автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Оценка долговечности несущих конструкций сооружений морских плантаций

дальневосточный политехнический институт

На правах рукописи

Доценко Светлана Ивановна

УДК 624.01

ОЦЕНКА ДОЛГОВЕЧНОСТИ НЕСУЩ« КОНСТРУКЦИИ СООРУЖЕН® .МОРСКИХ гошшщш

Зпоцкальность'05.23.01 - "Строительные конструкции, здания

и сооружения"'

.Автореферат диссертации на соискание учвноЯ степени кандидата технических наук

Владивосток 1992

Работа выполнена в Дальневосточном политехническом институте

Научный руководитель: доктор технических наук

A.А.Стоценко

Официальные ошоненты: доктор технических наук, професо Б.И.Друзь

кандатат технических наук, старш: научный сотрудник

B.Н.Кархалев

Ведущее предприятие: .Дальневосточный научно-исследовате льский институт морского флота (ДВШЖМФ)

Защита состоится 22 1992 г. в ^ часов

на заседании специализированного совета К 064.01.04 и Дальневосточном политехническом институте. Г. Владивостс проспект Красного 'Знамени, 66, ауд.'(} _

С диссертацией можно ознакомиться в научно-техничест библиотеке института.

Просим Вас принять участие в защите и направить Ваш отзш двух экземплярах по адресу: 690014, г. Владивосток, проспе Красного Знамени, 66, Ученый совет К 064.01.04

Ученый секретарь специализированного совета В.Т.Гул;

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Настоящая работа освящена решению проблемы долговечности несущих конструкций оорухений, предназначенных для оснащения морских плантаций. Вла-одаря созданию и использованию этих сооружений, названных с уче-ом их специфики гидробяотехнкческими (ГБТС), в последние 20-30 ет стала возкоигой интенсификация производящего хозяйства в море нарикультуры). Будущие успехи культивирования морских организмов есно евязаш с построением основ проектирования прочных, устой-ивых к достаточно долговечных сооружений. Базой для построения аких основ додала бить разрабатываемая в настоящее время теория ETC.

Проблема оцешси прочности и долговечности сооружений вляется одной из основных проблем теории ГБТС. Особенности еиелия этой проблемы применительно к гвдробиотехничесгам ооружениям связаны с тем, что ГБТС, работающие в агрессивной по тноиешпо к традиционным . строительным материалом среде, ыполняются главным образом из полимеров, и при оценке их рочности необходимо -учитывать кинетическую природу материалов, а ■аюке с тем, • что сооружения работают в естественных природных ■словиях с преобладанием временных воздействий.

Цель .работы - построение методики оценки долго-¡ренешюй прочности нэсувдх конструкций соорузэпнЯ из полимерных ттериалов, работающих в конкретных прфодио-клкматических 'СЛОВЯЯХ.

Объем работы. Работа состоит из введения, пяти •лав, заключения, списка использованных источников, приложшшй и ■ ¡одержит 200 страниц машинописного текста, 41 таблицу, 5 филозг.енпй, библиографию - 109 названий.

Методы исследований. Чтобы решить ¡оставленную проблему расчетным путем, необходимо было построить годель процесса потери прочности с учетом целевой 'задачи и шецифических ■ свойств объекта исследований. Путем анализа

конструкционных материалов, функционального назначония отдельн элементов и условий эксплуатации выявлены основные свойства ГБТ влияющие' на оценку долговечности» установлена степень влиян структуры, физико-механических свойств материала и внешней сре на прочность несущи, конструкция. Статистическими метода обработки данных наблюдений, определены параметры воздэйстви связь мевду ними и разработаны способы их прогнозирования ц оценке долговечности. При построении кривой долговечности канат к проверке применимости ЕыОранных критериев используют экспериментальные методы. Аналитически исследована степе влияния параметров кривой долговечности на результаты расчето Расчетные алгоритмы и программы для ЭВМ построены на чнсленн методах.

Научная новизна. Предлагаемая методика оцен прочности несущих конструкций сооружений, выполненных из полиме шх канатов, позволяет учитывать конкретные природа климатические условия эксплуатации и кинетические.свойства мат риалов. При создании методики решен ряд новых задач, связанных ее построением:

- выбраны критерий прочности (долговечности):

- разработана комбинированная" методика построения крш долгвечносм, позволяющая-получить ее в короткие сроки с практ чески приемлемой точностью;

- введено понятие расчетной.кривой долговечности, П03E0^ щей с заданной надежностью предсказать минимальный срок слуг изделий;

- предложены и обоснованы допущения по прогнозировах времени действия в элементах соорукения напряжений определение уровня в сложных природно-климатических условиях' эксплуатации;

- разработаны теоретические основы, алгоритм и кошк программ по .реализации предлагаемой методики;

- произведены статистическая обработка параметров внеин воздействий и расчетное обоснование сроков службы на прим! сооружений водорослевых плантаций для трех районов Приморья.

Практическая ценность. Полученные

Зоте результата послужили основой временных норм расхода сериалов сооружений водорослевых плантация и определения сроков эксплуатации. По результатам исследований составлена глава змативных материалов по расчету и конструированию ГБТС (Ш -91 - Оценка прочности и долговечности ГБТС, выполненных из гамерных материалов). Составлены рекомендации по сокращению гериалоемкости несущего каркаса сооружений для ламинариевых нотаций (расчетный экономический эффект составляет деэ с поло-яой..тысячи'рублей на гектар плантаций в ценах 1987 года). По зработаяной методике построена кривая долговечности полипропи-новых. канатов и определены сроки слузйы выполненных из них оружений, предназначенных для выращивания грацилярии в устье ки Раздольной.

Достоверность полученных сроков слукбы ГБТС дтверждается сравнением результатов расчета л независимых иных натурных экспериментов, проведенных Приморской спержентальной базой (ГОБ) ПриморрыОпрома. Достоверность нерадения, что расчетный срок службы не превосходит реального, у с лов лона высокими коаз&щиентами надэгяосгл, принятыми при ределенш прочностных характеристик несущих канатов ГБТС асчетной кривой долговечности), использованием данных посредственных наблюдений за природно-клзггатпческими Факторам ©да при определении параметров воздействий. Полученные кривые да-овечности ; канатов но противоречат подобным исследованиям ¡локнистых материалов»- проведенным другкми авторами.

к в р о. О а ц й я работы. Результаты работы ■ «ладывались . на 4 Всесоюзном совещании по. научно-техническим юблемам марикультурн (1983 г.), на з Всесоюзном симпозиуме по ¡ханике разрушения' (Житомир, 1990 г.), на конференции молодых геных Дальнего Востока (1985 г.), на семинарах кафедры строи-»льной механики и теория упругости (1983 г.) и кафедры шельфовых воднотранспортных сооружений Ленинградского государственного »хнического утгзерситета (1889, 1990 г.), на научно-технических »нференциях ДВПИ и семинарах - научно-производственного объедине-м промрыболовства (19В2, 1984, 1983 гг.).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ -

Гидробиотехнические сооружения предназначены для освоен биологических ресурсов морей, в частности, восстановлена пополнения природных запасов и культивирования в промышленн масштабах ценных видов животных и растений, интенсификации Сиол гической очистки морей от загрязнения.

До недавнего времени в Советском Союзе и за рубежом ГЕ создавались чисто эмпирическим путем на основе опыта и инженере интуиции. Отработка конструкций в заданном районе сопровоздала значительными материальными потерями (сооружения во время шторы часто разрушались) и занимала порой десятки лет. Извест разрушения рыбоводных садков • в США и Японии, загонов Японии, сооружений водорослевых плантаций в КНДР и СССР: Л выполнения функционального назначения и сохранения уроя необходимы прочные, устойчивые и достаточно долговечь сооружения. '

Попытки расчетного прогнозирования прочности ГЕ предпринимались на /кафедре гражданского ■ строитель^ Кембриджского университета (Англия) применительно к ограждонж в научном ценре (Сайбай центре) фирмы "Вридастоун" (Япония) и Всесоюзном научно-исследовательском институте .морского рнбнс хозяйства и океанографии (СССР) применительно к рыбовода садкам. В' наиболее • полном объеме проблемы' расчет (предсказывающего) проектирования ГБТС были поставлены на кафе; строительной механики и механики грунтов Дальневооточыс политехнического института. На кафедре разрабатываю! практические аспекты инженерной теории и, в частности, вощх расчетного предсказания долговечности ГБТС, выполненных полимеров. Этим вопросам посвящена настоящая работа.

В простевших случаях загружешя методика предсказа! долговечности конструкций, выполненных из материалов, обладай кинетическими свойствами, в принципе разработана. Существуют ; подхода к этой проблеме. В одних случаях (В.Вольтер, Н.С.Журк< М.Н.Бокшицкий, Е.С.Переверзев, Бейли, В.Ф.Буссе, В.Р.Регв. А.А.Ильюшн к целый ряд других исследователей) это предсказа! требует знания кривой долговечности и времени существовав

б

пряжения определенного уровня, в других (В.В.Москвитин, Н.Работнов, И.И.Гольденблат, П.Я.Павлов, Г.А.Лаврушин, II. Щербаков, И.Ф.Баранов, Л.А.Фридман и др.) строится вргетическая, дифференциальная или алгебраическая реологическая висимость для конкретных конструкций, определяющая износ в бой заданный отрезок времени.

Для полимерных конструкция ГБГС до настоящего времени пользуются подходы, основанные на склерономных (статических) ориях. Проблема оценки долговечности гидробиотехдшческих юружений, обладающих рядом специфических особенностей, с учетом ономных свойств [материалов и сложных условий эксплуатации не 'ввилась и не решалась.

В настоящей работе рассматривается задача оценки (лговечности в кинетической постановке применительно к широко юпрострапешшм гибким ГБТС из полимерных канатов.

I. Определение внешних и внутренних сил в гибких сооружениях

Чтобы подойти -к оценке прочности в рамках концепции сил юбуется знать внешние и внутренние усилия. Для их определения ¡обхода,?о построить расчетную схему, учитывающую особенности ¡осматриваемых сооружений.

Особенности ГБТС обусловлены их назначением. Выделяют:

- сооружения для выравнивания рыб (загоны, большие садки);

- сооружения для выращивания беспозвоночных (сооружения, гевщие в качество вырастного элемента разного рода субстраты, здки малого объема, коллекторы и др., прикрепляемые к несущим шструкциям);

- сооружения для выращивания Еодорослей (в качество грастшх элементов таких сооружений используются сети или анаты).

Несущей конструкцией ГБТС является каркас, который состоит з верхнего строения и системы удержания.

Из множества особенностей ГБТС основными, определяющими вы-зр методов расчета, являются следующие.

)

Во-первых, существенные перемещения. Одним из требован обеспечения оптимальных условий развития организмов являет возможность регулирования горизонтов в ■ процессе выращивани Условия жизни и успешного развития культур не регламентиру строгого сохранения формы сооружения, напротив существу потребность в ее изменении. В связи с этим ГБТС выполняются канатов (рис.1). Как показала практика эксплуатации,- гибк системы лучше приспосабливаются к внешним воздействия Перемещения точек несущего каркаса ГБТС при этом соизмеримы габаритами сооружений и геометрическими параметрами вневш воздействий.

Вторая особенность связана с тем, что сооружения работают агрессивной среде, 'агрессивность среды создается и за• с1 продуктов жизнедеятельности выращиваемых объектов. Поэтому качестве несущих используются полимерные канаты (из лавсш найлона, куралона, чаще всего из капрона). Применение полные] обусловлено еще и тем, что их долговечность соизмерима с_ кш тальностыо ГБТС/определяемой циклами роста культивируемых ор] низмов, которые составляют от нескольких месяцев до 8-10 лет.

Третья особенность обусловлена характером загружен Основными нагрузками,' вызывающими наибольшие по величине времени действия .усилия и приводящими к разрушению сооружен являются временные, а именно»-волновые.

В расчете гибких существенно подвижных ГБТС нет возможное как это обычно делается в проектировании строительных констр ций, сначала определить нагрузку и затем внутренние' усил потому что нагрузка зависит от положения .сооружения, а полоке сооружения и внутренние усилия в • его элементах зависят нагрузки. Для вычисления усилий использовалась методика ДЕ разработанная специально для ГБТС, с доработкой ее применител к решению поставленной'задачи.

Расчет, начинается с построения поля нагрузки. Предай гается, что сооружение шкет занять любую точку пространства усилия в связях несущего каркаса с вырастными элементами, пле частями и в связях со средой формируют непрерывное поле в пр< ранстве - поле нагрузки. Поле нагрузки образуется наложе! частных полей, определяемых параметрами движения среды и гщ

Рис.1 1бкие сооружения 1Я. выращивания )дорослей'

, б - 'одиночные элементы

1 - несущий трос

2 - плавучести

3 - вырастние

элемент«

4 - якоря

„г,д - перекрестные системы

1 - несущие троен

2 - опорные или

стабилизирующие канаты

3 - регулировочные

элементы

4 - якоря плавучести и выраст-ыз элементы услопно е показаны

дашагяиескими свойствами элементов ГБТС (вырастшх элементов, элементов систем удержания и самого несущего каркаса). В работе строится квазистатичзское детерминированное, поле, определяемое кинематикой движения жидкости. Кинематические параметры волнового движения находятся но теории волн малых ашлитуд. Скорость (ускорение) движения частиц жидкости при волнению зависит оз координат пространства и времени

№г ~ V,(д^ I

(г.,- координаты точки, 4 - время), а таете от высоты волни ее длины и периода.

Поле нагрузи! от внрастных элементов зависит как- от. кинематики движения • жидкости, так и от массы организмов. Например, для ламинарии японской нами получена зависимость

Нд = (0,89 + .0,54 и2) й-0<хъ-В. (I)

где С ~ проектная урожайность вырастного элемента;

с^- отношение массы организмов в конце заданного отрезкг времена t к проектной урожайности;

g = 9,81 м/с2 - ускорение свободного падения.

Усилия в связях насукого каркаса 'с ■ плавучестями мы связал! с массой выращиваемых объектов. - '

Для плавучестей, непосредсвенно прикрепление к : несущему канату '

= Р^, ■ (2)

где Рд^к = 1,04 -О-а^ -к^ - подъемная сила плавучестей на несуще) канате;

- коэффициент, учитывающий потерю организмами веса в воде

Поле нагрузки систем вертикального удержания (плавучести н регулировочных канатах) определяется усилиями

ЯпГ = 0.38 -в ^ -/и/ -3 + (3)

№ Р^1 = 0,26 0 а^ \ - подъемная сила плавучвстоп на эгулировочиых канатах.

Положение сооружения в поле нагрузки определяется ^ординатами сооружения, координатами гребпя волны х0 и углом здхода волны к сооружению ¡3 (рис.2).

При' выбранном положении сооружения определяются усилия и зремещения.. После чего положение сооружения корректируется и поизводится- перерасчет усилий в новом поле нагрузи;.

Для вычисления усилий в несуда канатах ГЕТС используется зтод, основанный на приближенном рзиогош нэупроцешшх уравнений зстояния гибкой пити, который в отлггл! от традзщнонних методов з требует введения допущений о пологости нити, малости зремещений и других упрощающих предпосылок.

Уравнениям равновесия

Л

аз~

(

£

) = ч,

и = 1.2,3)

(4)

да х^ - координата оси нити по оси ];

з - естественная координата, отсчитываемая вдоль оси нити от 1брашюго начала;

Т - усилие; неразрывности

I г

I < "ТЕ1 > = 0=1

зи представлении координат в Виде п

^(з). = Е -<р.,(з),

1=1

(5)

(С)

30 X.

и

постоянные коэффициент разложения.

ф1(з) - функция, принимаемая

Г о при з

з

, а > з,-

.+1'

Ф1(з)

31-1

—Ц

аи-Г а

при < 3 < Э1,

4+1

при 3. < 3 < 3

1+1 *

Рис.2 Схема сооружения II - образного типа в поле нагрузки

тавятся в соответствие_уравнения равновесия нити мевду середи-сми расчетных участков

^i-U ~Т~ + + -г11 ) + = (7)

a tj ^ и ¡1+1 l+ij il+1 ij

(/=1,2,3; £ = 1,2.....î, ,n-1)

; эквивалент условию неразрывности

т(К+1 )= гас) J Д ((г.- г.^^/гр2 , (8)

■де ï1!1^ - усилие на i-том участке в fe-том приближении,

Z. - длина участка, 1 ъ

Р1Г 'а Ч йз- .

Га основе (7), (8) и условия

т> о, (9)

юстроена итерационная процедура, которая закачивается при зыполнегши условия -

, т(к) _ г(к+1){ s е> (I0)

где s - заданная точность. Зычиелешя поставлены на ЭВМ.

С помощью представлешюй процедуры проведены исслэдовшбш злияшя жесткости нити на результаты расчетов, которые показали, îto учет растяжимости уменьшает ¡значение усилий (при значениях ' агесткостей, соответствующих реально нсполъзуе!«™ канатом, ото уменьшение незначительно). При бесконечной жесткости нити и заданной фэрмэ нагрузки усилия линейно зависят от величины нагрузки, перемещения в нерастякимих нитях не зависят от величины нагрузки. Поэтому при определении усилий в гибких ГБТС нами в дальнейшем используется допущение о нерастяжимости нити и связанная с ним- линейная зависимость усилий в шти от интенсивности (величины) нагрузки при неизменной ео форма.

2. Выбор критерия прочности

Определение внешних и внутренних сил в настоящей работе имеет ваиюе но вспомогательное значение. Основной задачей является оценка долговечности несущих конструкций. Для решения этой проблемы необходимо выбрать критерий, позволяющий учитывать особенности рассматриваемых сооружений (кинетические свойства материалов н характер действующих нагрузок). С этой целью был произведен анализ существующих критериев прочности и построенных на из основе способов расчета канатов.

Существующие критерии прочности мокно разделить на две группы: склерономные ("предельные"), построенные на представление о мгновенном разрушении материала, и кинетические, учитывающие изменение свойств материала во времени и постепенно! накопление повревдений.

Обзор применяемых на практике методов показал, что дл: оценки прочности канатов используют два способа.' Первый основа: на теории предельных нормальных напряжений. Принимаемый в эти расчетах коэффициент запаса имеет значения от 3 до 12. йспользу. рекомендации японских инженеров о формировании • коэффициент запаса с учетом. влияния различных факторов и аналогию эти рекомендаций с принципами заложенными, в действующих Строительны нормах и правилах, ш предлагаем в расчетах по предельном состоянию. применять традиционные понятия нормативных и расчеты усилий: '

Т < Гр, '. (И)

где ^-действующее в канате усилие рабочего состояния, вычисляемо по максимальным воздействиям (для ГБТС максимальные воздействк определяются"параметрам! шторма заданной обеспеченности и массс культивируемых организмов в надаевыгоднейшем их сочетании);

Г

ТгГ Ц—-у "-у .у -7П - предельно-допустимое усилие; ■ р 'м' 'в ' 'у ' 'п д

Та - норм!фуемое разрывное усилие;

7п, 7м, 7В, 7у 7Д - коэффициенты класса сооружать надежности по материалу, потери прочности при намокании и узлах, повреждаемости под нагрузкой.

Хотя прй удачно выбранных коэффициентах запаса прочность БТС обеспечивается, обоснованно назначить коэффициенты запаса ли объяснить причины разрушения сооружений с позиций предельной еории прочности часто не удается.

■ Во втором способе расчеты строятся с учетом потери прочности апатов во времени. Одш! из методов расчета был предложен '.И.Барановым и получил дальнейшее развитие в работах ..Л.Фридмана, В.А.Ионаса и др. В расчетах используются степенные ли показательные зависимости потери прочности во времени.

В настоящей работе показано, что этот метод можно нтерпретировать с помощью уравнешШ сплошности, в которые однако ;е входят показатели уровня напрякеннго состояния. Поэтому он ю:;;ет быть использован только для' конкретных конструкций, [сследовашшх его авторами.

Расчету конструкций из ползиеров на основе исследований равнений сплошности посвящены работы Г.А.Лавруиина, П.А.Павлова, !.И.Щербакова и др. Применение ккпетическнх критериев к оценке [рочности синтетических волокон и инуров исследовалось Еейли, ¡.Ф.Буссе, И.С.Курковым и др. Применительно к гидробкотехннческим гаоружениям с учетом. их особенностей кшгзтичеciara теории потери фочности пз рассматривались.

Наиболее полно процесс длительного разруиения инструкционных материалов характеризуют зависимости, гредложешше В.В.Москвитшшм, П.А.Павловым, D, Я. Бартом. По ^пользование этих зависимостей требует знания закона изменения 1апрякений на нротяшш всего периода эксплуатации конструкта:. )сноышми нагрузкам на ГБТС является волновые. Задача описания гстории изменения такой нагрузки (и соответсвугаях ей напряжений) сотя бы на протяжении одного года теоретически могст быть рассмотрена, но практическое ео решение из-за отсутствия дашшх пока »осуществимо.

В настоящей работе используется критерий линейного гуммирования Бейли

J"0 IM'f))" = 1- ■ , (I2)

Котя он не отражает всех физических процессов, связанных с

изменением нагрузки, благодаря своей простоте является наиболее доступным в решении практических инженерных задач при слокнш условиях эксплуатации, например-, при работе гидробиотехнических сооружений в природной среде.

. Оценка времени до разрушения по любому кинетическому критерию предполагает в качестве основной характеристик! материала кривую долговечности, определяющую зависимость мезд постоянно действующи напряжением (о) и временен до разрушена

«V'

Кривые долговечности полимеров исследовались Н.С.Курковым В.Р.Реголом, Г.М.Бартекевым, Ф.Бики, М.Н.Бокшицкш, Р.Тейлором Л.М.Качановым, А.Л.РаСогновым, Е.С.Переверзевым и целым рядо других авторов. В общем случае зависимость долговечности о напряжений можно представить в виде

«кр= А-и/о™) ехрЫ-а11), (13)

где А, т, п, а - константы материала, определяемые опытным нуте и зависящие от свойств материала и условий эксплуатации.

На основании исследований М.Н.Бокшицкого, Ю.А.Манжосг Р.<*ерстера, Г.А.Лаврушина и др. можно установить:

- прочностные свойства.нейлоновых, поливиниловых, капронов! канатов мало зависят от длительного нребыва!шя в воде;

- синтетические канаты обладают свойством •стабилизац прочности'при длительном 'солнечном облучении;

- характеристики ползучести канатов и. кривой долговечное1 зависят от свойств материала к не зависят от диаметра каната его структуры;

- разрывные напряжения канатов, веревок и нитей практичес не зависят от- размеров поперечного сечения при диаметре бол I ым;

- основными факторами, влияющими на долговечность, являют напряжения и температура;

- влияние скорости приложения нагрузки на долговечное несущественно.

Кривые долговечности канатов практически не исследованы.

3. К о м б и н и р о в а и н а я методика -постов н и я кривой долговечности

Для построения кривой долговечности полимерных канатов, нс-гальзуемых в качестве несущих конструкций сооружений морских.пла-[таций, наш предлагается и используется комбинированная методика [спытаний. Ее разработке предествовал анализ существующих способов, которые, как выяснилось, мошо разделить на три группы:

- способы, основанные • на непосредствешгом определении долговечности при разных напряжениях (этот способ требует очень дательных, до нескольких лет, испытаний при малых значениях гапряжений);

способы, основанные на ускоренных испытаниях, в ;оторнх заранее априорно предполагается известным критерий долговечности (недостатками этого способа является то, что в нем, 50-першх, пе обосновывается выбор критерия, во-вторых, 1ринимаемые. при этом зависимости могут быть использованы в эасчетах только при больших разницах в' скоростях напряжений, щределение разрывных напряжений при малых скоростях' загружепий еакжэ приводит к -длительным испытаниям);

- способы, основанные на определении долговечности по кривым юлзучести (например, методика П.М.Козлова, построенная на гипотезе предельных деформаций, значения tнp при этом оказываются завышенными (см. кривую 2 на рис.3)).

■ Г.П.Санфирова п. Н.С.Курков установили, что произведение зкорости ползучести (ё) на долговечность является величиной юстоянной практически для всех материалов

е-^ = ест = сспвг. (14)

Из (14) следует, что определив еот, мог»о вычислить Гкр при любых напряжениях по скорости ползучести (рис.3). Но при большщ: напряжениях на кривой ползучести трудно выделить установившуюся скорость. Проведенные наш исследовашгя показали, что небольиие погрешюсти в вычислении ё приводят к существенным ошибкам в вычислении tкp. Время стабилизации скорости ползучести, Например, для капроновых канатов не менее 300 чесов.

Разрабатывая методику испытаний,, ш стремились сократит] время испытаний, сохраняя при' этом требуемую точность. В предлагаемой на® комбинированной методике все необходимые испыташи могут бить выполнены в течении года. Они проводятся при тре: группах напряжений:

- при "больсих" напряжениях (85-98 % от разрывных непосредственно определяется время до разрыва;

- при "средних" (75-80 2 от разрывных) - время до разрыва : скорость ползучести, по результатам испытаний вычисляете постоянная ест по (14);

- при "малых" напряжениях (от 10 до 60 % от разрывши)

процессе испытаний определяется скорость ползучести.и с учето

полученного на втором этапе испытаний значения ест вычисляете

долговечность t .

кр

В кавдой группе напряжений назначается три уровня. Числ испытаний на каждом уровне, определенное из уравнений диспэрси погрешности, при коэффициенте корреляции г=0,9 долзшо быть и менее трех.

Кривая долговечности подбирается в виде

iKp= Л -ехр(-а -о). (15)

Чтобы уточнить требования к точности определения параметре кривой долговечности А и а, было произведено исследование влияш изменения этих параметров на конечный результат - срок служ несущих канатов ГБТС и их относительные стоимости. I составленной на основании разработанной мотодики програм? (программа подробно описана в главе 5) были произведены раоче' сооружений для водорослевых плантаций средней части Приморь; Расчеты показали, что точность окончательных результатов завис! главным образом от точности определения параметра А. Требуем; точность обеспечивается за счет проведения испытаний при ?pi группах напрякений.

В работе комбинированная методика отрабатывалась построении кривой долговечности капроновых канатов. 11а основан выводов о свойствах полимерных канатов (см. главу 2). все испыт ния проводились на образцах капроновых нитей (ОСТ 15-83-74) да

1Ь

етром Г ш н более при ко'ягатноЛ температуре 18~20°С и нормаль-ой влажности 40-60%. Испытавались попив образцы; образцы, подвергнутые длительному (не менее шести месяцев) солнечному облуче-ию; образцы с узлами и без узлов.

Для проведения испытаний был разработан специальный стенд, снащенный счетчиком времени и автоматическим выключателем его 'аботы при разрыве нити.

Результаты испытаний приведены на рисунке 4.

Статистическая обработка результатов и критериальные оценки ■оказал!, зто при постоянном значении о величина 1п )аспределяется по нормальному закону. В этом случае достаточно гадезкпой характеристикой является среднее значение измеряемой !е личины.

По данным испытаний построена кргаая, проходящая через ¡редане значения 1п

1П Г = -0,051 О + 14,613, (16)

кр

*кр,ср= 2>2 -1о6 ехр(-0.061 -о); (17)

>пределеш границы доверительных интервалов и вычислены параметры сривых,. обеспечивающих надежность определения долговечности 85, Ю, 95, 58 %. Например, при надежности 98 %

т,4-104 ехр(-0,0б1 а). (18)

Эти кривые ш назвали расчетными. С учетом принятых допущений они логут быть использованы при оценке прочности канатов ГБТС с зоответствувдей надежностью.

Для проверки применимости .критерия Бейли на той же установке Зыли произведены испытания канатов при переменных нагрузках. С /четом характера изменения нагрузок на гидробиотехнические зоорузкения в реальных условиях их эксплуатации рассматривалось циклическое загружение, возрастание и убывание нагрузки по зтутончатому закону, равномерно возрастающая нагрузка.

Результаты испытаний по первым трем схемам загружения оценивались по величине повреждаемости. При загрукении с постоянной скоростью сравнивалось время до разрушения, полученное

tfp ( по Козлову )

"Рис. 3 Определение t*p по кривым ползучести

íri tupi

100000

10000

1000

125 2óO

Рис. 4. .Кривая долговечности капроновых

канатов ,

1 - средняя кривая '

2 - расчетная ,кси;.-яя,обеспачиБ&юЕая Надежность 3tC-,"

: результате испытаний и вычисленное по критерию Бейли. ;рове денные исследования показали, что практически при любых аконах изменения напряжений критерий . Бейли обеспечивает рвдсказание минимального.времени до разрушения.

4. Анализ параметров - природных воздействий

Так как нагрузки на любые сооружения обусловливаются оздействиями среды, один из традиционно решаемых вопросов в роблеме оценки прочности - определение параметров внешних оздействий. Для рассматриваемых сооружений такими параметра?®! вляются характеристики волнения и масса выращиваемых организмов см. (I),(2),(3)).

В принятой для традиционных строительных конструкций етодике оценки прочности по предельным теориям расчеты ведутся о максимальным усилиям, которые для рассматриваемого класса оорукеппй определяются параметрами штормов, возможных один раз в аданное число лег. . Способы прогнозирования таких параметров и екомендации по их учету при' вычислении нагрузок разработаны и меются в справочной литературе.

При оценке ^ долговечности сооружений по любому критерию лительпой прочности, з том числе и по критерию Бейли, необходимо иать величины и время действия всех, возникающих в течение срока ксплуатащш сооружения, нагрузок. Это потребовало специального эдхода к оценке параметров внешних воздействий на ГБТС и азработки способов учета этих параметров.

- Так как основными нагрузками на ГБТС являются волновые, сследования были начаты с. параметров волнения. Большую часть злн у берегов Приморского края составляют волны зыби (до 35%), вправление и величина которых в береговой зоне трудно рогнозируются по ветру. Достоверным источником информации о элнении в районах размещения плантаций могут служить данные эпосредственных наблюдений. Поэтому по инициативе ДВПИ и риморского рыбопромышленного объединения "Приморрыбпром" (ПО РП) Приморским управлением гидрометслужбы и конроля окружающей реда (ГОТКС) с 1975 по 1987гг. велись систематические аблюдения за средой в трех районах Приморского края. Проведя

обработку данных этих • наблюдений, ш установили тесну статисте скуй связь мевду параметрами волн.. Зависимость средни период - средняя длина для всех районов подчиняется теории вол-малой амплитуда (рис. 6)

% = 0.8-/ X . (19)

Соотношения мекду длиной волны и ее высотой качественн

соответствуют принятым теориям, но количественно зависят о района. Например, (рис. 5)

в среднем Приморье X = 26 "Я,

Важном ' X = 17 -л, (20)

в северном X = 35-л.

Для сравнения на рис. 5 приведет зависимости Х-Л предложенные Крыловым (кривая I). Цишрманом (кривая 2), Ллойда (кривая 3), зависимость, принятая регистром СССР (кривая 4) норвексквы Бкро Вентас (кривая 5).

Полученные сотношения (19), (20) позволяют прогнозировать п еысото волны еэ длину к период, тс есть, поле нагрузок до конкретного района. О времени действия различных волк мои; судить по графикам повторяемости высот волн (рис, 7).

Построение график® повторяемости высот и вывод зависимосте П-Х, %-Х производилась по данным десятилетних наблюдений. Дг оценки надежности данных построена кривая зависимом относительной ошибки от срока наблюдений. Для дзеятнлетнег периода ошибка составляет -8,5%.

Кроме параметров волнения на значения нагрузки ойазывае влияние продуктивность (масса выращиваемых организмов! Продуктивность зависит от многих факторов (погода своевременности ухода, подкормки и т.д.5. Для решет поставлешюй в работе задачи необходимо было установить характс изменения массы организмов в процессе развития. Обработка даже биологических анализов показала, что статистически устойчивс характеристикой роста водорослей является отноиенио масс водорослей в текущий момент к массе во время сбора урокая (а, (рис. 8). Для рассматриваемых. трех районов Приморья составле! таблицы изменения аь лзминарга за один цикл выращивания, 1

Рлс. 5 Зависимость высота-длина волны

Рис.7 Повторяемость высот волн (среднее Приморье)

¡о

80 60

40 20

1 - 1976- 77 тг.

2 - 1977- 78 гг. 3-1978- 79 гг. 4 - 1979- 80 гг.

И-

хг

щ

и

1 6 12 6 месяцы

Рис.8 Изменение массы ламинарии в процессе роста ( в % от продуктивности )

которым, зная урокайкость , мокко определить массу водорослей в любой момент времени. По данным наблюдений исследовано также изменение температуры вода. Колебания температуры сезонные и по глубине происходят в пределах от -2°С до 21°С.

5. Расчот сроков службы ГБТС из полимерных канатов

Пятая глава является основной. С учетом выводов предыдущих глав в ней строится методика расчета сроков службы ГБТС из полимерных канатов.

Трудности решения поставленной задачи связаны со сложными стохастическими природными "процесса!®. Для упрощения решения принимается ряд допущений.

Во-первых, при загружешш сооружений учитываются волновые нагрузки, составляющие основную часть (97%) всех нагрузок по интенсивности и времени действия. При определении нагрузок ((I),(2),(3)) используются установленные в глава 4 статистические зависимости, между параметра®! волн ((19), (20)).

Во-вторых, усилия (напряжения) связываются с высотой волны, повторяемость которой в каждом конкретном районе известна, и следовательно можно подсчитать время действия напряжения определенного уровня. Натурные наблюдения за волнением не включают учет таких параметров как угол подхода гребня волны р и его координаты ха отосительно сооружения. ДЯя определения уровней напряжений, соответствующих заданной высоте' волны, мы предлагаем провести серию расчетов сооружений при различных р и выбрать из всей серии максимальные усилия Ттах; и их ввести в дальнейший расчет.

В-третьих, в качестве минимального расчетного промежутка времени, принимается один месяц. В этот период относительно устойчивыми являются характеристики повторяемости природных факторов (в том числе и волн), а.изменение биомассы мало (рис. 8).

В-четвертых, величина биомассы в пределах месяца принимается постоянной и равной максимальному ее значению (в среднем изменение биомассы за месяц для морской капусты-ламинарии, например, составляет 40 грамм или около 5% от товарной массы), то есть предполагается, что изменение биомассы происходит скачкообразно в конце каждого месяца. Учитывая также,

что отношение масон организмов в каадом месяце к планируемой урожайности с^ является относительно' устойчивой величиной, в качестве характеристики ыассы организмов принимается конечная продуктивность (урожайность), умноженная на коэффициент а^.

В-пятнх, при определении усилий пить считаечоя нерастяззмой. Тогда, если известно подсчитанное при единичной

продуктивности, усилие для 'любого заданного месяца при массе организмов в -а^ вычисляется по формуле

С учетом принятых допущений- время действия усилий в предела? каадого месяца будет определяться временем действия волт соответствующей высоты, которое - может быть найдено по графика» повторяемости высот волн.

В-шестых, вычисление срока слукбы сооружения связывается < циклом выращивания организмов (цикл-вромя от высадки рассада я сбора урожая). Полная повреждаемость за один цикл ы равна суш повреждаемостей, накопившихся в каждом й-том месяце П

критерию Бейли

| ' - ' (22>

• где ( - номер волш,

значение коэффициента а). в &-тоы месяце,

к к 1 Гф11!сЬк Срок службы 'С .определяется как величина обрати! повроздаеыости

С = I / Ь). * (24)

В-седьшх, при вычислении повреждаемости для ( упрощен расчетов вероятностное распределение высот волн заменяет постоянно действующей волной 97% ооаспеченности. Провода ни расчеты показали, что отношение поарездаеиости, бычес-лэнной с у том вероятностного распределения высот волн (усп), к поврежл омости, полученной при высоте волны 97Ж обеспеченности определяется отношением средней высоты волны Я к окрукности каг та з. Например, при Я=1,43 и и 3=0,06 и 0,9.

■ ■ <3

В-восьмых, температура в оценке долговременной прочности финимается постогашой в интервале температур, при которых голучена кривая длоговечности (18-20°С).

Методика оценки долговременной прочности строится с учетом финятых допущений. Процедура расчета представлена в виде !лок-схемы на рис. 9. Первоначально сооружение рассчитывается на югрузку при единичной биомассе от всевозможных сочетаний шраметров волнения, соответствующих заданной высоте волны. Из ¡сех расчетов выбирается максималыюе усилие, соответствующее ¡той высоте' волны, независимо от положения расчетной точки, шправления волнения и положения гребля. Затем с учетом реально ¡аданной' продуктивности подсчитываются величины напряжений

ог ^хГ^И'* . (25)

Зремя их действия определяется по графикам повторяемости высот юли» Затем по (22) и (23) вычисляется повреждаемость несущих санатов за месяц и за цшсл выращивания и по (24) - срок службы (в щклах).

' Кроме определения сроков службы в методике тредусматривается подсчет относительных стоимостей несущих санатов, что позволяет из всех рассматриваемых вариантов выбрать тиболеэ экономичный.

Составлен алгоритм' и программа вычисления сроков службы гибких ГБТС.

Произведен- расчет П-образных сооружений из капроновых *анатов (проект ГОВ-366) для выращивания ламинарии для трех районов Приморского края. В расчетах принималась кривая долговечности, имещая надежность 98% (18).

По результатам расчетов установлены оптимальные сечения 1есущих канатов, продуктивности и сроки службы. Так для тлантаций средней части Приморья оптимальными являются сооружения 13 канатов окружностью 40 мм при продуктивности 70 кг на вырастай элемент со сроком службы 2 цикла (рис.10,II).

Вычислешшй по составленной методике срок службы имеет вцсокую надежность:

- надежность расчетной кривой долговечности составляет 9855;

Piio.9 . Схема расчета долговечности

35 70 100 125 135 150

продуктивность

РисЛО Срок службы сооружений на плантациях средней части Приморья

л о

о и о

и

а х л ч

о Е* К о о X н о

1.5

1.0

0.5

80 70 / 1 1

60 50

40 30 ^

35

70

100

125 135 160 ' продуктивность

Рис. II Относительная стоимость сооружений

на плантациях средней части Приморья

29

- надежность определения волновых параметров, взятых данным 10-летних наблюдений , - ЧП%\ ■

- на'декЕюсть вачисления усилий и напряжений составляет ЮС так как при их определении принимаются допущения в сторс увеличения (не учитывается растяжимость нити, ъл всех возмози при заданной Енсоте волны напряжений рассматриваются тол! максимальные, вес водорослей в течение всего месяца принимав' равным весу в конце месяца).

На осново полученных результатов составлены рекомендации замене несущих каркасов применяемых в настоящее время плантациях. Расчетный экономический эффект от предлагаемой зам; составит 2,8 тыс.рублей на гектар.плантаций, или при планируе! ежегодном вводе в эксплуатацию 400 га плантаций -около тиши рублей в год.

Для оценки достоверности полученных результатов провед* сравните расчетных значений износа каната с экспериментальны; полученными Приморской экспериментальной базой (ПЭВ) ПО П Испытания ПЭВ проводились на образцах канатов, взятых сооружений водорослевых плантаций после нескольких эксплуатации. Сравнение показало, что потеря прочности : повреждаемость реальных сооружений меньше расчетной, соизмерима с ней.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1.-В настоящей работе предлагается методика оценю! прочно гибких гидробиотехшиеских сооружений из полимерных материал которая дает возможность полнее по сравнению с существуй подходами учесть условия работы ГВТС, их конструктив особешости, кинетическую природу материалов и на этой осн обоснованно определить коэффициенты запаса прочности и ср

■ эксплуатации с заданной надежностью.

2. Предлагаемая методика построена на критерии линейн суммирования повреждаемостей Бейли,- применение которого оценки долговременной прочности капроновых канатов обосноь экспериментально на ряде характерных для работа ГВТС загрукени

Исследовано влияние параметров кривой долговечности оценку сроков службы сооружений.

3. Предложена комбинированная методика получения крк

олговечпости. Показано се использование на примере получешгя ривой долговечности капроновых канатов.

4. Для использования в проектировании введено понятие асчетной кривой долговечности, которая обеспечивает заданную адезшость в определении времени разрушения.

5. Проанализированы условия эксплуатации ГБТС, проведена татистическая обработка характеристик среды, в частности, данных аблюдений за волнением в конкретных районах Приморского края, становлены статистические зависимости между параметрами олнения, позволяющие прогнозировать их по высоте волны.

6. Введены допущения, позволяющие установить величину и ремя существования напряжения заданного уровня. Проведена оценка лияния принятых допущений на расчетную величину долговечности БТС. В частности, определено, что среднемноголетние кривые овторяемости волн дают более низкий срок службы -по сравнению с онкретны'ми реализация!®.

7. По разработанной методике составлена программа и рассчи-аш сооружения водорослевых плантаций в трех районах, по асчетной кривой долговечности с надежностьб 98S определены сроки лукбы сооружений из различных канатов и выбраны оптимальные се-ения канатов; Результаты расчетов показали эффективность предла-аемой методики оценки эксплуатационных качеств сооружений: ока-алось возможным почти в- пять раз сократить материалоемкость не-ущего каркаса сооружения, достигаемый при этом экономический й&ект составляет около 2,8 тысяч рублей на гектар водорослевых лантаций.

8. Рассчитанные сроки службы сооружений послужили основой ременных норм расхода материалов и определения сроков их ксплуатацш.

9. По результатам работы составлена глава нормативных атериалов (Гидробиотехнические сооружения. HM 06-91. Нормативные атериалы. Глава 6. Оценка прочности и долговечности ГБТС, иполнепных из полимерных материалов).

ПУБЛИКАЦИИ ПО РАБОТЕ

I. Доценко С.П., Стоценко A.A. Определение срока службы соо-ужешй! из синтетических тросов:. Прочность и устойчивость инжене-шх конструкций .-Барнаул: Межвузовский сборник, IS8I, с.38-53.

2. Доценко С.И, Оцешса прочности гидробиотехнических сооружений из полимерных материалов: Тезисы докладов IV Всесоюзного совещания то научно-техническим проблемам марикультуры.-Владавосток, 1983, с. 97-93.

3. Доценко С.И., Стоценко A.A. Кривая долговечности капроновых канатов: Прочность и устойчивость инженерных конструкций.-Барнаул: Межвузовский сборник, 1985, с. 87-94.

. 4. Доценко С.И. Методика оценки прочности тросовых гидробиотехнических сооружений по долговечности с учетом конкретных климатических условий их эксплуатации: Архитектура и строительство.-Владивосток: Межвузовский сборник, 1985, с.106-108.

5. Доценко С.К. Исследование сроков службы сооружений из синтетических тросов с учетом местных природных воздействий: ИЛ о научно-техническом достижении.- Владивосток: Приморский ЦНТИ, 1980, вып. N 01-80. -4 с.

6. Доценко С.И., Стоценко A.A. Оценка долговечности полимерных покрытий сельскохозяйственных' сооружений в условиях Дальнего Востока: Разработка, совершенствование и внедрение эффективных конструкций для сельскохозяйствнного строите льства.-Благовещенск, 1986, с. 53-61.

7. Доценко С.И. Методика оценки прочности гидробиотехнических сооружений/ ДВПИ.- М., 1986. Деп. в ВДИИТЭИЕХ (Библиографический указатель ВИНИТИ, депонированные научные работы, К Е (175), 1986, с. 135, N 738 - рх>.

8. Доценко С.И. Оценка прочности гидробиотэхнических сооружений с использованием существуюдах наблюдений за ветром/ ДВПИ. -Ы., 1988.-Деп. в ЩШГЭИРХ (Библиографический указатель ВИНИТИ, депонированные научные работы, Н 5 (148), К.,1988, -с. 153, N 9Ii - рх).

9. Доценко С.И. Комплексная методика построения криво! долговечности капроновых канатов// Прочность и устойчивость инженерных конструкций: Межвуз, сб./ Алтайский политехнический ин-т.-Еарнаул, 1989. -C.80-8S.

10. Доценко С.И., Стоценко A.A. Оценка долговечности гидро-биотехничэских сооружений из полимерных канатов// Трещиностой-кость материалов' и элементов конструкций: Тезисы докл./ Ш Всесо-юзн. симпозиум по механика разруиения.-КиевДЭЭО.с. 38.