Размещено на http://allbest.ru

Національний університет “Львівська політехніка”

Міністерство освіти і науки України

УДК 624.012:620.193

автореферат

дисертації на здобуття вченого ступеня

кандидата технічних наук

МІЦНІСТЬ, ДЕФОРМАТИВНІСТЬ, ТРІЩИНОСТІЙКІСТЬ

ЗАЛІЗОБЕТОННИХ БАЛОК ПРИ ДІЇ АГРЕСИВНОГО СЕРЕДОВИЩА

05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди

Хміль Роман Євгенович

Львів-2003

Дисертація є рукописом.

Робота виконана на кафедрі “Будівельні конструкції та мости” Національного університету “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:кандидат технічних наук, доцент БЛІХАРСЬКИЙ Зіновій Ярославович, Національний університет “Львівська політехніка”, доцент кафедри “Будівельні конструкції та мости”

Офіційні опоненти:доктор технічних наук, професор БАРАШИКОВ Арнольд Якович, Київський національний університет будівництва та архітектури, завідувач кафедри „Залізобетонні та кам'яні конструкції”

кандидат технічних наук, доцент БАРАБАШ Василь Михайлович, Львівський державний аграрний університет, доцент кафедри „Будівельні конструкції”

Провідна установа:Одеська державна академія будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України, м. Одеса

Захист відбудеться “ 6 ” червня 2003 р. у 10-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К35.052.11.у Національному університеті “Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів, вул. С.Бандери, 12, ауд.226 головного корпусу. З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” за адресою: м. Львів, вул. Професорська, 1.

Автореферат розісланий “ 5 ” травня 2003 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради К35.052.11. Г. Петришин

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Корозійне руйнування є однією з основних проблем експлуатації будівельних конструкцій і може спричинити їх передчасне руйнування. Залізобетон на даний час - найбільш поширений будівельний матеріал, він успішно виконує несучі функції в будівельних конструкціях при широкому діапазоні силових навантажень.

Відомо також, що на всі існуючі споруди в тій чи іншій мірі діють корозійні процеси. В кольоровій металургії, хімічній, целюлозно-паперовій промисловості та енергогенеруючих підприємствах від 20 до 70% загальної кількості споруд піддаються впливу різноманітних агресивних середовищ. При дії середовищ малої концентрації цей процес може розтягуватися на довгі роки. В той же час, при дії висококонцентрованих агресивних середовищ конструкції можуть руйнуватися дуже швидко. Саме тому, експлуатація споруд при активному впливу агресивних середовищ повинна супроводжуватися врахуванням цього впливу у розрахунках, що є не менш важливим за періодичний огляд цих конструкцій фахівцями.

Законодавчою базою для вдосконалення нормативно-методичного забезпечення заходів для продовження залишкового ресурсу є Постанови Кабінету Міністрів України №409 від 05.05.1997р. “Про забезпечення надійної і безпечної експлуатації будівель та інженерних мереж”, рішення міжвідомчої комісії з питань науково-технологічної безпеки при Раді національної безпеки і оборони України від 14.02.2002 “Про технічний стан і залишковий ресурс конструкцій і споруд основних галузей господарства в Україні”.

На даний час, в основному, дослідження параметрів напружено-деформованого стану (НДС) пошкоджених корозією конструкцій відбувалося шляхом завдавання корозійних пошкоджень елементам з наступним випробовуванням їх до руйнування короткочасним навантаженням. Але ж всі конструкції експлуатуються під навантаженням (експлуатаційного чи принаймні від власної ваги). Цей фактор при таких дослідженнях не враховувався. Оцінку НДС залізобетонних конструкцій, що мають корозійні пошкодження при дії навантаження можна дати на основі результатів теоретичних і експериментальних випробовувань таких конструкцій, що також є необхідним при визначення їх довговічності.

Дослідження параметрів НДС конструкцій при одночасній дії на них навантаження та агресивного середовища внаслідок складності рішення є недостатньо вивченою і актуальною проблемою.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації є складовою частиною науково-дослідної роботи кафедри “Будівельні конструкції та мости” за напрямком “Дослідження міцності, деформативності і надійності звичайних та попередньо напружених залізобетонних конструкцій” і були виконані в рамках держбюджетних тем при дослідженні характеристик атмосферних дій і навантажень на будівлі та споруди від природних впливів (№ держреєстрації 0102U001185) та при визначенні експлуатаційної придатності залізобетонних конструкцій, пошкоджених корозією внаслідок дії зовнішнього агресивного середовища (№ держ-реєстрації 0103U001352).

Метою роботи є визначення експериментальним та теоретичним шляхом параметрів міцності, деформативності та тріщиностійкості залізобетонних конструкцій при одночасній дії навантаження і агресивного середовища.

Задачі досліджень:

§ Розробити методику експериментальних досліджень бетонних і залізобетонних елементів в умовах одночасної дії агресивного середовища та навантаження;

§ Виконати експериментальні дослідження міцності, деформативності бетонних елементів і також тріщиностійкості для залізобетонних балкових конструкцій в агресивному середовищі при дії навантаження;

§ Розробити пропозиції по розрахунку залізобетонних балкових конструкцій з врахуванням корозійних пошкоджень внаслідок впливу агресивного середовища і навантаження.

Об'єкт досліджень - бетонні і залізобетонні елементи будівельних конструкцій, які експлуатуються в агресивному середовищі.

Предмет досліджень - залізобетонні балкові конструкції, що перебувають під одночасним впливом навантаження та агресивного середовища.

Методи досліджень передбачали використання експериментальних прискорених випробовувань бетонних і залізобетонних елементів з застосуванням, на базі діючих нормативів, спеціально розроблених пристроїв для забезпечення можливості одночасного прикладання навантаження і агресивного середовища. Використовувався метод рентгенографічного аналізу (дифрактрометр ДРОН-2), мікроструктурного аналізу (електронний мікроскоп ТЕSLА ВS - 300), метод розрахунку за граничними станами залізобетонних конструкцій.

Наукова новизна отриманих результатів:

§ Методика одночасного прикладання навантаження і агресивного середовища при експериментальних дослідженнях бетонних і залізобетонних елементів;

§ Дані експериментальних досліджень міцності, прогинів та корозійних пошкоджень залізобетонних балкових конструкцій в залежності від впливу відсотка армування, міцності та виду бетону, рівня навантаження, історії навантаження, тривалості дії навантаження і агресивного середовища.

§ Обґрунтування необхідності застосування та визначення експериментально-теоретичним шля-хом величини коефіцієнта умов роботи стиснутого бетону з корозійними пошкодженнями _b^c.

§ Пропозиція по використанню коефіцієнта умов роботи бетону _b^c при розрахунку міцності нормальних перерізів залізобетонних балкових конструкцій, пошкоджених корозією.

Практичне значення отриманих результатів полягає в можливості використання експериментальних величин міцності, деформативності, тріщиностійкості при оцінці технічного стану, несучої здатності та експлуатаційної придатності залізобетонних балкових конструкцій з корозійними пошкодженнями, що перебувають під навантаженням. Алгоритм розрахунку з використанням коефіцієнта умов роботи стиснутого бетону з корозійними пошкодженнями _b^c дозволяє з достатньою точністю визначати залишковий ресурс міцності нормальних перерізів залізобетонних балкових елементів.

Впровадження результатів роботи. Результати роботи були використані державним інституту проектування “Містопроект” (м. Львів) при експериментальному проектуванні реконструкції будівель та споруд з корозійними пошкодженнями конструкцій. За участю автора і з використанням результатів виконаних експериментально-теоретичних досліджень визначено технічний стан та залишковий ресурс міцності несучих залізобетонних конструкцій головного корпусу Добротвірської ТЕС ВАТ “Західенерго”, конструкцій будівель та споруд Калушського магнієвого заводу а також окремі результати роботи були впроваджені в навчальний процес.

Подані в даній роботі експериментальні та теоретичні дослідження виконані при безпосередньому сприянні і участі наукового керівника к.т.н., доцента Бліхарського З. Я.

Особистим внеском здобувача у роботі є:

§ Проведення експериментальних досліджень бетонних і залізобетонних елементів в умовах одночасної дії агресивного середовища та навантаження;

§ Отримання даних експериментальних досліджень міцності, прогинів, корозійних пошкоджень та тріщиностійкості залізобетонних балкових конструкцій в залежності від впливу відсотка армування, міцності бетону, рівня навантаження, історії і тривалості дії навантаження та агресивного середовища;

§ Визначення експериментальним шляхом значення величини коефіцієнта умов роботи стиснутого бетону з корозійними пошкодженнями _b^c;

§ Застосування коефіцієнта умов роботи бетону _b^c при розрахунку міцності нормальних перерізів, визначення прогинів, параметрів тріщиностійкості залізобетонних балкових елементів, пошкоджених корозією.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на V Konferencja Naukowa Rzeszowsko-Lwowsko-Koszycka “Aktualne problemy budownictwa I inzynierii srodowiska” (Polska, Rzeszow, Politechnika Rzeszowska, 25-26 wrzesnia 2000), VI Міжнародній науковій конференції “Актуальні проблеми будівництва та інженерії довкілля” Львів-Кошице-Жешув (Україна, м. Львів, НУ “ЛП”, 12-15 вересня 2001р.), Міжнародна науково-практична конференція “Баштові споруди: матеріали, конструкції, технології” (Україна, м. Макіївка, 14-16 листопада 2001 р.), VIІ Vedeckej konferencie s medzinбrodnou ъиasќou Koљicko-Lvovsko-Rzeszowska (Slovakia, Koљice, Technicka univerzita, 22-24 maja 2002р.), V міжнародному симпозіумі “Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів та конструкцій” (Україна, м. Луцьк, ЛДТУ, 24-27 вересня 2002 р.).

Публікації. Основні наукові результати за темою дисертації опубліковані у 8 друкованих працях, з яких 5 - статті в наукових журналах і збірниках, 3 - у матеріалах і тезах конференцій.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел з 170 найменувань, 2 додатків. Робота викладена на 153 сторінках, у тому числі містить 118 сторінок основного тексту, з них 11 повних сторінок з рисунками і таблицями, 17 сторінок списку використаних джерел, 24 таблиці і 44 рисунки, 7 сторінок додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ містить обґрунтування актуальності теми, сформульовано мету і задачі досліджень, наведені основні наукові результати, показано їх практичне значення в галузі будівництва.

Перший розділ розглядає сучасний стан проблеми дослідження. Вивченням корозії бетону, арматури і залізобетону займалося багато фахівців як в колишньому СРСР, так і за кордоном. Зокрема Алєксєєв С.Н., Ахвердов І.Н., Байков А.А., Гузеев Е.А., Іванов Ф.М., Корольов В.П., Ларіонова З.М., Лучко Й.Й., Москвін В.М., Рубецкая Т.В., Саввина Ю.А., Савицький Н.В., Чернявський В.Л, Шнейдерова В.В., Lee F., Scislewski Z., Fagerlund G. та ряд інших. Серед великої кількості робіт, присвячених дослідженню корозійних процесів в залізобетонних конструкціях, все ж дуже мало досліджень, які б розглядали корозійні явища в поєднанні з фактором навантаження, тобто в системі “навантаження - конструкція - середовище”, так як більшість конструкцій одночасно з впливом агресивного середовища сприймає певне (експлуатаційне, від власної ваги чи ін.) навантаження.

Теоретичною основою нормативного забезпечення вимог надійності є метод граничних станів з використанням частинних коефіцієнтів, структура яких являє собою розрахунковий апарат оцінки напружено-деформованого стану залізобетонних конструкцій на основі експериментальних досліджень. Удосконалення методів розрахунку при виявленні резервів несучої здатності залізобе-тонних та металевих конструкцій розглянуто в працях Беленя Є.І., Барашикова А.Я., Гузєєва Е.А., Горохова Є.В., Жукова В.В., Клімова Ю.А., Корольова В.П., Сабитова Х.А., Савицького М.В., Панасюка В.В., Пічугіна С.Ф., Філатова В.Б., Шагіна А.Л.

Постановка та формулювання задач, пов'язаних з розвитком методів розрахунку і проектування окремих будівельних конструкцій в умовах впливів агресивного середовища виконана в роботах Гордєєва Ю.С., Мамаєва Т.Л., Овчиннікова І.Г., Петрова В.В.

В Національному університеті “Львівська політехніка” проблемами розробки, проектування та дослідження довговічних конструкцій займалися Гнідець Б.Г. Клименко Ф.Є., довговічністю та надійністю конструкцій з врахуванням впливу кліматичних умов Кінаш Р.І., дослідженням натурних мостових конструкції, що піддаються впливу зовнішнього середовища ГНДЛ-88 під керівництвом Кваші В.Г. та НДЛ-23 спільно з ДерждорНДІ (Коваль П.М.).

Аналіз виконаних досліджень показав, що проведено незначну кількість експериментальних досліджень залізобетонних конструкцій при сумісному впливу агресивного середовища та навантаження на конструкцію і відносно мало робіт стосується дослідження НДС таких конструкцій. В зв'язку з цим сформульовано мету роботи та задачі досліджень.

Другий розділ містить опис методики дослідження стиснутих бетонних та згинальних залізобетонних елементів, спеціально розроблені силові стенди і установки які створюють можливість випробовування експериментальних зразків на одночасну дію навантаження і агресивного середовища. Довготривалі випробування на одночасну дію навантаження і агресивного середовища проводилися при постійній величині навантаження. Цього вдавалося досягти за допомогою пружинних установок.

Згідно з програмою досліджень запроектовано, виготовлено і випробувано на одночасну дію навантаження і агресивного середовища 2 серії бетонних призм загальною кількістю 14 зразків і 4 серії залізобетонних балок загальною кількістю 20 зразків. Призми розмірами 100100400 мм, залізобетонні балки довжиною 2100 мм, висотою 200 мм, шириною 100 мм. Всі зразки виготовлені з двох видів бетону: з звичайного заводського бетону підвищеної міцності і бетону виготовленого по спеціальній технології з додаванням повітрепоглинаючої та суперпластифікуючої добавок та детальнішим підбором складників. З бетону такого складу виготовляють трамвайні плити під безшумну колію, які працюють в складних природних і експлуатаційних умовах і добре зарекомендували себе у м. Львові. Змінним параметром для балок серій 1,3,4 був відсоток армування, а саме прийнято =1,5%; 1,1%; 2,0%. В балках серій 1 і 2 змінним параметром був вид та міцність бетону при однаковому відсотку армування =1,5%.

Методика дослідження залізобетонних балок при сумісній дії навантаження і агресивного середовища передбачала вивчення впливу відсотка армування, міцності та виду бетону, рівня навантаження, історії і тривалості дії навантаження та агресивного середовища на характеристики НДС балок. будівельний корозійний залізобетонний

Для вивчення впливу відсотка армування на параметри НДС при дії агресивного середовища і навантаження балки серій 1,3,4 були виготовлені з однакового бетону (звичайного підвищеної міцності), але з різним відсотком армування (=1,1%; 1,5%; 2,0%). Навантажували балки до однакового рівня 0,7 від М_u^exp (несучої здатності по текучості арматури балок, не пошкоджених корозією, визначеної експериментально).

Для вивчення впливу виду і міцності бетону на параметри НДС при дії агресивного середовища і навантаження балки серій 1 і 2 мали однакове армування (=1,5%) і навантажувалися до однакового рівня навантаження 0,7 М_u^exp.

Для вивчення впливу рівня завантаження на НДС конструкції при одночасній дії навантаження та агресивного середовища в межах серії 2 були проведені випробовування балок з однаковим армуванням (=1,5%) і однаковим бетоном (з покращуючими добавками) при різних рівнях навантаження - 0,37, 055 та 0,75 від руйнуючого по текучості арматури балки М_u^exp .

Для дослідження впливу історії навантаження балок на параметри напружено-деформованого стану в 2 серії дві балки завантажувалися лише силовим навантаженням, а два інших близнюка силовим навантаженням та агресивним середовищем. Коли балки, що перебували під впливом навантаження і агресивного середовища руйнувалися - до балок-близнюків, що перебували лише під навантаженням також створювали доступ агресивного середовища і випробування продовжували до їх руйнування. Таким чином на одні балки-близнюки агресивне середовище впливало відразу а на інші через певний проміжок часу, а саме через близько половини терміну тривалого випробування.

Для дослідження впливу на НДС довготривалої дії навантаження - в серіях 1, 3 і 4 по дві балки кожної серії завантажувалися агресивним середовищем та силовим навантаженням, а по одній балці кожної серії лише агресивним середовищем без навантаження. Час перебування відповідних балок-близнюків в агресивному середовищі під навантаженням і без навантаження приймався однаковий. Після перебування балок в агресивному середовищі їх випробовували короткотривалим навантаженням до руйнування.

В якості агресивного середовища прийнято розчин сірчаної кислоти H₂SO₄ концентрацією 10%, середовище якої згідно норм відноситься до сильноагресивних, а корозія в її середовищі згідно класифікації В.М.Москвіна - до корозії другого виду. Близьке за характером середовище має місце в окремих хімічних виробництвах, гальванічних цехах, димових трубах ТЕС, залізобетонних конструкціях скруберів при аварійних режимах. Крім цього створення вказаного високо агресивного середовища дозволяло за відносно невеликий проміжок часу промоделювати вплив агресивного середовища та одночасної дії навантаження на конструкцію.

Третій розділ містить результати проведених експериментальних досліджень. При випробовуванні бетонних призм підтримували постійну величину навантаження, проводили вимірювання поздовжніх деформацій бетону призм, вологість та температуру навколишнього середовища. Рівень навантаження призм приймався 0,35...0,37 R_b. Руйнування всіх призм, що перебувають в агресивному середовищі під дією навантаження, відбулося при напруженнях менших призмової міцності бетону, а саме при 0,82...0,86 від R_b. Руйнування усіх призм пройшло по скісним площинам з утворенням пірамід зрізу, що відповідає схемі руйнування центрально-навантажених призм згідно норм.

Після руйнування бетонних призм був виконаний розріз їх поперечного перерізу. В результаті проведеного рентгенографічного аналізу у зовнішньому, контактному з середовищем, шарі виявлено продукти корозії. Товщина контактного шару складала 2...4 мм, при чому для бетону серії 2 (з покращуючими добавками) вона була в 1.5 раз менша, ніж для серії 1. Необхідно зауважити, що огляд бетону показав - внутрішні шари бетону мали не порушену структуру, корозійних процесів бетону не виявлено. Дослідження з використанням електронного мікроскопу показали, що у контактному шарі виявлено мікротріщини.

Порівняння мікроструктури та результатів рентгенофазового аналізу непорушеного та пошкодженого корозією шарів бетону показує, що причиною утворення мікротріщин є корозія бетону, а саме продукти корозії - гіпс, який випадав в осад і етрингіт, який залишався в структурі бетону і збільшувався в об'ємі.

Випробування експериментальних зразків залізобетонних балок при одночасній дії навантаження і агресивного середовища відбувалося з дослідженням впливу відсотка армування, виду та міцності бетону, рівня навантаження, історії і тривалості дії навантаження та агресивного середовища на характеристики НДС конструкцій.

Характер вичерпання несучої здатності та час руйнування в агресивному середовищі під навантаженням зразків в залежності від армування і виду та міцності бетону був однаковим.

Проте необхідно зауважити, що швидкість корозії бетону з пластифікаторами була на 6..9% меншою, ніж для балок із звичайного бетону.

В більшості експериментальних балок, пошкоджених корозією вичерпання несучої здатності проходило внаслідок текучості арматури, з наступним фізичним руйнуванням стиснутої зони бетону. Лише в 5 з 15 балок фізичне руйнування пройшло по похилому перерізу, внаслідок корозії практично всіх поперечних стержнів в межах похилої тріщини, при цьому в більшості балок вичерпання несучої здатності по похилому перерізу проходило одночасно з текучістю арматури..

Після руйнування балок був проведений розріз поперечного перерізу балок і досліджено бетон за допомогою рентгенофазового аналізу і електронного мікроскопу. Наявність в контактному шарі, товщина якого складала 2,0...3,9 мм, продуктів корозії, мікротріщин в ньому було схожою, як і при дослідженні бетонних призм аналогічних серій бетону, тобто корозія бетону в балках і призмах відбувалася однаково.

Всі балки пошкоджені корозією під навантаженням були розраховані згідно норм СНиП 2.03.01-84*. Необхідно зауважити, що міцність усіх експериментальних балок була меншою до 13,7% від теоретичних значень, а руйнування стиснутих бетонних елементів при одночасному впливу навантаження і агресивного середовища проходило при напруженнях в бетоні на 12...19,6% нижчих від R_b.

Тобто норми завищують міцність таких конструкцій, що не дає змоги з достатньою достовірністю визначати несучу здатність конструкцій, пошкоджених корозією під навантаженням. Необхідно зауважити, що для експериментальних зразків, які перебували в агресивному середовищі з наступним короткотривалим випробуванням до руйнування норми показали задовільну збіжність, відхилення складало -1,5...0,4% від теоретичних величин.

Під час експериментальних випробувань велося постійне спостереження за деформативністю балок, а саме деформаціями арматури, крайньої грані стиснутої зони бетону і прогинами. Для усіх балок, що перебували в агресивному середовищі під навантаженням було характерним криволінійне наростання деформацій бетону та прогинів в часі. Це пояснюється зменшенням перерізу балок внаслідок впливу середовища. В результаті цього збільшувалися напруження в бетоні стиснутої зони - збільшувалася його деформативність та наростання пластичних деформацій. Дослідження деформативності показало, що впливу відсотку армування, виду і міцності бетону на характер змін величин деформацій бетону та прогинів не було помічено.

Встановлено, що не залежно від історії навантаження експериментальних зразків величини деформацій стиснутої зони бетону, прогини балок для однакового рівня навантаження досягають одного і того ж кінцевого значення.

Виявлено, що чим менший рівень навантаження балок - тим менш інтенсивно (при М=0,37 на 10% менше, ніж при М=0,55 і на 35%, ніж при М=0,75) відбувається приріст деформацій і прогинів, що пов'язано з різною інтенсивністю розвитку пластичних деформацій.

Для балок, що перебували в агресивному середовищі з наступним короткотривалим випробуванням до руйнування кінцеві величини прогинів і деформацій стиснутої зони бетону були однозначно меншими, ніж для балок-близнюків, що випробувалися при одночасній дії агресивного середовища і навантаження.

Отже було встановлено, що одночасний вплив навантаження і агресивного середовища на балку є більш невигідним поєднанням факторів впливу в порівнянні з дією лише агресивного середовища з наступним короткотривалим випробуванням до руйнування.

В процесі експериментальних випробувань велося спостереження за шириною розкриття тріщин балок, як пошкоджених так і не пошкоджених корозією (перед початком впливу агресивного середовища на конструкції балок проводилося замірювання ширини розкриття кожної тріщини, з фіксацією місця її розташування).

Після руйнування експериментальних балок внаслідок одночасної дії агресивного середовища і навантаження проводилося відкриття робочої арматури і обстеження її на предмет впливу тріщин та ширини їх розкриття на корозійні пошкодження арматури. Такому обстеженню підлягали балки у яких був присутній залишковий захисний шар і не було безпосереднього контакту арматури з агресивним середовищем. Це були балки з рівнем завантаження 0,7...0,75. При цьому було проаналізовано більше ста тріщин.

У тріщинах з початковою шириною розкриття 0,05 мм слідів корозії не було помічено; при ширині 0,1 мм зустрічалися продукти корозії поверхні бетону в межах тріщини і робочої арматури у вигляді вузенької смужки бурої іржі в місці проходження тріщини; при ширині розкриття до 0,2 мм була помітна незначна поверхнева корозія на рівні тріщини у вигляді невеликих плям, площею до 1 см². Необхідно зауважити, що корозія арматурних стержнів на ділянках між тріщинами була відсутня.

Встановлено, що при дії сильно агресивного кислотного середовища на згинальні елементи ширина розкриття тріщин 0,05 мм при експлуатаційному навантаженні не є небезпечними для корозії робочої арматури.

В четвертому розділі в зв'язку з тим, що при експериментальних випробуваннях було зафіксовано розходження між теоретичними і фактичними величинами для стиснутих елементів до 19,6 % та для згинальних до 13,7% в сторону перевищення теоретичних величин над експериментальними, запропоновано методику розрахунку центрально стиснутих бетонних елементів та згинальних залізобетонних конструкцій з врахуванням корозійних пошкоджень, отриманих при одночасній дії навантаження.

Методика розрахунку передбачає врахування зовнішнього частково деградованого контактного шару бетону, наявність якого була виявлена експериментом.

Таким чином розглядається приведений переріз, за яким визначаються геометричні параметри та приведені характеристики міцності бетону. Крім цього, оскільки при випробуванні призм було виявлена розбіжність теоретичної і експериментальної міцності бетонного перерізу (навіть з врахуванням коефіцієнта поздовжнього згину стиснутого елемента) пропонується в розрахунок ввести коефіцієнт умов роботи стиснутого бетону, пошкодженого корозією _b^с.

Міцність стиснутих бетонних елементів визначається з рівності:

,	(1)

де - приведена призмова міцність бетону;

- сумарна площа перерізу стиснутого бетону; - площа не пошкодженого корозією стиснутого бетону; - площа частково деградованого дією корозії контактного шару стиснутого бетону, товщиною с, яка встановлена експериментально за допомогою інструментального дослідження; R_b та R_b^c - призмова міцність не пошкодженого і пошкодженого корозією бетону; _b - коефіцієнт поздовжнього згину, що враховує гнучкість стиснутого елемента (при дії корозії поперечний переріз зменшується і співвідношення розмірів призм збільшується (l/h>4), отже необхідне врахування можливої втрати стійкості);

Характеристики міцності R_b та R_b^c і відповідні їм модулі деформацій бетону E_b та E_b^c встановлюються за допомогою не руйнуючих методів (ультразвукового чи іншого), а також вирізанням дослідних зразків бетону та їх детальними лабораторними дослідженнями. На вирізаних зразках визначається також товщина частково деградованого під дією корозії контактного шару бетону. При наперед відомих характеристиках міцності не пошкодженого корозією бетону балки призмову міцність пошкодженого бетону з певним наближенням можна приймати R_b^c=0,5R_b. На поверхні балки, внаслідок протікання корозії, міцність бетону практично рівна нулю, на межі контакту не пошкодженого та пошкодженого корозією бетону міцність бетону рівна R_b. Отже усереднену міцність частково пошкодженого з певним наближенням можна приймати як середнє арифметичне - 0,5R_b.

Експериментальним шляхом визначено для даних характеристик агресивного середовища та геометричних параметрів конструкцій, пошкоджених корозією при одночасній дії навантаження, коефіцієнт умов роботи бетону _b^c. Не залежно від відсотка армування, міцності бетону та рівня навантаження конструкції усереднене значення його було рівне 0,9.

Формула для визначення міцності нормальних перерізів згинальних елементів, пошкоджених корозією під навантаженням матиме вигляд:

,	(2)

де b^c, h₀^c - ширина та робоча висота перерізу балки після впливу корозії; у^c_b,red - відстань від верхньої грані до центру ваги стиснутої зони бетону приведеного перерізу; A^c_s- площа стиснутої арматури з врахуванням зменшення площі внаслідок корозії; _s^c - коефіцієнт умов роботи арматури, який враховується при наявності корозійних пошкоджень арматури. Інші умовні позначення згідно діючих норм, або наведені вище.

За даною формулою було визначено міцність нормальних перерізів балок, пошкоджених внаслідок дії агресивного середовища. При цьому, оскільки балки БД-1.4к; БД-3.4к і БД-4.4к випробувані короткотривалим навантаженням до руйнування, тому для них _b^с =1,0. Балка БД-3.4к зруйнувалася по похилому перерізу внаслідок корозії поперечних стержнів в межах похилої тріщини.

Виконані розрахунки по запропонованій методиці показують (табл.1), що теоретичні величини міцності нормальних перерізів балок задовільно узгоджуються з експериментальними даними. Розбіжність складає -3,4...+1,0%. Тільки для двох балок 4 серії розбіжність була -9,9...-12,9%. При цьому практично для всіх балок експериментальні величини міцності були вищими від отриманих теоретичним шляхом, що дозволяє визначати несучу здатність балок, пошкоджених корозією під навантаженням з запасом міцності.

Таблиця 1

Міцність експериментальних балок, пошкоджених корозією

Серія	Шифр балок	Кінцеві розміри перерізу	Контактний шар, мм	Згинальні моменти, кНсм
				Експеримент	Розрахунок
		бетону bh, мм	арматури, мм			По СНиП 2.03.01-84*	Методика
1	БД 1.2-0,7к	74,4174,3	14	3,5	1759,4	1956,9	1732,1	1,112	0,984
	БД 1.3-0,7к	70,2169,6	14	3,3		1921,2	1699,5	1,092	0,966
	БД-1.4к (bс=1)	58,0171,0	14	3,6	1773,3	1781,2	1717,8	1,004	0,969
2	БД 2.3-0,37к	56,5162,3	9,6	2,0	880,3	979,8	867,6	1,113	0,995
	БД 2.4-0,37(к)	51,1161,7	9,55	2,3		969,4	865,0	1,101	0,983
	БД 2.5-0,75к	66,8170,9	14	2,4	1817,7	1971,2	1755,0	1,084	0,966
	БД 2.6-0,75(к)	71,9173,9	14	2,4		2013,1	1788,8	1,107	0,984
	БД 2.7-0,55к	59,5160,4	12,0	2,3	1311,0	1447,8	1286,6	1,104	0,981
	БД 2.8-0,55к	53,7160,0	12,0	2,1		1426,9	1267,9	1,088	0,967
3	БД 3.2-0,7к	70,4177,2	12	3,6	1369,9	1558,1	1383,2	1,137	1,010
	БД 3.3-0,7к	68,2176,9	12	3,7		1550,6	1375,2	1,132	1,003
	БД-3.4к (bс=1)	60,0169,0	12	короткотривале випробування - руйн. по похил. перерізу
4	БД 4.2-0,7к	71,3171,0	16	3,4	2141,9	2176,9	1865,6	1,016	0,871
	БД 4.3-0,7к	72,9175,0	16	3,2		2246,3	1930,3	1,049	0,901
	БД-4.4к (bс=1)	60,5172,0	16	3,2	1963,3	1933,1	1863,0	0,985	0,950

Використання прийнятого підходу для розрахунку міцності похилих перерізів апробовано на балках, зруйнованих по поперечній силі. Результати показали задовільну збіжність теоретичних і експериментальних величин. При цьому в розрахункових формулах замість величини призової міцності бетону Rb та розрахункового опору бетону розтягу Rbt рекомендується використовувати приведену призмову міцність бетону Rb,red , та відповідну їй величину приведеного розрахункового опору бетону розтягу Rbt,red Також запропоновано корекцію формул для розрахунку за другою групою граничних станів.

Запропонована методика при розрахунку прогинів згинальних залізобетонних елементів з корозійними пошкодженнями при одночасній дії агресивного середовища і навантаження дозволяє з задовільною точністю визначати їх величини. Значного уточнення методики СНиП 2.03.01-84* не досягнуто. Це дозволяє зробити висновок про те, що запропоновану методику, як і методику норм можна використовувати для визначення прогинів балок пошкоджених і не пошкоджених корозією.

Пропозиції по розрахунку дозволили запропонувати методику оцінки залишкового ресурсу залізобетонних балок з корозійними пошкодженнями, яка передбачає врахування контактного шару з нижчими фізико-механічними характеристиками, приведених характеристик міцності бетону, приведених геометричних характеристик перерізу конструкції а також зменшення міцності бетону внаслідок одночасної дії навантаження і агресивного середовища, що враховується коефіцієнтом умов роботи бетону _b^с.

ВИСНОВКИ

1. Розроблено і застосовано методику дослідження бетонних стиснутих і залізобетонних згинальних елементів для випробування в сильно агресивному середовищі на одночасний вплив навантаження і агресивного середовища з вивченням впливу відсотка армування, міцності бетону, рівня навантаження, історії і тривалості дії навантаження на характеристики напружено-деформованого стану конструкцій.

2. На підставі експериментальних даних за допомогою методів рентгенофазового аналізу і електронного мікроскопу встановлено наявність контактного шару частково деградованого бетону товщиною 2,0...3,9 мм в зразках, що перебували в умовах одночасного впливу навантаження і агресивного середовища. В контактному шарі зафіксовано наявність мікротріщин, концентраторів напружень, спричинених корозією бетону.

3. Отримано експериментальні дані зміни в часі деформацій бетону та прогинів стиснутих бетонних і згинальних залізобетонних елементів в умовах одночасного впливу навантаження та агресивного середовища (10% розчину сірчаної кислоти).

4. Експериментально-теоретичним дослідженням міцності доведено, що не залежно від параметрів експериментальних зразків методика СНиП 2.03.01-84* у всіх випадках при розрахунку згинальних залізобетонних елементів з корозійними пошкодженнями при тривалій одночасній дії агресивного середовища і навантаження не дозволяє з необхідною точністю визначати несучу здатність таких елементів з максимальним розходженням до 13,7 % для згинальних елементів і до 19,6% для стиснутих елементів в сторону перевищення теоретичних величин над експериментальними.

5. Експериментально встановлено, що одночасний вплив навантаження і агресивного середовища на балку для їх дослідження є більш невигідним поєднанням факторів зовнішнього впливу в порівнянні з дією лише агресивного середовища і наступним короткочасним випробовуванням їх до руйнування.

6. Встановлено, що при дії сильноагресивного кислотного середовища на згинальні елементи ширина розкриття тріщин до 0,05 мм при експлуатаційному навантаженні не є небезпечними для корозії робочої арматури.

7. Запропоновано методику розрахунку стиснутих бетонних та згинальних залізобетонних елементів при одночасному впливу навантаження і агресивного середовища, яка враховує наявність частково деградованого контактного з агресивним середовищем шару бетону і пропонується враховувати наявність корозійних дефектів в бетоні, що стають концентраторами напружень, коефіцієнтом умов роботи стиснутого бетону з корозійними пошкодженнями _b^c.

8. Визначено експериментальним шляхом коефіцієнт _b^c для даного виду агресивного середовища, який не залежно від відсотка армування, міцності бетону чи рівня навантаження конструкції усереднено можна приймати рівним 0,9.

9. Встановлено, що запропонована методика розрахунку конструкцій з корозійними пошкодженнями, отриманими при одночасній дії агресивного середовища і навантаження з врахуванням контактного шару і запропонованого коефіцієнта умов роботи стиснутого бетону _b^c=0,9 визначає з необхідною точністю несучу здатність стиснутих бетонних елементів і згинальних залізобетонних елементів з розходженням відповідно -2,3...+3,2% і -3,4...+1,0 % в сторону перевищення теоретичних величин над експериментальними, на відміну від СНиП 2.03.01-84*, який визначає міцність таких елементів з перевищенням над експериментальними величинами відповідно на +19,6% і +13,7%.

10. Встановлено, що дана методика при розрахунку міцності за другою групою граничних станів згинальних залізобетонних елементів з корозійними пошкодженнями, отриманими від одночасної дії агресивного середовища і навантаження дозволяє майже з однаковою точністю (+1,3...+2,9% ), як і методика норм визначати величини прогинів і параметрів тріщиностійкості.

11. Виконані дослідження дозволили запропонувати методику оцінки технічного стану, несучої здатності та експлуатаційної придатності залізобетонних балкових конструкцій з корозійними пошкодженнями, що перебувають під навантаженням.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В НАСТУПНИХ РОБОТАХ

1. Бліхарський З., Хміль Р., Ващишин Р. Вплив агресивного середовища на бетонні і залізобетонні конструкції // Вісник Львівського Державного аграрного університету: Архітектура і сільськогосподарське будівництво. - Львів. - 2001. - C. 21-29.

Особистий внесок здобувача полягає в застосуванні методики дослідження бетонних призм на сумісний вплив стискаючого зусилля і агресивного середовища.

2. Бліхарський З.Я., Хміль Р.Є., Вашкевич Р.В. Міцність залізобетонних балок за одночасної дії корозійного середовища та зовнішнього навантаження // Діагностика, довговічність та реконструкція мостів і будівельних конструкцій: Збірник наукових праць. - Випуск 3 - Львів: Каменяр. - 2001. - С. 23-29.

Особистий внесок здобувача полягає в виготовленні дослідних експериментальних зразків та проведенні експериментальних випробовувань.

3. Бліхарський З.Я., Хміль Р.Є. Вплив корозійного середовища на стан залізобетонних димових труб // Вісник Донбаської державної академії будівництва і архітектури: Будівельні конструкції будівлі та споруди. - Випуск 2001-5(30) - Макіївка, 2001. - C. 97-100.

Особистим внеском здобувача є проведення експериментальних досліджень на одночасний вплив навантаження і агресивного середовища для визначення величини коефіцієнта умов роботи бетону _b^c.

4. Бліхарський З.Я., Хміль Р.Є. Вплив агресивного середовища на залізобетонні балки в залежності від історії їх завантаження // Вісник Національного університету “Львівська політехніка”: Теорія та практика будівництва. - №441 - Львів: Видавництво НУ “Львівська політехніка”. - 2002. - C. 28-34.

Особистий внесок здобувача полягає в отриманні експериментальних даних на предмет впливу історії навантаження на параметри напружено-деформованого стану балок.

5. Бліхарський З.Я., Глагола І.І., Хміль Р.Є. Міцність бетонних елементів під дією агресивного середовища // Діагностика, довговічність та реконструкція мостів і будівельних конструкцій: Збірник наукових праць. - Випуск 4 - Львів: Каменяр. - 2002. - С. 30-37.

Особистий внесок здобувача полягає в експериментальному визначенні зміни деформацій бетону і напружень в часі бетонних стиснутих елементів для застосування методики розрахунку міцності пошкоджених корозією елементів.

6. Бліхарський З.Я., Хміль Р.Є. Корозія бетону конструкцій в середовищі кислот // Budownictvo i inzynieria srodowiska. Z32. Aktualne problemy budownictwa i inzynierii srodowiska.-Rzeszow, 2000. - C. 47 - 53.

Особистим внеском здобувача є дослідження стійкості експериментальних зразків бетону в середовищі сірчаної кислоти.

7. Бліхарський З.Я., Хміль Р.Є., Вашкевич Р.В. Міцність і деформативність стиснутих бетонних елементів під впливом дії агресивного середовища // Актуальні проблеми будівництва та інженерії довкілля: Збірник матеріалів VI міжнародної конференції - Львів; Видавництво НУ “Львівська політехніка” - 2001. - C. 11-18.

Особистий внесок здобувача полягає в виконанні випробувань на одночасну дію навантаження і агресивного середовища, дослідженні рентгенофазового аналізу зразків бетону після дії розчину сірчаної кислоти.

8. Z. Blikcharsky, R. Khmil. Corrosion of the reinforced concrete constructions into aggressive acid environment // Zbornik prispevkov zo VII Vedeckej konferencie s medzinбrodnou ъиasќou: Sekcia и. 13. - Koљice, Slovakia , 2002. - C. 23-28.

Особистий внесок здобувача полягає в визначенні експериментальним шляхом часу вичерпання несучої здатності зразків в кислотному агресивному середовищі.

АНОТАЦІЇ

Хміль Р.Є. Міцність, деформативність, тріщиностійкість залізобетонних балок при дії агресивного середовища. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - “Будівельні конструкції, будівлі та споруди”. - Національний університет “Львівська політехніка” Міністерства освіти України, Львів, 2003.

Дисертаційна робота присвячена питанням дослідження напружено-деформованого стану залізобетонних згинальних елементів при одночасній дії агресивного середовища та навантаження.

Проведено тривалі експериментальні випробовування бетонних стиснутих та залізобетонних згинальних елементів у вказаних умовах.

Отримано експериментальні дані зміни в часі деформацій бетону та прогинів стиснутих і згинальних елементів в умовах одночасного впливу навантаження та агресивного середовища (10% розчину сірчаної кислоти). Встановлено, що методика норм завищує міцність таких конструкцій до 13,7%, що є небезпечним для експлуатації.

Апробовано запропоновану методику розрахунку бетонних та залізобетонних елементів, пошкоджених корозією при одночасній дії на них навантаження.

Пропонується враховувати контактний шар з нижчими фізико-механічними характеристиками, приведені характеристики міцності, геометричні характеристик перерізу конструкції а також зменшення міцності бетону внаслідок одночасної дії навантаження і агресивного середовища коефіцієнтом умов роботи бетону _b^с.

Експериментальним шляхом визначено для даних умов агресивного середовища та геометричних параметрів конструкцій коефіцієнт _b^c, який рівний 0,9. Порівняння результатів експериментальних та теоретичних величин міцності елементів пошкоджених корозією під навантаженням підтвердило достовірність пропонованого методу розрахунку.

Ключові слова: залізобетонні конструкції, напружено-деформований стан, несуча здатність, агресивне середовище, навантаження, одночасний вплив, коефіцієнт умов роботи бетону, методика розрахунку.

АННОТАЦИЯ

Хмиль Р.Е. Прочность, деформированность, трещиностойкость железобетонных балок при действии агрессивной среды. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - “Строительные конструкции, здания и сооружения”. - Национальный университет “Львовская политехника” Министерства образования и науки Украины, Львов, 2003.

Диссертационная работа посвящена вопросам исследования напряженно-деформированного состояния железобетонных сгибающих элементов при одновременном действии агрессивной среды и нагрузки.

Вступление содержит обоснование актуальности темы, сформулирована цель и задачи исследований, приведенные основные научные результаты, показано их практическое значение в области строительства.

Первый раздел рассматривает современное состояние проблемы исследования. Среди большого количества работ посвященных исследованию коррозионных процессов в железобетонных конструкциях выявлено, что все же очень мало исследований, которые бы рассматривали коррозионные явления вместе с фактором нагрузки, то есть в системе “нагрузка - конструкция - среда”, ведь большинство конструкций одновременно с влиянием агрессивной среды воспринимает определенною (эксплуатационную, от собственного веса или др.) нагрузку.

Второй раздел содержит описание методики исследования бетонных сжатых и железобетонных изгибающих элементов, специально разработанные силовые стенды и установки которые создают возможность испытания экспериментальных образцов на одновременное действие нагрузки и агрессивной среды. В соответствии с программой исследований запроектировано, изготовлено и испытано на одновременное действие нагрузки и агрессивной среды 2 серии бетонных призм общим количеством 14 образцов и 4 серии железобетонных балок общим количеством 20 образцов. Методика исследования железобетонных балок при совместном действии нагрузки и агрессивной среды предусматривала изучения влияния процента армирование, прочности и вида бетона, уровня нагрузки, истории и продолжительности действия нагрузка на характеристики НДС балок.

Третий раздел содержит результаты проведенных экспериментальных исследований. На основании экспериментальных данных с помощью методов рентгенофазового анализа и электронного микроскопа установлено наличие контактного слоя частично деградированного бетона. Экспериментально-теоретическим исследованием прочности доказано, что в не зависимости от параметров экспериментальных образцов методика СНиП 2.03.01-84* во всех случаях при расчете изгибающих железобетонных элементов с коррозионными повреждениями при продолжительном одновременном действии агрессивной среды и нагрузки не разрешает с необходимой точностью определять несущую способность таких элементов. Максимальное расхождение составляло до 13,7 % для изгибающих элементов и до 19,6% для сжатых элементов в сторону превышения теоретических величин над экспериментальными, то есть с завышением прочности таких конструкций. При исследовании характеристик трещиностойкости установлено, что при действии сильно агрессивной кислотной среды на изгибающие элементы ширина раскрытия трещин менее 0,05 мм при эксплуатационной нагрузке не являются опасными для коррозии рабочей арматуры. Также экспериментально установлено, что одновременное влияние нагрузки и агрессивной среды на балку для их исследования есть более невыгодным соединением факторов внешнего влияния в сравнении с действием только агрессивной среды и последующим кратковременным испытанием их до разрушения.

В четвертом разделе предложена методика расчета бетонных и железобетонных конструкций с учетом коррозийных повреждений, полученных при действии нагрузки, которая учитывает наличие контактного с агрессивной средой слоя бетона и предлагается учитывать наличие коррозийных дефектов в бетоне, которые становятся концентраторами напряжений, коэффициентом условий работы сжатого бетона с коррозийными повреждениями _b^c. Определен экспериментальным путем коэффициент _b^c для данного вида агрессивной среды, в не зависимости от процента армирования, прочности бетона или уровня нагрузки конструкции, который усреднено можно принимать равным 0,9. Установлено, что предложенная методика расчета конструкций с коррозионными повреждениями, полученными при одновременном действии агрессивной среды и нагрузки, с учетом контактного пласта и предложенного коэффициента условий работы сжатого бетона _b^c=0,9 определяет с необходимой точностью несущую способность сжатых бетонных элементов и сгибающих железобетонных балок.

Ключевые слова: железобетонные конструкции, напряженно-деформированное состояние, несущая способность, агрессивная среда, нагрузка, одновременное влияние, коэффициент условий роботы бетона, методика расчета.

SUMMARY

Khmil R. J. Strength, deformability, cracks resistance of reinforced concrete beams under influence of the aggressive environment. - Manuscript.

The thesis for taking the degree of Candidate of Engineering Sciences on speciality 05.23.01 - "Building construction, buildings and structures ". - Lviv Polytechnic National University of the Ministries of Education and sciences of Ukraine, Lviv, 2003.

The thesis is devoted to questions of research is stress and strain state of reinforced concrete bending elements at simultaneous action of an aggressive environment and loading.

Long experimental tests of the concrete compressed and reinforced concrete bending elements in the specified conditions are carried out.

Experimental data of change in time of deformations of concrete and deflections of the compressed and bending elements in conditions of simultaneous influence of loading and an aggressive environment (10 % of a solution of a sulfuric acid) are received. It is established, that the technique of norms overestimates the strength of such elements up to 13,7 %, which is dangerous to service behavior.

The proposed design procedure of the concrete and reinforced concrete elements damaged by corrosion at simultaneous action on them of loading is approved.

It is proposed to take into account a contact layer with the lowest physicomechanical characteristics, the given characteristics of strength, geometrical characteristics of section of a design, and also reduction of concrete strength owing to simultaneous action of loading and an aggressive environment by the coefficient of the service conditions _b^c.

By the experimental way for the given conditions of an aggressive environment and geometrical parameters we determine of the coefficient of the concrete service conditions _b^c, that equal 0,9.

Comparison of results of experimental and theoretical values of strength of elements damaged by the aggressive environment under loading has confirmed to the reliability of a proposed method.

Key words: reinforced-concrete designs, stress and strain state, load-carrying capacity, an aggressive environment, loading, simultaneous influence, the coefficient of the concrete service conditions, method of design.

Размещено на Allbest.ru

...