Новочеркасск, Россия
с 01.01.2019 по настоящее время
Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова (Общеинженерные дисциплины, профессор)
с 01.01.1980 по 01.01.2019
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
ББК 308 Монтаж, эксплуатация, ремонт машин и промышленного оборудования
Cтатья посвящена проблеме объективной оценки остаточного ресурса на основе комплексного подхода, использующего вероятностные методы и теорию графов. В качестве объекта для оценки выбрано одноэтажное здание промышленного цеха в г. Таганроге. При обследовании выявлены типичные для промышленных зданий дефекты и повреждения – замачивание, выветривание раствора, коррозия и отсутствие лакокрасочного покрытия, а также нетипичные дефекты – погибы механической природы в различных элементах ферм. Данные повреждения являются концентраторами напряжений, поэтому для расчета напряженно-деформируемого состояния на таких участках была создана трехмерная модель стропильной фермы с имитацией повреждений и рассчитана конечно-элементная модель в ПК ANSYS. По результатам расчета установлено, что в наиболее нагруженном сечении с дефектом (опорный раскос) возникают значительные напряжения, близкие к расчетному сопротивлению грунта, чем понижают общую вероятность безотказной работы фермы. Расчет надежности фермы был проведен с использованием вероятностных методов, относительная надежность остальных конструкций была определена на основе внешних признаков и проверке характеристик конструкций методами неразрушающего контроля. Установлено, что остаточный ресурс при расчете комбинированным методом составляет 17,3 года.
остаточный ресурс, обследование зданий и сооружений, техническое состояние конструкций, вероятностные методы, теория графов
Определение остаточного срока службы зданий и сооружений производится различными способами, в зависимости от действующей в каждой стране нормативной документации и исторически сложившихся подходов к определению остаточного ресурса.
Многие подходы являются стандартными (расчет максимальной нагрузки как статической переменной в наиболее опасном поперечном сечении участка, но многие подходы являются новаторскими: например в работе основным критерием вычисления при определении параметров индекса надежности является стоимость.
Масштабное исследование остаточного ресурса было проведено А. Патроном, К. Кремоном с использованием данных наблюдений 120 европейских мостов старше 100 лет. Остаточный срок службы был найден в предельном состоянии с учетом неопределенности механических характеристик металлов и их усталостного разрушения. Основными методами определения остаточных характеристик долговечности и надежности являются FORM (надежность первого порядка) и ISM (отбор проб).
В настоящее время в России существует несколько методов определения показателей долговечности и надежности, в том числе и остаточного ресурса), основанных на детерминистических расчетах и аппарате теории вероятностей.
По ограничивающим условиям (детерминистический расчет) остаточный срок службы определяют следующими методами: по статической прочности; скорости коррозии; усталостной прочности металла; по ухудшению физических свойств.
У большинства российских экспертов наиболее распространён метод А. Н. Добромыслова на основе визуального осмотра (физического износа), в котором определяется относительная надёжность зданий и остаточный срок службы.
В качестве объекта исследования авторами рассмотрен существующий цех промышленного предприятия в г. Таганроге Ростовской области.
Обследование технического состояния строительных конструкций здания цеха было проведено в октябре 2016 года, в результате чего было выявлен ряд серьезных дефектов, влияющих на техническое состояние и работоспособность конструкций.
Здание цеха представляет собой одноэтажное трехпролетное промышленное здание, прямоугольное в плане. Дата ввода в эксплуатацию - 1973 г.
Размеры здания в осях 120×66 м, ширина пролетов по 24 м и 18 м (рис.1-3)
Рисунок 1. План цеха
Рисунок 2. Разрез поперечный
Рисунок 3. Фасад А-Г
По конструктивной схеме здание цеха является каркасным. Фундаменты под колонны цеха – железобетонные монолитные стаканного типа. Колонны – сборные железобетонные, стропильные фермы в осях «А-В» - сборные железобетонные, стропильные фермы в осях «В-Г» - металлические, подстропильные фермы – металлические.
При обследовании строительных конструкций здания цеха были выполнены следующие работы: определение соответствия строительных конструкций здания проектной документации и требованиям нормативных документов, выявление дефектов и повреждений элементов и узлов конструкций здания с составлением ведомостей дефектов и повреждений;
определение пространственного положения строительных конструкций здания, их фактических сечений и состояния соединений; определение фактической прочности материалов и строительных конструкций здания в сравнении с проектными параметрами; определение степени коррозии арматуры и металлических элементов строительных конструкций
Для определения категории технического состояния (относительной надежности) здания был выбран метод с использованием сетевого графа. Сетевая модель системы «Здание» (рис.4) состоит из следующих вершин, характеризующих относительную надежность (вероятность безотказной работы) для следующих случаев: 1- исправное состояние объекта, 2 –состояние коммуникаций, 3- состояние отделки, в том числе гидроизоляции, 4 – состояние прилегающей территории, 5 – состояние ограждающих конструкций (стен и плит покрытия), 6 – состояние металлических стропильных ферм, 7- состояние железобетонных колонн, 8 – состояние оснований и фундаментов; 9 - разрушение объекта; ребра – проявление взаимодействий подсистем.
Рисунок 4. Сетевая модель системы «Здание»
Согласно графу, разрушение здания (пусть между вершинами 1 и 9) может пройти по любому из полных путей.
Относительная поврежденность j-той системы равна εj. Lля данной сетевой модели:
Категория технического состояния, как и показатели надежности (вероятность отказа и безотказной работы) для всех конструкций, кроме стропильных металлических ферм, оценивались согласно методике и сведены в табл.1.
Таблица 1. Результаты оценки технического состояния конструкций цеха
|
№ |
Подсистема конструкций, согласно рис.4. |
Описание состояния |
Категория технического состояния |
Вероятность безотказной работы |
|
2 |
Коммуникации |
Прорывов, разрывов, ржавчины нет |
Работоспособная |
0,95 |
|
3 |
Отделка |
Частично отсутствует АКЗ металлоконструкций |
Ограничено работоспособная |
0,8 |
|
4 |
Прилегающая территория |
Частично разрушена отмостка |
Ограничено работоспособная |
0,85 |
|
5 |
Ограждающие конструкции (плиты, стены) |
Плиты - регулярное замачивание, разрушение защитного слоя бетона и обнажение арматурной сетки полок и ребер плит, трещины в продольных и поперечных ребрах, пробиты непроектные сквозные отверстия. Стены, кирпичная кладка – трещины, фрагментарное, отсутствие остекления, размораживание., частичное разрушение; стеновые панели - выпадение бетона из швов, нарушение герметичности швов, большая площадь замачивания, разрушение защитного слоя бетона и коррозия арматуры, трещины, искривление из вертикальной плоскости, сколы ребер. |
Ограничено работоспособная |
0,8 |
|
7 |
Колонны |
Трещины вдоль рабочей арматуры, разрушение защитного слоя бетона с обнажением и без обнажения арматуры, замачивание основания, замасливание бетона на локальных участках, поверхностная коррозия обрамления и закладных деталей |
Ограничено работоспособная |
0,83 |
|
8 |
Основания и фундаменты |
Дефектов и повреждений, свидетельствующих о неравномерных осадках - не обнаружено. |
Работоспособная |
0,95 |
При обследовании стропильных ферм обнаружены следующие дефекты и повреждения: ветхое состояние антикоррозионного лакокрасочного покрытия части здания в осях В-Гх1-21, поверхностная коррозия элементов металлических ферм; местные погибы верхних и нижних полок, раскосов и стоек фермы (рис. 5, таблица 2); выгиб стойки фонаря.
Рисунок 5. Схема расположения точек погибов элементов фермы
Расчет был произведен с использованием метода конечных элементов в ПК ANSYS. К стропильной ферме в месте опирания прогонов была приложена узловая нагрузка от веса кровельного настила и прогонов, временная нагрузка на покрытие (снеговая, рис. 6а). Нагрузка от собственного веса фермы задана автоматически (рис.6б).
а)
б)
Рисунок 6. Нагрузка на ферму, а- на кровлю и временная, б – собственный вес
|
Точка, дефект |
Фото дефекта |
Вид на конечно-элементной модели |
Вид на эпюре напряжений |
|
1 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
4 |
|
|
|
Если стержни системы сделаны из одного материала, но имеют различные поперечные сечения, то формула вероятности не разрушения системы: 
где 
для растянутых стержней, и 
для сжатых стержней (в каждом стержне свое конкретное напряжение).
Здесь F – внешняя нагрузка;
si – напряжение, вызываемое усилием 
в i-том стержне;
- усилие в i-том элементе от внешней нагрузки F=1;
Ai – площадь сечения i-того стержня.
Функция распределения прочности элементов:
, где s - напряжение, действующее в стержне.
Значение P(s) – есть вероятность того, что случайный предел текучести Ry будет меньше действующего напряжения s, т.е. вероятность разрушения. Через интеграл вероятности Гаусса: 
.
Результаты расчета напряжений (согласно расчету в ПК ANSYS) и вероятности разрушения фермы в точках с максимальными напряжениями (согласно формуле (1)) сведены в табл.3. Материал фермы - сталь С245, Ry=240МПа, 
– м.о. предела текучести; s(Ry)=20МПа,
Таблица 3. Вероятность разрушения элементов фермы
|
Параметр |
Номер точки на рис. 5 |
Верхн. пояс |
Нижний пояс |
|||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|||
|
Напряжение, МПа |
6,1 |
235,4 |
49,2 |
102,1 |
202,6 |
113,2 |
|
Вероятность разрушения |
0,0 |
0,163 |
0,0 |
0,0 |
0,0 |
0,0 |
Расчет полных путей сведен в табл.4.
Таблица 4. Расчет вероятности разрушения здания
|
Полный путь |
Вероятность разрушения |
Полный путь |
Вероятность разрушения |
|
1-2-5-9 (f1 = P2∙P5) |
0,01 |
1-3-6-7-9 (f9 = P3∙P6∙P7) |
0,006 |
|
1-3-5-9 (f2 = P3∙P5) |
0,04 |
1-3-6-7-8-9 (f10 = P3∙P6∙P7∙P8) |
0,0 |
|
1-3-6-9 (f3 = P3∙P6) |
0,032 |
1-3-7-8-9 (f11 = P3∙P7∙P8) |
0,002 |
|
1-3-7-9 (f4 = P3∙P7) |
0,034 |
1-4-8-9 (f12 = P4∙P8) |
0,008 |
|
1-3-8-9 (f5 = P3∙P8) |
0,01 |
1-4-8-7-9 (f13 = P4∙P8∙P7) |
0,001 |
|
1-3-5-6-9 (f6 = P3∙P5∙P6) |
0,006 |
1-4-8-7-6-9 (f14 = P4∙P8∙P7∙P6) |
0,0 |
|
1-3-5-6-7-9 (f7 = P3∙P5∙P6∙P7) |
0,001 |
1-4-8-7-6-5-9 (f15 = P4∙P8∙P7∙P6∙P5) |
0,0 |
|
1-3-5-6-7-8-9 (f8 = P3∙P5∙P6∙P7∙P8) |
0,0 |
Относительная поврежденность здания |
0,189 |
Остаточный ресурс здания определяется как время до наступления неработоспособного состояния (относительная надежность Pнер = 0,75):
где λзд – скорость разрушения здания:
где t – время от ввода в эксплуатацию до обследования.
Остаточный ресурс здания равен:
Проведенный анализ эффективности применения комплексного подхода с использованием вероятностных методов и теории графов к определению остаточного ресурса зданий позволяет учесть техническое состояние каждого вида конструкций с учетом их дефектов.
1. Czarnecki, A.A. Lifetime reliability profiles for evaluation of corroded steel girder bridges/ Czarnecki, A.A., Nowak, A.S.//Proceedings of the 3rd International Conference on Bridge Maintenance, Safety and Management - Bridge Maintenance, Safety, Management, Life-Cycle Performance and Cost. -2006. - pp. 140-146
2. Xiang, Y.Q. Service life prediction of concrete bridges based on concrete carbonation depth near coastal areas /Xiang, Y.Q., Guo, D.M., Wu, Q.Q. // Proceedings of the 3rd International Conference on the Durability of Concrete Structures, ICDCS 2012 Concrete Structures, ICDCS 2012 Concrete Structures, ICDCS 2012
3. Patrón, A. Improved assessment methods for static and fatigue resistance of metallic railway bridges in Europe/Patrón, A., Cremona, C., Hoehler, S., (...), Larsson, T., Maksymowicz, M. // Proceedings of the 3rd International Conference on Bridge Maintenance, Safety and Management - Bridge Maintenance, Safety, Management, Life-Cycle Performance and Cost.-2006.- pp. 751-753
4. Abdelouafi, E.G. Reliability Analysis of Reinforced Concrete Buildings: Comparison between FORM and ISM /Abdelouafi, E.G., Benaissa, K., Abdellatif, K. // Procedia Engineering.-2015.-#114, pp. 650-657
5. Lin, S.-Z. Experimental study on frost resistance durability and service life prediction of normal cement concrete/Lin, S.-Z., Li, H.-M., Zhang, H.-Y.// Advanced Materials Research.-2010.-#368-373.- pp. 2425-2429
6. Skibin G. M., Shutova M. N., Subbotin A. I. Approaches for development of a universal method for calculating the residual life of buildings and structures //Procedia Engineering. - 2016. - Т. 150. - С. 1715-1720.
7. Соболев В. И. и др. Математическая модель определения остаточного ресурса зданий и сооружений //Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. - 2006. - №. 2.
8. Добромыслов А. Диагностика повреждений зданий и инженерных сооружений. - Litres, 2015.-121 с
9. Добромыслов А.Н.Оценка надежности зданий и сооружений по внешним признакам: Справочное пособие / Добромыслов А.Н. - М.: Изд-во АСВ, 2008. - 72 с.
10. Райзер В. Д. Теория надежности в строительном проектировании. - М. : Изд-во Ассоц. строит. вузов, 1998. - 230с.
11. Райзер В. Д. Теория надежности сооружений. - Райзер В. Д. Теория надежности в строительном проектировании. - М. : Изд-во АСВ, 2010. -381с.
