Практичні методи оцінювання залишкового ресурсу сталезалізобетонних мостів - Статья

В статті розглядаються підходи до оцінювання залишкового ресурсу сталезалізобетонних мостів.В Україні експлуатується біля 28 тисяч мостів. Із сталевими прогоновими будовами нараховується дещо більше 1600 мостів, але в останнє десятиліття активно будуються саме стале залізобетонні мости. Враховуючи тривалий термін експлуатації існуючих сталезалізобетонних мостів, актуальною є проблема оцінювання їх залишкового ресурсу. Задачу оцінювання залишкового ресурсу вирішують на основі деградаційних моделей, які якісно описують погіршення стану конструкцій та їх елементів з часом, використовуючи як імовірнісний [1, 8, 9 та ін.], так і детерміністичні [10, 11 та ін.] методи прогнозування. Для імовірнісного оцінювання ступеню пошкодження прогонових будов сталезалізобетонних мостів приймають такі формалізовані умови: - усі деградаційні процеси у залізобетоні та сталі є випадковими марківськими процесами, що дозволяє на кожному відрізку часу визначати їх незалежно від попередньої історії [8, 9].На рисунку 1, а наведений характерний графік роботи конструкції або споруди у часі, на якому можна виділити три стадії: - перша - стадія навантаження споруди, яка найчастіше триває до одного року, коли відбувається припрацювання і пружна робота конструкції; друга - стадія експлуатації тривалістю декілька десятиріч, при якій відбувається процес накопичення пошкоджень і непружних деформацій у часі; Розрахункова модель роботи конструкції у часі: а-діаграма роботи, б-розрахункова діаграма; 1,2,3 - стадії роботи; t - час; TR - термін експлуатації конструкції до руйнування Рівняння граничного стану визначають через характеристики напружено-деформованого стану елементів конструкцій, розміри дефектів і тріщин, характеристики механічних властивостей конструктивних матеріалів (бетону і сталі). Оцінюючи за результатами обстежень змінювання міцнісних властивостей конструкцій за певний проміжок часу за формулою (6) можна отримати інтенсивність зношення.Оцінювання залишкового ресурсу сталезалізобетонних мостів можливо виконувати, використовуючи імовірнісний метод, при цьому точність визначення залишкового ресурсу залежить від точності оцінювання технічного стану (ступеню зношення) споруди на час обстеження.

залишковий ресурс сталезалізобетонний міст

На рисунку 1, а наведений характерний графік роботи конструкції або споруди у часі, на якому можна виділити три стадії: - перша - стадія навантаження споруди, яка найчастіше триває до одного року, коли відбувається припрацювання і пружна робота конструкції;

- друга - стадія експлуатації тривалістю декілька десятиріч, при якій відбувається процес накопичення пошкоджень і непружних деформацій у часі;

- третя - стадія стрімкого руйнування, коли спостерігається лавиноподібне погіршення споживчих властивостей споруди.

а б

Рис. 1. Розрахункова модель роботи конструкції у часі: а -діаграма роботи, б- розрахункова діаграма; 1,2,3 - стадії роботи; t - час; TR - термін експлуатації конструкції до руйнування

При технічному діагностуванні конструкції у момент часу tk проводять інструментальне оцінювання положення точки U(tk) у координатній площині U-t (рисунок 1, б). Згідно із заданим положенням точки U(tk) та історії навантаження будують розрахункову модель (1) накопичення пошкоджень. Далі прогнозують траекторію Um(t) до моменту досягнення критичного UR рівня пошкоджень, при якому реалізується граничний стан заданого виду

UR - U(t)= 0. (3)

Рівняння граничного стану визначають через характеристики напружено-деформованого стану елементів конструкцій, розміри дефектів і тріщин, характеристики механічних властивостей конструктивних матеріалів (бетону і сталі). Залишковий ресурс за цією схемою є різниця моментів часу технічного діагностування конструкції tk і TR досягнення граничного стану. Обчислити ресурс можна за формулою (2) із заміною нижньої межі на U(tk).

Для експоненційного закону змінювання нормативної міцності конструкцій [13] можна записати

(4) де ?о - нормативна міцність конструкції;

? - інтенсивність зношення (відмов) елемента.

У відносних величинах буде

(5) де величина ? характеризує відносну надійність конструкції по відношенню до нормативної надійності.

Після логарифмування (5) отримують

(6) або (7)

Оцінюючи за результатами обстежень змінювання міцнісних властивостей конструкцій за певний проміжок часу за формулою (6) можна отримати інтенсивність зношення.

Для практичних розрахунків на сьогоднішній день єдиною нормативною характеристикою надійності конструкцій при оцінюванні міцності є коефіцієнти, які використовують у чинних нормах [14]: за матеріалами ?m, за навантаженням ?t, за призначенням ?n, умов роботи ?с. Зазначені коефіцієнти можуть бути зведені до повного коефіцієнта надійності ?.

Для порівнювальних розрахунків прогонових будов сталезалізобетонних мостів згадані коефіцієнти по відношенню до математичних сподівань відповідних величин у середньому можуть бути прийняті: ??=1,2; ?n=1; ?c=1;

для сталевих і залізобетонних конструкцій, які руйнуються по арматурі

(8) для залізобетонних конструкцій, які руйнуються по бетону

(9)

У формулах (8) і (9): ?s і ?b - коефіцієнти надійності сталі та бетону;

Vs=0,07; Vb=0,135 - коефіцієнти мінливості (варіації) відповідно для сталі та бетону;

1,64 - число імовірності (квантіль), яке відповідає забезпеченості 0,95.

Для навантажень математичне сподівання з деяким запасом приймають таким, що дорівнює величині нормативного навантаження.

Повні коефіцієнти нормативної надійності становитимуть: для сталевих і залізобетонних конструкцій, які руйнуються по арматурі для залізобетонних конструкцій, які руйнуються по бетону що у середньому при використанні сталі та бетону складає

У момент руйнування повний коефіцієнт надійності що відповідає відносній надійності

(10)

Якщо значення ?=0,6 підставити у (7), можна отримати час до руйнування споруди

(11)

Отримані залежності дозволяють кількісно оцінювати експлуатаційну придатність конструкцій у часі. При цьому інтенсивність зношення ? може бути визначена будь-яким іншим способом, наприклад, рекомендованим у настановах [8].

Як приклад, нижче розглянуто визначення залишкового ресурсу для прогонової будови сталезалізобетонних мостів. За аналізом даних, виконаних авторами, можна встановити, що після 10...15 років експлуатації несуча здатність прогонової будови складає у середньому 85 % від нормативної, тобто У цьому випадку інтенсивність зношення складе при згаданому зменшенні міцності за 10 років при зменшенні міцності за 15 років

Відповідно терміни служби до відмови прогонової будови складуть відповідно

Якщо відняти час, який минув з початку експлуатації, то залишковий ресурс (час до повного руйнування) у першому випадку становить 31 - 10 = 21 рік, а у другому 45 - 15 = 30 років.Оцінювання залишкового ресурсу сталезалізобетонних мостів можливо виконувати, використовуючи імовірнісний метод, при цьому точність визначення залишкового ресурсу залежить від точності оцінювання технічного стану (ступеню зношення) споруди на час обстеження.

1. ВБН В.3.1-218-174-2002. Мости та труби. Оцінка технічного стану мостів, що експлуатуються. Державна служба автомобільних доріг України. - К.: 2002. - 74 с.

2. ДБН В.2.3-6-2002. Мости та труби. Обстеження та випробування / Держбуд України. - К., 2002. - 26 с.

3. Кваша В.Г. Обстеження та випробування автодорожніх мостів: Монографія. - Львів: Вид-во НУ “Львівська політехніка”, 2002. - 104 с.

4. Кириллов В.С. Эксплуатация и реконструкция мостов и труб на автомобильных дорогах. - М.: Транспорт, 1971. - 196 с.

5. Коваль П.М. Використання методу акустичної емісії при дослідженні мостів // Автошляховик України, 2002. - № 1. - С. 34-37.

6. Коваль П.М., Полюга Р.І., Сташук П.М. Діагностика залізобетонних балкових конструкцій, що працюють в умовах малоциклових навантажень із використанням методу акустичної емісії // Ресурсоекономні матеріали, конструкції будівлі та споруди. Зб. наук. праць. - Рівне: НУВГП, 2006. - Вип. 14. - С. 481-487.

7. ІН В3.2-218-03449261.036-96. Інструкція по організації догляду за штучними спорудами / Українська державна корпорація “Укравтодор”. - К., 1996. - 90 с.

8. Настанови з визначення технічного стану мостів. - ТАУ. - К.: Логос, 2002. - 117 с.

9. Лантух-Лященко А.И. О прогнозе остаточного ресурса мостов // Дороги і мости. Зб. наук. праць. В 2-х томах: Т. ІІ. - К.: ДЕРЖДОРНДІ, 2007. - Вип. 7. - С. 3-7.

10. Шестериков В.И. Прогнозирование работоспособности сталежелезобетонных пролетных строений // Автомобільні дороги та дорожнє будівництво, 2004. - № 69. - К.: НТУ. - С. 267-272.

11. Kuznetsov V.M., Tseitlin G., Hitrov V., Zaitchik I., Brodski G., Brodskaia E., Enutin Y., Shesterikov V. Bridge Management System for City of Moscow. - 9th International Bridge Management Conference. - Orlando, Flodida, USA, 2003. - P.P. 96-101.

12. Проектирование долговечности бетонных конструкций. Доклад RILEM (пер. с англ.). Экспо Финляндии, 1994. - 122 с.

13. Барашиков А.Я., Сирота М.Д. Надійність будівель і споруд: Навч. посібник. - К.: УСДО, 1993 - 204 с.

14. ДБН В.2.3-14:2006. Споруди транспорту. Мости і труби. Правила проектування. - Київ: Мінбуд України, 2006. - 359 с.

Размещено на .ru