Оптимальное проектирование железобетонных конструкций, эксплуатируемых в агрессивных условиях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оптимальное проектирование железобетонных конструкций, эксплуатируемых в агрессивных условиях

Введение

Строительство - одна из ключевых и наиболее динамично развивающихся отраслей экономики. На сегодняшний день железобетон благодаря своим преимуществам: высокой прочности, долговечности, огнестойкости, относительно невысокой стоимости, является одним из самых распространенных применяемых строительных материалов. Однако, железобетонные конструкции, как и конструкции из других видов материалов, подвержены старению с течением времени в нормальных условиях эксплуатации, что сказывается на способности конструкции удовлетворять эксплуатационным требованиям, а в агрессивных условиях конструкция теряет свои свойства с еще большей скоростью.

Проектирование железобетонной конструкции без учета влияния агрессивной среды может привести к непоправимым последствиям: от финансовых потерь до ущербов жизни и здоровью людей в следствии аварий, поэтому на стадии проектирования конструкции необходимо учитывать все возможные изменения ее параметров от влияния агрессивной среды с течением времени и уделять особое внимание надежности и долговечности конструкции, выбирать такие характеристики, которые обеспечат безаварийную работу конструкции на протяжении всего срока эксплуатации. К сожалению, в истории строительства есть примеры катастроф, связанных с потерей несущей способности конструкций из-за воздействия агрессивной среды, например: обрушение моста через реку Миссисипи в 2007 году а результате коррозии арматуры и бетона, катастрофа на Саяно-Шушенской ГЭС в 2009 году, причиной которой стало разрушение гидротурбин из-за коррозии металла.



Рис.1.1 Разрушенный мост через реку Миссисипи 2007 г.

Рис. 1.2. Машинный зал Саяно-Шушенской ГЭС после аварии 2009 г.

Помимо надежности железобетонной конструкции немаловажным критерием является ее стоимость, ведь для эксплуатации в агрессивных условиях проектировать конструкцию только с учетом нагрузки, которая действует на нее, будет недостаточно: необходимо учитывать изменение параметров конструкции с течением времени от агрессивного воздействия и предусматривать запас прочности, который обеспечит требуемую долговечность, и периодические ремонтные работы, стоимость которых может составлять существенную часть общей суммы затрат на конструкцию.

Целью данной работы является разработка методики оптимального с точки зрения долговечности и стоимости проектирования железобетонной конструкции с учетом агрессивности среды, которая на практике позволит снизить риск преждевременного износа и разрушения конструкции, а также сократит затраты на ремонт и замену конструкции.

Рассмотрим виды агрессивных воздействий на бетон железобетонной конструкции

Сульфатное воздействие -- это проблема, с которой часто сталкиваются бетонные конструкции, находящиеся в контакте с почвой. Особенно подвержены сульфатному воздействию те части бетонных конструкций, которые расположены близко к земле, где в почве и грунтовых водах содержатся природные сульфаты кальция, натрия, калия и магния. Разрушение бетона под воздействием сульфатов ускоряется из-за циклов увлажнения и высыхания. Этот процесс происходит за счёт сочетания конвекции и абсорбции. В результате сульфатного воздействия внутри бетона происходят химические реакции, которые приводят к его растрескиванию и последующему разрушению. Когда расширение достигает примерно 0,5 дюйма, бетон может серьёзно пострадать.

Щелочно-агрегатные реакции -- это процесс разрушения бетона, который происходит из-за взаимодействия реактивных заполнителей в бетонной смеси. В отличие от других механизмов деградации бетона, этот не зависит от внешних агрессивных факторов. Для протекания таких реакций необходим источник воды. Они могут происходить с кремнистыми и редко с карбонатными агрегатами. В результате реакции расширения внутри бетона возникают напряжения, которые приводят к его растрескиванию. Трещины равномерно распределяются по большой площади поверхности бетонной конструкции, что делает её более уязвимой к другим агрессивным факторам и может привести к коррозии арматуры.

Циклы замораживания-оттаивания -- это проблема, которая возникает, когда бетон подвергается воздействию влаги и низких температур. Особенно подвержены таким циклам горизонтальные бетонные поверхности, где вода может оставаться в контакте с бетоном в течение некоторого времени. Критический уровень насыщения бетона водой для начала его разрушения составляет около 85%. Когда вода замерзает, она увеличивается в объёме примерно на 9%, что приводит к образованию трещин и отслаиванию бетона.

Выщелачивание -- это процесс, при котором из бетона вымываются растворимые компоненты под воздействием воды. В результате этого процесса происходит снижение уровня pH и прочности бетона. Если нерастворимые продукты, которые образуются в процессе выщелачивания, рекристаллизируются и расширяются в системе пор, то возникают напряжения, способные привести к растрескиванию поверхности бетона. Кроме того, снижение уровня pH может стать причиной коррозии арматуры. Скорость выщелачивания зависит от таких характеристик бетона, как проницаемость и пористость. Этот процесс контролируется диффузией.

Повышенные температуры.

Прочность и жёсткость бетона существенно не ухудшаются, пока температура не достигнет примерно 200 °C или выше. При температуре около 200 °C модуль упругости бетона составляет примерно 75 % от своего нормального значения при 20 °C, а прочность -- около 90 %. Если бетон подвергается кратковременному воздействию температуры до 500 °C, то после охлаждения его прочность на сжатие в основном восстанавливается. Длительное воздействие температуры выше 100 °C может привести к потере бетоном до 10 % прочности, но нет доказательств того, что умеренные температуры (например, 65 °C) разрушают бетон при сжатии. Однако термоциклирование может быть более вредным, чем постоянное повышение температуры той же величины. В целом вероятность ухудшения прочности структурных компонентов бетона из-за воздействия высоких температур невелика, и в большинстве случаев ею можно пренебречь.

Ползучесть и усадка -- это процессы, которые могут привести к деформации бетона. Ползучесть -- это деформация бетона под воздействием напряжения. Она может вызвать растрескивание массивного бетона при изменении температуры и увеличении деформации. Усадка связана с изменением объёма бетона из-за потери влаги в процессе сушки или продолжающейся гидратации. Оба процесса являются основными источниками потери предварительного напряжения в железобетонных конструкциях. Однако ни ползучесть, ни усадка не влияют на несущую способность конструкции в условиях, близких к предельным. Тем не менее эти процессы могут быть важны для оценки пригодности конструкции к эксплуатации.

1.Материалы и методы

проектирование железобетонной конструкции агрессивность среды

1.1 Потери несущей способности конструкции, подверженной влиянию агрессивной среды

Под воздействием влияния агрессивной среды железобетонная конструкция деградирует. Процесс деградации начинается с разрушения бетонной части, когда агрессивная среда проникает в бетон, уменьшая способность бетона к сопротивлению. При достижении агрессивной средой армирования, конструкция теряет несущую способность не только от уменьшения высоты сжатой зоны, но и от уменьшения площади армирования. В связи с этим можно выделить три стадии деградации железобетонной конструкции, которые будут рассмотрены на примере балки с рабочей арматурой в сжатой зоне, на которую действует равномерно распределенная нагрузка.

Стадия 1. До агрессивного воздействия среды на балку.

Условие равновесия балки рассчитывается из условия равенства нулю

суммы проекций всех усилий на продольную ось:



где R_s - сопротивление арматуры растяжению, A_s - площадь рабочей арматуры, R_s - сопротивление бетона осевому сжатию, b - ширина балки, x - высота сжатой зоны бетона:

Несущая способность балки:

где h₀ - рабочая высота сечения балки.

Стадия 2. Агрессивная среда воздействует только на бетон, не затрагивая армирования балки.

В этой стадии агрессивные компоненты среды эксплуатации балки равномерно проникает в неё со всех сторон, разрушая бетон, в следствие чего разрушившийся бетон полностью теряет свойства. При этом изменение свойств бетона могут иметь разные виды:

Рис. 2.1 Модели изменения свойств бетона сжатой зоны под воздействием агрессивной среды: Модель 1 - бетон коррозированный выключается из работы; Модель 2 - сопротивление бетона снижается и распределяется по прямоугольнику; Модель 3 - сопротивление распределяется по треугольнику; Модель 4 - часть коррозированного бетона выходит из строя, а оставшаяся распределяется по треугольнику.

В данной работе принята модель номер 1. Учитывая, что агрессивная среда действует по всей поверхности балки, конструкция будет иметь вид:

Анализ данной модели дает возможность получить уравнение несущей способности балки:

где b_t - ширина балки после агрессивного воздействия среды:

x_t - высота сжатой зоны балки после агрессивного воздействия среды:

h₀,_t - рабочая высота сечения после влияния агрессивной среды,



K - скорость проникновения агрессивного воздействия в бетон, зависящая от вида агрессивной среды, см/год.

Стадия 3. Агрессивное воздействие достигает армирования и начинается равномерная коррозия арматуры со всех сторон.

В этой стадии потери несущей способности происходят за счет уменьшения сжатой зоны бетона и разрушения армирования от влияния агрессивной среды. При этом площадь арматуры уменьшается согласно формуле:

где D - диаметр арматуры до начала коррозии, t_a - время начала коррозии арматуры, н - скорость коррозии. Скорость коррозии v меняется с в зависимости от окружающей среды, является фактором времени случайной переменной и описывается логарифмически нормальным законом распределения со средним значением 0,05 мм/год.

В данной работе эта стадия не будет рассмотрена, т.к. балка теряет способность сопротивляться внешней нагрузке до достижения агрессивной средой армирования.

1.2 Подбор оптимальных параметров конструкции

Для подбора оптимальных параметров конструкции, сечение которой уменьшается со временем под влиянием агрессивной среды, необходимо понимать, как изменение различных параметров влияет на потери несущей способности балки со временем в процентном соотношении. Для этого рассмотрим зависимость потерь прочности за 50 лет в процентном соотношении конструкции балки от изменения ее параметров для стадии 2. Результаты расчетов приведены ниже:

А)

Б)

В)

Г)

Д)

Рис. Изменение потерь несущей способности за 50 лет в процентном соотношении в зависимости от изменения параметров сечения балки: А) изменение высоты, Б) изменение ширины, В) изменение площади армирования, Г) изменение класса бетона, Д) Изменение класса армтатуры.

Из рис. видно, что до момента, пока агрессивная среда не достигла армирования, несущая способность растянутой зоны сохраняется, а ощутимые потери прочности происходят из-за уменьшения высоты сжатой зоны балки. Следовательно, для того, чтобы в данной стадии потери несущей способности свести к минимуму, необходимо на стадии проектирования предусмотреть как можно большую высоту сжатой зоны.

При этом изменение высоты балки h не оказывает существенное влияние на суммарные потери несущей способности, а величина сжатой зоны остается прежней при разных значениях высоты балки, ширина b влияет на высоту сжатой зоны бетона, но при несоблюдении оптимального соотношения высоты к ширине h/b потери несущей способности увеличиваются. Существенное влияние на потери прочности оказывают классы применяемых бетона и арматуры и суммарная площадь армирования, при чем в вариантах с большей высотой сжатой зоны потери несущей способности меньше.

Несмотря на то, что стадия 3 не рассматривается в данной работе, стоит отметить, что скорость потери несущей способности от уменьшения площади армирования со временем зависит от диаметра применяемой арматуры: чем больше диаметр применяемых стержней, тем величина потери прочности меньше, при условии, что защитный слой бетона во всех случаях одинаковый. Следовательно, для конструкций, эксплуатируемых в агрессивных средах предпочтительнее выбирать меньшее число стержней с большим диаметром арматуры.

Рис. Потери площади армирования за 50 лет в процентном соотношении.

1.3 Стоимость

Стоимость - важный критерий оптимальности конструкции. В данной работе рассматривается два способа проектирования конструкции: с учетом периодического ремонта и с запасом прочности, которого хватит на весь срок эксплуатации. Стоимость балки с запасом на протяжении всего срока эксплуатации остается постоянной, а стоимость ремонтируемой балки со временем возрастает за счет стоимости ремонта, при этом стоит учитывать, что ежегодная стоимость ремонта со временем возрастает за счет инфляции.

Обозначим стоимость балки, для которой предусмотрен ремонт на протяжении срока эксплуатации С_БР , балки с запасом прочности С_БЗ. Стоимости можно рассчитать по формулам:

где С_а, С_b - производственная себестоимость 1 т арматуры и 1 м³ бетона соответственно, V_a, V_b - объемы арматуры (т) и бетона (м³) конструкции, N - кол-во ремонтных работ, проводимых за весь срок эксплуатации, С_рм - стоимость ремонтных материалов:

где - стоимость м³ ремонтной смеси, принимаемая равной стоимости м³ бетона, применяемого в балке , - объём ремонтной смеси в м³, принимаемый равным разности объема бетона балки до начала эксплуатации и после,

С_рр - стоимость ремонтных работ:

где - стоимость работ на 1 м³ ремонтных материалов.

Таким образом, стоимость балки с учетом периодического ремонта складывается из затрат на конструкцию балки и затрат на ремонтно-восстановительные работы, стоимость балки с запасом прочности складывается только из затрат на материалы конструкции. В данной работе стоимости работ и материалов принимаются согласно федеральной сметно-нормативной базе ценообразования 2022 г.

2. Численный эксперимент

2.1 Расчет несущей способности и стоимости балок

Цель численного эксперимента - сравнить стоимости двух балок: БР - для которой предусмотрен ежегодный ремонт, БЗ - с запасом прочности, рассчитанный на весь срок эксплуатации.

Исходные данные для проектирования обоих балок: рабочая арматура в растянутой зоне, срок эксплуатации балки T - 50 лет, момент действующий на балку M_d = 100 кН·м, скорость проникновения агрессивной среды в балку K= 0,05 см/год, a = 5 см - расстояние от края бетона до центра армирования, а также для удобства расчетов назначим длину балки L =1 м.

2.1 Балка с учетом ежегодного ремонта

Для первой балки БР параметры и характеристики подбираются исключительно из условия возможности конструкции воспринимать заданные нагрузки. Её параметры: b = 25 см - ширина балки, h = 50 см - высота балки, h₀ = 45 см - рабочая высота сечения, Арматура класса А500 (R_s = 43,5 кН/см²), Бетон класса В25 (R_b = 1,45 кН/см²).



Определим минимальную площадь арматуры, необходимую для обеспечения несущей способности балки в заданных условиях, для этого вычислим граничную относительную высоту сжатой зоны :

Определяем безразмерный параметр из условия равновесия :

где - коэффициент условий работы.

Определяем относительную высоту сжатой зоны :

, следовательно рабочую арматуру предусматриваем только в сжатой зоне.

Определяем площадь арматуры:



По сортаменту подбираем армирование из условия наименьшего запаса по прочности, т.е. самое близкое к минимальному значение: 5 ? 12 ( = 5,65 см²)

Из первого условия равновесия:

Из второго условия равновесия:

Помимо рабочей арматуры в растянутой зоне в сжатой зоне предусмотрена конструктивная арматуры, не участвующая в расчете. Итоговая конструкция имеет вид:

Согласно формуле () несущая способность балки в любой момент времени будет равна:



Определим несущую способность балки через год эксплуатации:

Потери несущей способности за год:

Оставшийся запас прочности 16,5 не сможет обеспечить работу балки на протяжении еще одного года, поэтому необходимо предусмотреть ежегодные ремонтные работы для данной конструкции. Ремонт осуществляется с помощью нанесения ремонтной смеси на конструкцию в объеме разрушившегося бетона балки.

Согласно ФСНБ 2022 стоимость тонны арматуры А500С d12 равна 54141,7 руб., стоимость м³ бетона класса В25 - 4251,01 руб. Так как существует большое множество ремонтных смесей для упрощения расчетов стоимость ремонтной смеси принимается равной стоимости бетона той же марки, из которой спроектирована балка. Стоимость ремонтных работ принимается согласно ФЕР 46-08-009-03 «Ремонт бетонных и железобетонных конструкций безусадочными, быстротвердеющими сухими составами наливного типа вручную с устройством мелкощитовой опалубки» и равняется 899,31 руб. за м³.

Общая стоимость конструкции за всё время эксплуатации с учетом ремонта согласно () будет равна:

где 0,00444 - вес арматуры балки в кг,

- объем бетона балки в м³,

- объем разрушившегося за год бетона балки в м³.

Далее рассмотрим балку с запасом прочности на весь срок эксплуатации БЗ. Параметры балки назначаются с учетом правил оптимального подбора параметров балки, эксплуатируемых в агрессивных средах.

Итоговые параметры балки: b = 20 см - ширина балки, h = 47 см - высота балки, a = 5 см - расстояние от края бетона до центра армирования, h₀ = 42 см - рабочая высота сечения, Арматура класса А600 (R_s = 52,0 кН/см²), 3d18(A_s = 7,63 см²), Бетон класса В20 (R_b = 1,15 кН/см²).

Моменты в начале и в конце эксплуатации будут равны:

Через 50 лет агрессивная среда проникнет в конструкцию балки на 25 мм, потери прочности составят 5901,1 , т.е. в среднем в год 118, . Конструкция будет иметь вид:



Согласно ФСНБ 2022 стоимость тонны арматуры А600 d18 равна руб., стоимость м³ бетона класса В20 - руб. Таким образом, общая стоимость балки составит:

где 0,006 - вес арматуры балки в кг,

0,094 - объем бетона балки в м³.

2.2 Результаты расчетов

Сравнение вариантов конструирования и изменений несущих способностей балок со временем приведено в таблице и на рисунке:

	Параметры конструкции	Потери несущей способности за 50 лет, %	Общая стоимость конструкции
	h,см	b,см	As, см2	Класс арматуры	Класс бетона
БЗ	50	25	5,65	А500С	В25	-	961,04
БР	47	20	7,63	А600С	В20	24,1	728,8



Вывод

Общая стоимость за всё время эксплуатации балки с запасом прочности меньше, чем стоимость балки без запаса по прочности, но с ежегодным ремонтом.

Балка на 1 год

Определим несущую способность балки через год эксплуатации:

Потери несущей способности за год:

где 0,00444 - вес арматуры балки в кг,

- объем бетона балки в м³,

- объем разрушившегося за год бетона балки в м³.

Балка на 5 лет

Определим несущую способность балки через 5 лет эксплуатации:

Потери несущей способности за 5 лет:

где - вес арматуры балки в кг,

- объем бетона балки в м³,

- объем разрушившегося за 5 лет бетона балки в м³.

Балка на 10 лет

Определим несущую способность балки через 5 лет эксплуатации:

Потери несущей способности за 10 лет:

где - вес арматуры балки в кг,

- объем бетона балки в м³,

- объем разрушившегося за 10 лет бетона балки в м³.

Балка на 25 лет

Определим несущую способность балки через 5 лет эксплуатации:

Потери несущей способности за 25 лет:

где - вес арматуры балки в кг,

- объем бетона балки в м³,

- объем разрушившегося за 25 лет бетона балки в м³.

Балка на 50 лет

Определим несущую способность балки через 5 лет эксплуатации:

Потери несущей способности за 25 лет:

где - вес арматуры балки в кг,

- объем бетона балки в м³,

- объем разрушившегося за 25 лет бетона балки в м³.

Размещено на Allbest.ru