Исследование морозоустойчивости бетона стенок резервуара шлюзовой камеры в Экерсмюлене на Майн - Дунай - Канале Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

[2] Пивон Ю.И. Итоги работы по выявлению резервов несущей способности причальных набережных портов Ленского пароходства // Высокоэффективное использование резервов пропускной способности существующих транспортных гидротехнических сооружений / Пивон Ю.И. -Новосибирск: 1987.-С. 11-15.

[3] Пивон Ю.И. Эксплуатационная надежность существующих причалов в условиях Сибири. Автореф. дисс. на соиск. ученой степени канд. техн. наук / Пивон Ю.И. - Новосибирск: 2000.

RESEARCH OF INFLUENCE OF CORROSION OF A CONSTRUCTION ON THE STRESSED AND DEFORMED CONDITION OF PORT BERTHING STRUCTURES FROM METAL SPUNT

N. V. Kochkurova

The results of a research of the stressed and deformed of port berthing constructions with calculation of influence of corrosion deterioration metal spunt are considered in the article.

The researches are carried out with the help of the program ANSYS, based on a method of finite elements.

УДК [626.4:691.32:]:624.42

В. П. Куликов, к. т. н., доцент.

Р. П. Лобанцев, аспирант.

А. М. Палеес, аспирант-стажер, ВГАВТ.

603600, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5.

ИССЛЕДОВАНИЕ МОРОЗОУСТОЙЧИВОСТИ БЕТОНА СТЕНОК РЕЗЕРВУАРА ШЛЮЗОВОЙ КАМЕРЫ В ЭКЕРСМЮЛЕНЕ НА МАЙН - ДУНАЙ - КАНАЛЕ

Рассматривается математическая модель разрушения бетона морозом, включающая совместное решение уравнений тепло- и массопереноса в тонкостенных напорных элементах гидротехнических сооружений. Определяется величина давления воды вытесняемой льдом в порах промерзающего бетона, определяется напряженное и деформированное состояние материала конструктивного элемента при наличии поро-вого давления влаги. Бетон считается морозоустойчивым при условии, если расчетная величина деформации растяжения бетона не превышает его предельной растяжимости.

Расчетом установлена возможность разрушения бетона морозом в стенках резервуара шлюзовой камеры в Экерсмюлене на Майн -Дунай - Канале на глубину 30 см.

Принятые обозначения

Символ Единица измерения Наименование величин

1 2 3

х, у, Z м Ортогональные декартовы координаты

t с Время

9 К Температура

Н м Напор воды

Р МПа Поровое давление

V м/с Средняя скорость фильтрации воды в бетоне

Принятые обозначения

1 2 3

X М -к м.К.час Коэффициент теплопроводности

7 Кг/мЗ Объемная масса

с М кал/т.К Удельная теплоемкость

К* м/час Коэффициент фильтрации

п Доли единиц Пористость - отношение объема пор к объему материала

пг Пористость - отношение объема пор занятых воздухом к объему материала

п„ II Пористость или объемная влажность - отношение объема пор занятых водой к объему материала

--- Относительная весовая льдистость — отношение веса льда в порах в период промерзания к весу льда в порах в конце промерзания единичного объема бетона

гМ Дж/м3 Скрытое тепло изменения агрегатного состояния поровой влаги в единице объема бетона

а МПа Напряжение нормальное Напряжение со знаком плюс - растягивающее Напряжение со знаком минус - сжимающее

Т МПа Напряжение касательное

Е МПа Модуль упругости

V Доли единиц Коэффициент Пуассона

а 1/К Коэффициент температурного расширения

^пр Доли единиц Предельная деформация

р м2 Площадь

К. Доли единиц Коэффициент влажности или степень водона-сыщения - отношение объема воды в порах к объему пор бетона

пл Доли единиц Пористость - отношение объема пор занятых льдом к объему материала

\У Доли единиц Весовая влажность - отношение веса воды в порах к весу бетона, высушенного до постоянного веса при температуре 383К - 393К

Подстрочные индексы

х, - принадлежность к декартовым координатам или проекциям на эти оси;

У,

г

в, - принадлежность к воде, льду, газу, скелету бетона и бетону соответственно; л,

г,

б

о - принадлежность к границе раздела талого и мерзлого бетона.

Сокращения

ЭВМ - электронная вычислительная машина.

Цель исследований заключается в том, чтобы теоретическим путем установить влияние особенностей температурно-влажностного режима бетонных стенок сберегательного бассейна шлюзовой камеры в Экерсмюлене на Майн - Дунай - Канале на их морозоустойчивость.

Возможность расчетного прогноза морозоустойчивости бетонных стенок вытекает из сложившихся представлений о причинах и механизме разрушения бетона морозом [3, 4]. Эти представления связаны с замерзанием воды в порах бетона, возникающем при этом поровым давлением и растягивающими напряжениями, вызванными этим давлением.

Поровое давление влаги возникает в бетоне из-за различий в коэффициентах температурного расширения скелета бетона, поровой влаги и воздуха (газа); из-за увеличения объема влаги при замерзании; отжатия воды льдом от фронта промерзания в зону талого, менее водонасыщенного бетона и прочих факторов [5, 6].

Давление поровой влаги на стенки пор бетона вызывает в последнем сложное напряженное состояние [3, 5, 6]. Циклический характер температурных и влажностных воздействий ведет к циклическому нагружению бетона, расшатыванию его структуры, образованию трещин, увеличению влажности и порового давления, и в итоге, к разрушению конструкции.

Процессы, протекающие в конструкции при водонасыщении бетона, его замораживании и оттаивании поддаются математическому описанию. Это позволило разработать методику расчетного прогноза морозоустойчивости бетонных сооружений. Применительно к условиям работы бетонных стенок резервуара сберегательного бассейна шлюзовой камеры эта методика рассматривается ниже.

Методикой расчетного прогноза морозоустойчивости бетонных стенок резервуара предусматривается совместное решение задач тепло- и массопереноса, теории упругости и теории ползучести. В результате решения определяется температурный и влажностный режим конструкции, ее напряженное состояние и трещиностойкостъ. Возможность образования трещин рассматривается как признак разрушения конструкции морозом.

Процессы переноса тепла и влаги в бетоне зависят от характера внешних температурных и влажностных воздействий; прочностных, структурных и теплофизических характеристик бетона; от особенностей конструкции сооружения и прочих факторов, связанных с наличием влаги в порах бетона, изменением агрегатного состояния сило: вого взаимодействия влаги со скелетом бетона, с проницаемостью бетона и наличием воздуха в его порах.

Взаимодействие указанных факторов может быть описано системой следующих дифференциальных уравнений:

1) в талом фильтрующем бетоне:

- уравнением конвективной теплопроводности Фурье-Киргофа [22]:

89 .&3 .. дЭ

Гбсб—=Л~-г,с,-Ух’— (1)

а ас дс-

- уравнением фильтрации:

Ш_шг сРН д&

ь *аг Сдга.

СР.Т -и ~ Ф 2 САГ (2)

2) в мерзлом нефилътрующем бетоне:

- уравнением кондуктивной теплопроводности Фурье [22]:

2) в мерзлом нефильтрующем бетоне:

- уравнением кондуктивной теплопроводности Фурье [22]:

д& , д2Э 7бСб Ы ~ дх2 ;

(3)

- уравнением связи между тепловыми и упругими деформациями бетона, как системы, состоящей из жесткого скелета пор, заполненных льдом и газом (воздухом):

ар

пЛ ~паб +«г

сЛдЗ Р)й .

(4)

3) на границе раздела талого и мерзлого бетона:

- уравнением конвективной теплопроводности с учетом выделения (поглощения) тепла изменения агрегатного состояния поровой влаги [23]:

д& г,дЗ ТЖ

ПС6 ~г = ¿ТТ-ГеСеК X+(5) а ас ос а;

- уравнением фильтрации с учетом увеличения (уменьшения) объема поровой влаги при ее фазовых превращениях:

сН „ с?Н дЗ сШ

Сро а ~Кфаг Сз* а +сро

л ■

(6)

Г* 0

п —+—

и ^ г Р2

В уравнениях (2) и (6) переменные коэффициенты срД, сиД, ср,о, со,о и сР,0 соответственно равны:

(7)

(8)

(9)

(10)

(П)

сР,г=У'-8

Ср,о ~СР.т(}~К) + СР,мК.

' > СЭ,о = СЭ1Т 0 ~ + С9,т ‘ ^ ;

(Л -гя)

сро=п'8-

Г*Ч+£.1

_1_ 1

//+

+[г.к

В зависимостях (9) и (10):

.Т*

—д

а4!

Та

V

си

п(а» -а*)"",

(12)

(13)

В зависимостях (7), (11), (12) и (13) %,м/с2 - ускорение силы тяжести.

При решении системы дифференциальных уравнений (1) - (6) необходимо учитывать следующие обстоятельства.

1) величина конпуктивной составляющей в уравнениях теплопереноса (1), (3), (5):

, д 25

Л

дх 2

в значительной мере зависит от коэффициента теплопроводности X, который, в свою очередь, зависит от температуры [7]:

ф). ф-игс) (14)

' 0.96-0.0149

— 1 = 0.069 IV (15)

•Я™

и влажности [7]:

где: А,(и=10°С) - значение коэффициента теплопроводности бетона при температуре 10°С (298 К); и ^ - коэффициенты теплопроводности сухого = 0) и влажного бетона.

2) Величина конвективной составляющей в уравнениях (3) и (5)

г/ д&

Г*сеУх —

дх . .

»

зависит от скорости фильтрации [10]:

т/ дН

К =-кф~г (16)

^ , м/с

которая, в свою очередь, зависит от величины коэффициента фильтрации Кф и его изменения во времени [8, 9].

Зависимость коэффициента фильтрации бетона от температуры известна [10]:

К, + (17)

где Кфдо - коэффициент фильтрации бетона при температуре 10°С

3) Перенос влаги в порах бетона описывается уравнениями (2), (4) и (6). Составляющие этих уравнений учитывают влияние различий в упругих и теплофизических характеристиках материалов, определяющих бетон как систему, состоящую из скелета и пор, заполненных льдом, водой и воздухом, на процесс переноса влаги. Как видно из уравнений (7) - (13) величины этих составляющих зависят от влажности, льди-стости и пористости бетона.

Влажность бетона меняется с изменением степени его водонасыщения. При фильтрации воды степень водонасыщения бетона меняется, в первую очередь, за счет сжатия воздуха. Объем воздуха зависит от температуры и давления и может быть определен из закона Клайперона - Менделеева [11]:

"■ = 01 "■'-ТТЛ (,8)

>

где пгнач - начальный объем воздуха в единице объема бетона.

Р, МПа - поровое давление влаги по абсолютной величине.

Изменение пористости бетона п связано с изменением напряженного состояния конструкции и может быть определено из закона Гука [12] по зависимости:

n=nHW,

(19)

где пнгч - начальная пористость бетона.

Известные величины п и пг позволяют определить изменение влажности бетона при фильтрации воды и изменении напряженного состояния конструкции: ■

IУш(„-„:)Ь- (20)

/ б •

9

Льдистость бетона меняется по мере промерзания конструкции. Изменение льди-стости сопровождается выделением скрытого тепла изменения агрегатного состояния:

сШ

Y«WL * dt

и изменением объема поровой влаги:

f

W

Ys ) dt

(см. уравнения (5) и (6)).

Изменение объема поровой влаги влечет за собой изменение порового давления и изменение температуры фазовых переходов поровой влаги [14]:

(21)

Решение системы дифференциальных уравнений (1) - (б) должно удовлетворять начальным и граничным условиям.

В качестве начальных условий для такого бетона могут быть приняты следующие:

- температура бетона:

9(х,о) = \° С = const . (22)

- поровое давление:

l{x,o}=(\MnA=cons. (23)

- влажность бетона:

п„ = const. (24)

- объем воздуха в единице объема бетона:

пг(х,0) = пгиач= const (25)

7

- общая пористость бетона:

я(*,0) = пг (х,0)+пв (х,0) = пнач — consi (26)

Принять такие начальные условия позволяет близкий к квазистационарному температурный и влажностный режим конструкции, при котором начальное состояние в решении дифференциальных уравнений тепло- и массопереноса не участвует [13].

Граничные условия на поверхностях и границе раздела талого и мерзлого бетона конструктивного элемента имеют ряд особенностей, которые необходимо учитывать при решении системы уравнений (1) - (6). Применительно к стенке резервуара эти особенности касаются следующего:

1) Температура среды известна как на внутренней, так и на внешней поверхности стенки.

2) Условия теплообмена между бетоном и внешней средой на внутренней поверхности стенки (со стороны резервуара) меняются с изменением уровня воды в резервуаре во время наполнения и опорожнения шлюза.

3) Температура фазовых переходов поровой влаги на границе фронта промерзания зависит от величины порового давления:

*-ЛВ). (27)

Последнее обстоятельство требует включения в расчет зависимости (21).

В рассматриваемой методике расчетного прогноза морозоустойчивости определение напряженного состояния конструкции необходимо для расчета ее температурного и влажностного режима и трещиностойкости.

Трещиностойкость конструкции к температурным и влажностным воздействиям может быть определена по известной зависимости [15]:

(/)•£, (0 (28)

где ст(1) - напряжение сгХ( сту или стг в рассматриваемый момент времени 1 с учетом ползучести бетона;

ЕПр(0 - предельная растяжимость и Е^) - модуль упругости бетона в возрасте I суток; Кн и пс - соответственно коэффициенты надежности и сочетания нагрузок.

Модуль упругости бетона Е60) определяется по зависимости:

_ , ч 1000000

т

а1п(0 .

9 '

где величина коэффициента “а” определяется по [15, п. 5.8 табл. 17], (см. табл. 4).

Величина предельной растяжимости 5^(1) может быть определена из закона Гука:

£пр Еб(0 (30)

где <зт p(t), МПа - предел прочности бетона при растяжении в возрасте t суток. Величина an4 p(t) может быть определена по зависимости [16]:

cr^(0 = on4p(28)lgi/lg28 (31)

5

где а11чр(28), МПа - предел прочности бетона при растяжении в возрасте 28 суток. Для учета ползучести бетона может быть использована следующая зависимость [17]:

j.\ q,(U , у ¿q-i ,

ад“ад)+£ Е,(/0+М*+*/2)+ (32)

+2^ior+A(viX4,+^‘о +№)-<&. +{п-\)ш0 +№%

где п - номер расчетного интервала времени в конце которого определяется величина приращения напряжений релаксации за счет деформаций ползучести; Ап_1<т, МПа; Дст„_1, МПа - приращения напряжения от внешних воздействий по истечении интервала времени (п-1)Лг; с - функция меры ползучести, которая может быть определена по рекомендации Н.Х. Арутюняна [18].

При известных величинах е(0 и е^) появляется возможность судить о величине порового давления влаги, которое способно вызвать разрушение бетона. Показателем стойкости конструкции к температурным и влажностным воздействиям (морозоустойчивости) может служить отношение: .

Это отношение указывает, что работа конструкции будет благополучной, если Кст > 1. В противном случае, при К„ < 1 следует ожидать образования трещин и разрушение бетона.

Для определения показателя морозоустойчивости необходимо знать историю за-гружения конструкции и ее напряженного состояния, которое складывается из напряжений от всех действующих на конструкцию внешних силовых и температурновлажностных воздействий; от физико-механических характеристик бетона и прочих факторов, связанных с особенностями конструкции и схемы ее закрепления. Используя принцип наложения воздействий (принцип суперпозиции) общее напряженное состояние конструктивного элемента от совместного воздействия всех нагрузок можно представить как сумму напряжений от каждой нагрузки в отдельности:

Порядковый номер нагрузки природа ее происхождения и математические зависимости для определения напряжений а^; ауу, а^,; Ту^; т^, вызванных этой нагрузкой применительно к бетонным конструкциям стенок резервуара шлюзовой камеры, приведены в таблице 1. [12, 17].

Совместное решение уравнений (3.1) - (3.34) выполняется на ЭВМ по программе, разработанной в Волжской Государственной Академии Водного Транспорта г. Нижнего Новгорода.

Структурно вся программа разбита на ряд подпрограмм, включающих:

- подпрограмму исходных данных;

- подпрограмму тепловых и фильтрационных расчетов;

- подпрограмму расчета напряжений с учетом ползучести бетона;

- подпрограмму выдачи информации.

Работа всех подпрограмм организуется главной подпрограммой.

В подпрограмме тепловых и фильтрационных расчетов уравнения (1) - (6) решаются методом конечных разностей по неявной разностной схеме с использованием метода итераций Зейделя [19].

(34)

В подпрограмме расчетов напряженного состояния используются известные решения задач теории упругости и теории ползучести.

Подпрограммой выдачи информации выводятся на печать данные о температуре, влажности и льдистости бетона; величине порового давления; напряженном состоянии и величины коэффициентов морозоустойчивости в расчетных сечениях конструкции в интересующие расчетчика моменты времени.

Таблица 1

Сводная таблица уравнений для расчета напряжений в бетонной плите стенок резервуара шлюза

Схема опирання плиты

Расчетные формулы

Номер

формулы

»/////////// Ї

ШИНН/

у

А

а/

/

і . ¡Л

777777

Ні

О.

Є -е*® 2 »

4> Ч

н

К *

х о

8 о

я I

С

а

СО

^ = 0

а-Е

х = г = т =0

ху уг ^

ох=п{\-2у)-Рх

1-2у

<тх =сту =-п------

1-У

т — Т = Г =0

‘ ху уг IX

■Р

Максимальный прогиб в центре плиты:

¿а=0/0138?а4/(£5 -А3)

' д2<о ЗаоЛ х

ЗУ2

а, =-120

- + у-

&2 А

10Г/32<» 32йЛ X <>. =«;

т„=-120Ь-у)

га=-62>|-У2й>;

дг

ду

0 = Е6 -А*/[12(1-и2)]

(35)

(36)

(37)

(38)

(39)

(40)

(41)

(42)

(43)

(44)

(45)

(46)

(47)

(48)

Применительно к условиям работы бетонных стенок резервуара шлюзовой камеры расчетный прогноз морозоустойчивости выполнен в следующем порядке:

1) определены цели и порядок выполнения расчетов;

2) составлена и отлажена программа расчетов морозоустойчивости на ЭВМ;

3) подготовлены исходные данные;

4) выполнены сами расчеты и проведен анализ их результатов.

Для достижения поставленной цели, принят следующий прядок выполнения расчетов:

1) определяется температура бетона на поверхности стенки резервуара;

2) определяется температурно-влажностный режим и напряженное состояние стенки резервуара;

3) определяется возможность разрушения стенки морозом.

В качестве исходных данных приняты следующие:

Судоходный шлюз в Экерсмюлене расположен на Майн - Дунай - Канале (рис. 1).

Рис. 1.

Резервуары сберегательного бассейна расположены вдоль левобережной стенки шлюзовой камеры (рис. 2). Толщина стенок резервуара 1 м.

Температура воздуха в районе расположения шлюза принята по данным метеостанции 04083, расположенной в г. Нюрнберге. По данным метеостанции за 1996 -2001 годы определены среднегодовая температура и амплитуда колебания среднемесячных температур за этот период наблюдений. В каждом месяце «среднего» года определены среднемесячные температуры и амплитуды колебания среднесуточных температур воздуха. Результаты обработки данных метеостанции представлены на рис. 3.

Рис. 2. Поперечный разрез шлюза

125,2 т

Расчетная суточная температура воздуха определялась по зависимостям [24]:

ср.сут

— а -\-А

срюг ср.м

С08

2/7

Л

, град, С

& -Э +А

сут ср.сут * ср.сут

Ґ2ПХ

(49)

(50)

м ' , град, С ,

где: 9ср г, 9ср су1, - соответственно среднегодовая, среднесуточная и суточная температура воздуха. Аср ,,, Аср сут - соответственно амплитуда колебания среднемесячной температуры воздуха в течение года Тг = 8760 час и амплитуда колебания среднесуточной температуры воздуха в течение месяца ТМ) час. Величины ^ и 1м - соответственно текущее время от начала года и начала месяца. За начало отсчета времени I,. принято 2400 тридцатого июня. Величины ^ и 1м связаны между собой зависимостью:

1

і — ТІ

= I

М ,і

1=1

, час.

Температуры воды в резервуаре шлюзовой камеры определены также по данным метеостанции 04083 г. Нюрнберга. По данным метеостанции, представленным за 1999

- 2001 годы, также определены: среднегодовая температура воды и амплитуда колебаний ее среднемесячных температур, среднемесячные температуры «среднего» года и амплитуды колебания их среднесуточных температур. Результаты обработки данных метеостанции представлены на рис. 4. Расчетная суточная температура воды определялась по формулам (49), (50).

Таблица значений и амплитуд колебаний среднемесячных температур воздуха

за 1996-2001 годы

Среднемесячная температура Амплитуда

Январь -0,6 2,85

Февраль 1,7 4

Март 5 4,6

Апрель 8,6 5,55

Май 14,7 5,95

Июнь 17,2 5,65

Июль 18 5,4

Август 18,9 6

Сентябрь 13,6 5,1

Октябрь 9,5 3,95

Ноябрь 3,3 2,85

Декабрь 0,2 2,5

Среднегодовые характеристики 9,175 4,25

График среднемесячных температур воздуха и амплитуд их колебания за 1999-2001 годы

Таблица значений и амплитуд колебаний среднемесячных температур воды

за 1999-2001 годы

Среднемесячная

температура

Амплитуда

Рис. 3. Результаты обработки данных метеостанции

Среднемесячные температуры Амплитуды

Январь 0,96 0,94

Февраль 1,98 2,225

Март 5,83 3,285

Апрель 10,33 4,05

Май 16,17 3,64

Июнь 19,86 3,19

Июль 20,28 2,21

Август 20,85 2,41

Сентябрь 17,09 2,915

Октябрь 12,89 4,535

Ноябрь 6,82 3,77

Декабрь 2,66 2,18

Среднегодовые характеристики 11,31 2,74

В период эксплуатации шлюза граничные условия на внутренней поверхности стенки резервуара шлюзовой камеры меняются вместе с изменением уровня воды в камере шлюза. При наполнении камеры шлюза резервуары шлюзовой камеры опорожняются, температура бетона на внутренней поверхности стенки резервуара будет определяться температурой воды и условиями теплообмена между бетоном и воздухом. При опорожнении камеры шлюза резервуары заполняются водой и температура на внутренней поверхности стенки резервуара будет определяться температурой воды и условиями теплообмена между водой и бетоном. Влияние многократного за период эксплуатации шлюза наполнения и опорожнения резервуаров шлюзовой камеры на морозоустойчивость их бетонных стенок учитывалось следующим образом. По дан-

ным о количестве шлюзований в сутки, представленных дирекцией шлюза за период с 15 мая 1991 года по 19 апреля 2003 года определено среднее за период наблюдений количество шлюзований по каждому месяцу года. Делением продолжительности каждого месяца в часах на среднее количество шлюзований в этом месяце определена средняя продолжительность цикла при одностороннем шлюзовании. Эта продолжительность одностороннего шлюзования рассматривалась в расчетах как время, в течение которого резервуар шлюзовой камеры находится в наполненном водой или опорожненном от воды состоянии. Результаты обработки данных, представленных дирекцией шлюза по количеству шлюзований в сутки представлены в таблице 2,

График среднемесячных температур воды и амплитуд их колебания

за 1999-2001 годы

25 20 15 -10 -5 -

/

/ / \

/ ч

. .. 1 —

- Среднемесячные температуры

- Амплитуды

Рис. 4 Результаты обработки данных метеостанции

Таблица 2

Данные о шлюзованиях за двенадцать месяцев среднестатистического года

Месяц Суммарное число шлюзований в верхний бьеф Суммарное число шлюзований в нижний бьеф Общее количество шлюзований в месяц Время на одно шлюзование (в часах)

Январь 195 195 390 0,524193548

Февраль 224 223 447 0,665178571

Марг 277 277 554 0,744623656

Апрель 280 274 554 0,769444444

Май 294 303 597 0,802419355

Июнь 300 300 600 0,833333333

Июль 295 296 591 0,794354839

Август 290 290 580 0,779569892

Сентябрь 263 263 526 0,730555556

Октябрь 245 237 482 0,647849462

Ноябрь 268 269 537 0,745833333

Декабрь 246 245 491 0,659946237

При выполнении расчетов предполагалось, что толщина стенки резервуара, равная 1 м, не меняется по ее длине и высоте, бетон однороден по всему объему стенки. Данные по физико-механическим характеристикам бетона предоставлены институтом BAW и приведены в таблице 3.

Расчеты морозоустойчивости стенки бассейна шлюзовой камеры выполнены при следующем сочетании нагрузок:

1) неравномерный нагрев;

2) неравномерное распределение давления воды, льда и воздуха в порах бетона по толщине стенки.

Таблица 3

Расчётные физико-механические характеристики бетона

№№ пп Наименование характеристики Буквенные обозначения Величина Размерность

1 2 3 4 5

1 Временное сопротивление: сжатию растяжению ^пч.сж ^пч.п 57 4,3 МПа МПа

2 Начальный модуль упругости Еб 37 + 103 МПа

3 Предельная растяжимость ^пр 1,162 МПа

4 Коэффициент в формуле (23) А 40

5 Коэффициент фильтрации КА 0,36 * 10'8 м/час

6 Общая пористость N 13,6 %

7 Объем вовлеченного воздуха пг 5 %

8 Коэффициент линейного температурного расширения а 3 * Ю5 1/град

9 Коэффициент теплопроводности при Ї = 298 К к 2,1 Вт/м.К

10 Удельная теплоемкость Ч 1,0 КДж/кг.К

11 Коэффициент теплоотдачи с открытой поверхности бетона в воздух (принят без учета его зависимости от скорости ветра) Рг 5 КВт/м2.К

12 Коэффициент теплоотдачи с открытой поверхности бетона в воду р» 400 КВт/м2. К

13 Объемная масса 7б 2369 Кг/м3

Физико-механические характеристики льда, воды и воздуха приведены в табл. 4.

Таблица 4

Расчетные физико-механические характеристики льда, воды и воздуха

Материал Характеристика

Объемная масса у, Кг/м3 Модуль упругости, Е, МПа Коэффициент линейного температурного расширения, а, 1/град

1 2 3 4

Лед 980 10000 1,25 * 10^

Вода 1000 2000 0,53 * 104

Воздух 1,3 0,1 36 * 10"*

Протоколы расчета морозоустойчивости стенки резервуара шлюзовой камеры приведены в таблицах 5-10. Для оценки морозоустойчивости в таблицах 5 и 6 приведено начальное распределение температуры, давления влаги в порах бетона, влажности и, соответственно, распределение напряжений по толщине стенки. За начало отсчета времени условно принято время соответствующее 24.00 30 июня 1991 года. С этого момента времени фактически начинается эксплуатация шлюза в постоянном режиме.

В таблицах 7 и 8 приводится характер распределения соответственных величин по состоянию на 0.0 часов первого августа 1991 года, а в таблицах 9 и 10 распределение этих величин по состоянию на 18 часов 19 января 1992 года. .

По данным таблиц 9 и 10 построены соответствующие графики: изменения температуры (рис. 6), давления влаги в порах бетона, влажности (рис. 5) и изменения напряжений по толщине стенки (рис.6). На Рис. 6 в стенке выделена зона возможного разрушения бетона со стороны ее внутренней поверхности. Толщина зоны возможного тре-щинообразования в стенке составляет примерно 30 см. Характер распределения напряжений (напряжения со знаком плюс растягивающие, со знаком минус - сжимающие) указывает, что внутри стенки трещины будут вызваны напряжениями о*, и расположены эти трещины будут по нормали к направлению потоков тепла и влаги (вдоль внутренней поверхности стенки). На внутренней поверхности стенки трещины будут вызваны напряжениями оу и аи и расположены эти трещины будут по направлению движения потоков тепла и влаги, то есть по нормали к внутренней поверхности стенки.

Таблица 5

НА ЧАЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ Распределение давления, температуры, льдистости, влажности

Год эксплуатации 1991.00 Месяц 7 Число .00

Узел X Н V к V/

1 2 3 4 5 6

1 .000 .000 .000 .0000 .00000

2 .100 .100 .000 .00000 .50000

3 .200 .200 .000 .00000 .50000

4 .300 .300 .000 .00000 .50000

5 .400 .400 .000 .00000 .50000

б .500 .500 .000 .00000 .50000

7 .600 .600 .000 .00000 .50000

8 .700 .700 .000 .00000 .50000

9 .800 .800 .000 .00000 .50000

10 .900 .900 .000 .00000 .50000

11 1.000 1.000 .000 .00000 .50000

12 1.050 .000 .000 .00000 .50000

Таблица 6

НА ЧАЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ Распределение напряжений по толщине плиты Год эксплуатации 1991.00 Месяц 7 Число .00

Узел Х,гп 5Х,К^сгп2 5У,К^сш2 ст2 та

1 2 3 4 5 6

1 .000 .000 .000 .000 100.0000

2 .100 .000 .000 .000 100.0000

3 .200 .000 .000 .000 100.0000

4 .300 .000 .000 23.000 100.0000

5 .400 .000 .000 400.000 100.0000

6 .500 .000 .000 .000 100.0000

7 .600 .000 .000 .000 100.0000

8 .700 .000 .000 .000 100.0000

9 .800 .000 .000 .000 100.0000

10 .900 .000 .000 .000 100.0000

11 1.000 .000 .000 .000 100.0000

12 1.050 .000 .000 .000 100.0000

Таблица 7

СОСТОЯНИЕ НА МОМЕНТ ВРЕМЕНИ Распределение давления, температуры, лъдистоспш, влажности

Год эксплуатации 1991.00 Месяц 8 Число .00

Узел Х,м Н,м У.град. я и

1 2 3 4 5 б

1 .000 .000 18.907 .00000 .50000

2 .100 1.545 18.624 .00000 .53763

3 .200 4.231 18.464 .00000 .62510

4 .300 5.551 18.419 .00000 .65697

5 .400 6.147 18.483 .00000 .66956

6 .500 5.424 18.648 .00000 .65388

7 .600 4.680 18.909 .00000 .63601

8 .700 2.910 19.261 .00000 .58561

9 .800 1.653 19.699 .00000 .54025

10 .900 2.903 20.220 .00000 .58404

11 1.000 8.838 20.819 .00000 .71452

12 1.050 2.000 21.306 .00000 .50000

Таблица 8

СОСТОЯНИЕ НА МОМЕНТ ВРЕМЕНИ Распределение напряжений по толщине плиты Год эксплуатации 1991.00 Месяц 8 Число .00

Узел Х,ш 5Х,Кй/сш2 8У,Кв/ст2 5г,Кй/ст2 Ж

1 2 3 4 5 6

1 .000 .000 .000 .000 100.0000

2 .100 .028 -2.003 .000 100.0000

3 .200 .053 -.218 -.218 100.0000

4 .300 .065 1.068 1.068 159.3552

5 .400 .071 1.878 1.878 90.5913

6 .500 .065 2.250 2.250 75.6372

7 .600 .059 2.194 2.194 77.5685

8 .700 .043 1.744 1.744 97.5785

9 .800 .033 .903 .903 188.4482

10 .900 .045 -.334 -.334 100.0000

11 1.000 .099 -1.975 -1.975 100.0000

12 1.050 .000 .000 .000 100.0000

Таблица 9

РАЗРУШЕНИЕ БЕТОНА Распределение давления, температуры, льдистости, влажности

Год эксплуатации 1992.00 Месяц 1 Число 19.79

Узел X Н V Я

1 2 3 4 5 6

1 .000 .000 -2.342 1.00000 .00000

2 .100 .089 -1.775 1.00000 .50349

3 .200 .753 -1.216 1.00000 .99285

4 .300 1.598 -.661 1.00000 .99375

5 .400 11.957 -.008 .33051 .77229

6 .500 .588 .000 .00130 .52776

7 .600 .886 .000 .00000 .54069

8 .700 .634 .000 .00000 .52983

9 .800 4.433 .000 .01506 .65358

10 .900 90990.690 -.189 .54649 .99995

11 1.000 1.627 -.736 1.00000 .56905

12 1.050 2.000 -1.132 1.00000 1.00000

(-

и

Распределение давления влаги по толщине стенки

100000

90000 ----

80000 70000 60000

". 50000

2

х 40000

•давление, И

Распределение температуры и влажности бетона по толщине стенки

1 температура, V

Г С)

- - влажность, (доли ед.)

Рис. 5. Графики изменения температуры, давления влаги в порах бетона, влажности

величина напряжений кг/см2

Напряженное состояние стенки от воздействия температуры и давление влаги в порах бетона

—■напряжение 5Х,Кд/ст2 ^-напряжение ЭУ,Кд/ст2

— граница зоны разрушения

X, м*0.1

Рис. 6. График изменения напряжений по толщине стенки

1000

800

600

400

200

0

-200

-400

-600

-800

-1000

Таблица 10

РАЗРУШЕНИЕ БЕТОНА Распределение напряжений по толщине стенки Год эксплуатации 1992.00 Месяц 1 Число 19.79

Узел Х,т SX,Kg/cm2 SYJKg/cm2 SZ,KK/cm2 1R

1 2 3 4 5 6

1 .000 .000 .000 .000 100.0000

2 .100 -22.433 -63.543 -63.543 100.0000

3 .200 -8.565 -23.936 -23.936 100.0000

4 .300 5.304 15.689 15.689 10.8227

5 .400 19.259 54.768 54.768 3.1002

6 .500 33.017 96.966 96.966 1.7511

7 .600 46.882 139.070 139.070 1.2209

8 .700 60.741 181.180 181.180 .9371

9 .800 74.637 223.247 223.247 .7606

10 .900 913.358 -723.675 -723.675 .1859

11 1.000 102.334 310.774 310.774 .5464

12 1.050 .000 .000 .000 100.0000

Заключение

Результаты расчетного прогноза морозоустойчивости бетонной стенки бассейна шлюзовой камеры в шлюзе Экерсмюлене на Майн - Дунай - Канале указывают на неблагополучную работу стенки в период ее эксплуатации. В зимний период в стенке со стороны ее внутренней поверхности возможно образование трещин. Толщина зоны возможного трещинообразования может достигать 30 см.

Список литературы

[1] Бетон гидротехнический. Технические требования. Гост 4795 - 68 с.

[2] Бетоны. Методы определения морозостойкости. Гост 10060 - 76 с.

[3] Стольников В.В. О теоретических основах сопротивляемости цементного камня и бетонов чередующимися циклами замораживания и оттаивания. - Л.: Энергия, 1970.

[4] Москвин В.М., Голубых Н.Д. Экспериментальная проверка некоторых гипотез разрушения бетона при циклическом воздействии отрицательных температур II Труды НИИЖБ: Коррозионная стойкость бетона и стальной арматуры. - 1974, вып. 11,- С. 50-55.

[5] Подвальный А.М. Расчетная оценка факторов, влияющих на морозостойкость бетона // Инженерно-физический журнал. - 1974, т. 26, № 6, — С. 10034—1041.

[6] Мазур Б.М. О механизме разрушения бетонов при замораживании. Сборник трудов НИИЖБ: коррозия, методы защиты и повышения долговечности бетона и железобетона. - М.: Стройиздат, 1965.-С. 104-110.

[7] Заседэтелев И.Б., Петров-Денисов В.Г. Тепло и массоперенос в бетоне специальных промышленных сооружений. - М.: С.И., 1973. - С. 168.

[8] Чеховский Ю.В. Понижение проницаемости бетона. - М.: Энергия, 1968. - С. 191.

[9] Соколов И.Б., Логунова В.А. Фильтрация и противодавление воды бетоне гидротехнических сооружений. - М.: Энергия, 1977. - С. 296.

[10] Полубаринова-Кочина П.Я. Теория движения грунтовых вод. - М.: Наука. 1977. - С. 664.

[11] Физический энциклопедический словарь, т. 1.-М.: Советская энциклопедия, 1980.-С.664.

[12] Самуль В.И. Основы теории упругости и пластичности. - М.: Высшая школа, 1982. - С. 264.

[13] Шкловер А.М. Теплопередача при периодических тепловых воздействиях. - М. - Л. Гос-энергоиздат, 1961.-С. 160.

[14] Вейнберг Б.П. Лед. - М. - Л., Гостехэнергоиздат, 1940.

[15] Строительные нормы и правила. Бетонные и железобетонные конструкции гидротехнических сооружений. СНиП 11-56-77. — М.: Стройиздат, 1977.

[16] Шестоперов С.В. Контроль качества бетона. - М.: Высшая школа, 1981. - С. 247.

[17] Васильев П.И., Кононов Ю.И. Температурные напряжения в бетонных массивах. Курс лекций. - Л.: издательство лаборатории полиграфических машин Л.П.И. им. М.И. Калинина, 1969. -С. 120.

[18] Арушюнян Н.Х. Некоторые вопросы теории ползучести. - М.: Гостехиздат, 1952. - С. 323.

[19] Калиткин Н.И. Численные методы. - М.: Наука, 1978. - С. 512.

[20] Строительные нормы и правила. Бетонные и железобетонные конструкции. СНиП П-21-75.

- М.: Стройиздат, 1976. •

[21] Перельман В.И. Краткий справочник химика. - М.: Госхимиздат, 1954, - С. 559.

[22] Михеев М.А. Основы теплопередачи. - М.-Л., Росэнергоиздат, 1948. - С. 396.

[23] Феврапев A.B. Расчет температуры фильтрующей плотины в системе ортогональных криволинейных координат на ЭЦВМ. Материалы конференций и совещаний по гидротехнике. Гидротехническое строительство в районах вечной мерзлоты и сурового климата. ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. — Л.: Энергия, 1979,— С. 90-95.

FROST RESISTANCE EXAMINATION OF CONCRETE IN THE TANK’S WALLS OF A LOCK CHAMBER IN ECKERSMULEN IN MAIN DANUBE - THE CHANNEL

V. P. Kulikov, R. P. Lobantsev, A.M. Palees

The mathematical model of concrete fracture by frost including the joint solution of the equations warmly and mass transfer in thin-wall pressure-tight elements of hydraulic structures is considered. Water pressure magnitude displaced by ice in pores of freezing through concrete is defined, tense and strained state of a structural element's material is defined if there is a pore pressure of moisture. Concrete is considered to be frost-resisting if the estimated value of concrete strain deformation does not exceed its limiting elongation.

An opportunity of concrete fracture by a frost in the tank’s walls of a lock chamber in Eckersmulen in Main Danube - the Channel on depth of 30 sm bw fixed by account.

УДК 351.813.227

М. В. Молчанова, ассистент, ВГАВТ.

603600, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5.

СУЩУСТВУЮЩИЕ МЕТОДЫ РАСЧЕТА ГАБАРИТОВ СУДОВОГО ХОДА НА КРИВОЛИНЕЙНОМ УЧАСТКЕ ПУТИ

Приведены методы расчета ширины судового хода, занимаемой судном (составом) на поворотах русла реки; представлена типизация криволинейных участков по условиям судоходства.

Особенностью движения судов (составов) на криволинейных участках пути является то, что они занимают большую, чем на прямолинейном участке полосу движения. Это связано со сносом судна с оси судового хода от действия свального течения, ветрового дрейфа, а также с возможным наличием различного хода навигационных ошибок в процессе судовождения.

Все это вызывает необходимость более точного определения ширины судового хода на криволинейных участках пути, а в конечном итоге соотношения между параметрами судового хода и габаритами эксплуатируемых судов (составов).