CC BY
43УДК 624.012.35
И.И. ОВЧИННИКОВ, канд. техн. наук (bridgeart@mail.ru), Саратовский государственный технический университет
Долговечность железобетонных конструкций транспортных сооружений
Долговечность железобетонных конструкций транспортных сооружений зависит от нескольких факторов. Это внешние воздействия от различных нагрузок, которые в большинстве случаев имеют тенденцию к увеличению со временем; воздействия окружающей агрессивной среды. Любая окружающая среда, оказывающая воздействие на мостовое сооружение, может быть названа агрессивной, так как в состав воздуха входит углекислый газ, вызывающий карбонизацию бетона.
До недавнего времени считалось, что железобетонные мостовые конструкции могут прослужить до ста лет. Но под воздействием различных внешних факторов реальный срок службы оказывается меньше.
В нормативной документации стали появляться положения, нормирующие долговечность различных элементов сооружения и агрессивность воздействия окружающей среды.
Сам термин «долговечность» трактуется по ГОСТ 27.002—89 как «свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта».
В табл. 1 приведены требования к долговечности железобетонных конструкций в нормативных документах. Из таблицы видно, что СНиП 2.05.03—84*, предписывая выполнять требования по долговечности, не уточняет, в чем эти требования заключаются, и способы их выполнения.
В СНиП 52-01—2003 уже рассматривается вопрос о долговечности при различных воздействиях на конструкцию, в том числе агрессивных. Долговечность должна быть обеспечена выполнением требований к бетону и его составляющим.
Требования по защите строительных конструкций от воздействия агрессивных сред устанавливают соответствующие нормативные документы.
В своде правил СП 52-101—03 «Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры», выпущенном в дополнение к СНиП 52-01—2003 «Бетонные и железобетонные конструкции», приведены основные положения, уточняющие требования к долговечности: для обеспечения несущей способности, пригодности к нормальной эксплуатации и долговечности бетонных и железобетонных конструкций помимо требований, определяемых расчетом, следует выполнять конструктивные требования: по геометрическим размерам элементов конструкций; по армированию (содержанию и расположению арматуры, толщине защитного слоя бетона, анкеровке и соединениям арматуры); по защите конструкций от неблагоприятного влияния воздействий среды.
Минимальные геометрические размеры сечений конструкций следует назначать, чтобы обеспечить необходимую коррозионную стойкость.
Толщину защитного слоя бетона назначают с учетом типа конструкций, роли арматуры в конструкциях (про-
дольной рабочей, поперечной, распределительной, конструктивной), условий окружающей среды и диаметра арматуры. В табл. 2 приведены минимальные значения толщины слоя бетона рабочей арматуры по СНиП 52-01-2003.
Но этот СНиП не устанавливает сроки службы конструкций, а лишь сообщает, что расчет бетонных и железобетонных конструкций по долговечности (исходя из расчетов по предельным состояниям первой и второй групп) следует производить из условия, по которому при заданных характеристиках конструкции (размерах, количестве арматуры и других характеристиках), показателях качества бетона (прочности, морозостойкости, водонепроницаемости, коррозионной стойкости, температуростойкости и других показателях) и арматуры (прочности, коррозионной стойкости и других показателях) с учетом влияния окружающей среды продолжительность межремонтного периода и срока службы конструкций здания или сооружения должна быть не менее установленной для конкретных типов зданий и сооружений.
Впервые в нормативных документах срок службы различных мостовых конструкций установлен в Моско-в-ских городских строительных нормах МГСН 5.02-99 «Проектирование городских мостовых сооружений», которые созданы как дополнение к СНиП 2.05.03-84* «Мосты и трубы» (табл. 3).
Но в МГСН 5.02-99 представлены только нормативные сроки службы и нет методики их расчета.
Аналогичный подход применен и в нормах СНиП 32-05-2002 «Мосты и трубы», которые разрабатывали взамен действующих СНиП 2.05.03-84*, СНиП 3.06.04-91, СНиП 3.06.07-86. Долговечность признана одним из потребительских функциональных свойств моста. СНиП устанавливает нормативные сроки службы мостовых конструкций исходя из двух различных методических принципов, которые приводят к близким результатам. Один из этих подходов основывается на учете морального износа пролетных строений, т. е. по исчерпанию функциональных потребительских свойств вследствие повышения со временем требований к ним по мере развития транспортных средств и роста интенсивности движения. Другой подход рассматривает сроки физического износа конструкций при рациональной системе эксплуатации мостов в отличие от ее практически полного отсутствия до последнего времени. В обоих случаях оптимальные сроки службы пролетных строений находятся в диапазоне 50-80 лет.
На основе статистических данных была разработана Методика расчетного прогнозирования срока службы желе-зобетонньа пролетных строений автодорожных мостов. При расчете срока службы учитываются ориентация сооружения, интенсивность движения на проектируемом участке, климатический район, принятые характеристики бетона и арматуры и размеры сечений. Срок службы
научно-технический и производственный журнал
Таблица 1
Нормативный документ Описание Приведенные требования к долговечности Год выпуска
СНиП 2.05.03-84* Мосты и трубы Нормы распространяются на проектирование новых и реконструкцию существующих постоянных мостов и труб ...при проектировании новых и реконструкции существующих мостов и труб следует выполнять требования по обеспечению надежности, долговечности и бесперебойности их эксплуатации 1986
ВСН 4-81 Изложены порядок и правила проведения работ по текущим, периодическим и специальным осмотрам мостов и труб, эксплуатируемых на автомобильных дорогах; дана методика осмотра сооружений Оценка долговечности производится в зависимости от категории неисправностей конструкции. Существует три категории неисправностей 1982
ВСН 32-89 Дана методика определения грузоподъемности железобетонных балочных пролетных строений мостов, имеющих дефекты в несущих элементах конструкций, а также конструкций без дефектов, грузоподъемность которых неизвестна Снижение долговечности - это одно из следствий повреждения конструкции, т. е. недостатка в виде нарушения формы или целостности элемента, возникающего в результате силового, температурного или влажностного воздействия 1990
СНиП 52-01-2003 Приведены основные положения, определяющие общие требования к бетонным и железобетонным конструкциям, включая требования к бетону, арматуре, расчетам, конструированию, изготовлению, возведению и эксплуатации конструкций Для удовлетворения требованиям долговечности конструкция должна иметь такие начальные характеристики, чтобы в течение установленного длительного времени она удовлетворяла бы требованиям по безопасности и эксплуатационной пригодности с учетом влияния на геометрические характеристики конструкций и механические характеристики материалов различных расчетных воздействий 2004
МГСН 5.02-99 Нормы распространяются на проектирование в Москве новых и реконструкцию существующих постоянных мостов, в том числе путепроводов любых типов, виадуков, эстакад, пешеходных и совмещенных мостов, а также сооружений тоннельного типа для прохода пешеходов и для проезда автомобильного транспорта Расчетный срок службы проектируемых мостовых сооружений должен составлять не менее 70-100 лет, при условии выполнения требований по их эксплуатации. Приводятся таблицы, по которым рекомендуется принимать прогнозируемый срок службы частей и элементов сооружений 1999
РДН 218.05.14-2000. Отражены тенденции старения мостовых сооружений в Краснодарском крае. Нормы дают возможность оценить мостовое сооружение по объективным показателям состояния элементов конструкции РДН содержат методику определения износа элементов мостовых сооружений, нормы износа элементов, параметры долговечности элементов и конструкций, а также методику прогнозирования изменения во времени показателей износа эксплуатируемых мостовых сооружений 2000
Методика расчетного прогнозирования срока службы железобетонных автодорожных мостов Методика позволяет определять расчетом или принимать предельные сроки службы железобетонных пролетных строений на разных этапах их функционирования. 2002
ОДН Нормы износа Разработаны СНиП 2.05.03-84* и касаются нормирования пороговых значений износа элементов, конструктивных частей и мостового сооружения в целом, а также нормирования параметров долговечности Приводятся значения пороговых уровней износа элементов 2003
ОДМ 218.0.018-03 Методика является частью нормативной базы системы управления эксплуатацией искусственных сооружений и предназначена для определения изменения состояния конструкций во времени. Используется при планировании работ по ремонту, реконструкции и перестройке мостовых сооружений Позволяет определить фактический износ сооружения 2003
Проект СНиП 32-05-2002 «Мосты и трубы» Нормы распространяются на проектирование, строительство, реконструкцию и приемку в эксплуатацию постоянных мостовых сооружений Одним из потребительских функциональных свойств моста является его долговечность и безотказность. СНиП устанавливает нормативные сроки службы мостовых конструкций.
EN 1992-1 Применяется для проектирования железобетонных зданий и гидротехнических сооружений. Включает принципы и требования по безопасности и эксплуатационной пригодности конструкций Долговечная конструкция должна выполнять требования по эксплуатационной надежности, прочности и устойчивости в течение всего срока службы без существенной потери своих функций и непредвиденных ремонтов. Коррозионная защита арматуры зависит от плотности и качества бетона, толщины защитного слоя и трещинообразования. Плотность и качество покрытия достигаются регулированием водоцементного соотношения и связаны с минимальным классом бетона по прочности
может определяться как на стадии проектирования, так и на стадии эксплуатации как остаточный.
Срок службы определяют временем достижения предельного физического износа для следующих элементов и участков пролетных строений: фасадная пове-рх-ность конструкций; средняя поверхность; крайние блоки; средние блоки; плита проезжей части; диафрагмы или другие связи, продольные швы омоноличивания (на момент превращения связи в шарнирную).
Функция износа соответствует функции отказа из теории надежности (см. рисунок).
В Методике приводятся таблицы параметров сроков службы и графики долговечности для железобетонных ребристых и плитных пролетных строений с разным
Таблица 2
Условия эксплуатации конструкций зданий Толщина защитного слоя бетона, мм, не менее
В закрытых помещениях при нормальной и пониженной влажности 20
В закрытых помещениях при повышенной влажности (при отсутствии дополнительных защитных мероприятий) 25
На открытом воздухе (при отсутствии дополнительных защитных мероприятий) 30
В грунте (при отсутствии дополнительных защитных мероприятий), в фундаментах при наличии бетонной подготовки основания 40
научно-технический и производственный журнал
Таблица 3
Вид частей и элементов сооружений (конструкций) Срок службы, лет
Фундаменты:
на буровых столбах диаметром 1 м и более 120
на забивных железобетонных сваях 100
мелкого заложения 90
Опоры:
массивные из бетона естественного твердения 100
массивные сборно-монолитные 90
монолитные железобетонные 90
стоечные сборные 70
Пролетные строения:
стальные из низколегированных сталей 100
стальные из углеродистых сталей 80
железобетонные монолитные 100
железобетонные сборные 70
железобетонные сборно-монолитные 80
сталежелезобетонные с монолитной плитой 100
сталежелезобетонные со сборно-монолитной плитой 90
Опорные части:
стальные литые 100
стальные из проката 80
с применением полимерных материалов, в том числе рези-нометаллических 20
Подпорные стены:
массивные бетонные 90
железобетонные монолитные 90
сборно-монолитные 70
Мостовое полотно в целом 20
Отдельные элементы:
тротуары железобетонные сборные и монолитные перильные ограждения: 40
стальные, в т. ч. чугунные 40
железобетонные 20
барьерные ограждения 10
деформационные швы 10
асфальтобетонное покрытие 10
гидроизоляция 20
система водоотвода, в т. ч. дренаж 10
Сопряжение с насыпью (в целом): 40
укрепление конусов 30
дренаж у устоев, подпорных стен 40
Износ, И, %
И=60%
предельный
[И]=30%
допустимый
И,=10%
начальный
Зона ремонта (реконструкции)
Зона ППР (мелкого ремонта)
Зона содержания (уход и профилактика),,,,,..»''^
< у0 > "Г .
Функция износа: е - натуральное число; t¡ - временной параметр (годы); Т0 - период приработки; X - показатель функции износа, отражающий качество конструкций после изготовления и монтажа, качество содержания, реальные транспортные и природно-климатические условия функционирования объекта; И, - износ в любой момент времени; 7"р - время начала ремонта (при износе 30%); 7сл - срок службы до износа 60%
типом армирования, гидроизоляции, расположенных в различных климатических зонах на дорогах разных категорий. Но она не лишена и недостатков. Как говорят сами авторы, во избежание чрезмерных ожиданий успеха от реализации предлагаемой Методики, следует понимать, что при существующем уровне знаний поведения железобетонных конструкций в эксплуатации достоверность длительного (до ста лет) прогноза срока службы таких капитальных сооружений, как мосты, еще недостаточно высока. Методика скорее применима для прогнозирования среднего срока службы группы мостов с одинаковыми характеристиками, чем для какого-то одного конкретного сооружения.
Несмотря на недостатки Методики, ее положения нашли отражение в ряде новых нормативных документов (ОДМ 218.0.018-03 «Определение износа конструкций и элементов мостовых сооружений на автомобильных дорогах, ОДН. Нормы износа и сроков службы мостовых сооружений на автомобильных дорогах»).
Все методы оценки и прогнозирования ресурса делятся на четыре группы: статистические, детерминированные, физико-статистические и экспертные.
Статистические методы определения и прогнозирования ресурса требуют большого объема исходной информации как по отказам, так и по наработке исправно действующего оборудования. Только при наличии такой информации возможно получить статистически устойчивые параметры распределения выборок для оценки показателей надежности. В условиях эксплуатации выборок, как правило, недостаточно и обрабатываемые данные в силу объективных и субъективных причин имеют высокую степень неопределенности.
Детерминированные методы оценки ресурса используют аналитические зависимости, связывающие время до разрушения объекта с характеристиками эксплуатационных нагрузок и параметрами физико-химических процессов в конструкционных материалах оборудования сложных систем.
Однако детерминированные методы не учитывают случайных воздействий эксплуатационных нагрузок и, следовательно, случайных изменений в конструкционных материалах. Как правило, детерминированные методы дают весьма консервативные оценки ресурса оборудования сложных систем.
Физико-статистические методы при оценке ресурса учитывают как влияние разнообразных физико-химических факторов, способствующих развитию дегра-дационных процессов в конструкционных материалах, так и действующих эксплуатационных нагрузок. Причем несущая способность и эксплуатационные нагрузки анализируются с позиций математической статистики.
Экспертные методы оценки и прогнозирования ресурса связаны с ограничениями в выборе экспертов и их субъективностью. Вместе с тем если в качестве групп экспертов используют специалистов различной квалификации и опыта работы (эксплуатационный и ремонтный персонал, конструкторы, технологи) и одновременно проводится независимая экспертиза, то экспертный опрос может дать весьма интересные результаты для оценки и прогнозирования ресурса. Но основная ценность экспертных оценок заключается прежде всего в быстром получении результатов при минимальных затратах. При этом трудно утверждать о высокой точности результирующих оценок по сравнению с аналогичными, полученными с использованием математических методов.
Ключевые слова: долговечность, железобетонные конструкции, нагрузка, агрессивная среда, методы расчета долговечности, остаточный ресурс.
научно-технический и производственный журнал Г^р~./^.НЬ,!" 62 февраль 2011
