ПРИДНІПРОВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

КРАСНЮК ТЕТЯНА ВІТАЛІЇВНА

УДК 624.012.45:620.193.4:69.059.4:519.873

ОПТИМІЗАЦІЯ ПЕРВИННОГО ЗАХИСТУ АРМАТУРИ ЗАЛІЗОБЕТОННИХ КОНСТРУКЦІЙ В АГРЕСИВНИХ

ГАЗОВИХ СЕРЕДОВИЩАХ

Спеціальність 05.23.05 – Будівельні матеріали та вироби

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Придніпровській державній академії будівництва та архітектури (ПДАБА), Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор

Савицький Микола Васильович,

завідувач кафедри залізобетонних та кам’яних конструкцій, проректор із наукової роботи ПДАБА

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Сторожук Микола Андрійович, ПДАБА, професор кафедри будівельних матеріалів, виробів та конструкцій

кандидат технічних наук, професор Пшінько Олександр Миколайович, Дніпропетровський державний технічний університет залізничного транспорту, завідувач кафедри будівель та будівельних матеріалів, ректор

Провідна установа:

Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, кафедра фізико-хімічної механіки і технології будівельних матеріалів та виробів , Міністерство освіти і науки України, м. Харків

Захист відбудеться “21“ червня 2001 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д08.085.01 Придніпровської державної академії будівництва та архітектури за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24-а, ауд.202

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Придніпровської державної академії будівництва та архітектури за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24-а

Автореферат розісланий “21 “травня 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Баташева К.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Частка огороджуючих будівельних конструкцій цивільних будинків і підприємств різних галузей промисловості, інженерних споруд, виконаних, в основному, із залізобетону, складає близько 50-55% загальної вартості споруд. Саме ці конструкції найбільше інтенсивно піддаються впливу агресивних середовищ. На підтримку їх у працездатному стані приходиться переважна частина (близько 80% ) витрат на ремонт.

Згідно діючих норм проектування в залізобетонних конструкціях, призначених для роботи в агресивних середовищах, не допускається і не враховується корозія матеріалів. Однак налічується великий обсяг конструкцій, що одержали корозійні ушкодження на стадії експлуатації.

Норми не містять ніяких вказівок по проектуванню системи ремонту залізобетонних конструкцій і їхніх елементів (міжремонтні терміни, оцінка технічного стану, прогноз довговічності, призначення конструктивно-технологічних параметрів ремонтних систем).

Виконані дослідження свідчать про економічну доцільність проектування залізобетонних конструкцій, взаємодіючих з агресивним середовищем, з урахуванням кінетики корозії бетону. В даний час вирішені деякі задачі методом варіантного проектування. Відомо, що для одержання найбільш економічних рішень можуть бути використані методи оптимального проектування.

Забезпечення працездатності конструкцій протягом регламентованого терміну служби можливо тільки за умов врахування мінливості конструктивно-технологічних параметрів залізобетонних конструкцій методами теорії надійності.

Виходячи з вищесказаного, розробка методики проектування оптимальних огороджуючих залізобетонних конструкцій при визначенні їхніх конструктивно-технологічних параметрів з урахуванням агресивного впливу середовища за критеріями забезпечення надійності й довговічності є актуальною проблемою в підвищенні ефективності застосування залізобетону.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Приведені в дисертації дослідження виконані згідно з напрямками науково-дослідних робіт кафедри залізобетонних і кам'яних конструкцій ПДАБА по проблемі “Надійність і довговічність залізобетонних конструкцій в агресивних середовищах”, держбюджетної теми “Розробка методики діагностики локалізуючих систем безпеки АЕС” Міністерства освіти і науки України.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є розробка методики оптимального проектування первинного захисту арматури залізобетонних конструкцій, що експлуатуються в агресивних газових середовищах, за критеріями надійності й довговічності.

Для досягнення поставленої мети в роботі розв’язуються наступні задачі:

-

-

- розробка та апробація методики, алгоритмів і програми для ЕОМ оптимального проектування залізобетонних конструкцій, що експлуатуються в агресивних газових середовищах заданий термін служби, при мінімальних витратах на зведення й ремонти;

- рішення практичних задач проектування оптимальних залізобетонних конструкцій в умовах агресивного впливу середовища.

Об'єкт дослідження: залізобетонні конструкції в агресивних газових середовищах.

Предмет дослідження: конструктивно-технологічні параметри первинного захисту арматури.

Методи дослідження: науково-методологічну основу дослідження склали: узагальнення та аналіз даних натурних обстежень залізобетонних конструкцій в агресивних середовищах, математичні моделі корозійних процесів, методи математичної статистики й обробки даних; кореляційно-регресивний аналіз; метод випадкового пошуку оптимального рішення; методи чисельного моделювання; методи теорії надійності.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в:

а) розробці методики розрахунку параметрів первинного захисту арматури залізобетонних конструкцій в агресивних газових середовищах за критеріями надійності й довговічності з урахуванням кінетики корозії бетону (одержала подальший розвиток);

б) розробці методики оптимального проектування первинного захисту арматури ремонтопридатних огороджуючих залізобетонних конструкцій з урахуванням кінетики корозії бетону в агресивних газових середовищах за критеріями надійності й довговічності (одержала подальший розвиток);

в) результатах чисельного моделювання впливу параметрів первинного захисту й ступеня агресивності газового середовища на надійність і довговічність огороджуючих конструкцій (отримані вперше);

г) даних про сукупну дисконтовану вартість виготовлення й ремонту захисного шару огороджуючих конструкцій, призначених для експлуатації в газовому середовищі сірчистого ангідриду при детермінованому та ймовірнісному методах розрахунку параметрів первинного захисту арматури (отримані вперше);

д) пропозиціях для норм проектування по призначенню оптимальних конструктивно-технологічних параметрів первинного захисту огороджуючих залізобетонних конструкцій і системи проведення ремонтів у залежності від параметрів первинного захисту й ступеня агресивності газового середовища (одержала подальший розвиток).

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що застосування розробленої методики оптимального проектування залізобетонних конструкцій в умовах впливу агресивних газових середовищ дозволяє підвищити ефективність застосування огороджуючих залізобетонних конструкцій за рахунок визначення параметрів первинного захисту арматури та призначення системи проведення ремонтів. Розроблені на основі запропонованої методики алгоритми й програми можуть бути використані в проектній практиці.

Результати досліджень використані при оцінці довговічності фундаменту турбоагрегату N 1 Трипільської ГРЕС, при розробці “Методичних рекомендацій з визначення економічного збитку від корозії основних фондів комунального господарства в результаті забруднення навколишнього природного середовища” за замовленням Міністерства охорони навколишнього природного середовища України, при діагностиці технічного стану й прогнозу довговічності залізобетонної дренажної галереї захисної дамби Каховського водоймища в районі м. Нікополя.

Особистий внесок здобувача полягає в наступному:

- виконано аналіз даних про мінливість хіміко-мінералогічного складу цементів Амвросіївського та Єнакіївського заводів, аналіз огороджуючих конструкцій для визначення витрат арматури і зв'язаних з цим обсягів можливих ремонтних робіт, апроксимація графічних і табличних даних розрахунково-експериментального методу визначення складу бетону для його використання на ЕОМ;

- розроблено та апробовано алгоритми й програми для ЕОМ розрахунку параметрів первинного захисту залізобетонних конструкцій в агресивних середовищах за критеріями надійності й довговічності, методика оптимального проектування огороджуючих залізобетонних конструкцій , що експлуатуються в агресивних газових середовищах;

- сформульовано й вирішено в залежності від особливостей конструкцій кілька варіантів задачі оптимального проектування огороджуючих залізобетонних конструкцій ;

- виконано імовірностне проектування первинного захисту огороджуючих залізобетонних конструкцій овочесховища з регульованим газовим середовищем;

- сформульовано пропозиції для норм проектування по призначенню оптимальних параметрів первинного захисту арматури та термінів проведення ремонтів залізобетонних конструкцій в умовах агресивного впливу газів, наведено приклад практичного застосування розробленої методики в реальних умовах м.Дніпродзержинська.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися на Всесоюзному науково-технічному семінарі "Захист підземних залізобетонних конструкцій від корозії" (м. Волгоград, 1990 р.), на IV Міжнародній науковій конференції "Матеріали для будівельних конструкцій" ICMB'96 (м. Дніпропетровськ, 1996 р.), на наукових семінарах кафедри залізобетонних та кам'яних конструкцій ПДАБА (м. Дніпропетровськ, 1992-2000 р.), на наукових семінарах "Оптимальне проектування конструкцій, машин і приладів" філії Наукової Ради по проблемі "Кібернетика" при Придніпровському науковому центрі АН України (м. Дніпропетровськ, 1992, 1996, 1997 р.), на науковому семінарі "Економіко-математичне моделювання" філії Наукової Ради по проблемі "Кібернетика" НАН України (м. Дніпропетровськ, 2000 р.)

Публікації. Основні положення дисертації опубліковані в 9 наукових статтях (з них - 4 у фахових виданнях).

Структура й обсяг дисертації.

Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел, чотирьох додатків. Робота викладена на 202 сторінках і включає 105 сторінок тексту, 28 малюнків на 22 сторінках, 8 таблиць на 15 сторінках, 107 найменувань використаних джерел на 12 сторінках, чотири додатки на 48 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовані вибір і актуальність теми дисертації, визначені мета, задачі і методологічні основи дослідження, наукова новизна і практичне значення, показані особистий внесок здобувача й апробація досліджень.

В першому розділі представлено огляд діючих норм і можливих підходів до проектування залізобетонних конструкцій, що експлуатуються в агресивних середовищах, чисельно-аналітичних моделей корозії залізобетону під впливом агресивних газових середовищ, існуючих методик розрахунку складу бетонів; розглянуті питання оцінки надійності й довговічності залізобетонних конструкцій, методики їхнього оптимального проектування.

З результатів аналізу проведених досліджень випливає, що у діючих нормах проектування залізобетонних конструкцій, призначених для експлуатації в умовах агресивних впливів, не міститься положень по кількісній оцінці кінетики нейтралізації бетону. У наявних нормативних документах немає достатніх обґрунтувань для проектування системи ремонтів залізобетонних конструкцій (міжремонтних термінів, оцінки технічного стану, прогнозу довговічності, призначення конструктивно-технологічних параметрів ремонтних систем).

Проведені раніше дослідження (Є.А.Гузєєв, Л.Л.Лємиш, М.В.Савицький, А.О.Титюк) свідчать про економічну доцільність врахування кінетики корозії бетону при призначенні конструктивно-технологічних параметрів. Однак обмежені дослідження були виконані тільки для неремонтопридатних конструкцій методом варіантного проектування без застосування методів оптимізації.

На сьогодня існує велика кількість методик для розрахунку складу бетонів, призначених для роботи в нормальних умовах експлуатації. Як базову методику для підбора складу бетону прийнята розрахунково-експериментальна методика НДІЗБ (НИИЖБ РФ). Для її пристосування до розрахунків на ЕОМ потрібна апроксимація табульованих та графічних даних, що містяться в нормативних документах з підбору складу бетону. Методики, у яких би розраховувалися склади бетонів і призначалися характеристики компонентів за критеріями забезпечення надійності й довговічності, відсутні.

Накопичені результати досліджень, що дозволили створити достовірні математичні моделі фізико-хімічних процесів нейтралізації бетону захисного шару під впливом кислих газів, які можуть бути прийняті як базові для проведення детермінованих та імовірностних розрахунків (С.М.Алексєєв, В.І.Бабушкін, Л.А.Вандаловська, Є.А.Гузєєв, Б.В.Гусєв, І.Н.Заславський, Ф.М.Іванов, У.І.Новгородський, В.М.Москвін, А.Ф.Полак, М.К.Розенталь, В.Ф.Рябчич, М.В.Савицький, В.Ю.Сєтков, М.Ф.Тихомірова, О.С.Файвусович, В.В.Яковлєв, K.Husman, K.Kishitany, A.Meyer, H.I.Wierig та інші). Налічується достатньо експериментальних даних і даних натурних обстежень про ефективний коефіцієнт дифузії вуглекислого газу, глибину нейтралізації бетону сірчистим ангідридом. Даних про коефіцієнт дифузії інших кислих газів недостатньо.

На підставі того, що технологічні параметри бетону залізобетонних конструкцій мають стохастичний (мінливий) характер, глибина нейтралізації бетону є функцією випадкових величин, а з урахуванням зміни в часі - випадковою функцією часу. Мінливість властива також товщині бетону захисного шару. Отже, необхідно виконати накопичення і статистичний аналіз даних про мінливість конструктивно-технологічних параметрів первинного захисту й агресивного середовища і використовувати положення теорії надійності при проектуванні залізобетонних конструкцій, які взаємодіють з агресивним газовим середовищем.

Дотепер задачі оптимального проектування залізобетонних конструкцій розроблялися без врахування кінетики корозії бетону, без врахування міжремонтних термінів служби й поновлення захисту від корозії в процесі експлуатації.

У другому розділі приведена методика розрахунку параметрів первинного захисту арматури залізобетонних конструкцій в агресивних газових середовищах у детермінованій постановці, розглянуто вплив конструктивно-технологічних параметрів на довговічність первинного захисту арматури, приведені економічні передумови оптимізації залізобетонних конструкцій.

В основу методики покладені наступні передумови: проектування первинного захисту арматури виконується з урахуванням моделі кінетики розвитку корозійних процесів у бетоні, запропонованої НДІЗБ (НИИЖБ РФ); корозія арматури не допускається; фактор часу вводиться в розрахунок у явному виді.

Сформульовано умову безвідмовної роботи арматури: глибина нейтралізації бетону y() не повинна перевищувати величини захисного шару ар:

y() ap. (1)

Регламентований термін служби конструкції забезпечується: при заданій товщині захисного шару підбором складу бетону, що визначає кінетику нейтралізації; для заданого складу бетону призначенням величини захисного шару; виконанням ремонтів і відновленням бетону, якщо глибина нейтралізації досягла арматури.

Виконано апроксимацію графічних і табличних даних нормативних документів, що регламентують методику визначення складу бетону у виді аналітичних виразів для використання в розрахунках на ЕОМ.

В умовах агресивного впливу підбір складу бетону виконується з урахуванням характеристик проникності бетону: ефективного коефіцієнта дифузії і реакційної здатності бетону, що залежить від витрат цементу і відносного змісту оксиду кальцію в цементі.

Для вуглекислого газу ефективний коефіцієнт дифузії визначається за емпіричними залежностями, запропонованими С.М.Алексєєвим і М.К.Розенталем. Для сірчистого ангідриду задача визначення ефективного коефіцієнта дифузії була вирішена на основі аналізу опублікованих даних натурних обстежень залізобетонних конструкцій виробничих споруд. Отримано розрахункову залежність ефективного коефіцієнта дифузії від водоцементного відношення і вагової концентрації сірчистого ангідриду.

Визначено ефективні коефіцієнти дифузії інших газів за припущенням рівності глибини нейтралізації бетону під впливом газів різних видів і концентрацій, об'єднаних в одну групу за агресивністю (згідно СНиП 2.03.11.85).

Для дослідження змісту оксиду кальцію в цементі були оброблені дані про мінливість хіміко-мінералогічного складу клінкерів цементів Балаклеївського й Амвросіївського заводів.

На базі кількісної моделі корозійних процесів у газових середовищах розроблені алгоритм і програма для ЕОМ (у детермінованій постановці), що дозволяють визначати при регламентованому терміну служби: склад бетону при заданій товщині захисного шару; величину захисного шару для заданого складу бетону; прогнозувати довговічність первинного захисту арматури при заданих конструктивно-технологічних параметрах (терміни проведення ремонтів). Проведено чисельне моделювання впливу конструктивно-технологічних параметрів і концентрації вуглекислого газу на довговічність первинного захисту арматури.

Оцінка економічної ефективності первинного захисту арматури залізобетонних конструкцій в агресивних газових середовищах виконувалася за методикою розрахунку сукупної дисконтованої вартості. Як критерій визначення оптимального проектного рішення прийнятий мінімум сукупної дисконтованої вартості, що включає капітальні витрати на створення конструкції і сумарні різночасні витрати на її ремонти з врахуванням дисконтування на початок першого року експлуатації. У вартість капітальних витрат на створення й ремонт конструкцій включалися тільки прямі витрати (вартість матеріалів, основної заробітної плати й вартості експлуатації машин). Накладні витрати, планові накопичення, витрати на придбання технологічного устаткування та інші витрати не враховувалися.

Умовою проведення капітального ремонту є нейтралізація бетону на глибину захисного шару. У вартість ремонту включались прямі витрати на усунення нейтралізованого бетону, обробку арматури, відновлення бетону захисного шару та вартість необхідних матеріалів. Складено перелік робіт і витрат на зведення й ремонт 1м2 монолітної огороджуючої залізобетонної конструкції, що експлуатується в агресивному газовому середовищі. Проведено аналіз серій робочих креслень промислових будівель для визначення меж можливих змін товщини огороджуючих конструкцій і витрат арматурної сталі.

Третій розділ присвячений розробці методики розрахунку параметрів первинного захисту арматури залізобетонних конструкцій в агресивних газових середовищах за критеріями надійності й довговічності.

В основу методики додатково вводяться наступні передумови: а) до кінця заданого терміну служби чи міжремонтного терміну експлуатації конструкції повинні мати рівну надійність за критерієм недопущення корозії арматури незалежно від агресивності навколишнього середовища; б) надійність критерію досягнення глибини нейтралізації бетону товщини захисного шару приймається рівною 0.95, тому що цей відказ відноситься до відказів за II-ю групою граничних станів; в) припускається, що розподіл глибини нейтралізації бетону та товщини захисного шару підпорядковується закону нормального розподілу; г) вважається, що конструктивні і технологічні параметри залізобетонних конструкцій незалежні, а їхня мінливість підпорядковується закону нормального розподілу (Гауса).

Надійність і довговічність первинного захисту арматури забезпечується за умовою, що ймовірність безвідмовної роботи захисного шару P() не менше нормованого рівня надійності захисного шару Ru.:

P() = P[y() ap] = P[y() - ap 0] Ru; (2)

де y() , ap –параметри ті, що і в залежності (1).

Функція зміни глибини нейтралізації бетону захисного шару y(), що залежить від технологічних параметрів бетону, концентрації агресивного газу й часу експлуатації , описується випадковою функцією декількох незалежних змінних.

Статистичні характеристики випадкової функції () визначаються для перетину випадкового процесу при заданому j методом чисельної лінеаризації, запропонованим М.В.Савицьким.

На основі методики імовірностного розрахунку розроблено алгоритм і програма для ЕОМ, що дозволяють визначати реалізації випадкової функції глибини нейтралізації захисного шару в часі.

Проведено чисельне моделювання впливу кількісного складу бетону захисного шару (водоцементного відношення, витрат цементу) і концентрації агресивного середовища на довговічність бетону захисного шару.

Виконано розрахунки глибини карбонізації бетону захисного шару в середовищі вуглекислого газу при варіюванні наступних параметрів: концентрації - у межах 600-6000 мг/м3 при коефіцієнті варіації рівному 0.15, водоцементного відношення - 0.6, 0.55, 0.45 при коефіцієнті варіації рівному 0.05, витрати цементу - 300, 400, 500кг/м3 при коефіцієнті варіації рівному 0.05. Хіміко-мінералогічний склад цементного клінкера відповідав портландцементу по ДСТУ Б В.2.7-46-96 ( C3S - 60%, C3A - 7%, C2A+C4AF - 22%, C2S - 6%) з відносним вмістом оксиду кальцію 0.639 і коефіцієнтом варіації 0.02. Захисний шар бетону прийнятий рівним 30 мм при коефіцієнті варіації 0.19. Отримано характеристики випадкового процесу нейтралізації бетону захисного шару, а саме: значення функції глибини нейтралізації з різною забезпеченістю, її щільність у перетинах випадкового процесу при заданих , рівних 20, 40, 70, 100 років, імовірність безвідмовної роботи, характеристика безпеки й довговічність бетону захисного шару з забезпеченістю 0.95. На рис.1 представлено зазначені характеристики конструкції з бетону з витратами портландцементу 400 кг/м3, водоцементним відношенням 0.6 в умовах впливу СО2 при концентрації 600 мг/м3.

Залежності терміну служби бетону захисного шару від концентрації агресивного середовища і водоцементного відношення, отримані при детермінованому та імовірностному розрахунках, приведені на рис.2. Термін служби бетону захисного шару з забезпеченістю 0.95 на 59% менше його математичного очікуваного при всіх концентраціях CO2 і W/C.

Отримано дані про закономірності впливу витрат цементу на довговічність бетону захисного шару при зміні W/C і концентрації вуглекислого газу. При збільшенні витрат портландцементу з 300 до 500 кг/м3 гарантована довговічність збільшилася в 1.67 рази при всіх концентраціях і W/C.

В четвертому розділі приведено методику оптимального проектування огороджуючих залізобетонних конструкцій в агресивних газових середовищах у детермінованій та імовірностній постановках.

Рис. 1. Показники надійності бетону захисного шару в середовищі вуглекислого газу при концентрації 600 мг/м3 , витратах портландцементу 400 кг/м3 , W/C=0.6:

1 – величини захисного шару;

2 – щільність розподілу товщини захисного шару;

3 – реалізації випадкової функції глибини карбонізації бетону захисного шару;

4 – щільності розподілу глибини карбонізації бетону в перетинах випадкового процесу;

5 – характеристика безпеки;

6 – імовірність безвідмовної роботи;

значення із забезпеченістю: 7 – 0.99865; 8 – 0.95; 9 – 0.5; 10 – 0.05; 11 – 0.00135.

Розглядалася ремонтопридатна огороджуюча конструкція, що експлуатується в агресивному газовому середовищі з регламентованим терміном служби. Необхідно визначити конструктивно-технологічні параметри, що задовольняють критеріям безвідмовної роботи арматури та економічності. Іншими словами, проектується конструкція з такою величиною захисного шару, складом бетону, мінералогічним складом цементу і таким міжремонтним терміном служби, що забезпечують безвідмовну роботу бетону захисного шару в агресивному газовому середовищі за регламентованим терміном служби Тreq при мінімальній вартості.

Рис.2. Довговічність бетону захисного шару товщиною 30 мм при витратах портландцементу 400 кг/м3 в залежності від концентрації СО2 та водоцементного відношення із забезпеченістю: 1 – 0.5; 2 – 0.95.

Задача оптимізації формулюється у формі задачі нелінійного математичного програмування: мінімізувати сукупну дисконтовану вартість конструкції при заданому терміні служби.

За параметри, що змінювалися, приймалися: величина захисного шару, витрати і мінералогічний склад цементу, товщина конструкції й витрати арматурної сталі, концентрація агресивного компоненту середовища.

При імовірностному підході вводиться додаткове обмеження: імовірність безвідмовної роботи бетону захисного шару повинна бути не менше регламентованого рівня надійності 0.95. Сукупна дисконтована вартість виготовлення й ремонтів огороджуючої конструкції визначається при математичному очікуванні випадкових величин (характеристик середовища і конструктивно-технологічних параметрів бетону) і міжремонтному періоді експлуатації конструкції, визначеному із забезпеченістю 0.95.

У залежності від особливостей конструкції сформульовано чотири варіанти задачі оптимізації огороджуючих залізобетонних конструкцій: перший варіант - проектується монолітна конструкція заданої товщини, у якій можливо змінювати величину захисного шару в припущенні, що ця зміна не впливає на інші властивості конструкції, склад бетону призначається однаковим для всієї конструкції (рис.3.а); другий варіант - проектується монолітна залізобетонна конструкція, у якій фіксується задана робоча висота перетину ho (наприклад, з умови забезпечення міцності), величина захисного шару може змінюватися, склад бетону також призначається однаковим для всієї конструкції (рис.3.б); третій варіант - проектується залізобетонна конструкція, у якій робоча висота і склад бетону в межах робочої висоти приймаються заданими (наприклад, на підставі конструктивних чи теплотехнічних вимог), варіюються склад бетону захисного шару і його величина (рис.3.в); четвертий варіант - розробляється проект реконструкції існуючої залізобетонної огороджуючої конструкції, у якій бетон захисного шару конструкції нейтралізований і необхідний ремонт. Визначаються склад бетону захисного шару і його товщина, що забезпечують заданий термін служби конструкції після ремонту (рис.3.г).

Методика проектування оптимальних ремонтопридатних огороджуючих залізобетонних конструкцій, що експлуатуються в агресивних газових середовищах реалізована у виді алгоритмів і програм* для ЕОМ у детермінованій та імовірностній постановках.

Апробація розробленої методики визначення оптимальних товщини захисного шару і складу бетону проводилася на огороджуючій конструкції, що експлуатується в середовищі сірчистого ангідриду при концентрації 400 мг/м3 і регламентованому терміні служби Treq = 100 років. Конструкція виконується з бетону на портландцементі М400 і товщиною 0.25 м. Сукупна дисконтована вартість конструкції визначалася при нормі дисконту p = 0.1 у цінах 1999 року.

Аналіз результатів рішення чотирьох варіантів задачі оптимізації дозволив зробити наступні висновки. У першому й другому варіантах рішення задачі оптимізації отримані конструкції з бетонів підвищеної водонепроникності. У практичних задачах перший і другий варіанти задачі оптимізації прийнятні до огороджуючих конструкцій невеликої товщини для неопалюваних

* Використовувався модуль оптимізації методом випадкового пошуку, який розроблено на кафедрі прикладної механіки Дніпропетровського державного університету під керівництвом д.т.н., проф. Почтмана Ю.М.

Рис.3. Варіанти постановки задачі оптимізації.

споруд. При рішенні третього варіанта задачі оптимізації, у якому конструкція виконується багатошаровою з бетонів із різними характеристиками, задача оптимізації зводиться до визначення параметрів бетону захисного шару при його мінімальній сукупній дисконтованій вартості. Оптимальне рішення досягається: у детермінованій постановці - при витратах цементу 599.9 кг/м3, марці по водонепроникності W12 (водоцементне відношення W/C=0.36) бетону захисного шару, при його товщині 1.6см і міжремонтному терміні служби 21.13 року, сукупна дисконтована вартість 1м2 захисного шару дорівнює 6.72 грн. (рис. 4); в імовірностній - при витратах цементу 599.9 кг/м3, W12 (W/C=0.36), товщині бетону захисного шару 2.7см і міжремонтному терміну служби 23.83 року, сукупна дисконтована вартість 1м2 захисного шару дорівнює 9.47 грн. Для усіх варіантів задачі оптимізації вартість проектного рішення, отриманого при імовірностному підході, як і очікувалося, вище вартості рішення, отриманого детермінованим методом, за рахунок підвищення надійності конструкції. При підвищенні ступеня агресивності середовища збільшується товщина захисного шару при аналогічному складі бетону, що веде до подорожчання конструкції.

Отримано дані сукупної дисконтованої вартості захисного шару огороджуючої конструкції, призначеної для експлуатації у газовому середовищі сірчистого ангідриду при концентрації 400 мг/м3 у плині 100 років, у залежності від міжремонтного терміну

Рис. 4. Сукупна дисконтована вартість зведення та ремонтів конструкції (а), глибина нейтралізації бетону захисного шару (б) у часі при концентрації SO2 400 мг/м3:

1 – детермінований розрахунок,

2 – імовірностний розрахунок.

Примітки:

* - вартість у грн/м2;

** - у чисельнику - товщина захисного шару у см, у знаменнику - витрати цементу у кг/м3.

служби, витрат цементу й товщини захисного шару бетону (рис.5). Дані залежності дозволяють при фіксованому значенні одного з параметрів первинного захисту арматури (витрат цементу або товщини захисного шару) визначити оптимальне значення іншого параметра і міжремонтний період. Наприклад, при товщині захисного шару 5см оптимальною є конструкція із сукупною дисконтованої вартістю 14.2 грн/м2 із бетону при витратах цементу 470 кг/м3 (визначається інтерполяцією за рис.5). Довговічність бетону захисного шару із забезпеченістю 0.95 складає 40 років (рекомендований термін проведення капітального ремонту). При обмеженні витрат цементу в бетоні захисного шару не більше 550 кг/м3 оптимальною є конструкція із сукупною дисконтованою вартістю 10.8 грн/м2 при товщині захисного шару 3.2 см і рекомендованим терміном проведення ремонту рівним 26 років.

Розроблена методика оптимального проектування залізобетонних конструкцій за критеріями надійності й довговічності дозволяє визначати конструктивно-технологічні параметри первинного захисту арматури, прогнозувати її довговічність із необхідною забезпеченістю, тобто призначати терміни проведення капітальних ремонтів конструкцій, що експлуатуються в агресивних газових середовищах, при мінімальній сукупній дисконтованій вартості.

В п'ятому розділі представлено приклади практичного застосування розробленої методики.

Виконано проектування первинного захисту огороджуючої конструкції овочесховища з регульованим газовим середовищем. Розрахунок проводився на терміни експлуатації 50 і 100 років при концентраціях CO2 1…5%. Витрати цементу та товщина захисного шару змінювалися в межах 300-600 кг/м3 і 2-7 см, відповідно.

Ефективність застосування запропонованого первинного захисту порівнювалася з типовим проектним рішенням вторинного захисту для сильноагресивного середовища. Типове антикорозійне захисне покриття бетонної поверхні прийнято з одного шару ґрунтовки лаком ХВ-784 і восьми шарів емалі ХВ-785. Приведені дані показують, що запропонований первинний захист є більш економічним від вторинного на 67% і на 34%, відповідно, для концентрацій CO2 - 1% і 5% при детермінованому розрахунку, і на 57% і 18% для тих же концентрацій при імовірностному розрахунку.

Для використання результатів розрахунків у практиці проектування визначена сукупна дисконтована вартість бетону захисного шару огороджуючої конструкції, призначеної для експлуатації в газовому середовищі сірчистого ангідриду при концентраціях 10 - 400 мг/м3 у плині 100 років, у залежності від міжремонтного терміну служби, витрат цементу й товщини захисного шару бетону. Отримані дані дозволяють при фіксованому значенні одного з параметрів первинного захисту арматури (витрат цементу або товщини захисного шару) визначити значення іншого параметра і рекомендований термін проведення ремонту при мінімальних витратах.

Сформульовано пропозиції в норми проектування по призначенню оптимальних конструктивно-технологічних параметрів первинного захисту і міжремонтних періодів експлуатації огороджуючих залізобетонних конструкцій в умовах агресивного впливу газів першої та другої груп за критерієм недопущення корозії арматури у залежності від ступеня агресивності газового середовища.

Приведено приклад практичного застосування розробленої методики для проектування залізобетонних конструкцій в умовах агресивного повітряного середовища м. Дніпродзержинська.

Рис. 5. Сукупна дисконтована вартість 1 м2 захисного шару огороджуючої конструкції у залежності від міжремонтного терміну служби, товщини бетону захисного шару (1) і витрат цементу (2) для концентрації SO2 – 400 мг/м3 (імовірностний розрахунок).

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Проведено аналіз існуючих норм проектування, методик розрахунку складу бетону, оптимального проектування залізобетонних конструкцій, що експлуатуються в агресивних газових середовищах. Встановлено, що при проектуванні ремонтопридатних конструкцій не враховується кінетика корозії бетону; немає достатніх обґрунтувань для проектування системи ремонтів залізобетонних конструкцій (прогноз довговічності, міжремонтних термінів, призначення конструктивно-технологічних параметрів ремонтних систем); відсутні методики, у яких би розраховувалися склади бетонів і призначалися характеристики компонентів за критеріями забезпечення надійності й довговічності конструкції; існуючі методики оптимального проектування залізобетонних конструкцій не використовують кількісні моделі корозійних процесів, не враховують взаємозв'язок конструктивних і технологічних параметрів, не дають надійного обґрунтування термінів проведення ремонтів і не гарантують довговічність експлуатаційних властивостей конструкцій.

2. Запропоновано методику розрахунку параметрів первинного захисту арматури залізобетонних конструкцій в агресивних газових середовищах за критеріями надійності й довговічності. В основу методики покладено наступні передумови: а) проектування первинного захисту арматури виконується з урахуванням кінетики розвитку корозійних процесів у бетоні, корозія арматури не допускається; б) фактор часу вводиться в розрахунок у явному виді; в) до кінця заданого терміну служби чи міжремонтного терміну експлуатації конструкції повинні мати рівну надійність за критерієм недопущення корозії арматури незалежно від агресивності навколишнього середовища; г) забезпеченість критерію досягнення глибини нейтралізації бетону товщини захисного шару приймається рівною 0.95; д) розподіл глибини нейтралізації бетону та товщини захисного шару підпорядковується закону нормального розподілу; е) конструктивні і технологічні параметри залізобетонних конструкцій незалежні, а їхня мінливість підпорядковується закону нормального розподілу (Гауса). Методика заснована на положеннях: а) при детермінованому підході - захисний шар або технологічні параметри бетону захисного шару забезпечують безвідмовну роботу арматури за умовою, що глибина нейтралізації бетону не перевищує величини захисного шару бетону; б) при імовірностному підході - надійність і довговічність первинного захисту арматури забезпечується за умовою, що ймовірність безвідмовної роботи захисного шару не менше нормованого рівня надійності захисного шару.

3. За умов агресивного впливу середовища розрахунок складу бетону запропоновано виконувати з урахуванням характеристик проникності бетону: ефективного коефіцієнта дифузії і реакційної ємності бетону (витрати цементу і відносного змісту в ньому оксиду кальцію). Для використання в розрахунках складу бетону на ЕОМ запропоновані апроксимуючі залежності: витрат води від необхідної рухливості бетонної суміші і крупності заповнювача; коефіцієнта розсунення зерен від витрат цементу і водоцементного відношення.

4. На основі регресійного аналізу відомих даних натурних обстежень запропонована емпірична залежність для визначення ефективного коефіцієнта дифузії сірчистого ангідриду в бетоні від їхньої вагової концентрації і водоцементного відношення. Визначено ефективні коефіцієнти дифузії інших газів у припущенні рівності глибини нейтралізації бетону під впливом газів різних видів і концентрацій, об'єднаних в одну групу за агресивністю (згідно СНиП 2.03.11.85).

5. Виконано збір та статистичну обробку даних про мінливість хіміко-мінералогічного складу цементного клінкера Балакліївського та Амвросіївського заводів.

6. Розроблено методики, алгоритми й програми для ЕОМ розрахунку параметрів первинного захисту арматури залізобетонних конструкцій за критеріями надійності й довговічності, що дозволяють вирішувати практичні задачі, пов'язані з проектуванням конструкцій в умовах агресивного газового середовища з урахуванням кінетики корозії бетону: визначати склад бетону захисного шару при заданій його товщині; призначати величину захисного шару при заданому складі бетону; виконувати прогноз довговічності бетону захисного шару або міжремонтного періоду експлуатації при відомих конструктивно-технологічних параметрах первинного захисту арматури.

7. Проведено чисельне моделювання впливу конструктивно-технологічних параметрів та концентрації вуглекислого газу на довговічність первинного захисту арматури. Дані розрахунку показують, що залежність глибини карбонізації бетону від водоцементного відношення, витрат і виду цементу, концентрації СО2 узгоджуються з даними експериментальних і натурних досліджень. Отримано кількісні оцінки впливу конструктивно-технологічних параметрів первинного захисту арматури на довговічність конструкцій. Встановлено, що довговічність бетону захисного шару із забезпеченістю 0.95 менше його математичного очікуваного за рахунок підвищення надійності конструкції.

8. Розроблено методику, алгоритми й програми для ЕОМ оптимального проектування огороджуючих залізобетонних конструкцій, що експлуатуються в агресивному газовому середовищі, за критеріями надійності й довговічності з урахуванням кінетики корозії бетону.

Методика дозволяє проектувати ремонтопридатні конструкції з такими величиною захисного шару, складом бетону та міжремонтним терміном служби, що забезпечують безвідмовну експлуатацію конструкції в агресивному газовому середовищі при регламентованому терміні служби та мінімальній сукупній дисконтованій вартості конструкції.

9. У залежності від особливостей конструкцій сформульовано чотири варіанти постановки задачі оптимізації огороджуючих залізобетонних конструкцій і отримані оптимальні рішення.

При рішенні варіантів задачі оптимізації показано, що вартість проектного рішення, отриманого при імовірностному підході, вище вартості рішення, отриманого детермінованим методом, за рахунок підвищення надійності конструкції; підвищення ступеня агресивності середовища веде до подорожчання конструкції за рахунок збільшення товщини захисного шару бетону.

10. Виконано оптимізацію первинного захисту огороджуючих ремонтопридатних залізобетонних конструкцій овочесховища з регульованим газовим середовищем та системи ремонтів, що забезпечують надійну експлуатацію на заданий період часу. При співставленні сукупної дисконтованої вартості виконання первинного й вторинного захисту підтверджена ефективність первинного захисту, як при детермінованому, так і при імовірностному розрахунках при концентрації вуглекислого газу 1% … 5%.

11. Для використання результатів розрахунків у практиці проектування отримані дані про сукупну дисконтовану вартість бетону захисного шару огороджуючих конструкцій, призначених для експлуатації у газовому середовищі сірчистого ангідриду при концентраціях 10 - 400 мг/м3 у плині 100 років, у залежності від міжремонтного терміну служби, витрат цементу та товщини захисного шару бетону при детермінованому й імовірностному методах розрахунку.

12. Сформульовано пропозиції у норми проектування по призначенню оптимальних конструктивно-технологічних параметрів первинного захисту та термінів проведення ремонтів огороджуючих залізобетонних конструкцій при експлуатації в умовах агресивного впливу газів за критерієм недопущення корозії арматури у залежності від ступеня агресивності газового середовища.

Приведено приклад практичного застосування розробленої методики для проектування залізобетонних конструкцій в умовах агресивного повітряного середовища м. Дніпродзержинська.

Основні положення дисертації опубліковані в наступних роботах:

1. Савицкий Н.В., Краснюк Т.В. Долговечность и оптимальное конструктивно-технологическое проектирование ограждающих железобетонных конструкций, эксплуатирующихся в среде углекислого газа // Применение компьютерных технологий при решении задач народного хозяйства: Сб.науч.тр. НАН Украины. Ин-т кибернетики им. В.М.Глушкова.- К., 1996. - С.97-102 (автором розроблена детермінована методика оптимізації, алгоритм і програма, виконані розрахунки).

2. Краснюк Т.В., Савицкий Н.В., Почтман Ю.М. Оптимальное проектирование ограждающих железобетонных конструкций, эксплуатирующихся в среде сернистого ангидрида по критерию надежности и долговечности арматуры // Сб. науч. трудов Приднепр. госуд. акад. стр. и арх. Вып.2. Часть 2. Строительные конструкции. Теоретические основы строительства. – Дн-ск, 1997. - С.17-23 (автором виконана постановка задачі, розроблена імовірностна методика оптимізації, алгоритм і програма, і проведені розрахунки).

3. Савицкий М.В., Краснюк Т.В. Определение надежности железобетонных конструкций по критерию безотказной работы арматуры // Вiсник Академii. - Дн-ськ: ПДАБА , 1998, № 5, - С.37-40 (автором розроблені алгоритм, програма і виконані розрахунки).

4. Краснюк Т.В., Савицкий Н.В. Варианты постановки задачи оптимизации для ограждающих конструкций в агрессивной газовой среде // Сб. науч. тр.: Строительство. Материаловедение. Машиностроение.; Вып.№9, ч.1. - Дн-ск: ПГАСА, 1999. С.42-49 (автором виконана постановка задачі, розроблені алгоритм і програма, проведені розрахунки).

5. Краснюк Т.В., Почтман Ю.М., Савицкий Н.В. Долговечность и оптимальное проектирование ограждающих железобетонных конструкций, работающих в агрессивных средах // Прочность конструкций в экстремальных условиях: Межвуз.науч.сб. Саратовский политехн. инст. – Саратов, 1992.- С. 79-84 (автором розроблені алгоритм, програма і виконані розрахунки).

6. Савицький М.В., Краснюк Т.В. Методика розрахунку надійності залізобетонних конструкцій за критерієм безвідмовної роботи арматури // Наукові дослідження для будiвництва: Зб. наук.праць.- К.: IСДО, 1994. - С. 144-148 (автором розроблені алгоритм, програма і виконані розрахунки).

7. Ракутумаву А.Ф., Краснюк Т.В. Изменчивость химико-минералогического состава цементов// Энергосберегающие технологии, эффективные строительные материалы и конструкции для промышленного и гражданского строительства.- Дн-ск, 1990. - С. 8 (автором виконані збір і обробка статистичної інформації про мінералогію клінкерів цементів).

8. Савицкий Н.В., Краснюк Т.В. К вопросу об определении эффективного коэффициента диффузии сернистого ангидрида в железобетонных конструкциях// Сборник "Материалы для строительных конструкций": Тез.доклада IV Межд. конф. ICMB'96. – Дн-ск, 1996. - С. 124-125 (автором проведені огляд і регресійний аналіз експериментальних даних, отримані залежності для ефективного коефіцієнта дифузії).

9. Савицкий Н.В., Краснюк Т.В. Вероятностная оптимизация проектирования защитного слоя ограждающих железобетонных конструкций в агрессивных средах// Сборник "Материалы для строительных конструкций": Тез.доклада IV Межд. конф. ICMB'96. – Дн-ск, 1996. - С. 141-142 (автором виконана постановка задачі і розробка імовірностної методики оптимізації).

АнотацІя

Краснюк Т.В. Оптимізація первинного захисту арматури залізобетонних конструкцій в агресивних газових середовищах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.05- Будівельні матеріали та вироби. - Придніпровська державна академія будівництва й архітектури. Дніпропетровськ, 2001.

У дисертації викладено методику та результати оптимального проектування огороджуючих залізобетонних конструкцій, що експлуатуються в агресивних газових середовищах, за критеріями надійності й довговічності з урахуванням кінетики корозії бетону. Методика дозволяє проектувати ремонтопридатні конструкції з такими величиною захисного шару, складом бетону та міжремонтним терміном служби, що забезпечують безвідмовну експлуатацію конструкції в агресивному газовому середовищі при регламентованому терміні служби та мінімальній сукупній дисконтованій вартості конструкцій. У залежності від особливостей конструкцій сформульовано варіанти постановки задачі оптимізації та отримано оптимальні рішення. Наведено приклади практичного застосування розробленої методики для проектування залізобетонних конструкцій. Запропонована методика реалізована у вигляді алгоритмів і програм для ЕОМ і може бути використана у практиці проектування.

Ключові слова: агресивне газове середовище, первинний захист арматури, огороджуючи залізобетонні конструкції, надійність, довговічність, оптимізація.

АННОТАЦИЯ

Краснюк Т.В. Оптимизация первичной защиты арматуры железобетонных конструкций в агрессивных газовых средах. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05- Строительные материалы и изделия. - Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры. Днепропетровск, 2001.

В диссертации изложена методика проектирования оптимальных ограждающих железобетонных конструкций с учетом воздействия агрессивных газовых сред по критериям обеспечения надежности и долговечности.

Актуальность работы обусловлена следующим: ограждающие железобетонные конструкции