С.М.СКОРОБОГАТОВ, д-р техн. наук, проф., член-корр. РААСН, заслуженный деятель науки РФ (УрГУПС), Живучесть как основа для определения долговечности изгибаемых железобетонных конструкций при обследовании
В журнале регулярно публикуются статьи, посвященные чрезвычайно важной и трудно решаемой проблеме-долговечности железобетона. Безусловно, эта проблема должна решаться с помощью разных подходов и путей, в том числе с применением новой методики живучести.
Живучесть изгибаемых элементов в данной работе означает степень работоспособности конструкции и является основой для определения ее долговечности (остаточного ресурса). Методика живучести изгибаемых элементов предполагает проверку стадий работы на отсутствие или наличие повреждений в сжатой зоне в виде опасных продольных мезо- или макротрещин, определяющих долговечность под влиянием длительно действующей нагрузки или агрессивной среды, а также ремонтопригодность и целесообразность восстановления конструкций при ликвидации последствий от катастроф. Существо вычислительного процесса при проектировании заключается в ограничении продольных напряжений в сжатой зоне или выяснении при затрудненных условиях обследования специальных параметров живучести на основе глубины и ширины нормальных трещин.
Долговечность бетона в связи с его коррозией изучается давно, и ей посвящены солидные монографии [1,3] и обстоятельные научные статьи [4,5]. Имеются смелые попытки построения методики определения степени воздействия различных видов коррозии на остаточный срок эксплуатации в годах [6,7]. Согласно общеизвестной классификации [1], можно привести три основных вида коррозии. Первый называют карбонизацией бетона. Он вызывает процесс “выщелачивания” извести под воздействием углекислого газа. Второй тип коррозии - “кислотный, характерный, например, для очистных канализационных сооружений. Он обусловливает перерождение цементного камня в амфорную, пористую структуру. Третий тип связан с образованием в порах бетона расширяющихся кристаллов, приводящих к разрушению его структуры. Это “сульфатная” коррозия бетона. Кроме этих основных видов коррозии, отмечаются другие, так называемые “внутренние” коррозии, к которым относят морозные циклы, солевое и морское разрушение.
В некоторых научных работах приводится методика определения остаточного срока эксплуатации конструкций в годах при различных видах коррозии. Однако в реальных условиях при обследовании натурных массивных и протяженных конструкций (мостов, резервуаров для сточных вод и т.п.) в силу их недоступности и отсутствия информации о них трудно или почти невозможно получить исходные данные как параметры, необходимые для подсчета остаточного срока эксплуатации. К таким трудно добываемым параметрам относят глубину коррозии, ее скорость и даже вид коррозии, особенно ее третий вид. Для конструкций, прослуживших 50 ... 70 лет, особенно довоенной постройки, проектная документация, как правило, отсутствует. Подсчет накапливания повреждений в сооружениях по годам никто не осуществлял. После проведения капитального ремонта остаточный срок эксплуатации никто не вычислял. История строительства давнишних сооружений почти не фиксируется в соответствующих паспортах.
Вследствие низкого качества бетонирования и проката арматуры систематические ошибки могут перекрывать поле нормального распределения, принятого для бетона и стали. Для массивных и протяженных конструкций в существующих теориях долговечности не предусматривается масштабный коэффициент. Построить расчетную модель для определения проектного или остаточного срока эксплуатации невозможно. В условиях остро мотивированного обследования, предаварийного состояния получение остаточного срока эксплуатации в 1.. .5 лет выглядело бы юридически рискованным. В трудно контролируемых воздействиях сурового климата и недоступных условиях осмотра высоких сооружений использование принципов моторесурсов из машиностроения малообоснованно. Отсутствие систематического и квалифицированного контроля во время эксппуатации делает попытки расчета срока эксплуатации в годах для натурных сооружений условными.
На пути использования существующих теорий долговечности имеется препятствие принципиального порядка, которое заключается в неучете фундаментального свойства изгибаемых элементов - малой чувствительности их несущей способности на изгиб от прочности бетона в сжатой зоне. Элементарные расчеты по СНиП 2.03.01 -84 [8] показывают, что для балки, ригеля прямоугольного сечения независимо от его высоты при одном и том же проценте армирования ц = 0,5 % и арматуре класса А-Ill снижение прочности бетона в два раза (В25 и В12.5 МПа) приводит к снижению несущей способности на изгиб только на 10 %. Это фундаментальное свойство изгибаемых элементов обусловливает главный фактор при определении надежности и долговечности железобетонных плит, балок, ригелей. Неучетом этого свойства страдают многие теории долговечности.
Таким образом, прямое применение существующих методик определения остаточного срока эксплуатации только по осевому сжатому бетону для изгибаемых элементов недостаточно правомерно. Проблему долговечности надо решать с учетом особой конструктивной характеристики изгибаемого и других элементов.
Удивительно, что некоторые исследователи пытаются разрабатывать методики по долговечности независимо от вида напряженного состояния (изгиб, вне- центренное сжатие и растяжение, главные растягивающие напряжения) и стадии работы конструкции без распознавания микро-, мезо-, макротрещин по О.Я. Бергу [9].
Для решения проблемы долговечности имеется физически достоверный путь, основанный на современном сейсмоакустическом методе исследования глубинных слоев бетона, реальном определении напряженного состояния и продольного трещинообразева- ния, применении параметров живучести и масштабных коэффициентов. Предлагаемая методика живучести для выяснения долговечности в битах состоит из пяти этапов.
Первый этап включает ускоренный сейсмоакустический метод исследования глубинных слоев бетона для протяженных конструкций и сооружений (100м и более) с локальными диапазонами 1 ... 4 м [10]. Наиболее слабые участки бетона изучаются традиционными методами: склерометрическим и ультразвуком. Этот метод позволяет изучать глубинные слои бетона, минуя поверхностные поврежденные участки. Соотношения между скоростями поперечных и продольных волн позволяют наметить направление и расположение продольных или поперечных мезо- и макротрещин. Цветная картина томографии дает представление о наиболее слабых местах в обследуемом объекте и позволяет даже наметить схему продольных и поперечных трещин для дальнейшего использования в новой методике живучести.
Второй этап - это использование глубины хсгс и ширины асгс раскрытия поперечных (нормальных) трещин для выяснения реального напряженно-деформированного состояния изгибаемой конструкции. Для всех видов коррозии ведущим, неотвратимым и общим процессом является нарушение структуры (деструкция) бетона. Развитие в нем продольных мезо- и макротрещин является неконтролируемым процессом, так же как и скорость коррозии бетона. Мониторинг за этими явлениями невозможен. Однако все эти стохастические изменения структуры и прочности бетона в конечном счете интегрируются в более или менее детерминированные итоговые оценки в виде х и астс (рис.1). По существу, только две физические величины - глубина хсгс и ширина асгс определяют напряженно-де- формированное состояние элемента на момент обследования. Все виды коррозии влияют на прочность бетона в сжатой зоне, а через нее суммарно отражаются в виде величин хсгс и асгс. Количество арматурных стержней и напряжение в них определяются как производные от этих величин. Остаточный после коррозии диаметр арматурного стержня при небольшом уточнении можно определить по методике [6].
Согласно гипотезе плоского сечения (рис.1 ,а), вначале следует определить величину относительных удлинений es = as/Es. Для этого можно воспользоваться формулой (144) из СНиП 2.03.01 - 84 [8]:
С точки зрения истории возникновения новой методики следует отметить, что величина Н,. = 1,585 впервые появилась в результате дополнительного анализа поведения изгибаемых балок из работы канд.техн.наук В.В. Домнина, выполненной под руководством автора. Необходимость более глубокого теоретического и физического обоснования этой величины привело в конечном счете к обращению к информационной энтропии Hj по К.Э. Шеннону (Н{ = 1,585) и иерархии трещинообразования по М.М. Холмянскому и Ю.В. Зайцеву.
Удивительное совпадение на кривых Ц и Hser величины 1,585 [15] при трехступенчатой иерархии в трещинообразовании послужило сильным мотивом к разработке новой методики. Замечательное свойство параметра Hser заключается в том, что эта величина почти не зависит от прочности бетона и процента армирования изгибаемого элемента.
Долговечность изгибаемой конструкции обеспечивается, если ее живучесть Hser больше критерия живучести lim Hser:
Условие (16) применяется для крайнего сжатого волокна реальной, а не для условной блочной эпюры сжатой зоны. Это условие особенно актуально для элементов со средним и большим процентом армирования, так как оно ставит эти элементы в одинаковые условия с элементами с малым процентом армирования по степени безопасности.
Требование по ограничению сжимающих напряжений с целью недопущения продольных трещин в сжатой зоне автор обнаружил в Eurocode 2 [13] (глава 7), изданного значительно позднее. В Eurocode [13] рекомендуются более жесткие ограничения сжимающих напряжений во избежание появления продольных трещин. Так, только для площади бетона, подвергнутой коррозии от хлоридов, морской воды и морозных циклов, предлагается ограничивать сжимающие напряжения величиной 60 % от нормативной цилиндрической прочности. От средней величины цилиндрической прочности fC(T) = 12,20,30 и 40 МПа это ограничение будет еще больше (соответственно 36,43,47 и 50 %). Таким образом, здесь тоже учитывается более раннее микро- трещинообразование для менее прочных бетонов.
В условиях обследования не всегда можно воспользоваться требованиями (16) и (17), так как величину расчетного сопротивления R,, трудно получить или обосновать в процессе обследования. Процедура ограничения продольных сжимающих напряжений в изгибаемом элементе действующего сооружения маловероятна, если неизвестна прочность бетона в момент возведения и величина RB- Напротив, условие (15) интегрально аккумулирует все виды воздействий коррозии и нагрузок и представляется правомерным. Кривая HSer (см Рис 2) представляет собой не только схему - иллюстрацию требования (15), но имеет самостоятельное значение в проблеме напряженного состояния и долговечности. Важно отметить, что при обследовании требование (15) определяет целесообразность усиления, восстановления, реновации исследуемых железобетонных сооружений и конструкций.
Пятый этап вычислений связан с определением масштабного коэффициента ym = Hj / Н3 и физическим обоснованием кривых живучести Hser. Методика живучести основана на признании факта иерархии трещинообразования в изгибаемых конструкциях разного масштаба и на принципе информационной энтропии, применяемом для раскрытия неопределенности при трещинообразовании [15-18].
Определение остаточного резерва живучести (в битах) можно представить как дополнение к нормативной методике расчета по второй группе предельных состояний, т.е. как расчет по ограничению продольных трещин в сжатой зоне изгибаемых элементов (продольная трещиностойкость). Определение долговечности с помощью критерия живучести дает возможность обследователю перейти со скользкого пути определения остаточного срока эксплуатации в годах на юридически защищенную позицию со ссылкой на Rb из норм.
Бетон и железобетон, 2006 №5