автореферат диссертации по строительству, 05.23.17, диссертация на тему:Некоторые задачи обоснования нормативных расчетов строительных конструкций магистральных трубопроводов

Введение.

1. Анализ норм расчета конструкций.

1.1. Принятая система нормирования.

1.2. Анализ областей в пространстве элементарных событий.

1.3. Сравнение методик расчета толщины стенки магистральных трубопроводов по нормам разных стран.

2. Проектирование на заданную вероятность.

2.1. Вычисление меры надежности в зависимости от уровня обеспеченности.

2.2. Надежность с учетом фактора времени и нормирование гарантийного срока.

2.3. Нормирование времени до отказа дефектного участка трубопровода.1.

3. Нормирование безопасных расстояний.

3.1. Мера социального риска.

3.2. Статистический анализ распределения вероятностей разрывов по длине магистральных трубопроводов.

3.3. Исследование соответствия нормирования минимальных безопасных расстояний риску эксплуатации магистрального трубопровода.

4. Нормирование устойчивости против всплытия.

4.1. Принятый метод нормирования.

4.2. Диаграмма работы анкера.

4.3. Уравнения равновесия для участка трубопровода, закрепленного анкерами.

5. Исследование вероятностной модели устойчивости равновесия участка трубопровода в обводненной среде.

5.1. Метод продолжения по параметру.

5.2. Детерминированный алгоритм расчета.

5.3. Изменение принципа нормирования.

Накопленный опыт проектирования, сооружения и эксплуатации строительных конструкций аккумулирован в системе нормативных документов (нормативной базе), отражающей технический уровень развития строительства. Существующая система отечественных нормативных документов, регламентирующих аспекты проектирования, сооружения и эксплуатации строительных конструкций формировалась длительный исторический срок для традиционных объектов строительства.

Сравнительно короткий исторический срок этот процесс формирования продолжался для систем энергетики, тем не менее, более долгий, чем теория надежности строительных конструкций назначением которой, по мнению ведущих ученых в этой области, является обоснование норм расчета. Своевременным представляется критический анализ нормативной базы расчета строительных конструкций под углом зрения целенаправленного обеспечения их достаточной надежностью и безопасностью функционирования.

Значительная роль во внедрении статистических методов в строительные науку и практику принадлежит Н.С.Стрелецкому, который, начиная с 1935 года, опубликовал ряд работ. Основой такого внедрения послужили введение в практику проектирования конструкций метода предельных состояний. Теоретические основы метода разработаны в трудах Н.С.Стрелецкого [50,51] и других отечественных ученых.

В 1945 году у нас в стране в связи с разработкой новых норм комиссией по унификации методов расчета в составе Н.С.Стрелецкого, В.М.Келдыша, А.А.Гвоздева, И.И.Гольденблата и других была принята схема расчета конструкций по предельным состояниям, положенная в основу норм. Особенность метода предельных состояний заключается в раздельном учете влияния случайного характера прочностных свойств материалов конструкций и внешней нагрузки. Метод, использующий статистические методы для обоснования выбора нормативных коэффициентов с помощью квантилей определенного уровня, получил название полувероятностного метода.

Систематическая разработка теории надежности строительных конструкций была начата исследованиями А.Р.Ржаницына. Работы А.Р.Ржаницына получили дальнейшее развитие у нас в стране и за рубежом. Последние три десятилетия характеризуются повышением уровня исследований и их практической направленностью. К этому времени относятся публикации В.В.Болотина [5,6], в которых широко применяются методы теории случайных процессов. Проблем гл обоснования норм проектирования с позиций вероятностного расчета обсуждаются в монографиях В.Д.Райзера [35,36]. Несмотря на очевидные успехи теории надежности строительных конструкций, оптимистические прогнозы о создании норм расчета строительных конструкций на вероятностной основе не оправдались. Связь нормативов с надежностью оказалась очень непростой. В книге В.Д.Райзера [36] имеется такая формулировка: "Применяемый метод нормирования не позволяет оценивать надежность конструкций и тем более проектировать их с заданной надежностью." Несмотря на то, что монографии [35,36] содержат много полезной информации о нагрузках, прочности элементов конструкций, вероятностных расчетах различных типов конструкций, взаимосвязь между нормами проектирования и надежностью конструкций остается неясной и исследования в этом направлении, безусловно, имеют смысл.

В настоящей работе основное внимание уделяется формализации проблемы, и обсуждаются способы исследования. По возможности приводятся конкретные задачи обоснования тех или иных нормативов. В основном в качестве приложения изложенного метода рассматриваются нормативы для проектирования и эксплуатации объектов магистрального газотранспорта.

Актуальность работы. Проблема обоснования норм расчета строительных конструкций с позиций теории надежности сразу стала актуальной с тех пор, как возникла теория надежности строительных конструкций как самостоятельная область знания. К сожалению, прогресс в этой области оказался не столь быстрым, и проблема остается актуальной по сей день.

Цель и задачи диссертации. Цель данной работы - обосновать связь между вероятностью безотказной работы конструкции и совокупностью нормируемых факторов. На основе предложенной методики рассмотреть приложения к технико-экономическому расчету, безопасности магистральных трубопроводов, а также к нормированию устойчивости против всплытия магистральных трубопроводов в обводненной среде. Научная новизна:

- рассмотрение областей надежности в пространстве элементарных событий позволило дать новую постановку задачи надежности строительных конструкций; в этом случае вероятность безотказной работы совпадает с объемом области, а точки обеспеченностей нормативов расположены на граничной поверхности;

- разработан способ сравнения норм расчета трубопроводов разных стран;

- дано обоснование безопасных расстояний от магистрального трубопровода до объекта;

- предложена другая методика нормирования устойчивости равновесия магистральных трубопроводов в обводненной среде.

Достоверность данных методов. Достоверность положений и выводов диссертации обеспечивается корректной постановкой рассмотренных задач, использованием хорошо апробированного математического аппарата.

Практическая значимость и внедрение. Полученные результаты могут быть использованы в строительных нормах. Данная методика может быть использована в ООО "Газнадзор" и других проектных организациях. На защиту выносится:

• методика вычисления вероятности безотказной работы как функции обеспеченностей случайных факторов;

• сравнение методик расчета магистральных трубопроводов по нормам разных стран;

• методика вычисления социального риска магистральных газопроводов;

• новый подход к нормированию устойчивости обводненных участков газопроводов против всплытия.

Апробация работы. Основные результаты исследования докладывались на 7 семинаре в ООО "Газнадзор".

Публикации. По результатам исследований опубликовано 6 статей. Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и списка литературы. Она содержит 116 страниц машинописного текста, 8 таблиц, 1 рисунок.

Основные выводы

1. Рассмотрение областей надежности в пространстве элементарных событий открывает значительные возможности как в интерпретации расчетных параметров и вероятности безотказной работы так и в вычислительном отношении. В предложенном варианте вероятность безотказной работы представляет собой объем области, а обеспеченности расчетных параметров точки на граничной поверхности.

2. Анализ областей надежности в пространстве элементарных событий позволяет сформировать оценки для вероятности безотказной работы, а также разработать алгоритмы вычисления этой вероятности.

3. Сравнение норм разных стран расчета толщины стенки магистрального трубопровода необходимо проводить с учетом вероятностных свойств неопределенных факторов, в первую очередь случайных свойств металла труб.

4. Для проектирования конструкций на заданную вероятность необходимо и достаточно получение зависимости Р(р), где Р - вероятность безотказной, а р -характерная обеспеченность всех случайных факторов. Проектирование на заданную вероятность предполагает получение обратной зависимости р(Р), где вероятность Р - заданное число.

5. Вопросы безопасности укладываются в предложенную схему, где в качестве нормируемого параметра выступает безопасное расстояние, а в качестве показателя безопасности - социальный риск.

6. В отличие от действующих норм обеспечения устойчивости участка магистрального трубопровода в обводненной среде, предполагающих единое условие обеспечения надежного закрепления для участков обводнения любой длины, показано, что такого единого условия быть не может. Для любого шага расстановки анкеров при увеличении длины участка обводнения вероятность всплытия увеличивается и для больших участков обводнения надежность закрепления становится недостаточной.

1. Айнбиндер А.Б. Расчет магистральных и промысловых трубопроводов на прочность и устойчивость. - М.: Недра, 1991 - 287 с.

2. Байхельт Ф., Франкен П. Надежность и техническое обслуживание. Математический подход. М.: Радио и связь, 1988.- 392 с.

3. Барбакадзе В.Ш., Мураками С. Расчет и проектирование строительных конструкций и сооружений в деформируемых средах. М.: Стройиздат, 1989. -472 с.

4. Беляев С.Т., Ларичев О.И. и др. Риск как точная наука. Наука и жизнь, 1991, N3,c.2-5,59-64.

5. Болотин В.В. Оценка ресурсов машин и конструкций. М.: Машиностроение, 1984.-312с.

6. Болотин В.В. Методы теории вероятностей и теории надежности в расчетах сооружений. М.: Стройиздат, 1982,3 51 с.

7. Бородавкин П.П., Березин В. Л. Сооружение магистральных трубопроводов. М.: Недра, 1987. - 471 с.

8. Бородавкин П.П. Механика грунтов в трубопроводном строительстве. -М.: Недра, 1986. 224 с.

9. Бочаров П.П.Дечинкин А.В. Теория вероятностей. Математическая статистика.- М.Тардарика, 1998.- 328 с.

10. Бурчаков Ю.И., Гнедин В.Е., Денисов В.М. Строительная механика. -М.: Высшая школа, 1983. 255 с.

11. Быков А.А., Мурзин Н.В. Проблемы анализа безопасности человека, общества и природы. М.: Наука, 1997. - 247 с.

12. Васильев Н.П. Балластировка и закрепление трубопроводов. М.: Недра, 1984.-166 с.

13. Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. М.: Наука, 1991. - 384 с.

14. ВСН 007-88/Миннефтегазстрой. Строительство магистральных ипромысловых трубопроводов. Конструкции и балластировка. М.: ВНИИСТ, 1989.-50с.

15. Галамбош Я. Асимптотическая теория экстремальных статистик. М.: Наука, 1984. - 304с.

16. Гнеденко Б.В., Беляев Ю.К., Соловьев А.Д. Математические методы в теории надежности. М.: Наука, 1965. - 416 с.

17. ГОСТ 12.1.010-76. Взрывобезопасность. Общие требования.

18. ГОСТ 12.1.004-85. Пожарная безопасность. Общие требования.

19. ГОСТ 20522-75. Грунты. Метод статистической обработки результатов определений характеристик. Госстрой СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1975. -13с.

20. Грешилов А.А. Прикладные задачи математического программирования. -М.: Издательство МГТУ, 1990. 180 с.

21. Зиневич A.M., Рождественский В.В., Федоров Е.И. и др. Трубопроводы магистральные. Надежность конструкций. ОСТ 102-91-84. М.: ВНИИСТ, 1984. -85с.

22. Иванцов О.М., Харитонов В.И. Надежность магистральных трубопроводов. М.: Недра, 1978. - 166 с.

23. Иванцов О.М. Надежность строительных конструкций магистральных трубопроводов. М.: Недра, 1985. - 231 с.

24. Иванцов О.М., Харионовский В.В., Черний В.П. Сопоставление методик расчета магистральных трубопроводов по нормам России, США, Канады и европейских стран. М.: ИРЦ Газпром, 1996.- 52 с.

25. Ильин В.А., Бабин JI.A. Балластировка магистральных трубопроводов закрепленным минеральным грунтом. Строительство магистральных трубопроводов, 1988, вып. 5. - 38 с.

26. Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. М.: Наука, 1971. - 576 с.

27. Козлов Б.А.,Ушаков И.А. Справочник по расчету надежности М.: Советское радио, 1975. - 472 с.

28. Королюк B.C., Портенко Н.И., Скороход А.В., Турбин А.Ф. Справочник по теории вероятностей и математической статистике. М.: Наука, 1985. - 640 с.

29. Красулин И.Д., Рождественский В.В., Федоров Е.И. и др. Строительство магистральных и промысловых трубопроводов. Конструкция и балластировка. ВСН 007 88. - М.: ВНИИСТ. 1989. - 122 с. :

30. Лидбеттер М., Ротсен X., Линдгрен Г. Экстремумы случайных последовательностей и процессов. М.: Мир, 1989. - 392 с.

31. Мушик Э., Мюллер П. Метод принятия технических решений. М.: Мир, 1990.-208с.

32. Нормы Франции. NFE 29-010-75. Трубопроводы промышленного назначения. Методические правила проектирования.

33. Нормы США. American National Standard Code for Pressure Piping. Gas Trasmission and Distribution Piping Systems. ANSI ANSI/ASME B.31-8-89.

34. Нормы Великобритании. BS CP2010, part 2-70. Трубопроводы. Проектирование и конструирование стальных трубопроводов.

35. Нормы Канады. Canadian Standards Association. Gas Transmission and Distribution Piping Systems. CSA Standards. Z184-M1983.

36. Нормы Испании. UN E60-305-83. Газопроводы стальные. Зоны безопасности и расчетные коэффициенты в зависимости от расположения.

37. Нормы Германии. DIN 2413-72. Трубопроводы стальные. Расчет толщины стенок на внутреннее давление.

38. Павлов П.А. Основы инженерных расчетов элементов машин на усталость и длительную прочность. Л.: Машиностроение, 1988. -252с.

39. Пановко Я.Г., Губанова И.И., Устойчивость и колебания упругих систем. -М.: Наука, 1987.-352 с.

40. Пенчук В.А. Винтовые сваи и анкеры для опор. Киев: Буд1вельник, 1985.-96 с.

41. Райзер В.Д. Методы теории надежности в задачах нормирования расчетных параметров строительных конструкций. М.: Стройиздат, 1986. - 190 с.

42. Райзер В.Д. Расчет и нормирование надежности строительных конструкций. М.: Стройиздат, 1995. - 347 с.

43. РД 51-4.2-003-97. Методические рекомендации по расчетам конструктивной надежности магистральных газопроводов. - М.: ВНИИГАЗ, ИРЦ Газпром, 1997.-126с.

44. Ржаницын А.Р. Строительная механика. М.: Высшая школа, 1982. - 400с.

45. Ржаницын А.Р., Снарскис Б.И., Сухов Ю.Д. Основные положения вероятностно-экономической методики расчета строительных конструкций. Строительная механика и расчет сооружений. 1979, N 3, с.67-71.

46. Рокафеллар Р. Выпуклый анализ. М.: Мир, 1973. - 469 с.

47. Руденко Ю.Н. Надежность систем энергетики. Терминология. Сборник рекомендуемых терминов. -М.: Наука, АН СССР, вып. 95, 1980.

48. Руденко Ю.Н., Ушаков И.А. Надежность систем энергетики. -Новосибирск: Наука, 1989. 323 с.

49. Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. ОГИЗ МЛ, 1948,400 с.

50. СНиП 2.05.06.-85. Магистральные трубопроводы. Госстрой СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1985. 52 с.

51. СНиП Ш-42-80. Магистральные трубопроводы. Правила производства и приемки работ. М.: Стройиздат, 1981.- 80 с.

52. СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия. Госстрой СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986. - 36 с.

53. СНиП 2.02.03-85. Свайные фундаменты. Госстрой СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986. - 48 с.

54. СНиП 3.02.01-87. Земляные сооружения, основания и фундаменты. Госстрой СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1989. - 128 с.

55. Ставровский Е.Р., Сухарев М.Г., Карасевич В.Г. Методы расчета надежности магистральных газопроводов. Новосибирск: Наука, 1989. - 125 с.

56. Стандарт СЭВ 384-87. Строительные конструкции и основания.

57. Основные положения расчета. 14 с.

58. Стрелецкий Н.С. Основы статистического учета коэффициента запаса прочности сооружений. М.: Стройиздат, 1947. - 92 с.

59. Стрелецкий Н.С. К вопросу развития методики расчета по предельным состояниям. В кн.: Развитие методики по предельным состояниям. - М.: Стройиздат, 1971, с.5-37.

60. Тимошенко С.П. Устойчивость стержней, пластин и оболочек. М.: Наука, 1971.-808 с.

61. Харионовский В.В. Повышение прочности газопроводов в сложных условиях. JL: Недра, 1990. - 180 с.

62. Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения. М.: Наука, 1974. - 640с.

63. Шапиро В.Д., Ставровский Е.Р. и др. Нормирование надежности газопроводов. М.: ИНЭИ РАН, 1994. - 167 с.

64. Федоров Е.И., Лосицкая К.С. О выборе коэффициента сочетания нагрузок. Строительная механика и расчет сооружений, 1980, N1, с.26-28.

65. Черний В.П. Сравнительный анализ запасов прочности магистральных газопроводов по нормам России и США. Строительство трубопроводов, 1994, N 8, с.10-14.

66. Черняев В.Д.,Ясин Э.М.,Галюк В.Х. и др. Эксплуатационная надежность магистральных нефтепроводов. М.: Недра, 1992.- 264 с.

67. Чирсков В.Г., Березин B.JI.,Телегин Л.Г. и др. Строительство магистральных трубопроводов. Справочник.- М.: Недра, 1991. 475 с.

68. Яковлев Е.И., Иванов В.А., Шибнев А.В. и др. Модели технической эксплуатации магистральных газопроводов.-М.: Недра, 1982.-158 с.

69. Vade-Mecum Qualite-Securite.AGS Association Quilite Securite, Massy,1989.