Оценка работоспособности каменных конструкций при химической коррозии

Каменные конструкции имеют большое значение в строительстве не только жилищно-гражданских, но и промышленных зданий.

Стены зданий, эксплуатируемых в городских условиях, подвергаются значительным воздействиям не только воды (атмосферных осадков, грунтовых вод), но и солей, температурных перепадов. Неблагоприятная экологическая обстановка в крупных городах вносит свою «лепту» в разрушение фасадов особенно исторических зданий и сооружений. В кирпичной кладке старых зданий происходит накапливание влаги, которая ведет к разрушению стены. Соли, содержащиеся в воде, образуют высолы на поверхности, которые препятствуют удержанию ремонтных составов.

Несмотря на известные успехи в исследовании сопротивления материалов и широкое применения каменных конструкций, физически обоснованная теория работы кладки еще не создана и при расчетах ее прочность определяется по эмпирическим зависимостям. Наиболее удачная теория проф. JL Онищика положена в основу СНиП П-22−81* «Каменные и армокаменные конструкции» и дает хорошие результаты расчета традиционной кладки на растворах невысокой прочности, при расчетах кладки на высокопрочных растворах или с высокими камнями, погрешности ее использования весьма значительны. Существующие нормативные методы учета влияния агрессивных сред на материалы и конструкции из них посредством коэффициентов условий работ по общему признанию специалистов являются несовершенными и не могут дать надежной оценки работоспособности материалов в условиях физико-химической агрессии. Химическая долговечность материалов в агрессивных средах зависит от проницаемости и других физических свойств материалов, температуры и концентрации среды, размеров и формы изделий, длительности агрессивного воздействия и т. д. и не может оцениваться какими-то численными значениями коэффициентов условий работы. Количественная оценка возможна с использованием специальных функций, учитывающих синергический эффект указанных факторов. Такой подход в промышленном строительстве и противокоррозионной технике пока не получил развития в отечественной и зарубежной практике.

Определяющими критериями пригодности при выборе материалов и конструкций для строительства и реконструкций предприятий с наличием агрессивных технологических и природных сред становятся их химическое сопротивление и долговечность в агрессивных условиях эксплуатации. Поэтому назрела настоятельная необходимость в обосновании теории химического сопротивления строительных конструкций и создании на ее основе надежных инженерных методов количественной оценки и прогноза работоспособности и долговечности и конструкций с учетом действия конкретных агрессивных сред.

Цель работы:

— разработка и экспериментальное обоснование методики расчета прочности и устойчивости центрально и внецентренно сжатых элементов каменных конструкций в условиях химически агрессивных воздействий.

Научную новизну работы составляют:

— нелинейная модель расчета напряженно-деформированного состояния и несущей способности внецентренно-сжатых элементов каменных конструкций при химически агрессивных воздействиях;

— аналитическая зависимость между напряжениями и деформациями при длительном нагружении кирпичной кладки, подверженной химически агрессивным воздействиям;

— статистически обоснованные зависимости изменения во времени глубины проникания химически агрессивных сред в тело кирпичной кладки;

— статистически обоснованные зависимости изменения во времени прочности материалов кирпичной кладки, подверженной воздействию химически агрессивных сред;

— новые опытные данные об особенностях деформирования и разрушения сжатых элементов кирпичной кладки при воздействии растворов кислот;

— результаты численных расчетов влияния химически агрессивной среды на несущую способность стержневых элементов каменных конструкций при кратковременном и длительном нагружении;

— инженерная методика оценки несущей способности центрально и внецен-тренно-сжатых элементов при химических воздействиях.

Достоверность результатов обеспечивается: экспериментальным обоснованием исходных положений исследованийрешением поставленных задач на основе феноменологических зависимостей с использованием общепринятых допущений строительной механикисравнением результатов расчета с результатами вычислений по действующим нормативным документам.

Практическое значение и внедрение результатов работы. Предложенная модель расчета несущей способности центрально и внецентренно-сжатых элементов каменных конструкций при химически агрессивных воздействиях обеспечивает возможность рационального использования конструкций на стадии проектирования нового строительства и реконструкции зданий и сооружений с химически агрессивной средой. Научное исследование проводилось в рамках Федеральной целевой программы «Экономическое и социальное развитие Дальнего Востока и Забайкалья на 1996;2005 и до 2010», раздел «Техноэко-полис Комсомольск-Амурск-Солнечный». Полученные результаты использованы при разработке проектов реконструкции ряда жилых и производственных зданий г. Комсомольска-на-Амуре Хабаровского края. Результаты работы внедрены в учебный процесс ГОУВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет». Работа выполнялась при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 00−15−99 443).

Апробация работы. Материалы работы докладывались и получили одобрение на XXIX — XXXIII научно-технических конференциях студентов и аспирантов ГОУВПО КнАГТУ (г. Комсомольск-на-Амуре Хабаровский край, 20 002 005 г. г.), на научных конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГАСУ (2002;2003 г.), на 43-й Всероссийской научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки (ДВГУПС г. Хабаровск 2003 г.).

Основные положения диссертации изложены в 2 статьях и монографии.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложений.

Выводы и задачи исследований.

Из результатов анализа проведенных исследований следует.

Для оценки технического состояния конструкции на основе предыдущей 1 эксплуатации в окружающей агрессивной среде необходимо выявить действительную несущую способность ее элементов во времени и с учетом внешних воздействий окружающей среды. Важным остается вопрос установления процента понижения несущей способности элементов конструкции, вследствие коррозионных повреждений материалов кирпичной кладки.

До настоящего времени еще не создано общего метода расчета конструкций, подвергающихся разрушению в химически агрессивных средах. Свидетельством этого является отсутствие в СНиП указаний по расчету таких конструкций. Поэтому накопление экспериментальных данных для выявления функциональных зависимостей прочностных и деформативных свойств материалов кирпичной кладки от внешних агрессивных воздействий и нагрузки для будущей нормативной методики расчета таких конструкций является актуальным.

Существующие исследования элементов не учитывают перераспределение внутренних усилий в сечении элементов в зависимости от уровня нагруже-ния и внешних агрессивных воздействий.

Все это свидетельствует о необходимости разработки и совершенствования методов оценки несущей способности элементов с учетом нелинейного характера деформирования кирпичной кладки, под воздействием химической коррозии и удобных для применения в инженерных расчетах.

Поэтому с учетом состояния вопроса сформулированы следующие основные задачи исследования:

— разработать методику расчета кратковременной и длительной прочности и устойчивости, стержневых элементов каменных конструкций с коррозионными повреждениями, с учетом нелинейных диаграмм деформирования кирпичной кладки, коррозионных повреждений кладки в виде изменения ее прочностных и деформативных свойств, наличия коррозионных трещин;

— разработать алгоритм и программу расчета на ПВЭМ напряженно-деформированного состояния стержневых элементов каменных конструкций с коррозионными повреждениями;

— выполнить экспериментальные исследования влияния коррозионных повреждений кирпичной кладки от действия кислых агрессивных сред на кратковременную несущую способности внецентренно — сжатых элементов;

— на основе результатов численных экспериментов на ПВЭМ разработать практическую методику оценки несущей способности сжатых стержневых элементов с учетом влияния химической коррозии.

ГЛАВА 2. ВЫВОД УРАВНЕНИЯ ДЕФОРМИРОВАНИЯ КИРПИЧНОЙ КЛАДКИ В УСЛОВИЯХ ХИМИЧЕСКОЙ КОРРОЗИИ.

2.1. Теоретические предпосылки.

В теории расчета бетонных и железобетонных конструкций для описания работы бетона при длительном нагружении существует несколько основных феноменологических теорий ползучести, которые с существенно разной степенью точности отражают основные особенности процесса ползучести в наиболее важных случаях нагружения. Анализу различных теорий ползучести бетона в литературе уделено много внимания [6, 10, 58, 95 и др.], поэтому здесь широко этот вопрос не рассматривается.

Наличие различных теорий ползучести объясняется тем, что авторы теорий, разделяя простую ползучесть на линейную и нелинейную используют разные подходы к описанию их составляющих. Для количественной оценки линейной ползучести используют характеристику ползучести (p{t) или меру ползучести C{t, r), а нелинейность ползучести учитывают функцией /[<т (0].

Функция меры ползучести C{t, r), в принципе, может быть любой. Единственным требованием, которое предъявляется к ней, является ее инвариантность по отношению к началу отсчета времени [10].

В теории упругой наследственности функцию меры ползучести принимают в виде экспоненциальной зависимости.

C (f, r) = COT-[l-exp[-Z>-(/-r)]], (2.1) где b — опытный параметр, не зависящий от времениСюпредельная характеристика меры ползучести.

Закон изменения меры ползучести по Н. Х. Арутюняну [5] представляют в виде произведения двух функций:

C (f, r) = 0®./(f-r), (2.2) где f{t-r) = [ -ехр[-/-(/-г)]]- в (т) = С0+ —- Ax, y — опытные параметрыт.

С0 — предельная характеристика меры ползучести.

В теории старения в качестве параметра линейной ползучести используется характеристика, связанная с мерой ползучести простой зависимостью.

2.3).

Ео, а для определения характеристики ползучести cp (t) в любой момент времени применяют экспоненциальную функцию р{*) = <�р<�х>' D ~~ ехр (-b-t)], (2.4) где Ъ — опытный параметр, не зависящий от времениt — длительность загруже-ния, сут- (р^ - предельная характеристика ползучести.

Для представления нелинейной функции напряжений / [сг (/)], имеется ряд предложений. Согласно исследованиям П. И. Васильева [14], В. М. Бондаренко [11] и других ученых, / [сг^)] можно аппроксимировать выражением.

2.5) где rjn, mn — параметры нелинейности деформаций ползучести.

Ряд исследователей [5, 15, 80] нелинейную функцию напряжений предлагают описывать в несколько ином виде: (2−6) где m — параметр, определяющий степень нелинейности связи между деформацией ползучести и действующим напряжением (для m = 2 решение получено Н. Х. Арутюняном, И. И. Улицкимдля m = 4- 5 — Г. Д. Вишневецким и Т.К. Иг-натенко) — /? — опытный параметр нелинейной ползучести.

Исследования ползучести кирпичной кладки, С. В. Полякова [55] показали, что законы ее поведения при длительном нагружении имеют сходство с кривыми, характеризующими ползучесть в растворе и бетоне. Им предложены.

ЫОЬ^М.

0 Г R ь у эмпирические формулы для оценки деформаций ползучести к моменту времени г = 150 суток в зависимости от возраста кладки в момент загружения.

2.7).

Последующие испытания показали, что расчетное время г = 150 суток является условным: даже при г > 150 суток кирпичная кладка обладает свойствами ползучести.

Теоретическое решение задачи о ползучести сечения кирпичной кладки в условиях линейной ползучести принадлежит С. В. Полякову [55]:

— на основе линейной теории упруго — ползучего тела связь между напряжениями и деформациями в кладке представлена в виде dox (г).

1 «{dcr, и.

Ж?) dr, где tH, tn и г возраст кладки, соответственно, в момент приложения продольной силы, в момент определения деформаций и текущийсг/, ?/- краевые напряжения и деформация в кладкеC (tH, tn) — мера ползучести кладки- - на основе линейной теории старения: dr. о о №).

В расчетах С. В. Полякова принята линейная эпюра распределения напряжения по поперечному сечению. Исследовался закон изменения напряжений и деформаций кирпичного столба сечением 51×51 см. Сопоставление расчетов показало близкое совпадение величин напряжений, найденных по двум рассмотренным методам. Хотя применение теории старения основано на большем числе допущений, точность этой теории оказалась практически такой же, как и в применении теории Н. Х. Арутюняна. Учитывая значительную простоту подхода теории старения С. В. Поляков рекомендовал применять её когда модуль упругости кирпича и раствора может быть принят неизменным во времени.

Эксперименты С. В. Полякова установили границу между линейной и нелинейной ползучести кирпичной кладки на уровне (7 = (0,3 — 0,6)R. Эти эксперименты также показали применяемость зависимостей теории старения для описания ползучести кладки и возможность представления характеристики ползучести кладки. В [55] С. В. Поляков обосновал, что деформации ползучести кладки удобно оценивать при помощи характеристики ползучести, представляющей отношение значений пластических деформаций в любой момент времени t2 к значению упругой деформации в момент времени нагружения tH.

Е у пр Ун).

Максимальные значения величины характеристики ползучести (p (, t") принимаются равными = 2,2 для кладки из глиняного кирпичаp (cc, tH) = 2,8 для кладки из блоков и камней. Принятие таких постоянных значений предельной характеристики (p{^, t") ползучести постулирует независимость этой характеристики от времени нагружения tu. Такая гипотеза справедлива для значений tH > 30 суток, при этом характеристику ползучести кладки можно аппроксимировать выражением p (t2,th) =.

tN)-l-e-bt>, (2.8) где показатель степени b будет менять свои значения в зависимости от состава растворов кирпичной кладки. Для кладок на известковых и смешанных растворах он будет больше, чем для кладок на цементных растворах.

В СНиП [117] влияние ползучести на несущую способность кирпичной кладки учитывается коэффициентом mq, который в нормах принят в виде линейной зависимости от = 10{mg = l) до ^ = 30{mg = 0,63- rj = 0,37), что является условным.

Таким образом, вопрос применения различных уравнений ползучести бетона к задачам расчета несущей способности железобетонных конструкций, работающих в инертной среде, рассматривался многими исследователями. Исследования ползучести бетона в условиях химической коррозии немногочисленны, здесь можно отметить работы А. И. Мальганова, А. И. Попеско, О.И. Ан-цыгина и некоторых других. Работы, посвященные исследованию ползучести кирпичной кладки в условиях химической коррозии единичны [113] и не доведены до практического применения.

В основу настоящих исследований положено уравнение И. И. Улицкого [80] нелинейной теории старения, которое для описания деформаций ползучести бетона имеет вид о о о da{r) 1 +df[(j{r) (p{t)-(p{r) dr, (2.9) dr E{t) dr E0 где.

Основным недостатком уравнения (2.9) является то, что оно устанавливает полную необратимость деформаций ползучести, т. е. непригодно для описания работы бетона при разгрузке. В настоящих исследованиях по условию поставленных задач разгрузка исключается, поэтому данный недостаток не имеет значения. Простота уравнения и наличие подтвержденных на практике коэффициентов (значение характеристики ползучести, параметра нелинейности, поправочных коэффициентов и т. п. [80]) позволяют считать применение уравнения И. И. Улицкого достаточно обоснованным. Таким образом, приняв за основу уравнение (2.9), построим уравнение ползучести для кирпичной кладки в условиях химической коррозии.

2.2. Определение параметров линейной ползучести кирпичной кладки.

Для определения параметров линейной и нелинейной ползучести кирпичной кладки воспользуемся результатами экспериментов С. В. Полякова [55].

Исследования проводились на образцах кладки из глиняного кирпича пластического прессования в возрасте tH = 33. 46 суток.

1) Серия Кразмер образцов 25×12×40 см, на известково-песчаном растворе (1:3).

2) Серия Нразмер образцов 25×12×40 см на цементно-известково-песчаном растворе (1:0,7:5,5), цемент М200.

3) Серия Ж: размер образцов 38×38×103 см на цементно-известково-песчаном растворе (1:0,7:5,5), цемент М400.

На рис. 2,1 приведены экспериментальные деформации ползучести кирпичной кладки > развивающиеся в процессе длительной выдержки под нагрузкой, построенные по опытным данным С. В. Полякова. Величина e™(t) под-считывалась по формуле (2.10) где — полная и упругая деформацииt- время действия нагрузки.

Рис. 2.1. Опытные деформации ползучести кирпичной кладки [55].

На рис. 2.2 приведены экспериментальные кривые меры ползучести C (t), значения которой вычислялись по формуле (2.11) где.

9 8 7 6 5 4 3 2 1 0.

240 260 t, сут.

Рис. 2,2. Мера ползучести кирпичной кладки.

На базе построенных опытных кривых C^ft) путем экстраполяции определялись соответствующие ординаты теоретических кривых мер ползучести, для аппроксимации которых использована зависимость.

-(l-exp-6'), (2.12) где С&tradeи b — опытные параметры.

В таблице 2.1 приведены средние значения предельной меры ползучести (С&trade-), для кирпичной кладки, найденные с помощью метода наименьших квадратов при b = 0,01 по данным С. В. Полякова.

На основе данных табл. 2.1 построена линейная модель расчета предельной меры ползучести кирпичной кладки в зависимости от её прочности и уровня нагружения.

С = aQ + а^ + a2rj = 3,485 — 0,449 —1,172−7, (2−13) где ао, о 1, а2 — коэффициенты регрессии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате выполненных исследований получены новые решения актуальной научной задачи: проведены теоретические и экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния и несущей способности центрально и внецентренно — сжатых элементов каменных конструкций по первому предельному состоянию в условиях химической коррозии, позволяющие сделать следующие выводы.

1. До настоящего времени еще не создано общего метода расчета прочности и устойчивости элементов каменных конструкций, подвергающихся разрушению в химически агрессивных средах. Свидетельством этого является отсутствие в СНиП указаний по расчету таких конструкций.

2. Разработанная методика исследования напряженно-деформированного состояния и несущей способности центрально и внецентренно-сжатых элементов каменных конструкций при коррозионных воздействиях, позволяет оценить проектные решения элементов с учетом их физической и геометрической нелинейности на всем диапазоне нагрузок при коррозионных воздействиях.

3. Для численной реализации методики разработаны алгоритм и программа расчета на ЭВМ.

4. Получены новые опытные данные об изменении физико-механических характеристик кирпичной кладки под воздействием жидких кислых сред, а также результаты влияния воздействия жидких кислотных сред на изменение кратковременной прочности центрально сжатых кирпичных столбов.

5. Выполнен анализ экспериментальных результатов с результатами расчета по предложенной методике. Сравнение показало адекватность разработанной методики расчета, позволяющей получить достаточно близкие к действительным значениям результаты.

6. Проведенный численный эксперимент на ЭВМ, позволил разработать удобную в применении инженерную методику оценки несущей способности центрально и внецентренно-сжатых элементов из кирпичной кладки при коррозионных воздействиях. Методика основана на использовании коэффициентов продольного изгиба и коэффициентов длительного сопротивления. Предложены таблицы для определения данных коэффициентов при коррозионных повреждениях. Реализация методики в диссертации показана на примерах.