Белгородская область, Россия
аспирант
Белгородская область, Россия
ББК 385 Строительные конструкции
Статья посвящена проблемам долговечности изгибаемых железобетонных элементов, имеющих коррозионные повреждения бетона и арматуры. Отмечается, что из-за коррозионных повреждений материалов несущая способность эксплуатируемых железобетонных конструкций может снижаться вплоть до их разрушения. Для обеспечения безопасной эксплуатации зданий и сооружений необходимо располагать адаптированными методиками расчета, позволяющими с допустимой погрешностью определять остаточный ресурс конструкций, понятие которого применительно к строительным конструкциям многими исследователями трактуется по-разному. В задачах, не связанных с безопасностью прогнозирование развития коррозионных повреждений и уменьшения величины остаточного ресурса, предлагается выполнять прикладным способом, основанном на данных по обследованию текущего технического состояния исследуемых железобетонных конструкций и опыте эксплуатации идентичных конструкций (объектов-аналогов). Под объектами-аналогами в работе представляются здания и сооружения аналогичного функционального назначения, находящиеся в схожих климатических условиях и имеющие идентичные железобетонные конструкции. Приведена последовательность действий, по результатам которой можно определить остаточный срок службы изгибаемых железобетонных элементов. В заключение отмечена острая необходимость разработки с последующим включением в нормы проектирования универсальных методик расчета железобетонных конструкций и определения остаточного ресурса при эксплуатации под нагрузкой в агрессивных средах.
изгибаемый железобетонный элемент, коррозионное повреждение, остаточный ресурс, срок службы, прикладной способ, прогнозирование, время.
Введение. Проблемы долговечности эксплуатируемых железобетонных конструкций привлекают все возрастающее внимание. Это обусловлено тем, что фактический срок службы многих зданий и сооружений, выполненных из железобетона, на сегодняшний день превышает 60 лет и их количество ежегодно только растет. За такое длительное время с начала эксплуатации накапливаются различные технологические дефекты и средовые повреждения конструкционных материалов вследствие совместных силовых и средовых воздействий, что приводит к снижению несущей способности конструкций вплоть до их разрушения.
Определяющим показателем долговечности эксплуатируемых зданий и сооружений является остаточный ресурс основных несущих конструкций. Его расчет и прогнозирование является актуальной, сложной и информативной задачей при обеспечении дальнейшей безопасной эксплуатации строительных объектов, а также при обосновании экономической целесообразности капиталовложений в недвижимость, имеющую около или сверхнормативный срок службы.
В настоящее время существует ряд методов и основанных на них методик расчета остаточного ресурса железобетонных конструкций, описание которых подробно приведено в работах [1–3]. Присущие недостатки пока не позволяют считать какую-либо методику универсальной и включить ее в строительные нормы. Кроме того, к дополнительным сложностям приводит тот факт, что многие исследователи по-разному истолковывают само понятие остаточного ресурса строительных конструкций [4].
Согласно ГОСТ 27.002 «Надежность в технике», остаточный ресурс – суммарная наработка объекта от момента контроля его технического состояния до перехода в предельное состояние. При этом под наработкой подразумевается продолжительность или объем работы объекта. То есть, остаточный ресурс железобетонных конструкций может быть выражен как в единицах времени, тогда под ним понимается остаточный (предельно допустимый) срок службы, так и в других единицах, например, относительных единицах силового сопротивления, диктуемых поверочными расчетами по двум группам предельных состояний, тогда под ним понимается некоторый запас (прочности, устойчивости, деформативности и др.), при реализации которого наступит предельное состояние. На наш взгляд, трактовать термин остаточный ресурс более правильно именно по второму случаю, потому что здесь осуществляется непосредственная привязка к основным параметрам предельных состояний конструкций, а соответственно, технического состояния. Временной период, за который произойдет исчерпание запаса по одному из параметров (исчерпание минимального из ресурсов до нулевого значения), определяет остаточный срок службы конструкции и, таким образом, будет выдержана логическая последовательность в расчетах. Выполняя расчеты по прогнозированию остаточного ресурса, мы тем самым прогнозируем интенсивность исчерпания несущей способности, жесткости и трещиностойкости во времени и находим остаточный срок службы.
Разберем сказанное выше в виде упрощенного графика (рис. 1), описывающего изменение ресурса конструкции во времени
. Начало координат соответствует моменту ввода объекта в эксплуатацию (
), когда ресурс силового сопротивления имеет максимальную величину
, которая в большинстве эксплуатационных сред постоянна до определенного времени
– прямой участок на графике (период ожидания коррозии, дефекты и повреждения незначительны). В рассматриваемый момент времени
на основании данных по натурному обследованию технического состояния конструкции определяется ее остаточный ресурс
. Зная функциональные зависимости изменения геометрических и деформативно-прочностных характеристик материалов с течением времени, выполняется прогнозирование остаточного ресурса до его полного исчерпания (
), что будет соответствовать фактическому сроку службы конструкции
. Остаточный срок службы конструкции (остаточный ресурс, выраженный в единицах времени) T находится как разница времени
и
.
В ситуациях, когда произведены усиление или замена конструкций, начало координат соответствуют моменту возобновления эксплуатации после ремонта [5].
Рис. 1. Изменение ресурса (запаса) конструкции во времени
Для изгибаемых железобетонных элементов остаточный ресурс определяется как минимальный из всех рассчитанных по простой инженерной формуле (1). Данное выражение при необходимости дополняется другими видами расчетов по предельным состояниям и конструктивным требованиям [6]. Исправное состояние конструкции предполагает, что минимальный остаточный ресурс больше нулевого значения.
(1)
где и
– максимальные значения изгибающего момента и поперечной силы, возникающих в сечении элемента от внешней нагрузки;
и
предельный изгибающий момент и поперечная сила, которые могут быть восприняты сечением в рассматриваемый момент времени;
и
– прогиб и ширина раскрытия трещин от действия внешней нагрузки в рассматриваемый момент времени;
и
– предельно допустимые значения прогиба и ширины раскрытия трещин, принимаемые по нормам проектирования.
Часто превалирующей причиной снижения несущей способности изгибаемых железобетонных элементов является негативное влияние агрессивной эксплуатационной среды, приводящей к коррозионным повреждениям бетона и арматуры [7]. При прогнозировании остаточного ресурса и определении остаточного срока службы таких конструкций необходимо знать кинетику коррозионных процессов в материалах [8–10, 14]. В отдельных случаях для этой цели может быть применен прикладной способ прогнозирования, описанный в настоящей работе.
Методика. При выполнении работы задействованы общенаучные методы исследования, основными из которых являются обобщение и аналогия принципов работы изгибаемых железобетонных элементов в агрессивных средах под нагрузкой.
Основная часть. В задачах, когда отсутствует вероятность внезапных отказов и напрямую не связанных с безопасностью [11, 12], например, при экономическом обосновании решений на краткосрочный период и финансовом планировании ремонтов, с достаточной точностью может быть применен прикладной способ прогнозирования коррозионных повреждений и остаточного ресурса изгибаемых железобетонных элементов. Способ основывается на результатах натурных обследований технического состояния конструкций и учитывает опыт эксплуатации объектов-аналогов, под которыми понимаются здания и сооружения аналогичного функционального назначения, находящиеся в схожих климатических условиях и имеющие идентичные железобетонные конструкции.
Имеющийся опыт эксплуатации зданий и сооружений формируется экспертными организациями как информационный банк данных по основных параметрам, определяющим техническое состояние железобетонных конструкций за различный период эксплуатации. Стоит отметить, что здесь большую роль играет высокая квалификация экспертов, проводивших обследования.
Вначале проводят детальное обследование изгибаемых железобетонных элементов, на предмет обнаружения и измерения имеющихся коррозионных повреждений бетона и арматуры, измерения габаритных размеров, ширины раскрытия трещин, максимальных прогибов и т.д. Влияние агрессивной среды на бетон рассматривается как фактор, изменяющий его прочность, которая устанавливается известными неразрушающими методами контроля; количественной мерой коррозионного процесса является глубина нейтрализации композита, определяемая на сколе измерением микротвердости либо показателя рН. Считается, что прочность арматурной стали из-за процессов коррозии, меняется незначительно; количественной мерой является глубина коррозионного повреждения стержня [15].
Затем выполняются поверочные расчеты конструкций по предельным состояниям, и устанавливается их текущий остаточный ресурс по различным параметрам напряженно-деформированного состояния.
Далее по отдельности производится прогнозирование процессов развития коррозионных повреждений бетона и арматуры во времени
(рис. 2). Для этого, в соответствующую систему координат добавляются точки, характеризующие величину повреждений материалов конструкций объектов-аналогов и точка, характеризующая текущее значение повреждения материалов рассматриваемой конструкции. Для совокупности данных при помощи современных математических программных комплексов устанавливается аппроксимирующая функциональная зависимость
, линия графика которой обязательно проходит через точку
. Если проводились периодические обследования исследуемых конструкций, то при аппроксимации учитывается несколько таких точек.
Рис. 2. Прогнозирование коррозионных повреждений с учетом опыта эксплуатации объектов-аналогов
Возможно применение различных функциональных зависимостей : линейной, степенной, логарифмической, экспоненциальной и др. Это в большей степени зависит от вида агрессивной среды, вызывающей коррозию бетона и арматуры.
Выполняя прогнозирование текущих значений коррозионных повреждений до значений
, при которых по расчетам наступит предельное состояние конструкции (полное исчерпание ресурса), мы в результате найдем ее остаточный срок службы.
Выводы. Накопление коррозионных повреждений бетона и арматуры сопровождается снижением несущей способности, жесткости и трещиностойкости эксплуатируемых железобетонных конструкций вплоть до их разрушения, что может стать причиной гуманитарного, экологического и экономического ущерба.
Для обеспечения безопасной эксплуатации изгибаемых железобетонных элементов, имеющих коррозионные повреждения, необходимо располагать адаптированными методиками расчета, позволяющими с допустимой погрешностью определять остаточный ресурс, что позволит находить время наступления предельного состояния, а соответственно, остаточный срок службы.
Прогнозирование коррозионных повреждений и остаточного ресурса с достаточной точностью вполне допустимо в настоящее время выполнять с помощью прикладного способа, основанного на данных по обследованию технического состояния конструкций и опыте эксплуатации идентичных конструкций (объектов-аналогов).
Назрела острая необходимость разработки с последующим включением в нормы проектирования универсальных методик расчета железобетонных конструкций и определения остаточного ресурса при эксплуатации под нагрузкой в агрессивных средах [13].
1. Ишков А.Н. Методы прогнозирования остаточного ресурса по II группе предельных состояний для изгибаемых железобетонных конструкций, эксплуатируемых в неагрессивных средах: дис. ... канд. техн. наук. Воронеж, 2007.С 26-42.
2. Байбурин А.Х., Байбурин Д.А. Некоторые аспекты оценки остаточного ресурса строительных конструкций // Наука и безопасность. 2011. № 1 (9). С. 16-22.
3. Дегтярь А.Н., Серых И.Р., Панченко Л.А., Чернышева Е.В. Остаточный ресурс конструкций зданий и сооружений // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2017. № 10. С. 94-97.
4. Беляев С.М. Расчет остаточного ресурса зданийс учетом запаса несущей способности конструкций // Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура. 2013. № 3 (11). С. 22-25.
5. Шилин А.А. Ремонт железобетонных конструкций: Учеб. пособие для вузов. М.: Изд-во «Горная книга», 2010, 519 с.
6. Шматков С.Б. Расчет остаточного ресурса строительных конструкций зданий и сооружений // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2007. № 22 (94). С. 56-57.
7. Селяев В.П., Селяев П.В., Сорокин Е.В., Кечуткина Е.Л. Оценка влияния химически активных агрессивных сред на процесс деградации композитов // Долговечность строительных материалов, изделий и конструкций. Материалы Всероссийской научно-технической конференции. Ответственный редактор Т.А. Низина. 2018. С. 170-174.
8. Смоляго Г.А., Дронов А.В., Фролов Н.В. Моделирование величины коррозионных повреждений арматуры железобетонных конструкций в условиях хлоридной агрессивной среды // Известия Юго-Западного государственного университета. 2017. № 1 (70). С. 43-49.
9. Колчунов В.И., Андросова Н.Б. Прочность корродирующего бетона при одновременном проявлении силовых и средовых воздействий // Строительство и реконструкция. 2013. № 5 (49). С. 3-9.
10. Пахомова Е.Г., Меркулов Д.С., Гордеев А.В. Прочность и деформативность изгибаемых железобетонных конструкций при коррозионном повреждении бетона и арматуры // Известия Орловского государственного технического университета. Серия: Строительство и транспорт. 2008. № 3-19. С. 29-32.
11. Тамразян А.Г. Оценка риска и надежности несущих конструкций и ключевых элементов - необходимое условие безопасности зданий и сооружений // Вестник НИЦ «Строительство». 2009. №1. С. 160-171.
12. Меркулов С.И. Развитие теории конструктивной безопасности объектов в условиях коррозионных воздействий // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2014. № 3. С. 44-46.
13. Карпенко Н.И., Карпенко С.Н., Ярмаковский В.Н., Ерофеев В.Т. О современных методах обеспечения долговечности железобетонных конструкций // Academia. Архитектура и строительство. 2015. № 1. С. 93-102.
14. Nygaard P., Geiker M., Elsener B. Corrosion rate of steel in concrete: evaluation of confinement techniques for on-site corrosion rate measurements // Materials and Structures. 2009. Vol. 42. Pp. 1059-1076.
15. Andrade C., Alonso C. Test methods for on-site corrosion rate measurement of steel rein-forcement in concrete by means of the polarization resistance method // Materials and Structures. 2004. Vol. 37. Pp. 623-643.
