УДК 626.843
ПРИМЕНЕНИЕ
ЧИСЛЕННЫХ МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ДЛИТЕЛЬНО
ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ ВОДОПРОВОДЯЩИХ СООРУЖЕНИИ
Волосухин Яков Викторович, Заместитель директора Института безопасности
гидротехнических сооружений;
Институт безопасности
гидротехнических сооружений;
Опубликовано 55
печатных работ, в том числе 17 монографий, 5 учебных изданий;
Область научных
интересов – водохозяйственное строительство;
Почтовый адрес:
346421 Россия, Ростовская область, г. Новочеркасск, ОПС №21, а/я № 77, телефон
(8635) 26-60-26, e-mail ibgts@yandex.ru
Бандурин Михаил Александрович,
Кандидат технических наук, Доцент, Старший научный
сотрудник Института безопасности гидротехнических сооружений,
Институт безопасности
гидротехнических сооружений;
Опубликовано 74
печатных работ, в том числе 7 монографий и 14 учебных изданий;
персональный идентификационный код автора (SPIN-код):
6451-2467
Область научных
интересов – водохозяйственное строительство;
Почтовый адрес:
346421 Россия, Ростовская область, г. Новочеркасск, ОПС №21, а/я № 77, телефон
(8635) 26-60-26, e-mail ibgts@yandex.ru
Results of modeling of a technical condition Are resulted is long
maintained bridge crossings through water-spending channels. As a result of
experiment the solid-state model of bearing elements of bridge crossing through
water-spending channels has been constructed. It is considered tensely – the
deformed condition of ferro-concrete bearing elements at various combinations
of loads. As a result of the lead numerical experiments zones of formation of
defects and damages on bearing elements of bridge crossings through
water-spending channels which can contain the same types of characteristic damages
that allows to order process of making of structures of georadar sounding and
definition of points in which it is necessary to make measurements of strength
of concrete at carrying out of natural inspections have been allocated. In this
connection modeling defects on a column in the form of formation of emptiness
and ferro-concrete with the sizes in diameter from 50 mm up to 100 mm is made.
Приводятся результаты
моделирования технического состояния длительно эксплуатируемых мостовых
переездов через водопроводящие каналы. В результате эксперимента была построена
твердотельная модель несущих элементов мостового переезда через водопроводящие
каналы. Рассмотрено напряжённо – деформированное состояние железобетонных
несущих элементов при различных сочетаниях нагрузок. В результате проведенных
численных экспериментов были выделены зоны образования дефектов и повреждений
на несущих элементах мостовых переездов через водопроводящие каналы, которые
могут содержать однотипные виды характерных повреждений, что позволяет
упорядочить процесс прокладывания профилей георадарного зондирования и
определения точек, в которых необходимо производить измерения прочности бетона
при проведении натурных обследований. В связи с этим произведено моделирование
дефектов на колонне в виде образование пустот и разуплотнений железобетона с
размерами диаметром от 50 мм до 100 мм. Установлен интенсивный порог опасности,
начиная с диаметра 100 мм образования пустот и разуплотнений железобетона.
Ключевые слова:
гидротехнические сооружения, водопроводящие каналы, мостовые переезды,
эксплуатационный мониторинг, моделирование, техническое состояние.
Keywords: the hydraulic
engineering constructions which are water-spending channels, bridge crossings,
operational monitoring, modelling, a technical condition.
Строительство мелиоративных систем России, происходило
в 50–70 годах прошлого века, многие мелиоративные системы находятся в неудовлетворительном
состоянии и требуют скорейшей реконструкции или ремонта. В первую очередь, это
касается водопроводящих сетей, протяжённость которых измеряется тысячами
километров. Только на юге России протяжённость таких сетей достигает
80 тыс. км. В Ростовской области около 70 % каналов
водоподводящих и водораспределительных сетей находятся в земляных руслах, в
остальных регионах юга России, за исключением Ставропольского и Краснодарского
краёв, протяжённость их ещё более значительна [1].
Обследования водопроводящих
сооружений субъектов РФ показали, что в ряде случаев их эффективность,
эксплуатационные качества и надежность оказываются недостаточными, что вязано
это с нарушениями нормального выполнения функции водообеспечения системами,
отказами в их работе. Наиболее частыми являются дефекты внутреннего характера,
приводящие к нарушению нормального функционирования водопроводящих сооружений.
Только в
Ростовской области числиться на балансе Ростовмелиоводхоза более 48 мостовых
переездов, которые является составной частью автомобильной дороги и
представляет собой комплекс сложных и дорогостоящих сооружений, его нужно
рассматривать не только как транспортное, но и как гидротехническое сооружение,
а, следовательно, размеры и форма в значительной степени обосновываются
гидрологическими, гидравлическими и русловыми расчётами [2].
Преобладающими
аварийными дефектами являются полное разрушение, образование дефектов,
нарушающих нормальную работу конструкции; нарушение стыковых соединений, а
также разрушение зон опирания, замковой части. Опасными дефектами, вызывающими
ухудшение эксплуатационных свойств в элементах конструкции, становятся
образующиеся трещины, размеры которых превышают предельно допустимые значения,
отслоение защитного слоя бетона, коррозия бетона арматуры в виде высолов и
ржавых потеков [3, 4].
Рис. 1. Эпюра перемещений по вертикали несущих
элементов мостового переезда
Можно сделать вывод,
что нарушения стыковых соединений сборных элементов, разрывы и проломы стенок в
различных зонах, трещины, сдвижка и просадка элементов относительно друг друга
приводят к нарушению нормальной работы мостовых переездов. Отсюда возникают
такие проблемы, как потеря дефицитной поливной воды, подъем уровня грунтовых
вод, заболачивание и засоление орошаемых земель. Решение данных проблем должно
быть основано на обязательном учете требований надежности при проектировании,
строительстве и эксплуатации.
В процессе
эксплуатации под воздействием агрессивных факторов внешней среды происходит
изменение свойств конструкций водопроводящих сооружений. Несвоевременно
выявленные и устраненные дефекты нередко перерастают в серьезные конструктивные
нарушения. Моделировать техническое состояние мостовых переездов предлагается с
применением программного комплекса SCAD в сочетании с исследованием
технического состояния их конструкции по внешним признакам [5].
В результате
эксперимента была построена твердотельная модель несущих элементов мостового
переезда через водопроводящие каналы. Рассмотрено напряжённо – деформированное
состояние железобетонных несущих элементов при различных сочетаниях нагрузок.
Число элементов и
число узлов ансамбля соответственно составило 479021 и 32901. Кодирование
исходной информации осуществлялось в терминах метода приращений с учётом
фрагментального представления несущих элементов мостового переезда в виде
объектов простой геометрической формы выполненных из железобетона марки В 45.
Рис. 2. Эпюра эквивалентного напряжения von Misеs по вертикали несущих элементов мостового переезда
В постановке численного
расчёта несущих элементов мостового переезда через водопроводящие каналы без
образования дефектов преследовалась цель установления адекватности
твердотельной модели напряжённо – деформированного состояния.
При проведении
натурного эксперимента наибольшие значения нормальных напряжений при полном
загружении составили 102,4·105 Н/м2, в численном расчёте
моделировании – 98,7·105 Н/м2 , что составляет разницу
менее 7 % и подчеркивает адекватность твердотельной модели напряжённо –
деформированного состояния [6, 7].
Рис. 3.
Эпюра эквивалентного напряжения von Misеs по горизонтали
вдоль несущих элементов мостового переезда
Сравнения эпюр
перемещений несущих элементов мостового переезда через водопроводящие каналы,
как по вертикали, по горизонтали вдоль и поперёк несущих элементов выявило
незначительные внутренние изменения. Наиболее интересна эпюра перемещений по
вертикали (рис. 1), на которой показано изменение положения горизонтальных
элементов, вследствие приложенных нагрузок, а также смещение оголовков колонн.
Данные результаты свидетельствует о наличии большого запаса прочности именно
горизонтальных элементов [8].
Перемещения по
горизонтали вдоль несущих элементов показывают незначительные смещения зон
опирания железобетонных балок, а перемещения по горизонтали несущих элементов
показывают смещения крайних колонн и опёртых на них железобетонных балок.
Как показали
результаты сравнения эпюр эквивалентного напряжения von Misеs (рис. 2) наибольшие напряжения возникают по вертикали
несущих элементов мостового переезда, а именно на крайних колонах и
горизонтальных балках опёртых на них. Данные результаты свидетельствуют о
возникновении критических напряжений в крайних колонах, на четверть больше чем
в других колоннах мостового переезда.
Рис. 4. Эпюра
перемещений по вертикали элементов мостового переезда при потери несущей
способности колонны
Эпюры эквивалентного
напряжения von Misеs по горизонтали
вдоль и поперёк несущих элементов мостового переезда (рис. 3) показывают также
наибольшие напряжения возникающие в зоне опирания колонны на фундамент,
вызванные деформациями несущих элементов. Присутствуют также напряжения в
горизонтальных железобетонных элементах.
Проведенное
моделирование убедило в наличии существенного запаса прочности несущих
железобетонных элементов мостового переезда.
На втором этапе было
произведено моделирование несущих элементов мостового переезда с образованием
дефектов и повреждений, а именно образование зон разрушений и разуплотнения
железобетона на колонне. Наиболее характерным и опасным дефектом является
потеря несущей способности одной из колонн мостового переезда, а именно крайняя
- как наиболее подверженная внешним воздействиям и испытывающая наибольшие
эквивалентные напряжения von Misеs [9].
Рис. 5. Эпюры
перемещений по горизонтали поперёк элементов
мостового переезда при потери несущей способности колонны
На эпюре перемещений
по вертикали (рис. 4) показано критическое изменение положения колонны и
опирающихся на неё балок, из-за уменьшения её несущей способности вследствие
образования дефектов. Происходит критическое смещение оголовка колонны
вследствие чего потеря устойчивости опирающихся на него балок. Данные
результаты свидетельствует о потери несущей способности именно вертикального
элемента - колонны.
Перемещения по
горизонтали вдоль несущих элементов показывают незначительные смещения зон
опирания железобетонных балок, а перемещения по горизонтали поперёк несущих
элементов показывают критическое смещение крайней колонны, которая тянет за
собой и опёртые на неё железобетонные балки [10, 11].
При сравнении эпюр
эквивалентного напряжения von Misеs и перемещений
(рис. 5) наибольшие напряжения возникают по вертикали несущих элементов мостового
переезда, а именно на оголовке крайней колоны и горизонтальных балках опёртых на
неё. Данные результаты свидетельствуют о возникновении критических напряжений в
местах опирания, в два раза больше чем в других колоннах мостового переезда,
что приводит к разрушению рассматриваемых элементов и потери несущей
способности всего сооружения.
В дальнейшем
произведено моделирование дефектов на колонне в виде образование пустот и
разуплотнений железобетона с потерей несущей способности до половины её
площади. Размеры диаметра дефекта начинались от 50 мм до 100 мм. В ходе
произведенных моделирований был установлен интенсивный порог опасности, начиная
с диаметра 100 мм происходит разрушение колонны.
GVЭ, Н/м2
105 мм по высоте колонны
Рис. 6.
График эквивалентного напряжения по von Misеs мостового переезда при потери несущей способности
колонны
Получены эмпирические
зависимости (рис. 6):
Группа 1 без дефектов
GVЭ=0,000311а2+0,0422а-0,131;
R2=0,97; (1)
Группа
2 с потерей несущей способности
GVЭ=0,00148а2+0,0295а-0,0479;
R2=0,98; (2)
В результате
проведенных численных экспериментов были выделены зоны образования дефектов и
повреждений на несущих элементах мостовых переездов через водопроводящие
каналы, которые могут содержать однотипные виды характерных повреждений, что
позволяет упорядочить процесс прокладывания профилей георадарного зондирования
и определения точек, в которых необходимо производить измерения прочности
бетона при проведении натурных обследований. В связи с этим произведено
моделирование дефектов на колонне в виде образование пустот и разуплотнений
железобетона с размерами диаметром от 50 мм до 100 мм. Установлен интенсивный
порог опасности, начиная с диаметра 100 мм образования пустот и разуплотнений
железобетона.
Литература
1.
Фёдоров В.М.
Оценка надёжности водопроводящей сети оросительных систем // Научный журнал
КубГАУ. – 2011. − № 65(01).
2. Волосухин
В.А., Фролов Д.И. и др. Сборник нормативно-методических документов,
применяемых при декларировании безопасности гидротехнических сооружений. В 10
т. / Под общ. ред. В.А. Волосухина / Академия безопасности ГТС – Новочеркасск,
ЮРГТУ (НПИ), 2011. Том 1. С. 385 – 397.
3. Волосухин
Я.В., Бандурин М.А. Проведение эксплуатационного мониторинга с применением неразрушающих
методов контроля и автоматизация моделирования технического состояния
гидротехнических сооружений / Мониторинг. Наука и безопасность.
2011. № 3. С.
88-93.
4. Бандурин М.А. Обследование состояния оросительных лотковых каналов
Азовской оросительной системы неразрушающими методами / Политематический
сетевой электронный научный журнал кубанского государственного аграрного
университета. 2006. № 24.
С. 72-76.
5. Волосухин В.А., Бандурин М.А. Особенности применения моделирования аварийных
мостовых переездов через
водопроводящие каналы при проведении эксплуатационного мониторинга /Известия высших
учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. 2012. № 5. С.
82-86.
6. Бандурин, М.А. К вопросу о состоянии железобетона лотковых каналов
Азовской оросительной системы / Политематический сетевой электронный
научный журнал Кубанского государственного аграрного университета.
2006. № 24.
С. 82-86.
7. Бандурин М.А. Особенности технической диагностики длительно
эксплуатируемых водопроводящих сооружений / Известия высших учебных заведений.
Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. - 2005.-прилож. № 1 С. 141-147.
8. Бандурин М.А.
Моделирование напряженно-деформированного состояния оросительного
лотка-оболочки / Политематический сетевой электронный
научный журнал Кубанского государственного аграрного университета.
2006. № 24.
С. 76-81.
9. Бандурин М.А. Особенности
технической диагностики длительно эксплуатируемых водопроводящих сооружений /
Инженерный вестник Дона 2012 № 2.
10. Волосухин
Я.В., Бандурин М.А. Вопросы моделирования технического состояния водопроводящих каналов при
проведении эксплуатационного мониторинга / Мониторинг. Наука и безопасность.
2012. № 1. С.
70-74.
11. Волосухин В.А., Бандурин М.А. Патент на изобретение «Способ проведения эксплуатационного мониторинга
технического состояния лотковых каналов оросительных систем» № 2368730.
Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений 27 сентября 2009 г.