчаной смеси, свойства заполнителя и масштабный фактор, 4 - условия изготовления и хранения образцов перед началом испытаний н 3 - условия коррозионных испытаний. Трудности анализа, обусловленные большим количеством факторов, были разрешены с помощью кластерного анализа, позволившего сгруппировать сильно коррелированные, факторы, что сократило число факторов до 15. Анализ регрессионного уравнения, включающего 15 факторов, базировался на методе' исключения. Оценка значимости коэффициентов модели осуществлялась по ^критерию Стьюдента при уровне значимости 0,05. По мере отсева несущественно влияющих факторов на каждом этапе производился пересчет коэффициентов модели и Определялись ее статистические характеристики. Адекватность модели оценивалась по Р-критерию Фишера для 5%-ного уровня значимости. Теснота связи между характеристикой коррозии и отобранными факторами оценивалась коэффициентами множественной корреляции и детерминации.

Первый этап заканчивался построением ряда статических моделей, для которых матрицы исходных данных соответствовали времени воздействия агрессивной среды на бетонные образцы 1=1,2, 3, б, 9 к 12- мес при наборе факторов, установленных в результате анализа исходной матрицы при 1-6мес.

На втором этапе исследовалась тенденция изменения во времени коэффициентов статических моделей, рассматриваемых как временные

ряды. Для выявления тенденции изменении во времени рядов проводилась спшжиапиие методом шимспшшх квадратов, с выбором аппроксимирующей функции по величине средней квццратнческон ошибки. На основе порученных временных рядов ароидны, линейная мхо-гоф-зкторлая динамическая модель. Прогноз коэффициентов временных рядов осуществлялся методом экспоненциального сглаживания.

На основе выборки от,иных данных, полученных отдельными исследователями по методу ГОСТ <57980-69, включающей в обшей сложности 1300 опытов, построена модель прогнозирования глубины разрушения бетона сульфатной коррозией:

и-(О.Ш+0.134-1)+(-1.157-О.Об6-0-В/Ц+(0.123-0.002ч)-Д+

+{0.085»+0.0601>С+(-0.128+0.270-1-О.ООб12}-МдО+ (40)

+{-0.361 -0.010Ч) 80з+{-0.025 И.0041) Сз8+(0.127+0.060-1) С«А I"', где В/Ц - водоцеыентное отношение; Д- размер заполнителя, мм; С-концентрация агрессивной среды, % ; содержите в цементе, %: МцО -окиси магния; БОз - ангидрида серной кислоты; Сз5 - алита; С-|ДР- алюмоферрита; 1-время воздействия среды.

Модель прогнозирования свободных деформации коррозионного расширения бетона в условиях сульфатной коррозии, построенная на основе анализа общей выборки из 240 опытов, имеет вид

£аг.с(0={-345.831-44.262-1-2.92б1г)+{-63.425+4.160-1+1.72." :2)-Ц:11+ +{7.659+1.896-1-0.42742)-Д+(0.865+0Л 041+0,005-12)Кц+ (4.1) +(-2.719-0.849-1-0.116-12>С+(6.950-2.380-1-0.454-12)50з, где Ц:П-отношение массы цемента к массе песка; Д- размер заполнителя, мм; Кц - активность цемента, кг/см2; С - концентрация среды, %; ЗОз-содержание в цементе ашгндрида серной шелозы, %.

При построении модели прогнозирования прочности бет она, подверженного воздействию сульфатных растворов, анализировалась выборка, вклюуающая в общей сложности 310 опытных данных. Модель прогноза имеет вид

Каг.с(1)=(310.318-42.506-1+1,900-12)+(162.257-140.5344+13.595-Р\)-В/Ц+ +{346.914-37.210-Т)-Ц:П+(1.2',6-1-0.529-1)-М+(8.308-0.191-1-0.063-12)-С+ +(-16.633+5.09М-0.313-12)-50з+^-ХР(3.851+0.187-1)- Сз , (42) . тле В/Ц- водоаеяентное отношение;- Ц:И - отношение массы цемента I массе песка;1 М - шсшшбиый фактор, мм; С - концентрация среды, % содержание и иеменУ., %: ЗОз - ангидрида серной кислоты; СзБ - алита.

Впервые построенные автором модели прогноза прочности, глубины разрушения, свободных деформаций раилнренчя при сульфакюй коррозии бетона обеспечивают надежность расчетов с доверительной вероятностью 0,95.

ОСНО!ШМГ-:»1ЛКОД1.( . ■

Разработана теория расчета работоспособности железобетонных конструкций в хнмпчесгси агрессивных средах, с учетом всех факторов, спрелелягопшх их нелинейность в условиях коррозии бетона и арматуры. Тем самым решена крупная научная проблема, имеющая важное народнохозяйственное значение в практике проектирования и реконструкция-зданий и сооружений предприятий с агрессивной производственной средой.

1. Установлен/.! основные зависимости теории расчета железобетонных конструкций, подверженных коррозии.

Получена аналитическая зависимость между напряжениями и деформациями при кратковременном сжатии корро.-чфуюшего бетона, параметры которой связаны с временем воздействия конкрешоП агрессивной среды статистически обоснованными аналитическими функциями. Получены коэффициенты моделей изменения прочности корродирующего бсто-на для ряда наиболее характерных агрессивных сред.

Разработаны уравнения для определения параметров, учитывающих влияние агрессивных сред па линейную и-нелннейную ползучесть бетона, на основе которых развита нелинейная теория старения для деформаций ползучести корродирующего ■ бетам.

Построены таблнцт для определения лрнрашепий диаметра корродирующей арматуры, позволяющие оценить ее состояние в железобетонном элементе, подверженном коррозии.

2. Создана феноменологическая модель расчета н прогнозирования параметров НДС и устойчивости . железобетонного стержня при развитии коррозионных процессов в бетоне к-арматуре в условии кратковременного и длительного нагружениях.

3. Установлены экспериментальные закономерности влияния газо-воздуннгых агрессивных сред (в условиях действующих цехов целлюяозио-картонного комбината) и жидких кпслмх сред (в лабораторных условиях) на параметры нелинейности диаграммы кратковременного сжатия тяжелых бетонов, а также на коррозионный износ и фнзико-мсханические свойства открытой арматурной стали. Кроме того, получены новые экспериментальные данные о влиянии жидких кислых сред на несущую способность сжатых и изгибаемых железобетонных элементов.

4. Разработан программный комплекс для ППЭВМ, реализующий сформулированные нелинейные модели расчета работоспособности же-лезобеюнных элементов, подверженных коррозии, при кратковременных н длительных силовых воздействиях. Использование комплекса для .исследования, проектирования и прогнозирования работоспособностг конструкций позволяет более обоснованно подходить к оценке их несущей способности и дсформагивиости.

5. Получены коэффициенты продольного изгиба и длительного со противления для элементов, подверженных коррозии в сульфатных и хло ридных средах. Предложена инженерная методика оценки и прогнозиро ваиия работоспособности сжатых железобетонных элементов, эксилуа тирующихся в агрессивных средах, с использованием данных козффи циентов.

6. Разработана модель расчета статически неопред лимых железе бетонных конструкций, подверженных коррозии, с учетом физической геометрической нелинейности. Для численной реализации методики ра: рабогана программа на ВС ЭВМ, которая позволяет рассчитывать рал ные системы при сложных режимах нагружения и воздействия агре енвной среды..

7. Осуществлен обширный комплексный многофакторный статист] ческий анализ опытных данных с использованием выборок, включаюнц в общей сложности около 2 тыс. результатов коррозионных ипытаний С тонных образцов в сульфатных средах, В результате анализа получены л нейные уравиешп, позволяющие приближенно определять и прогнозир ваТъ глубину разрушения, а также свободные деформации коррозионио: расширения без предварительных экспериментальных исследований, оп раясь лишь на проектные данные, характеризующие бетон я условия э! плуатации конструкции.

8. Результаты Исследований внедрены при разработке проектов ] конструкции зданий основных цехов ПО "Амурскбумпро (Хабаровски" кран).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих paí

т ах:

1. Попеско А,И. Работоспособность железобетониьг конструкц! подверженных коррозии / СГ16ГАСУ. - СПб., 19%. -182 с.

2. Попеско А.И. Метод оценки несущей способности железобег них конструкций, р ботшощих в агрессивных средах / СП6ЦНТ1-СПб., 1994. - ИЛ М< 233-94. -2с.-

3. Попеско Л.И. Многофакторнмй статистический анализ глубины поражения бетона сульфатной коррозией / СПбЦЛТИ. - СПб., 1994,- ИЛ № 232-94. - 2 с.

4. Попеско А.И. Применение многофакторпого регрессионного анализа при построении моделей коррозии бетона / СПб. гос. архпт,-строиг. ун-т. - СПб., 1994,-43 с,- Деп. в ВНИИНТПП, № 11459. . •

5. Попеско А.И. Исследование мулътиколлинеарности при построении моделей коррозии бетона / СПб. гос. прхит.-сгроит. ун-т. - СПб., 1994. - Юс.-Деп. вВНИИИТПИ, №11160.

6. Попеско А.И. .Применение кластерного анализа при построении регрессионных моделей коррозии бетона / СПб. гос. архнт.-строит, ун-т. -СПб., 1994.-6 с,-Деп. в ВНИИПТПИ, № 11461.

7. Попеско А.И., АнцыгинО.П., Гулимова Е.В., Ступин A.B. Постановка активного эксперимента для исследования прочностных, дефор-магнвнмх и защитных свойств бетона в агрессивной газовоздушной среде / Комс.-на-Амуре политехи, ип-т. - Комсомольск-на-Амуре, 199 Î. - 34 с. -Деп. в ВПИИНТПИ,№ 11458.

8. Попеско А.И., Аубакиропа И.У. Многофакторный статистический анализ прочности бетона в растворах сульфата натрия// Математика п вузе: Альтернативные системы образования и обучения / Новгород. гос. ун-т. - Новгород, 1994. - С. 160-461.

9. Попеско А.И. Статистический анализ глубины проникания агрессивных ионов при сульфатной коррозии бетона // Изв. вузов. Строительство. - 1994. 12. -С.48-51.

10. Попеско А.И. Построение миогофакторной модели прогнозирования глубины повреждения бетона сульфатной коррозиен // Актуальные проблемы современного строительства. - СПб., 1994. - С.84-90.

П. ПопескоА.П., АнцыгинО.П. Экспериментальные исследования сжагых и изгибаемых железобетонных элементов при воздействии растворов кислот и нагрузки / СПб. гос. архит.-строит. ун-т. - СПб., 1995. - 23 с. -Деп. в ВИИИПТПИ № 11541.

12. Ионеско А.И. Построение уравнений деформирования бетона в агрессивных средах / СПб. гос. архит.-стронт. ун-г. - СПб., 1995. -21с.-Деп. вВИИПНТПИ № 11567.

13. Попеско А.И., Сл ннп A.B., Анцыгнн О.Н. Результаты экспериментальных исследований прочностных, дсформативных и защитных свойств бегона в агрессивной газопоздушной среде / Комс.-на-Амуре гос. техн. ун-т. - Комсомочьск-па-Амуре, 1995. - 13 с. - Деп. в ВНПИНТПИ № 11565.

14. Попеско Л.11. Коррозия железобетонных конструкций и их несущая способность / Инженерные проблемы современного железобетона / Инж.-строит. нн-т. Иваново, 1995. - С.299-304. ■

15. Попеско Л.И. Оценка несущей способности железобетонных конструкций, работающих в условиях газовоздушной коррозии / Механика

• строительных конструкций из новых материалов и проблемы практического внедрения в производство // Материалы международ, науч.-техн. симпозиума I Гос. техн. ун-т. Комсомольск-на-Амуре, 1995. - С.121-122.

16. Попеско А.И., Ступин А.В., Анцыгин О.И. Экспериментальные исследования изменения свойств бетона в агрессивной промышленной среде II Вестник Комс.-на-Амурё гос. техн. ун-та: В 5 сб. Сб.4. Прогрессивная технология обработки материалов / Комс.-на-Амуре гос. теги. ун-т. Комсомольск-на-Амуре, 1995. - С.90-94.

17. Popesko A.I. New method for calculation bearing of ferroconcrete operating in conditions of gas corrosion // Реконструкция - Санкт-Петербург-2005: Материалы международ, симпозиума (16-20 мая 1994) / СГ16ГАСУ. СПб., 1995. - 4.4.-С.14-18. . .

18. Попеско А.И., Анцыгин О.И. Экспериментальные исследования сжатых железобетонных элементов при воздействии кислых.агрессивных сред П Совершенствование методов расчета и исследование новых типов железобетонных конструкций. - СПб., 1995. - С. 112-117.

19. Попеско А.И. Модели деформирования. бетона прч кислотной коррозии //Материалы 50-н международ, науч.-техн. коиф. молодых ученых и студентов,-СПб., 1996. - 4.1. - С.92-97.