Влияние коррозионных повреждений на несущую способность сжатых железобетонных элементов

В научной публикации автор исследует влияние коррозионных повреждений на несущую способность железобетонных сжатых элементов, которые ведут к ухудшению эксплуатационных характеристик. Исследование базируется на методе численного анализа и моделирования. Одновременно дается качественная и количественная оценка, основанная на характере повреждения и его объеме.

Ключевые слова: несущая способность, коррозионные повреждения, оценка эксплуатационных характеристик.

На данный момент действующие нормативные документы не содержат определенного метода расчета строительных конструкций с учетом их дефектов и повреждений. Подверженность коррозии является основной причиной износа железобетонной конструкции. Влияние коррозионных повреждений на несущую способность железобетонных конструкций в настоящее время не нормирована и приводится ориентировочно, что напрямую указывает на необходимость совершенствования методов оценки несущей способности железобетонных стержней.

Целью данной работы является привести возможный способ прогнозирования и оценки остаточной несущей способности корродирующих железобетонных колонн, работающих на сжатие.

Механизм процесса разрушения железобетона:

1. Проникновение агрессивных сред путем диффузии, инициирующее процесс коррозии.
2. Продукты коррозии арматуры накапливаются, создавая давление на границе раздела между бетоном и стальной арматурой. Дополнительное давление способствует образованию трещин в бетоне.
3. Ширина трещины увеличивается из-за продолжающегося образования продуктов коррозии на границе раздела арматуры и бетона.
4. Происходит нарушение сцепления бетонного покрытия и арматуры, в ходе которого наблюдается отслоение бетона с последующей потерей устойчивости арматурного стержня и разрушением конструкции.

Для первых трех этапов были проведены аналитические и численные исследования с целью определения несущей способности коррозионно-поврежденных сжатых элементов. Необходимые исходные данные были получены при анализе расчета модели реально существующего инженерно-лабораторного корпуса.

Потапкин А. А. в [1] приводит следующую формулу для определения глубины коррозионного повреждения, учитывающую время продвижения коррозии только от постоянных величин.

В работе Меркулова С. И. [2] приведены рекомендации по определению среднегодовой потери несущей способности железобетонных конструкций, которые зависят от степени агрессивности внешней среды и глубины коррозионного повреждения бетона в сечении (таблица …).

Потеря несущей способности при эксплуатации конструкции

В статье Бабенковой Ю. В. [3] представлена следующая таблица степени агрессивности окружающей среды и глубины cноса поверхностного слоя бетона (таблица 2), влияющие на потерю несущей способности железобетонных конструкций:

Таблица 2

Степень агрессивности окружающей среды и глубины cноса поверхностного слоя бетона

На основе данных о снижении прочности в зоне коррозии в течении года был произведен расчет и спрогнозирована несущая способность железобетонных конструкций через 10, 20, 30, 40, 50 лет эксплуатации при различных степенях агрессивности среды. График приведен на рис. 1.

Рис. 1. График потери несущей способности при эксплуатации конструкций по Меркулову С. И. [2] и Бабенковой Ю. В. [3]

Основываясь на вышеприведеных данных о коррозии материала конструкций, сделаны прогнозы глубины коррозионного повреждения железобетонных конструкций через периоды длительностью в несколько десятков лет в условиях различных агрессивных окружающей сред.

Для наглядности расхождения теоретических данных, изложенных в научных трудах Потапкина А. А. [1], Меркулова С. И. [2] и Бабенковой Ю. В. [3], результаты сведены в сравнительный график, представленный на рис. 2.

Рис. 2. Сравнительный график прогнозирования глубины коррозионных повреждений конструкций

В работе Анцыгина О. И. [4] приведена формула для оценки рабочего сечения корродирующей арматуры (с учетом коррозионных потерь) без ее вскрытия в зависимости от ширины раскрытия коррозионной трещины:

Используя данную формулу, построим график зависимости рабочего сечения арматуры диаметром 25 мм, подвергнувшейся коррозии, от ширины раскрытия трещины в плоскости арматуры (рисунок 3).

Рис. 3. График зависимости рабочего сечения арматуры, подвергнувшейся коррозии, от ширины раскрытия трещины в плоскости арматуры

Увеличение ширины раскрытия коррозионной трещины в бетоне говорит о снижении площади рабочего сечения арматуры. Это объясняется уменьшением сечения стержня с течением времени и увеличением давления продуктов коррозии, которые превышают в 1,5–2 раза первоначальный объем металла, тем самым создавая дополнительные растягивающие напряжения в околоарматурной зоне.

На данный момент исследования темы анализа долговечности коррозионно-поврежденных сжатых элементов осуществляется моделирование объемно-конечной модели в программном комплексе для дальнейшего расчета с учетом процессов уменьшения поперечного сечения стержня, образования трещин в защитном слое бетона за счет давления продуктов коррозии, нарушения совместной работы арматуры с бетоном и его отслоения. (Рисунок 4, рисунок 5).

Рис. 4. Моделирование колонны без повреждений

Рис. 5. Моделирование колонны с учетом коррозионных повреждений

Литература:

1. Потапкин А. А. Оценка ресурсов мостов с учетом дефектов и повреждений. Вестник мостостроения — 1997. — № 3. — С. 22–23.

2. Меркулов С. И. Конструктивная безопасность железобетонных элементов реконструированных зданий и сооружений: Дисс. докт. техн. наук [Текст] / С. И. Меркулов — Орел: 2004. — 436 с.

3. Бабенкова Ю. В. Методы исследования железобетонных конструкций в агрессивных средах // E-Scio. 2020. № 4 (43).

4. Анцыгин, О. И. Прочность и устойчивость усиленных под нагрузкой железобетонных стержней с коррозионными повреждениями: автореферат дис.... кандидата технических наук: 05.23.01. — Санкт-Петербург, 1998. — 21 с.: ил.