CC BY
10
The article presents the results of ways for further research aimed at improving the efficiency of equipment and maintenance of crossings in the winter. The possibility of applying the new method of crossing in winter and exploiting a bridge crossing from a pontoon park assembled on ice without immersion of the ice cover on which the bridge is installed is being considered.
Key words: crossings in winter, ice crossings, lane, ice cover, bridge crossing, motor-drill, pontoon park.
Pospelov Maksim Petrovich, employee, pospel72 ai yandex. ru, Russia, Tyumen, Tyumen Higher Military Engineering Command School named Marshal of Engineering Troops A.I. Proshlyakova Ministry of Defense of the Russian Federation,
Volkov Andrey Mihailovich, candidate of military sciences, docent, andmih2012ayandex.ru, Russia, Tyumen, Tyumen Higher Military Engineering Command School named Marshal of Engineering Troops A.I. Proshlyakova Ministry of Defense of the Russian Federation,
Noskov Nikolay Nikolaevich, candidate of technical sciences, mntiz'a yandex. ru, Russia, Tyumen, Tyumen Higher Military Engineering Command School named Marshal of Engineering Troops A.I. Proshlyakova Ministry of Defense of the Russian Federation
УДК 69.059.28
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОВРЕЖДЕННОСТИ БЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ СПЕЦИАЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ В УСЛОВИЯХ ПРОЛИВОВ КРТ
Д.П. Мандрица
Рассмотрены вопросы определения характеристик поврежденностей бетонов специальных сооружений в условиях воздействия проливов КРТ. Выполнены численные исследования воздействия параметров проливов КРТ на образцы бетона специальных сооружений. Построены экспериментально-теоретические зависимости для оценки параметров поврежденностей образцов бетона, подвергнутых воздействию компонентов ракетных топлив.
Ключевые слова: проливы, компоненты ракетных топлив, специальные сооружения, напряженно-деформированное состояние, пластические деформации.
Одним из основных поражающих факторов, влияющих на эксплуатационную пригодность железобетонных конструкций покрытий (перекрытий) специальных сооружений, является являются проливы компонентов ракетных топлив (КРТ).
Воздействие КРТ, масел и других углеводородов необратимо снижают прочностные и деформативные свойства бетона, защитные свойства бетона по отношению к арматуре и нарушению их сцепления с бетоном. Данные инженерных обследований специальных сооружений показывают, что железобетонные конструкции покрытий (перекрытий), работающие в условиях воздействия агрессивных сред, в том числе компонентов ракетных топлив, могут прийти в аварийное состояние в возрасте 10 -15 лет и ранее, а в условиях проливов масел и тяжелых углеводородов в течении 3-5 лет.
Так нормативных документах [1-3] установлено, что бензин и керосин в течении трех-пяти лет при постоянном воздействии снижают на 10-15 % первоначальную прочность бетона. Скорость проникновения нефтепродуктов в структуру бетона зависит от пористости, непроницаемости и влажности. С увеличением влажности увеличивается количество пор и каппиляров бетона, заполненной жидкой фазой, что затрудняет дальнейшее проникание нефтепродуктов.
Для обеспечения эксплуатационной пригодности бетонных (железобетонных) конструкций проводятся в необходимом объеме технические мероприятия по ремонту и восстановлению поврежденных конструкций, мониторингу состояния арматуры [3,4]. Для оценки долговечности железобетонных конструкций, работающих при совместных силовых и температурных воздействиях и агрессивности компонентов ракетных топ-лив, разрабатываются ведомственные нормативные документы по оценке надежности железобетонных конструкций, специальных сооружений. Таким образом, прогнозирование процесса разрушения железобетонных конструкций с учётом коррозионного воздействия компонентов ракетных топлив в процессе их эксплуатации является важной и актуальной для практики задачей.
Решение данной задачи возможно на основе физических испытаний бетонных и железобетонных конструкций специальных сооружений на проникающее воздействие КРТ, однако ограничено размерами несущих конструкций и объемами КРТ, необходимых для испытаний. Наряду с физическими испытаниями одним из современных методов решения данного класса задач является конечно-элементное моделирование процесса разрушения железобетонных конструкций на основе использования в расчетах нелинейных моделей бетона с учётом накопления континуальных повреждений [5,6]. Применение подобных моделей, позволяющих установить механизм трещинообразова-ния и определить направление роста трещин.
Повреждения, возникающие в бетонных и железобетонных конструкциях специальных сооружений делятся на трещины, возникающие в наиболее нагруженных сечениях и мелкие повреждения: малые по размерам и множественные как по площади, так и по объему. Множественные дефекты, как правило обуславливаются высокими температурными и климатическими воздействиями, местными силовыми и коррозионными воздействиями. Процесс накопления повреждений, как правило, существенным образом зависят от напряженно-деформированного состояния несущих конструкций, степени агрессивного воздействия и длительности их воздействия. Существующие на сегодняшний день сведения о количественных характеристиках, функций распределения, зависимостей между случайными дефектами получают путем простого сопоставления опытных данных и простейших математических моделей.
С этой целью в многочисленных работах [7-9] вводится априорная характеристика поврежденности, которая будет устанавливает связь с параметрами напряженно-деформированного состояния сравнение следствий теории с экспериментальными данными.
Опишем поврежденность несущих конструкций функцией 0 < ijj < 4>max [3].
Функцию ц/ представим, как функцию «сплошности», то есть отношение площади поврежденной нижней поверхности (напряжения растяжения) изгибаемой конструкций к общей площади поверхности.
I _ Adam
W ~ Af ■
Здесь Adam - площадь поверхности образца бетона, имеющего повреждения, Af - полная площадь поврехности образца бетона. В начальном состоянии при отсутствии по-врежденности ц/ = 0, с течением времени функция ц/ возрастает и в момент разрушения становится равной гртах
Основной целью исследований являлось моделирование процессов повреждения бетонных балок-призм под действием проливов компонентов ракетных топлив.
Расчетная схема. При решении задачи оценки параметров поврежденности балок-призм использовались два типа-размера сжимаемых и изгибаемых бетонных элементов. Сжатые образцы:100*100*100, 70*70*70. Балки-призмы размерами 300*100*100, 400*100*100. Армирование отсутствует. В численных расчетах для оценки степени влияния эксплуатационной нагрузки на процессы разрушения при воздействии проливов КРТ использовались следующие схемы нагружения (рис.1)
.::;!:■.....^г
Рис. 1. Расчетные схемы балки-призмы
Воздействие КРТ введено в расчётную модель следующим образом.
1. Путем снижения начального модуля упругости бетона на 10 % [.].
2. Введением реальной диаграммы деформирования образцов бетона - кубов 70*70*70 и призм 300*100*100 и 400*100*100, полученные испытанием на проникающее воздействие и поглощение при погружение в керосин Рг-1 и испытанных на сжатие. Испытания бетонных кубов и балок-призм проводилось в сертифицированной лаборатории ПГУПС. Диаграммы испытаний бетонных кубов размерами 70*70*70 на сжатие классов В20, В30 после погружения в КРТ на 3 часа представлены на рис.2.
/
/
/
/ .
. .
. .
.
.
,___
—
Ш: 0;4 0,6 0,8!
1;2 1.4 1,6' Деформация, мм
Ш 2.4 2,5
Рис. 2. Диаграммы испытаний бетонных кубов размерами 70*70*70 на сжатие классов В20, В30 после погружения в КРТ на 3 часа
Планирование эксперимента. В качестве варьируемых факторов рассматривался класс бетона и глубина проникания КРТ в бетон. Класс бетона В20, В30. Глубина погружения КРТ принималась равной 2,4,6,8,10 см. Нагрузка на балку-призму принималась равной эквивалентной эксплуатационной нагрузки 5 кН/м, 7 кН/м.
Модель неупругого деформирования бетона. Для описания неупругого поведения бетона использовалась изотропно-пластичная модель 2Б/3Б модель деформирования материала. В случае данной модели материал рассматривается в упругой зоне как
458
изотропный. Пластическая зона рассматривается на условии текучести в соответствии с условием Мизеса (J2 пластичность) с известным пределом текучести эквивалентного напряжения для поверхностей и тел. Для растяжения и сжатия применяются следующие условия текучести:
для 2D модели ov = + Оу — <тхоу + Зт%у,
для 3D модели
ov = -j=J(ax ~ °yf + (°у ~ °z)2 + Ох - °zY + б(т ly + tIz + r|z)
В случае пластических свойств бетона расчет выполняется итеративно с приращениями нагрузки. Если в каком концевом элементе напряжение превышено, то модуль упругости Е в данном элементе будет уменьшен на расчетный цикл и будет возобновлен, пока не будет достигнута сходимость; процесс повторяется до тех пор, пока не будет достигнуто конвергенция.
При достижении нагрузкой пороговых значений эквивалентных напряжений начинается накопление повреждений: трещинообразование при растяжении и раскрашивание бетона при сжатии. Неупругое поведение бетона с учётом деградации упругих свойств описывается путем введения скалярной меры поврежденности и тензора остаточных (пластических) деформаций.
Определяющее уравнение упруго-поврежденно-пластического материала со скалярной мерой поврежденности ijj (0 < ijj < 1) имеет вид:
av = epl (1 - ifj)Eb ,
Здесь ov - тензор эквивалентных напряжений, £pi- тензор эффективных пластических деформаций, Еь- тензор начальных модулей упругости; Eb pi = (1 — ip)Eb тензор упругих модулей поврежденной среды.
Для вычисления поврежденности среды используется выражение, которое определяется на основе диаграммы деформирования материала по наклонам модуля упругости при разгрузке для различных уровней напряжений (деформаций).
D = D(ov, Epi).
Неповрежденному состоянию соответствует значение D = 0. При достижении значения D = Dutt происходит полное разрушение материала (образование макротрещины). В качестве эквивалентного напряжения рассматривается эквивалентное напряжение о рассматривались соотношения по Мору-Кулону, Друкеру-Прагеру.
Основным методом расчета являлся метод расчета по большим деформациям, метод решения системы уравнений - по Ньютону-Рафсону, максимальное количество итераций - 200, максимальное количество итераций для увеличения нагрузки - 1000. Расчет выполнялся в программе «RFEM 5».
Результаты конечно-элементного моделирования процесса разрушения балок-
призм.
На рис. 3 показано распределение полей повреждений в бетонных образцах В20, В30 при действии эксплуатационной нагрузки 5, 7 кН/м без проливов керосина.
Рис. 3. Распределение полей повреждений в бетонных образцах В20, ВЗО при действии эксплуатационной нагрузки 5 кН/м
459
0.00509 0.00463 0.00416 0.00370 ' 0.00324 0.00278 0.00231 0.00185 ■ 0.00ТЗЭ 0.00093 0.00046 0.00000
■ 0.00018 0.00016 0.00014 0.00013 0.00011 0.00010 0.00008 0.00006 ■ 0.00005 0.00003 0.00002 0.00000
Рис. 4. Распределение полей повреждений в бетонных образцах В20, В30 при действии эксплуатационной нагрузки 7 кН/м
Анализ представленных полей повреждений показывает, что они носят локальный характер и как правило ограничиваются площадью приложения распределенной нагрузки.
При увеличении зоны пролива КРТ наблюдается возникновение и развитие зон поврежденности как по поверхности балок, так и с глубиной проникания керосина. Местоположение зон поврежденности соответствует возникновению горизонтальных и вертикальных силовых трещин представительного объёма. На рис. 5-8 показано распределение полей поврежденности для бетона В20, В30 при действии эксплуатационной нагрузки 7 кН/м при глубине погружения 2,4,6,8,10 см.
Рис. 5. При глубине погружения КРТ 2 см
Рис. 6. При глубине погружения КРТ 4 см
0.00065 0.00059 0.00053 0.00047 0.00041 0.00035 0.00030 0.00024 0.00018 0.00012 0.00006 0.00000
Рис. 7. При глубине погружения КРТ 6 см
460
00017 00015 00012 00009 00006 00003 00000
Рис. 8. При глубине погружения КРТ 8 см
Распределение полей повреждений в вертикальных сечениях показывает, что они располагаются вблизи точек опирания балок и распределяются по направлению наклонных трещин, а также в нормальном сечении балки. При увеличении глубины проникания КРТ наблюдается локализация зон высокой поврежденности в виде вертикальной полосы по направлению нормали в середине пролета балки и снижению поврежденности на опорных частях балки. Кроме того, установлено, что скорость нарастания полей поврежденностей при эксплуатационной нагрузке 7 кН/м выше, чем при 5 кН/м и при полном проникании в рассматриваемую балку приводит к полному ее разрушению.
Кроме того, местоположение и высота вертикальных трещин коррелирует с наблюдаемой в реальности границей разрушения, получаемых при испытаниях этих балок на изгиб. Результаты численных исследований позволила построить диаграммы функций поврежденностей по нижней, верхней поверхностям, так и по глубине проникания КРТ (рис. 9).
функция поврежденности
относительная глубина воздействия керосина
0.12 0.24 0.36 0.48 0.6 0.72 0.84 0.96
Рис. 9. Диаграммы функций поврежденностей по глубине проникания КРТ
Обработка результатов численных расчетов показала, что функция поврежденности с точностью до 99.999 % описывается регрессионной зависимостью
. а
У ~ 1+Ъ-е~сх'
Здесь а - начальная поврежденность конструкции (для исследуемой балки -2.22 ■ Ю-3); Ъ, с - постоянные для различных материалов и конструкций ( для исследуемой балки -Ь = 5.37283 ■ 104,с = —47.47). Тогда скорость нарастания поврежденности по глубине проникания КРТ в бетон составит
dxfj abce~cx
^ ~~dx~ (1 + b ■ е~схУ
Выразим
а
b ■ е~сх =--1.
Ф
Подставляя выражение получим
Данная регрессионная зависимость хорошо согласуется с известными функциями поврежденностей различных материалов, в том числе модели разрушенности Ка-чанова-Роботнова [5,6,10,11]
Выводы.
1. Выполнено исследование процессов деформирования и разрушения бетонной образцов под действием эксплуатационных нагрузок и воздействия КРТ при розливе на основе прямого конечно-элементного моделирования с учётом накопления в бетоне континуальных повреждений.
2. Полученные результаты решения нелинейной краевой задачи в трехмерной постановке для представительного объёма показывают хорошую корреляцию с наблюдаемым в реальности характером повреждений бетонных элементов.
3. Предложенный подход позволяет на стадии проектирования бетонных (железобетонных) конструкций определять потенциальные механизмы трещинообразова-ния и производить анализ долговечности бетонных конструкций с учетом возможных проливов КРТ.
Список литературы
1. РД 03-420-01. Инструкция по техническому обследованию железобетонных резервуаров для нефти и нефтепродуктов. Москва: Госгортехнадзор, 2001.
2. РД22-01-97. Требования к проведению оценки безопасности эксплуатации производственных зданий и сооружений поднадзорных промышленных производств и объектов (обследование строительных конструкций специализированными организациями). М.: ЭКЦ-МЕТАЛЛУРГ, 1997.
3. Правила технической эксплуатации железобетонных резервуаров для нефти. Уфа: ВНИИСПТнефть, 1976.
4. РД39-0147103-378-87. Инструкция по ремонту железобетонных предварительно напряженных цилиндрических резервуаров для нефти. Уфа: ВНИИСПТнефть, 1987.
5. Работнов Ю.Н. Ползучесть элементов конструкций. М: Наука, 1966.
752 с.
6. Качанов JI.M. Основы механики разрушения. М: Наука, 1974.
7. Бондаренко В. М. Феноменология кинетики повреждений бетона железобетонных конструкций, эксплуатирующихся в агрессивной среде // Бетон и железобетон. 2008. №2. С. 25-28.
8. Арутюнян P.A. Критерий длительной прочности, основанный на концепции разрыхления В.В. Новожилова // Известия МГТУ «МАМИ». 2015. Т. 4. № 2(24). С. 1318.
9 .Степанов В. Б. Методика определения ширины раскрытия коррозионных трещин для оценки технического состояния железобетонных конструкций // Инженерно-строительный журнал. 2012. №5 (31). С. 6-11.
10. Алексеев С.Н. Долговечность железобетона в агрессивных средах / С.Н. Алексеев, Ф.М. Иванов, С. Модры, П. Шиссль. М.: Стройиздат, 1990. 320 с.
11. Алексеев С.Н., Розенталь Н.К. Коррозионная стойкость железобетонных конструкций в агрессивной промышленной среде. М.: Стройиздат, 1976. 205 с.
Мандрица Дмитрий Петрович, канд. техн. наук, доцент, MANDRIZA 66@mail. ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия Им. А. Ф.Можайского
MODELING OF DAMAGE TO CONCRETE STRUCTURES OF SPECIAL STRUCTURES IN
THE CONDITIONS OF CRT STRAIGHT
D.P. Mandritsa
The issues of determining the characteristics of concrete damage to special structures under the effects of MCT straits are considered. The numerical studies of the effect of КРТ straits parameters on concrete samples of special structures are performed. Experimental and theoretical dependences were built to estimate the parameters of damage to concrete samples subjected to rocket fuel components.
Key words: straits, components of rocket fuels, special structures, stress-strain state, plastic deformation.
Mandritsa Dmitry Petrovich, candidate of technical sciences, docent, MANDRIZA66@mail.ru, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy. A.F.Mozhayskogo
УДК 004.9
РАЗРАБОТКА ПОДХОДА К АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ПЕРВИЧНОЙ ОБРАБОТКИ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ ДЛЯ АНАЛИЗА УСТОЙЧИВОСТИ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ДЕСТРУКТИВНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
А.С. Андрианов, В.Б. Вечёркин, М.А. Прохоров, А.С. Цветков
Неуклонный рост вредоносных программно-математических объектов и уяз-вимостей программного обеспечения характеризует подверженность современных автоматизированных систем специального назначения информационным воздействиям деструктивного характера. Специфика обозначенных воздействий накладывает ограничения по оперативности и обоснованности на вырабатываемые мероприятия, направленные на обеспечение устойчивости сложных организационно-технических систем. Анализ состояния вопроса обеспечения устойчивости в условиях деструктивных воздействий информационного характера показал недостаточную проработанность вопросов непосредственного оценивания устойчивости систем, а именно, практически все существующие решения для анализа качества автоматизированных систем специального назначения основываются на результатах обработки исходных данных, осуществляемой экспертными методами, имеющими ряд существенных недостатков. В связи с этим целью исследования является разработка подхода к автоматизации процесса первичной обработки исходных данных для соответствующих инструментов анализа устойчивости систем.
Ключевые слова: автоматизированные системы управления, критическая информационная инфраструктура, оценивание, устойчивость.
Развитие инфраструктуры Российской Федерации обусловило появление множества критически важных объектов (КВО), функционирующих под управлением автоматизированных систем управления специального назначения. К ним, прежде всего,
463
