автореферат диссертации по транспорту, 05.22.19, диссертация на тему:Методика оценки коэффициента надежности морских причалов с учетом сроков эксплуатации

На правах рукописи

Лф<7

Сахненко Маргарита Александровна

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ КОЭФФИЦИЕНТА НАДЕЖНОСТИ МОРСКИХ ПРИЧАЛОВ С УЧЕТОМ СРОКОВ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Специальность 05.22.19 «Эксплуатация водного транспорта, судовождение»

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва -2007

ООЗ гса'ю0 j

003175468

Работа выполнена в Московской государственной академии водно транспорта на кафедре водных путей и портов

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор -

КОСТЮКОВ ВИКТОР ДОРОФЕЕВИЧ

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

заседании диссертационного ссмет д2хш№0) при MocwiscköI Государственной академии водного транспорт* (МГ АВТ) по адресу. 117IÖ5 г. Москва. Гктеодаишдавская набережная, дом 2. юзрвус 1, ^ддаорш» 336

С ДЕСсвртааяей можно оздаюомиться в библиотеке MI АВТ, объявление о тащите и автореферат диссетгимы размел реем на сайте МГЛВТ* www- msavrt.rti

Лйюреферат рвослвн « У» -10 2007t

КОРОВКИН ВЛАДИМИР СЕРГЕЕВИЧ Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

кандидат технических наук -САМАРИН ВЛАДИМИР ФЕДОРОВИЧ ОАО «ГИПРОРЕЧТРАНС»

Ведущая организация: ОАО «проектно-изыскательский и научно'

исследовательский институт морского транспорта» (СОЮЗМОРНИИПРОЕКТ)

Ученый секретарь диссертационного совета Д223 006 01

кандидат гехничеекгик (тук. допет J/0&S 1 А Керчи, ин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования Практически все сооружения, подлежащие капитальному ремонту или реконструкции, проходят технический контроль и диагностику Затем на основании полученных данных должны выполняться поверочные расчеты конструкции сооружения с целью определения нижнего предела эксплуатационной надежности (запасов прочности и долговечности), обоснования возможности их дальнейшей работы при изменении условий эксплуатации или выбора вариантов проекта капитального ремонта, реконструкции или усиления

Известно, что нормативные расчеты новых и поверочные расчеты эксплуатируемых причалов выполняются методом предельных состояний Однако, как показывает анализ расчетных формул метода предельных состояний, применять их для поверочных расчетов конструкций не корректно, поскольку не учитывается фактор времени Так, причальные сооружения, отслужившие значительный срок эксплуатации , рассчитываются на такие же нормированные коэффициенты пс,п,тд,кн,ут,ус, как и сооружения вновь запроектированные, что может привести к значительным погрешностям в оценке запасов прочности несущей конструкции Очевидно, для сооружений, проработавших определенный срок, необходим учет изменения коэффициента надежности во времени Научных разработок в этой области все еще очень мало Этим определяется актуальность темы данного диссертационного исследования

Цели и задачи исследования. Целью данной работы является учет фактора времени и повышение точности расчетов конструкций причалов, подлежащих реконструкции или усилению Исследование фокусировалось на коэффициенте надежности как основном показателе класса и экономической ответственности сооружения в методе предельных состояний. Исходя из поставленной цели и результатов предыдущих исследований, задачи диссертационной работы включали следующее 5

поставленной цели и результатов предыдущих исследований, задачи диссертационной работы включали следующее

1 Структурный анализ конструкций и определение условий наступления отказов основных несущих элементов

2 Физический износ основных несущих элементов конструкции

3 Разработка вероятностной модели расчета на базе графоаналитического метода

4 Расчет конструкции как системы в целом методом статистических испытаний

5 Коррозионный износ несущих элементов конструкции Учет фактора времени в расчетах прочности конструкции

6 Идентификация коэффициента надежности в сравнительных расчетах по предельным состояниям и вероятностным методом с учетом фактора времени

Объектом исследования являются конструкции причальных сооружений типа больверк из металлического шпунта

Предметом исследования является коэффициент надежности как показатель запасов прочности и долговечности причальных конструкций типа больверк из металлического шпунта

Информационной базой являются архивные материалы реализованных проектов причалов типа больверк в разных морских портов России и СНГ

Методы исследования . В диссертационной работе использованы методы теории вероятности и математической статистики, в том числе и методы регрессионного анализа, методы расчета по предельным состояниям конструкций

Научная новизна:

• Получены параметры распределения пролетного момента в лицевой стенке причала типа больверк;

• Определены математическое ожидание и дисперсия расчетного момента металлического шпунта лицевой стенки путем разложения функции момента в ряд Тейлора,

• С использованием метода линеаризации функций определена зависимость надежности лицевой стенки от срока эксплуатации для разных интенсивностей коррозионного износа металлического шпунта,

• По полученным выше результатам для соответствующих показателей момента сопротивления и срока эксплуатации определена зависимость коэффициента надежности от времени для расчетных схем;

« Получены предварительные результаты расчетов коэффициентов надежности причалов, запроектированных и построенных в разных морских портах России и СНГ, « Разработана методика расчета строительных конструкций как сложных

систем, состоящих из множества элементов с учетом фактора времени Практическая значимость диссертационных исследований состоит в

том, что предложен метод и разработан его формализованный аппарат для вероятностного расчета строительных конструкций и оценки коэффициента надежности морских причалов с учетом сроков их службы Это дает возможность перейти к практическому расчету причальных сооружений по заданному уровню коррозионного износа несущего элемента (выполнить поверочные расчеты с учетом фактора времени)

Апробация работы. Основные положения диссертации были представлены на первой (2002 г) и второй (2004 г) научно-практической конференции Министерш ва транспорта России «Морские и речные порты России 2002 и 2004», на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов Московской государственной академии водного транспорта

По теме диссертации опубликовано 20 печатных работах Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, основных выводов и заключения, списка литературы и приложений Диссертация содержит 124 стр, 12 таблиц и 30 рис, 10 приложений, библиографический список включает 78 наименований

На защиту выносятся • методика и результаты предварительной оценки коэ< зфициента надежности и вероятностных показателей прогости ко» ггрукций причалов с учетом фактора времени.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении определяется актуальность теVIы и кратко излагается состав дисс ертационной работы

Первая глава посвящена анализу методов расчета строительны* кою трукций пс предельным состояниям и по теории надежности.

На основании анализа автором определено, что результаты технического кон- роля и диагностики конструкций сооружений соответствуют их реальному состоянию и представляются в виде статистических параметров Ста истические показатели могут быть использованы в расчетах конструкций вере ятностными методами без дополнительных условий и допущений, что соот ветствуег большей объектшносги проекта Как следствие этого преимущества вероятностного метода в сравнении с предельными состояниями, из расчетов исключается значительное число коэффицигнтов, изм! нения значений которых во времени еще не изучены Следоватгльно, при мнение метода предельных состояний для поверочных расчетов сущ;ствующих сооружений, отслуживашх определенный срок, является не1 впи ¡не корректным.

Но поскольку нормативным методом расчета в настоящее время является рас» ет по предельным состояниям, т о в диссертации ставится цель исследовать изм! 1НЧИВОСП, во времени коэффициента надежности.

Во второй главе установлено', что в поверочных расчетах конструкций портовых гидротехнических сооружений, находящихся в эксплуатации, дол ясны быть выполнены главные подготовительные операции.

1. Структурный анализ констрз'кции с определением порядка и характера соединений несущих элементов,

2. записаны условия наступления этказов несущих элементов конструкции,

3. определена надежность конструкции, как системы в целом, с учетом равнонадежной работы несущи с элементов,

4 определена допускаемая надежность несущих элементов по допускаемой надежности системы,

5 определена скорость коррозионного износа по данным диагностики конструкции причального сооружения

В расчетах принимаются условия первого предельного состояния, а так же условия наступления отказов несущих элементов конструкции

Поскольку в диссертации не ставится цель исследовать пути и методы определения норм запаса или «допускаемой» надежности конструкций причальных сооружений, в качестве первого приближения допускаемой надежности принимаем используемую в технических решениях ( СНиПы и РД) вероятность «практической уверенности», равную 0.95.

Основным требованием в расчетах принимается условие равной надежности экономически ответственных несущих элементов конструкций Для трех несущих элементов в конструкции, лицевой стенки, анкерной тяги и анкерной стенки, допускаемая надежность одного несущего элемента составит

[Р(К,)] = 1[095 = 0 983 (1)

На основании анализа критическим элементом в больверке по скорости коррозионного износа принимается лицевая стенка. Ее срок службы определяется.

= (2)

где Г2 - расчет ный срок службы лицевой стенки, лет,

/г2,_0 - размеры поперечного сечения шпунта лицевой стенки, соответствующие начальной надежности конструкции Р(К21=„), мм,

- размеры поперечного сечения шпунта лицевой стенки, соответствующие допускаемой надежности несущего элемента конструкции [Р(К,)], мм,

V скорость коррозионного износа металла лицевой стенки, мм/год В третьей главе, на основании разработанной автором методики

вероятностного расчета пролетного момента в шпунте лицевой стенки причала,

получена возможность определить параметры распределения максимального

момента для дальнейшего расчета надежности конструкции

Для определения статистичес ких характеристик функций прочности и нагрузки в несущих элементах конструкции используются N етоды лин ¡аризацин функций и статистических испытаний (Монте-Карло) Математическое ожидание функции момента прочности шпунтовой стенки име ;т вид

м(млу--мтщгт) . (з)

где M(W) - математическое ожидание иомеигга сопротивления,, М(Ог) - ¡математическое ожидание предела текучести стали Дисперсия момента прочности шпунта (вторэй центральный момент

фу! исции Мя ) определяется

дмл)=и<тг))2 цщм^ аы, (4)

где D(W) - ди< :персия момента сопрста падения, D(ctx) -дисперсия предела текучести стали

На основании определенных статистик линеаризованных ф>нкций прсчности R и нагрузки S вероятность бе «отказной работы шпунтовой сте 1ки составхяет:

/Щ7)=1-Ф

(5)

где Ф - функция Лапласа,

М(1 е ) - математическое ожидали г функции прочности!, M(S) - мг тематическое ожидание фуншии натру: жи При разработке вероятностной модели в качестве исходной принимается

дет грминистическая расчетная с<ема больверкгц в основу которой, положен

графоаналитический метод Блкжа-Ломейера В соответствии с графо -

анг литической моделью расчет состоит из четырех блоков.

1 1 >лок N1 Расчет эпюр активного и пассивного давлений с учетом случайных < ргументов

2 1 >лок N2. 'Замена суммарной эпюры соответстеукщими силами

3. 1 >лок № 3 Построение силового многоугольника (рис 2) с учетом плотности ] распределения сосредоточенных сил производится традиционным способом , щя математического ожидания

Рис. I. Плотности распределения ординат результирующей эпюры бокового давления на лицевую стенку.

о

Рис. 2. Силовой многоугольник с учетом случайных значений сосредоточенных сил 1 ? N 1 1 N

4. Блок №:4. Построение веревочного многоугольника с учетом случайных значений сосредоточенных сил (рис. 3). На рис. 3 веревочные кривые отстоят от средней на м ср ± Зс .

Рис 3 Веревочный многоугольна к учетом плотиосги распределения сосредоточенных сип

В четвертой главе для расчета конструкций используется метод ста гистическик испытаний Монте-Карло

Во-первых, этот метод позволяет моделировать любой процесс, на кэторый вл шют случайные факторы.

Во-вторых, для расчета причального соорз'жения как сложной системы по са невозможно создать экспериментальную модель расчега, но возможно со дать искусственно вероятностную модель работы причального сооружения, ка орая бы учитывала колебания случайных параметров системы

Рассматривая расчел причальных сооружений, моделируя ею иск}'сственно (м!Тод Монте-Карло), необходимо знать входные расчетные параметры и заюны их распределения, определить сложность системы и взаимосвязь ко шонентов этой системы

Цля причальных сооружений типа хбольверк» расчетными компонентами си ¡темы являются-

1. }>изико-мел анические характеристики грунто з основания и засыпки,

2. типы шпунтов и их геометрические и прочностные хараетеристики, 3 засчетные параметры нагрузки на причал

В главе приведены законы распределения всех компонентов расчета и параметры их распределения Все расчетные параметры близки к нормальному закону распределения

Для расчета в работе приняты следующие марки сталей ВстЗсп, стЗсп, БНЛ-2, 16ХГ На основании характеристик этих сталей определялся и начальный (проектный) момент сопротивления шпунта на 1 погонный метр стенки с уче! ом условия устойчивости и прочности сооружения

Требуемое число испытаний может быть определено через допустимое значение с/ относительной ошибки, которое показывает, что число испытаний

увеличивается обратно пропорционально искомой величине р по формуле

5300{) (6)

р<1

Расчет причального сооружения типа больверк методом Монте-Карло осуществлялся с помощью программы «Ьо1ушопЬ>, созданной Черепахиным А П для расчета причальных конструкций типа больверк В расчетах используются варианты реализованных проектов конструкций причалов типа больверк из металлического шпунта

В пятой главе определяются геометрические и статистические параметры коррозионного износа металлического шпунта и производится расчет коэффициента надежности и вероятности безотказной работы с учетом фактора времени

Определяется расчетная геометрическая характеристика, которой является момент сопротивления как случайная величина, изменение которой зависит от статистических параметров размеров сечения, скорости коррозии и времени (рис 4) Наиболее интенсивный коррозионный износ лицевой стенки по данным натурных наблюдений происходит в зоне переменного горизонта

Момеш сопротивления с учетом коррозионного износа во времени определяв! ся

5

1 А \ и' '

(7)

Ди :персия примет следующий вид:,.

1^3 ^УМ^

А,

5| А — 2т 1 + 6,

А,3 + ^ +

ЗА

3

(« + А,)2

А.+

(8)

v,2

А,

где Ь| — выоэта в поперечном сече ш и шпунта до внутренней поверхности полки (рис 4 ), 1} - высота поперечного сечения шпунга до внешней поверхности полки, ё = Ь -Ь1 -Д - остаточная толщи на по пси, Ь- внешняя ширина попки шп>ш а, Б1 - внутренняя толщина полки

v -математическое ожидание скорости коррозии металл.», измеряемое в ммЛ од, < - продолжительность эксплуатации, год

Срок службы сооружения лдя расчета принят в интервале 0-10 лет с шегом 5 лгт Для расчета приняты лицевые стенки типа Больвсрк из ме галлическо -о шпунта корытного профиля «Л.фсеи 4», «Ларсен 5» и <Ларсен 7»

"1

1

7,1

Г Н

ь»

ЙЛ/ /

Рис 4 Схема к расчету коррозионного износа поперечного сечения шду чта.

Математическое ожидание начального момента сопротивления оп эеделяется

где - математическое ожидание начального (проектного) момента сопротивления, м3, М - математическое ожидание расчетного изгибающего момента, тм, К - математическое ожидание предела текучести стали, т/м2 Дисперсия момента сопротивления определяется*

0 = Ш М7г + Л

(10)

где 0\Уо -дисперсия момента сопротивления шпунта, м6,

ОЯ - дисперсия предела текучести шпунтовой стали, (т/м2)2, ОМ - дисперсия изгибающего момента шпунта, (тм) , Я - м атематическое ожидание предела текучести стали т/м2, М - математическое ожидание изгибающего момента шпунта, тм

В расчете приняты изменения момента сопротивления шпунта в климатических условиях Черноморско-Азовского бассейна. скорость коррозионного износа 0,15-0,50 мм/год для 10 расчетных схем и данные реализованных проектов по бассейнам Черноморско-Азовского, Балтийского, Баренцева и Дальневосточным морям

Рассматривая условия предельного состояния для тонких стенок, возможно с учетом данных полученных в главе 3 представить детерминистическую форму расчета коэффициента надежности по предельным состояниям в следующем виде:

Где М -математическое ожидание расчетного изгибающего момента, тм,

к„ - математическое ожидание коэффициента надежности с учетом фактора времени, Пс =1 0- среднеарифметическое коэффициента сочетания нагрузки, п =1 25- среднеарифметическое коэффициента перегрузки, ш = 1 0- среднеарифметическое коэффициента условия работ,

та^О 95- среднеарифметическое дополнительного коэффициента условий работы для ломанных поверхностей,

Я - математическое ожидание предела текучести шпунтовой стали, т/м2, Ш - математическое ожидание момента сопротивления с учетом фактора времени

см3

Коэффициенты условий работы, перегрузки, сочетания нагрузки, предела текучести возможно принять в расчете неизменными и имеющими значения, полученные на основании статистических наблюдений как среднеарифметические

тШ т Ш

2-=-*-)

Мпсптл пспта М

*-

(И)

Дисперсия коэффициента надежности с jчетом того, что все данные в формуле 11 являются независимыми друг от друга определяется методом лш еаризации функции и правил вычисления вероятностны* величин

Dk _ (м„ппс)гМ2 *{т)г(р№2 -DR;V2)-(mff '-lV2 *(т,пп f DM (,r,idnnt l4 Л?"

Расчез математического ожидания коэффициента надежности и дисперсии производится для каждой расчетной схемы, для принятых марок ста пи

Доверительные границы коэффициента надежности определяются в пр< цессе анал -13а данных с учетом фактора врем гни.

Вероятность безотказной работы является оценкой работы coop /же ни я, он< имеет свойство изменяться во време-ш Доверительные з тачгния ве{ оятности безотказной работы сооружения имеют ¡границы для всего сос ружения в целом (0 8,0 9, 0 95)

Срок службы сооружения принимается 50 лет, расчел изменения момента coi ротивлеиии производиться с нагом в 5 лет с момента сдачи причала в эксплуатацию Расчет вероятности безотказной работы и математического ожадания коэффициента надежности и дисперсии производится в соответствии со сроком службы для расчетных схем реализованных проектов для /словий Че )номоро-А::овского бассейна и бассейнов Балтийского, Баренцева и Да 1ьневосточ -шх морей

Произведенный расчет коэффициента надежности бли юк к ст 1тистичес,кому Это дает возможность определить связь коэффициента надежности и вероятности безотказной работы, которая позволит идентифицировать расчетное значение коэффициента надежности от «актора вр гмени

В шестой главе производится регрессионный анализ зависимости ко |ффициеыта надежности и срока эксплуатации сооружения, проводится ан.щиз и выбор приемов свя:;и коэффициента надежности и вероятности бе отказной работы Коэффицигтт надежности, используемый в настоящее

время в расчетах является нормативным, что говорит о величине коэффициента надежности как о проектной (начальной) величине соответствующей нулевому сроку службы В свою очередь, вероятность безотказной работы (РД 31 31.35-85) имеет значение 0,95 как предельную границу гарантии неразрушимости конструкции.

Статистическая природа расчетных параметров метода предельных состояний дает возможность идентифицировать коэффициент надежности причального сооружения типа больверк с учетом фактора времени (в период эксплуатации сооружения)

Анализ связи коэффициента надежности и вероятности безотказной работы от фактора времени (срока службы сооружений) производится по 10 расчетным вариантам, основанным на запроектированных причалах, построенных в разное время и 12 существующих причальных сооружений построенных в 80-х годах прошлого столетия Расчет производится с интервалом времени 5 лет, и предельным сроком службы 50 лет

Данные для построения коррелированной кривой зависимости являются зависимости кн =f( t), P=f(t) Для построения графиков зависимости используется программа корпорации Microsoft на основе Microcal Origin Строится график зависимости, и определяется уравнение регрессии и коэффициенты регрессии для каждой расчетной схемы

Связь коэффициента надежности и вероятности безотказной работы может быть простроена на основе анализа значений математических ожиданий этих величин и ргзброса значений около него для каждого расчетной схемы, с учетом доверительных границ значений коэффициента надежности и вероя гности безотказной работы

Доверительный интервал значений коэффициента надежности и вероятности безотказной работы имеет границы

Ip = ( KH-tpCTKH, Кн + tp<7 Й, ), (13)

Ip=( P-tpOp, P + tpOp), (14)

где sp - некое значение параметра,

3 - достоверная вероятноеп события

* кн = <у~ среднеквадратнческое отклонение оценки Кяи Р Определяется как

г =151 (15 а), = /5, (156)

где и^ Ф(х) - (функция обратная Ф

В расчетах реализованных проектов конструкций, математическое

ожидание коэффициента надежное) и принимается Кн = I 15 ( по нормативным

данным для сооружений 3 класса капитальности) математическое ожидание

вер зятности безотказной работы < в соответствии с техническими решен «тми) -

0 9..

Анализ статистических пг.рамбутров коэффициента надежности и верэятности безотказной работы производится с помощью программы ЕХЕЬ, которая позволяет определить математическое ожидание,

сре цнеквадратическое отклонение, доЕ.ерительные границы с учетом оактора времени дли различных значений доверительной вероятности (08,09,0 95) Регрессионная связь коэффициента надежности и вероятности безотказной раб оты, имеет тесную связь с корреляционным моментом 0 99995

Анализ связи реализованных проектов показывает (рис.5) что, нормативные значения коэффициента надежности 1 15 соответствует значению верэятности безотказной работы ниже допустимого значения Рн=0 65. Расчетное значение коэффициента надежности для нулевого срока службы сос ружения имеет значение, превь шагощее нормативное, но соответствующее достаточной прочности и надежности конструкции при вероятности безотказной работы в пределах принятых значений при Рн = 0 95 Кн = 1 56. Ав- ором установлено (рис.5), что начальное проектное значение коэффициента нахежности не соответствует тому значению, которое, по нормативным поьазателям должно закладываться в расчеп!х, но значение вероятности безотказной работы сооружения довольно близко к принятому Однако значение коэффициента надежности нормативное соответствует сроку службы сос ружения и вероятности безотказной работы близким к предельным поьазателям потери прочности и устойчивости, которые соответствуют величине 1 15 для коэффициента надежности

Это может означать что, нормативное значение коэффициента надежности соответствует значению предельного состояния конструкции.

У =0,32071-1 .28714 Х*2.19853 Ха-0,71371 X'

Коэффициент надежности, Кн

Рисунок 5. График связи коэффициент надежности и вероятности безотказной работы расчетных схем.

Что же касается вероятности безотказной работы, нормативное значение которого, соответствует завышенному значению коэффициента надежности, то необходимо найти предельную границу вероятности безотказной работы и нормировать ее для анализа поверочных расчетов эксплуатируемых конструкций.

Для существующих причальных сооружений типа больверк, вероятности равной 0.95 соответствует срок службы 23 года и коэффициент надежности 2.17. Нулевому значению срока службы соответствует значение вероятности безотказной работы 0.98, коэффициент надежности равный -2.43. Анализ показывает, что расчетное значения коэффициентов надежности существующих проектов сооружений (рис.6) намного превышают нормативное значение коэффициента надежности и наступления предельного состояния (когда коэффициент надежности будет равен 1.15) соответствует 107 годам, тому же сроку службы соответствует величина вероятности безотказной работы равная 0.1' .

У =4,56709-7 8:.368 >. + 4,73188 Л2-0,87045 X

.00 -

Т = 0 лет

------1 - 1

--------Т='1>ле

Т^Г Т= 20л ет

- «эк п я т

- Т-- 2<5л е т

30ле|

^ 0.80-

3 0.85 -

|

у- Т-41)Ь зт

1 =31 Л'5Т

Е

11.75 -

Л' Т=45лет Т= >0 л< т

11,70 -

1,8

2 4

2.5

Ри( унок 6. График связи коэффициент надежности V. вероятности безотказной работы

В заключении дан перечень основных ¡результатов, полученных в работе. Приложения содержат соответствующие расчеты и расчетные ехгмы го глазам, а также исходные данные для использования программы мат ематического моделирования Монте-Карло л регрессионного анализа.

1 работе лопучены следующие результаты:

• Автором разработана методика получена? параметров распределения фолетного момента в лицевой стенке причальной конструкции типа юльверк из металлического шпунта.

• Определены изменения момента сопротивления от скорости коррозионного «носа во времени для разных v[opcкиx бассейнов; соответствующие; пменениа коэффициентов надежности и вероятности безотказной работы ' ¡ооружения;

• Построена регрессионная связь коэффициента надежности и вероятности I ¡езотказнэй работы от срока эксплуатации причала.

• Произведена идентификация коэффициента надежности в сравнительных расчетах по предельным состо гаия и вероятностным методом с учетом

реализованных проектов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ¡РАБОТЫ

фактора времени реализованных проектов причальных сооружений типа больверк из металлического шпунта.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1 Косгюков В Д, Сахненко М А / Проблемы нормирования запасов про 4ности и долговечности конструкций причалов в поверочных расчетах. // Сборник научных трудов первой научно-практической конференции Министерства Транспорта РФ (стр81) - М.: ЦДМУ МГАВТ,2002г

2. Сахненко М.А/ Учет фактора времени в поверочных расчетах причальных сооружений // Сборник научных трудов Союзморниипроекта (сгр 144) - М: ЦДМУ МГАВТ, 2002 г

3. Сахненко М.А. / Анализ эксплуатационной надежности портовых причальных сооружений с учетом фактора времени // Сборник научных трудов второй научно-практической конференции Министерства Транспорта РФ. (стр.97) - М. «Альтаир» МГАВТ, 2004 г.

4. Сахненко М А/Анализ взаимосвязи коррозионного износа и коэффициента надежности сооружения из металлического шпунта// Сборник научных трудов кафедры «Водные пути порты» Московской гос> дарственной академии водного транспорта (стр.47) - М МГАВТ «Альтаир», 2005г

5 Сахненко М.А / Коэффициент запаса в расчетах предельных состояний // Сборник научных трудов кафедры «Водные пути порты» Московской государственной академии водного транспорта, (стр.19) -М МГАВТ «Альтаир», 2006г

6 Сахченко М А / Идентификация коэффициента надежности причальных сооружений типа больверк из металлического шпунта с учетом фактора времени // Журнал «Речной транспорт». (Вып. № 5, стр. 92-) М.2007 г

САХЫЕНКО Маргарита Александрович

Мс годика оценки коэффициента надежности морских причалов с учетом

сроков эксплуатации

Подписан» I печать 5.10 2007 г. Формат 60з 90/1 б. Объем 1 пл. Заказ К^^Гкряж 100 зкз.

Издательство «Альгаир>> Московская государствен пая академия водного транспорта 117105 г Москва, Новоданиловская набережная, д 2 корпус, 1

Введение.

Глава 1. Анализ проблемы изменчивости запасов прочности и долговечности (надежности) строительных конструкций.

Глава 2. Эксплуатационная надежность конструкций морских причалов

2.1. Структурный анализ конструкции и виды разрушений основных несущих элементов.

2.2. Условия проявления отказов основных несущих элементов.

2.3. Физический износ основных несущих элементов и оценка остаточного ресурса конструкции.

Глава 3. Выбор вероятностной модели расчета с учетом детерминистического алгоритма.

3.1. Метод линеаризации.

3.2. Статический расчет больверка с использованием метода линеаризации функций случайных аргументов.

Глава 4. Метод статистических испытаний в расчетах причальных сооружений типа больверк.

4.1. Генерирование базовой последовательности случайных чисел.

4.2. Моделирование случайных величин с нормальным законом распределения.

4.3. Метод Монте-Карло в расчетах портовых сооружений.

4.3.1. Расчетные компоненты моделируемой системы.

4.3.2. Нахождение доверительного интервала.

4.3.3. Определение количества испытаний и уточнение допускаемой ошибки.

4.3.4. Алгоритм расчета причального сооружения типа больверк методом Монте-Карло.

Глава 5. Фактор времени в расчетах причальных сооружений типа больверк.

5.1. Определение геометрических размеров шпунта с учетом коррозионного износа с течением времени.

5.2. Расчет коэффициента надежности с учетом фактора времени.

5.3. Определение вероятности безотказной работы сооружения с учетом фактора времени.

Глава 6. Идентификация коэффициента надежности и вероятности безотказной работы.

6.1. Построение регрессионной связи коэффициента надежности от фактора времени причальных конструкций типа больверк.

6.2. Идентификация показателей запаса прочности и долговечности причальных конструкций типа больверк из металлического шпунта методами теории вероятности.

6.2.1. Доверительные границы коэффициента надежности и вероятности безотказной работы.

6.2.2. Регрессионный анализ расчетных параметров коэффициента надежности и вероятности безотказной работы.

Актуальность. Развитие портов в России за последние 15-20 лет осуществлялось, главным образом, за счет капитального ремонта или реконструкции существующих перегрузочных комплексов (Новороссийск, Туапсе, Ленинград, Ейск, Азов, Мурманск и др.) [ 44 ]. Строительство новых портов (Усть Луга) или специализированных терминалов (наливной в Приморском) остаются редким исключением.

Анализ физического и морального износа основных фондов портов показал, что значительная часть портовых гидротехнических сооружений и объектов достигла нормативного срока службы либо получила такой уровень физического износа, когда их дальнейшая эксплуатация становится невозможной в связи с достижением конструкцией нижнего уровня эксплуатационной надежности. Такие процессы особенно активно развиваются в наиболее загруженных портах [72].

Практически все сооружения, подлежащие капитальному ремонту или реконструкции, проходят технический контроль и диагностику. Затем на основании полученных данных должны выполняться поверочные расчеты конструкции сооружения с целью определения нижнего предела эксплуатационной надежности (запасов прочности и долговечности), обоснования возможности их дальнейшей работы при изменении условий эксплуатации или выбора вариантов проекта капитального ремонта, реконструкции или усиления.

Известно, что нормативные расчеты новых и поверочные расчеты эксплуатируемых причалов выполняются методом предельных состояний. Однако, как показывает анализ расчетных формул метода предельных состояний, применять их для поверочных расчетов конструкций не корректно, поскольку не учитывается фактор времени. Так, причальные сооружения, отслужившие значительный срок эксплуатации t0, рассчитываются на такие же нормированные коэффициенты пс,п,тд,ки,ут,ус, как и сооружения вновь запроектированные, что может привести к значительным погрешностям в оценке запасов прочности несущей конструкции. Очевидно, для сооружений, проработавших определенный срок, необходим учет изменения коэффициента надежности во времени. Научных разработок в этой области все еще очень мало. Этим определяется актуальность темы данного диссертационного исследования.

Цели и задачи исследования. Целью данной работы является учет фактора времени и повышение точности расчетов конструкций причалов, подлежащих реконструкции или усилению. Исследование фокусировалось на коэффициенте надежности как основном показателе класса и экономической ответственности сооружения в методе предельных состояний. Исходя из поставленной цели и результатов предыдущих исследований, задачи диссертационной работы включали следующее:

1. Структурный анализ конструкций и определение условий наступления отказов основных несущих элементов.

2. Физический износ основных несущих элементов конструкции.

3. Разработка вероятностной модели расчета на базе графоаналитического метода.

4. Расчет конструкции как системы в целом методом статистических испытаний.

5. Коррозионный износ несущих элементов конструкции. Учет фактора времени в расчетах прочности конструкции.

6. Идентификация коэффициента надежности в сравнительных расчетах по предельным состояниям и вероятностным методом с учетом фактора времени.

Объектом исследования являются конструкции причальных сооружений типа больверк из металлического шпунта.

Предметом исследования является коэффициент надежности как показатель запасов прочности и долговечности причальных конструкций типа больверк из металлического шпунта.

Информационной базой являются архивные материалы реализованных проектов причалов типа больверк в разных морских портов России и СНГ.

Методы исследования . В диссертационной работе использованы методы теории вероятности и математической статистики, в том числе и методы регрессионного анализа, методы расчета по предельным состояниям конструкций.

Научная новизна:

• Получены параметры распределения пролетного момента в лицевой стенке причала типа больверк;

• Определены математическое ожидание и дисперсия расчетного момента металлического шпунта лицевой стенки путем разложения функции момента в ряд Тейлора;

• С использованием метода линеаризации функций определена зависимость надежности лицевой стенки от срока эксплуатации для разных ин-тенсивностей коррозионного износа металлического шпунта;

• По полученным выше результатам для соответствующих показателей момента сопротивления и срока эксплуатации определена зависимость коэффициента надежности от времени для расчетных схем;

• Получены предварительные результаты расчетов коэффициентов надежности причалов, запроектированных и построенных в разных морских портах России и СНГ;

• Разработана методика расчета строительных конструкций как сложных систем, состоящих из множества элементов с учетом фактора времени.

Практическая значимость диссертационных исследований состоит в том, что предложен метод и разработан его формализованный аппарат для вероятностного расчета строительных конструкций и оценки коэффициента надежности морских причалов с учетом сроков их службы. Это дает возможность перейти к практическому расчету причальных сооружений по заданному уровню коррозионного износа несущего элемента (выполнить поверочные расчеты с учетом фактора времени).

Апробация работы. Основные положения диссертации были представлены на первой (2002 г.) и второй (2004 г.) научно-практической конференции Министерства транспорта России «Морские и речные порты России. 2002 и

2004», в журнале «Речной транспорт» №4 за 2007 г., на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов Московской государственной академии водного транспорта.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 6 печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, основных выводов и заключения, списка литературы и приложений. Диссертация содержит 124 стр., 12 таблиц и 30 рис., 10 приложений, библиографический список включает 78 наименований.

Выводы, полученные в процессе выполнения работы

1. Анализ методов расчета строительных конструкций показал основное преимущество вероятностных методов для расчета эксплуатационной надежности эксплуатируемых перегрузочных комплексов, которое заключается в том, что результаты технического контроля и диагностики конструкций сооружений соответствуют их реальному состоянию и представляются в виде статистических параметров.

2. На основании разработанной автором методики вероятностного расчета пролетного момента в шпунте лицевой стенки причала, получена возможность определить параметры распределения максимального момента для дальнейшего расчета надежности конструкции.

3. Некоторые ограничения метода линеаризации функции не всегда могут быть выдержаны и, поэтому в работе использован метод статистических испытаний (Монте-Карло). Для достижения необходимой точности расчета в работе определено число статистических испытаний.

4. Автором установлено, что вероятность безотказной работы сооружения изменяется во времени от воздействия на шпунтовую стенку случайных факторов (в первую очередь коррозии металла).

5. Поскольку нормативным методом расчета в настоящее время является расчет по предельным состояниям, то автором исследована изменчивость во времени коэффициент надежности и произведена идентификация коэффициента надежности с учетом фактора времени.

6. Полученные расчетом детерминистического уравнения значения коэффициента надежности не соответствуют показателю гарантии неразрушимости, для эксплуатируемых конструкций причалов типа больверк из металлического шпунта. Начальное проектное значение коэффициента надежности не соответствует тому значению, которое по нормативным показателям должно закладываться в расчетах. Однако значение коэффициента надежности нормативное соответствует сроку службы сооружения и вероятности безотказной работы близким к предельным показателям потери прочности и устойчивости, которые соответствуют величине 1.15 коэффициента надежности для сооружений 3 класса по нормативным документам. Что же касается вероятности безотказной работы, нормативное значение, которого соответствует завышенному значению коэффициента надежности, то необходимо найти предельную границу вероятности безотказной работы и нормировать ее для анализа поверочных расчетов эксплуатируемых конструкций с учетом времени.

7. По данным исследований диссертационной работы в настоящее время, коэффициент надежности в расчетах детерминистических задач не может быть принят как показатель надежности, потому как не дает оценки надежности конструкции, что очень важно для расчетов эксплуатируемых конструкций. Следует принять, коэффициент надежности равный 1.15 как предельное значения износа конструкции, а в поверочных расчетах использовать расчетное значение коэффициента надежности, которое и будет достоверным с учетом доверительных границ.

Новые сведения, факты обнаруженные в результате исследований данной работы

1. Необходимо в дальнейшем исследовать коэффициенты используемые в расчетах методов предельного состояния и определить статус каждого из этих коэффициентов с учетом их статистической природы в расчетных формулах.

2. Собрать и изучить статистические данные по распределению и воздействию эксплуатационных нагрузок на причал.

3. Подробнейшего изучения требуют коррозионные явления металлических конструкций в различных условиях эксплуатации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе работы над диссертацией автором получены следующие результаты:

• Автором разработана методика получения параметров распределения пролетного момента в лицевой стенке причальной конструкции типа больверк из металлического шпунта.

• Определены изменения момента сопротивления от скорости коррозионного износа во времени для разных морских бассейнов; соответствующие изменения коэффициентов надежности и вероятности безотказной работы сооружения;

• Построена регрессионная связь коэффициента надежности и вероятности безотказной работы от срока эксплуатации причала.

• Произведена идентификация коэффициента надежности в сравнительных расчетах по предельным состояния и вероятностным методом с учетом фактора времени реализованных проектов причальных сооружений типа больверк из металлического шпунта.

1. Аугусти Г., Баратта А., Кашиати Ф. Вероятностные методы в строительном проектировании Москва - Стройиздат - 1988г.-с.584.

2. Банков В.Н, Строгнн С.Г.Строительные конструкции

3. Москва Стройиздат - 1980г. - с 125-134.

4. Болотин В.В. Методы теории вероятности и теории надежности в расчетах сооружений Москва - Стройиздат -1982г. -с.279.

5. Берген Р.И., Дукарский Ю.М. Инженерные конструкции -Москва «Высшая школа» - 1982г. - с.11-38.

6. Буднн А.Я. Эксплуатация и долговечность портовых гидротехнических сооружений Москва , «Транспорт» - 1977г. -с. 171,201 -224,265.

7. Будни А.Я. Тонкие подпорные стенки Ленинград -Стройиздат 1974г. - с.-22,57,136,160.

8. Булычев А.А. Численно-аналитическое построение функции надежности в строительной механике.// Тезисы докладов 4-ой Всесоюзной конференции Москва - 1975г. - с. 298-316.

9. Бусленко Н.П., Голенко Д.И., Соболь И.М. и др. Метод статистических испытаний» (Метод Монте-Карло) Москва -ГосИздат. физмат, литературы - 1962 г. - с.11-18,46-93.,278-298.

10. Венцель Е.С. Теория вероятности Мобква, «Высшая школа» -1999г. - с.252-259, с.314-330.

11. Венцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория вероятности и ее инженерные приложения Москва, «Наука» - 1988 г. - е. 159184.

12. Давидович Н.И. Зависимость допускаемой эксплуатационной нагрузки на больверк от положения полосы загружения.// Труды ЛИВТ вып.124, Ленинград 1969г. - с.57-61.

13. Дривинг А.Я. Рекомендации по применению экономико статистических методов в расчетах сооружений с чисто экономической ответственностью— Москва ЦНИИСК - 1977г.- с.61.

14. Додж М., и др. Microsoft EXEL 2000 Санкт-Петербург -«Питер» - 2001г.

15. Езекнел М., Фокс К.А. Методы анализа корреляций и регрессий линейных и криволинейных Москва «Статистика» - 1966г. - с.4-12.

16. Знаменский Е.М., Сухов Ю.Д. О расчетах конструкций с заданным уровнем надежности «Строительная механика и расчет сооружений» - Москва - «Учебное пособие» - 1987г.-№2. - с.7-9.

17. Краковский М.Б. Учет условий надежности при проектировании Москва - Стройиздат - 1983г. - с. 178-194.

18. Краковский М.Б. Определение надежности конструкций методами статистического моделирования Москва -«Строительная механика и расчет сооружений» - 1982 г. - №2 -с.10-13.

19. Краковский М.Б., Шапиро Н.В. Проектирование конструкций с использованием методов оптимизации и надежности -Москва «Строительная механика и расчет сооружений» ,№11- 1988г. с.67-72.

20. Коровкин B.C. Изменение основного показателя надежности причальных набережных во времени. // Сборник докладов итезисов, Москва 2002г. -с.99-101.

21. Коровкин B.C. Универсальный метод расчета причальных набережных // Сборник докладов и тезисов Москва - 2002г. -с. 103-105.

22. Коровкин B.C. К оценке ресурса работоспособности эксплуатируемого причального сооружения // Сборник докладов и тезисов Москва - 2004г. - с.40-41.

23. Костюков В.Д. Надежность морских причалов и их реконструкция Москва - «Транспорт» - 1987г.- с.7-19, с.71-95.

24. Костюков В.Д. Вероятностные методы расчета запасов прочности и долговечности портовых гидротехнических сооружений Москва - «Транспорт» - 1979г. - с. 15, с.39-67.

25. Костюков В.Д., Уваров JI.A. Оценка надежности причальных сооружений Москва - «Транспорт» - 1984г. - с. 17-23.

26. Костюков В.Д., Карабутов Н.Н., Володина А.Ю. Портовые гидротехнические сооружения, Часть 3 Москва - МГАВТ -1999г.-с.103-112.

27. Костюков В.Д., Сахненко М.А.Проблемы нормирования запасов прочности и долговечности конструкций причалов в поверочных расчетах Москва - ЦДМУ МГАВТ - 2002 г. - с.81.

28. Кураев и Минц Надежность. Организация исследования, методы, математический аппарат Москва - Советское радио -1964г.-с.4-8.

29. Лужин О.В. Вероятностные методы расчета сооружений -Москва МИСИ им. Куйбышева - 1983г. - с. 122.

30. Лычев А.С. Вероятностные методы расчета строительных элементов и систем Самара - «Учебное пособие» - 1995г. -с.143.

31. Лычев А.С. Вероятностная оценка ресурса эксплуатируемой строительной конструкции и резерва ее прочности Москва -«Строительство» - 1996г. - с.8-27.

32. Лычев А.С. О применении закона нормального распределения Москва - «Вопросы надежности конструкции» - 1975г. - с.43-45.

33. Ляхницкий В,Е, н др. Портовые гидротехнические сооружения, ч.1. Ленинград Водтрансиздат - 1953 г. - с.624

34. Николаев Г.Н. ред., Справочник оп строительству портовых гидротехнических сооружений Москва - «Транспорт» - 1972 г. - с.260-280.

35. Нгуен Ban Ви Расчет причальных сооружений по теории надежности, Ханой «Транспорт» - (Министерство Транспорта Вьетнама) № 9 - 1996г. - с.77.

36. Овчинников И.Г. Математическое прогнозирование коррозии металлических элементов конструкции Москва - ВИНИТИ, вып. №2061, 1982г.-с. 15.

37. Оуэн Д.Б. Сборник статистических таблиц ВЦ АН СССР -1966г.

38. Отчет по теме И.5.4.2 «Проектирование и строительство гидротехнических сооружений морских портов» Москва -1986 г.-с.41.$

39. Павлов Ю.А. Расчет надежности железобетонных конструкций в неустойчивых областях распределений прочности и усилий -Куйбышев, Куйбышевский инженерно-строительный институт -1973г.-с.48-52.

40. Райзер В.Д., Сухов Н.Д. Теория надежности и концепция строительных норм Москва №5, 1996г. - с.59-61.

41. Райзер В.Д. Расчет и нормирование надежности строительных конструкций Москва - Стройиздат - 1995г. - с.24-32,282-335.

42. РД 31.31.27-81 « Руководство по проектированию морских причальных сооружений», Москва, В/О Мортехинформреклама- 1984г.

43. РД 31.31.35-85 «Основные положения расчета причальных сооружений на надежность», Москва, В/О «Мортехинформреклама» 1984г.

44. РД 31.31.38-86 « Инструкция по усилению и реконструкции причальных сооружений, Москва, В/О «Мортехинформреклама», 1987г.

45. РД 31.35.04-71 «Справочник укрупненных показателей стоимости капитального ремонта портовых зданий и сооружений, Москва, В/О «Мортехинформреклама» 1972г.

46. РТМ 31.3016-78/ММФ «Указания по проектированию больверков с учетом перемещений и деформаций элементов», Москва, ЦРИА «Морфлот» 1979г.I

47. Ржаницын А.Р. Теория расчета строительных конструкций на надежность Москва - Стройиздат - 1978г. - с.239.

48. Розанов Ю.А. Теория вероятностей, случайные процессы, математическая статистика Москва - «Наука» - 1985г. - с.24-29.

49. Романовский В.И. Элементарный курс математической статистики Москва, - Госпланиздат - 1939г. - с.218-309.

50. Самарин В.Ф. Портовые гидротехнические сооружения Москва- «Транспорт» 1992г.50. Самарин В.Ф.

51. Сахненко M.A. Вероятностный подход к расчету и нормированию строительных конструкций на надежность

52. Москва МГАВТ - 1999г. - с.37-40.

53. Сахненко М.А. Методы Монте-Карло и линеаризация функции в расчетах на надежность причальных конструкций типа «больверк» Москва - МГАВТ - 2000г. - с. 55-56.

54. Сахненко М.А. Регрессионный анализ запасов прочности в расчетах на надежность Москва - МГАВТ -2000г. - с. 60-62.

55. Сахненко М.А. Влияние корреляционного коэффициента на регрессионную связь детерминистического и вероятностного расчетов причальных сооружений на надежность Москва -МГАВТ - 2001 г. - с. 23-28.

56. Сахненко М.А. Учет фактора времени в поверочных расчетах причальных сооружений для расчета коэффициента надежности Сборник трудов Союзморниипроекта - Москва - 2002г. -с.144-152.

57. Сахненко М.А. Использование метода Монте-Карло при расчетах причальных сооружений Москва - МГАВТ - 2003г. -с.29-31.

58. Сахненко М.А. Анализ эксплуатационной надежности портовых причальных сооружений с учетом фактора времени. // Сборник научных трудов второй научно-практической конференции Министерства Транспорта РФ. Москва. -«Альтаир» МГАВТ - 2004г. - с. 14-18.

59. Сахненко М.А. Коэффициента запаса в расчетах предельных состояний.// Сборник научных трудов Московской государственной академии водного транспорта. Москва -МГАВТ - «Альтаир» - 2006г. - с. 19.

60. Сахненко М.А. Идентификация коэффициента надежности причальных сооружений типа больверк из металлического шпунта с учетом фактора времени. Журнал «Речной транспорта».- Москва - 2007 г., вып.№4. - с.79-81.

61. Слуцкий Е. Теория корреляции и элементы учения о кривых распределения Киев - 1921 г. - с.319-332.

62. Снарксис Б.И. К статистико-экономическому обоснованию запасов несущей способности конструкций // Труды АН Литовской ССР серия Б №2 с.29

63. СниП 2.01.07-85 Нагрузки и воздействия Москва - ЦИТП Госстроя - 1985г.

64. СниП 2.02.02-85 Основания гидротехнических сооружений -Москва ЦИТП Госстроя СССР - 1986г.

65. СН-РФ 54.1-85 Указания по проектированию причальных набережных Москва - Гипроречтранс -1991 г.

66. Соболь И.М., Метод Монте-Карло Москва - «Наука» - 1968г. - с.9-25.

67. Стрелецкий Н.С. Основы статистического учета коэффициента запаса прочности Москва - Стройиздат - 1947 г. - с.7-20.,70-74.

68. Стрелецкий Н.С. К вопросу развития методики расчета по предельным состояниям Москва - МИСИ - 1966г. - с.58.

69. ТУ 14-2-879-89 Технические условия Москва - ЦИТП1. Госстрой 1993г.

70. Торнтон Фрай Теория вероятности для инженеров Москва -Стройиздат- 1934г.

71. Цыкало.В.А. Остаточный ресурс причальных сооружений в морских портах //Сборник докладов и тезисов Москва - ЦДМУ МГАВТ - 2002г. - с.84

72. Цыкало В.А., Литвиненко Г.И. Физический износ причального сооружения типа больверк из металлического шпунта в морских портах России Москва, - МГАВТ - 2000г. -с.35-39.

73. Хан Г.,Шапиро С. «Статистические модели в инженерных задачах», Москва, Стройиздат 1980г.с.396.

74. Шихиев Ф.М., Орделли М.А., Цейтлин Г.Ю. Опыт строительства гидротехнических сооружений Москва -«Морской транспорт» - 1957г. - с.48-59.

75. Школа А.В. Проблемы надежности в строительном проектировании Свердловск - ЦНИИ строительных конструкций - 1972 г. - с.285-289.

76. Шпете Г. Надежность несущих строительных конструкций -Москва Стройиздат - 1994г. (перевод с немецкого Андреева О.О.) - с.56-61.

77. М. Ezekiel Methods of Correlation Analysis New York - 1930y. -p.233-240

78. Ranganathan Partical safety factors for RCC design Intern. J. of structures,-vol 8,№2,p 127-149 - 1988y.