Определение надежности металлических конструкций в составе зданий и сооружений при ограниченной статистической информации о контролируемых параметрах

На правах рукописи

Плотникова Ольга Серафимовна

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ В СОСТАВЕ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ ПРИ ОГРАНИЧЕННОЙ

СТАТИСТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ О КОНТРОЛИРУЕМЫХ

ПАРАМЕТРАХ

Специальность 05.23.01 – Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт–Петербург, 2008

Работа выполнена на кафедре «Промышленное и гражданское строительство» ГОУ ВПО «Вологодский государственный технический университет»

Научный руководитель – доктор технических наук, профессор,

заслуженный работник ВШ РФ

Уткин Владимир Сергеевич.

Официальные оппоненты – доктор технических наук, профессор

Шульман Георгий Сергеевич

кандидат технических наук, доцент

Ворожбянов Василий Николаевич

Ведущая организация – ЗАО «Газстройпроект», г. Вологда

Защита состоится « 4 » декабря 2008 года в 14 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.223.03 при ГОУ ВПО «Санкт–Петербургский государственный архитектурно–строительный университет» по адресу: 190005, г. Санкт–Петербург, 2–ая Красноармейская ул., д.4, ауд. 505–А.

Факс: (812) 316–58–72

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Санкт–Петербургский государственный архитектурно– строительный университет»

Автореферат разослан « 30 » октября 2008г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета,

д.т.н., доцент Л.Н. Кондратьева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Проблема обеспечения надежности строительных конструкций на стадии проектирования, строительства и эксплуатации зданий и сооружений, в последнее время становится одной из важнейших проблем в Российской Федерации и в других странах мира. Как отмечают академики Г.А. Гениев и В.И. Колчунов в своей монографии «Прочность и деформативность железобетонных конструкций при запроектных воздействиях» (2004 г.), в России она входит в число критических технологий федерального уровня и приоритетных направлений научных исследований Российской академии архитектуры и строительных наук (РААСН).

Проблема оценки остаточной несущей способности и надежности элементов металлических конструкций возникла давно и интенсивно нарастает в связи с физическим и моральным износом зданий и сооружений. Многие объекты выработали свой проектный ресурс и требуют срочной диагностики на предмет выявления их безопасной эксплуатации. Например, в «Строительной газете» в 1999г. были опубликованы следующие цифровые данные: в жилом секторе Украины в период с1991г. по 2001г. произошло более 100 аварий, в которых погибло более 80 человек, из 30 тыс. мостов постройки до 1961г. 83% не отвечают требованиям грузоподъемности. Из–за низкого качества строительных работ 70% объектов постройки за последние 1015 лет нуждаются в обследовании и усилении. Примерно такая же ситуация сложилась и в Российской Федерации. Всем известен факт обрушения в 2004г. конструкций Трансвааль–парка в Москве, в результате чего погибло около 30 человек. В 2005г. обрушились стальные фермы в плавательном бассейне в Пермской области из–за появившихся дефектов и некачественного обследования, в результате погибли 14 человек, 10 детей.

В последнее время у многих зданий и сооружений изменяются функциональные назначения, часто с увеличением нагрузок, производится надстройка зданий, их реконструкция. Также усиливается внимание к переоценке основных фондов, что требует проводить техническое обследование зданий, сооружений и оборудования с целью определения их фактического технического состояния.

С течением времени несущая способность, надежность и остаточный ресурс металлических конструкций понижаются вследствие накопления повреждений или появления и развития дефектов. Для предупреждения аварий и разрушений конструкций, для продления времени их эксплуатации необходимо владеть информацией об уровне их остаточной несущей способности, надежности и остаточного ресурса.

Большинство существующих методов анализа надежности стальных конструкций основано на использовании классической теории вероятностей и математической статистики. Такое использование вполне обосновано историческим развитием науки о надежности и оправдано, когда имеется достаточное количество устойчивых выборочных данных, характеризующих процессы износа, старения, отказов и разрушения металлических конструкций.

Однако в реальных условиях эксплуатации такая информация отсутствует. Нередко оценка технического состояния металлических конструкций по результатам обследования не содержит основной количественной характеристики – надежности конструкции. Это вызвано тем, что, как правило, на практике отсутствуют достоверные и полные по объему статистические данные о входных и выходных параметрах конструкции. Такая ограниченная информация не позволяет использовать для оценки надежности металлических конструкций известные вероятностно–статистические методы.

Целью работы является разработка методик определения надежности несущих элементов в составе металлических конструкций и металлических конструкций в целом, находящихся в условиях эксплуатации, когда статистическая информация о входных параметрах и параметрах системы ограничена; разработка методик выявления остаточной несущей способности МК; разработка методики определения остаточного ресурса (времени) безопасной эксплуатации МК.

Научную новизну составляют:

• методики определения надежности несущих элементов металлических конструкций и металлических конструкций в целом, находящихся в эксплуатации при допущении краевой пластической деформации при малой (ограниченной) статистической информации о параметрах системы в контексте мер возможности;
• методики определения расчетной надежности индивидуальных элементов в составе металлических конструкций и металлических конструкций в целом, находящихся в эксплуатации, по условию предельного равновесия.
• методика экспериментально-теоретического определения несущей способности стальных конструкций;
• оценка остаточного ресурса несущих элементов стальных конструкций эксплуатируемых зданий и сооружений;
• методика определения механических характеристик стали в конструкции на уровне изобретения с использованием полученного патента №2308018 «Устройство для определения твердости материалов методом царапания», выданного Роспатентом РФ.

Достоверность полученных результатов подтверждается:

• теоретическим расчетом надежности P стальной балки с использованием классической теории вероятностей и расчетом возможности R и необходимости N безотказной работы балки с применением теории возможностей. Получены значения P, R, N в виде необходимой согласованности . Такая же согласованность получена по результатам испытаний образцов из древесины и стали в лаборатории ПГС ВоГТУ;
• сравнением результатов испытаний стальных конструкций (балки, фермы) в лабораторных условиях ВоГТУ по определению несущей способности по предлагаемой в диссертации методике и традиционными методами (расхождение в пределах 45%);
• сравнением результатов по определению с помощью устройства для определения твердости материалов методом царапания и результатов разрушающих испытаний стальных образцов.

Практическая значимость работы заключается в:

• оценке несущей способности эксплуатируемых стальных конструкций и в определении на этой основе обеспечения безопасности их эксплуатации, возможности устройства надстроек и других видов реконструкции, в выявлении резерва несущей способности стальных конструкций.

• оценке надежности несущих стальных элементов в составе зданий и сооружений при ограниченной статистической информации о параметрах математических моделей предельных состояний этих элементов и воздействиях, и на этой основе в определении уровня их безопасной эксплуатации, в определении количественной характеристики качества стальных конструкций как недвижимого имущества;

• количественной оценке механических свойств строительных сталей в конструкции неразрушающим методом.

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на Международной научно-практической конференции «Реконструкция. Санкт-Петербург–2005», С.Петербург, СПбГАСУ, 2005г., на IV Всероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука – региону», Вологда, ВоГТУ, 2006г., IV Международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века», Пенза, 2006г., научно – технической конференции «Строительная физика в XXI веке», Москва, 2006г., на научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета Санкт–Петербург, СПбГАСУ, 2007г., на V Всероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука – региону», Вологда, ВоГТУ, 2007г., на международной научно–практической конференции «Наука и инновации в современном строительстве–2007», С.Петербург, СПбГАСУ, 2007г., на X-ой научно-технической конференции «Надежность строительных объектов», Самара, 2007г. Основное содержание диссертации опубликовано в 13-ти научных статьях в России и зарубежом (в т.ч. в 4–х рекомендованных ВАК), патенте на изобретение.

Внедрение результатов работы. На основании проведенных испытаний двух стальных балок на заводе нестандартного оборудования для деревообрабатывающей и целлюлозно–бумажной промышленности ЗАО Союзлесмонтаж в г. Вологде неразрушающим методом (царапанием) были установлены механические характеристики стали балок ( и ). По этим результатам и по предложенной методике определения надежности для индивидуальных конструкций была произведена оценка надежности подкрановых балок. Результаты работы позволили предприятию представить кран и подкрановые балки к очередной инспекции Гортехнадзора.

Научные разработки по анализу надежности и остаточного ресурса МК внедрены в учебный процесс включением в учебный план ВоГТУ дисциплины «Основы надежности строительных конструкций» для специальности «Промыш-ленное и гражданское строительство», в рабочие программы дисциплины «Обследование и испытание зданий и сооружений». Результаты научных исследований используются в учебном процессе при проведении лабораторной работы «Оценка механических свойств стали» при преподавании курсов «Металлические конструкции», «Технология конструкционных материалов» в ВоГТУ.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 6–ти глав, заключения с основными выводами, списка литературы и 2-х приложений. Она изложена на 240 страницах, включающих 197страниц основного текста, 76 рисунков, 2 таблицы, список литературы из 152 наименований и приложений на 27 страницах.

На защиту выносятся:

• комплекс методик для определения надежности индивидуальных стальных несущих элементов в составе конструкций и стальных конструкций в целом при ограниченной (неполной) статистической информации о входных параметрах и параметрах несущих элементов на стадии эксплуатации;
• методика определения надежности индивидуальных элементов в составе металлических конструкций и конструкций в целом по условию предельного равновесия;
• методики определения надежности индивидуальных сварных соединений различного вида на стадии эксплуатации;
• методики неразрушающих испытаний стальных конструкций для определения их остаточной несущей способности;
• методика выявления резерва несущей способности стальных конструкций за счет допущения ограниченных пластических деформаций в некоторых несущих элементах;
• определение остаточного ресурса стальных несущих элементов конструкций при ограниченной информации об их надежности.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, изложены цели и задачи исследований, отмечены научная новизна и практическая значимость работы, а также основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена изложению состояния вопроса о методиках оценки надежности, несущей способности и остаточного ресурса строительных металлических конструкций и определению задач исследования. Приведен краткий обзор отечественных и зарубежных работ по расчету надежности металлических конструкций на основе теории вероятностей и математической статистики, а также обзор состояния теорий по анализу неопределенностей и, в частности, методами теории возможностей.

В области оценки несущей способности, надежности и остаточного ресурса строительных конструкций принимали в разное время заметное участие отечественные и зарубежные ученые такие как, Гемерлинг А.В., Гольденблат И.И., Стрелецкий Н.С., Болотин В.В., Ржаницын А.Р., Аугусти Г., Баратта А., Беленя Е.И., Горев В.В., Кашиати Ф., Келдыш В.М., Мельников Н.П., Райзер В.Д., Решетов Д.Н., Ройтман А.Г., Белый Г.И., Тимашев С.А., Уткин В.С., Фрейденталь А., Фридман Я.Б., Чирас А.А., Шпете Г. и др.

Целью расчетов несущих элементов металлических конструкций и конструкции в целом является обеспечение их надежности по различным критериям предельных состояний. В соответствии с законом Российской Федерации от 18.12.2002 «О техническом регулировании» мерой безопасности принят уровень надежности или уровень «отсутствия недопустимого риска».

Для расчета надежности элементов конструкции необходимо наличие:

1. математической модели предельного состояния;
2. функций распределения случайных величин или нечетких переменных;
3. значений параметров этих функций распределения.

Последние два условия выявляются с помощью статистической информации о поведении базовых случайных величин или нечетких переменных в математических моделях предельных состояний. Большинство существующих методов расчета вероятности безотказной работы конструкций предполагают наличие полной и статистически устойчивой информации о входных параметрах и параметрах системы. К сожалению, для индивидуальных строительных объектов в условиях эксплуатации чаще всего статистическая информация об объектах и воздействиях ограниченная.

В связи с тем, что определение значений эксплуатационных нагрузок, прочностных характеристик сталей связаны в реальных условиях с определенными трудностями, неточностями и в ограниченном объеме, то применение вероятностных методов в этом случае становится некорректным, и результат расчета вызывает недоверие.

Еще в 1984г. академик В.В. Болотин, учитывая эту ограниченность, указывал, что при существующей неполноте информации для оценки надежности и остаточного ресурса начинает использоваться новая ветвь теории вероятностей в виде теории размытых или нечетких множеств. Проф. МГУ В.П. Кузнецовым для анализа неопределенностей была разработана теория интервальных средних, частным случаем которой является теория возможностей, на основе которой получили развитие методы анализа неопределенностей в сложных системах в работах Л.В. Уткина, С.К. Гурова и В.С. Уткина.

Академики Гениев Г.А. и Колчунов В.И. в своем научном издании (монографии) «Прочность и деформативность железобетонных конструкций при запроектных воздействиях» (2004г.), ссылаясь на работы проф. В.С. Уткина пишут буквально следующее «…для оценки надежности конструкций, особенно для стадии их эксплуатации в составе зданий и сооружений модели на основе возможностных методов пока остаются наиболее пригодными к практическому расчету конструкций на надежность».

В работах В.С. Уткина приводится обоснование применимости теории нечетких множеств, теории возможностей и теории интервальных средних при оценке надежности строительных конструктивных элементов и определения качества материалов в условиях ограниченной информации о контролируемых параметрах. В этих работах приводится принципиальные положения расчета на надежность индивидуальных элементов конструкций и конструкций в целом различного функционального назначения, выполненных из различных материалов, однако работ по оценке надежности стальных конструкций, отличающихся большим разнообразием, а также сварных соединений крайне мало. На разработку инженерных методик по оценке надежности, остаточной несущей способности, остаточного ресурса МК направлена данная диссертационная работа.

Вторая глава посвящена разработке новых методик расчета надежности несущих элементов металлических конструкций, работающих в условиях упругого деформирования, а также методики определения остаточного ресурса стальных конструкций при ограниченной информации о контролируемых параметрах.

В основу методик для определения расчетной надежности индивидуальных элементов металлических конструкций в составе зданий и сооружений положено выявление возможности события, описываемого формулой

, (1)

где – оператор, характеризующий текущее напряженно–деформированное

состояние элемента конструкции или всей конструкции в целом;

– оператор, характеризующий текущее предельное напряженно–де-

формированное состояние элемента или конструкции.

Выявление этой возможности в диссертационной работе осуществляется с помощью математических операций теории возможностей. На основе этих подходов рассматриваются общие и частные методики расчета надежности МК. В качестве предельного состояния принимается достижение краевой пластической деформации или достижение предельного равновесия.

Сущность методик расчета надежности МК приводится на примере простейшей однопролетной статически определимой балки, загруженной равномерно распределенной нагрузкой. Пусть для балки имеется ограниченная статистика по результатам измерений, испытаний и наблюдений значений нагрузки и предела текучести стали .

Если принять , и детерминированными, т.е. неслучайными величинами, то математическую модель предельного состояния при оценке надежности однопролетной балки с шарнирными опорами по условию допущения краевой пластической деформации можно записать в виде

, (2)

где – нагрузка и ()– физический или условный предел текучести стали.