CC BY
9Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Расчет конструкций
УДК 624.012.45.042.3.046.539.4:620.193.2
В.Н. МИГУНОВ, канд. техн. наук ([email protected]), Пензенский государственный университет архитектуры и строительства; И.Г. ОВЧИННИКОВ, д-р техн. наук, Саратовский государственный технический университет
Моделирование работы изгибаемых железобетонных элементов при действии переменной эксплуатационной нагрузки и хлоридсодержащей среды
Приведены результаты длительных экспериментальных исследований прочности обычных железобетонных балок с поперечными трещинами, коррозионного поражения арматуры в агрессивной среде, содержащей хлорид-ионы, в зависимости от параметров переменной ступенчато-повторной нагрузки.
Ключевые слова: переменная ступенчато-повторная нагрузка, постоянная нагрузка, агрессивная среда, хлорид-ионы, ширина раскрытия трещин, коррозия арматуры, прочность
В транспортном строительстве сборный железобетон практически заменил металл в мостах с малыми и средними пролетами ^<33,5 м). При проектировании железобетонных конструкций мостов в основу их долговечности закладывается нормативный срок эксплуатации, составляющий не менее 80 лет. Однако в России средний срок службы значительной части заменяемых пролетов строений составляет 35-45 лет [1].
В процессе эксплуатации конструкции подвергаются воздействию не только эксплуатационных нагрузок, но и агрессивных сред. Коррозионное разрушение железобетонных элементов в основном происходит из-за хлорид-ной коррозии арматуры в условиях карбонизации бетона. Хлориды попадают в бетон в результате использования солей антиобледенителей и из воздуха климата морских побережий. Увеличение числа циклов воздействий жидкой агрессивной среды, содержащей хлорид-ионы, в два раза повышает глубину коррозии арматуры на 30-40% [2].
Постепенное накопление хлоридов в приарматурном слое до критического значения приводит к коррозии арматуры. Эксплуатация железобетонных конструкций с определенными классами арматуры из мягких углеродистых сталей с высокими пластическими свойствами сопровождается возникновением и развитием процесса коррозии арматуры во времени. Однако при карбонизации бетона критическая концентрация хлоридов, при которой начинается коррозия арматуры, уменьшается в два раза. При этом коррозия стали резко интенсифицируется на достаточно протяженных участках арматуры, что может привести к отслоению защитного слоя бетона уже после двух лет ввода в действие конструкции [3].
Продолжительность эксплуатации железобетонных элементов с термически упрочненными стержнями, высокопрочной арматурной проволокой, которые характеризуются хрупким разрушением вследствие развития коррозии и склонностью к коррозионному растрескиванию, ограничивается временем карбонизации защитного слоя бетона.
В настоящее время влияние электрохимической и химической коррозии арматуры и бетона на несущую и деформационную способность железобетонных конструкций оценивается ориентировочно. Расчет железобетонных конструкций нормирован СНиП 52-01-2003 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения», в которых отсутствуют главы по влиянию химически агрессивных сред на их несущую и деформационную способность. В то же время действующими нормами СНиП 2.03.11-85 «Защита строительных конструкций от коррозии» определен минимальный срок эксплуатации конструкций из бетона в течение 50 лет.
Моделирование напряженно-деформированного состояния железобетонных конструкций с учетом протекающих коррозионных процессов позволяет прогнозировать наступление их аварийного состояния.
Математические модели нагружения железобетонного конструктивного элемента, воздействия агрессивной среды (карбонизации и хлоридной коррозии), деформирования материала с учетом изменений, вызванных действием агрессивной среды и коррозионного износа арматуры, рассмотрены в работах [1, 4]. Однако в этих работах моделируется работа железобетонных конструкций в агрессивных средах без поперечных трещин в растянутой зоне бетона. Работу бетона без раскрытия поперечных трещин можно практически обеспечить только в предварительно напряженных железобетонных элементах. В конструкциях с обычным армированием вопрос должен стоять только о допустимом раскрытии трещин.
Начало коррозии арматуры в поперечной трещине бетона связано с локальной депассивацией поверхности арматуры в результате нарушения сцепления арматуры с бетоном. Как в бетоне без трещин, депассивация стали в зоне влияния поперечной трещины происходит в результате понижения степени щелочной жидкой фазы у поверхности арматуры или непосредственного воздействия на нее активирующих ионов, в частности хлоридов.
Для изучения влияния на долговечность изгибаемых обычных железобетонных элементов ступенчато-повторных
1'2011
27
Расчет конструкций
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
Функциональные зависимости изменения экспериментальных характеристик прочности прямых моделей пн, %, па, %, и коррозионного поражения арматуры 1^"*, мм, /кср, мм, бц**, мм, 5^, мм, Fкср, мм2100, Б, баллы - от параметров переменной нагрузки т, р, tц Максимальные значения для неблагоприятных спектров параметров опытной и существующих нагрузок
Для спектра параметров опытной нагрузки Для спектра граничных значений параметров существующих нагрузок
пн-100=0,966(1,03-0,06л)(1,07-0,08р)(1,04-0,001у 96 90
па-100=1,024(0,99-0,03т)(1-0,02р)(0,98-0,0002у 95 94
;«*=0,00038(46,4+17,95т)(47,42+6,18р)(59,5-0,25у 62,5 77,99
1 скр =0,0005(21,49+39,81 т|)(38,12-13,45р)(37,17-0,19у 25,49 49,51
5кма*=1,534(0,614+0,54п)(0,55+1,5е-2'9р)(0,5+0,5е-0 06'ц) 0,635 3,629
бс'=39,98(0,135+0,096т|)(0,149+0,061р)(0,105+0,12е-0дац) 0,292 0,436
FксP=0,04521(4,17+1,33т)(7,05-2,57р)(3,5+4e-0•055'ц) 8,7 13,15
Б=0,155(2,09+1,74т|)(3,66-1,81 р)(2,97-0,012у 3,71 5
нагрузок, не учитываемых расчетными нормативными документами, при воздействии жидкой хлоридсодержащей среды проведены длительные экспериментальные исследования на моделях обычных железобетонных конструкций.
Влияние параметров эксплуатационных ступенчато-повторных нагрузок на изменение несущей способности железобетонных элементов и коррозионные характеристики несущей арматуры исследовалось на прямых моделях реальных строительных конструкций - железобетонных балках из тяжелого бетона особо низкой проницаемости с размерами 1500X200X70 мм, зона чистого изгиба которых была свободной от поперечной арматуры. Образцы армированы одним рабочим стержнем 012 мм класса А-Ш.
В эксперименте математической основой методики испытания является сбалансированный многофакторный эксперимент [5], где три независимых параметра переменной нагрузки в одном цикле загружения (см. рисунок) - относительное
IV!
Mmax 1ц
Режим действия нагрузки в одном цикле
M . -
mn
Режим загружения ступенчато-повторной нагрузки: Мг соответственно максимальная и минимальная составляющие ступенчато-повторной переменной нагрузки; t, tМ ,— соответственно продолжительность цикла переменной нагрузки и время действия максимальной составляющей нагрузки в периоде цикла
время действия максимальном нагрузки в периоде цикла Оп=МтаД,); уровень загружения минимальной нагрузкой (p=MmjjMmax) и продолжительность цикла переменной нагрузки (t4) - приняты на четырех уровнях: п - 0,1; 0,2; 0,3 и 0,4; р - 0,4; 0,533; 0,666 и 0,8; ^ - 3,5 сут; 14 сут; 28 сут и 56 сут.
Наиболее опасной для работоспособности железобетонных конструкций считается приложение повторной нагрузки высокой интенсивности. Поэтому максимальная составляющая ступенчато-повторной нагрузки принята для всех образцов равной по значению Мтах = 0,77Мразр, где Мразр - величина разрушающего изгибающего момента. Величины нагрузки контрольных образцов с постоянным загруже-нием соответствовали следующим уровням загружения М /М : 0,9; 0,533; 0,426 и 0,32.
пост разр ' ' ' ' ' '
Для эксперимента был принят раствор 3% NaCl по концентрации хлорид-ионов Cl-=18,2 г/л, имитирующий морскую воду, с коэффициентом ускорения коррозии арматуры К =10 в трещинах с а =0,2 мм [6].
кор ^ 1 crc ' L J
В течение всего периода эксперимента в агрессивной среде образцы три раза в сутки увлажняли агрессивным раствором. При появлении на балках, подвергшихся в течение года воздействию переменной нагрузки и агрессивной среды, продольных трещин с шириной раскрытия апт = 15-20 мкм эксперимент был завершен.
Математический анализ результатов эксперимента показывает наличие функциональной зависимости изменения прочности прямых моделей в неагрессивных (пн) и агрессивных (па) условиях и характеристик коррозионного поражения арматуры от параметров переменной нагрузки и вида воздействующей среды. В табл. 1 приведены соответствующие функции регрессии и результаты изменения несущей способности балок и физических характеристик коррозионного поражения арматуры (acrc=0,2 мм) после
Таблица 2
Показатели Условия %
испытания п Р
пн Н 40 35 25
па А 25 40 35
M
m ax
M
о
28
12011
Научно-технический и производственный журнал
Расчет конструкций
. Основные параметры испытания: Н, А -неагрессивные и агрессивные условия;
/Мр-р, 1к- длина участка коррозии; 5к- глубина корро-
года испытания соответственно
п=М
р
зионного поражения арматуры; Fк - площадь участка коррозии; Б - оценка в баллах участка коррозии арматуры.
Анализ результатов эмпирических уравнений свидетельствует о неоднозначной зависимости показателей пн и па от параметров переменной нагрузки (табл. 2).
Несущая способность контрольных опытных образцов, испытанных при воздействии постоянной нагрузки в различных средах, не уменьшилась. Одновременно несущая способность железобетонных балок, испытанных в агрессивной среде при переменной нагрузке, оказалась ниже на 2,6% по сравнению с постоянным загружением и выше на 1,9%по сравнению с неагрессивными условиями и переменной нагрузкой. По-видимому, это связано с увеличением на 12% прочности бетона образцов, подвергавшихся воздействию жидкой адсорбционно-активной среды.
Действие переменной нагрузки при сопоставимых величинах ширины раскрытия трещин (acJ привело к увеличению не менее, чем в 1,5 раза значений характеристик коррозионного поражения арматуры: максимальной и средней длины участка коррозии вдоль арматуры, максимальной и средней длины участка коррозии по периметру стержня, максимальной глубины язв и площади коррозии по сравнению с воздействием постоянной нагрузки. Однако, при этом, средняя глубина коррозионных язв на арматуре при воздействии обоих видов нагрузки осталась неизменной.
При испытании стержней арматуры 012 класса А-Ш, извлеченных из железобетонных элементов, на прочность их разрыв происходил, как правило, на участках со средней глубиной язв 300 мкм. Однако разрывное усилие стержней при этом заметно не изменялось. Физический предел текучести (470 МПа) и временное сопротивление (680 МПа) арматуры в среднем уменьшились соответственно на 6 МПа (1,1%) и 7 МПа (1%).
Для соответствующей величины ширины раскрытия поперечных трещин acrc в миллиметрах для арматуры класса А-Ш диаметром 12 мм опытные средняя глубина поражения бср в микронах (% уменьшения диаметра) и длина участка коррозионного поражения в зоне влияния поперечной трещины l в миллиметрах составили следующие значения при:
*5ср=45 мкм(0,8%)-/=6 мм
*5ср=84 мкм(1,4%)-/=11 мм
=0,05 мм-=0,07 мм-
=0,1 мм-бср=125 мкм(2,1%)-/=16 мм =0,125 мм-бср=185 мкм(3,1%)-/=25 мм =0,15 мм-бср=240 мкм(4%)-/=32 мм =0,2 мм-бср=300 мкм(5%)-/=39 мм.
Параметры переменной ступенчато-повторной нагрузки функционально влияют на изменение несущей способности образцов как в неагрессивной, так и в агрессивной среде.
Для предотвращения появления продольных трещин в условиях воздействия сильноагрессивной жидкой среды, содержащей хлорид-ионы, и переменной ступенчато-повторной нагрузки необходимо принимать значение а^^^мм.
Список литературы
1. Маринин А.Н, Гарибов Р.Б., Овчинников И.Г. Сопротивление железобетонных конструкций воздействию хлорид-ной коррозии и карбонизации. Саратов: Рата, 2008. С. 53.
2. Шавыкина М.В. Оценка сроков службы железобетонных конструкций при коррозии арматуры // Бетон и железобетон. 2006. № 5. С. 26-31.
3. Васильев А.И., Подвальный А.М. Прогноз коррозии арматуры железобетонных конструкций автодорожных мостов в условиях хлоридной агрессии и карбонизации // Бетон и железобетон. 2002. № 6. С. 27-32.
4. Овчинников И.Г., Раткин В.В., Землянский А.А. Моделирование поведения железобетонных элементов конструкций в условиях воздействия хлоридсодержа-щих сред. Сарат. гос. техн. ун-т, 2000. 232 с.
5. Шенк Х. Теория инженерного эксперимента. М.: Мир, 1972. С. 185-193.
6. Мигунов В.Н. Влияние переменной нагрузки и амплитуды изменения ширины раскрытия трещин на коррозионное поражение арматуры в трещинах железобетонных конструкций // Изв. вузов. Строительство. 2002. № 10. С. 134-137.
Данные результаты показывают линейную зависимость длины участка коррозии (мм) от средней глубины поражения (мкм): I = 0,13бср.
Предельное уменьшение первоначального диаметра арматуры, опасное для несущей способности железобетонного элемента, составляет 15%. Для диаметра 12 мм оно составляет 1,8 мм, или б = 900 мкм.
' ' кр
Таким образом, переменная ступенчато-повторная нагрузка влияет на долговечность обычных железобетонных конструкций в хлоридсодержащих средах через ускоренное распространение продуктов коррозии арматуры вдоль стержня, приводящих к появлению продольных трещин в защитном слое бетона по сравнению с постоянным загружением.
XIV межрегиональная специализированная выставка
БЕЛЭКСПОСТРОЙ
Т.'ф.. ¡4722/ 58-29-51. 53-29-66. 53-29-J1 E-mail [email protected]; www.belexpocentr.ru; г. Белгород, ул. Победы, 147а
12011
29
