Методологические основы теории конструктивной безопасности реконструированного железобетона Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕОРИИ КОНСТРУКТИВНОЙ

БЕЗОПАСНОСТИ РЕКОНСТРУИРОВАННОГО ЖЕЛЕЗОБЕТОНА

B.М. БОНДАРЕНКО*, д-р техн. наук, профессор

C.И. МЕРКУЛОВ**, д-р техн. наук, профессор

* Московский институт коммунального хозяйства и строительства ** КурскГТУ, Курск

Оценка конструктивной безопасности является основополагающей задачей определения эксплуатационного качества зданий и сооружений. Понятие «конструктивная безопасность» характеризуется достаточностью силового сопротивления конструкции внешним нагрузкам и воздействиям [5]. Важнейшей составляющей в решении проблемы конструктивной безопасности зданий и сооружений является учет их эксплуатационного износа и повреждений. К настоящему времени 60-70% основных фондов России нуждаются в реконструкции с целью приведения их в состояние гарантированной конструктивной безопасности.

В результате усиления конструкций и конструктивных систем образуется самостоятельный класс железобетонных конструкций - реконструируемый железобетон, которому присущи следующие специфические особенности: работа в составе конструкции бетонов с различными прочностными и деформативны-ми свойствами, при наличии в одном из компонентов элементов повреждений силового и несилового (температурного, влажностного, коррозионно- агрессивного) характера; наличие в усиливаемом элементе напряженно-деформируемого состояния, обусловленного предысторией нагружения; влияние технологических воздействий при проведении работ по усилению на напряженное состояние усиливаемого элемента и в целом на усиленную конструкцию; многообразие конструктивных решений усиления железобетонных конструкций; изменение граничных условий и трансформация внутренних и внешних связей до и после осуществления усиления; адаптация конструкций и конструктивных систем к внешним воздействиям; трансформация конструктивных систем зданий и сооружений в процессе эксплуатации и в результате усиления. [2,5,6]

В связи с этим, в основу методологии оценки конструктивной безопасности объекта целесообразно принять следующие базовые принципы:

- многоуровневый характер оценки: материалы - конструкции - конструктивные схемы;

- комплексность оценки: учет и оценка влияния всех факторов силового и несилового воздействия, снижающих проектные параметры;

- системность оценки: учет предыстории нагружения объекта и эволюции статической схемы конструкций, эволюции граничных условий, возможности частного или полного выключения связей;

- конкретность оценки, обусловленная необходимостью выработки критериев конструктивной безопасности.

Силовые сопротивления конструкций в период эксплуатации характеризуется напряженно-деформированным состоянием, зависящим от предыстории и режима нагружения объекта, износа и повреждения конструкций, их адаптации к внешним воздействиям, перераспределения усилий, трансформации конструктивной системы, технологии и качества строительно-монтажных работ. Одним из основных факторов, определяющих конструктивную безопасность применительно к железобетонным конструкциям, является фактор времени.

В нормативных документах по расчету железобетонных конструкций сформулированы основные положения, обеспечивающие силовую надежность бе-

тонных и железобетонных конструкций полувероятностным методом введения системы расчетных коэффициентов безопасности.

Известные предложения по принятию единых коэффициентов с одновременным их снижением приводят к неоднозначным материальным затратам при выполнении требований по группам предельных состояний, материальные затраты по обеспечению требований второй группы предельных состояний часто превышают затраты по обеспечению требований первой группы, В нормах проектирования железобетонных конструкций реализуется принцип обеспечения при проектировании потребительских свойств, таких как прочность и эксплуатационные параметры.

Существенным недостатком проектирования железобетонных конструкций существующими методами является весьма условный учет фактора времени и отказ от учета временного режима внешних силовых и временных воздействий. Тем не менее, для железобетонных конструкций продолжительность и режим процесса эксплуатации является фактором, определяющим их остаточный ресурс силового сопротивления. Ошибочно рассматривать безопасность железобетонных конструкций без учета изменений, протекающих в течение всего периода их эксплуатации. В рассматриваемый период происходит изменение нагрузок, как по величине, так и по режиму и направленности действия, возможны не предусмотренные проектом технологические воздействия, проявляются и накапливаются коррозионные повреждения, изменяются первоначальные свойства материалов. Кроме того, возможные силовые и коррозионные повреждения связей и соединений приводят к изменению расчетно-статических схем сооружений.

В основе теории силового сопротивления реконструированного железобетона приняты общие исходные положения механики твердого деформированного тела [1]:

- гипотеза о сплошности, используемая в виде условия о совместности деформации компонентов композиционных материалов;

- постулат о суперпозиции состояний, вводимый в виде предпосылки о «равнодоступности» Фрама-Каминского в виде гипотезы о взаимонезависимости и сложения частных деформации;

- принцип суперпозиции для деформации ползучести (В. Больцман - Б. Персоц);

- закон сохранения энергии для тел конечных размеров с надежной энергетической изоляцией.

При решении прикладных задач используются инварианты, вытекающие из обобщения опытов:

- инварианты аффинноподобия;

- энергетические инварианты теории прочности, в частности о постоянстве потенциальной энергии разрушения материала вне зависимости от режима на-гружения М. Рейнера;

- инвариант о независимости площади петли гистерезиса энергии деформирования от частоты стационарных колебаниях тел H.H. Давиденкова.

В качестве критерия конструктивной безопасности принято отношение величины возможной предельной нагрузки для конструкции с учетом влияния накопленных повреждений и фактического состояния q' к проектной нагрузке

При этом необходимо выполнять оценку конструктивной безопасности, как по предельным состояниям первой группы, так и по предельным состояниям

(1)

второй группы. Коэффициенты конструктивной безопасности при рассмотрении конструкций по предельным состояниям первой группы:

k,=N'/Na, к,=М'/Ми. (2)

Коэффициенты конструктивной безопасности при рассмотрении конструкций по предельным состояниям второй группы:

- по деформациям: k2=f'jfu\ (3)

- по образованию трещин: к3 ~ М'сгс/Мсгси ; (4)

- по ширине раскрытия трещин: к4 =а'сгс/асгси . (5)

В выражениях (2) - (5): M', N', f, М'сгс, а'сгс - параметры конструкции с учетом накопленных повпежденнй и фактического состояния; Ми, Nu, fu, Mcrc и, ocrc и - расчетные параметры конструкции при проектных нагрузках.

Для разработки теории силового сопротивления реконструированного железобетона приняты предпосылки [2] об аффиноподобии, используемом при вычислении деформаций; о допустимости квазилинейного описания силовой и физической нелинейности бетона (нелинейность функциональных связей между напряжениями и деформациями).

Теория реконструируемого железобетона содержит расчет железобетонных конструкций на всех этапах жизненного цикла: расчет неусиленной конструкции с учетом силовых и средовых повреждений, предыстории нагружения; расчет конструкции на воздействие в процессе усиления конструкции; расчет усиленной конструкции с учетом конструктивной трансформации.

Механические свойства бетона как неравновесно деформируемого материала зависят от режима и длительности нагружения. Одним из следствий силового нагружения является снижение прочности бетона при длительном нагружении, оценка которого выполнена на основании инварианта потенциальной энергии деформирования от режима нагружения:

K=w*=con5t> (6>

где W°P,W£4 - потенциальная энергия, обратимо накопленная при кратковременном и длительном нагружении соответственно, что позволяет получить значение длительной прочности бетона при длительном режимном нагружении:

(7)

где Дкр - прочность материала при кратковременном статическом нагружении; цК - коэффициент, учитывающий режим и длительность нагружения.

В частности при стационарном нагружении имеем

^=]jl + Aft0JJ-<p(t0,t) ' (8)

где A(to,t) - функция, отражающая режим и длительность нагружения и зависящая от свойств деформирования бетона; (p{t„,t) - характеристика ползучести бетона.

Следующей основополагающей задачей оценки фактического состояния эксплуатируемых конструкций является оценка коррозионных повреждений. Эта задача решается с учетом принятых предпосылок:

- интенсивность агрессивного воздействия среды на конструкцию принимается неизменной во времени;

- силовое сопротивление сечения восстанавливается по мере удаления рассматриваемого слоя от поверхности контакта конструкции с агрессивной средой или от слоя полностью потерявшего силовое сопротивление;

- количественная оценка коррозионных повреждений осуществляется учетом послойного изменения механических характеристик бетона сжатой зоны:

R®b,cr = k(z,S)Rh; E\P,cr = k(zö)Eep , (9)

где к - функция повреждений (z - расстояние от оси)

k(z,S) = Y, ПРИ ö] = 0; а] - 2/8; а2-\/8';

;=о

Z - ордината элементарной полоски сечения, отсчитываемой от контрольной оси; S - глубина коррозионного повреждения к моменту времени t [3], определяемая при натурном обследовании конструкции или с помощью вычислений, которые в таком осуществляются с учетом кинетического характера развития коррозионных повреждений, т.е. энтропийно, затухая во времени, со стабилизацией на некоторой критической (предельной) глубине (глубине нейтрализации); линейно, с постоянной скоростью продвижения фронта повреждений, без стабилизации; и лавинно, интенсируясь во времени, с неизбежным разрушением

материалов и конструкций [3, 5]; R*, Rh - расчетная прочность повреждению и исходного бетона;Е*вр,сг,Евр- расчетный временный модуль деформации [1]

при Eep(z,t0) = {S°{ I Tl7- + C0(i,T)-'j/(T,t)^-Ct(t,T)dT] }-' (12)

КЬ V^ <„ 0Х

S° =1 + V(—)т- функция физической нелинейности [1]; C°(t,г) - начальная кь

мера простой ползучести при некотором уровне напряженного состояния [4]; а - напряжения на элементарной полоске сечения, рассматриваемая для исходного железобетонного элемента до повреждений; V, М- параметры нелинейности.

Изложенное позволяет построить последовательности и алгоритмы расчета остаточного ресурса силового сопротивления поврежденных сооружений, предложить рациональные способы и технологические режимы усиления и оценить конструктивную безопасность реконструированного железобетона

Литература

1. Бондаренко В.М., Колчунов Вл.И. Расчетные модели силового сопротивления железобетона. - Москва: Изд-во АСВ, 2004. - 472 с.

2. Бондаренко В.М., Меркулов С. И. Некоторые вопросы развития теории реконструируемого железобетона// Бетон и железобетон. - 2005, № 1.

3. Бондаренко В.М. Феноменология кинетики повреждений железобетонных конструкций, эксплуатирующихся в агрессивных средах'/ Бетон и железобетон. - 2008, №2.

4. Бондаренко В.М., Карпенко Н.И. Уровень напряженного состояния как фактор структурных изменений и реологического силового сопротивления бетонаП Архитектура и строительство, 2007, № 4.

5. Бондаренко В.М., Колчунов В.И., Клюева Н.В. К расчету сооружений, меняющих расчетную схему вследствие коррозионных повреждений// Известия вузов. Строительство, 2008, № 2.

6. Бондаренко В.М., Степанова В.Ф. Некоторые практические вопросы усиления железобетонных конструкций// Вестник отделения строительных наук, вып. 12, Белгород, 2008.

METHODOLOGICAL PRINCIPLES OF THEORY OF CONSTRUCTIVE SAFETY OF RECONSTRUCTED REINFORCED CONCRETE

V.M. Bondarenko, S.I. Merkulov