Анализ конструктивных воздействий зависимых от времени свойств бетона: международный согласованный формат (перевод с англ. яз.)

Современные конструкции из бетона, возводимые с использованием сложных последовательных методов строительства и/или характеризующиеся значительными неоднородностями, в целом, очень чувствительны к воздействиям, зависящим от поведения бетона во времени (ползучесть и усадка).

Руководящие принципы оценки этих эффектов были разработаны в последние десятилетия международными организациями, занимающимися предстандартами и стандартами, на основе общей, хотя и прогрессивно развивающейся, научной базы и, по существу, согласованного во всем мире формата.

Автор обсуждает развитие, при его большом личном участии, этого благоприятного сценария, обозначая области устоявшегося консенсуса и открытых проблем.

В вопросе, какими именно параметрами характеризуется эффект ползучести, обычно признается, что надежный анализ поведения конструкции в условиях эксплуатации может быть выполнен на основе линейной теории наследственной вязкоупругости, впервые созданной итальянским математиком Волтеррой на заре 20-го века.

В статье рассматриваются возможные последствия 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 сложности и последовательному характеру строительства, а также иллюстрирует современные обновленные руководящие принципы, разработанные на международном уровне, для оценки влияния ползучести, как на этапах предварительного и эскизного проектирования, так и при разработке рабочих чертежей и анализе долгосрочной надежности сложных и последовательных конструктивных систем.

Эти руководства предназначены также 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.

Статья также была задумана как дань памяти Почетного члена ЕКБ (Евро-Международный комитет по бетону) и действительного члена Академии строительства и архитектуры СССР Алексея Алексеевича Гвоздева, в течение длительного времени руководившего лабораторией теории железобетона НИИЖБ, НИИ бетона и железобетона, который теперь назван его именем, за его решающую роль в оказании помощи и содействию автора на первых этапах продвижения в ЕКБ и ФИП (Международная федерации преднапряженного железобетона), создавших фундамент этого нового расширенного формата анализа ползучести, в изучение которой школа советских ученых и самого Гвоздева внесла основополагающий вклад.

1. ACI 209.2R-08, <i>Guide for Modeling and Calculation of Shrinkage and Creep in Hardened Concrete</i>, American Concrete Institute, Farmington Hills, MI, 2008, 48 p.

2. ACI 209.3R-XX, <i>Analysis of Creep and Shrinkage Effects on Concrete Structures</i>, Chiorino M.A. (Chairm. of Edit. Team), ACI Committee 209, March 2011, Final approved draft 2013; currently under revision by ACI TAC Technical Activity Committee, 228 p.

3. Aleksandrovskii S. V., <i>Analysis of Plain and Reinforced Concrete Structures for Temperature and Moisture Effects (with Account of Creep) </i>(in Russian), Stroyizdat, Moscow, 1966, 443 p.

4. Bazant Z.P., Numerical Determination of Long-range Stress History from Strain History in Concrete, <i>Material and Structures</i>, Vol. 5, 1972, pp. 135-141.

5. Bazant Z.P., Prediction of Concrete Creep Effects Using Age-adjusted Effective Modulus Method, <i>Journal of the American Concrete Institute</i>, V. 69, 1972, pp. 212-217.

6. Bazant Z. P., Theory of Creep and Shrinkage in Concrete Structures: a Precis 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 <i>Mathematical Modeling of Creep and Shrinkage of Concrete</i>, 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: <i>Creep and Shrinkage – Structural Design Effects</i>, 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, <i>ACI Structural Journal</i>, Vol. 108, No. 6, Nov.-Dec. 2011, pp. 766-774.

9. Bazant Z. P., Li G.-H., and Yu Q., Prediction of Creep and Shrinkage and their Effects in Concrete Structures: Critical Appraisal, <i>Proc., 8th Int. Conf. on Creep, Shrinkage and Durability of Concrete and Concrete Structures - CONCREEP 8</i>, 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, <i>ACI Materials Journal</i>, 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, <i>ACI Materials Journal</i>, Vol. 105, No. 6, Nov.-Dec. 2008, pp. 635-638.

12. Bazant Z. P., and Prasannan S., Solidification Theory for Concrete Creep: I. Formulation, <i>Journal Eng. Mech.</i>, 115(8), 1989, pp. 1691–1703.

13. Bazant Z. P., and Prasannan S., Solidification Theory for Concrete Creep: II. Verification and Application, <i>Journal Eng. Mech.</i>, 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, <i>ASCE Journal of Structural Engineering</i>, 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, <i>ASCE Journal of Structural Engineering</i>, 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, <i>Proc. of Third International fib Congress incorporating the PCI Annual Convention and Bridge Conference</i>. 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, <i>Proc. of Structural Engineers World Congress SEWC 2011</i>, Como, Italy, (CD).

18. CEB, Comite Eurointernational du Beton and Federation <i>Internationale de la Precontrainte, International System of Unified Standard Codes of Practice for Structures</i>, Vol. II, CEB-FIP Model Code for Concrete Structures, CEB Bulletin d’Information N° 124/125-E-F, 1978, 348 p.

19. CEB, CEB-FIP <i>Model Code 1990</i>, CEB Bulletin d’Information No. 213/214, Comite Euro-International du Beton, 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). <i>Shrinkage and Creep of Concrete</i>, 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, <i>The Indian Concrete Journal</i>, 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, Ibidem, pp. 25-36.

22. Chiorino M.A. (Chairm. of Edit. Team), Napoli P., Mola F., and Koprna M., <i>CEB Design Manual on Structural Effects of Time-dependent Behaviour of Concrete</i>, CEB Bulletin d’Information N° 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 <i>Structural Concrete - Textbook on behaviour</i>, 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: <i>Design of Concrete Structures - Part 2: Concrete Bridges, Design and Detailing Rules</i>, Appendix KK, <i>Structural effects of time dependent behaviour of concrete</i>, 2005, pp. 63-67.

25. <i>fib, Model Code for Concrete Structures 2010</i>, Ernst & Sohn, 2013, 402 p.; see also Muller H. S. (Convener), <i>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</i>, State-of-art report, fib Bulletin No. 70, 196 p., November 2013.

26. Gvozdev A. A., Creep of Concrete (in Russian), <i>Proc. of the 2nd National Conference on Theoretical and Applied Mechanics. Mechanics of Solids, Mekhanika Tverdogo Tela</i>, Acad. of Sciences USSR, 1966, Moscow, pp. 137-152. (French translation: Le Fluage du Beton, CEB Bulletin N° 64, 1967).

27. Gvozdev A. A., Galustov K. Z., and Yashin A. V., On some deviations from the superposition principle in creep theory (in Russian), <i>Beton i Zhelezobeton</i>, 13(8), 1967.

28. Jirasek M. & Bazant Z.P., <i>Inelastic Analysis of Structures</i>, Wiley and Sons, 2002, 734 p.

29. Levi F., Sugli Effetti Statici dei Fenomeni Viscosi (On the Structural Effects of Viscous Phenomena, in Italian), <i>Rendiconti Accademia Nazionale dei Lincei</i>, Serie VIII, Vol. IV, fasc.3, pp. 306-311, fasc. 4, 1948, pp. 424-427.

30. Levi, F. and Pizzetti G., <i>Fluage, Plasticite, Precontrainte</i>, Dunod, Paris, 1951, 463 p.

31. McHenry D., A New Aspect in Creep of Concrete and its Application to Design, <i>Proc. ASTM</i>, Vol. 43, 1943, pp. 1069-86.

32. Maslov G. N., Thermal Stress States in Concrete Masses, with Account of Concrete Creep (in Russian), <i>Izvestia NIIG</i>, 28, 1941, pp.175-188.

33. Salencon J., <i>Viscoelasticite pour le Calcul des Structures</i>, Les Editions de l’Ecole Polytechnique, Les Presses des Ponts et Chaussees, Paris, 2009.

34. Sassone, M. and Casalegno, C., Evaluation of the Structural response to the Time-dependent Behaviour of Concrete: Part 2 - A General Computational Approach, <i>The Indian Concrete Journal</i>, Vol. 86, No. 12, December 2012, pp. 39-51. Errata, Vol. 87, No. 8, August 2013, p. 33.

35. Sassone M. and Chiorino M. A., Design Aids for the Evaluation of Creep Induced Structural Effects, in J. Gardner & J. Weiss (eds). <i>Shrinkage and Creep of Concrete</i>, ACI SP-227, 2005, pp. 239-259.

36. Volterra V., Sulle Equazioni Integro-Differenziali della Teoria della Elasticita (Integral-Differential Equations of the Theory of Elasticity, in Italian), <i>Rendiconti Accademia Nazionale dei Lincei</i>, Vol. XVIII, 2° Sem., 1909, pp. 295-301. See also: Volterra V., Sur les Equations Integro-Differentielles et leurs Applications,<i> Acta Mathematica</i>, G. Mittag-Leffler Ed., Stockholm, 1912, pp. 295-350 ; Volterra V., <i>Lecons sur les Fonctions de Lignes</i>, Gauthier-Villars, Paris, 1913, 230 p.

37. Yu Q., Bazant, Z.P. and Wendner R., Improved Algorithm for Efficient and Realistic Creep Analysis of Large Creep-Sensitive Concrete Structures, <i>ACI Structural Journal</i>, Vol. 109, No. 5, Sept-Oct. 2012, pp. 665-675.

38. Wendner, R., Hubler, MH, and Bazant, ZP., Optimization Method, Choice of Form and Uncertainty Quantification of Model B4 Using Laboratory and Multi-Decade Bridge Databases, <i>Material and Structures</i>, Vol. 48(4), 2015, pp. 771-796.

39. Wendner, R., Hubler, M.H., and Bazant,Z.P. (2015). Statistical Justification of Model B4 for Multidecade Concrete Creep Using Laboratory and Bridge Data Bases and Comparisons to other Models, <i>Material and Structures</i>, Vol. 48(4), 2015, pp. 815-833.

40. RILEM Technical Committee TC-242-MDC (Z.P.Bazant, 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, <i>Material and Structures</i>, Vol. 48(4), 2015, pp. 753-770.

41. 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 2018).