Національний університет „Львівська політехніка“

Клименко Євгеній Володимирович

УДК 624.01.001.5

Методологія оцінювання, прогнозування та регулювання технічного стану будівель і споруд ІЗ ЗАЛІЗОБЕТОНУ

05.23.01 – будівельні конструкції, будівлі та споруди

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Львів – 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеській державній академії будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: | доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки і техніки України

Дорофєєв Віталій Степанович,

Одеська державна академія будівництва та архітектури, ректор, завідувач кафедри залізобетонних та кам’яних конструкцій

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

Молодченко Геннадій Анатолійович,

Харківська національна академія міського господарства, завідувач кафедри будівельних конструкцій;

доктор технічних наук, професор, лауреат державної премії України

Бліхарський Зіновій Ярославович,

Національний університет „Львівська політехніка“, директор інституту будівництва та інженерії довкілля;

доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Бамбура Андрій Миколайович,

Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій, завідувач відділу надійності будівельних конструкцій (м. Київ).

Захист відбудеться 11 квітня 2008 р. об 1100 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .052.17 у Національному університеті „Львівська політехніка“ за адресою:

79013, м. Львів, вул. Степана Бандери, 12.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету „Львівська політехніка“ за адресою: м. Львів, вул. Професорська, 1.

Автореферат розісланий „06“ березня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

к.т.н., доцент Холод П.Ф.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Економічна ефективність сучасної системи господарювання України вирішальним чином залежить від якості технічної експлуатації основних фондів, до яких відносять також будівлі та споруди. Сьогодні, коли вартість основних фондів України становить майже 850 млрд. грн., а середня зношеність сягає 45%, особливо гостро постає проблема оцінювання технічного стану окремих конструкцій та будівель чи споруд в цілому, прогнозування його наперед та на підставі аналізу цих двох процесів – регулювання технічного стану. Достовірне оцінювання та прогнозування дає змогу: по-перше, попередити аварії конструкцій та зменшити пов’язані з цим збитки; по-друге, раціонально використовувати кошти на виконання підтримуючих та капітальних ремонтів; по-третє, регулювати технічний стан таким чином, щоб досягти найбільшої ефективності використання основних фондів.

Цю проблему можна вирішити шляхом створення науково-обґрунтованої, достовірної методології оцінювання, прогнозування та регулювання технічного стану будівель та споруд. Актуальність цієї роботи обумовлено тим, що чинні в Україні „Нормативні документи з питань обстежень, паспортизації, безпечної та надійної експлуатації виробничих будівель і споруд“ не дають можливості достовірно визначити технічний стан як окремих конструкцій, так і будівель та споруд у цілому. Крім тогою в нормативах відсутні в нормах рекомендації щодо прогнозування роботи конструкцій в майбутньому.

Актуальність теми підтверджується також Постановою Кабінету Міністрів України № від 05.05.1997 р. „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 р. „Про технічний стан і залишковий ресурс конструкцій і споруд основних галузей господарства в Україні“.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації прямо пов’язана та відповідає актуальним напрямам науково-технічної політики України відповідно до Постанови Кабінету Міністрів України № від 05.05.1997 р., загальнодержавної міжгалузевої програми „Ресурс“ та її розділу „Будівництво“. Основні дослідження теоретичного та прикладного характеру виконано згідно з тематикою наукових досліджень кафедри залізобетонних та кам’яних конструкцій Одеської державної академії будівництва та архітектури в рамках держбюджетних тем: „Дослідження напружено-деформованого стану і розрахунок елементів пошкоджених залізобетонних конструкцій“ (№ державної реєстрації 0104U007342) та „Структуроутворення, міцність та руйнування будівельних композиційних матеріалів“ (№ державної реєстрації 0105U000867). Значну частину робіт виконано за рахунок господарських договорів з обстеження, визначення технічного стану та підвищення експлуатаційної придатності залізобетонних конструкцій і будівель та споруд у цілому.

Метою роботи є розроблення методології оцінювання, прогнозування та регулювання технічного стану залізобетонних конструкцій та будівель і споруд в цілому на підставі прямого і диференційованого врахування факторів, що впливають на показники експлуатаційної придатності (ПЕП).

Задачі дослідження:– 

провести комплексний аналіз характерних дефектів та пошкоджень залізобетонних конструкцій, що експлуатуються, та визначити їх вплив на ПЕП;– 

розробити метод визначення технічного стану окремих будівельних конструкцій та будівель і споруд у цілому;– 

розробити методи визначення основних ПЕП (міцності) пошкоджених в процесі експлуатації конструкцій, які відсутні в чинних нормах;– 

створити методику визначення технічного стану;– 

розробити метод визначення початкового та залишкового ресурсу системи будівлі чи споруди в будь-який момент її експлуатації;– 

створити математичну модель експлуатації будівлі, яка давала б можливість прогнозувати та регулювати роботу будівлі (споруди) як складної системи;– 

розробити методи регулювання технічного стану будівельних залізобетонних конструкцій (на прикладі елементів, що згинаються);– 

на основі розробленої математичної моделі запропонувати методику моніторингу будівельних конструкцій, оптимальну за критерієм мінімуму витрат;– 

впровадити результати досліджень у практику проектування та спостереження за будівлями та спорудами.

Об’єкт дослідження – залізобетонні елементи будівельних конструкцій і будівлі та споруди у цілому.

Предмет дослідження – технічний стан залізобетонних конструкцій та будівель і споруд у цілому, що експлуатуються.

Методи дослідження: – 

діагностики технічного стану будівельних залізобетонних конструкцій з оцінюванням їх фізико-механічних характеристик;– 

математичної статистики та теорії імовірності для статистичної обробки результатів натурних обстежень будівельних конструкцій, що знаходяться в експлуатації та оцінювання показників їх надійності;– 

розрахунку залізобетонних конструкцій за обома групами граничних станів;– 

математичного моделювання процесів експлуатації.

Наукова новизна отриманих результатів. На основі одержаних результатів у дисертації

вперше:– 

розроблено модель описання процесу експлуатації залізобетонних конструкцій, що базується на апостеріорній інформації;– 

створено загальну концепцію для визначення оптимальних термінів втручань у процес експлуатації, що базується на мінімізації витрат на ці операції;– 

розроблено рекомендації з прогнозування зміни окремих ПЕП та технічного стану конструкцій на підставі моделювання процесу їх експлуатації;– 

сформульовано пропозиції щодо призначення початкового ресурсу залізобетонних конструкцій з використанням апостеріорної інформації;– 

розроблено положення щодо визначення ПЕП для залізобетонних балок, що зазнали нетривалого навантаження високого рівня;

удосконалено:– 

принципи визначення технічного стану конструкцій та будівель і споруд у цілому; запропоновано поділ ПЕП на дві групи;– 

способи оцінювання ПЕП пошкоджених у процесі експлуатації конструкцій із залізобетону;– 

основи чотирирівневої системи моніторингу будівельних конструкцій будівель та споруд;

дістало подальший розвиток:– 

кількісна оцінка впливу зміни різних ПЕП на технічний стан конструкції;– 

положення про визначення технічного стану окремих конструкцій та будівель у цілому.

Практичне значення результатів роботи. Найбільш вагомими розробками є:– 

модель процесу експлуатації будівельних конструкцій, що базується на апостеріорній інформації, дозволяє оцінювати залишковий ресурс конструкції та прогнозувати зміну окремих ПЕП, а також будівель (споруд) у цілому;– 

науково-обґрунтовані методи визначення ПЕП, що характеризують технічний стан конструкції та їх вплив на роботу системи, а також методологія визначення технічного стану;– 

методи розрахунку пошкоджених у процесі експлуатації залізобетонних конструкцій, які базуються на положеннях чинних норм та доповнюють їх;– 

метод призначення початкового ресурсу залізобетонних конструкцій при їх проектуванні;– 

рекомендації щодо прогнозування технічного стану конструкцій під час їх експлуатації;– 

пропозиції щодо оцінювання технічного стану після нетривалого перевантажених залізобетонних конструкцій;– 

система моніторингу, що дає можливість постійно отримувати інформацію під час експлуатації конструкцій, а також оптимальна з точки зору вартості система визначення термінів втручання в процес експлуатації.

Результати роботи впроваджено: при розробці нового нормативного документа України ДБН „Бетонні та залізобетонні конструкції. Основні вимоги“; Державних будівельних норм України „Будівлі та споруди. Реконструкція і капітальний ремонт житлових будівель“ ДБН В.3.2-ХХ: 2007; під час складання нормативних документів, розроблених у Державному дорожньому науково-дослідному інституті імені М.П. Шульгіна, а саме: „Посібника з обстеження і випробування мостових споруд до ДБН В.2.3-6-2002“ та „Посібника з розрахунку конструкцій мостів за наявності корозійних пошкоджень бетону і арматури та проектування підсилення залізобетонних елементів“. Методи оцінювання технічного стану, його прогнозування та регулювання, які викладені в дисертації, впроваджено в практику проектування Державного проектного інституту містобудування „Міськбудпроект“ (м. Полтава); державного підприємства „Державний інститут по проектуванню підприємств м’ясної та молочної промисловості“ міністерства аграрної політики України та використані при обстеженні, паспортизації та реконструкції ряду об’єктів відкритого акціонерного товариства „Укрнафта“ в Полтавській, Сумській, Одеській, Луганській, Херсонській, Харківській, Миколаївській та Кіровоградській областях (економічний ефект склав 14586 тис. грн.); будівель АКБ „МТ-Банк“ (економічний ефект – 1256 тис. грн.); ряді будівель та споруд (усього 18 об’єктів) фірми „Рута“ ДАТ „Придніпровські магістральні нафтопроводи“ у м. Кременчуці (економічний ефект – 218 тис. грн.); ЗАТ „Білицький молочно-консервний комбінат“; при реконструкції ряду об’єктів філії санаторно-куротного комплексу „Миргород“ ЗАТ „Мирогородкурорт“; під час обстеження в період зведення та початкових стадій експлуатації цивільних та житлових будівель (усього 9 штук) об’єктів ТОВ „Будівельна фірма“ (м. Одеса). Результати досліджень впроваджено у навчальний процес Одеської державної академії будівництва та архітектури та використано під час написання навчального посібника „Технічна експлуатація і реконструкція будівель та споруд“ (видавництво „Центр навчальної літератури“, Київ, 2004 р.).

Особистим внеском здобувача у роботі є: – 

створення математичної моделі процесу експлуатації;– 

розроблено методику визначення кількості технічних станів та віднесення конструкцій і будівель (споруд) в цілому до одного з них;– 

проаналізовано вплив різних факторів на зміну основних ПЕП;– 

визначення аналітичних залежностей для оцінювання міцності пошкоджених залізобетонних елементів;– 

рекомендації щодо визначення початкового та залишкового ресурсу конструкцій;– 

сформульовано методику прогнозування та регулювання технічного стану конструкцій;– 

розроблено методику дослідження залізобетонних конструкцій, що зазнали короткочасного перевантаження. Участь в експериментах. Створення методики опису їх напружено-деформованого стану та ПЕП;– 

модель визначення кількості втручань у процес експлуатації;– 

розробка методики проведення моніторингових робіт.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи висвітлено та обговорено на: республіканській конференції „Проблемы застройки Южного берега Крыма“ (Сімферополь, 1988 р.); республіканській науково-технічній конференції „Совершенствование железобетонных конструкций, работающих на сложные виды деформаций, и их внедрение в строительную практику“ (Полтава, 1989 р.); Всесоюзній конференції (Білгород, 1991 р.); міжнародній науково-практичній конференції „Совершенствование строительных материалов, технологий и методов расчета конструкций в новых экономических условиях“ (Суми, 1994 р.); Першій (Київ, 1996 р.), Другій (Київ, 1999 р.), Третій (Львів, 2003 р.), Четвертій (Суми, 2005 р.), П’ятій (Полтава, 2007 р.) всеукраїнських науково-технічних конференціях „Науково-практичні проблеми сучасного залізобетону“; Першій Всеукраїнській науково-технічній конференції „Аварії на будівлях і спорудах та їх попередження“ (Київ, 1997 р.); Всеукраїнській науково-практичній конференції „Реконструкція будівель та споруд. Досвід та проблеми“ (Київ, 2001 р.); Міжнародній науково-технічній конференції „Строительство, реконструкция и восстановление зданий и сооружений городского хозяйства“ (Харків, 2002 р.); Четвертій, П’ятій науково-технічних конференціях „Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди“ (Рівне, 2003 р., 2006 р.); Міжнародній науково-практичній конференції „Новітні технології діагностики, ремонту та відновлення об’єктів будівництва та транспорту“ (Крим, 2003 р.), міжнародній науковій конференції „Ресурс і безпека експлуатації конструкцій, будівель та споруд“ (Харків, 2003 р.); The fifth International Scientific Forum „Aims for future of engineering science“ (Paris, 2004; Шостій та Сьомій науково-технічних конференціях „Сталезалізобетонні конструкції: дослідження, проектування, будівництво, експлуатація“ (Кривий Ріг, 2004 р., 2006 р.); Другій та Третій міжнародних науково-практичних конференціях „Новітні технології діагностики, ремонту та відновлення об’єктів будівництва та транспорту“ (Алушта, 2004 р., 2005 р.); Sixth International Scientific Forum „Aims for future of engineering science“ (Hong Kong, 2005; Другій і Третій міжнародних наукових конференціях „Ресурс і безпека експлуатації конструкцій, будівель та споруд“ (Харків, 2005 р., 2007 р.); науково-практичній конференції, присвяченій 100-річчю від дня народження Єременка П.Л. (Одеса, 2006 р.); Міжнародній науково-практичній конференції „Проблеми та перспективи розвитку механізації агропромислового виробництва“ (Полтава, 2006 р.); Міжнародній науково-технічній конференції „Сучасні технології та матеріали в дорожньому господарстві“ (Харків, 2006 р.); Міжнародній науково-технічній конференції „Сучасні проблеми проектування, будівництва та експлуатації споруд на шляхах сполучення“ (Київ, 2007 р.); II Международной научно-технической интернет-конференции (Харків, 2007 р.); 37 – 57 наукових конференціях професорів, викладачів, наукових працівників, аспірантів та студентів Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка (Полтава, 1985–2005 рр.), 62–63 науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Одеської державної академії будівництва та архітектури (Одеса, 2006–2007 рр.).

Дисертація в цілому доповідалась на П’ятій всеукраїнській науково-технічній конференції „Науково-технічні проблеми сучасного залізобетону“ (Полтава, 2007 р.); Третій міжнародній науковій конференції „Ресурс і безпека експлуатації конструкцій, будівель і споруд“ (Харків, 2007 р.); розширених засіданнях кафедри будівельних конструкцій Харківської національної академії міського будівництва (2007 р.) та кафедри залізобетонних конструкцій Донбаської національної академії будівництва та архітектури (Макіївка, 2007 р.); Четвертій міжнародній науково-практичній конференції „Баштові споруди: матеріали, конструкції і технології“ (Макіївка, 2007); засіданні наукового семінару Національного університету „Львівська політехніка“ (2007 р.).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи опубліковано у 52 наукових працях, у тому числі 31 науковій публікації, у спеціалізованих фахових виданнях, внесених до переліку ВАК України.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, 6 розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 364 найменувань, 6 додатків. Загальний обсяг роботи – 336 сторінок, у тому числі 234 сторінки основного тексту, 22 повних сторінки з рисунками і таблицями, 40 сторінок списку використаних джерел. Робота містить 39 таблиць, 89 рисунків, 47 сторінок додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету і завдання дослідження, викладено загальну характеристику дисертації.

Перший розділ присвячено огляду сучасних методів визначення і керування технічним станом залізобетонних конструкцій та будівель і споруд у цілому.

Чинні „Нормативні документи з питань обстежень, паспортизації, безпечної та надійної експлуатації виробничих будівель і споруд“ визначають чотири технічних стани. Однак віднесення окремих конструкцій та будівель і споруд у цілому до кожного із них, що базується на методі експертних оцінок, є неконкретизованим. За цими нормами віднесення до того чи іншого технічного стану здійснюється не на підставі формалізованих розрахунків, а за аналізом сукупності певних (визначених цими нормативними документами) дефектів та пошкоджень (або їх відсутності). Такий підхід має примітивний, необґрунтований характер та не може служити достовірним критерієм оцінювання технічного стану будівельних конструкцій.

Істотний внесок у вирішення проблеми оцінювання технічного стану будівельних конструкцій внесли такі учені України, ближнього та дальнього зарубіжжя, як: Бабич Є.М., Бамбура А.М., Барашиков А.Я., Бліхарський З.Я., Бондар В.О., Горохов Є.В., Звєздов О.І., Коваль П.М., Лучко Й.Й., Молодченко Г.А., Mamdani.H., Sarja Asko. У працях цих та інших учених розглядаються окремі питання оцінювання технічного стану та вплив на нього різних факторів. Так, Савицький М.В. зі своїми співробітниками здійснив пофакторний аналіз впливу на основні ПЕП.

Імовірнісний підхід до визначення технічного стану конструкцій та визначення їх надійності започатковано в працях Стрілецького М.С., Болотіна В.В., Райзера В.Д. Ржаніцина О.Р. та суттєво розвинуто Заставою М.М., Кінашем Р.І., Кудзісом А.П., Лантух-Лященком А.І., Перельмутером А.В., Пашинським В.А., Пічугіним С.Ф., Семком О.В., Сиротою М.Ю., FrangopolLinEstesSuesWenR., Ang A.H.-S. та ін.

Питання прогнозування технічного стану окремих конструкцій та будівель і споруд в цілому висвітлено у працях Бліхарського З.Я., Дорофєєва В.С., Залєсова О.С., Єгорова Є.А., Лантух-Лященка А.І., Левіна В.М., Пірадова К.О., Пірадова О.Б., Соколова Б.С., Чернявського В.Л., AllanAncladeAlonso С., AryaEllingwood, BruceHammannHirne W.G., JasiczakPolderSuchanTsukamotoWawrusiewiczОднак загальної методики визначення ПЕП у наперед заданий момент часу нині не існує.

Регулюванню технічного стану залізобетонних конструкцій присвячено експериментальні та теоретичні праці провідних науковців: Бамбури А.М., Бондаренка С.В., Гнідця Б.Г., Голишева О.Б., Голоднова О.І., ГубановаВ.В., Гузєєва Є.А., Демчини Б.Г., Кваші В.Г., Клименка Ф.Є., Корсуна В.І., Мальгамова А.І., Москвіна В.М., Онуфрієва М.М., Плєвкова В.С., Поліщука А.І., Прокоповича І.Є., Санжаровського Р.С., Стороженка Л.І., Шагіна О.Л., Шмуклера В.С., Яременка О.Ф., FegerlundFu X., ChungCichockiEmmonsJaњniokZyburaЈagodaMeierParrotRadomskiSuchanThomasVaysburdта ін. Ці дослідження дозволили значною мірою розширити область якості будівельних конструкцій. Проте до цього часу не розроблено комплексну методологію оцінювання та управління технічним станом конструкцій, будівель (споруд), яка була б однозначною, формалізованою та експериментально підтвердженою.

У другому розділі розглянуто технічний стан будівельних конструкцій.

Усі ПЕП поділено на дві групи:

I – ПЕП, перевищення яких призводить до руйнування конструкції (системи). Допустимі значення показників складають область А на рис. , а їх фактичні значення – область С;

II – ПЕП, перевищення значень яких вище ніж допустимі не призводить до руйнування конструкції, але унеможливлює нормальну експлуатацію їх. Допустимі значення – область В, фактичні – область D (рис. 1).

Пропонується розглядати три технічних стани конструкцій:

I – задовільний. У конструкцій, які можуть бути віднесені до цього стану, ПЕП I та II групи не перевищують своїх граничних значень:

A?C=A; B?D=D; (1)

II – непридатний до нормальної експлуатації. ПЕП II групи у таких конструкцій перевищують граничні значення, але ПЕП I групи знаходяться в допустимих межах:

A?C=A; B?D?D; (2)

III – аварійний. ПЕП I групи перевищують свої граничні значення. При цьому ПЕП II групи можуть знаходитися в допустимих межах:

A?C?A;

B?D=D або B?D?D. (3)

Вплив різних факторів на ПЕП проаналізовано на стиснутих конструкціях та елементах, що згинаються. На рис. 2 та 3 наведено зразки такого впливу. На підставі аналізу факторів, що впливають на зміну ПЕП, створено таблицю, яка дає змогу службі спостереження за будівлями та спорудами підприємства оцінити вплив того чи іншого фактора та своєчасно вжити адекватних заходів щодо забезпечення нормальної безаварійної експлуатації будівель.

Наведено приклади оцінювання технічного стану залізобетонних елементів, пошкоджених у процесі експлуатації, та розрахунки міцності яких відсутні в нормах.

На рис. надано розрахункову схему стиснутого елемента з пошкодженнями бетону в стиснутій зоні (с– глибина пошкодження). Базуючись на основних положеннях чинних норм, можна записати рівняння рівноваги. Для випадку відносно малих ексцентриситетів вони мають вигляд:

?X=0; N+уsAs-RґscAґs-Rbbx=0; (4)

?Ms=0; Ne-RґscAґs(h0-aґ)-Rbbx(h0-c-0,5x)=0. (5)

Для випадку відносно великих ексцентриситетів рівняння рівноваги:

?X=0; N+RsAs-RґscAґs-Rbbx=0 (6)

?Ms=0; Ne-RґscAґs(h0-aґ)-Rbbx(h0-c-0,5x)=0. (7)

При цьому розрахунковий опір стиснутої арматури визначається з врахуванням того, що він не захищений бетоном (тут ц– коефіцієнт поздовжнього згину стрижня):

Rs Rsc c

Rsc= — ? Ї(1+—). (8)

ц ц x

Аналогічно (на базі основних положень чинних норм) розроблено рекомендації щодо визначення показників експлуатаційної придатності для таврових залізобетонних пошкоджених балок.

При визначенні технічного стану будівлі чи споруди в цілому систему розглянуто за такою ієрархією:

- перший рівень – система, яка описує один із ПЕП та його відповідність граничному значенню;

- другий рівень – система, яка описує сукупність ПЕП (першої чи другої їх групи) та відповідність кожного з них відповідному граничному значенню.

У процесі визначення технічного стану будівлі (споруди) в цілому на першому рівні визначаються усі ПЕП та порівнюються з їх граничними значеннями.

Другий рівень містить певну сукупність ПЕП, які створюють дві групи їх. При цьому кожний елемент має свої ПЕП, які в загальному випадку можуть перевищувати відповідні граничні значення. Розглядається життєздатність системи в цілому за умови фактичного співвідношення значень ПЕП та їх граничних значень.

У третьому розділі дисертації розроблено модель процесу експлуатації залізобетонних конструкцій та будівель і споруд у цілому. Виходячи з уявлення щодо зміни у часі характеристик залізобетонних конструкцій прийнято робочу гіпотезу:

P(t)=P0-a(t-t0)2, (9)

де P0 – початкове значення показника експлуатаційної придатності будівельної конструкції; t0 – початковий момент часу; t – поточний час; P(t) – значення характеристики на момент часу t, a – параметр, що характеризує швидкоплинність зміни характеристики P(t).

Для виявлення характеру протікання корозії арматури в реальному виробничому середовищі протягом 1988...2004 рр. на Білицькому (Полтавська область) молочноконсервному комбінаті (МКК) поставлено натурний експеримент, в ході якого оцінювався ступінь корозії робочої арматури монолітного перекриття, яке експлуатується в агресивному середовищі. Протягом часу спостереження зменшення площі робочої арматури відбувалося за законом, що добре описується поліномом другого ступеня (рис. ).

У результаті проведених досліджень, а також аналізу багато чисельних результатів, отриманих іншими авторами, здійснено апроксимацію наявних статистичних даних. Зроблено висновок про спадний характер дрейфу параметрів, що є характеристиками будівельних конструкцій. Цей процес прийнятно описується квадратичною моделлю, областю визначення якої є часовий проміжок від початку відліку й до нескінченності, областю значень – числові значення від початкового, визначеного початком відліку, до критичного значення.

ПЕП окремих будівельних конструкцій, що вимірюється характеристикою P(t), змінюється: у моменти to, t1, t2…ti P(t) та набуває значень P0, P1, P2…Pi, тобто

Pi=P(ti)=P0-a(ti-t0)2, (10)

де i=0, 1, 2…

У дійсності така тотожність ніколи не справджується – між Pi та P(ti), природно існує розбіжність Ei, яку вважатимемо випадковою:

Ei=Pi-P(ti). (11)

Виходячи з прийнятих робочою гіпотезою припущень, єдиним параметром, який зумовлює таку розбіжність, є параметр „a“. За наявності статистики P0, P1, P2,…, Pn маємо:

Ei=Pi-(P0-a(ti-t0)2), (12)

де i=0, 1, 2,…, n.

Останнє дозволяє для визначення „a“ використовувати метод найменших квадратів:

n

?(Pi-P0+a(ti-t0)2)2>min. (13)

i=0

Скориставшись даною умовою та виконавши необхідні тотожні перетворення, отримуємо формулу для визначення параметра „a“ за наявними статистичними даними:

n

?(Pi-P0)(t1-t0)2

i=1

a=ЇЇЇЇЇЇЇ. (14)

n

?(t1-t0)4

i=1

Сформоване таким чином значення параметра „a“ дозволяє розв’язати пряму задачу – знайти значення P(t) в довільний момент часу та обернену задачу – дати відповідь на питання, у який момент часу P(t) досягатиме певного, зокрема, критичного, значення.

Скористаємося останнім для визначення моменту часу tcr, коли P(t) досягне критичного значення Pcr:

tcr=t0+((P0-Pcr)/a)0,5 (15)

Зіставлення такого значення tcr, визначеного шляхом спостережень за зміною характеристики конструкції у часі (ПЕП), з нормованим значенням tnor, на яке розрахована ця конструкція, дозволяє визначати необхідність „втручання“, яке б стосувалося характеристики, що досліджується P. Втручання стає необхідним за умови, що tcr<tnor.

Останнє справджується, якщо

P0-Pcr

a>Ї——. (16)

(tnor-t0)2

Викладене дозволяє сформувати методику, використання якої стосовно аналізу характеристики ПЕП певної конструкції у часі робить можливим виявлення необхідності (чи відсутності такої) втручання щодо впливу на неї.

У початковий момент часу значення параметра, за яким описується зміна у часі конструкції, що досліджується, визначається співвідношенням (16).

У наступні моменти часу t=ti (i=1, 2, 3…, n), що збігаються з виміром значень характеристики P0, P1, P2, P3,… Pn, значення параметра „a“ розраховують за формулою:

n

?(Pi-P0+Pcr)(ti-t0)2

i=1

a= - ————ЇЇЇЇ— . (17)

N

?(tI-t0)4

I=1

Кожного разу віднайдене значення параметра перевіряється на виконання нерівності (16).

Приймається рішення: – 

якщо нерівність не справджується, втручатися до конструкції немає необхідності; – 

якщо ж нерівність справджується, таке втручання є необхідним.

Розглянуто три способи втручання в хід процесу експлуатації: діагностика конструкції, поточний ремонт конструкції, капітальний ремонт конструкції (табл. ).

Таблиця 1

Елементи формалізації способів втручання

Вид втручання | Кількість дій | Витрати на одну дію | Ризик недосягнення мети після всіх дій

Діагностика конструкції | n | DD | б

Поточний ремонт | p | PP | в

Капітальний ремонт | k | RR | г

У випадку затруднень з визначенням ризиків, пропонується наступна схема їх розрахунку:

Pcr WK-DD Pcr WK-PP Pcr WK-RR

б=— —————; в=— —————; г=— —————, (18)

P WK+DD P WK+PP P WK+RR

де WK – вартість наслідків від втрати будівельною конструкцією своїх властивостей.

Співвідношення щодо уведених елементів формалізації:

n+p+k=m1>min;

DD n+PP p+RR k=m2>min; (19)

б в г

—— —— —— > min.

n p k

Для визначення значення „k“ розв’язуємо рівняння

в(PP-DD)(RR-DD) б(PP-DD)(RR-PP) г——————————

- —————————— = —— = 0. (20)

(m2-DD m1-(RR-DD)k)2 (m1PP-m2+(RR-PP)k)2 k2

У результаті визначаємо n, p та k за умови мінімізації витрат на ці операції.

Залишковий ресурс розраховується як час до досягнення ПЕП (Pi) свого граничного значення (Plim), тобто можна записати:

T=Tmin = ti ¦Pi=Plim. (21)

У формулі (21) через Tmin позначено мінімальний час за який будь-який наперед заданий ПЕП досягне свого граничного значення (Pn=Pmin). Кількість ПЕП та їх граничні значення (Plim) встановлюються, виходячи з фактичних умов експлуатації, та на момент визначення залишкового ресурсу є величини відомі.

Розглянуто дві стратегії експлуатації:

- процес експлуатації проходить без капітального ремонту, тобто відновлення експлуатаційних характеристик, та підвищення ПЕП (крива 1 на рис. );

- з проведенням указаних робіт (крива 2 на рис. ).

Для першого випадку залишковий ресурс визначається як час до настання ПЕП нормативного (мінімально допустимого) значення, тобто T=Tn.

У разі експлуатації з проведенням капітальних ремонтів залишковий ресурс визначається як час до першого (чи наступних) капітального ремонту.

Протягом усього терміну експлуатації частина показників може змінюватися за однією схемою експлуатації, а інша – за іншою. Тому під час проведення втручань у процес експлуатації визначальні ПЕП (ті, що визначають мінімальний час до настання мінімально можливої величини показника) можуть змінюватися.

Залишковий ресурс будівель та споруд у цілому розраховують відповідно до запропонованої ієрархії. При цьому розглядаються усі ПЕП, що впливають на роботу окремих конструкцій та систем з них.

Прогнозування технічного стану зводиться до прогнозування зміни окремих ПЕП, оцінювання їх порівняно з граничними значеннями та визначення технічного стану і залишкового ресурсу як окремих конструкцій, так і будівель та споруд у цілому.

Отриману в ході натурних обстежень конструкцій інформацію трансформують у вигляді кривої експлуатації. Задача полягає в екстраполюванні отриманих залежностей у часі з метою достовірного прогнозування зміни даного показника за часом останнього обстеження.

Прогноз роботи конструкцій слід робити на підставі спостереження за її роботою в реальних умовах. При цьому реалізується модель „чорного ящика“ та використовується апостеріорна інформація, яка для цієї системи є достовірною.

Розглянуто проблему опису процесу експлуатації. Якщо крива описується поліномом другого ступеня, то прогнозування може описуватися іншою кривою. Підтвердженням справедливості такого підходу є дослідження в економетриці, де указується, що найбільш достовірними описами часових рядів є описи з використанням сплайн-функцій. Така сплайн-функція для випадку опису процесу експлуатації являє собою поліном другого ступеня для ділянки до часу останнього обстеження (достовірні дані) та поліном іншого ступеня для ділянки за межами часу останнього обстеження (прогнозовані дані).

Базуючись на виконаному нами аналізу, для прогнозування зміни ПЕП пропонується комбінована залежність, яка є середнім зваженим значенням прогнозованого ПЕП, отриманого поліномами різного ступеня. Чисельне моделювання показало, що достатньо розглянути поліноми до 4...5 ступенів. Подальше збільшення ступеня поліному не призводить до суттєвої зміни показника та в практичних розрахунках є недоцільним. У запропонованій методології і такий підхід прийнято до прогнозування технічного стану конструкцій. Алгоритм визначення залишкового ресурсу наведено на рис. .

Четвертий розділ роботи присвячено регулюванню технічного стану будівельних конструкцій. Розглянуто два шляхи регулювання технічного стану окремих конструкцій та будівель і споруд у цілому, а саме:– 

уточнення області якості шляхом вивчення фактичної роботи конструкцій в певних умовах експлуатації;– 

підвищення експлуатаційних показників шляхом проведення ремонту та реконструкції.

Регулювання технічного стану починається з призначення початкового ресурсу конструкцій (на стадії проектування). Чинні норми проектування не встановлюють початковий ресурс залізобетонних конструкцій прямим (розрахунковим) шляхом.

Базуючись на моделі процесу експлуатації, при проектуванні показники експлуатаційної придатності призначаються з наперед заданим запасом, який розраховується як різниця між критичним (Pcr) та прийнятим (Ppr) значенням ПЕП (рис. ):

?P=Ppr - Pcr. (22)

Уже під час проектування на підставі техніко-економічних досліджень (зведення до мінімуму експлуатаційних витрат) закладається стратегія експлуатації окремих конструкцій та будівель і споруд у цілому: без проведення капітальних ремонтів протягом усього нормативного часу (крива 1 на рис. ) та з виконанням капітальних ремонтів (крива 2 на рис. ).

У процесі призначення початкового ресурсу вихідними значеннями є: нормативний термін експлуатації (tn); термін до проведення першого (t1) та наступних (t2, …,i) капітальних ремонтів.

У результатів розрахунків знаходимо необхідне для забезпечення вибраного терміну експлуатації значення ПЕП (Ppr1 та Ppr2 залежно від вибраної стратегії). Відношення цього показника до його критичного значення позначимо як коефіцієнт ресурсу гR:

Ppr

гR=———. (23)

Pcr

Цей коефіцієнт дає можливість враховувати фактор часу під час призначення початкового ресурсу конструкцій, а значить і будівель чи споруд у цілому. При проектуванні на нього слід помножувати фактичні значення ПЕП, визначені конструктивними розрахунками.

Головною проблемою при призначенні коефіцієнта ресурсу гR є опис кривої експлуатації. Для цієї операції слід використовувати дані щодо експлуатації аналогічних об’єктів. У ході накопичення апостеріорної інформації достовірність призначення початкового ресурсу окремих конструкцій та будівель і споруд у цілому зросте. Запропонована методика дає можливість в розрахунки ввести фактор часу; врахувати конкретні умови експлуатації прямим шляхом; оптимізувати витрати на будівництво та експлуатацію.

При експлуатації залізобетонних конструкцій реальний рівень навантаження складає 40...60% від руйнуючого зусилля. Існуючі методи проектування не дають можливості врахувати короткочасне довантаження залізобетонних елементів високими рівнями (0,8...0,95lim). Однак у практиці експлуатації залізобетонних конструкцій досить часто виникають ситуації, коли навантаження складає якраз підвищений рівень. Такі перевантаження, як правило, мають короткочасний характер. Перевантаження залізобетонних конструкцій такого високого рівня призводить до перевищення окремими ПЕП ІІ групи, тобто такими, які унеможливлюють нормальну експлуатацію, але не призводять до руйнування конструкцій.

Розглянуто напружено-деформований стан звичайних і попередньо напружених залізобетонних конструкцій залежно від передісторії навантаження та розробки методики їх розрахунку.

Для визначення параметрів напружено-деформованого стану конструкцій виготовлено дві серії експериментальних балок загальною кількістю 18 шт. Балки першої серії (10 шт.) були звичайними, а другої (8 шт.) – попередньо напруженими. Всі балки мали довжину 1500 мм та поперечний переріз 180 (h)120 мм. Схему армування дослідних зразків показано на рис. .

Експеримент на короткочасне та довгочасне навантаження виконано на модернізованій спеціальній пружинній установці. Дослідні зразки випробувано за статичною схемою однопролітної, вільно опертої балки, завантаженої двома силами для створення зони чистого згину

На момент початку експерименту балки досягли віку „старого бетону“ 1=120 діб. Для визначення величини руйнуючого зусилля при короткочасному навантаженні випробувано чотири балки: дві з першої серії – Б і Б та дві – другої серії – Б і Б , які було доведено до руйнування.

Коли бетон досяг віку 1=350 діб для зразків першої серії та 1=120 діб – другої від моменту виготовлення (початок тривалого експерименту), всі дослідні балки (крім тих, які випробувані короткочасним навантаженням) навантажувалися до експлуатаційного рівня навантаження F1=0,6FU. Час витримки під цим рівнем навантаження визначався міркуваннями оптимальної тривалості експерименту, тобто до затухання швидкості зростання прогинів та деформацій бетону і арматури.

Після закінчення першої частини експерименту (тривала витримка під навантаженням до експлуатаційного рівня), коли вік бетону досяг 2 без розвантаження, здійснювалося довантаження окремих балок до різних рівнів :

м=F(t)/FU. (24)

Рівень довантаження балок показано на рис. , а час зміни навантаження наведено в табл. .

Після нетривалої витримки під навантаженням високого рівня, коли вік бетону досягнув значення 3, проводилося розвантаження всіх довантажених балок до експлуатаційного рівня  = ,6 з подальшим спостереженням за напружено-деформованим станом балок протягом 20...25 діб. Після закінчення тривалого експерименту, коли вік бетону склав 4, мало місце довантаження балок до їх руйнування для визначення залишкової міцності балок.

Таблиця 2

Час зміни навантаження на дослідні зразки з моменту виготовлення

Серія | Час зміни навантаження, діб

1 | 2 | 3 | 4

1 | 350 | 388 | 393 | 418

2 | 120 | 159 | 163 | 183

У звичайних балках першої серії (Б та Б ) з додатковим нетривалим навантаженням рівнем 0,7 від руйнуючого після їх розвантаження (до м ,6) приріст деформацій практично не спостерігався (рис. а). Це свідчить з одного боку про пружну роботу арматури, а з іншого – про те, що плече внутрішньої пари практично не мінялося під час експерименту.

У попередньо напружених балках другої серії (Б 2-1 і Б ), що піддавалися короткочасному навантаженню рівня м ,7, деформації робочої попередньо напруженої арматури під час завантаження експлуатаційним рівнем (м ,6) майже не змінювалися і дорівнювали S,1=106?10-5 (рис.  б).

Попередньо напружені конструкції мають більш загальний напружено-деформований стан, оскільки в них, крім напружень, що виникають під дією зовнішнього навантаження, мають місце напруження від дії попереднього напруження Арматури. На рис. наведено зміну деформованого стану попередньо напруженої балки другої серії, що піддавалася нетривалому навантаженню високого рівня (м ,85). Такий рівень навантаження був прийнятий, виходячи з того, що конструкції першої серії (без поперечного напруження), які тривалий час знаходилися під експлуатаційним рівнем навантаження (м ,6) під час довантаження до рівня (м ,9), зруйнувалися. Після довантаження деформації збільшилися і досягли S,1=124?10-5, тобто зросли на 14%. У кінці витримки під довантаженням, перед розвантаженням, деформації в арматурі зросли до значення S,1=141?10-5. Приріст деформацій арматури під час витримки під навантаженням високого рівня свідчить про зміну параметрів внутрішнього моменту (зменшення плеча внутрішньої пари сил). У кінці експерименту деформацій досягли значення S,1=117?10-5, що всього на 9% більше від значення деформацій перед довантаженням. Конструкції, завантажені експлуатаційним рівнем протягом 38 діб, при спробі довантажити їх нетривалим навантаженням рівня м ,9 зруйнувалися.

У попередньо напружених конструкціях, порівняно із звичайними, відносні деформації значно вищі та досягають величини b ?10-5. Під час розвантаження дослідних балок до експлуатаційного рівня 0,6FU крайні фібри бетону повністю або частково виключаються з роботи. При цьому центр мас епюри напружень бетону стиснутої зони наблизився до нейтральної лінії, що в свою чергу зменшило плече внутрішньої пари сил Zb.

Досліди над попередньо напруженими балками другої серії дали можливість виявити більш загальні закономірності деформування залізобетонних конструкцій при дії нетривалого довантаження, оскільки в цьому випадку на напружено-деформований стан впливає також і попередньо створене напруження в поздовжній робочій арматурі (рис. ).

Встановлено, що нетривале довантаження до рівня м ,7 незначною мірою впливає на експлуатаційні показники балок. При нетривалому довантаженні до рівня м ,9 в бетоні стиснутої зони відбуваються суттєві мікроруйнування, внаслідок яких величина прогину балки значно зростає. Навіть при розвантаженні до експлуатаційного рівня прогини залишаються суттєвими та перевищують допустиму для таких конструкцій величину (рис. ).

При розробленні рекомендацій щодо розрахунку конструкцій прийнято такі передумови:

1. Вплив розтягу бетону від зусилля попереднього напруження не враховується, тобто прикладання сили попереднього напруження та зовнішнього зусилля приймається одночасним.

2. У бетоні стиснутої та розтягнутої зони приймається криволінійна епюра напружень.

3. При розрахунку за другою групою граничних станів (другою групою ПЕП) приймається гіпотеза плоских перерізів та гіпотеза про середнє значення деформацій розтягнутої арматури s(t) в тріщинах і між ними та стиснутого бетону b(t) над тріщинами і між ними. При цьому можна записати таку залежність

еb(t)[h0-x(t)]=еs(t)x(t), (24)

де h0 – робоча висота перерізу; x(t) – середня висота стиснутої зони бетону.

4. Застосовується теорія пружно-повзучого тіла з усіма передумовами, які вона використовує:

уb(t) 1- н уb(ф1) t d 1 t d

еb(t) = ЇЇ + ЇЇ ЇЇЇ - ? уb(ф)Ї [ЇЇ] dф- ? F[уb(ф)]Ї C(t, ф) dф, (25)

Eb(t) н Eb(ф1) ф1 dф E(ф) ф1 dф

де С(t,) _міра повзучості бетону; F[б()] _функція напружень; E(t ) _модуль пружно-миттєвих деформацій бетону в момент часу t.

5. Навантаження на конструкцію враховуються за допомогою функції Хевісайда:

0 при t < 0;

u(t) = { (26)

1 при t ? 0.

Навантаження, прийняте в експериментах, визначено виразом:

. (27)

Моделювання напружено-деформованого стану залізобетонних елементів, що згинаються, пропонується виконувати за допомогою методу скінчених елементів. При цьому в основу покладено дискретне уявлення про балку.

Така математична модель дає можливість припустити, що ділянки, на які поділений залізобетонний елемент, працюють на одноосне навантаження – розтяг чи стиск, залежно від розміщення відносно нейтральної осі балки. Це, в свою чергу, зумовлює однакове значення напружень та деформацій на всій висоті ділянки.

У результаті розрахунку отримано основні параметри напружено-деформованого стану поперечного перерізу залізобетонної попередньо напруженої балки при будь-якому значенні зовнішнього моменту Mz(t) за умови, що він не перевищує моменту руйнування Мu.

На рис. наведено розрахункову схему балки при роботі з тріщинами за запропонованою методикою.

Алгоритм визначення показників експлуатаційної придатності для конструкцій, що зазнали нетривалого перевантаження, наведено на рис. .

У процесі експлуатації важливим є визначення довготривалої міцності Ftr. Використано залежність для визначення часу, протягом якого конструкція може експлуатуватися без руйнування, запропоновану Прокоповичем І.Є. та Зедгенідзе В.А., яку при короткочасному перевантаженні високого рівня пропонується трансформувати у вигляді суми добутку тривалості дії навантаження та оберненої величини тривалої міцності при даному рівні навантаження. Таким чином, тривале навантаження буде мати вигляд:

n

Ftr=?ti(10(0,92-з*)/0,04)-1, (28)

i=1

де з*– рівень навантаження.

При цьому використано принцип накопичення ушкоджень, за яким елемент вважається зруйнованим, якщо Ftr досягла значення одиниці.

За момент руйнування залізобетонного елемента приймається момент часу, коли усі фібри бетону стиснутої зони руйнуються.

Повні деформації з урахуванням часового фактору при цьому будуть дорівнювати:

еb,i(t) = еb,i + еb,i,p(t), (29)

де еb,i– початкові деформації, тобто деформації бетону під час навантаження, отримані з використанням діаграми деформування; еb,i,p(t) – деформації повзучості, зумовлені початковими напруженнями.

Використовуючи формулу Хевісайда та принцип накладання, отримано значення відносних деформацій в будь-який момент часу за умов режимного навантаження:

уbj(t) n

еb j(t)=ЇЇЇ + ?f(уbjk) C(у, t, ф), (30)

Ebj(t)н k=1

де f(уbjk)=в0уb,i,n+ ву2b,i,n – функція напружень (в0 та в – коефіцієнти, що визначаються емпіричним шляхом).

У результаті елементарних математичних перетворень визначено:

Fi(t) n Fi,ku(t-фk) n Fi,k(u(t-фk)-u(t-фk+1))

еb,i(t)=ЇЇ+?f[ЇЇЇЇ][Cmin(фk+1, фk)+ CH(у, фk+1, фk)]+?f[ЇЇЇЇЇЇЇЇЇ][Cmin(t, фk)+ (31)

Eiн k=1 Ai k=1 Ai

+ CH(у, t, фk)]

Маючи середні відносні деформації стисненого бетону та розтягненої арматури в будь-який момент навантаження, можемо розрахувати (за стандартною нормативною методикою) кривизну елемента (1/с), а значить і прогини конструкцій.

Регулювання технічного стану залізобетонних конструкцій може відбуватися також шляхом втручання в процес їх експлуатації та поліпшення ПЕП в ході виконання робіт з