К вопросу об исследовании долговечности железобетонных элементов



В статье рассматриваются основные положения повышения долговечности железобетонных конструкций. Выделяются методы прогнозирования железобетонных конструкций, их особенности, достоинства и недостатки.

Ключевые слова: долговечность, железобетон, агрессивная среда, коррозия бетона, обследование и эксплуатация зданий

В настоящее время основным конструкционным материалом для строительных целей в Республике Татарстан, а так же во всей Российской Федерации является железобетон. Можно заметить, что производство конструкций из него ежегодно увеличивается. Железобетон обладает большим количеством положительных свойств, но также имеет и ряд недостатков, из-за которых он оказывается не в состоянии удовлетворять возрастающим требованиям строительства. Выявление, изучение, учет, прогнозирование появляющихся недостатков и адекватное конструктивное их устранение весьма актуально и особенно необходимо в связи с увеличением числа реконструируемых и модернизируемых зданий.

Строительные конструкции, состоящие из бетонных и железобетонных элементов, предназначены для восприятия силовых и средовых воздействий. Силовые воздействия определяются гравитационными силами, жизнедеятельностью людей. Средовые воздействия обуславливаются температурой, влажностью, воздухообменом и многими другими факторами. Помимо этого, качество материалов в значительной степени зависит от технологии изготовления, возрастных и деструктивных явлений и особенностей их эксплуатации.

Долговечность — один из важнейших показателей качества строительных конструкций, который определяет способность их сохранять требуемые эксплуатационные качества в течение заданного срока службы в условиях внешних воздействий. Длительное время считалось, что долговечность железобетонных строительных конструкций с годами только увеличивается. Однако оказалось, что улучшение качества бетона происходит лишь при определенных влажностных и температурных условиях. В большинстве же случаев в процессе эксплуатации железобетонные конструкции подвергаются различным агрессивным воздействиям и разрушаются. Нормативные значения долговечности строительных конструкций могут быть достигнуты путем применения специальных материалов, защитных покрытий или особых конструктивных решений.

Кратко рассмотрим основные способы повышения долговечности железобетона в виде следующей таблицы:

Рис. 1.

Практика эксплуатации показала, что каждый материал, изделие имеет определенную долговечность, которую необходимо уметь рассчитывать. Однако до сих пор нет теоретических методов расчета, оценки и прогнозирования долговечности строительных конструкций, работающих при совместном действии силовых факторов и агрессивных сред. В то же время нормативными документами предусматривается оценка состояния конструкций в процессе эксплуатации. Например, в СНиП 2.03.01–84* «Бетонные и железобетонные конструкции» 1996 г. в пункте 1.10 основные расчетные требования сформулированы следующим образом: «… Расчет по предельным состояниям первой группы должен обеспечивать конструкции от: … от разрушения под совместным воздействием силовых факторов и неблагоприятных влияний внешней среды (периодического или постоянного воздействия агрессивной среды…)». Из этого следует, что расчет железобетонных конструкций на совместное воздействие силовых факторов и агрессивной среды должен производиться. При этом предлагается (п. 2.13), условия работы учитываются с помощью коэффициентов условий работы γbi. В этом же СНиПе (п. 6.2, 6.12) предлагается проводить поверочные расчеты существующих конструкций при обнаружении дефектов и повреждений в конструкциях с целью установления, обеспечивается ли несущая способность и пригодность к нормальной эксплуатации в изменившихся условиях; а так же проверять сечения, в которых «… при натурных обследованиях выявлены зоны бетона, прочность которых меньше средней на 20 % и более». Здесь же отмечается, что «учет дефектов и повреждений производится путем уменьшения вводимой в расчет площади сечения бетона и арматуры». 21 В СНиПе 52–01–2003 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения» в п. 9.3.6 также отмечается, что «при проведении поверочных расчетов должны быть учтены дефекты и повреждения конструкций, выявленные в процессе натурных обследований: снижение прочности, местные повреждения или разрушения бетона, обрыв арматуры …» и т. д. Но при этом не учитывается, что изменение прочности бетона может происходить неравномерно в пределах поперечного сечения элемента, снижение прочности бетона развивается во времени. Приведенные нормативные требования не дают четкого представления о том, какие модели поперечного сечения должны рассматриваться, если под действием агрессивной среды происходит снижение прочности бетона и арматуры. В СНиП 2.03.11–85 «Защита строительных конструкций от коррозии» сформулированы требования к материалам (бетону и арматуре) конструкций, работающих в условиях агрессивных сред. Предлагается бетон железобетонных конструкций зданий и сооружений с агрессивными средами принимать марки по водонепроницаемости W4 и выше. В то же время в п. 2.17 предлагается «расчет железобетонных конструкций, подверженных воздействию агрессивных сред, производить по СНиП 2.03.01–84 с учетом настоящих норм по категории требований к трещиностойкости и предельно-допустимой ширине раскрытия трещин». В СП 63.13330.2012 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения» отмечается, что «Для сильно поврежденных конструкций (при разрушении 50 % и более сечения бетона или 50 % и более площади сечения арматуры) элементы усиления следует рассчитывать на полную действующую нагрузку», т. е. при 50 % потере несущей способности конструкцию следует заменить. Однако ни в СНиП 2.03.01–84, ни в СП 63.13330.2012, ни в СНиП 52–01- 2003 не предложены расчетные модели, учитывающие деградацию бетона и арматуры при эксплуатации конструкций в агрессивных средах. Поэтому проблема оценки долговечности бетонных и железобетонных конструкций является актуальной.

Долговечность конструкций зависит от характера ее взаимодействия с агрессивными факторами окружающей, который описывается посредством моделей внешних воздействий. Под внешним воздействием здесь понимается действие нагрузок, климатические, агрессивные и другие воздействия и их сочетания. В настоящее время можно выделить следующие методы прогнозирования долговечности железобетонных конструкций, основы которых изложены в работах В. М. Бондаренко, Ю. М. Баженова, С. Н. Алексеева, В. И. Бабушкина, В. М. Москвина, Е. А. Гузеева, Ш. М. Рахимбаева, С. Н. Леоновича, зарубежных ученых.

Общий метод, основан на применении экспертных оценок, которые базируются на коллективном опыте и знаниях, полученных путем лабораторных и производственных испытаний конструкций и материалов, а также специальных исследований. Данный подход допускает, что отобранная железобетонная конструкция будет иметь ожидаемый срок службы, так как предполагается, что если железобетонная конструкция выполнена в соответствии с требованиями норм и стандартов, то её требуемый срок службы будет обеспечен. Такой прием дает соответствие теории с практикой в тех случаях, когда срок службы невелик или если условия окружающей среды не являются агрессивными по отношению к материалу конструкции, или имеют стационарный характер. Но этот подход не даёт ожидаемых результатов в случае, когда необходимо решить проблему прогнозирования срока службы железобетонных конструкций для отрезка времени, превышающего пределы опыта или знания; если рассматривается изменяющаяся окружающая среда; когда используются новые виды бетона и арматуры, а информация о длительном их применении ограничена.

Метод прогнозирования, основанный на сравнении эксплуатационного качества. Он построен на предположении, что если железобетонная конструкция была долговечной для определенного времени, то и аналогичная конструкция, находящаяся в подобных условиях, будет иметь тот же срок службы. Ограниченность метода состоит в том, что любая железобетонная конструкция обладает определённой уникальностью из-за вариаций свойств материалов, геометрий и конкретной практики строительства или изготовления. Кроме того, составы бетонных смесей и свойства применяемого бетона или арматуры не остаются неизменными во времени.

Метод ускоренных испытаний. В тех случаях, когда нет опыта и знаний в отношении сопротивления воздействиям для новых материалов или конструкций, проводятся ускоренные возрастные испытания. Чтобы оценить срок службы новых материалов или конструкций, было сделано допущение, что число циклов ускоренных испытаний несет некоторый вид зависимости от срока службы в действительных условиях. Сравнивая скорость изменения эксплуатационного качества материала при этих 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 деградационные механизмы в них должны быть такими же, как и при эксплуатации. Если деградационный процесс при соответственно пропорциональной скорости деградации одного и того же механизма одинаков для ускоренных по времени испытаний и долговременных испытаний в эксплуатационных условиях, коэффициент ускорения К может быть получен из:

(1)

где R_AT — скорость деградации в ускоренных испытаниях; R_СТ -скорость деградации при долговременных испытаниях в эксплуатационных условиях.

Наибольшей трудностью в использовании такой методики прогнозирования срока службы является получение обеспеченных данных о параметрах эксплуатационного качества за длительный отрезок времени, что приводит к необходимости развивать зависимости, выраженные через К. Метод получил приложение к оценке долговечности конструкций при действии на них только отдельных факторов.

Методы математического моделирования, основанные на физике ихимии деградационных процессов. Ключевым вопросом здесь является знание закономерностей снижения эксплуатационного качества, то есть изменения основных свойств материалов и характеристик конструкций. В рамках детерминированного подхода для оценки долговечности получил развитие диаграммный метод расчета сечений железобетонных элементов, в котором используются трансформированные значения главных параметров диаграмм деформирования бетона и арматуры.

Известны методы, в которых используются практические приложения теории надёжности, стохастических распределений иметодов 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 препятствием в реализации данного подхода является ограниченность объема информации об отказах.

Методы механики разрушений получили развитие в последние 5–10 лет. Новая тенденция к оценке долговечности железобетонных конструкций, основана на применении практических аспектов механики разрушений и метода конечных элементов (МКЭ). Методы строительной механики железобетонных конструкций, взаимодействующих с агрессивной средой, основаны на применении аналитических методов механики сплошного тела к задачам сопротивления железобетонных конструкций коррозионным воздействиям. Метод эффективен в тех случаях, когда не удается выяснить общую схему разрушения конструкции, и когда возможности метода предельных состояний ограничены.

Основной особенностью расчета долговечности конструкции является введение фактора времени. Что позволяет выразить долговечность элемента подверженного влиянию внешних агрессивных воздействий окружающей среды как функцию от времени. Согласно [7] при математической формулировке задачи прогнозирования долговечности железобетонных конструкций традиционно используются два подхода: детерминистский и вероятностный. В детерминистской постановке проблемы долговечности распределения усилия (нагрузки) S и сопротивления R игнорируются, поэтому статистическая природа S и R учтена ограниченно. Нагрузка, сопротивление и срок службы используются в детерминированных величинах, и их распределения, которые выражают связь между случайными величинами и частотой их появления или повышения, не рассматриваются. Основная формулировка расчёта долговечности может быть записана в терминах эксплуатационного качества или срока службы.

Здесь к S(tg) относятся любые воздействия: механические (нагрузка), физические и химические; к R(tg) — соответствующие сопротивления конструкции этим воздействиям. S(tg) и R(tg) могут быть представлены средними, характеристическими или расчетными значениями. Согласно принципу эксплуатационного качества расчётная формула записывается в виде:

St g   Rt g  0

где tg — заданный (назначенный) срок службы

Особенностью вероятностных методов расчета долговечности по сравнению с детерминированными состоит во введении дополнительных условий, учитывающих неблагоприятную ситуацию, заданную с определенной вероятностью. Расчетные формулы записываются на основе уравнений регрессии, которые учитываю возможность распределения этих факторов. Основные параметры, определяющие долговечность, резерв несущей способности и интенсивность износа с течением времени, используются с вероятностными характеристиками, которые изменяются с течением времени.

Заключение.

Основные результаты статьи — рассмотрены сведения о методах определения долговечности железобетонных конструкций, изученных ранее учеными. Выявлены достоинства и недостатки каждого из методов. В результате чего можно выявить необходимость разработки новых методов, либо совершенствования уже существующих, используя современные программные комплексы, обладающие возможностью облегчить вычисления и улучшить его качество.

Литература:

1. Алексеев С. Н., Розенталь Н. К. Коррозионная стойкость железобетонных конструкций в агрессивной промышленной среде. М.: Стройиздат, 1976. 205 с.
2. Аугусти Г., Баратта А., Каммата Ф. Вероятностные методы в строительном проектировании. М.: Стройиздат, 1988. 580 с.
3. Бабушкин В. И. Физико-химические процессы коррозии бетона и железобетона. М.: Стройиздат, 1968. 187 с.
4. Баженов Ю. М. Бетон при динамическом нагружении. М.: Стройиздат, 1970.
5. Баженов Ю. М. Технология бетона. М.: Высшая школа, 1987. 415 с.
6. Бондаренко В. М. Предложения к теории силового сопротивления поврежденных коррозией железобетонных конструкций. // Тр. РААСН. СП 6-2006. С. 23–27.
7. Бондаренко В. М. К вопросу о влиянии анизотропии и коррозионных повреждений на силовое сопротивление железобетона при знакопеременном нагружении // Academia. Архитектура и строительство. 2011 № 1. С. 101–105.
8. Изотов В. С. Контроль качества и повышение долговечности железобетонных конструкций: Учебное пособие. Казань: КГАСУ, 2008. – 248 с.