Построение модели деформирования сжимаемых железобетонных конструктивных элементов транспортных сооружений, эксплуатируемых в агрессивных средах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Построение модели деформирования сжимаемых железобетонных конструктивных элементов транспортных сооружений, эксплуатируемых в агрессивных средах

Введение

железобетонный транспортный конструкция коррозионный

Транспортные сооружения - важнейшие элементы инфраструктуры городов и межгородских сетей, зачастую имеющие статус объектов федерального значения. Их основной задачей является обеспечение эффективного и безопасного функционирования транспортных коммуникаций, располагающихся в сложных городских условиях, а также на автомобильных трассах и железнодорожных путях, пересекающих водотоки, магистрали и т.д. [1, 2]. К категории транспортных сооружений относят, в первую очередь, автомобильные, железнодорожные, пешеходные и совмещенные мосты.

К настоящему времени в России эксплуатируется значительное количество мостовых сооружений, которые имеют железобетонные конструктивные элементы. В процессе эксплуатации железобетонные конструкции мостов подвергаются воздействию не только эксплуатационных нагрузок, но и агрессивных сред.

Отметим, что проведенные натурные наблюдения и экспериментальные исследования, а также их результаты свидетельствуют о наличии причинно-следственной связи между воздействием карбонизации, хлоридсодержащих, сульфатсодержащих и других эксплуатационных сред, и существенным изменением механических свойств материала железобетонных конструкций мостов, а также, в отдельных случаях, изменением характера работы конструкций [3]. По мере проникания агрессивных сред в конструктивные элементы частей моста и взаимодействия их с железобетоном происходит деградация материала, коррозия армирующих элементов, появление и развитие не только силовых, но и коррозионных трещин. В результате снижается грузоподъемность, повышается деформативность, и в целом снижается долговечность мостовых сооружений.

В связи с вышесказанным, возникает задача обеспечения безопасной эксплуатации транспортных сооружений с учетом возможного возникновения и развития дефектов и повреждений на их конструктивных элементах.

В работах авторов [2, 4-7] освещались, кроме всего прочего, вопросы безопасной эксплуатации сталежелезобетонных конструкций транспортных сооружений в условиях воздействия агрессивных сред. Была предпринята попытка учета влияния агрессивной среды на напряженно-деформированное состояние транспортного сооружения на примере расчета изгибаемого сталежелезобетонного элемента, подверженного хлоридной агрессии.

В данной же статье проводится анализ напряженно-деформированного состояния и оценки остаточной несущей способности сжатых железобетонных конструкций транспортных сооружений с учетом влияния агрессивных (хлоридсодержащих) сред, с целью прогнозирования их поведения при появлении и развитии в них дефектов и повреждений.

1.Влияние агрессивных эксплуатационных сред на железобетонные конструкции транспортных сооружений

Говоря о воздействии агрессивных сред на транспортное сооружение, следует разделить факторы, вызывающих данное влияние на части сооружения: надводную и подводную.

Транспортные сооружения, имеющие конструктивные элементы, расположенные под водой, подвергаются множеству негативных, нарушающих безопасную эксплуатацию сооружения факторов, особенно сооружения, находящиеся в морской среде, богатой различными солями. Регулярные периоды замораживания и оттаивания, коррозия металлических и бетонных материалов, из которых состоят опоры моста и фундаменты опор, вкупе с разрушающим действием растворенных в морской воде солевых соединений являются примерами причин износа элементов сооружения, и, как следствие, ухудшения эксплуатационных показателей. Приведем несколько примеров влияния различных факторов морской среды на мостовые сооружения (в России эти факторы влияния актуальны, к примеру, для «Золотого моста» через бухту Золотой Рог, «Русского моста» на о. Русский, будущего моста через Керченский пролив и др.) [1, 8-12]:

§ Повышенная температура воды. Теплые воды ускоряют химические реакции, к примеру, коррозию.

§ Концентрация кислорода в морской среде. Повышенное содержание кислорода в воде способствует коррозии. Благодаря волнам и потокам вода, богатая кислородом переносится к элементам моста.

§ Загрязненные водоемы. Загрязненные зоны водоемов негативно сказываются на погруженных в воду элементах моста, ускоряя коррозию, износ от механических воздействий и т.д.

§ Засоленность водной среды. Хлориды вызывают коррозионные поражения подводных поверхностей частей моста. Морская вода содержит приблизительно 3,5% различных солей. Коррозия, как правило, наблюдается при концентрации от 1% соли в воде. Нахождение сульфатов в морской воде приводит к разрушению железобетонных поверхностей элементов моста.

Хлоридсодержащая среда является одной из наиболее распространенных эксплуатационных сред, под воздействием которых находятся мостовые сооружения в целом, в том числе и их надводные части - элементы опор и пролетные строения. Среди основных источников хлоридного загрязнения железобетонных элементов мостовых конструкций следует выделить:

1. Хлоридсодержащие средства-антиобледенители (на основе каменной соли), применяемые с целью обеспечения безопасности проезда автотранспорта при гололеде на проезжей части мостов. Анализ результатов обследований мостов позволяет сделать однозначный вывод - основные причины появления повреждений на железобетонных мостах и путепроводах - коррозия бетона и арматуры вследствие попадания на элементы мостов воды с проезжей части и тротуаров [3]. Особенно губительна вода с проезжей части и тротуаров в осенне-зимний период, поскольку она содержит в себе химические вещества, применяемые при борьбе с гололедом и губительные для железобетонных конструкций мостов и путепроводов (вызывающие хлоридную коррозию в дополнение к карбонизации). Результаты обследования малых (балочных) мостов и путепроводов выявляют практически одни и те же дефекты, связанные с коррозией железобетона. На всех мостах и путепроводах идет интенсивное разрушение крайних балок, это связано с тем, что на крайние балки попадает вода с проезжей части и тротуаров. Также слабым местом мостов являются деформационные швы - они на всех мостах находятся в таком состоянии, что через них вода с проезжей части свободно попадает на торцы балок пролетных строений, ригели и верхнюю часть опор, приводя к их разрушению.

2. Морская вода либо солевой туман, которые характерны для приморской атмосферы.

3. Добавки-ускорители твердения (на основе хлоридных солей), которые ранее вводились при зимнем бетонировании в бетонную смесь.

Влияние агрессивных хлоридных сред на транспортное сооружение влечет к значительным, необратимым изменениям деформативно-прочностных свойств железобетонного конструктивного элемента, подвергшегося поражению [13, 14]. При этом снижаются защитные свойства бетона по отношению к арматуре, разрушающейся при развитии коррозии, уменьшается нормативная площадь поперечного сечения арматуры и нарушается ее сцепление с бетоном. Вследствие вышесказанного происходит значительное снижение остаточной несущей способности и долговечности железобетонных конструктивных элементов транспортного сооружения.

Существует необходимость в определении напряженно-деформированное состояния железобетонных конструктивных элементов транспортных сооружений при воздействии агрессивной среды. Проведем расчет конструкции на стадии эксплуатации по уточненной расчетной схеме. Для обеспечения более высокой эффективности и надежности расчета учтем нелинейность и разномодульность деформирования материала, изменение его свойств под влиянием среды, коррозионный износ арматуры и ряд других особенностей. Используем аппарат математического моделирования, теорию структурных параметров и феноменологический подход для анализа и оценки влияния агрессивной (хлоридсодержащей) среды на напряженно-деформированное состояние и долговечность сжимаемого элемента мостовой конструкции [15-17]. В качестве такого элемента примем железобетонную стойку опоры моста круглого сплошного поперечного сечения.

2.Расчет напряженно-деформированного состояния и оценка остаточной несущей способности сжатых железобетонных конструкций транспортных сооружений

Рассмотрим модель деформирования сжимаемого конструктивного железобетонного элемента моста, подвергающегося воздействию хлоридсодержащей среды. В данном случае математическая модель примет вид сочетания моделей конструктивного элемента, следствия влияния агрессивной среды, деформирования материала железобетона с учетом изменений, вызванных действием агрессивной среды, износа арматуры от развития коррозионных процессов, и в дальнейшем наступления предельного состояния [15].

Модель проникания агрессивной хлоридсодержащей среды в материал (железобетон) имеет вид [9]:

(1)

где - концентрация хлоридов в точке конструктивного элемента с координатой в момент времени t; С₀ - концентрация хлоридов на поверхности конструктивного элемента; R - радиус стойки (см. рис. 1); L(t) - закон продвижения границы размытого фронта вглубь конструктивного элемента, например: где , b - коэффициенты.

Рис. 1. Сжимаемый стержневой элемент

Модель деформирования материала (железобетона) имеет вид:

- для бетона, не содержащего хлоридов (непораженного):

(2)

- для бетона с хлоридами (пораженного):

(3)

- для стальной арматуры:

(4)

В этих выражениях: - напряжение; - деформация; - коэффициенты, определяемые из условия наилучшей аппроксимации диаграммы сжатия непораженного хлоридами бетона; - то же, для пораженного хлоридами бетона, вид этих коэффициентов зависит от концентрации агрессивной среды С в точке материала; A, m - коэффициенты, определяемые из условия наилучшей аппроксимации диаграммы деформирования (сжатия) арматурной стали.

Модель коррозионного износа арматуры железобетонного элемента имеет вид:

(5)

или (6)

где - глубина коррозионного износа арматурной стали; ₀, Т, k - коэффициенты; t_inc - инкубационный период, т.е. время, в течение которого концентрация хлоридов С в зоне расположения арматурного стержня достигает критического уровня С_кр.

Полагаем, что предельное состояние конструктивного элемента может наступить вследствие достижения напряжениями в любой точке неповрежденной и поврежденной хлоридами части сечения некоторого опасного уровня. Для бетона этот уровень соответствует максимальным сжимающим напряжениям на диаграмме деформирования, для стальной арматуры - пределу текучести. Нагрузка и среда действуют осесимметрично, давление продуктов коррозии арматуры на бетон, а также работа косвенной арматуры не учитывается. Будем считать, что устойчивость сжатой стойки обеспечена, а модель коррозионного износа арматуры имеет вид (6).

Список литературы

Кокодеев А.В., Овчинников И.Г. Обследование, мониторинг, выполнение ремонтных и восстановительных работ на подводных частях транспортных сооружений // Интернет-журнал "Науковедение", 2014 №5 (24) [Электронный ресурс]-М. : Науковедение, 2014 -.- Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/02KO514.pdf, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. рус., англ.

Раткин В.В., Кокодеев А.В. Моделирование напряженно-деформированного состояния сталежелезобетонных конструкций транспортных сооружений, находящихся под воздействием агрессивных сред // Техническое регулирование в транспортном строительстве. - 2014. - № 4 (8); URL: trts.esrae.ru/14-56

Овчинников И.Г., Валиев Ш.Н., Овчинников И.И., Зиновьев В.С., Умиров А.Д. Вопросы усиления железобетонных конструкций композитами: 1. Экспериментальные исследования особенностей усиления композитами изгибаемых железобетонных конструкций // Интернет-журнал "Науковедение", 2012 №4 (13) [Электронный ресурс]-М. : Науковедение, 2012 -.- Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/7TVN412.pdf, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. рус., англ.

Овчинников И.Г. Работоспособность сталежелезобетонных элементов конструкций в условиях воздействия хлоридсодержащих сред / Овчинников И.Г., Раткин В.В., Гарибов Р.Б. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2002. - 156 с.

Раткин В.В., Кокодеев А.В. Анализ причин возникновения дефектов и повреждений сталежелезобетонных конструкций транспортных сооружений, влияющих на их несущую способность и долговечность // Техническое регулирование в транспортном строительстве. - 2014. - № 4 (8); URL: trts.esrae.ru/14-57

Раткин В.В. Прогнозирование поведения изгибаемого сталежелезобетонного конструктивного элемента с учетом деградационных процессов, вызванных воздействием агрессивной хлоридсодержащей среды // Разработка методов расчета, диагностики, проектирования, строительства, эксплуатации существующих и вновь создаваемых сооружений: Сб. межвуз. конф. - Саратов, 2001. - С. 100-104. Деп. в ВИНИТИ 03.09.2001. № 1921-В2001.

Раткин В.В. Коррозионно-механическая прочность сталежелезобетонных элементов конструкций в условиях хлоридной агрессии (монография) // Раткин В.В., Овчинников И.Г. деп. в ВИНИТИ, 20.02.01, № 425-В2001. - 210 c.

Кокодеев А.В., Овчинников И.Г. Обследование, оценка эксплуатационного состояния подводных частей мостовых сооружений, особенности планирования и выполнения на них ремонтных работ // Безопасность регионов - основа устойчивого развития: материалы четвертой международной научно-практической конференции, г. Иркутск, 22-26 сентября 2014 г. / Иркутск: Изд-во Иркутск: ИрГУПС, 2014. - С. 247-252.

Овчинников И.Г. Моделирование поведения железобетонных элементов конструкций в условиях воздействия хлоридосодержащих сред / Овчинников И.Г., Раткин В.В., Землянский А.А. Саратов, СГТУ, 2000 г. - 232 с.

Terence M. Brown Underwater Bridge Repair, Rehabilitation, and Countermeasures / Thomas J. Collins Michael J. Garlich, John E. O'Leary, Katherine C. Heringhaus, Collins Engineers, Inc., 2010, Chicago, Illinois, USA, P. 137.

Will D. Lindquist Effect of Cracking on Chloride Content in Concrete Bridge Decks // Will D. Lindquist, David Darwin, JoAnn Browning, Gerald G. Miller. ACI Materials Journal, November-December, 2006. P. 467-473.

J.L.Smith Materials and methods for corrosion control of reinforced and prestressed concrete structures in new construction // J. L. Smith, Y.P.Virmani. National Technical Information Service, Springfield, Virginia, USA. August, 2000. P. 71.

Кокодеев А.В., Шеин А.А. Определение напряженно-деформированного состояния горизонтальных цилиндрических стальных резервуаров с учетом повреждений коррозионного происхождения // Техническое регулирование в транспортном строительстве. - 2015. - № 1 (9); URL: trts.esrae.ru/15-58

Кокодеев А.В., Шеин А.А. Влияние осесимметричных геометрических несовершенств корпусов стальных вертикальных цилиндрических резервуаров на их устойчивость и долговечность // Техническое регулирование в транспортном строительстве. - 2015. - № 1 (9); URL: trts.esrae.ru/15-61

Овчинников И.Г., Петров В.В. Математическое моделирование процесса взаимодействия элементов конструкций с агрессивными средами // Деформирование материалов и элементов конструкций в агрессивных средах: Межвуз. науч. сб. - Саратов: СПИ, 1983. - С. 3-11.

Петров В.В., Овчинников И.Г., Иноземцев В.К. Деформирование элементов конструкций из нелинейного разномодульного материала. - Саратов: Изд-во СГУ, 1989. - 160 с.

Jack Bennett Electrochemical chloride removal and protection of concrete bridge components: Laboratory studies // Jack Bennett, Thomas J. Schue, Kenneth C. Clear, David L. Lankard, William H. Hartt, Wayne J. Swiat / National Academy of Sciences, Washington, DC, 1993. P. 193.

Размещено на Allbest.ru