17 - 08 - 2017
SOFiSTiK – универсальный программный комплекс, использующий метод конечно-элементного анализа
Сбор нагрузок и расчет по грунту фундаментов опор автодорожных, железнодорожных и пешеходных мостов
ООО Малое инновационное предприятие Технопарк МАДИ

Долговечность

Методы оценки долговечности армированных конструкций при действии нагрузок и агрессивных сред

Межнякова А.В.
Овчинников И.Г.

Целью проектирования армированных конструкций транспортных сооружений является обеспечение безопасной работы (надежности) этих конструкций в течение определенного времени. Международный союз исследовательских лабораторий и экспертов по материалам и конструкциям (RILEM) определяет долговечность конструкции как способность ее в условиях деградации сохранять качество на уровне не ниже минимально допустимого в течение установленного в проекте срока службы. В России под долговечностью понимается время, в течение которого конструкция с необходимой надежностью удовлетворяет требованиям безопасности и эксплуатационной пригодности при различных эксплуатационных воздействиях.

Нередко вместо понятия долговечность для армированных конструкций используется характеристика "срок службы", которая определяется продолжительностью от начала эксплуатации армированной конструкции до ее перехода в предельное состояние, задаваемое по требованиям безопасности, экономичности и другим показателям. RILEM [1] определяет срок службы как период времени после возведения сооружения, в течение которого основные показатели эксплуатационного качества конструкций не выходят за рамки допустимых значений, при условии нормального эксплуатационного обслуживания.

Международная конференция по долговечности железобетонных конструкций [2] рекомендует следующие значения проектного срока службы (таблица 1).

Рациональный срок службы армированных конструкций должен зависеть от характера внешних воздействий и агрессивности эксплуатационной среды. Ввиду большого числа влияющих факторов, имеющих вероятностную природу, прогнозирование срока службы армированных конструкций представляет собой весьма сложную задачу.

Можно отметить несколько подходов к решению этой задачи.

1) Методы прогнозирования, основанные на использовании аналогий. Здесь предполагается, что если армированная конструкций просуществовала определенное время в некоторых агрессивных условиях эксплуатации, то аналогичная конструкция в таких же условиях будет иметь такой же срок службы. При всей разумности этого предположения не учитывается разброс параметров и характеристик конструкций, кинетика изменения свойств материалов в разные периоды времени, улучшение свойств материалов по мере развития науки и технологии, применение новых добавок и т.д. Поэтому сроки службы однотипных конструкций, изготовленных в разное время, могут значительно отличаться.

2) Методы прогнозирования, основанные на проведении ускоренных испытаний. Эти методы пригодны при учете влияния малого числа факторов. Характерным применением является использование температурно-влажностной аналогии. Но эти методы предполагают одинаковость деградационных процессов для ускоренных кратковременных испытаний и для реальных условий эксплуатации.

3) Методы прогнозирования, основанные на опыте экспертов, реализованном в нормативных документах различного характера. Здесь предполагается, что у конструкций, выполненных с соблюдением требований нормативных документов, будет обеспечен проектный срок службы. Но этот подход не работает в условиях воздействия различных агрессивных эксплуатационных сред, интенсивность воздействия которых изменяется со временем, а также практически не применим при прогнозировании поведения армированных конструкций из новых материалов, опыт эксплуатации которых ограничен.

4) Методы прогнозирования, основанные на применении линейной и нелинейной механики разрушения. Эта методология интенсивно развивается в последнее время, особенно с учетом того, что долговечность армированных конструкций во многом определяется наличием и шириной раскрытия трещин. При этом практически не учитывается разброс и вероятностный характер многих параметров.

5) Методы математического моделирования поведения армированных конструкций с учетом реальных условий эксплуатации. Здесь нужно знать закономерности проникания агрессивных сред в армированные конструкции и взаимодействия их с компонентами конструкций. К этим закономерностям следует добавить модели деформирования и разрушения армированных конструкций во времени с учетом деструкционных процессов, протекающих в них. Другими словами при таком подходе рассматриваются совместно задачи механики деформируемого твердого тела и задачи диффузии и механохимии. Например, в последнее время для расчета армированных конструкций активно начинает применяться деформационный подход, согласно которому прочностная и деформационная стороны задачи взаимосвязаны. Но для учета воздействия условий эксплуатации к известным трем сторонам задачи расчета конструкций - статической (связанной с определением усилий в конструкции от действующих нагрузок), геометрической (связанной с установлением зависимостей между перемещениями и деформациями в точках конструкций, а также с обеспечением неразрывности этих деформаций), физической (связанной с определением зависимости между напряжениями и деформациями или между усилиями и перемещениями), добавляются еще уравнения, описывающие кинетику процессов взаимодействия конструкций и составляющих их материалов с внешними воздействиями (в частности - агрессивными внешними средами и полями), зависимости, связывающие характеристики материалов конструкции с параметрами внешних воздействий и уравнения, описывающие развитие повреждений того или иного вида, приводящих к постепенному разрушению конструкции. Сюда же относится и методология применения деградационных функций.

6) Методы теории надежности и близкие (стохастические) методы, учитывающие вероятностный характер деградационных и деформационных процессов в конструкциях, а также разброс геометрических и механических параметров армированных конструкций. Эти методы, по сравнению с детерминированными методами прогнозирования позволяют более корректно учесть и отразить вероятностных характер многих параметров конструкций и на начальной стадии и в процессе их эксплуатации, но необходимые для расчета статистические закономерности должны быть определены на основе большого объема экспериментальной информации, получение которой пока затруднительно. Кроме того нужна достаточно полная информация о таких состояниях армированных конструкций, которые можно трактовать как предельные.

Опыт свидетельствует о том, что армированные конструкции имеют ограниченный срок службы, так как в процессе эксплуатации подвергаются комплексу внешних воздействий (нагрузки, тепловые и другие физические поля, агрессивные среды), вызывающих или ускоряющих деградационные процессы в конструкциях. Необходимость разработки методов прогнозирования срока службы армированных конструкций определяется: широким и все более возрастающим использованием армированных конструкций в агрессивных условиях эксплуатации при экстремальных нагрузках; применением новых современных материалов, для которых неизвестна долговечность в реальных условиях; высокой стоимостью модернизации, восстановления, усиления эксплуатируемых поврежденных армированных конструкций до требуемого уровня эксплуатационной пригодности.


1. fib (CEB - FIP) Bulletin. Monitoring and safety evaluation of existing concrete structures. March 2003. pp. 153 - 161.
2. Many K., Sreenath H.D., Service life prediction and corrosion protection methods in reinforced concrete structures - problems and possibilities. International conference on maintenance & durability of concrete structures (March 4 - 6, 1997, JNT University, Hyderabad, India. pp. 257 - 266.


Целью проектирования армированных конструкций транспортных сооружений является обеспечение безопасной работы (надежности) этих конструкций в течение определенного времени. Международный союз исследовательских лабораторий и экспертов по материалам и конструкциям (RILEM) определяет долговечность конструкции как способность ее в условиях деградации сохранять качество на уровне не ниже минимально допустимого в течение установленного в проекте срока службы. В России под долговечностью понимается время, в течение которого конструкция с необходимой надежностью удовлетворяет требованиям безопасности и эксплуатационной пригодности при различных эксплуатационных воздействиях.

Нередко вместо понятия долговечность для армированных конструкций используется характеристика "срок службы", которая определяется продолжительностью от начала эксплуатации армированной конструкции до ее перехода в предельное состояние, задаваемое по требованиям безопасности, экономичности и другим показателям. RILEM [1] определяет срок службы как период времени после возведения сооружения, в течение которого основные показатели эксплуатационного качества конструкций не выходят за рамки допустимых значений, при условии нормального эксплуатационного обслуживания.

Международная конференция по долговечности железобетонных конструкций [2] рекомендует следующие значения проектного срока службы (таблица 1).

Рациональный срок службы армированных конструкций должен зависеть от характера внешних воздействий и агрессивности эксплуатационной среды. Ввиду большого числа влияющих факторов, имеющих вероятностную природу, прогнозирование срока службы армированных конструкций представляет собой весьма сложную задачу.

Можно отметить несколько подходов к решению этой задачи.

1) Методы прогнозирования, основанные на использовании аналогий. Здесь предполагается, что если армированная конструкций просуществовала определенное время в некоторых агрессивных условиях эксплуатации, то аналогичная конструкция в таких же условиях будет иметь такой же срок службы. При всей разумности этого предположения не учитывается разброс параметров и характеристик конструкций, кинетика изменения свойств материалов в разные периоды времени, улучшение свойств материалов по мере развития науки и технологии, применение новых добавок и т.д. Поэтому сроки службы однотипных конструкций, изготовленных в разное время, могут значительно отличаться.

2) Методы прогнозирования, основанные на проведении ускоренных испытаний. Эти методы пригодны при учете влияния малого числа факторов. Характерным применением является использование температурно-влажностной аналогии. Но эти методы предполагают одинаковость деградационных процессов для ускоренных кратковременных испытаний и для реальных условий эксплуатации.

3) Методы прогнозирования, основанные на опыте экспертов, реализованном в нормативных документах различного характера. Здесь предполагается, что у конструкций, выполненных с соблюдением требований нормативных документов, будет обеспечен проектный срок службы. Но этот подход не работает в условиях воздействия различных агрессивных эксплуатационных сред, интенсивность воздействия которых изменяется со временем, а также практически не применим при прогнозировании поведения армированных конструкций из новых материалов, опыт эксплуатации которых ограничен.

4) Методы прогнозирования, основанные на применении линейной и нелинейной механики разрушения. Эта методология интенсивно развивается в последнее время, особенно с учетом того, что долговечность армированных конструкций во многом определяется наличием и шириной раскрытия трещин. При этом практически не учитывается разброс и вероятностный характер многих параметров.

5) Методы математического моделирования поведения армированных конструкций с учетом реальных условий эксплуатации. Здесь нужно знать закономерности проникания агрессивных сред в армированные конструкции и взаимодействия их с компонентами конструкций. К этим закономерностям следует добавить модели деформирования и разрушения армированных конструкций во времени с учетом деструкционных процессов, протекающих в них. Другими словами при таком подходе рассматриваются совместно задачи механики деформируемого твердого тела и задачи диффузии и механохимии. Например, в последнее время для расчета армированных конструкций активно начинает применяться деформационный подход, согласно которому прочностная и деформационная стороны задачи взаимосвязаны. Но для учета воздействия условий эксплуатации к известным трем сторонам задачи расчета конструкций - статической (связанной с определением усилий в конструкции от действующих нагрузок), геометрической (связанной с установлением зависимостей между перемещениями и деформациями в точках конструкций, а также с обеспечением неразрывности этих деформаций), физической (связанной с определением зависимости между напряжениями и деформациями или между усилиями и перемещениями), добавляются еще уравнения, описывающие кинетику процессов взаимодействия конструкций и составляющих их материалов с внешними воздействиями (в частности - агрессивными внешними средами и полями), зависимости, связывающие характеристики материалов конструкции с параметрами внешних воздействий и уравнения, описывающие развитие повреждений того или иного вида, приводящих к постепенному разрушению конструкции. Сюда же относится и методология применения деградационных функций.

6) Методы теории надежности и близкие (стохастические) методы, учитывающие вероятностный характер деградационных и деформационных процессов в конструкциях, а также разброс геометрических и механических параметров армированных конструкций. Эти методы, по сравнению с детерминированными методами прогнозирования позволяют более корректно учесть и отразить вероятностных характер многих параметров конструкций и на начальной стадии и в процессе их эксплуатации, но необходимые для расчета статистические закономерности должны быть определены на основе большого объема экспериментальной информации, получение которой пока затруднительно. Кроме того нужна достаточно полная информация о таких состояниях армированных конструкций, которые можно трактовать как предельные.

Опыт свидетельствует о том, что армированные конструкции имеют ограниченный срок службы, так как в процессе эксплуатации подвергаются комплексу внешних воздействий (нагрузки, тепловые и другие физические поля, агрессивные среды), вызывающих или ускоряющих деградационные процессы в конструкциях. Необходимость разработки методов прогнозирования срока службы армированных конструкций определяется: широким и все более возрастающим использованием армированных конструкций в агрессивных условиях эксплуатации при экстремальных нагрузках; применением новых современных материалов, для которых неизвестна долговечность в реальных условиях; высокой стоимостью модернизации, восстановления, усиления эксплуатируемых поврежденных армированных конструкций до требуемого уровня эксплуатационной пригодности.


1. fib (CEB - FIP) Bulletin. Monitoring and safety evaluation of existing concrete structures. March 2003. pp. 153 - 161.
2. Many K., Sreenath H.D., Service life prediction and corrosion protection methods in reinforced concrete structures - problems and possibilities. International conference on maintenance & durability of concrete structures (March 4 - 6, 1997, JNT University, Hyderabad, India. pp. 257 - 266.


Новости ФОРУМА
 
 

 

Транспортные сооружения - научный журнал

Кафедра Транспортное строительство СГТУ

Блог о расчeтах мостов Портал мостостроителя

Ingener.kz: Всё для инженеров

СК Стройкомплекс-5