Конструктивная безопасность железобетонных элементов в период эксплуатации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, доктор наук Терехов Иван Александрович

• Терехов Иван Александрович
• доктор наук
• 2026

Оглавление диссертации доктор наук Терехов Иван Александрович

ВВЕДЕНИЕ

1 МЕТОДЫ ОЦЕНКИ КОНСТРУКТИВНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ЗДАНИЙ

1.1 Этапы жизненного цикла железобетонных конструкций

1.1.1 Учет особенностей работы конструкций на различных стадиях жизненного цикла

1.1.2 Обеспечение конструктивной безопасности при проектировании зданий

1.1.3 Особенности работы конструкций в доэксплуатационной стадии

1.1.4 Оценка технического состояния строительных конструкций на этапе эксплуатации

1.1.5 Показатели долговечности конструкций

1.2 Анализ методов оценки конструктивной безопасности

1.2.1 Определение безопасного срока эксплуатации по нормативным срокам и объектам-аналогам

1.2.2 Определение безопасного срока эксплуатации по внешним признакам

1.2.3 Определение срока безопасной эксплуатации на основе изменения коэффициентов запаса

1.2.4 Методика оценки срока безопасной эксплуатации по критерию прочности

1.3 Постановка цели и задач исследования

1.4 Выводы

2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРОКА БЕЗОПАСНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ С УЧЕТОМ ПЕРВИЧНЫХ ДЕФЕКТОВ И ДЕГРАДАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ

2.1 Эксплуатационная надежность строительных конструкций

2.2 Анализ факторов, влияющих на деградацию свойств железобетонных конструкций

2.2.1 Прогнозирование деградации защитного слоя бетона

2.2.2 Прогнозирование коррозии арматуры

2.2.3 Прогнозирование прочности бетона

2.3 Влияние фактора времени на раскрытие трещин и прогиба

2.4 Прогнозируемые сроки безопасной эксплуатации до проведения капитального ремонта

2.5 Выводы

3 ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЗЕРВОВ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ, ЗАКЛАДЫВАЕМЫХ НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

3.1 Резервы в строительных конструкциях, заложенные в коэффициентах запаса

3.2 Учет возможности возникновения в конструкциях особого предельного состояния

3.3 Напряженно-деформированное состояние бетона на стадии близкой к разрушению

3.4 Критерии особого предельного состояния и перспективы их уточнения

3.5 Коэффициенты надежности по ответственности строительных конструкций зданий и сооружений

3.6 Выводы

4 ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ КОНСТРУКЦИЙ И ОБРАЗОВАНИЯ ДЕФЕКТОВ В ДОЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ СТАДИИ

4.1 Работа конструкций на стадии изготовления

4.1.1 Изменение физико-механических характеристик бетона в период набора прочности в различных температурах

4.1.2 Влияние технологического процесса изготовления сборных железобетонных конструкций на образование дефектов

4.1.3 Исследование конструктивных решений арматурных и закладных изделий

4.1.4 Применение арматуры и арматурных изделий с коррозионными повреждениями на стадии изготовления

4.2 Работа конструкций при транспортировании железнодорожным транспортом

4.2.1 Основные положения по транспортированию конструкций

4.2.2 Закрепление конструкций при перевозке

4.2.3 Повреждения конструкций при перевозке

4.2.4 Расчет конструкций при перевозке по железной дороге

4.2.5 Предложения по повышению эффективности перевозок

4.3 Работа конструкций при транспортировании автомобильным транспортом

4.3.1 Особенности выбора транспортных средств

4.3.2 Расчетные положения при перевозке автомобильным транспортом

4.4 Работа конструкций в стадии монтажа

4.4.1 Основные положения по расчету каркасов многоэтажных зданий в стадии монтажа

4.4.2 Работа связевого каркаса в стадии монтажа

4.4.3 Работа перекрытий в горизонтальной плоскости

4.4.4 Работа рамного каркаса в стадии монтажа

4.4.5 Учет работы рамного узла сопряжения ригеля и колонны в стадии монтажа

4.5 Влияние начальных трещин на работу изгибаемых элементов

4.6 Учет первичных дефектов, полученных в доэксплуатационной стадии работы конструкций

4.6.1 Первичные дефекты многопустотных плит стендового формования

4.6.2 Первичные дефекты ребристых плит

4.6.3 Первичные дефекты плит безопалубочного формования

4.6.4 Первичные дефекты сборных колонн

4.7 Выводы

5 ЗАВИСИМОСТЬ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ОТ ПАРАМЕТРОВ ДЕФЕКТОВ НА ЭТАПЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ

5.1 Основные факторы деградации физико-механических характеристик бетона и арматуры на стадии эксплуатации

5.1.1 Экспериментальные исследования прочности бетона и влияния деградации на его характеристики

5.1.2 Влияние отрицательных температур

5.1.3 Влияние повышенных температур

5.1.4 Выявление фактического армирования

5.1.5 Учет нарушения сцепления бетона и арматуры при ее коррозии

5.2 Анализ изменения резервов и продолжительности периодов безопасной эксплуатации зданий и сооружений с железобетонными конструкциями

5.2.1 Обработка базы данных проведенных ранее обследований зданий и сооружений с железобетонными конструкциями

5.2.2 Анализ базы данных обследований

5.2.3 Анализ имеющихся дефектов в железобетонных конструкциях

5.3 Определение зависимости изменения технического состояния от параметров дефектов

5.3.1 Расчетные предпосылки

5.3.2 Критерии оценки технического состояния железобетонных плит при коррозии арматуры

5.3.3 Критерии для оценки категории технического состояния железобетонных колонн при уменьшении поперечного сечения

5.3.4 Критерии для оценки категории технического состояния железобетонных ригелей и балок при уменьшении высоты сечения

5.3.5 Критерии для оценки категории технического состояния железобетонных стропильных ферм и решетчатых балок при снижении прочности бетона

5.4 Совместное влияние дефектов на несущую способность

5.5 Определение фактической зависимости снижения несущей способности

5.6 Выводы

6 РАЗРАБОТКА МЕТОДОЛОГИИ ОЦЕНКИ КОНСТРУКТИВНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МАССОВОГО ПРИМЕНЕНИЯ

6.1 Основные положения методологии

6.2 Критерии оценки технического состояния железобетонных конструкций

6.3 Методика оценки совместного влияния близко расположенных дефектов

6.4 Методика оценки технического состояния железобетонных конструкций

6.5 Методика определения технического состояния здания в целом и система оценки значимости конструкций

6.6 Методика определения срока безопасной эксплуатации между обследованиями

6.7 Методика определения срока безопасной эксплуатации до проведения капитального ремонта

6.8 Экономический эффект внедрения методологии оценки конструктивной безопасности

6.9 Примеры расчетов по методике определения сроков безопасной эксплуатации

6.9.1 Пример расчета срока безопасной эксплуатации между обследованиями

6.9.2 Пример определения срока безопасной эксплуатации до проведения капитального ремонта при квазилинейном законе изменения несущей способности

6.9.3 Пример определения срока безопасной эксплуатации здания до проведения капитального ремонта с применением линейного закона снижения несущей способности

6.10 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Конструктивная безопасность железобетонных элементов в период эксплуатации»

Актуальность темы исследования

Строительство промышленных предприятий в нашей стране наиболее активно проводилось в 30-е годы прошлого века и в послевоенное время, а массовая жилая застройка после 1955 г. В связи с этим, для большого количества эксплуатируемых зданий и сооружений с железобетонными, преимущественно сборными, конструкциями срок безопасной эксплуатации близок к завершению. Также нужно учитывать, что за данный период времени изменились требования нормативных документов, обеспечивающих конструктивную безопасность.

Конструктивная безопасность зданий и сооружений определяется способностью конструкций и зданий противостоять разрушению и потере устойчивости, с целью исключения возможности их перехода в аварийное техническое состояние, которое может быть обусловлено первичными дефектами, деградацией материала, влиянием окружающей среды и т.д.

При проектировании, в соответствии с ГОСТ 27751 [59], назначается минимальный срок службы здания, который обеспечивается выполнением требований первой и второй групп предельных состояний с наличием резервов.

Здания и сооружения проектируются для конкретных условий эксплуатации, но изменение условий может привести к появлению дефектов. В связи с этим, необходимо прогнозировать время наступления предельного состояния для железобетонных конструкций, зданий и, соответственно, срок безопасной эксплуатации.

Это особенно важно для сборных железобетонных конструкций, учитывая, что, например, доля плит перекрытий и покрытий, применяемых в зданиях с различными конструктивными решениями, в общем объеме производства железобетона в разное время составляла от 35 до 50 %.

В современном подходе к оценке времени безопасной эксплуатации и в действующих нормативных документах недостаточно раскрыты вопросы:

- определение резервов железобетонных конструкций, заложенных на стадии проектирования;

- назначения критериев дефектов для определения категории технического состояния конструкций, использующих резервы по прочности и деформативности в период их работы в особом предельном состоянии;

- учета первичных дефектов, полученных в доэксплуатационной стадии работы;

- определения срока безопасной эксплуатации между обследованиями и срока службы до капитального ремонта;

- оценки технического состояния зданий в целом.

Этим обосновывается актуальность диссертационного исследования по созданию научных основ оценки конструктивной безопасности железобетонных элементов и зданий массового применения в период эксплуатации и разработке методологии оценки конструктивной безопасности.

В основу научных исследований положена научно-техническая гипотеза о наличии резервов несущей способности, компенсирующих дефекты, возникающие на протяжении срока службы, а также деградацию материалов конструкций, что позволяет определить срок безопасной эксплуатации железобетонных конструкций.

Степень разработанности темы исследования

Исследованиями в области оценки конструктивной безопасности строительных конструкций и прогнозирования сроков безопасной эксплуатации занимались: Авиром Л.С. [2], Баширов Х.З. [15], Болотин В.В. [23], Бондаренко В.М. [25], Гуща Ю.П. [76] Добромыслов А.Н. [83], Звездов А.И. [97], Зылев Б.В. [100], Иванченко И.И. [102], Кабанцев О. В. [107], Карпенко Н.И. [111], Колотилкин Б.М. [143], Колчунов В.И. [144], Кондращенко В.И. [146], Косицын С.Б. [149], Круглов В.М. [153], Крылов С.Б. [154], Кузеванов Д.В. [159], Лужин О.В. [170], Меркулов С.И. [178], Мкртычев О.В. [188], Перельмутер А. В. [202], Пухонто Л.М. [218], Райзер В.Д. [221], Ржаницын А.Р. [235], Ройтман А.Г. [240], Сидоров В.Н. [256], Смоляго Г.А. [263], Стрелецкий Н.С. [289],

Тамразян А.Г. [295], Травуш В.И. [316], Федоров В. С. [349], Чирков В.П. [359] и многие другие.

Вопросами обследований зданий и сооружений, исследований резервов несущей способности, характерных дефектов конструкций и их устранением на протяжении срока службы занимались: Батяновский Э.И. [14], Бедов А.И. [16], Белостоцкий А.М. [21], Гиндоян А.Г. [215], Гранев В.В. [66], Келасьев Н. Г. [137], Кодыш Э.Н. [70], Король Е.А. [148], Мальганов А.И. [175], Мамин А. Н. [71], Плевков В.С. [208], Полищук А.И. [210], Ремнев В.В. [232], Римшин В.И. [236], Складнев Н.Н. [258], Тонких Г.П. [315], Трекин Н.Н. [326], Туснин А.Р. [338], Федорова Н.В. [350], Шилин А.А. [365] и многие другие.

Вопросы определения срока службы железобетонных элементов и зданий в период эксплуатации с учетом оценки скрытых резервов, закладываемых на стадии проектирования, а также история развития дефектов (на стадиях изготовления, транспортирования, монтажа), определяют актуальность научных исследований в данной проблеме.

Объектом исследования являются железобетонные конструкции здания.

Предметом исследования является несущая способность конструкций с учетом истории развития дефектов, определяющая период безопасной эксплуатации.

Цель и задачи исследования

Цель диссертационного исследования - разработка методологии оценки конструктивной безопасности железобетонных элементов и зданий массового применения в период эксплуатации с учетом истории развития дефектов.

Для достижения цели поставлены следующие задачи:

1. Провести анализ существующих методик оценки технического состояния и сроков безопасной эксплуатации железобетонных элементов и зданий.

2. Исследовать резервы по прочности и деформативности конструкций, закладываемые при проектировании, которые могут быть учтены на стадии эксплуатации при определении категории их технического состояния, с учетом работы в особом предельном состоянии.

3. Выявить особенности образования дефектов железобетонных сборных конструкций от различных факторов в доэксплуатационной стадии работы конструкций (изготовление, транспортирование, монтаж).

4. Определить зависимости изменения процента сниженной несущей способности конструкций с учетом истории развития дефектов, путем анализа имеющихся данных по ранее проведенным обследованиям, и разработать методику оценки технического состояния массово применяемых железобетонных конструкций: колонн, ригелей, балок, плит, стропильных ферм.

5. Разработать методику, оценивающую совместное влияние близко расположенных дефектов во время эксплуатации.

6. Разработать методику назначения категории технического состояния для здания в целом, с учетом значимости отдельных видов конструкций.

7. Установить зависимость периода безопасной эксплуатации от технического состояния железобетонных элементов и зданий на основании принятой модели изменения несущей способности.

Научная новизна

Научная новизна работы заключается в разработке научных основ оценки конструктивной безопасности железобетонных элементов и зданий в период эксплуатации, а именно:

1. Обоснованы резервы по прочности и деформативности конструкций, учитывающие их работу в особом предельном состоянии (за границами первого и второго предельных состояний), компенсирующие дефекты и используемые для определения категории технического состояния при фактических характеристиках материалов.

2. Обоснована необходимость учета развития в процессе эксплуатации первичных дефектов, возникающих в доэксплуатационной стадии работы конструкций (трещины, прогибы, коррозия арматуры, сколы бетона и другие), выявлены причины их образования, а также разработаны рекомендации по их предотвращению и/или устранению.

3. Установлена степень совместного неблагоприятного влияния близко расположенных дефектов, возникающих на протяжении срока службы, на несущую способность конструкций.

4. Сформированы научно-обоснованные критерии оценки технического состояния железобетонных конструкций с учетом истории развития дефектов.

5. Разработана система оценки значимости конструкций для назначения категории технического состояния здания в целом, учитывающая социально-экономические последствия разрушения отдельных видов конструкций.

6. Установлена зависимость периода безопасной эксплуатации зданий от процента сниженной несущей способности с применением квазилинейной и линейной модели снижения несущей способности.

7. Разработана методология оценки конструктивной безопасности железобетонных элементов и зданий массового применения, учитывающая резервы несущей способности, компенсирующие полученные дефекты, в том числе в доэксплуатационном периоде, и деградацию материалов, совместно влияющие на срок безопасной эксплуатации.

Теоретическая и практическая значимость работы

Для железобетонных конструкций обоснованы резервы по прочности и деформативности, с учетом работы в особом предельном состоянии, выявлены причины появления первичных дефектов и их развитие в доэксплуатационой стадии, сформированы научно-обоснованные критерии оценки технического состояния железобетонных конструкций с учетом совместного влияния близко расположенных дефектов, разработана система оценки значимости конструкций, установлена зависимость определения периода безопасной эксплуатации зданий от процента сниженной несущей способности.

Разработанные в рамках методологии практические рекомендации позволяют проектировщикам, специалистам по обследованию, заказчикам и инвесторам обеспечить конструктивную безопасность зданий массового применения с железобетонными конструкциями и определить периоды безопасной эксплуатации.

Разработанный комплексный подход применяется в строительной практике специалистами АО «ЦНИИПромзданий», ПАО «Транснефть», АО «КТБ Железобетон» и др., что подтверждено включением результатов данного исследования в ГОСТ 31937-2024 «Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния» [62] и ГОСТ Р 72013-2025 «Магистральный трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов. Здания и сооружения. Методика расчета срока безаварийной эксплуатации» [63], а также используется в учебном процессе в РУТ (МИИТ) и ВятГУ.

Разработанные в рамках работы критерии особого предельного состояния были включены в СП 385.1325800.2018 «Защита зданий и сооружений от прогрессирующего обрушения. Правила проектирования. Основные положения» [278].

Экономический эффект от внедрения методологии оценки конструктивной безопасности составляет до 30 % от стоимости работ по проведению обследований на протяжении эксплуатации.

Методология и методы диссертационного исследования

При выполнении исследований применялись вероятностные и инженерные методы прогнозирования конструктивной безопасности.

При расчете железобетонных конструкций использовался метод предельных состояний, включая особое. Расчет по предельным состояниям выполнялся по предельным усилиям и нелинейной деформационной модели.

Была детально проанализирована база данных, включающая более 700 отчетов по результатам обследования технического состояния зданий и сооружений, выполненных АО «ЦНИИПромзданий». При проведении обследований использовались методы неразрушающего контроля и лабораторные методы испытаний физико-механических свойств материалов строительных конструкций.

Положения, выносимые на защиту:

1. Методология оценки конструктивной безопасности зданий массового применения, учитывающая резервы несущей способности железобетонных

конструкций, полученные дефекты, в том числе в доэксплуатационном периоде, деградацию материалов, совместно влияющие на срок безопасной эксплуатации.

2. Величины резервов по прочности и деформативности конструкций, с учетом их работы в особом предельном состоянии, используемые при назначении категории технического состояния при фактических характеристиках материалов.

3. Особенности образования дефектов в железобетонных сборных конструкциях от различных факторов в доэксплуатационной стадии работы конструкций (изготовление, транспортирование, монтаж).

4. Методика оценки технического состояния массово применяемых железобетонных конструкций: колонн, ригелей, балок, плит, стропильных ферм, базирующаяся на исследовании влияния дефекта на процесс снижения несущей способности.

5. Методика оценки совместного влияния близко расположенных дефектов во время эксплуатации.

6. Методика назначения категории технического состояния для здания в целом с учетом значимости отдельных видов конструкций.

7. Методика определения периода безопасной эксплуатации железобетонных элементов и зданий с учетом процента сниженной несущей способности.

Степень достоверности результатов

Работа основана на исследовании многолетнего опыта АО «ЦНИИПромзданий» по проектированию, в том числе типовых конструкций, разработке нормативных документов по проектированию, изготовлению, эксплуатации и обследованию технического состояния одноэтажных и многоэтажных зданий из железобетонных конструкций, и проведенных обследований зданий и сооружений.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается большой выборкой исходных экспериментальных данных и архивных отчетов по результатам обследования технического состояния зданий и сооружений, а также применением методик расчета, базирующихся на основных

положениях сопротивления материалов, строительной механики, теории вероятности. По результатам численного исследования на сертифицированном программном комплексе SCAD Office были получены критерии технического состояния железобетонных конструкций, которые согласуются с результатами ранее проведенных исследований.

Выводы и результаты работы были положительно оценены и внедрены на практике проектными, научными и эксплуатирующими здания и сооружения организациями.

Апробация результатов

Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих отечественных и зарубежных научно-технических мероприятиях:

- Международная научно-практическая конференция «Лолейтовские чтения-150», г. Москва, 2018 г.;

- Международная научная конференция «Моделирование и методы расчета строительных конструкций» (MMSA 2019), г. Москва, 2019 г.;

- VI Международная научно-практическая конференция «Innovations technologies in science and practice», Хайфа, Израиль, 2022 г.;

- X Международная научно-практическая конференция «Региональные аспекты развития науки и образования в области архитектуры, строительства, землеустройства и кадастров и безопасности жизнедеятельности в начале III тысячелетия», г. Комсомольск-на-Амуре, 2022 г.;

- I Международный строительный конгресс «Наука. Инновации. Цели. Строительство», г. Москва, 2023 г.;

- VIII Международный симпозиум «Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений», г. Тамбов, 2023 г.;

- Международный научно-практический симпозиум «Будущее строительной отрасли: Вызовы и перспективы развития» FCI 2023, г. Москва, 2023 г.;

- Всероссийская научно-практическая конференция молодых ученых «Наука, инновации и технологии: от идей к внедрению», г. Комсомольск-на-Амуре, 2023 г.;

- II конференция Группы компаний КТБ «Обследование, реконструкция и проектирование зданий и сооружений. Инновации в строительстве. Проблемы и достижения», г. Москва, 2024 г.;

- XI Международный строительный форум и выставка «100+ TechnoBuild», г. Екатеринбург, 2024 г.;

- Научно-практическая конференция «Организационно-технические решения обследования зданий и сооружений, строительного контроля и деятельности технического заказчика на этапах изыскания и проектирования»,

г. Москва, 2024 г.;

- III Научно-практическая конференция Группы компаний КТБ «Обследование, реконструкция и проектирование зданий и сооружений. Инновации в строительстве. Проблемы и достижения», г. Москва, 2025 г.;

- Международная научно-практическая конференция «Железобетонные конструкции и современные вызовы», посвященная 100-летию со дня рождения академика РААСН Бондаренко В.М., г. Москва, 2025 г.

Автор выражает искреннюю благодарность за участие в обсуждении полученных результатов, ценные советы и консультации научному консультанту

д.т.н., проф. Трекину Н.Н., а также д.т.н., проф. Федорову В.С., д.т.н., проф. Кодышу Э.Н. и к.т.н. Келасьеву Н.Г.

1 МЕТОДЫ ОЦЕНКИ КОНСТРУКТИВНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ЗДАНИЙ

1.1 Этапы жизненного цикла железобетонных конструкций

1.1.1 Учет особенностей работы конструкций на различных стадиях

жизненного цикла

Жизненный цикл здания с железобетонными конструкциями рассмотрен в СП 333.1325800.2020 [275] и включает в себя, в том числе стадии проектирования, изготовления, транспортирования, монтажа, эксплуатации и сноса (демонтажа). На каждом из этих этапов имеются резервы несущей способности. В доэксплуатационной стадии требуется особое внимание и учет различных факторов для обеспечения конструктивной безопасности в период эксплуатации с требуемым уровнем надежности конструкции [108, 360].

Конструктивная безопасность, а также долговечность здания предусматривается при проектировании путем расчета конструкций по методу предельных состояний, а также назначением мер защиты в зависимости от условий эксплуатации. На этом этапе необходимо рассмотреть возможные воздействия на конструкцию в течение всего ее жизненного цикла, включая доэксплуатационный период (изготовление, транспортирование и возведение) [118, 127, 178].

При этом необходимо учесть множество факторов, таких как воздействие температуры, усилия обжатия и трения, изменение прочностных характеристик, влияние динамических и статических нагрузок от технологического оборудования и подъемных механизмов, в том числе с меняющейся на этих этапах расчетной схемой отдельной конструкции и здания в целом. Также важно обеспечить надежность узлов соединения, точность производства и установки элементов каркаса и т.д. [303].

Дефекты, допущенные при изготовлении конструкции, могут привести ее к преждевременному выходу из строя. К ним относятся: дефекты, влияющие на качество поверхности железобетонных конструкций (раковины, каверны, пустоты), поверхностные трещины, снижение проектного значения толщины защитного слоя бетона, отклонение от проектных геометрических параметров и размеров, снижение прочности бетона, нарушение технологического процесса, коррозия арматуры, качество сварных соединений арматуры и закладных изделий, отклонение от проектного положения закладных изделий и другие.

Дефекты на стадии монтажа, возникающие при отклонении от требований проекта производства работ, отсутствии регулярного контроля и актирования скрытых работ, могут привести к возникновению дополнительных эксцентриситетов и усилий, а также к изменению напряженно-деформированного состояния (особенно это актуально для колонн), что станет причиной снижения несущей способности и негативно скажется на сроках эксплуатации конструкции. К дефектам в данной стадии относят: низкое качество сварных и монтажных соединений, отклонение от проектного положения конструкций, сколы бетона из-за механических повреждений, трещины из-за нарушений условий строповки конструкций, низкое качество замоноличивания швов и другие.

Эксплуатация железобетонных конструкций предполагает поддержание их в надлежащем состоянии, проведение регулярного технического осмотра, обслуживания и ремонта. Для обеспечения долговечности железобетонных конструкций также требуется своевременное устранение дефектов и повреждений.

Накопление и развитие повреждений может привести к невозможности выполнения конструкцией своих функций на одном из этапов жизненного цикла [26, 371, 401], что, в крайнем случае, может вызвать аварию.

По результатам статистических данных МЧС за период 2014-2019 гг. среднегодовой материальный ущерб в результате ЧС составляет около 3 млрд руб. Анализ чрезвычайных ситуаций за период с 2008-2019 гг. [105] приведен в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Анализ чрезвычайных ситуаций за период с 2008-2019 гг. (по открытым данным МЧС) [105]

Чрезвычайная ситуация по характеристике и виду Погибло (пострадало), чел. / материальный ущерб в млн. руб.*

2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019

Обрушение конструкций в производственных зданиях и сооружениях 28(32) 8(5) 4(1) 4(7) 9(26) 0 0 8(12) 0,02 10(11) 0 42(70) 14,56 0(11) 0 13(48) 2011,80 6(9) 0

Обрушение конструкций в жилых и административных зданиях 17(12) 16(13) 0(0) 4(18) 10(29) 8(178) 130,91 5(19) 96,50 28(54) 0 2(13) 24,59 8(20) 0 0(333) 0 6(69) 1,35

Взрывы в производственных зданиях и сооружениях 11(48) 21(128) 69(173) 8(116) 13(31) 20(87) 300 31(90) 13928,03 4(28) 67,58 10(61) 20,15 0 0 21(50) 48,55 7(141) 1540,16

Взрывы в жилых и административных зданиях 38(306) 57(148) 12(6) 12(60) 28(159) 11(47) 103,73 20(170) 187,13 15(74) 49,83 27(95) 26,48 24(689) 149,46 129(361) 31,03 15(94) 60,81

Крупные террористические акты 10(39) 33(150) 108(578) 38(161) 33(137) 51(247) 225,54 0(14) 2,25 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Погибло (пострадало) за год, чел. 104(437) 135(444) 193(758) 66(362) 93(382) 90(559) 64(305) 57(167) 81(239) 32(720) 163(792) 34(313)

Погибло (пострадало) в среднем за 3 года, чел. 144(546) 83(434) 67(237) 76(608)

Погибло (пострадало) в среднем за 6 лет, чел. 114(490) 72(423)

Материальный ущерб за год, млн. руб. - 14213,93 117,41 85,78 149,46 2091,38 1602,32

Материальный ущерб в среднем за 6 лет, млн. руб. - 3043,38

Примечание - данные по материальному ущербу приведены за период с 2013-2019 гг.

Установлено, что в среднем за период 2017-2019 гг. с числом жертв аварий снизилось на 47% по сравнению с данными за 2008-2010 гг., при этом число пострадавших возросло на 11%.

Статистический анализ аварий (рисунок 1.1), прошедших за период с 1994 по 2003 гг. [177], показал, что количество аварий с человеческими жертвами составляет около 30 %.

« з

Рч

0,8

о я

н

о о,

и

Щ

0,6

0,4

0,2

О— ♦

20

25

30

35

40

45

Число крупных аварий в год, N ♦ общее число аварий <> аварии с человеческими жертвами

Рисунок 1.1 - Количество аварий [177]

Аварии, произошедшие в разных регионах, могут быть вызваны схожими факторами [18, 82, 177]. В таблице 1.2 приведен анализ причин аварий по данным различных источников.

Высокий показатель аварийности вследствие нарушения технологии строительно-монтажных работ свидетельствует о необходимости повышения качества работ в доэксплуатационный период.

В работе [177] также отмечается, что за период с 1981 по 2003 гг. произошло возрастание причин аварий, связанных со стадией эксплуатации (рисунок 1.2).

Таблица 1.2 - Анализ причин аварий

Процентное соотношение причин возникновения обрушений, %

Причины аварий по данным [1] по данным [17] для промышленных зданий по данным [203] для промышленных зданий с металлическим каркасом

Несоблюдение

технологии строительно-монтажных работ 65 53 49

Низкое качество

строительных 20 4 15

материалов

Нарушение условий эксплуатации 11 38 26

Ошибки,

допущенные при 4 5 10

проектировании

100 90 80 70 60

£ 50 40 30 20 10

1981-85 1993 1995 2000 2003 прогноз

период эксплуатации

причины не связанные с нарушениями правил эксплуатации нарушение правил эксплуатации зданий и сооружений

Рисунок 1.2 - Динамика изменений причин аварий [177]

Значительное количество аварий приходится на весенне-зимний период с повышенной снеговой нагрузкой, что в ряде аварий явилось одной из основных причин [152].

В качестве примера можно привести аварию, которая произошла 17 января 2003 г. в цехе точного литья на агрегаторном заводе в г. Чебоксары [90]. Во время нее произошло обрушение несущих конструкций покрытия формовочного отделения, которые повредили участок газопровода, расположенный непосредственно возле печи для нагрева форм. Это привело к воспламенению газа

и дальнейшему обрушению следующих конструкций: конструкции покрытия на общей площади 540 м2, в том числе подстропильной балки пролетом 12 м и двух двускатных стропильных балок пролетом 18 м (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 - Обрушение конструкций покрытия на агрегаторном заводе в г. Чебоксары [90]

Экспертизой по результатам аварии было установлено, что монтаж колонн, стропильных и подстропильных конструкций был проведен со следующими нарушениями:

- отклонение колонн по вертикали составляло до 34 мм, балок по горизонтали - до 160 мм, что привело к уменьшению площадок опирания стропильных конструкций;

- узловые сопряжения выполнялись с помощью металлических элементов, не предусмотренных проектной документацией;

- фактический класс бетона для стропильных балок был значительно ниже проектного значения - В20 вместо В30, а также крупный заполнитель в виде гранитного осколочного щебня был заменен на гладкий.

К организационным причинам аварии можно отнести следующие:

- сложность проверки на этапе эксплуатации узловых сопряжений стропильных конструкций и колонн;

- низкая квалификация и недостаточная численность службы эксплуатации на заводе, что привело к неэффективной оценке текущего технического состояния здания;

- были нарушены сроки проведения экспертизы промышленной безопасности.

Аварии, возникающие в стадии возведения, обычно связаны с нарушениями нормативных требований и дефектами, возникающими в процессе производства, транспортирования и монтажа.

К часто встречающимся причинам аварий, которые необходимо учитывать при разработке проекта, можно отнести следующие:

1. Отсутствие учета различий в расчетных схемах на стадии монтажа и эксплуатации. Например, наличие незамоноличенных узловых сопряжений и отсутствие жесткого диска перекрытия или покрытия на стадии монтажа приводит к нарушению перераспределения усилий.

2. Несоблюдение правил производства работ по временному или постоянному закреплению конструкций, что может привести к их падению в результате удара краном или соседними конструкциями.

3. При проектировании не всегда учитывают отклонения от проектного положения, которые могут возникнуть на монтаже. При этом фактические отклонения на монтаже могут превысить значения допусков, установленных в проекте.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Терехов Иван Александрович, 2026 год

а - х

(2.34)

.х, Ух - математическое ожидание и коэффициент вариации распределения глубины карбонизации;

ун - характеристика безопасности.

Далее необходимо подставить в неравенство (2.34) х = К\Ц из уравнения (2.32) и решить его относительно времени ? = ТсагЬ с обеспеченностью Рн. Полученный расчетный срок службы должен быть не менее нормативного значения Тн, установленного в задании на проектирование исходя из практики эксплуатации аналогичных зданий и сооружений, а также экономических предпосылок.

ТсагЪ > Тн. (2.35)

2.2.2 Прогнозирование коррозии арматуры

Скорость развития коррозии в металлической арматуре напрямую зависит от защитных свойств бетона, обеспечивающих сохранность арматуры и долговечность всей железобетонной конструкции, а также от степени агрессивности среды.

Плотность защитного слоя бетона значительно влияет на способность бетона сопротивляться проникновению паров воды и углекислого газа. На защитные свойства бетона также оказывают влияние вид вяжущего, примененные добавки, режим твердения, наличие и ширина раскрытия поперечных трещин [300].

В процессе карбонизации защитного слоя бетона происходит снижение защитных свойств бетона. Если глубина карбонизации бетонного слоя достигает уровня расположения поверхности арматуры, то это свидетельствует о начале протекании активных коррозионных процессов в арматуре.

Коррозия арматуры в зависимости от характера разрушения поверхности и структуры металла классифицируется по следующим типам (рисунок 2.7) [360]:

а) общая или равномерно распределенная по всей поверхности арматуры коррозия;

б) местная или локальная (пятнами) коррозия, расположенная на отдельных участках поверхности металла;

в) точечная коррозия (питтинг), сосредоточенная на очень малых участках поверхности с глубоким прониканием;

г) коррозионное растрескивание в результате разрушения связей между кристаллами.

Коррозия арматуры сопровождается растрескиванием и/или откалыванием защитного слоя бетона от давления, возникающего в связи с увеличением в 2-2,5 раза объема прокорродированной арматуры [95].

а - равномерная коррозия; б - то же местная; в - то же точечная; г - коррозионное растрескивание Рисунок 2.7 - Виды коррозионных повреждений арматурной стали [300]

На начальном этапе коррозии арматуры трещины в бетоне образуются как вовнутрь сечения, так и наружу, но ввиду небольшой толщины защитного слоя бетона, наружная трещина имеет большее раскрытие. При этом коррозия арматуры, как правило, протекает неравномерно по площади поперечного сечения. Максимальное значение глубины повреждения арматурного стержня может быть только на части окружности, в остальной части глубина коррозии составит меньшее значение.

К дефектам, способствующим развитию коррозионных процессов, относят водопроницаемость бетона, недостаточную толщину защитного слоя бетона и его разрушение, дефекты на бетонной поверхности, повреждение в результате воздействия агрессивных сред, поперечные трещины, оголение арматуры и т.д. Указанные дефекты могут появляться на различных этапах жизненного цикла

здания или сооружения. Коррозия может свидетельствовать о снижении несущей способности конструкции и привести к ее обрушению.

Механизм протекания коррозионного процесса во времени можно условно разделить на два этапа (рисунок 2.8):

1. Начальный период (Т1). На данном этапе коррозия стальной арматуры может развиваться незначительно. Продолжительность данного этапа определяется временем карбонизации защитного слоя бетона по формуле (2.32), после которого бетон перестает выполнять свои защитные функции для арматуры.

Рисунок 2.8 - Развитие коррозионных повреждений во времени арматуры с физическим (1) и условным (2) пределом текучести; О.1 и О.2 - отказы арматуры [300]

2. Коррозионный период (Т2). Этап начинается с момента резкого увеличения скорости коррозии, вплоть до потери конструкцией несущей способности. Время Т2 определяется скоростью развития коррозионных повреждений арматурной стали, на которую влияет химический состав стали, характер действующих нагрузок и воздействий, в том числе агрессивных сред, а также способностью бетона сопротивляться проникновению газообразных агрессивных сред к арматуре.

Опытные данные, приведенные в [360], показывают, что процесс протекания равномерной коррозии имеет свойство затухать во времени (рисунок 2.9) и может быть аппроксимирован степенной функцией. Процент уменьшения площади поперечного сечения арматуры может быть выражен в следующем виде:

0.1

—^ Время, Т

О

Начальный период (Т1) Коррозионный период (Т2)

да

а = —^ -100% А

(2.36)

Значение глубины коррозионного повреждения 8 в таком случае будет определяться формулой:

8 = СЭГ, (2.37)

Сэ - параметр, характеризующий скорость протекания коррозионного процесса, мм/год1/т;

т - показатель степенной функции, т < 1.

Входящие в формулу (2.37) величины определяются на основании опытных данных, решая систему из двух уравнений с двумя неизвестными.

В работе [31] показано, что скорость протекания коррозии зависит от класса бетона и толщины защитного слоя бетона, а коррозионные повреждения во времени развиваются по экспоненциальной зависимости (рисунок 2.10).

0 5 15 25 35 1, годы

Рисунок 2.9 - Процент уменьшения площади арматуры ребристых плит [360]

Рисунок 2.10 - Зависимость коррозионных повреждений от толщины защитного слоя бетона: 1 - 10 мм; 2 - 15 мм; 3 - 20 мм; 4 - 25 мм [31]

В рекомендациях [181] относительную площадь арматуры, подверженную коррозионным повреждениям и выраженную в процентах, предложено определять с момента полной карбонизации защитного слоя бетона по следующей формуле:

АЛ_Т = [е1*1-^) -1] -100%,

*,т

(2.38)

где г и ТсагЬ - время эксплуатации и время карбонизации защитного слоя бетона соответственно;

к* - показатель, который характеризует скорость протекания коррозионных процессов.

Потерю размера сечения арматурного стержня также можно определить в зависимости от плотности тока коррозии icor или скорости коррозии Усог, мм/год,

[166]:

^ (г) = й , - 0.0232(г - ТаагЬ )с й (г) = а - (г - Т , )У .

s У у s У сагЬ / сог

(2.39)

Для незащищенной арматуры, подверженной атмосферным воздействиям скорость протекания коррозионных процессов Усог может быть ориентировочно определена по формуле:

N

V = V —^ (2 40)

cor cor,a ллг ' V /

365

где Vcor,a - средняя скорость коррозии стальной арматуры мм/год, которая в условиях эксплуатации на открытом воздухе может быть принята 0,005 мм/год [385];

Nw - количество дней за год, в которых выпадают осадки более 2,5 мм.

В практических расчетах неравномерность коррозионных повреждений по сечению можно учесть, приняв площадь коррозии равной площади кольца с толщиной 8/2. В таком случае, например, для изгибаемого элемента таврового сечения время Т2 будет определяться следующей формулой:

T = T2

i y/m

1

R

2 с

V d э J

(2.41)

где as - напряжения в арматуре от эксплуатационной нагрузки.

Если в бетоне имеется повышенная концентрация хлоридов (более 0,10,4 % от массы цемента [167, 261]), то арматура конструкции будет подвержена хлоридной коррозии, вызванной воздействием хлоридных ионов на металл. Этот процесс может привести к потере прочности и разрушению железобетонных конструкций, особенно в морской и промышленной среде, где присутствуют хлориды [362].

Хлориды (например, №С1) могут проникать в бетон из внешней среды или образовываться внутри конструкции в результате химических реакций между солями, содержащимися в цементном растворе, и водой. Проникшие в бетон хлориды могут затем мигрировать к арматуре и вызывать коррозию металла.

Глубина распространения хлоридов может быть выражена формулой:

С / С = 1 - erf

' x Л

(2.42)

где С и Cs - концентрация хлоридов для начала процесса коррозии и на поверхности конструкции соответственно; erf - функция ошибок Гаусса;

D - коэффициент диффузии хлоридов [292].

На рисунке 2.11 по данным [384] показан прогнозный график изменения концентрации ионов хлоридов на уровне защитного слоя без учета и с учетом карбонизации.

Рисунок 2.11 - Прогнозируемое изменение концентрации ионов хлоридов на уровне защитного слоя без учета и с учетом карбонизации [384]

Возможно также применение вероятностного подхода при расчете конструкций с коррозионными повреждениями арматуры. Вероятность того, что за время t не произойдет отказ (несущая способность конструкции с коррозионными повреждениями Фсог больше или равна усилиям от внешнего воздействия нагрузок и агрессивной среды Fcor) будет не менее установленного значения Рн можно записать неравенством:

P(Фcor > Fcor) > PH. (2.43)

Имея нормальное распределение величин Фсог и Fcor условие надежности можно выразить через характеристику безопасности ун:

Ф cor - F cor

T^—2--—T -Yh , (2.44)

yl(V^cor )2 + (V2 Fcor )2

где 0cor, Vj - математическое ожидание и коэффициент вариации несущей способности конструкции с коррозионными повреждениями;

где Fcor, V2 - математическое ожидание и коэффициент вариации внешнего воздействия нагрузок и агрессивной среды.

2.2.3 Прогнозирование прочности бетона

Прочность бетона изменяется со временем из-за различных факторов. Некоторые из них могут увеличить прочность, другие наоборот могут ее снизить.

В общем случае для бетона отмечают два этапа изменения прочностных показателей: набор прочности и последующее ее снижение в результате деградации бетона.

Этап набора прочности

Рост прочности бетона до проектного значения происходит в течение определенного времени, называемого временем набора прочности. Бетон набирает прочность по мере взаимодействия цемента с водой и образования цементного камня.

Прочность бетона зависит от многих факторов, таких как состав бетона, условия твердения, возраст бетона и других [27]. Для достижения проектной прочности бетона необходимо обеспечить правильные условия твердения и выдержку бетона.

В возрасте 28 суток прочность бетона должна соответствовать проектному значению. В работе [123] отмечено, что для разных видов бетонов набор прочности происходит по отличным кривым в зависимости от вида вяжущего (рисунок 2.12).

Для более современных видов бетонов отмечается низкая интенсивность твердения на начальной стадии. Предлагается расчет фактической прочности для классических видов бетонов выполнять по формуле:

7,3

Ях = Я28

—т

292 ост

е-

100 — Я

(0,6 + 0,02^)

(2.45)

№ 24 где Ях - прочность бетона в рассматриваемый период времени;

Я28, Я3 - прочность бетона на 28 и 3 сутки при твердении в нормальных

условиях;

тхост, ^ср - время и средняя температура при остывании бетона.

1 - шлакощелочной бетон, 2 - бетон на портландцементе М200, 3 - бетон на шлакопортландцементе М400, 4 - бетон на портландцементе М250, 5 - шлакощелочной бетон Рисунок 2.12 - Кривые набора прочности бетона в зависимости от вида

вяжущего [123]

После 28 суток бетон продолжает набирать прочность, но скорость набора прочности снижается. Бетон достигает максимальной прочности через несколько месяцев после изготовления. Скорость и степень набора прочности зависят от многих факторов, включая температуру, влажность, и состав бетона. В источниках встречаются разные данные о наборе прочности после 28 суток.

В первой половине 20 века одними из первых американскими учеными были проведены исследования в этой области [224]. Тогда было установлено, что

прочность бетона за период 30 лет возрастает в два и более раза, если конструкции надежно защищены от воздействия агрессивных сред (рисунок 2.13).

МПа

53.5

47 43.5 _____* 46.5 44

36

21^-—- Год изготовления бетона

«■"ТГ") —*-1910г. —1923г. —•—1937г.

1 месяц 1 год 5 лет 10 лет 30 лет

Возраст бетона

Рисунок 2.13 - График набора прочности бетона для образцов первой половины 20 века по данным [224]

Исследованиями, проведенными в 1960-х годах, также было отмечено нарастание прочности (рисунок 2.14) [11, 224]. Для бетона, находящегося во влажной среде, через 11 лет повышение прочности бетона произошло в два раза. Для бетона, который находится в условиях сухой среды, а данные условия эксплуатации характерны для большинства железобетонных конструкций, увеличение происходило только в течение первого года и составило 1,4 раза. Испытания для данных образцов, проведенные через 19 лет после твердения, показали, что для них уже наблюдался спад прочности.

Нарастание прочности бетона на портландцементе во влажной среде и температуре твердения 150С может быть выражено через отношение временных логарифмических функций, которое дает близкое совпадение с экспериментальными данными при t > 7 дн:

Я = .

Я ^28' (2.46)

Я = Я ^ t /^28 « 0,7 Я ^ t,

где Rt - временное сопротивление сжатию бетонного куба в возрасте Х, дн.; R - то же, в возрасте 28 дн.

Рисунок 2.14 - Нарастание прочности во времени по данным [11]

В работе конца 1980-х годов [400] приведены исследования прочностных и деформационных свойств бетонных образцов в возрасте 50 лет и их сравнение ранее проведенными исследованиями. Результаты показали, что прочностные показатели образцов в возрасте 50 лет практически не отличались от образцов в возрасте 10 лет. В общем виде прочность R в момент времени Х, в днях, можно представить в виде:

а + в1п Х; Х < Хм

Я (Х) / Я

28

(2.47)

а + ^1п Хм; t > Хм' где Я28 - прочность бетона на сжатие в возрасте 28 суток;

М - срок набора прочности бетона, который зависит от минералогического

состава бетона. Например, для бетона с относительно низким содержанием С^,

который обеспечивает длительную прочность бетона, М = 10 лет, а = 0,541 и в =

0,138 [293].

В работе [224] также приведены исследования по изменению темпа роста прочности бетона в зависимости от температуры пропаривания образцов (рисунок 2.15). Установлено, что пропаривание при температуре 85-900С практически прекращает набор прочности бетона после возрасте 28 суток, а

прогрев при температуре выше 950С приводит к ее падению. Это связано с увеличением микродефектов в бетоне, которые возникают в процессе пропаривания.

0 3 7 14 28 180 365 730 1825

1 - при t = 750C; 2 - при t = 85-900C; 3 - при t = 95-980C Рисунок 2.15 - Изменение темпа роста прочности бетона во времени пропаренных бетонов при температуре t [224]

По результатам анализа можно сделать вывод, что для продолжительного набора прочности необходимо обеспечить благоприятные условия, среди которых положительная температура и влажность окружающей среды. Набор прочности будет происходить ввиду длительного процесса твердение гелия и рост кристаллов.

В рассмотренных исследованиях также можно отследить тенденцию, что для бетонов, которые изготавливают в настоящее время, вопросы увеличения прочности в два и более раза больше не актуальны. В первую очередь, это связано с изменением минералогического состава бетона [382]. Также необходимо отметить, что проводимые в настоящее время исследования и изменения в производстве цемента и бетонов направлены в большинстве случаев на быстрый набор прочности в раннем возрасте, а вопросы длительной прочности зачастую не рассматриваются.

Деградация бетона

Деградация бетона - это процесс постепенного ухудшения его свойств под воздействием различных факторов, который может привести к снижению различных физико-механических характеристик бетона.

Бетонные и железобетонные конструкции могут подвергаться различным видам деградации, включая физическую, химическую и биологическую [3, 11, 16].

Физическая деградация может включать потерю прочности под действием силовых, электрических, магнитных, температурных полей и излучений.

Химическая деградация может происходить из-за воздействия агрессивных сред, таких как кислоты, щелочи и соли.

Биологическая деградация может быть вызвана воздействием микроорганизмов, таких как грибы и бактерии, которые могут разрушать структуру бетона.

Если рассматривать механизмы протекания деградационных процессов, то выделяют следующие [195, 253]:

1. Гетерогенный механизм деградации, который обычно связан с поверхностным разрушением конструкции на границе контакта конструкции в результате воздействия агрессивной среды, механических нагрузок и температурных колебаний. Такой тип деградации может привести к образованию трещин, коррозии арматуры и другим повреждениям.

2. Гомогенный механизм деградации связан с изменениями в структуре бетона в результате микроповреждений, равномерно распределенных по всему материалу. Гомогенная деградация обычно является менее выраженной, поскольку может происходить на протяжении длительного времени под влиянием различных факторов, таких как изменение влажности, температуры, агрессивных сред или других.

3. Диффузионный процесс деградации бетона характеризуется неравномерным распределением повреждений по объему конструкций. Такой вид деградации может возникнуть в результате одностороннего воздействия

агрессивных сред и температуры, а также неравномерного распределении механических повреждений.

В качестве примера химической деградации рассмотрим сульфатную атаку бетона, при которой разрушение бетона связано с воздействием сульфатов, таких как сульфат кальция, магния, натрия и калия. Этот процесс протекает в различных условиях, включая морской климат, где сульфаты содержатся в морской воде, и в условиях производственных процессов при незапланированных проливах.

Сульфатная атака может привести к разрушению бетона из-за реакции между сульфатами и компонентами бетона. В результате реакции образуются продукты, которые вызывают расширение объема, что приводит к трещинам и разрушению бетона.

Глубина сульфатного воздействия практически линейно зависит от времени

[398]:

х(Х) = к •t, (2.48)

где х(Х) - глубина разрушения, Х - время, К - константа, зависящая от количества трикальций алюмината в бетоне и концентрации сульфатной среды [293].

Еще одним из примеров негативного воздействия на бетон является промасливание, возникающее в результате периодического пролива минеральных или растительных масел на бетон [33, 88, 361 373, 374]. Этот вопрос наиболее актуален для производственных зданий, на которых производят указанные масла, или используют промышленное оборудование, при эксплуатации которого могут возникать проливы отработанного минерального масла или охлаждающих эмульсий. Масла содержат высокомолекулярные кислоты жирного ряда, которые разрушают цементный камень и бетон.

Результаты экспериментальных исследований выдержки в маслах бетонных образцов в течение 3,5 лет с различным водоцементным отношением (0,4-0,7), позволили разработать методику оценки прочности бетона в результате промасливания [34]. Первоначально образцы в течение 4 месяцев хранились и набирали прочность в нормально-влажностном режиме. Далее часть образцов

была помещена в минеральное масло, а остальные продолжили храниться в камере при нормально-влажностном режиме и воздушно-сухих условиях. Каждые полгода проводились испытания по определению прочности образцов. Было установлено, что бетон подвергшийся промасливанию, не способен набирать прочность на начальном этапе, а снижение прочности может составлять до 45% от первоначальной (рисунок 2.16). При увеличении значения водоцементного отношения было отмечено большее снижение прочности, что связано с увеличением пористости таких образцов, приводящим к их более быстрой пропитке минеральными маслами.

Данные испытания проводились на образцах, которые не были нагружены, поэтому дополнительно в [34] были проведены сравнения прочностных показателей для хранившихся в масле в нагруженном и ненагруженном состояниях. По результатам испытаний было установлено, что при центральном нагружении нагрузкой равной 0,4-^ не происходит ускорения падения прочностных показателей бетона в результате промасливания.

I*, МПа

--<§)—— ® ___ 1

-----О___ _ ——-—_ 1

о ч

_2/ ч

ч ч X) _1_1_1_1_1_к-

0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3.0 3,5

Время выдерживания образцов в масле, годы 1 - бетон на известняковом щебне; 2 - бетон на гранитном щебне Рисунок 2.16 - Изменение прочности бетона на гранитном и известняковом щебне, пропитанном минеральным маслом [34]

В результате промасливания коррозии арматуры не происходит, однако, уже через 6 месяцев происходит нарушение сцепления бетона и арматуры, которое в процентном соотношении соизмеримо с потерей прочности бетона.

Пропитка растительными маслами, по сравнению с минеральными, является наиболее губительной для бетона. В работе [252] проведены исследования по определению влияния кукурузного, пальмового и оливкового масел на прочность и модуль деформации бетонных образцов, погруженных в указанные масла. На рисунке 2.17 показано изменение прочности бетона в результате пропитки оливковым маслом.

Рисунок 2.17 - Влияние продолжительности пропитки оливковым маслом

на прочность бетона [252]

По результатам исследований была предложена формула изменения прочности бетона в результате пропитки растительным маслом в следующем виде [252]:

-2° Е

R = Rb - е

где ? - продолжительность пропитки, дни, 0 < ? < 70; °Е - вязкость растительного масла, градусы Энглера.

(2.49)

Следует отметить, что промасливание далеко не всегда снижает прочность бетона эксплуатируемых конструкций. Например, в экспериментальных исследованиях [34] не было обнаружено негативного влияния на прочность бетона образцов, хранившихся в вазелиновом масле. В работе [367] было отмечено, что пропитка конструкций трансформаторным маслом не привела к снижению прочности бетона. Авторы приходят к выводу, что снижение прочности в результате промасливания зависит от различных факторов: состав и структура бетона, вид масла, условия эксплуатации, возраст бетона на момент промасливания и другие. Однако, это не отменяет факта, что пролив масла на конструкции недопустим.

Для каждого вида воздействий разрабатываются отдельные деградационные модели, характеризующие особенности поведения конструкции в результате конкретного воздействия. Применение данных моделей позволяет получить более точные результаты, если известно заранее о данном виде воздействия на конструкцию. Однако, если конструкция подвержена нескольким одновременным воздействиям, которые достаточно сложно описать такого рода моделями, или наоборот не известен характер воздействия на конструкцию, то пользуются методиками, которые позволяют прогнозировать в общем виде падение прочности бетона.

В работе [47] определен коэффициент, учитывающий снижение прочностных характеристик во времени для конструкций в возрасте 20 лет, эксплуатируемых в помещениях с повышенной влажностью:

кЯь(г) = 1,01 ехр( -0,0336 г). (2.50)

В методике [242] прогнозирование прочности бетона для гидротехнических сооружений было предложено определять по формуле:

Ят = Я0 • (1 + 0,04^ гт) - кК • (т- г0), (2 51)

где Ят -прочность бетона в момент времени гт;

R0 - исходная прочность бетона в момент времени которая определялась при вводе в эксплуатацию, марочная прочность бетона, по результатам ранее проведенных обследований и т.д.);

^ и ^ - возраст бетона в годах;

кя - коэффициент изменения прочности бетона, определяемый с учетом результатов обследования в момент времени ^:

** = + 0'41§Т)- К. (2.52)

т - ^

Для сооружений со сроком эксплуатации более 40 лет Rт определяют по следующей зависимости:

Я = 1,64^ -. (tт -to). (2.53)

Если в бетоне уровень напряжений значительно меньше расчетного сопротивления, то коэффициент кя в [197] предложено определять по следующей формуле:

кя = ко ~, (2.54)

Къ

где к0 принимается равным 4 кг/см .

В работе [197] также приведен график изменения длительной прочности бетона по данным ВНИИГ им. Веденеева (рисунок 2.18), на котором пунктирной линией показано падение прочности до проектного значения.

В методике [180] значение прочности через Т лет в результате деградационных процессов можно определить по следующей формуле:

Кът = Ук,ъЯ, (2.55)

где Яъ - расчетное сопротивление бетона;

уК ъ - коэффициент условий работы:

Гя,ъ = 1 - К • к .Дя Т, (2.56)

где К - коэффициент, зависящий от агрессивности воды (среды).

К - коэффициент, учитывающий увеличение протекания скорости деградационных процессов в призмах по сравнению с кубами;

- учитывает при заданной влажности влияние на бетон циклов замораживания и оттаивания;

ю - учитывает уровень напряженности на скорость протекания деградационного процесса.

Рисунок 2.18 - Изменение прочности бетона (по данным [197])

Общий вид графика изменения прочности

В общем виде график изменения прочности (рисунок 2.19) включает в себя оба рассмотренных этапа - набора и снижения прочности бетона. Для построения фактической кривой изменения прочности бетона необходимо иметь данные на момент строительства и данные детального обследования. Для построения графика изменения прочности бетона во времени необходимо провести суммирование кривых набора и снижения прочности.

Кривая набора прочности строится по двум характерным точкам: в момент строительства и на момент завершения ее нарастания. По документации необходимо определить прочность бетона в возрасте 28 суток, а при отсутствии данных допускается принимать данные по проекту Rb пр.

В методике [181] приведены справочные данные, по которым можно принять значение прочности бетона после нарастания в возрасте 10 лет.

Например, для бетона класса В30 значение коэффициент увеличения прочности составляет 1,31, а для бетона класса В40 - 1,26.

^ Яь,МПа

О Т0 ТI Т, годы

1 - кривая набора прочности; 2 - кривая снижения прочности (деградации);

3 - суммарная кривая прочности бетона Рисунок 2.19 - Изменение прочности бетона во времени [181]

Далее от точки Т0 строят график снижения прочности по фактическим значениям прочности бетона в момент проведения детального обследования [343], который может быть принят по линейной зависимости. В случае отсутствия фактических значений прочности возможно определение сниженного значения прочности по теоретическим зависимостям, рассмотренным выше.

2.3 Влияние фактора времени на раскрытие трещин и прогиба

При твердении и наборе прочности бетон приобретает сеть микротрещин, поскольку является композиционным материалом, которая спосособствует неравномерности распределения деформаций, особенно в растянутой зоне. Под влиянием внешних сил эти начальные микротрещины разрастаются, формируя макротрещины [126]. Негативно влияет на изгибную жесткость элемента трещина уже с шириной раскрытия 0,1 мм, которая становится заметной визуально.

На рисунке 2.20 представлена диаграмма деформирования изгибаемого элемента, на которой значение Мсгс соответствует некоторому перелому графика.

При увеличении нагрузки происходит развитие трещин по высоте сечения с изменением напряженно-деформированного состояния элемента, что сопровождается увеличением прогибов и снижением его жесткости. При этом целая часть сечения над трещиной находится в условиях продолжающегося трещинообразования.

1 - начало образования видимых трещин

Рисунок 2.20 - Диаграмма деформирования изгибаемого элемента [126]

Трещины с шириной раскрытия более 0,3 мм могут существенно ускорить процесс протекания коррозии арматуры при работе элемента при агрессивных воздействиях окружающей среды. При их отсутствии и работе элемента в отапливаемых помещениях в условиях нормальной или пониженной влажности, коррозионные процессы в арматуре могут не проявляться даже при большей ширине их раскрытия. В данном случае предельная ширина раскрытия трещин назначается исходя из эстетических или конструктивных требований.

Высокопрочная арматура подвержена коррозии сильнее из-за высоких напряжений, поэтому требования к допустимой ширине раскрытия трещин более строгие.

Помимо изменения нагрузки в процессе эксплуатации на процесс трещинообразования также влияют процессы, протекающие в бетоне и арматуре

во времени. Некоторые из них для изгибаемых железобетонных конструкций рассмотрены в таблице 2.2 [360].

Таблица 2.2 - Влияние на ширину раскрытия трещин и напряженнее состояние длительных факторов в изгибаемых конструкциях

Напряжения Высота Напряжения в Ширина

Фактор в сжатом сжатой зоны растянутой раскрытия

бетоне бетона арматуре трещин

Ползучесть

бетона в Снижает Увеличивает Увеличивает Увеличивает

сжатой зоне

Усадка бетона Увеличивает Снижает Снижает Увеличивает

Рост модуля

упругой деформации Увеличивает Снижает Снижает Снижает

бетона в

сжатой зоне

Анализируя таблицу 2.2 можно сделать вывод, что ряд факторов имеет противоположное влияние на развитие трещин во времени, что приводит к их частичному взаимному уравновешиванию.

Для предотвращения преждевременного образования трещин и их развития необходимо подбирать оптимальный состав бетона, применять арматуру соответствующего класса и диаметра, а также соблюдать технологию изготовления и монтажа конструкций.

В соответствии с теорией жесткости и трещиностойкости железобетона В. И. Мурашева [194], ширина раскрытия трещин определяется по схеме на рисунке 2.21:

^т^ + асгс^> где (2.57)

ет - средняя деформация арматуры;

Ът = ЪЩ1, (2.58)

у/з1 - коэффициент, учитывающий работу растянутого бетона, расположенного на участке между трещинами;

-деформации арматуры в сечении с трещиной, определяемая по формуле:

£s =

&Ьт аЬт/ЕЬ

(2.59)

(2.60)

Рисунок 2.21 - Расчетная схема распределения деформаций в бетоне и арматуре в растянутой зоне с трещинами [126]

При таком подходе удлинение арматуры между трещинами равно сумме удлинений растянутого бетона на том же участке и ширины раскрытия трещины. Тогда

а

Е

г \

«

5 V

а

15 ,

(2.61)

5 /

где а = Е5/Еь;

а - напряжения в арматуре в сечении с трещиной;

аЬт - средние напряжения в растянутом бетоне в сечениях между трещинами.

В общем виде ширина раскрытия трещин будет зависеть от большого числа переменных факторов, к которым можно отнести нагрузки и воздействия,

деформационные и прочностные характеристики конструкции, технология и качество изготовления. Многие из данных факторов также будут зависеть от времени £

а = {(а, Е т , А ,е ,е,, , Е,, ^, (2'62)

сгс ^ \ ^ s'"s' ^р? сц' сеч' сг'^п' М' о' '

где Асеч - геометрические размеры сечения конструкции; есг и - деформации ползучести и усадки; ^ -величина длительных температурных воздействий.

Развитие трещинообразования во времени с точки зрения вероятностного подхода можно выразить через вероятность появления трещин, не превышающих предельно допустимое значение, за время t с обеспеченностью Рн:

Р[ Z ^) > М(0]> Рн, (2.63)

где Z(t) - значение несущей способности изгибаемого элемента, при которой ширина раскрытия трещин асгс в момент времени t не превышает предельно допустимого значения ширины раскрытия трещин асгсии;

М(0 - значения изгибающего момента от действующих нагрузок в момент времени t.

В случае нормального распределения Z(t) и М(1) надежность железобетонного изгибаемого элемента будет оцениваться характеристикой безопасности, для которой условие (2.63) будет записано в следующем виде:

Z ^) - Мг ^)

2 -—- 2 , (2.64)

^ (t) + М{ (t)

Расчет прогибов выполняют по правилам строительной механики, учитывая изгибные, сдвиговые и осевые деформационные характеристики железобетонных конструкций [132, 145, 346].

При расчете деформаций - прогибов (выгибов) и перемещений конструкций необходимо выполнить ряд требований, актуальных для данного объекта -конструктивных, технгологических и эстетико-психологических.

В большинстве случаев прогиб общем виде определяется по формуле [347]:

/

/=/м

dx,

V г.

(2.65)

где Мх - изгибающий момент от единичной силы в рассматриваемом сечении, приложенной в направлении прогиба; ' 1Л

кривизна элемента от действующей нагрузки.

V г Ух

Формулу (2.65) можно реализовать с помощью разбития элемента пролетом / на четное количество участков п, принимая линейное распределение кривизны в пределах каждого участка При таком подходе прогиб в середине пролета будет определяться по формуле [328]:

I = -

12п

'О

'О

+

V г У

sup,/

V г У

sup,r

п/2-1

+ 6 Е I

i=l

/л

+

V г У/

1

V г У

+ (3п - 2)Г1

V г У

(2.66)

'Л

где

V Г у sup,/

'Л

Vг У

sup,r

'Л

V г у

кривизна элемента на левой опоре, правой опоре

и в середине пролета соответственно.

Если на рассматриваемом участке элемента отсутствуют трещины, то кривизну определяют по формуле:

1 М

- = —— , (2-67)

Г ЕЬ1*ге(

а на участке элемента с трещинами в растянутой зоне по формуле:

1 М

(2.68)

Г Е I

Ь,ге( гвс1

где М - изгибающий момент от внешней нагрузки;

!гес1 - момент инерции приведенного сечения относительно его центра тяжести;

ЕЬ1 и ЕЬге( - модуль деформации и приведенный модуль деформации сжатого бетона, определяемые с учетом требований СП 63.13330.2018 [270].

1

х

о

2

/

с

с

Анализ зависимости М

V гу

показал, что приращение кривизн практически

пропорционально приращениям моментов (рисунок 2.22), что можно выразить формулой:

'О

'О

V г У V г Усгс

М - Мс Ща

(2.69)

Рисунок 2.22 - График упрощенной зависимости момент-кривизна [136]

Для прогнозирования прогибов на стадии эксплуатации в железобетонных изгибаемых элементах необходимо учитывать ряд факторов, влияющих на напряженное состояние:

1. Изменение в процессе эксплуатации физико-механических характеристик материалов;

2. Негативное воздействие окружающей среды;

3. Нагрузки и воздействия;

4. Образование и раскрытие трещин, что приводит к уменьшению жесткости железобетонного элемента.

На рисунке 2.23 показаны графики изменения кривизны предварительно напряженного железобетонного изгибаемого элемента на протяжении первых двух лет эксплуатации.

1 - суммарная кривизна; 2 - кривизна от предварительного напряжения (выгиб);

3 - кривизна от длительной нагрузки; 4 - кривизна от собственного веса Рисунок 2.23 - Изменение кривизны изгибаемого элемента [360]

Следует отметить, что усадка и ползучесть в железобетонных элементах действуют одновременно. При этом в изгибаемых элементах они действуют разнонаправлено: ползучесть увеличивает напряжение в растянутой зоне бетона, уменьшая его в сжатой, а усадка - наоборот, увеличивает напряжения в сжатой зоне бетона и уменьшает в растянутой. В сжатых элементах они действуют однонаправлено, уменьшая напряжения в бетоне.

На стадии эксплуатации деформации ползучести и усадки бетона приводят к увеличению кривизны изгибаемого железобетонного элемента и росту прогибов [155].

Начальный этап набора прочности бетона (раздел 2.2.3) сопровождается также увеличением модуля упругости, который влияет на значение прогибов железобетонных элементов.

Для внецентренно сжатых железобетонных элементов в работе [86] по результатам анализа экспериментальных исследований их длительной устойчивости было также отмечено нарастание прогибов с течением времени.

Изменение прогибов с течением времени можно выразить через вероятность того, что значения прогибов за время t не превысят предельных значений с обеспеченностью Рн. Данная зависимость записывается аналогично формулы (2.63) для трещиностойкости. Оценка надежности работы конструкции выполняется аналогично (2.64).

2.4 Прогнозируемые сроки безопасной эксплуатации до проведения

капитального ремонта

На основании анализа экспериментальных исследований для разработки модели определения срока безопасной эксплуатации была применена концепция безопасности А.Р. Ржаницына, а также специфические предпосылки:

- квазилинейный закон изменения несущей способности и усилий в железобетонных конструкциях;

- наличие резервов по прочности и деформативности конструкций, которые могут быть учтены при работе в особом предельном состоянии.

Срок службы здания в целом определяется по наиболее ответственным конструкциям из предположения постепенного снижения их несущей способности Ф и возможного увеличения усилий от внешних нагрузок F. При этом, снижение несущей способности в железобетонных конструкциях может наступать через некоторый случайный промежуток T1, который вызывается, например, завершением этапа набора прочности бетона и наступлением этапа деградации. Основные параметры распределения для времени T1 -математическое ожидание и дисперсия, могут быть определены опытным путем. Общий случайный срок службы Тсл конструкции может быть записан в виде:

Та = T + T, (2.70)

где T' - время наступления аварийного состояния.

Фактический срок эксплуатации конструкции tm определяется следующим выражением (рисунок 2.24):

t = I +1'

сл 1

(2.71)

о* А

1сл

т, Т

Тел

Р{ }

Рисунок 2.24 - Модель определения безопасного срока эксплуатации при квазилинейном изменении несущей способности и усилия в элементе

Функции несущей способности и усилия элемента можно записать как для нестационарных случайных процессов:

Ф(г) = Ф0 -\иф(т^т,

(2.72)

F (г) = F0 + |иР (т^т,

0

где Ф0 и F0 - значение несущей способности и усилия в элементе в начальный момент времени, закладываемые при проектировании;

иФ и - скорости изменения несущей способности и усилия.

Зададимся изменением несущей способности и усилия элемента в общем случае по квазилинейному закону со случайными параметрами Ф0, р0, иФ и ир:

Ф(г) = Фо -г-иф,

0 Ф (2.73)