Алгоритмы надежности для расчета-прогноза долговечности железобетона при хлоридной агрессии: анализ методологии и приложений

Проведен анализ вероятностного начала коррозии в железобетонных конструкциях, подверженных проникновению ионов хлорида. Прочность конструкции является важным критерием, который должен оцениваться в каждом типе конструкции, особенно когда эти конструкции эксплуатируются в агрессивных средах. Рассматривая железобетонные элементы, процесс диффузии хлоридов широко используется для оценки долговечности. Поэтому при моделировании этого явления коррозия арматуры может быть лучше оценена и предотвращена. Эти процессы начинаются при достижении порогового уровня концентрации хлоридов на стальных стержнях арматуры. Несмотря на надежность нескольких моделей, предложенных в литературе, детерминированные подходы не могут точно предсказать время начала коррозии из-за случайности, наблюдаемой в этом процессе. В связи с этим долговечность может быть более реалистично представлена с использованием вероятностных подходов. В статье представлен вероятностный анализ проникновения ионов хлорида. Проникновение ионов хлорида моделируется с использованием второго закона диффузии Фика. Этот закон представляет собой процесс диффузии хлоридов, учитывая зависящие от времени эффекты. Вероятность отказа рассчитывается с использованием моделирования Монте-Карло и метода надежности первого порядка (FORM) с подходом прямой связи. Для изучения этих явлений рассматриваются некоторые примеры и предлагается упрощенный метод определения оптимальных значений для защитного слоя бетона.

1. Ueli Angst, Bernhard Elsener, Claus K. Larsen, Øystein Vennesland. Critical chloride content in reinforced concrete – A review. <i>Cement and Concrete Research</i>. 2009. Vol. 39, pp. 1122–1138. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2009.08.006

2. Santiago Guzmán, Jaime C.Gálvez, José M. Sancho. Cover cracking of reinforced concrete due to rebar corrosion induced by chloride penetration. <i>Cement and Concrete Research.</i> 2011. Vol. 41, Iss. 8, pp. 893–902. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2011.04.008

3. Tianyu Xiang, Renda Zhao Evaluation of the reliability of diffusion of chlorides in fatigue-damaged concrete. <i>Engineering Structures</i>. 2007. Vol. 29. Iss. 7, pp. 1539–1547. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2006.09.002

4. Izabela Skrzypczak, Marta S owik, Lidia Buda-O g. The Application of reliability analysis in engineering practice – reinforced concrete foundation. <i>Procedia Engineering</i>. 2017. Vol. 193, pp. 144–151. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.06.197

5. Jung S. Kong, Ayman N. Ababneh, Dan M. Frangopol, Yunping Xi. Reliability analysis of chloride penetration in saturated concrete. <i>Probabilistic Engineering Mechanics</i>. 2002. Vol. 17. Iss. 3, pp. 305–315. https://doi.org/10.1016/S0266-8920(02)00014-0

6. Trevor J Kirkpatrick, Richard E Weyers, Christine M Anderson-Cook, Michael M Sprinkel. Probabilistic model for the chloride-induced corrosion service life of bridge decks. <i>Cement and Concrete Research.</i> 2002. Vol. 32. Iss. 12, pp. 1943–1960. https://doi.org/10.1016/S0008-8846(02)00905-5

7. Woo-Yong Jung, Young-Soo Yoon, Young-Moo Sohn Predicting the remaining service life of land concrete by steel corrosion. <i>Cement and Concrete Research</i>. 2003. Vol. 33. Iss. 5, pp. 663–677. https://doi.org/10.1016/S0008-8846(02)01034-7

8. Tuutti Kyösti Corrosion of steel in concrete. 1982. [Doctoral Thesis (monograph), Division of Building Materials]. Swedish Cement and Concrete Research Institute, Stockholm.

9. Thirumalai Parthiban, R. Ravi, G.T. Parthiban Potential monitoring system for corrosion of steel in concrete. <i>Advances in Engineering Software.</i> 2006. Vol. 37. Iss. 6, pp. 375–381. https://doi.org/10.1016/j.advengsoft.2005.09.004

10. Michael P. Enright, Dan M. Frangopol. Probabilistic analysis of resistance degradation of reinforced concrete bridge beams under corrosion. <i>Engineering Structures</i>. 1998. Vol. 20. Iss. 11, pp. 960–971. https://doi.org/10.1016/S0141-0296(97)00190-9

11. Duracrete, “Statistical Quantification of the Variables in the Limit Stat Functions,” Contract BRPR-CT95-0132, Project BE95-1347, The EU-Brite EuRam III, January 2000.

12. Kim Anh T. Vu, Mark G. Stewart. Structural reliability of concrete bridges including improved chlorideinduced corrosion models. <i>Structural Safety</i>. 2000.

13. Vol. 22. Iss. 4, pp. 313–333. https://doi.org/10.1016/S0167-4730(00)00018-7

14. Sanjeev Kumar Verma, Sudhir Singh Bhadauria, Saleem Akhtar. Estimating residual service life of deteriorated reinforced concrete structures. <i>American Journal of Civil Engineering and Architecture</i>. 2013. Vol. 1 (5), pp. 92–96. DOI: 10.12691/ajcea-1-5-1

15. Stewart M.G., Rosowsky D.V. Structural safety and serviceability of concrete bridges subject to corrosion. <i>Journal of Infrastructure Systems</i>. 1998. Vol. 4, pp. 146-155.

16. Allen C. Estes, Dan M. Frangopol. Updating bridge reliability based on bridge management systems visual inspection results. <i>Journal of Bridge Engineering</i>. 2003. Vol. 8 (6). DOI: 10.1061/(ASCE)1084-0702(2003)8:6(374)

17. Q. Suo, M. Stewart. Corrosion cracking prediction updating of deteriorating RC structures using inspection information. <i>Materials Science.</i> 2009. Vol. 94, pp. 1340–1348, DOI:10.1016/j.ress.2009.02.011

18. Crank J. The Mathematics of Diffusion. 2nd ed. Clarendon Press, Oxford, London. 1975. 414 p.

19. Dhir R.K., Jones M.R., Ng S.L.D. Prediction of total chloride content profile and concentration/time-dependent diffusion coefficients for concrete. <i>Magazine of Concrete Research</i>. 1998. Vol. 50. Iss. 1, pp. 37–48. https://doi.org/10.1680/macr.1998.50.1.37

20. Ditlevsen O., Madsen H.O. Structural reliability methods. Department of mechanical engineering technical university of Denmark. June-September, 2007.

21. Abraham M. Hasofer, Niels C. Lind. Exact and invariant second-moment code format. <i>Journal of the Engineering Mechanics Division</i>. 1974. Vol. 100. Iss. 1.

22. LiuyangFengXudongQian An adaptive learning approach to determine and update crack sizes from strain relaxation data for welded plate joints. <i>Engineering Fracture Mechanics</i>. 2022. Vol. 259. 108165. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2021.108165

23. Edson Denner Leonel, Alaa Chateauneuf, Wilson Sergio Venturini. Probabilistic crack growth analyses using a boundary element model: Applications in linear elastic fracture and fatigue problems. <i>Engineering Analysis with Boundary Elements</i>. 2012. Vol. 36. Iss. 6, pp. 944–959. https://doi.org/10.1016/j.enganabound.2011.12.016

24. Leonela E.D., Chateauneuf A., Venturini W.S., Bressolette P. Coupled reliability and boundary element model for probabilistic fatigue life assessment in mixed mode crack propagation. <i>International Journal of Fatigue</i>. 2010. Vol. 32. Iss. 11, pp. 1823–1834. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2010.05.001

25. Rüdiger Rackwitz, Bernd Flessler. Structural reliability under combined random load sequences. <i>Computers & Structures</i>. 1978. Vol. 9. Iss. 5, pp. 489–494. https://doi.org/10.1016/0045-7949(78)90046-9

26. Andrzej S. Nowak, Kevin R. Collins. Reliability of structures. CRC Press. 2019 407 p.

27. Brazilian Association of Technical Standards. ABNTNBR 6118. Concrete Structural Design – Procedures. Rio de Janeiro, 2003.

28. Papadakis V.G., Roumeliotis A.P., Fardis M.N., Vagenas C.G. Mathematical modelling of chloride effect on concrete durability and protection measures. <i>Concrete repair, rehabilitation and protection</i>. 1996. No. 6, 165–174.

29. Edson Denner Leonel, Wilson SergioVenturini, Alaa Chateauneuf A BEM model applied to failure analysis of multi-fractured structures. <i>Engineering Failure Analysis</i>. 2011. Vol. 18. Iss. 6, pp. 1538–1549 https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2011.05.014

30. JCSS Probabilistic Model Code. ISBN 978-3-909386-79-6. jcss-lc.org/jcss-probabilistic-model-code/

31. Леонович С.Н. Долговечность центрифугированных железобетонных конструкций при циклическом замораживании и оттаивании. <i>Бетон и железобетон<i>. 1988. № 10.

32. Leonovich S.N. Fracture Mechanics Parameters of Concrete: «Test Methods Development and Harmonization of Standards», 1996. <i>Intern. Congress «Concrete in The Service of Mankind»</i>. Dundee, Scotland, UK.

33. Гузеев Е.А., Леонович С.Н., Милованов А.Ф., Пирадов К.А., Сейланов Л.А. Разрушение бетона и его долговечность. Мн.: Тыдзень. 1997. 170 с.

34. Leonovich S.N. The non-destructive diagnostic methods of concrete-lined tunnels, <i>Proc. of World Tunnel Congress</i>. Wienna, Austria. 1997.

35. Leonovich S.N. The influence of structure of concrete on frost-salt resistance. <i>Proc. of 13-th International Conference of Building Materials (13 IBAUSIL).</i> Weimar, Germany. 1997. Vol. 2.

36. Leonovich S.N. Calculation of durability of concrete monuments using fracture mechanics. <i>Internationale Zeitschrift für Baudenkmalpflege</i>. Aedificatio Publishers. 1999. Helt 6.

37. Леонович С.Н. Трещиностойкость и долговечность бетонных и железобетонных элементов в терминах силовых и энергетических критериев механики разрушения. Мн.: Тыдзень 2000. 266 с.

38. Леонович С.Н. Алгоритм расчета долговечности железобетонных конструкций при карбонизации. <i>Материалы 6 Межд. научно-методич. семинара «Перспективы развития новых технологий в строительстве и подготовке инженерных кадров в Республике Беларусь<i>. Минск. 2000.

39. Leonovich S.N. Hypotheses of frost destruction and fracture mechanics of concrete. <i>Proc. 24 – 2nd Int. RILEM Workshop Frost Resistance of concrete: from nanostructure and Pore Solution to Macroscopic Behaviout and Testing</i>. Essen, Germany. 2002.

40. Leonovich S.N. Frost-resistance of expansive (selfstressed) concrete (Fracture mechanics Approach). <i>Prof. of Intern. Conference «Non-traditional Concrete».</i> Brno, Czechia. 2002.

41. Leonovich S.N. Facture mechanism for estimation of freeze – thaw resistance of concrete. <i>15. Internationale Baustofftagung.</i> 24–27 September 2003. Weimar.

42. RILEM Technical Committee 200-HTC. Recommendation of RILEM TC 200-HTC: mechanical concrete properties at high temperatures – modelling and applications. <i>Mater Struct</i>. 40, 841–853 (2007). https://doi.org/10.1617/s11527-007-9285-2

43. Леонович С.Н., Снежков Д.Ю., Зайцев Ю.В. Опыт использования неразрушающего контроля бетона на объекте монолитного строительства «Минск-Арена» (Республика Беларусь) // <i>Вестник отделения строительных наук</i>. 2008. Вып. 12. Белгород. C. 113–124.

44. Леонович С.Н. Метод определения состояния арматуры эксплуатируемых железобетонных конструкций // <i>Строительная наука и техника</i>. 2008. № 4 (19).

45. Леонович С.Н. Трещиностойкость и долговечность несущих конструкций АЭС с позиции механики разрушения // <i>Вестник Белорусского национального технического университета</i>. 2009. № 4. С. 13–15.

46. Леонович С.Н., Снежков Д.Ю. Конструкции и изделия железобетонные эксплуатируемые. Метод определения состояния арматуры (потенциометрический метод) // <i>Известия высших учебных заведений. Строительство</i>. 2009. № 8.

47. Зайцев Ю.В., Леонович С.Н., Шнайдер У. Структура, прочность и механика разрушения бетонов при двухосном и трехосном сжатии. Минск: БНТУ, 2011. 382 с.

48. Леонович С.Н., Прасол А.В. Модели периода инициирования коррозии арматуры // <i>Строительные материалы</i>. 2012. № 9. С. 74–75.

49. Leonovich S.N., Prasol A.V. The impact of hlorides on reinforced concrete structures: modeling of penetration into concrete. <i>Science and Technology</i>. 2012. No. 2, p. 34.

50. Рудницкий В.А., Крень А.П., Леонович С.Н. Способ определения класса прочности арматуры в железобетоне: пат. 16278 Респ. Беларусь: МПК(2006.01) G 01N 3/40/; заявитель Государственное научное учреждение «Институт прикладной физики Национальной академии наук Беларуси»; Дата публ.: 2012.08.30

51. Леонович С.Н., Литвиновский Д.А., Чернякевич О.Ю., Степанова А.В. Прочность, трещиностойкость и долговечность конструкционного бетона при температурных и коррозионных воздействиях: монография: в 2 ч. Ч. 1. Минск: БНТУ, 2016. 390 с.

52. Шалый Е.Е., Ким Л.В., Леонович С.Н. Вероятностный расчет глубины и распространения фронта карбонизации в бетоне гидротехнических сооружений хабаровского края. <i>Инновации в бетоноведении, строительном производстве и подготовке инженерных кадров: сборник статей по материалам Международной научно-технической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения И.Н. Ахвердова и С.С. Атаева</i>. Минск, 9–10 июня 2016. Белорусский национальный технический университет. Ч. 1. С. 243–247.

53. Леонович С.Н. Моделирование капиллярной усадки и трещинообразование бетона в раннем возрасте // <i>Наука и техника</i>. 2018. Т. 17. № 4. С. 265–277.

54. Леонович С.Н. Алгоритм расчета трещиностойкости бетона в раннем возрасте при капиллярной усадке по обобщенному критерию // <i>Наука и техника</i>. 2018. Т. 17. № 6. С. 502–507.

55. Леонович С.Н., Шалый Е.Е., Ким Л.В. Железобетон при воздействии карбонизации и хлоридной агрессии: вероятностная модель расчета-прогноза срока службы // <i>Наука и техника</i>. 2019. Т. 18. № 4. С. 284–291.

56. Шалый Е.Е., Леонович С.Н., Будревич Н.А. Алгоритм прогнозирования срока службы: нагрузка, карбонизация, хлоридная агрессия // <i>Вестник Брестского государственного технического университета</i>. 2021.№ 3 (126). C. 17–20. DOI: https://doi.org/10.36773/1818-1112-2021-126-3-17-20

57. Леонович С.Н., Шалый Е.Е., Полонина Е.Н. Долговечность портовых железобетонных конструкций (Дальний Восток и Сахалин): монография. М.: ИНФРА-М. 2022. 315 с.

58. Жданок С.А., Полонина Е.Н., Леонович С.Н. Синергетическое влияние наночастиц SiO₂ и углеродных нанотрубок на свойства бетона // <i>Доклады Национальной Академии Наук Беларуси</i>. 2022. Т. 66. № 1. С. 109–112.