О силовом сопротивлении железобетона поврежденного коррозией Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Байдин О. В., канд. техн. наук, докторант Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

О СИЛОВОМ СОПРОТИВЛЕНИИ ЖЕЛЕЗОБЕТОНА ПОВРЕЖДЕННОГО КОРРОЗИЕЙ*

Oleg.v31@yandex.ru

В статье рассматривается силовое сопротивление изгибаемых железобетонных элементов поврежденных коррозией. При этом отмечается значимость трещиностойкости железобетонных конструкций подверженных коррозионным воздействиям в условиях эксплуатации.

Ключевые слова: силовое сопротивление, изгибаемый элемент, коррозионные повреждения, трещинообразование, обжатие железобетона._

Основной отличительной особенностью силового сопротивления железобетона, с учетом входящих в его состав компонентов структуры (щебень, цементный камень, арматура) и их совместной работы как анизотропного материала, является нелинейная неравновесная специфика деформирования. Эта специфика важна для оценки силового сопротивления, повреждений, надежности, конструктивной безопасности зданий и сооружений и т.п. В связи с этим современные научные разработки, согласовываясь с основными положениями физики, механики и термодинамики, развиваются в феноменологическом направлении, реализуясь при этом как в дискретных моделях, идущих вслед за сетевыми методами механики твердого деформируемого тела, так и в интегральных моделях железобетона [5].

Ввиду того, что у бетона ярко выражена анизотропия физико-механических свойств, его силовое сопротивление растяжению на порядок ниже силового сопротивления сжатию. В изгибаемых или растянутых конструктивных элементах этот недостаток компенсируется армированием. Силовое сопротивление бетона, арматуры, сцепления между ними и в целом железобетона отличают нелинейность связи между напряжениями и деформациями, накопление деформаций во времени (ползучесть бетона) и релаксация напряжений (в арматуре), частичная необратимость деформаций, возрастные изменения свойств (старение).

Повреждения материалов и конструкций могут быть силовыми (возникают вследствие напряжений превышающих расчетные - предельно допустимые) и средовыми (от воздействия внешней среды - жидкой и газообразной). Зачастую силовые воздействия проявляются в виде трещин, при этом снижается жесткость железобетонных элементов, а со временем при совокупном воздействии внешней агрессивной среды это может влиять на несущую способность и привести к разрушению.

Неизбежно эксплуатация железобетонных конструкций и сооружений в целом сопровождается воздействием внешней среды (жидкой или газообразной), которая в большинстве случаев может быть агрессивной по отношению к материалам железобетона (бетону и арматуре). Интенсивность (глубина и скорость) коррозионных повреждений зависит от многих факторов: плотности и проницаемости бетона, концентрации и скорости поступления к поверхности контакта агрессивной среды, при этом основным фактором, влияющим на проницаемость и развития трещин в реальной (эксплуатируемой) конструкции является уровень напряженного состояния. В работе [6] отмечается, что процесс коррозионных повреждений зависит от уровня действующих напряжений и в ходе нагружения железобетонной конструкции, с ростом напряжений и изменением структуры материала, меняется уровень коррозионного сопротивления. Следовательно, сам факт коррозии (коррозионных повреждений) - это следствие проникновения в глубь бетона агрессора в виде воздушно-влажностной среды, при этом эффект проникновения агрессивной среды зависит от проницаемости бетона, а трещиностойкость бетона определяет степень его проницаемости. Для конструкции, работающей под нагрузкой, главным фактором, влияющим на проницаемость бетона, будет являться уровень напряженного состояния [1]. При этом прогноз силового сопротивления образованию трещин у поврежденного коррозией железобетона необходим для оценки эксплуатационных возможностей конструкций первой категории трещиностойкости, а также при решении задач, связанных с анализом напряженно-деформируемого состояния железобетонных конструкций.

Построенный в работе [2] расчетный аппарат по нахождению (образованию) первой трещины у изгибаемого железобетонного элемента, поврежденного коррозией, в полной мере учитывает растянутую зону, нелинейность и

неравновесность сопротивления железобетона и дает расчетную формулу для вычисления Мтр :

при

К V

M тр = тр h - X

* — v*

£Rt = K1t£Rt,

(1)

(2)

где Мтр - изгибающий момент, при котором

образуется первая трещина; П* - жесткость наиболее нагруженного (опасного) сечения поврежденного коррозией изгибаемого элемента; К * - коэффициент силового сопротивления для фибрового растянутого волокна; ет - предельная относительная деформация для фибрового растянутого волокна при изгибе (относительная полная деформация при изгибе, нормируется регламентными документами); Н - высота сечения; X - высота сжатой зоны.

Выражение (1) устанавливает связь между моментом силового трещинообразования и жесткостью «опасного» сечения, зависящих, в свою очередь, от интенсивности коррозионных повреждений бетона и арматуры, нелинейности деформирования и ползучести. Это позволяет оценивать силовое сопротивление изгибаемых конструкций с учетом уровня напряженного состояния при заданных условиях эксплуатации.

Также следует отметить, что с точки зрения практической значимости, то есть недопущения проникновения коррозионной среды в глубь материалов железобетонных конструкций, стойкость к образованию трещин при условии эксплуатации железобетонных конструкций в агрессивных средах будет иметь решающее значение. Таким образом, обоснована важность трещиностойкости железобетонных конструк-

ции подверженных коррозионным воздействиям в условиях эксплуатации, что в свою очередь послужило поиску путей повышения сопротивления образованию силовых трещин эксплуатируемого, поврежденного коррозией железобетонного элемента, одни из которых рассмотрены в исследованиях [3, 4], где повышение трещино-стойкости осуществляется за счет обжатия его растянутой части сечения.

В частности в работе [4], в интересах практического использования, следуя нормативным документам [7], где не нормируется изменение нагрузок во времени, а ограничивается их классификация по продолжительности действия (режимы нагрузок и воздействия могут быть указаны в техническом задании на проектирование), так же как и в большинстве теорий силового деформирования бетона в качестве эталонного режима принимаем неизменные во времени напряжения о = const:

da= о dt

(3)

В соответствии с (3), в работе [4] получен алгоритм расчета для вычисления потерь уровня обжатия железобетонного элемента с учетом ползучести бетона, релаксации напряжений в напрягаемой арматуре (канате), соотношения площадей компонентов сечения (процента армирования), как до коррозионных повреждений, так и после. Из этого следует решение:

ок (t)

Ок (to)

1

A EK( (t)

АжбЕжб (t)

(4)

1 +

Кроме того, в [3] предложено разрешающее интегральное уравнение для ^):

d

ок (to)Lo - Аок (t)Lo + { АОк (г) Li (r)dr = 0,

(5)

0

где:

Lo =

E,,

+ CK (t, to)

A,,

A

'жб

E

+ Сб (t, to)

(6)

жб

1

1

Li = С (t, to) + A. С*жб (t, to) ,

Ажб

CK (t, to) = Скр 1 -^(t-to) J, (8)

(9)

Уравнение (5) позволяет находить изменения напряжений во времени, что в определенной мере усложняет расчет - требует использование ЭВМ с применением соответствующей расчет-

(7)

С*б (t, to) = О -fiTe

-7 (t-to)

ной программы, но тем самым делает его более точным. Из уравнения (5) следует решение в

интегральной форме:

Аак (t) =

а

t

:(tc)J К*

—dx

dr + L0(t0)AaK (t0)

fL dr lo L

(10)

1

о

Здесь индекс «к» обозначает арматуру (каната) обжатия, индекс «жб» - условно одно-компонентная матрица растянутой части сечения элемента; знак « А » - приращение напряжений в канате после приложения обжатия N (^ ); Ак - площадь сечения арматуры (каната) обжатия; Ажб - тоже железобетонного сечения. При

этом следует отметить, что в формулах (1), (2), (4) и (6)-(8) значок «*» (звездочка), относящийся к различным параметрам, характеризует поврежденный коррозией материал.

Таким образом, рассмотрение силового сопротивления изгибаемых железобетонных элементов поврежденных коррозией, позволяет аргументировать выработанные методику определения момента трещинообразования изгибаемого железобетонного элемента, поврежденного коррозией и алгоритмы расчетной оценки влияния обжатия растянутой части сечения, поврежденного коррозией изгибаемого железобетонного элемента на момент образования трещин.

Научный консультант В.М. Бондаренко, д-р техн. наук, профессор, академик РААСН.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Байдин, О.В. Тенденции физических основ коррозии бетона / О.В. Байдин // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. - 2011. - № 3. - С. 27 -28. - ISSN 2071-7318.

2. Байдин, О.В. Силовое сопротивление образованию трещин поврежденного коррозией железобетона / О.В. Байдин // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. - 2012. - № 1. - С. 11 - 14. - ISSN 2071-7318.

3. Байдин, О.В. К вопросу повышения тре-щиностойкости поврежденного коррозией железобетона / О.В. Байдин // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. - 2012. - № 1. - С. 46 - 49. - ISSN 2071-7318.

4. Байдин, О.В. Повышение сопротивления образованию трещин поврежденного коррозией железобетона обжатием / О.В. Байдин // Строительная механика и расчет сооружений. - 2012.

- № 2. - ISSN 0039-2383.

5. Бондаренко, В.М. Расчетные модели силового сопротивления железобетона / В.М. Бондаренко, Вл.И. Колчунов. - М.: Изд-во АСВ, 2004. - 472 с.: 182 ил. -ISBN 5-93093-279-4.

6. Бондаренко, В.М. Феноменология кинетики повреждений бетона железобетонных конструкций, эксплуатирующихся в агрессивной среде / В.М. Бондаренко // Бетон и железобетон.

- 2008. - № 2. - С. 25 - 28. - ISSN 0005-9889.

7. СНиП 2.03.01-84. Бетонные и железобетонные конструкции. Нормы проектирования. -М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1989. - 88 с.