Національний університет “Львівська політехніка”

ВАШКЕВИЧ РОСТИСЛАВ ВІТАЛІЙОВИЧ

УДК 624.012:620.193

МІЦНІСТЬ, ДЕФОРМАТИВНІСТЬ, ТРІЩИНОСТІЙКІСТЬ

ЗАЛІЗОБЕТОННИХ БАЛОК, відновлених після корозії

05.23.01 – Будівельні конструкції, будівлі та споруди

автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів-2005

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Національному університеті “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: | кандидат технічних наук, доцент

БЛІХАРСЬКИЙ Зіновій Ярославович,

Національний університет “Львівська політехніка”,

доцент кафедри “Будівельні конструкції та мости”.

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

БАРАШИКОВ Арнольд Якович,

Київський національний університет будівництва і архітектури,

завідувач кафедри „Залізобетонні та кам’яні конструкції”;

кандидат технічних наук, доцент

БАРАБАШ Василь Михайлович,

Львівський державний аграрний університет,

доцент кафедри „Будівельні конструкції”.

Провідна установа: | Одеська державна академія будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України, кафедра “Залізобетонні та кам’яні конструкції”, м. Одеса.

Захист відбудеться “ 3 ” червня 2005 р. о 10-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 35.052.11 у Національному університеті “Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів, вул. С.Бандери, 12, ауд.226 головного корпусу.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів, вул. Професорська, 1.

Автореферат розісланий “ ” травня 2005 року.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради К 35.052.11 Г.П. Петришин

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Відомо, що існуючі будівлі та споруди часто, в тій чи іншій мірі, піддаються впливу різних агресивних середовищ. Зокрема, на хімічних, енергогенеруючих підприємствах, в металургії, на транспортних спорудах, більшість залізобетонних конструкцій отримують ушкодження різних ступенів внаслідок корозійних процесів. З часом ці процеси можуть привести до небезпеки експлуатації споруд. Пошкоджені конструкції треба ремонтувати, відновлювати або збільшувати їх несучу здатність, тобто підсилювати. Часто під час реконструкції немає можливості зупинити процес виробництва і доводиться проводити підсилення при різних рівнях навантаження в залізобетонних конструкціях, зокрема згинальних. Проведені раніше дослідження стосуються, головним чином, способів, методів та технології підсилення, які не враховують напруженого стану елемента до відновлення несучої здатності. Мала кількість експериментально-теоретичних досліджень стосується залізобетонних елементів, підсилених під навантаженням.

Задача дослідження залізобетонних елементів, які відновлюють під діючим навантаженням різного рівня, має практичне і теоретичне значення, а підсилення конструкцій в багатьох випадках є економічно доцільним. В зв’язку з цим пропонована робота є актуальною. Актуальність роботи підтверджується також Постановою Кабінету Міністрів України №409 від 05.05.1997р. “Про забезпечення надійної і безпечної експлуатації будівель та інженерних мереж”, рішенням міжвідомчої комісії з питань науково-технологічної безпеки при Раді національної безпеки і оборони України від 14.02.2002 “Про технічний стан і залишковий ресурс конструкцій і споруд основних галузей господарства в Україні”.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана згідно з тематикою наукових досліджень кафедри будівельних конструкцій та мостів Національного університету "Львівська політехніка": "Дослідження міцності, деформативності і надійності звичайних та попередньо-напружених залізобетонних конструкцій", а також в рамках держбюджетної теми: "Розробка методів відновлення експлуатаційної придатності залізобетонних конструкцій, пошкоджених корозією внаслідок дії зовнішнього агресивного середовища" (№ держреєстрації 0103U001352).

Метою роботи є визначення експериментальним та теоретичним шляхом параметрів міцності, деформативності та тріщиностійкості залізобетонних балок, відновлених після впливу агресивного середовища.

Задачі досліджень:

§ розробити методику експериментальних досліджень залізобетонних елементів в умовах одночасної локальної дії агресивного середовища та навантаження;

§ виконати експериментальні дослідження міцності, деформативності та тріщиностійкості залізобетонних балкових конструкцій в агресивному середовищі при дії навантаження з подальшим відновленням поперечного перерізу;

§ розробити пропозиції з розрахунку залізобетонних балкових конструкцій, підсилених після корозії.

Об’єкт досліджень – залізобетонні конструкції, які експлуатуються в агресивному середовищі.

Предмет досліджень – напружено-деформований стан залізобетонних балкових конструкцій, відновлених під навантаженням після впливу агресивного середовища.

Методи досліджень передбачали виконання експериментальних прискорених випробовувань залізобетонних елементів із застосуванням, на базі діючих нормативів, спеціально розроблених пристроїв для забезпечення можливості одночасного прикладання навантаження і агресивного середовища. Використовувався метод рентгенофазового аналізу (дифрактрометр ДРОН-2), мікроструктурного аналізу (електронний мікроскоп ТЕSLА ВS – 300), метод розрахунку залізобетонних конструкцій за граничними станами.

Наукова новизна отриманих результатів:

§ визначені експериментальним шляхом параметри міцності, деформативності та тріщиностійкості залізобетонних балкових конструкцій в залежності від міцності та виду бетону, рівня навантаження, тривалості одночасної дії навантаження та агресивного середовища;

§ отримані експериментальним шляхом параметри напружено-деформованого стану залізобетонних балок з корозійними пошкодженнями на локальній ділянці в зоні чистого згину з наступним їх підсиленням при дії навантаження;

§ уточнення до методики розрахунку міцності нормальних перерізів підсилених після корозії залізобетонних балок, з врахуванням диференційованих коефіцієнтів умов роботи бетону та арматури, що враховують рівень навантаження, при якому виконують підсилення;

§ пропозиції з розрахунку деформативності та тріщиностійкості підсилених після корозії залізобетонних балок.

Практичне значення отриманих результатів полягає в можливості використання отриманих даних експериментально-теоретичних досліджень (параметрів міцності, деформативності, тріщиностійкості) при оцінці технічного стану, несучої здатності та експлуатаційної придатності відновлених після корозії залізобетонних балкових конструкцій, що перебувають під навантаженням, а також для розробки пропозицій щодо їх відновлення та підсилення. Алгоритм розрахунку з використанням коефіцієнтів умов роботи бетону та арматури дозволяє з достатньою точністю визначати залишковий ресурс міцності нормальних перерізів підсилених під навантаженням залізобетонних балкових елементів.

Впровадження результатів роботи. За участю автора і з використанням результатів виконаних експериментально-теоретичних досліджень визначено технічний стан та залишковий ресурс міцності, а також розроблено пропозиції щодо підсилення несучих залізобетонних конструкцій головного корпусу Добротвірської ТЕС ВАТ “Західенерго”. Результати роботи використано Державною службою автомобільних доріг України (Укравтодор) та Державним науково-дослідним інститутом ДерждорНДІ ім. Шульгіна (м. Київ) при розробці методик визначення залишкового ресурсу і підсилення залізобетонних конструкцій мостів з корозійними пошкодженнями. Окремі результати роботи були впроваджені в навчальний процес.

Представлені в даній роботі експериментальні та теоретичні дослідження виконані при безпосередньому сприянні і за участі наукового керівника к.т.н., доцента Бліхарського З. Я.

Особистим внеском здобувача у роботі є:

§ проведення експериментальних досліджень залізобетонних елементів, відновлених під навантаженням після одночасної дії агресивного середовища та навантаження;

§ визначення експериментальним шляхом параметрів міцності, прогинів та тріщиностійкості відновлених залізобетонних балкових конструкцій в залежності від міцності та виду бетону, рівня навантаження, тривалості дії навантаження і агресивного середовища;

§ розробка уточнень до методики розрахунку міцності нормальних перерізів підсилених після корозії залізобетонних балок, з врахуванням диференційованих коефіцієнтів умов роботи бетону та арматури , які враховують рівень навантаження, при якому виконують підсилення;

§ розробка уточнень до методики розрахунку деформативності та тріщиностійкості, підсилених після корозії залізобетонних балок.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на VI Міжнародній науковій конференції “Актуальні проблеми будівництва та інженерії довкілля” Львів-Кошице-Жешув (Україна, м. Львів, НУ “ЛП”, 12-15 вересня 2001р.), третій Всеукраїнській науково-технічній конференції "Науково-технічні проблеми сучасного залізобетону" (м. Львів, 6-11 жовтня 2003р.), VІІ міжнародній конференції-виставці “Проблеми корозії та протикорозійного захисту конструкційних матеріалів “КОРОЗІЯ-2004” (м. Львів, ФМІ НАН України, 8-10 червня 2004 р.), IX International Scientific Conference Z 37 “Current issues of civil and environmental engineering” (Polska, Rzeszow, Politechnika Rzeszowska, 3-4 wrzesnia 2004);

Публікації. Основні наукові результати за темою дисертації опубліковані у 11 наукових працях, у тому числі 8 наукових публікацій у спеціалізованих фахових виданнях, внесених до переліку ВАК України, 3 статті у матеріалах науково-технічних конференцій і 1 патент.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, 4 розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 162 найменувань, 2 додатків. Робота викладена на 143 сторінках, у тому числі містить 115 сторінки основного тексту, з них 17 повних сторінок з рисунками і таблицями, 17 сторінок списку використаних джерел, 22 таблиці, 35 рисунків та 8 сторінок додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ містить обґрунтування актуальності теми, сформульовано мету і задачі досліджень, наведені основні наукові результати, показано їх практичне значення в галузі будівництва.

У першому розділі викладено сучасний стан питання та сформульовано задачі досліджень. Вивченням корозії бетону, арматури і залізобетону займалося багато фахівців. Зокрема Алєксєєв С.Н., Ахвердов І.Н., Байков А.А., Бліхарський З.Я., Гузєєв Є.А., Іванов Ф.М., Корольов В.П., Ларіонова З.М., Лучко Й.Й., Москвін В.М., Рубецька Т.В., Саввіна Ю.А., Савицький М.В., Чернявський В.Л, Lee F.,
Scislewski Z., Fagerlund G. та ряд інших.

Серед великої кількості робіт, присвячених дослідженню корозійних процесів в залізобетонних конструкціях все ж дуже мало досліджень, які б розглядали корозійні явища в поєднанні з фактором навантаження різних рівнів. Адже більшість конструкцій одночасно з впливом агресивного середовища сприймає певне (експлуатаційне, від власної ваги, тощо) навантаження. Проведено відносно невелику кількість експериментально-теоретичних досліджень залізобетонних конструкцій, відновлених та підсилених під навантаженням. Методи відновлення та підсилення, а також методики розрахунку підсилених конструкцій викладені в роботах Барашикова А.Я., Барабаша В.М., Бондаренка С.В., Валового О.І., Вахненка П.Ф., Голишева А.Б., Клименка В.Є., Ткаченка І.М., Шагіна О.Л. та інших.

Метод граничних станів з використанням емпіричних коефіцієнтів, значення яких уточнюють розрахункові параметри напружено-деформованого стану залізобетонних конструкцій на основі експериментальних досліджень, є теоретичною основою нормативного забезпечення вимог надійності. Удосконалення методів розрахунку при виявленні резервів несучої здатності залізобетонних конструкцій розглянуто в працях Барашикова А.Я., Гузєєва Є.О., Горохова Є.В., Жукова В.В., Корольова В.П., Сабітова Х.А., Савицького М.В., Філатова В.Б., Шагіна О.Л. та інших.

Задачі, пов’язані з розвитком методів розрахунку і проектування будівельних конструкцій при впливі на них різних агресивних середовищ розглядались в роботах Гарибова Р.Б., Гордєєва Ю.С., Інамова Р.Р., Мамаєва Т.Л., Овчиннікова І.Г.,
Петрова В.В. та інших.

В Національному університеті “Львівська політехніка” проблемами корозії бетонних і залізобетонних конструкцій при одночасному впливі агресивного середовища і навантаження займалися Бліхарський З.Я., Хміль Р.Є., Струк Р.Ф., проблемами проектування та підсилення залізобетонних конструкцій займалися Гнідець Б.Г., Клименко Ф.Є., довговічністю та надійністю конструкцій з врахуванням впливу кліматичних умов Кінаш Р.І., дослідженням натурних мостових конструкції, що піддаються впливу зовнішнього середовища ГНДЛ-88 під керів-ництвом Кваші В.Г. та НДЛ-23 сумісно з ДерждорНДІ (Коваль П.М., Демчина Б.Г.).

Аналіз виконаних досліджень показав, що проведено незначну кількість експериментальних досліджень залізобетонних конструкцій, відновлених під навантаженням і відносно мало робіт стосується дослідження НДС таких конструкцій. Не розроблено єдиної методики розрахунку підсилених після корозії залізобетонних елементів.

З врахування важливості визначення ефекту підсилення, а також реального залишкового ресурсу залізобетонних конструкцій, відновлених після впливу агресивного середовища, були сформульовані мета і задачі дослідження.

Другий розділ містить опис методики дослідження згинальних залізобетонних елементів, спеціально розроблених силових стендів і установок, які створюють можливість випробовування експериментальних зразків на одночасну дію навантаження і агресивного середовища. Довготривалі випробування на одночасну дію навантаження і агресивного середовища, а також відновлення поперечного перерізу балок проводили при постійній величині навантаження. Це виконували за допомогою пружинних установок. В цьому розділі також детально описано процес відновлення поперечного перерізу пошкоджених залізобетонних балок.

Згідно з програмою досліджень запроектовано, виготовлено і випробувано 2 серії залізобетонних балок загальною кількістю 18 зразків і 9 бетонних призм. Залізобетонні балки виготовлені довжиною 2100 мм, висотою 200 мм, шириною 100 мм. Всі зразки виготовлені з двох видів бетону: із звичайного важкого бетону із використанням щебеню фракції 5..40 мм та піску Ясниського кар’єру та бетону з щебеня фракцій 5..10(45%), 10..20(55%) та піску Славутського кар’єру. В балках серій 1 і 2 змінним параметром був вид та міцність бетону при однаковому відсотку армування =1,5%.

Методика дослідження залізобетонних балок при сумісній дії навантаження і агресивного середовища на локальній ділянці в зоні „чистого згину” передбачала вивчення впливу міцності та виду бетону, рівня навантаження і тривалості дії навантаження та агресивного середовища з подальшим відновленням на характеристики НДС балок.

Для вивчення впливу виду і міцності бетону на параметри НДС відновлених залізобетонних балок зразки серій 1 і 2 мали однакове армування (=1,5%) і навантажували до однакового рівня навантаження 0,5 і 0,7 від руйнуючого за текучістю арматури балки Мuexp, перебували під одночасним впливом агресивного середовища і навантаження, і далі підсилювали залізобетонною обоймою, після чого доводили короткочасним навантаженням до руйнування.

Для вивчення впливу рівня навантаження на НДС конструкції при одночасній дії навантаження та агресивного середовища балки серії 2 були випробовувані з однаковим армуванням (=1,5%) і однаковим бетоном при різних рівнях навантаження – 0,3; 0,5 та 0,7 Мuexp, визначеного для балок без корозійних пошкоджень.

Для дослідження впливу на НДС тривалої дії навантаження – в серії 2 дві балки занурювали в агресивне середовище при одночасній дії навантаження, а дві балки ? лише в агресивне середовище без навантаження. Час перебування відповідних балок-близнюків в агресивному середовищі під навантаженням і без навантаження приймався однаковий. Після перебування балок в агресивному середовищі їх випробовували короткочасним навантаженням до руйнування.

В якості агресивного середовища прийнято розчин сірчаної кислоти H2SO4 концентрацією 10%, що згідно норм відноситься до сильноагресивних середовищ. Близьке за характером середовище є в окремих хімічних виробництвах, гальванічних цехах, димових трубах ТЕС, залізобетонних конструкціях скруберів при аварійних ситуаціях. Крім цього створення вказаного сильноагресивного середовища дозволяло за відносно невеликий проміжок часу завдати пошкодження залізобетонним балкам, які потім підсилювали і випробовували короткочасним навантаженням до руйнування.

Третій розділ містить результати проведених експериментальних досліджень. Випробовування експериментальних зразків залізобетонних балок при одночасній дії навантаження і агресивного середовища з подальшим відновленням виконували з дослідженням впливу виду та міцності бетону, рівня навантаження, тривалості дії навантаження та агресивного середовища на характеристики НДС конструкцій. Характер вичерпання несучої здатності під час короткочасного навантаження відновлених балок до руйнування в залежності від виду та міцності бетону був однаковим.

В усіх експериментальних балках, відновлених під навантаженням після впливу агресивного середовища, вичерпання несучої здатності проходило внаслідок текучості арматури, з наступним руйнуванням стиснутої зони бетону. Характер руйнування балок кожної серії показано на рис.1.

Рис. 1. Характер руйнування пошкоджених корозією балок серії 1, 2

Всі відновлені балки були розраховані згідно норм СНиП 2.03.01-84*. Необхідно зауважити, що міцність експериментальних балок, підсилених під навантаженням, була меншою від теоретичних значень з розбіжністю до 6,4%. Тобто, норми завищують міцність таких конструкцій, що не дає змоги з достатньою точністю визначати несучу здатність конструкцій, відновлених під навантаженням після впливу агресивного середовища. А для балок, які перебували під тривалим впливом агресивного середовища без навантаження з подальшим відновленням методика норм дає задовільну збіжність до - 7,3% в бік заниження теоретичних величин.

Під час експериментальних випробовувань велося постійне спостереження за деформативністю балок, а саме деформаціями крайньої грані стиснутої зони бетону і прогинами. Для усіх балок, що перебували в агресивному середовищі під навантаженням було характерним криволінійне наростання деформацій бетону та прогинів в часі. Це пояснюється зменшенням перерізу балок внаслідок впливу середовища. В результаті цього збільшувалися напруження в бетоні стиснутої зони. Дослідження деформативності показало, що впливу виду і міцності бетону на характер змін величин деформацій бетону та прогинів не було помічено. Встановлено, що незалежно від історії навантаження експериментальних зразків величини деформацій стиснутої зони бетону, прогини балок для однакового рівня навантаження досягають одного і того ж кінцевого значення. Виявлено, що чим менший рівень навантаження балок – тим менш інтенсивно (при М=0,3на 35% менше, ніж при М=0,5 і на 47%, ніж при М=0,7) відбувається приріст деформацій і прогинів, що пов’язано з різною інтенсивністю розвитку пластичних деформацій.

Для балок, що перебували в агресивному середовищі з наступним короткочасним випробовуванням до руйнування кінцеві величини прогинів і деформацій стиснутої зони бетону були меншими, ніж для балок-близнюків, що випробувалися при одночасній дії агресивного середовища і навантаження.

Отже, було встановлено, що одночасний вплив навантаження і агресивного середовища на балку є більш невигідним поєднанням факторів впливу в порівнянні з дією лише агресивного середовища з наступним короткочасним випробовуванням до руйнування.

При експериментальних випробовуваннях було встановлено, що незалежно від рівня навантаження приріст деформацій бетону та прогинів при короткочасному навантаженні відновлених балок був приблизно однаковим. Різниця в кінцевих величинах деформацій бетону і прогинів пов’язана з тим, при більшому рівні навантаження інтенсивніше відбувався приріст деформацій бетону і прогинів при перебуванні балок під одночасним впливом навантаження та агресивного середовища. Слід відмітити, що в даному випадку методика норм дозволяє з достатньою точністю визначати прогини відновлених балок, випробуваних короткочасним навантаженням. Розходження між теоретичними і фактичними величинами складало 6...12% для серій 1 і 2 в бік як заниження, так і завищення теоретичних величин.

В процесі експериментальних випробовувань велося спостереження за шириною розкриття тріщин балок, як пошкоджених так і не пошкоджених корозією (перед початком впливу агресивного середовища на конструкції балок проводилося замірювання ширини розкриття кожної тріщини, з фіксацією місця її розташування). Після руйнування експериментальних балок внаслідок одночасної дії агресивного середовища і навантаження проводилося відкриття робочої арматури і обстеження її на предмет впливу тріщин та ширини їх розкриття на корозійні пошкодження арматури. У тріщинах з початковою шириною розкриття 0,05 мм слідів корозії не було помічено; при ширині 0,1 мм зустрічалися продукти корозії поверхні бетону в межах тріщини і робочої арматури у вигляді вузенької смужки бурої іржі в місці проходження тріщини; при ширині розкриття до 0,2 мм була помітна незначна поверхнева корозія на рівні тріщини у вигляді невеликих плям, площею до 1 см2.

Отже, встановлено, що при дії сильноагресивного кислотного середовища на згинальні елементи ширина розкриття тріщин 0,05 мм при експлуатаційному навантаженні не є небезпечною для корозії робочої арматури.

Необхідно зауважити, що корозія арматурних стержнів на ділянках між тріщинами була відсутня. Слід відмітити, що перші тріщини на відновлених балках при короткочасному навантаженні їх до руйнування з’являлись при рівні 0,15…від початкового рівня навантаження. Тріщини на поверхні бетону відновлення з’являлися в тих самих місцях, що й при короткочасному навантаженні до проектного рівня.

В четвертому розділі в зв’язку з тим, що при експериментальних випробуваннях було зафіксовано розходження між теоретичними і фактичними величинами для згинальних до 6,4% в бік перевищення теоретичних величин над експериментальними, запропоновано методику розрахунку згинальних залізобетонних конструкцій з введенням коефіцієнтів умов роботи бетону і арматури в залежності від рівня навантаження, при якому виконувалось підсилення балки.

Поперечний переріз балки включає бетон не пошкоджений корозією та бетон відновлення, характеристики міцності та деформативності яких є різними. В якості зчеплюючого шару використовували Sika Monotop 610, з такими характеристиками: міцність на стиск (у віці 28 діб) ? ~50 МПа, модуль пружності 20 МПа, адгезія до основи ~ 2,5 МПА. Оскільки товщина шару зчеплення незначна, тому його умовно прирівнюють до бетону підсилення. Призмова міцність бетону відновлення на стиск (у віці 28 діб) становить 52,5 МПа, модуль пружності ? 47 МПа. Розрахунок міцності перерізів, нормальних до поздовжньої осі елемента можна виконувати, взявши за основу загальний випадок розрахунку згідно СНиП 2.03.01-84*. При навантаженні, що перевищують 65% від їх розрахункової величини згідно ДБН В.3.1-1-2002 слід уводити коефіцієнти умов роботи бетону br1.=0,8; арматури sr1.=0,8.

При рівнях навантаження, що складають менше, ніж 65% від розрахункової величини коефіцієнти br1.та sr1 пропонується визначати за допомогою лінійної інтерполяції в залежності від рівня навантаження (див табл. 1).

Таблиця 1

Величини пропонованих коефіцієнтів умов роботи бетону і арматури

в залежності від рівня навантаження на момент підсилення

Рівень навантаження від розрахункового,% | Коефіцієнт

br1 | Коефіцієнт

sr1

30 | 0.95 | 0.95

50 | 0.9 | 0.9

65 | 0.8 | 0.8

Для оцінки міцності нормальних перерізів використовується приведена призмова міцність бетону Rb,red:

, | (1)

де – сумарна площа перерізу підсиленої балки;

– площа не пошкодженого корозією бетону;

– площа бетону підсилення;

bc =0,9 коефіцієнт умов роботи бетону, який враховує корозійні пошкодження, при їх наявності;

– призмова міцність не пошкодженого корозією бетону;

– призмова міцність бетону відновлення. Характеристики міцності Rb та Rb,ad і відповідні їм модулі деформацій бетону Eb та Eb,ad встановлюють за допомогою випробування стандартних зразків або неруйнуючих методів.

Розрахунковий поперечний переріз підсиленої балки подано на рис.2.

Рис.2. Розрахунковий поперечний переріз відновленої балки:

1 - непошкоджений корозією бетон; 2 – зчеплюючий шар; 3 - бетон обойми підсилення.

При різних класах арматури в існуючій конструкції та елементах підсилення їх відстань від центра ваги визначається з використанням приведеної площі перерізу арматури:

, (2)

, (3)

де As, red і As, red приведена площа перерізу в розтягнутій і стиснутій арматурі; As і As площі розтягнутої і стиснутої арматури існуючої конструкції; As, аd і As, аd відповідно елементів підсилення; Rs і Rs, ad розрахункові опори розтягнутої існуючої арматури і стержнів підсилення; Rsc і Rsc, ad відповідно стиску.

При цьому:

. (4)

Висоту стиснутої зони бетону визначають з умови:

, | (5)

де у випадку наявності корозійних пошкоджень арматури замість As, As приймаємо – площа відповідно розтягнутої та стиснутої арматури з врахуванням зменшення площі внаслідок корозії;

sc=0,9 коефіцієнт умов роботи арматури, який враховується при наявності корозійних пошкоджень арматури.

Оскільки стиснута зона складається з двох різних за характеристиками міцності та деформативності бетонів, центр її ваги не буде знаходитися на відстані 0.5х, як для однорідних перерізів.

Центр ваги стиснутої зони бетону знаходять, як для приведеного перерізу. Визначаємо площу приведеного перерізу бетону стиснутої зони:

,

де . | (6)

Статичний момент приведеного перерізу бетону стиснутої зони відносно верхньої грані балки:

. | (7)

Відстань від верхньої грані до центру ваги приведеного перерізу стиснутої зони бетону:

. | (8)

Міцність нормальних перерізів залізобетонних балок, відновлених після корозії, перевіряється за умовою: |

(9)

Розрахунок за даною методикою рекомендується виконувати, коли висота стиснутої зони бетону . Гранична висота стиснутої зони визначається з рівності , де . (10)

В випадку, коли допускається перевіряти міцність нормального перерізу за формулою (9), визначивши висоту стиснутої зони бетону з умови:

. | (11)

Виконані розрахунки показують, що теоретичні величини міцності нормальних перерізів відновлених балок, визначені згідно із запропонованою методикою розрахунку, задовільно узгоджуються з експериментальними даними: розбіжність складає 2,4..11,2%, для окремих балок 15,3..19,1%. При цьому для всіх балок експериментальні величини міцності були вищими від теоретичних (див. табл.2).

Таблиця 2

Міцність експериментальних балок, відновлених після корозії

Серія | Шифр балок | Кінцеві розміри перерізу

бетону bh, мм | Товщина шару підсилен ня

, мм | Згинальні моменти, кНм

Експери-

мент | Розрахунок

згідно діючих норм |

згідно

методики

1 | БДп-1.2-0.7к | 106,8Ч201 | 17,8 | 20,07 | 18,23 | 18,15 | 1,101 | 1,106

БДп-1.3-0,7к | 101,7Ч201 | 16,8 | 20,15 | 18,19 | 18,08 | 1,108 | 1,114

БДп-1.4к (bc=1) | 102,4Ч197 | 15,2 | 23,15 | 22,17 | 22,05 | 1,044 | 1,049

БДп 1.5к (bc=1) | 100,6Ч199 | 14,9 | 24,04 | 22,41 | 22,31 | 1,073 | 1,078

БДп-1.6-0.5к | 102,5Ч203 | 16,5 | 21,68 | 22,93 | 19,49 | 0,945 | 1,112

БДп-1.7-0.5к | 101,5Ч202,5 | 17,8 | 22,21 | 22,86 | 19,27 | 0,972 | 1,153

2 | БДп-2.6к (bc=1) | 69,5Ч186 | 7,6 | 21,59 | 20,54 | 20,37 | 1,051 | 1,059

БДп-2.7к (bc=1) | 89,5Ч197,5 | 15,6 | 23,07 | 22,01 | 21,86 | 1,048 | 1,055

БДп-2.8-0.5к | 104,1Ч204,3 | 19,1 | 21,71 | 23,18 | 18,68 | 0,937 | 1,162

БДп-2.9-0.5к | 102,6Ч199 | 18,6 | 21,43 | 22,42 | 17,99 | 0,956 | 1,191

БДп-2.10-0.3к | 103,5Ч202,5 | 16,5 | 22,54 | 22,92 | 21,82 | 0,983 | 1,033

БДп-2.11-0.3к | 107,5Ч200 | 16,3 | 22,06 | 22,62 | 21,55 | 0,975 | 1,024

Запропоновано корекцію формул для розрахунку за другою групою граничних станів, яка передбачає використання геометричних характеристик приведеного перерізу та приведені фізико-механічні характеристики матеріалів з врахуванням наявності в перерізі різних бетонів - не пошкодженого корозією, частково пошкодженого корозією і елементів підсилення.. Запропонована методика при розрахунку прогинів згинальних залізобетонних елементів відновлених під навантаженням після впливу агресивного середовища дозволяє з задовільною точністю визначати їх величини. На графіках рис. 3 і 4 подано експериментальні та теоретичні криві зміни величин прогинів дослідних відновлених балок.

Рис.3. Прогини балок серії 1, відновлених після корозії.

Рис.4. Прогини балок серії 2 відновлених після корозії.

Оскільки за запропонованою методикою розрахунку отримано задовільну збіжність експериментальних та теоретичних величин, її можна рекомендувати для розрахунку підсилених після корозії залізобетонних балок.

ВИСНОВКИ

1. Виконаними на даний час дослідженнями різних авторів достатньо глибоко вивчено корозію бетону, арматури та залізобетонних балок. Однак, переважна кількість досліджень виконана без врахування дії навантаження, яке реально має місце в кожній конструкції. Крім цього, недостатньо досліджена проблема підсилення залізобетонних балок після корозії, особливо під навантаженням.

2. Розроблено методику дослідження залізобетонних згинальних елементів для випробування в сильноагресивному середовищі на локальній ділянці в зоні „чистого згину” залізобетонних балок при одночасній дії навантаження і агресивного середовища з метою вивчення впливу міцності бетону, рівня навантаження, тривалості дії навантаження на характеристики міцності, деформативності та тріщиностійкості залізобетонних балок.

3. Отримано експериментальні дані міцності нормальних перерізів, зміни в часі деформацій бетону, прогинів та параметрів тріщиностійкості згинальних залізобетонних елементів в умовах одночасного впливу навантаження та агресивного середовища (10% розчин сірчаної кислоти) на ділянці „чистого згину”, а також відновлених після корозії залізобетонних балок.

4. На підставі експериментальних даних за допомогою методів рентгенофазового аналізу та досліджень на електронному мікроскопі встановлено наявність контактного шару частково деградованого бетону товщиною 2,8...3,2мм в зразках, що перебували в умовах одночасного впливу навантаження і агресивного середовища. В контактному шарі зафіксовано наявність корозійних мікротріщин, концентраторів напружень, спричинених корозією бетону.

5. Експериментально-теоретичними дослідженнями міцності встановлено, що незалежно від параметрів експериментальних зразків методика СНиП 2.03.01-84* в усіх випадках при розрахунку залізобетонних елементів з корозійними пошкодженнями при тривалій одночасній дії агресивного середовища і навантаження не дозволяє з необхідною точністю визначати несучу здатність таких елементів з максимальним розходженням до 12 % в бік завищення теоретичних величин над експериментальними.

6. Виконаними експериментально-теоретичними дослідженнями міцності доведено, що методика діючих норм при розрахунку підсилених після корозії залізобетонних балок не дозволяє з необхідною точністю визначати їх несучу здатність з максимальним розходженням до 6,4% в бік завищення теоретичних величин над експериментальними, що не забезпечує надійності результатів розрахунку.

7. Експериментальними дослідженнями встановлено, що для ефективного відновлення залізобетонних елементів, пошкоджених дією агресивного середовища, їх підсилення необхідно виконувати із застосуванням зчеплюючого шару між бетоном існуючої конструкції та новим бетоном підсилення.

8. Аналіз розподілу деформацій бетону по висоті перерізів підсилених після корозії залізобетонних балок при їх короткочасному довантаженні показав, що при руйнуванні балок внаслідок текучості арматури, деформації бетону на рівні верхньої грані пошкодженого корозією перерізу були близькі до граничних величини. Деформації бетону підсилення на рівні верхньої грані нового перерізу, отриманого після підсилення, залежало від рівня початкового навантаження, при якому виконували підсилення, і в усіх випадках були значно нижчі від граничних. Це свідчить про недовикористання фізико-механічних характеристик бетонів підсилення, що необхідно враховувати в розрахунках.

9. Запропоновано методику розрахунку міцності нормальних перерізів, підсилених після корозії залізобетонних балок. Вводяться диференційовані коефіцієнти умов роботи бетону та арматури , які враховують рівень навантаження, при якому виконують підсилення, а також коефіцієнти та , які враховують наявність корозійних пошкоджень бетону та арматури. Розрахунки за розробленою методикою дають задовільну збіжність з експериментальними даними – розходження складає до +6,8%. При цьому експериментальні величини перевищують розрахункові.

10. Встановлено, що при дії сильноагресивного кислотного середовища на згинальні елементи ширина розкриття тріщин до 0,05 мм при експлуатаційному навантаженні не є небезпечною для корозії робочої арматури. При більшій ширині розкриття тріщин є наявність слідів корозії на робочій арматурі.

11. Розроблено методику розрахунку деформацій та тріщиностійкості залізобетонних балок, підсилених після корозії, яка передбачає використання геометричних характеристик приведеного перерізу та приведені фізико-механічні характеристики матеріалів з врахуванням наявності в перерізі різних бетонів - не пошкодженого корозією, частково пошкодженого корозією і елементів підсилення. Ця методика при розрахунку прогинів, моменту утворення тріщи, ширини розкриття тріщин згинальних залізобетонних елементів з корозійними пошкодженнями при одночасній дії агресивного середовища і навантаження та підсилених після корозії балок дозволяє з задовільною точністю (-9,8...+17,0%) визначати величини прогинів і параметри тріщиностійкості.

Основні положення дисертації опубліковані в наступних роботах:

1. Бліхарський З.Я., Хміль Р.Є., Вашкевич Р.В. Міцність і деформативність стиснутих бетонних елементів під впливом дії агресивного середовища // Актуальні проблеми будівництва та інженерії довкілля: Збірник матеріалів VI міжнародної конференції – Львів; Видавництво НУ “Львівська політехніка” – 2001. - C. 11-18.

Особистий внесок здобувача полягає в експериментальному визначенні зміни деформацій бетону і напружень в часі для бетонних стиснутих елементів

2. Бліхарський З.Я., Хміль Р.Є., Вашкевич Р.В. Міцність залізобетонних балок за одночасної дії корозійного середовища та зовнішнього навантаження // Діагностика, довговічність та реконструкція мостів і будівельних конструкцій: Збірник наукових праць. - Випуск 3 - Львів: Каменяр. - 2001. - С. 23-29.

Особистий внесок здобувача полягає в виготовленні дослідних експериментальних зразків та проведенні експериментальних випробовувань.

3. З. Бліхарський, Р. Хміль, Р. Вашкевич. Визначення впливу локальної дії агресивного середовища на напружено-деформований стан залізобетонних конструкцій // Вісник Львівського державного аграрного університету: Архітектура і сільськогосподарське будівництво № 4. - Львів: Львів. держагроуніверситет, 2003. - С. 8-14.

Особистим внеском здобувача є проведення експериментальних досліджень на одночасний вплив навантаження і агресивного середовища на локальній ділянці.

4. Бліхарський З.Я., Хміль Р.Є., Вашкевич Р.В. Міцність відновлених залізобетонних балок, пошкоджених внаслідок впливу агресивного середовища // Міжвідомчий науково-технічний збірник наукових праць (будівництво) / Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій Держбуду України. Редколегія: П.І. Кривошеєв (головний редактор) та ін. - Вип. 59 - Київ, НДІБК, 2003. - С. 74-79.

Особистий внесок здобувача полягає в експериментальному визначенні параметрів міцності відновлених залізобетонних балок.

5. Бліхарський З.Я., Хміль Р.Є., Вашкевич Р.В. Вплив одночасної дії агресивного середовища і навантаження на міцність залізобетонних балок з корозійними пошкодженнями по довжині // Діагностика, довговічність та реконструкція мостів і будівельних конструкцій: Збірник наукових праць. - Випуск 5 - Львів: Каменяр. - 2003. - С. 13-21.

Особистим внеском здобувача є проведення експериментальних досліджень зразків залізобетонних балок в середовищі сірчаної кислоти і навантаження.

6. Бліхарський З.Я., Хміль Р.Є., Вашкевич Р.В. Міцність нормальних перерізів залізобетонних балок при локальних та суцільних корозійних пошкодженнях // Вісник Національного університету "Львівська політехніка": Теорія та практика будівництва. - №495 - Львів, Видавництво НУ "Львівська політехніка", 2004. - С.27-32.

Особистий внесок здобувача полягає в виконанні експериментальних досліджень на предмет дослідження впливу локальних корозійних пошкоджень на міцність залізобетонних балок.

7. Бліхарський З., Струк Р., Хміль Р., Вашкевич Р. Корозія залізобетонних конструкцій з врахуванням тривалих процесів // Проблеми корозії та протикорозійного захисту матеріалів: Т.1./ Спецвипуск журналу "Фізико-хімічна механіка матеріалів". - №4. - Львів: Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, 2004 - С.187-192

Особистим внеском здобувача є проведення тривалих експериментальних досліджень зразків залізобетонних балок в середовищі сірчаної кислоти і навантаження.

8. Бліхарський З.Я., Хміль Р.Є., Вашкевич Р.В., Струк Р.Ф. Дослідження міцності залізобетонних балок відновлених після впливу агресивного середовища // Діагностика, довговічність та реконструкція мостів і будівельних конструкцій: Збірник наукових праць. - Випуск 6 - Львів: Каменяр. - 2004. - С. 14-18.

Особистим внеском здобувача є проведення тривалих експериментальних досліджень зразків залізобетонних балок в середовищі сірчаної кислоти і навантаження з подальшим відновленням та теоретичне дослідження міцності нормальних перерізів.

9. Бліхарський З.Я., Вашкевич Р.В., Струк Р.Ф. Методика розрахунку залізобетонних конструкцій, відновлених після корозії // Вісник Одеської Академії будівництва та архітектури. - Одеса „Місто майстрів”, 2004. - С.41-47.

Особистим внеском здобувача є проведення експериментально-теоретичних досліджень міцності відновлених залізобетонних балок після впливу агресивного середовища.

10. Бліхарський З.Я., Вашкевич Р.В. Вплив рівня навантаження на деформативність залізобетонних балок з локальними корозійними пошкодженнями // Вісник Національного університету водного господарства та природокористування: Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди. - Випуск 11 - Рівне: Видавництво Національного університету водного господарства та природокористування. - 2004. - С. 146-152.

Особистим внеском здобувача є проведення експериментально-теоретичних досліджень деформативності відновлених залізобетонних балок після впливу агресивного середовища.

11. Blikcharsky Z., Khmil R., Vashkevych R., Struk R. The influence of simultaneous action of the aggressive environment and loading on strendth of reinforced concrene beams // Budownictvo i inzynieria srodowiska. Z.37. Aktualne problemy budownictwa i inzynierii srodowiska.- Rzeszow. - 2004. - Р. 27-32.

Особистим внеском здобувача є проведення тривалих експериментальних досліджень зразків залізобетонних балок в середовищі сірчаної кислоти і навантаження.

АНОТАЦІЯ

Вашкевич Р.В. Міцність, деформативність, тріщиностійкість залізобетонних балок відновлених після корозії. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 – „Будівельні конструкції, будівлі та споруди”. – Національний університет “Львівська політехніка” Міністерства освіти України, Львів, 2005.

Дисертаційна робота присвячена питанням дослідження напружено-деформованого стану залізобетонних згинальних елементів при одночасній дії агресивного середовища та навантаження з подальшим відновленням поперечного перерізу. Проведено тривалі експериментальні випробовування залізобетонних згинальних елементів у вказаних умовах. Отримано експериментальні дані зміни в часі деформацій бетону та прогинів згинальних елементів в умовах одночасного впливу навантаження та агресивного середовища (10% розчину сірчаної кислоти) з подальшим підсиленням їх під навантаженням. Встановлено, що методика норм завищує міцність таких конструкцій до 6,4%, що є небезпечним для експлуатації.

Апробовано запропоновану методику розрахунку відновлених залізобетонних елементів, пошкоджених корозією при одночасній дії на них навантаження. Пропонується враховувати приведені характеристики міцності, геометричні характеристик перерізу конструкції, а також зменшення міцності бетону внаслідок одночасної дії навантаження і агресивного середовища введенням коефіцієнтом умов роботи бетону bс, а також коефіцієнтами умов роботи бетону br1 і арматури sr1 в залежності від рівня, при якому відбувається підсилення. Експериментальним шляхом визначено коефіцієнти br1 і sr1 в залежності від рівня навантаження, при якому відбувалось підсилення. Порівняння результатів та задовільна збіжність експериментальних та теоретичних величин міцності відновлених під навантаженням балок пошкоджених корозією підтвердило достовірність пропонованого методу розрахунку.

Ключові слова: залізобетонні конструкції, напружено-деформований стан, несуча здатність, агресивне середовище, навантаження, одночасний вплив, відновлення, коефіцієнт умов роботи бетону і арматури, методика розрахунку.

АННОТАЦИЯ

Вашкевич Р.В. Прочность, деформированность, трещиностойкость железобетонных балок, усиленных после коррозии. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 – „Строительные конструкции, здания и сооружения”. – Национальный университет „Львовская политехника” Министерства образования и науки Украины, Львов, 2005.

Диссертационная работа посвящена вопросам исследования напряженно-деформированного состояния железобетонных изгибаемых элементов при одновременном действии агрессивной среды и нагрузки с последующим усилением поперечного сечения.

Введение содержит обоснование актуальности темы, сформулирована цель и задачи исследований, приведенные основные научные результаты, показано их практическое значение в области строительства.

В первом разделе изложено современное состояние вопроса и сформулиро-ваны задачи исследований. Анализ проведённых исследований показал, что выполнено мало экспериментальных исследований железобетонных конструкций, усиленных под действием нагрузки разных уровней. Относительно мало работ касается исследования НДС таких конструкций. Не разработана единая методика расчета усиленных бетоном железобетонных элементов.

Второй раздел содержит описание методики исследования железобетонных изгибающих элементов, специально разработанные силовые стенды и установки которые создают возможность испытания экспериментальных образцов на одновременное действие нагрузки и агрессивной среды. В соответствии с программой исследований запроектировано, изготовлено и испытано на одновременное действие нагрузки и агрессивной среды 2 серии железобетонных балок общим количеством 18 образцов и 9 бетонных призм. Методика исследования железобетонных балок при совместном действии нагрузки и агрессивной среды с последующим усилением поперечного сечения предусматривала изучения влияния прочности и вида бетона, уровня нагрузки, продолжительности действия нагрузка на характеристики НДС балок.

Третий раздел содержит результаты проведённых экспериментальных исследований. Экспериментально-теоретическими исследованиями прочности доказано, что независимо от параметров экспериментальных образцов методика СНиП 2.03.01-84* во всех случаях при расчёте изгибаемых железобетонных элементов с коррозионными повреждениями при продолжительном одновременном действии агрессивной среды и нагрузки не разрешает с необходимой точностью определять несущую способность таких элементов. Расхождение составляло до 6,4 % для усиленных изгибающих элементов в сторону превышения теоретических величин над экспериментальными, то есть с завышением прочности таких конструкций. При исследовании характеристик трещиностойкости установлено, что при действии сильно