Фактор времени и напряженное состояние конструкций.

Поведение железобетонных конструкций под нагрузками, начиная от момента изготовления до выхода из строя после опре­деленного времени эксплуатации, обусловлено фундаментальными вероятностными закономерностями.

Основными причинами случайного характера процесса дефор­мирования и разрушения конструкции являются идеализация расчет­ных схем, воздействия нагрузок и окружающей среды, прочностные и деформативные свойства конструкции. Задача создания долговеч­ных и надежных конструкций решается при формировании требо­ваний нормативных документов, проектировании, изготовлении, монтаже и эксплуатации. Природа случайного характера конструкций в эксплуатации, степень влияния случайных факторов определяются требованиями нормативных документов, уровнем проектирования, качеством выполнения строительных работ, режимом эксплуатации, климатическими условиями.

К основным причинам вероятностного характера поведения железобетонной конструкции относятся следующие.

• Широкое применение в расчетах железобетонных конструкций идеализированных и упрощенных моделей, в которых могут быть не учтены все действующие факторы вследствие их неопределенности.
• Сложность и неизученность физических процессов, протека­ющих при изготовлении и эксплуатации железобетонных конструкций.
• Нестабильность свойств материалов и технологических приемов при изготовлении и монтаже железобетонных конструкций.
• Статистический характер изменчивости нагрузок, действую­щих на конструкцию (ветровое давление, снеговая нагрузка, крановая нагрузка, собственный вес, сейсмическая нагрузка).

Расчет надежности железобетонных конструкций основан на следующих принципах:

1) внутренние свойства конструкции, ее несущая способ­ность, действующие нагрузки, климатические условия, определяющие поведение конструкции в эксплуатации, по своей природе случайны и описываются стохастическими закономерностями;

2) нагрузки, прочностные и деформативные свойства железобетонных конструкций не остаются постоянными, они изменяются с течением времени;

3) в железобетонной конструкции с течением времени раз­виваются повреждения, ухудшающие ее эксплуатационные качества и приводящие к выходу из строя.

В расчетах надежности железобетонных конструкций фактор времени, от которого зависят напряженное состояние, прочностные и деформативные свойства конструкции, рекомендуется учитывать в прямом виде.

Отказ в работе конструкции, при котором она прекращает вы­полнять свои функции, наступает, как правило, в результате накоп­ления и развития повреждений, возникающих при изготовлении, монтаже и эксплуатации железобетонных конструкций.

Цель расчета надежности состоит в том, чтобы при проектировании обеспечить необходимые гарантии против наступления предельных состояний конструкции или отдельных ее частей. Надежность считается обеспеченной, если вероятность достижения опасных состояний достаточно мала.

Эксплуатационные качества конструкции, ее целостность должны обеспечиваться в течение всего времени ее эксплуатации.

Расчет надежности может производиться в двух видах.

1) Определение вероятности безопасной работы конструкции P(t), которая в течение срока эксплуатации выше нормативного уровня Р_н:

P(t)≥P_H. (30.1)

2) Определение с нормативной вероятностью срока службы конструкции Т, который должен быть не менее нормативного срока службы Т„:

Т≥Т_н (30.2)

Значения Р_н и Т_н устанавливаются исходя из условия минимума затрат на строительство и эксплуатацию железобетонных зданий и сооружений, обеспечения безопасности людей, эстетических требований и с учетом опыта проектирования, строительства и эксплуатации. Нормативный уровень надежности устанавливается для каждой группы предельных состояний дифференцировано в зависимости от последствий выхода конструкции из строя.

Из двух оценок надежности (Р и Т) вероятностный показатель носит абстрактный характер, трудно воспринимаемый в практическом отношении. В то же время срок службы как критерий оценки гарантий безопасной работы конструкции выражает реальную ее ценность, качество, потребительские свойства и способность конструкции в масштабе времени выполнять свое главное функциональное назначение по восприятию действующих нагрузок.

Для проектирования железобетонных конструкций на вероятностной основе должен быть накоплен представительный статистический материал об условиях изготовления и режимах эксплуатации конкретных объектов с различными климатическими условиями и прогнозируемым режимом эксплуатации.

Статистические характеристики, отражающие условия изготовления на конкретных заводах железобетонных изделий, должны содержать следующие сведения о конструкции:

• состав бетона;
• прочность бетона на сжатие по результатам испытания кубов 15x15x15 см³;
• прочность и показатели деформативности предварительно напряженной и обычной арматуры;
• уровень и степень статистического рассеивания предварительных напряжений в арматуре между общими усилиями натяжения в отдельных плитах, балках, ригелях.
• отклонения фактических значений геометрических размеров от проектных;
• фактическая толщина защитного слоя бетона.

Статистические выборки должны быть представительными с вычислением моментов случайных величин до третьего порядка включительно и аппроксимацией гистограмм теоретическими кри­выми распределений.

В расчетах надежности и долговечности должны быть учтены режимы эксплуатации и климатические условия объектов строитель­ства. Характеристики режимов эксплуатации и воздействия окружа­ющей среды представляются статистическими данными, удобными для расчетов сроков службы.

Сроки службы конструкций в эксплуатации должны контро­лироваться на основе проведения систематических обследований, контрольных испытаний и проверочных расчетов. Эти расчеты экс­плуатируемых железобетонных конструкций выполняют с учетом данных о фактическом напряженном состоянии и поведении в кон­кретных условиях эксплуатации. При возможных изменениях усло­вий эксплуатации (в связи с увеличением нагрузок, реконструкцией предприятий, заменой оборудования и др.) следует прогнозировать остаточный срок службы и резервы несущей способности с учетом фактического состояния конструкции в эксплуатации в данный момент времени.

Железобетонные конструкции должны воспринимать нагруз­ки и воздействия в течение срока их службы. Прочность и жесткость несущей конструкции, заложенные при изготовлении, не остаются постоянными в процессе эксплуатации, продолжительность кото­рой измеряется десятками лет.

На железобетонные конструкции воздействуют сложные и ком­плексные нагрузки, в том числе воздействия температуры и влажности окружающей среды и силовые нагрузки. Длительность и интенсив­ность этих воздействий существенно влияют на напряженное состояние железобетонной конструкции в любой момент времени. По своей сущности и значимости время, в течение которого конструкции эксплуатируются в исправном виде, является одним из важнейших критериев их эффективности.

Работоспособное время железобетонной конструкции тесно связано со значением напряжений в арматуре и бетоне и с интенсивностью воздействий окружающей среды.

В условиях агрессивной среды срок службы конструкций сокра­щается. По данным натурных обследований складов минеральных удобрений, сроки службы железобетонных конструкций составляют 3...8 лет. Срок службы железобетонных плит покрытия депо Москва-III, в процессе эксплуатации которых происходила интенсивная корро­зия арматуры вследствие агрессивного воздействия газоотопитель­ных систем вагонов и доступа влаги к арматуре, составил 30 лет. Известно, что из-за неблагоприятного воздействия морского влажного воздуха, насыщенного солями морской воды, разрушает­ся гидроизоляция балластного корыта пролетных строений железо­бетонных мостов, более интенсивно протекают коррозия арматуры и карбонизация цементного камня. Наблюдались случаи полного разрушения железобетонной конструкции вследствие ее периоди­ческого увлажнения и высыхания.

Так, в 1972 г. к моменту обрушения железобетонного элеватора, построен­ного в г. Поти в 1937 г. на берегу моря, вследствие коррозии арматуры глубина поражения арматурных стержней диаметром 16 мм в трещинах частей сооруже­ния, обращенных к морю, достигла 6 мм, а с противоположной стороны не превы­шала 1,5 мм. Вполне надежное в момент окончания строительства сооружение рухнуло через 35 лет эксплуатации. После 23 лет эксплуатации обрушилось по­крытие здания «Конгрессхалле» в Западном Берлине в результате длительной корро­зии консольного участка покрытия в месте сопряжения его с вертикальной стеной.

На участках железных дорог, где осуществляются массовые перевозки минеральных удобрений, железобетонные пролетные строения мостов подвержены более интенсивной коррозии.

С течением времени в железобетоне протекают длительные процессы усадки и ползучести, оказывающие значительное влияние на эксплуатационное состояние несущих конструкций различных систем. В статически неопределимых системах вследствие нелинейности и неравномерности деформирования, различий в механических свойствах бетона и арматурной стали и развития процесса трещинообразования происходит перераспределение усилий от внешней нагрузки. Кроме того, в железобетонной конструкции, как внутренне статически неопределимой системе, с течением времени перераспределяются напряжения между арматурой и бетоном. Происходит изменение положения высоты сжатой зоны, более нагруженные сечения разгружаются, а менее нагруженные — нагружаются. С течением времени под влиянием ползучести изменяются соотношения между жесткостями от­дельных сечений: на опорах, как правило, действуют большие изги­бающие моменты, жесткость снижается более значительно, чем в пролете. В результате в статически неопределимых системах вследствие перераспределения усилий общая жесткость конструкции уменьшается.

Выход конструкции из строя происходит, как правило, в результате постепенного накапливания повреждений с течением времени. Напряженное состояние железобетонных конструкций, находящихся в эксплуатации, в значительной мере определяется процессами, протекающими с течением времени. К ним относятся:

• многократно повторяющиеся воздействия нагрузок с течением времени;
• попеременное замораживание и оттаивание в результате изменения температуры и влажности окружающей среды в разное время года;
• ползучесть и усадка бетона, приводящие к образованию и развитию трещин и перераспределению усилий в железобетонных конструкциях;
• длительное действие нагрузок, способное привести к уплотнению бетона либо к его разрыхлению;
• выщелачивание бетона — коррозия первого вида (растворение и вынос из тела конструкции водой компонента цементного камня — извести);
• карбонизация поверхностного слоя железобетонной конструкции, при которой бетон теряет свойство защищать стальную арматуру от коррозии;
• коррозия арматуры, скорость нарастания которой во времени определяется степенью агрессивности окружающей среды;
• температурные перепады, характеризующиеся суточными амплитудами температуры воздуха и суммарным числом дней с переходом температуры через О °С.

Эти процессы, отражающие воздействие нагрузок и окружающей среды, развертываются во времени, что приводит к изменению напряженного состояния конструкции и показателей ее потенциальной несущей способности в эксплуатации.