Практичні методи оцінювання залишкового ресурсу сталезалізобетонних мостів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Практичні методи оцінювання залишкового ресурсу сталезалізобетонних мостів

Коваль П.М., к.т.н., директор (ДерждорНДІ)

Балабух Я.А., директор філії ДерждорнНДІ ЛРНТЦ

В статті розглядаються підходи до оцінювання залишкового ресурсу сталезалізобетонних мостів. Проводиться аналіз існуючих методів оцінювання залишкового ресурсу конструкцій, на основі якого пропонується підхід до оцінювання ресурсу сталезалізобетонних мостів

Вступ

В Україні експлуатується біля 28 тисяч мостів. Із сталевими прогоновими будовами нараховується дещо більше 1600 мостів, але в останнє десятиліття активно будуються саме стале залізобетонні мости. Це обумовлено ефективністю їх конструктивної схеми і тим, що вони мають високу довговічність. Враховуючи тривалий термін експлуатації існуючих сталезалізобетонних мостів, актуальною є проблема оцінювання їх залишкового ресурсу.

Якісна картина процесу зношення мостових конструкцій та вплив на цей процес різних факторів достатньо вивчені [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 та ін.]. Шляхом розрахунків можна встановити зв'язок між погіршенням стану конструкцій та їх несучою здатністю, а, отже, і вантажністю моста.

Задачу оцінювання залишкового ресурсу вирішують на основі деградаційних моделей, які якісно описують погіршення стану конструкцій та їх елементів з часом, використовуючи як імовірнісний [1, 8, 9 та ін.], так і детерміністичні [10, 11 та ін.] методи прогнозування.

Постановка мети і задач досліджень

Незважаючи на деякі відмінності обох підходів, вони принципово використовують однакові формальні закономірності протікання деградаційних процесів з деякими відмінностями у способах вирішення задач.

Для імовірнісного оцінювання ступеню пошкодження прогонових будов сталезалізобетонних мостів приймають такі формалізовані умови:

- усі деградаційні процеси у залізобетоні та сталі є випадковими марківськими процесами, що дозволяє на кожному відрізку часу визначати їх незалежно від попередньої історії [8, 9].

- інтервал часу приймають таким, що дорівнює одному року;

- усі перерізи часу для кожного випадкового процесу мають нормальний розподіл;

- коефіцієнти варіації річних прирощень постійні у часі [12].

Для усіх випадків деградації можна записати умову необоротності пошкоджень дU(t)?0 у вигляді кінетичного рівняння

(1)

де Q - параметр навантаження; t - час навантаження; ц - функція заданого виду.

Рішення рівняння (1) при заданих початкових U_o і критичних U_R рівнях пошкоджень дозволяє визначити ресурс t_R конструкцій

(2)

Результати досліджень

залишковий ресурс сталезалізобетонний міст

На рисунку 1, а наведений характерний графік роботи конструкції або споруди у часі, на якому можна виділити три стадії:

- перша - стадія навантаження споруди, яка найчастіше триває до одного року, коли відбувається припрацювання і пружна робота конструкції;

- друга - стадія експлуатації тривалістю декілька десятиріч, при якій відбувається процес накопичення пошкоджень і непружних деформацій у часі;

- третя - стадія стрімкого руйнування, коли спостерігається лавиноподібне погіршення споживчих властивостей споруди.

а

б

Рис. 1. Розрахункова модель роботи конструкції у часі: а -діаграма роботи, б- розрахункова діаграма; 1,2,3 - стадії роботи; t - час; t_R - термін експлуатації конструкції до руйнування

При технічному діагностуванні конструкції у момент часу t_k проводять інструментальне оцінювання положення точки U(t_k) у координатній площині U-t (рисунок 1, б). Згідно із заданим положенням точки U(t_k) та історії навантаження будують розрахункову модель (1) накопичення пошкоджень. Далі прогнозують траекторію U_m(t) до моменту досягнення критичного U_R рівня пошкоджень, при якому реалізується граничний стан заданого виду

U_R - U(t)= 0. (3)

Рівняння граничного стану визначають через характеристики напружено-деформованого стану елементів конструкцій, розміри дефектів і тріщин, характеристики механічних властивостей конструктивних матеріалів (бетону і сталі). Залишковий ресурс за цією схемою є різниця моментів часу технічного діагностування конструкції t_k і t_R досягнення граничного стану. Обчислити ресурс можна за формулою (2) із заміною нижньої межі на U(t_k).

Для експоненційного закону змінювання нормативної міцності конструкцій [13] можна записати

(4)

де г_о - нормативна міцність конструкції;

л - інтенсивність зношення (відмов) елемента.

У відносних величинах буде

(5)

де величина в характеризує відносну надійність конструкції по відношенню до нормативної надійності.

Після логарифмування (5) отримують

(6)

або (7)

Оцінюючи за результатами обстежень змінювання міцнісних властивостей конструкцій за певний проміжок часу за формулою (6) можна отримати інтенсивність зношення.

Для практичних розрахунків на сьогоднішній день єдиною нормативною характеристикою надійності конструкцій при оцінюванні міцності є коефіцієнти, які використовують у чинних нормах [14]: за матеріалами г_m, за навантаженням г_t, за призначенням г_n, умов роботи г_с. Зазначені коефіцієнти можуть бути зведені до повного коефіцієнта надійності г.

Для порівнювальних розрахунків прогонових будов сталезалізобетонних мостів згадані коефіцієнти по відношенню до математичних сподівань відповідних величин у середньому можуть бути прийняті: г_ѓ=1,2; г_n=1; г_c=1;

для сталевих і залізобетонних конструкцій, які руйнуються по арматурі

(8)

для залізобетонних конструкцій, які руйнуються по бетону

(9)

У формулах (8) і (9):

г_s і г_b - коефіцієнти надійності сталі та бетону;

V_s=0,07; V_b=0,135 - коефіцієнти мінливості (варіації) відповідно для сталі та бетону;

1,64 - число імовірності (квантіль), яке відповідає забезпеченості 0,95.

Для навантажень математичне сподівання з деяким запасом приймають таким, що дорівнює величині нормативного навантаження.

Повні коефіцієнти нормативної надійності становитимуть: для сталевих і залізобетонних конструкцій, які руйнуються по арматурі

для залізобетонних конструкцій, які руйнуються по бетону

що у середньому при використанні сталі та бетону складає

У момент руйнування повний коефіцієнт надійності що відповідає відносній надійності

(10)

Якщо значення в=0,6 підставити у (7), можна отримати час до руйнування споруди

(11)

Отримані залежності дозволяють кількісно оцінювати експлуатаційну придатність конструкцій у часі. При цьому інтенсивність зношення л може бути визначена будь-яким іншим способом, наприклад, рекомендованим у настановах [8].

Як приклад, нижче розглянуто визначення залишкового ресурсу для прогонової будови сталезалізобетонних мостів. За аналізом даних, виконаних авторами, можна встановити, що після 10...15 років експлуатації несуча здатність прогонової будови складає у середньому 85 % від нормативної, тобто

У цьому випадку інтенсивність зношення складе при згаданому зменшенні міцності за 10 років

при зменшенні міцності за 15 років

Відповідно терміни служби до відмови прогонової будови складуть відповідно

Якщо відняти час, який минув з початку експлуатації, то залишковий ресурс (час до повного руйнування) у першому випадку становить 31 - 10 = 21 рік, а у другому 45 - 15 = 30 років.

Висновки

Оцінювання залишкового ресурсу сталезалізобетонних мостів можливо виконувати, використовуючи імовірнісний метод, при цьому точність визначення залишкового ресурсу залежить від точності оцінювання технічного стану (ступеню зношення) споруди на час обстеження.

Література

1. ВБН В.3.1-218-174-2002. Мости та труби. Оцінка технічного стану мостів, що експлуатуються. Державна служба автомобільних доріг України. - К.: 2002. - 74 с.

2. ДБН В.2.3-6-2002. Мости та труби. Обстеження та випробування / Держбуд України. - К., 2002. - 26 с.

3. Кваша В.Г. Обстеження та випробування автодорожніх мостів: Монографія. - Львів: Вид-во НУ “Львівська політехніка”, 2002. - 104 с.

4. Кириллов В.С. Эксплуатация и реконструкция мостов и труб на автомобильных дорогах. - М.: Транспорт, 1971. - 196 с.

5. Коваль П.М. Використання методу акустичної емісії при дослідженні мостів // Автошляховик України, 2002. - № 1. - С. 34-37.

6. Коваль П.М., Полюга Р.І., Сташук П.М. Діагностика залізобетонних балкових конструкцій, що працюють в умовах малоциклових навантажень із використанням методу акустичної емісії // Ресурсоекономні матеріали, конструкції будівлі та споруди. Зб. наук. праць. - Рівне: НУВГП, 2006. - Вип. 14. - С. 481-487.

7. ІН В3.2-218-03449261.036-96. Інструкція по організації догляду за штучними спорудами / Українська державна корпорація “Укравтодор”. - К., 1996. - 90 с.

8. Настанови з визначення технічного стану мостів. - ТАУ. - К.: Логос, 2002. - 117 с.

9. Лантух-Лященко А.И. О прогнозе остаточного ресурса мостов // Дороги і мости. Зб. наук. праць. В 2-х томах: Т. ІІ. - К.: ДерждорНДІ, 2007. - Вип. 7. - С. 3-7.

10. Шестериков В.И. Прогнозирование работоспособности сталежелезобетонных пролётных строений // Автомобільні дороги та дорожнє будівництво, 2004. - № 69. - К.: НТУ. - С. 267-272.

11. Kuznetsov V.M., Tseitlin G., Hitrov V., Zaitchik I., Brodski G., Brodskaia E., Enutin Y., Shesterikov V. Bridge Management System for City of Moscow. - 9^th International Bridge Management Conference. - Orlando, Flodida, USA, 2003. - P.P. 96-101.

12. Проектирование долговечности бетонных конструкций. Доклад RILEM (пер. с англ.). Экспо Финляндии, 1994. - 122 с.

13. Барашиков А.Я., Сирота М.Д. Надійність будівель і споруд: Навч. посібник. - К.: УСДО, 1993 - 204 с.

14. ДБН В.2.3-14:2006. Споруди транспорту. Мости і труби. Правила проектування. - Київ: Мінбуд України, 2006. - 359 с.

Размещено на Allbest.ru