CC BY
60
ОСНОВНЫЕ ПОДХОДЫ
к прогнозированию срока службы железобетонных конструкций с полимерными покрытиями
В. В. Цыганов
В статье рассматривается классификация основных подходов к оценке долговечности железобетонных конструкций с полимерными покрытиями: метод экспертной оценки, метод прогнозирования, ускоренные испытания, математическое моделирование, методы механики разрушений, методы строительной механики железобетонных конструкций, взаимодействующих с агрессивной средой, и др. Автор приходит к выводу, что данная классификация является неполной и в известной степени условной. Значительная разница в сроках службы конструкций и материалов приводит к необходимости их группировки.
Термин «срок службы» относится к конструкциям, проявляющим удовлетворительные эксплуатационные качества в течение оговоренного периода времени без непредвиденных расходов на эксплуатацию. Установление заданного (назначенного) срока службы любой конструкции имеет решающее значение при выборе категории долговечности и методов ее обеспечения.
В настоящее время в развитии практики и теории оценки долговечности и в вопросах аналитических подходов прогнозирования срока службы железобетонных конструкций с полимерными покрытиями сложилось несколько основных направлений [4].
1. Общий метод, или метод экспертной оценки, основанный на коллективном опыте и знаниях, полученных на базе лабораторных и производственных испытаний конструкций и материалов, а также с помощью специальных исследований. Это направление опирается как на эмпирические знания, так и на эвристический подход [1].
При выборе железобетонных конструкций обычно учитываются эмпирические зависимости между проектными параметрами железобетонных конструкций и их качеством, лабораторных испытаний полимерных покрытий, а также по результатам натурных испытаний и условий совместной работы железобетонных конструкций с полимерными покрытиями.
Такой прием дает соответствие теории и практики в тех случаях, когда срок службы невелик, или если условия окружающей среды не являются агрессивными по отношению к материалу конструкции, или имеют стацио-
нарный характер. Но так как железобетонные конструкции с полимерными покрытиями рекомендуются для эксплуатации в условиях воздействия агрессивных факторов, такой подход не дает ожидаемых результатов в случае, когда необходимо решить проблему прогнозирования срока службы конструкций для отрезка времени, превышающего пределы опыта или знания.
2. Метод прогнозирования, основанный на сравнении эксплуатационного качества. Он построен на предположении, что, если железобетонная конструкция была долговечной для определенного времени, аналогичная конструкция, находящаяся в подобных условиях, будет иметь тот же срок службы. Ограниченность метода состоит в том, что любая железобетонная конструкция, а особенно слоистая, обладает определенной уникальностью из-за вариаций свойств материалов, геометрий и конкретной практики строительства или изготовления. Поэтому сравнение долговечности известных старых и проектируемых новых аналогичных слоистых конструкций не приводит к достоверным результатам. Сроки службы однотипных конструкций, эксплуатируемых примерно в одинаковых условиях, могут отличаться друг от друга на целый порядок. Другие подходы к отбору железобетонных конструкций основаны на прогнозировании срока службы с использованием расчетов, построенных на знании деградационных механизмов и скорости деградационных процессов [2].
3. Ускоренные испытания. В тех случаях, когда нет опыта и знаний в отношении сопро-
тивления воздействиям для новых материалов или конструкций, проводятся ускоренные возрастные испытания. Чтобы оценить срок службы новых материалов или конструкций, было допущено, что число циклов ускоренных испытаний несет некоторый вид зависимости от срока службы в действительных условиях. Сравнивая скорость изменения эксплуатационного качества материала при данных испытаниях с тем же параметром, полученным при долговременных испытаниях в реальных условиях, можно было оценить срок службы новых материалов или конструкций.
Важное требование для использования ускоренных испытаний состоит в том, что де-градационные механизмы в них должны быть такими же, как и при эксплуатации. Наибольшей трудностью в использовании такой методики прогнозирования срока службы является получение обеспеченных данных о параметрах эксплуатационного качества за длительный отрезок времени.
4. Методы математического моделирования, основанные на физике и химии де-градационных процессов. Ключевым вопросом здесь является знание закономерностей снижения эксплуатационного качества, т. е. изменения основных свойств материалов и характеристик конструкций. В рамках такого подхода для оценки долговечности получил развитие метод деградационных функций [2].
5. Методы, в которых используются практические приложения теории надежности, стохастических методов и методов математической статистики. Одним из подходов при разработке расчетных моделей долговечности является оценка условной надежности, при которой характеристики прочности сечений и действующие на конструкцию нагрузки рассматриваются как случайные величины. При этом снижение несущей способности в период эксплуатации конструкции условно заменяется понятием статистической изменчивости расчетных параметров.
В соответствии с другим подходом вероятность безотказной работы в период эксплуатации подчиняется статистическим закономерностям, характерным для данного объекта. Они должны быть найдены по результатам статистической обработки большого объема информации об эксплуатационных отказах изучаемых объектов. Основным препятстви-
ем в реализации данного подхода является ограниченность объема информации об отказах. В рамках данного подхода предложено использовать метод Монте-Карло для оценки надежности железобетонных конструкций с полимерными покрытиями [1].
Третий подход рассматривает пространство качества системы и траектории изменения качества системы во времени. Выход траектории из области допустимых значений является признаком отказа. Воздействие и поведение конструкции в период эксплуатации рассматриваются как случайные процессы. Достижение предельного состояния (отказ) представляет собой следствие постепенного накопления повреждений.
6. Методы механики разрушений. В последние 5—10 лет проявилась новая тенденция к оценке долговечности железобетонных конструкций, в основе которой лежат практические аспекты механики разрушений и метода конечных элементов (МКЭ).
7. Методы строительной механики железобетонных конструкций, взаимодействующих с агрессивной средой. Этот раздел теории расчета конструкций, работающих в агрессивных средах, включает в себя приложение аналитических методов механики сплошного тела к задачам сопротивления железобетонных конструкций коррозионным воздействиям, особенно в тех случаях, когда не удается выяснить общую схему разрушения конструкции или когда возможности метода предельных состояний ограничены.
Рассмотренная классификация основных подходов к оценке долговечности железобетонных конструкций с полимерными покрытиями является неполной и в известной степени условной, поскольку они часто применяются в сочетании, но общим является то, что концепциями расчета в них предусмотрен прямой учет фактора времени. Значительный разброс в сроках службы конструкций и материалов приводит к необходимости их группировки. Установленные строительными нормами сроки службы конструкций являются усредненными, расчетными сроками, обусловленными физическим (техническим) износом материала.
Развитие расчетного аппарата для оценки долговечности и продолжительности эксплуатации с использованием количественных показателей прогнозируется на основе энерге-
166
ВЕСТНИк Мордовского университета | 2008 | № 4
тических представлений механики деформи- функций с учетом комплексного характера си-рования и разрушения конструкций, теории ловых и несиловых воздействий, управления накопления повреждений и деградационных ресурсом конструктивной безопасности.
библиографический список
1. Селяев В. П. Исследования железобетонных балок с полимерными покрытиями / В. П. Селяев, Ю. Б. Потапов, Б. М. Люпаев // Применение полимерных смол в бетонных и железобетонных конструкциях : м-лы к Всесоюзн. совещанию. — Вильнюс, 1971. — С. 62.
2. Селяев В. П. Химическое сопротивление и долговечность строительных материалов, изделий, конструкций / В. П. Селяев, Т. А. Низина, В. Н. Уткина ; под общ. ред. В. П. Селяева. — Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2003. — 48 с.
3. Цыганов В. В. Вероятностные аспекты анализа надежности железобетонных конструкций с полимерными покрытиями / В. В. Цыганов // Актуальные вопросы строительства. Вып. 6 : м-лы Междунар. науч.-техн. конф. : в 2 ч. Ч. 1. — Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2007. — С. 333—336.
4. Цыганов В. В. Долговечность железобетонных конструкций с функционально-градиентными покрытиями : автореф. дис. ... канд. техн. наук / В. В. Цыганов. — Самара, 2007. — 20 с.
Поступила 16.09.08.
