Издаётся с сентября 1923 года
DOI: 10.33622/0869-7019
Russian Science Citation Index (RSCI) на платформе Web of Science
  • СТРОИТЕЛЬНАЯ МЕХАНИКА
  • Обновленные гармонизированные подходы к расчету работы конструкций с учетом зависящего от времени поведения бетона
  • УДК 624.044:539.376 DOI:10.33622/0869-7019.2019.02.04-18
    Марио Альберто КИОРИНО, почетный профессор структурного анализа Политехнического университета Турина, национальный действительный член Туринской академии наук, почетный член Американского института бетона (ACI), e-mail: mario.chiorino@polito.it
    Политехнический университет Турина, факультет архитектуры и строительства, Виале Маттиоли, 39, I-10125 Турин, Италия
    Аннотация. Современные железобетонные конструкции, которые возводят с использованием сложных методов строительства, вследствие значительного влияния неоднородности материала, очень чувствительны к воздействию отложенных деформаций, проявляющихся в зависящем от времени поведении бетона (ползучесть и усадка). Типичными примерами здесь служат большепролетные консольные и вантовые мосты, железобетонные арки с напряжением арматуры домкратом, композитные сталежелезобетонные конструкции, железобетонные или сталежелезобетонные высотные здания и небоскребы. Таким образом, реалистичная оценка влияния зависящего от времени поведения бетона на надежность конструкции на этапе строительства и при эксплуатации представляет собой важный аспект процесса проектирования и оценки ее функциональности. Это требует, с одной стороны, определения надежных моделей прогнозирования явлений ползучести и усадки (проблема свойств материала), а с другой - разработки надежных расчетных методов оценки их влияния на конструкцию со степенью точности, соответствующей конкретному случаю (проблема расчета конструкций). Обе проблемы взаимосвязаны, но часто считаются независимыми в практике проектирования и рассматриваются отдельно. В статье разбирается в основном оценка реакции конструкции во время развития напряжений ползучести и усадки, с особым акцентом на последствия ползучести. Общие принципы оценки ползучести и усадки были разработаны в последние десятилетия Американским институтом бетона (ACI) и Международной федерацией по конструкционному бетону (fib) на основе общей научной базы и, по существу, в согласованном во всем мире формате при большом личном участии автора статьи. Чтобы определить, какими именно параметрами характеризуется эффект ползучести, обычно считают, что надежный анализ поведения конструкции в условиях эксплуатации может быть выполнен на основе линейной теории наследственной вязкоупругости, впервые созданной итальянским математиком В. Вольтерра в начале XX в. Рассматриваются возможности этого подхода для расчетов применительно, с одной стороны, к принятию реалистичных современных моделей для прогнозирования поведения бетона, связанного с ползучестью, и, с другой стороны, к сложному последовательному характеру строительства. Автор иллюстрирует разработанные на международном уровне современные обновленные руководящие принципы оценки влияния ползучести как на этапах предварительного и эскизного проектирования, так и при разработке рабочих чертежей и анализе долгосрочной надежности сложных конструктивных систем. Эти принципы предназначены и для рассмотрения других явлений, которые вызывают отклонения от линейной вязкоупругости при старении, таких как трещинообразование при растяжении, циклическая ползучесть и релаксация напряжений в преднапряженной арматуре при переменной деформации, а также влияние влажности и температурных колебаний. Совсем недавно проанализированные автором обобщенные представления легли в основу подготовленного под его редакцией раздела "Анализ конструктивных воздействий в зависимости от времени поведения бетона" в опубликованном в 2013 г. Модельном кодексе ФИБ 2010 г., а также обсуждаемого расширенного проекта руководящего документа ACI 209.3R-XX "Анализ эффектов ползучести и усадки в железобетонных конструкциях", отредактированного при координации автора и утвержденного в 2013 г. в Комитете ACI 209 "Ползучесть и усадка в бетоне". Последний документ сегодня находится на рассмотрении в Комитете по технической деятельности - TAC ACI, чтобы стать официальным руководством ACI.
    В процессе пересмотра и обновлении Еврокода 2 (EN 1992), который в настоящее время идет полным ходом, существующий текст Приложения KK к части 2 должен быть надлежащим образом пересмотрен. Скорее всего он будет включен в основную часть стандарта в качестве руководящего правила для оценки влияния зависящего от времени поведения бетона в любых конструкциях, принимая во внимание руководства, разработанные в рамках ACI, и в виде предстандарта в ФИБ. В сценарии создания инициированного ФИБ два года назад нового Модельного кодекса 2020 г. во всем, что касается аспекта моделей прогнозирования ползучести и усадки, внимание будет уделяться новым достижениям в области практического применения и анализа банков данных, а также потребности на самом современном уровне обеспечить надежность имеющихся в настоящее время моделей прогнозирования для новых типов бетона, таких как ультрафункциональные и бетоны с добавками - заменителями цемента. Для анализа эффектов в конструкциях, связанных с характером работы бетона во времени, основные критерии из Модельного кодекса ФИБ 2010 г. будут, по существу, сохранены. Особое внимание будет направлено на прогресс в обеспечении точных и эффективных методов расчета, основанных на дифференциальных приближениях для конструкций, очень чувствительных к зависящему от времени поведению бетона, а также на сложные пространственные конструкции. Эта статья - дань памяти почетного члена ЕКБ (Евро-Международный комитет по бетону) и действительного члена Академии строительства и архитектуры СССР Алексея Алексеевича Гвоздева. Выдающийся ученый XX в., основоположник российской школы теории железобетона, более 60 лет был бессменным руководителем лаборатории железобетонных конструкций и теории их расчета НИИЖБ, который теперь назван его именем. А. А. Гвоздев сыграл решающую роль в оказании помощи и содействия автору этой статьи на первых этапах его работы в ЕКБ и ФИП (Международная федерации преднапряженного железобетона). Эти организации создали фундамент нового расширенного формата анализа ползучести, в изучение которой школа советских ученых и А. А. Гвоздев внесли основополагающий вклад. В данную редакцию статьи внесены значительные изменения в результате международных обсуждений после публикации статьи М. А. Киорино в журнале "ПГС", 2014, № 12, с. 12-20.
    Ключевые слова: бетон, усадка, ползучесть, изменение линейной вязкоупругости во времени, структурные эффекты, последовательное строительство, концептуальный дизайн, рабочее проектирование и анализ надежности при длительной эксплуатации, кодексы и рекомендации, школа А. А. Гвоздева.
  • ЛИТЕРАТУРА
    1. ACI 209.2R-08, Guide for Modeling and Calculation of Shrinkage and Creep in Hardened Concrete, American Concrete Institute, Farmington Hills, MI, 2008, 48 p.
    2. ACI 209.3R-XX, Analysis of Creep and Shrinkage Effects on Concrete Structures, Chiorino M. A. (Chairm. of Edit. Team), ACI Committee 209, March 2011, Final approved draft 2013; currently under revision by ACI TAC, 228 p.
    3. Aleksandrovskii S. V., Analysis of Plain and Reinforced Concrete Structures for Temperature and Moisture Effects (with Account of Creep), Moscow, Stroyizdat Publ., 1966, 443 p. (in Russian).
    4. Bazant Z. P., Numerical Determination of Long-range Stress History from Strain History in Concrete, Material and Structures, Vol. 5, 1972, pp. 135-141.
    5. Bazant Z. P., Prediction of Concrete Creep Effects Using Age-adjusted Effective Modulus Method, Journal of the American Concrete Institute, Vol. 69, 1972, pp. 212-217.
    6. Bazant Z. P., Theory of Creep and Shrinkage in Concrete Structures: a Prйcis of Recent Developments, Mechanics Today, Vol. 2, Pergamon Press, New York, 1975, pp. 1-93. See also: RILEM TC-69, Material Models for Structural Creep Analysis (principal author Z. P. Bazant), Chapter 2 in Mathematical Modeling of Creep and Shrinkage of Concrete, Z. P. Bazant, ed., J. Wiley, Chichester and New York, 1988, pp. 99-215; RILEM TC-69, Creep Analysis of Structures (principal authors Z. P. Bazant and O. Buyukozturk), Chapter 3, ibid. pp. 217-273.
    7. Bazant Z. P. and Baweja S., Creep and Shrinkage Prediction Model for Analysis and Design of Concrete Structures - Model B3, in: A. Al-Manaseer ed., The A. Neville Symposium: Creep and Shrinkage - Structural Design Effects, ACI SP-194, American Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan, 2000, pp. 1-83.
    8. Bazant Z. P., Hubler M. H., Yu Q., Pervasiveness of Excessive Segmental Bridge Deflections: Wake-Up Call for Creep, ACI Structural Journal, Vol. 108, No. 6, Nov.-Dec. 2011, pp. 766-774. See also: Bazant Z. P., Hubler M. H., Yu Q. Excessive creep deflections: An awakening, ACI Concrete International, Vol. 33, No. 8, Aug. 2011, pp. 44-46.
    9. Bazant Z. P., Li G.-H., Yu Q., Prediction of Creep and Shrinkage and their Effects in Concrete Structures: Critical Appraisal, Proc., 8th Int. Conf. on Creep, Shrinkage and Durability of Concrete and Concrete Structures - CONCREEP 8, Vol. 2, T. Tanabe, et al. eds., CRC Press, Boca Raton, FL, 2009, pp. 1275-1289.
    10. Bazant Z. P. and Li G.-H., Unbiased Statistical Comparison of Creep and Shrinkage Prediction Models, ACI Materials Journal, Vol. 105, No. 6, Nov.-Dec. 2008, pp. 610-621.
    11. Bazant Z. P. and Li G.-H., Comprehensive Database on Concrete Creep and Shrinkage, ACI Materials Journal Vol. 105, No. 6, Nov.-Dec. 2008, pp. 635-638. See also: Hubler M. H., Wendner R., and Bazant Z. P., Comprehensive Database for Concrete Creep and Shrinkage: Analysis and Recommendations for Testing and Recording, ACI Materials Journal, Vol. 11, No. 4, July-August 2015, pp. 547-558.
    12. Bazant Z. P. and Prasannan S., Solidification Theory for Concrete Creep: I. Formulation, Journal Eng. Mech., 115(8), 1989, pp. 1691-1703.
    13. Bazant Z. P. and Prasannan S., Solidification Theory for Concrete Creep: II. Verification and Application, Journal Eng. Mech., 115(8), 1989, pp. 1704-1725.
    14. Bazant Z. P., Yu Q. and Li G.-H., Excessive Long-Time Deflections of Prestressed Box Girders. I: Record-Span Bridge in Palau and Other Paradigms, ASCE Journal of Structural Engineering, Vol. 138, No. 6, June 2012, pp. 676-686.
    15. Bazant Z. P., Yu Q. and Li G.-H., Excessive Long-Time Deflections of Prestressed Box Girders. II: Numerical Analysis and Lessons Learned, ASCE Journal of Structural Engineering, Vol. 138, No. 6, June 2012, pp. 687-696.
    16. Casalegno C., Sassone M., Chiorino M. A., Time-dependent Effects in Cable-stayed Bridges Built by Segmental Construction, Proc. of Third International fib Congress incorporating the PCI Annual Convention and Bridge Conference. Washington D. C., 2010, pp. 539-554.
    17. Casalegno C., Sassone M., Chiorino M. A., Time-dependent Effects in Concrete Structures: a General Computational Approach, Proc. of Structural Engineers World Congress SEWC 2011, Como, Italy, (CD).
    18. CEB, Comitй Eurointernational du Bйton and Fйdйration Internationale de la Prйcontrainte, International System of Unified Standard Codes of Practice for Structures, Vol. II, CEB-FIP Model Code for Concrete Structures, CEB Bulletin d'Information No 124/125-E-F, 1978, 348 p.
    19. CEB, CEB-FIP Model Code 1990, CEB Bulletin d'Information No. 213/214, Comitй Euro-International du Bйton, Lausanne, Switzerland, 1993, 437 p.
    20. Chiorino M. A., A Rational Approach to the Analysis of Creep Structural Effects, in J. Gardner & J. Weiss (eds). Shrinkage and Creep of Concrete, ACI SP-227, 2005, pp.107-141.
    21. Chiorino M. A. and Carreira D. J., Factors Affecting Shrinkage and Creep of Hardened Concrete and Guide for Modelling - A State-of-the-art Report on International Recommendations and Scientific Debate, The Indian Concrete Journal, Vol. 86, No. 12, December 2012, pp. 11-24. Errata, Vol. 87, No. 8, August 2013, p. 33. Chiorino M. A. and Casalegno C., Evaluation of the Structural Response to the Time-dependent Behaviour of Concrete: Part 1 - An Internationally Harmonized Format, Ibid., pp. 25-36.
    22. Chiorino M. A. (Chairm. of Edit. Team), Napoli P., Mola F., and Koprna M., CEB Design Manual on Structural Effects of Time-dependent Behaviour of Concrete, CEB Bulletin d'Information No 142-142 Bis, Georgi Publishing Co., Saint-Saphorin, Switzerland, March 1984, 391 p.
    23. Chiorino M. A. and Sassone M., Further Considerations and Updates on Time-dependent Analysis of Concrete Structures, in Structural Concrete - Textbook on behaviour, design and performance, 2nd edition, Vol. 2, Section 4.16, fib Bulletin 52, International Federation for Structural Concrete, Lausanne 2010, pp. 43-69.
    24. EN 1992-2 Eurocode 2: Design of Concrete Structures - Part 2: Concrete Bridges, Design and Detailing Rules, Appendix KK, Structural effects of time dependent behaviour of concrete, 2005, pp. 63-67.
    25. fib, Model Code for Concrete Structures 2010, Ernst & Sohn, 2013, 402 p.
    26. Gvozdev A. A., Creep of Concrete (in Russian), Proc. of the 2nd National Conference on Theoretical and Applied Mechanics. Mechanics of Solids, Mekhanika Tverdogo Tela, Acad. of Sciences USSR, 1966, Moscow, pp. 137-152. (French translation: Le Fluage du Bйton, CEB Bulletin No 64, 1967).
    27. Gvozdev A. A., Galustov K. Z., Yashin A. V., On some deviations from the superposition principle in creep theory, Beton i Zhelezobeton, 13(8), 1967, pp. 223-227. (in Russian).
    28. Jirasek M. and Bazant Z. P., Inelastic Analysis of Structures, Wiley and Sons, 2002, 734 p. See also: Bazant Z. P. and Jirasek M., Creep and Hygrothermal Effects in Concrete Structures, Springer, 2018, 919 + 50 pp.
    29. Levi F., Sugli Effetti Statici dei Fenomeni Viscosi (On the Structural Effects of Viscous Phenomena, in Italian), Rendiconti Accademia Nazionale dei Lincei, Serie VIII, Vol. IV, fasc. 3, pp. 306-311, fasc. 4, 1948, pp. 424-427.
    30. Levi F. and Pizzetti G., Fluage, Plasticitй, Prйcontrainte, Dunod, Paris, 1951, 463 p.
    31. McHenry D., A New Aspect in Creep of Concrete and its Application to Design, Proc. ASTM, Vol. 43, 1943, pp. 1069-86.
    32. Maslov G. N., Thermal Stress States in Concrete Masses, with Account of Concrete Creep, Izvestia NIIG, 1941, No. 28, pp. 175-188. (in Russian).
    33. Mьller H. S. (Convener), Code-type models for structural behaviour of concrete: Background of the constitutive relations and material models in the fib Model Code for Concrete Structures 2010, State-of-art report, fib Bulletin No. 70, November 2013., 196 p.
    34. RILEM Technical Committee TC-242-MDC (Bazant Z. P., chair), RILEM draft recommendation: TC-242-MDC Multi-decade Creep and Shrinkage of Concrete: Material Model and Structural Analysis. Model B4 for Creep, Drying Shrinkage and Autogenous Shrinkage of Normal and High-Strength Concretes with Multi-Decade Applicability, Material and Structures, Vol. 48, No. 4, 2015, pp. 753-770.
    35. Salenзon J., Viscoйlasticitй pour le Calcul des Structures, Les Йditions de l'Йcole Polytechnique, Les Presses des Ponts et Chaussйes, Paris, 2009, 151 p.
    36. Sassone, M. and Casalegno, C., Evaluation of the Structural Response to the Time-dependent Behaviour of Concrete: Part 2 - A General Computational Approach, The Indian Concrete Journal, Vol. 86, No. 12, December 2012, pp. 39-51. Errata, Vol. 87, No. 8, August 2013, p. 33.
    37. Sassone M. and Chiorino M. A., Design Aids for the Evaluation of Creep Induced Structural Effects, in J. Gardner & J. Weiss (eds). Shrinkage and Creep of Concrete, ACI SP-227, 2005, pp. 239-259.
    38. Volterra V., Sulle Equazioni Integro-Differenziali della Teoria della Elasticitа (Integral-Differential Equations of the Theory of Elasticity, in Italian), Rendiconti Accademia Nazionale dei Lincei, Vol. XVIII, 2° Sem., 1909, pp. 295-301. See also: Volterra V., Sur les Equations Integro-Differentielles et leurs Applications, Acta Mathematica, G. Mittag-Leffler Ed., Stockholm, 1912, pp. 295-350 ; Volterra V., Leзons sur les Fonctions de Lignes, Gauthier-Villars, Paris, 1913, 230 p.
    39. Yu Q., Bazant, Z. P. and Wendner R., Improved Algorithm for Efficient and Realistic Creep Analysis of Large Creep-Sensitive Concrete Structures, ACI Structural Journal, Vol. 109, No. 5, Sept-Oct. 2012, pp. 665-675.
    40. Wendner R., Hubler, M. H. and Bazant, Z. P., Optimization Method, Choice of Form and Uncertainty Quantification of Model B4 Using Laboratory and Multi-Decade Bridge Databases, Material and Structures, Vol. 48(4), 2015, pp. 771-796.
    41. Wendner R., Hubler, M. H. and Bazant Z. P. Statistical Justification of Model B4 for Multi-decade Concrete Creep Using Laboratory and Bridge Data Bases and Comparisons to other Models, Material and Structures, Vol. 48(4), 2015, pp. 815-833.
    42. Kim K. and Bazant Z. P., Creep design aid: open-source website program for concrete creep and shrinkage prediction, ACI Materials Journal, Vol. 111, No. 4, July-August 2014, pp. 423-432.
    43. Creepanalysis, www.polito.it/creepanalysis, DISEG Dipartimento di Ingegneria Strutturale e Geotecnica, Politecnico di Torino, (currently under revision; reference should be made to new version to be edited in 2019).
  • Для цитирования: Киорино М. А. Обновленные гармонизированные подходы к расчету работы конструкций с учетом зависящего от времени поведения бетона // Промышленное и гражданское строительство. 2019. № 2. С. 4-18. DOI:10.33622/0869-7019.2019.02.04-18.


НАЗАД