автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Оценка надёжности эксплуатируемых решётчатых башенных сооружений методом статистического моделирования

На правах рукописи

ЗИННУРОВ ТАГИР АЛЬМИРОВИЧ

ОЦЕНКА НАДЁЖНОСТИ ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ РЕШЁТЧАТЫХ БАШЕННЫХ СООРУЖЕНИЙ МЕТОДОМ СТАТИСТИЧЕСКОГО

МОДЕЛИРОВАНИЯ

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 6 МАП 2013

005058740

Казань

-2013

005058740

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Манапов Асхат Зинятович

Официальные оппоненты: Денисова Алла Павловна,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Саратовский технический университет имени Гагарина Ю.А.», профессор кафедры «Теория сооружений и строительных конструкций»

Якупов Нух Махмудович,

доктор технических наук, профессор, ФГБУН «Институт механики и машиностроения КазНЦ РАН», заведующий лабораторией нелинейной механики оболочек

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный

университет архитектуры и строительства»

Защита состоится «20» мая 2013 г. в 15:00 на заседании диссертационного совета Д 212.077.01 при Казанском государственном архитектурно-строительном университете по адресу. 420043, г. Казань, ул. Зеленая, 1, ауд. 3203 (зал заседаний Ученого совета).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан «-}!•» апреля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Абдрахманова Л.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Актуальность. Башенные сооружения с установленным на них оборудованием для связи, радио и телевещания являются сложными техническими объектами, обеспечивающими информационно-коммуникационные потребности общества. В настоящее время существенным фактором эффективности использования башенных сооружений является возможность совершенствования установленного на них оборудования, что сопровождается, как правило, увеличением его количества и парусности. Составной частью технической модернизации антенного оборудования эксплуатируемых башенных сооружений является обеспечение надежности несущих элементов конструкций. Существующие в настоящее время подходы к оценке несущей способности конструкций ориентированы на использование методов, которые не учитывают влияния всего многообразия факторов и случайного характера их изменений во времени при принятии эффективных решений о надёжности башенного сооружения. В ГОСТ Р 54257-2010 «Надежность строительных конструкций и оснований» рекомендуется применять вероятностно-статистические подходы для учета случайной изменчивости основных параметров. В связи с этим разработка научно-обоснованных подходов к совершенствованию оценки надёжности башенных сооружений с применением современных методов статистического моделирования является актуальной задачей.

Цель работы состоит в разработке методики оценки надежности несущих элементов конструкций эксплуатируемых башенных сооружений на основе численного статистического моделирования.

Для достижения поставленной цели в работе ставятся следующие задачи:

1. Выполнить анализ существующих детерминированных и вероятностно-статистических методов оценки надёжности строительных конструкций и их разработанности при оценке надёжности решетчатых башенных сооружений.

2. Разработать методику оценки надежности эксплуатируемых решётчатых башенных сооружений на основе статистического моделирования.

3. Разработать численную методику и соответствующий алгоритм оценки надежности эксплуатируемых решетчатых башенных сооружений на основе статистического моделирования, реализовать его в многофункциональных вычислительных системах.

4. Разработать и апробировать упрощенные методы статистического моделирования при оценке надёжности башенных сооружений, основанные на использовании информации о надёжности аналогичных конструкций в различных географических и климатических условиях, и о безотказной эксплуатации самой башни за определённый период времени.

5. Выполнить статистические исследования дефектов и повреждений эксплуатируемых решетчатых башенных сооружений с использованием результатов их натурных обследований.

6. Исследовать статистическими методами влияние количества испытаний и расчетного времени эксплуатации на оценку надежности решетчатого башенного сооружения.

Научная новизна работы:

1. Разработана методика оценки надежности эксплуатируемых решётчатых башенных сооружений, основанная на статистическом моделировании действующих процессов и параметров с учетом их случайного характера, что позволяет уточнить количественную оценку надёжности. В рамках методики проведена модернизация критериев оценки надёжности и разработаны принципы построения вероятностно-статистических моделей взаимодействия параметров.

2. Разработаны методы представления в виде статистических множеств таких параметров, как геометрические размеры несущих элементов, ветровая, гололёдная и особые нагрузки на несущие конструкции решётчатых башенных сооружений, позволяющие выполнить их корреляцию и синхронизацию, усовершенствованы статистические методы представления законов распределения расчетного сопротивления стали и постоянных нагрузок.

3. Разработаны статистические методы учёта влияния дефектов и повреждений на напряженно-деформированное состояние башенных сооружений, позволяющие смоделировать случайный характер их появления и деградацию механических и геометрических характеристик рассчитываемых элементов.

4. Разработаны методы упрощённой статистической оценки надежности металлической конструкции башни, основанные на сравнительном анализе действующих нагрузок.

Практическая значимость работы:

1. Разработаны методические рекомендации по оценке надежности эксплуатируемых башенных сооружений, в которых представлен алгоритм поэтапной реализации методики количественной оценки надежности на основе статистического моделирования, дано руководство по реализации алгоритма в многофункциональных вычислительных системах, приведен пример его применения в «МаЛСАО».

2. Выявлены, исследованы и классифицированы основные дефекты и повреждения конструкций на основе обследования 60 стальных решетчатых башенных сооружений, что дало возможность представить их интервальную оценку.

3. Результаты, полученные в диссертации, использованы при экспертной оценке эксплуатируемых решётчатых башенных сооружений, что позволило дать рекомендации о дальнейшем сроке их эксплуатации или усилении несущих элементов конструкций, в частности при установке на них дополнительного оборудования.

Реализация работы. Методика количественной оценки надежности эксплуатируемых решетчатых башенных сооружений была применена фирмами ООО «Исследование» и ООО «ПРИС Меткой» при экспертной оценке 25 эксплуатируемых решётчатых башенных сооружений, что подтверждено актами о внедрении.

Достоверность результатов работы обеспечивается использованием общепринятых математически корректных допущений теории надежности, математической статистики и теории вероятностей, подтверждается соответствием

4

результатов расчета по разработанной методике с данными, полученными по методу предельных состояний и вероятностными аналитическими методами, проверкой сходимости моделируемых параметров с экспериментальными данными, использованием современных вычислительных систем и программ ("МаШСАБ", ПК "ЛИРА", "ЮБО").

Апробация работы. Основные результаты исследования докладывались на международных научно-технических конференциях "Образование и наука -производству" (Набережные Челны, 2010); "Теория и практика расчёта зданий, сооружений и элементов конструкций. Аналитические и численные методы" (Москва, 2010); "Прогрессивные технологии и перспективы развития" (Тамбов, 2010); "Промышленное гражданское строительство в современных условиях" (Москва, 2011); "Информационно — вычислительные технологии и их приложения" (Пенза, 2011); "Строительство - формирование среды жизнедеятельности" (Москва, 2012); "Оценка рисков и безопасность в строительстве. Новое качество и надежность строительных материалов и конструкций на основе высоких технологий" (Москва, 2012); на Всероссийской научно-практической конференции "Новые технологии в промышленности, науке и образовании" (Оренбург, 2010); на республиканской научной конференции "Проблемы архитектуры и строительства" (Казань, 2010, 2011, 2013). Работа принимала участие в конкурсе «50 лучших инновационных идей для Республики Татарстан (2011, Казань), конкурсе молодежных научных грантов и республиканских научных премий (2011, Казань), конкурсе У.М.Н.И.К (2011, Москва).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 3 научные статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы из 165 наименований. Работа изложена на 244 страницах машинописного текста, включает 81 рисунка, 69 таблиц и 3 приложения.

На защиту выносятся:

1. Методика оценки надёжности несущих элементов конструкций эксплуатируемых башенных сооружений на основе численного статистического моделирования, включающая в себя разработанный алгоритм и его реализацию в многофункциональных вычислительных системах.

2. Методы упрощённой статистической оценки надежности конструкции башни, основанные на использовании информации об эксплуатации аналогичных конструкций в различных климатических условиях, безотказной эксплуатации самой башни за определённый период времени.

3. Закономерности распределения дефектов и повреждений эксплуатирующихся решетчатых башенных сооружений, выявленные на основе результатов натурных обследований.

5. Методы представления значений параметров (расчетного сопротивления стали, геометрических размеров несущих элементов, постоянных, ветровой, гололёдной и особых нагрузок на несущие конструкции решётчатых башенных сооружений), позволяющие выполнить их корреляцию и синхронизацию.

6. Методы учёта влияния дефектов и повреждений на напряженно-деформированное состояние башенных сооружений, позволяющие смоделировать деградацию рассчитываемых физических и геометрических характеристик элементов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна работы и ее практическая значимость.

В первой главе представлен анализ существующих детерминированных подходов к расчету стальных решетчатых башенных сооружений, которые позволяют дать оценку их надёжности, рассмотрены вероятностно-статистические методы оценки надежности строительных конструкций на основе параметрической модели «нагрузка-прочность», дана классификация форм башенных сооружений, расположенных на территории РТ, и проведен анализ условий их эксплуатации.

Существуют различные методы оценки надежности строительных конструкций, в том числе башенных сооружений (табл. 1).

Таблица 1 Методы оценки надёжности строительных конструкций

Методы оценки надёжности

Детерминированные Вероятностно-статистические

Аналитические Численные

Широко известны работы М.Ф. Барштейна, Г.А. Савицкого, Э. Симиу,

A.Г. Соколова, Д. Солари, Б.В. Остроумова, Р. Сканлана, А.Д.Давенпорта и т.д., в которых разработаны теоретические основы детерминированных методов расчета башенных сооружений. Они используют коэффициенты, которые предполагают максимальные значения параметров воздействий и процессов. Сравнительный анализ нормативных документов США, Канады, Великобритании, Евросоюза и России, на основе которых определяется надежность башенных сооружений, показал их принципиальное единообразие по использованию детерминированных методов. Существенные отличия, в частности по значению средней составляющей ветровой нагрузки, наблюдаются лишь в значениях коэффициентов.

При оценке надежности строительных конструкций наряду с детерминированными используются также вероятностно-статистические методы. Теория вероятностно-статистических методов разрабатывалась в исследованиях В.В. Болотина, К. Капура, Л.Ламберсона, В.Д. Райзера Г. Шпете,

B.C. Уткина и т.д. Аналитические методы оценки надежности башенных сооружений разрабатывались Л.Б Гарцманом, М.П. Кондрой, в настоящее время они интенсивно развиваются научной школой С.Ф. Пичугина. Обзор методов оценки надежности строительных конструкций продемонстрировал, что в настоящее время происходит постепенное вытеснение аналитических методов (двух моментов, статистической линеаризации, горячих точек и т.д.) численными, что объясняется их способностью быстрой оценки надежности многопараметрических систем. Результаты расчета оценки надежности

вертикального стержня, проведенные численным методом статистических испытаний, имеют относительное отклонение от результатов расчёта, полученных аналитическими методами, порядка 5,8 - 12,3% (рис. 1). 1 Л

с о 180

о 16 0

§ 140

g 120

о 100

ic 80

о 60

г 40

Г 20

N 0

к

ш5

2¿¿ оЩ

I—| Метод статистического моделирования I—' (без регрессионьгх изменений) ™ Метод статистического моделирования (с регрессиоными изменениями)

Метод статистической линеризашш |—| Метод горячих точек

20

50

100 200 Продолжительность, годы

Рис. 1. Результаты оценки надёжности вертикального стержня Однако нет работ, в которых научно обосновано использование численных вероятностно-статистических методов при оценке надежности эксплуатируемых башенных сооружений. Поэтому в диссертационной работе разрабатывается методика оценки надёжности несущих элементов конструкций эксплуатируемых башенных сооружений на основе численного статистического моделирования.

Поскольку методика разрабатывается для оценки эксплуатируемых башенных сооружений, проведены классификация форм башенных сооружений, расположенных на территории Республики Татарстан, и анализ условий их эксплуатации. На территории РТ смонтировано и эксплуатируются около 600 башен сотовой связи. Конструктивные решения башенных сооружений в большинстве случаев повторяются, поэтому можно говорить об их однотипности. В основном это трех и четырёхгранные решётчатые пирамидальные башенные сооружения средней высоты, преимущественно расположенные на равнинной местности в отдалении от городов. Среди смонтированных башенных сооружений выделены три основные страны-производителя, это - Россия, США, Финляндия (рис. 2).

а) башенное сооружение финского производства (75 м)_

б) башенное сооружение российского

производства (72 м)_

в) башенное сооружение производство США (58 м)

Рис. 2. Башенные сооружения различных стран-производителей Одним из параметров, определяющих надежность башенных сооружений, является запас прочности, который зависит от массивности используемых

7

конструкций. Так, для башен отечественного производства расход стали в среднем составляет 253 кг п.м., а для зарубежных - 177 кг п.м.

Вторая глава посвящена разработке методики оценки надежности несущих элементов конструкций решетчатых башенных сооружений на основе модели «нагрузка-прочность» с учетом вероятностного характера изменения параметров, протекающих процессов и воздействий.

В разрабатываемой методике, основанной на статистическом моделировании, используются этапы и критерии традиционного метода предельных состояний (рис. 3). Принципиально то, что при моделировании все параметры, производные от параметров и функциональные связи между ними заменяются соответствующими вероятностно-статистическими моделями, представляющими собой случайным образом сгенерированные массивы. То есть детерминированные коэффициенты (надёжности, условий работы, сочетания нагрузок) заменяются соответствующими статистическими множествами, описывающими изменения параметров на основе законов распределения, которые используются в теории надежности. Под количественной характеристикой надежности понимается вероятность безотказной работы несущих элементов башенного сооружения. Основным показателем безотказной работы является невозможность превышения предельных состояний в несущих элементах при действии расчётных нагрузок в течение периода эксплуатации.

Использование статистических множеств позволяет моделировать как физическое состояние башенного сооружения для любого момента времени его эксплуатации, так и взаимодействие или сочетание действующих процессов и воздействий. Методика позволяет определять напряжения с заданной точностью

Рис. 3 Схема статистического моделирования

Достоверность результатов проверяется путём проверки сходимости результатов моделирования с имеющимися статистическими данными, многократными прогонами и нахождением доверительных интервалов.

В результате анализа имеющихся по проблеме исследований выделены основные параметры для моделирования работы башенного сооружения:

• линейные размеры несущих элементов;

• расчётная прочность стали (предел текучести);

• условно постоянные нагрузки (собственный вес элементов конструкции и технологического оборудования);

• ветровая нагрузка, гололёдная нагрузка, особые нагрузки (сейсмическая нагрузка, воздействие тромба);

• дефекты и повреждения;

• регрессионные изменения структуры и геометрии несущих элементов.

Вероятностный характер изменения параметров и протекающих процессов моделируется при помощи известных законов распределения, описывающих изменение рассматриваемого параметра.

Для моделирования геометрических отклонений размеров и прямолинейности элементов в методике используется нормальный закон распределения, в соответствии с которым сгенерированные значения находятся в интервале допустимых отклонений, установленных ГОСТ.

Статистическое моделирование расчётного сопротивления стали для элементов башенного сооружения, работающих в упругой стадии, выполняется с использованием распределения Вейбулла, параметры которого определены для предела текучести каждой марки стали в исследованиях Кошутина Б.Н., Уварова Б.Ю.

Распределение собственного веса элементов конструкции и веса оборудования описывается нормальным законом распределения. Средние ожидаемые значения веса стальных конструкций равны нормативным значениям С„, а стандарт отклонений - гт=0,5С„(у^1) , где у/ - коэффициент надежности по нагрузке.

Параметрами, описывающими ветровую нагрузку, являются её средняя составляющая (произведение ветрового напора, аэродинамического коэффициента, коэффициента изменения ветрового напора по высоте), пульсационная составляющая и направление ветра. При статистическом моделировании ветрового напора применялись три распределения: усеченное нормальное, Вейбулла, введенное и теоретически обоснованное автором

ЗГЫехрС-РхУМх]'-1

А*) =--

распределение Римана-Лиувилля , где У(х) - функция

Хэвисайда, Г (а) - гамма функция, а, /? >0 — действительные числа (табл. 2). Различные типы распределений использовались для наилучшей сходимости с имеющимися экспериментальными данными при моделировании ветрового напора.

Таблица 2. Результаты метеорологических наблюдений и моделирования

ветрового напора

Наименование параметра Статистическое моделирование за 100 лет на основе распределений Результаты наблюдений метеостанции г. Казань за 58 лет

Усеченное нормальное Вейбулла Римана-Лиувилля

Максимальная скорость ветра (м/с) 29,77 35,2 34,8 28-30

Максимальный ветровой напор (Н/м2) 554 774 738 490-560

Количество случаев со скоростью >27 м/с 16 случаев 160мин 23 случая 230мин 20 случаев 200мин 2 случая за 2007 и 2008 гг. (бОмин)

Коэффициент изменения ветрового давления по высоте и аэродинамический коэффициент секций башенного сооружения получен путём анализа норм и стандартов США, Канады, Великобритании, Евросоюза, России, представлен в виде интервальной оценки и моделируется с помощью равномерного закона (табл. 3). Моделирование направления ветра на башенное сооружение построено на основе повторяемости одного и того же направления в течение года (табл. 4).

Таблица 3. Интервальная оценка вертикального профиля ветра к-

Тип Высота, (м)

местности 10 30 50 70 90 110

Равнина (1) 1,45- 1,9-2,08 2,06- 2,24- 2,37- 2,57-

1,61 2,29 2.46 2,61 2,7

Равнина (2) 1,2-1,37 1,41-1,8 1,57-2,1 1,67- 1,74- 1,79-

2,25 2,38 2,5

Пригород (3) 1 1,25- 1,4-1,72 1,5-1,9 1,55- 1,69-

1,49 2,05 2,14

Город (4) 0,55- 1-1,13 1,12- 1,25- 1,33- 1,42-

0,76 1,34 1,52 1,65 1,85

Город (5) 0,29- 0,55- 0,83- 1-1,27 1,1-1,4 1,25-

0,52 0,86 1,09 1,6

Действие ветра на грань или пояс башни моделируется из условия повторяемости различных направлений ветра. Для моделирования пульсационной составляющей используется сгенерированное ранее множество ветрового напора.

Таблица 4. Количество случаев различного направления ветра за год

Направление ветра С СВ В ЮВ Ю ЮЗ 3 СЗ

Статическое моделирование 5189 3767 4246 6410 11094 6423 8912 6519

Метеонаблюдения 5256 3680 4204 6482 11038 6482 8936 6482

Статистическое моделирование гололёдной нагрузки реализуется комплексным моделированием количества дней с обледенением, значений толщины гололёдного отложения, значений продолжительности обледенения, множества значений ветрового давления, при котором произошло обледенение. Например, толщина гололёдного отложения моделируется одной из разновидностей функции Вейбулла, Сочетание временных нагрузок (ветровой и гололёдной) осуществляется вводом корреляционных связей (рис. 4).

Статистическое моделирование особых нагрузок (сейсмической, от воздействия смерча) представляет собой процесс, который реализуется с определённой вероятностью в виде случайных выбросов в течение заданного времени. Вероятность сейсмической нагрузки для различных магнитуд определяется по графику (рис. 5). Согласно ПиН АЭ 5.61, вероятность появления

ПнН АЭ-5.6 Нормы строительного проектирования АС с реакторами различного типа. - М: Атомэнеогопроект, 1987,-24 с.

тромба рекомендуется принимать за год выбросов задается интервальной оценкой.

Покторояемостъ 40

/^=0,0001. Интенсивность этих

30

20

20

,3

-4

V, м/с

10

12

14

16

Рис. 4. Вероятность образования гололёдных отложений при различной скорости ветра V: 1 - иней, 2, 3 -изморозь, 4 - гололёд. А

V ют

ш II

I

0.1 §01 ООО!

\

\

\

\

Сплошная линия -Рес. Татарстан

Пунктирная линия -Поволжье

\

¡иг 2.5 3 3.) 4 и 1 и 6 <и 7 73 в

Рис. 5. Среднегодовая вероятность V сейсмических событий разных магнитуд М Влияние отклонений параметров законов распределения (математического ожидания и среднеквадратического отклонения) на оценку надежности неоднозначно. Если они имеют однонаправленный характер, то отклонения получаемых значений от базовых в среднем пропорциональны отклонению параметров; при разнонаправленном отклонении влияние «ошибок» при назначении параметров распределения уменьшается.

В третьей главе выявлены закономерности распределения дефектов и повреждений несущих конструкций 60 обследованных башен сотовой связи, расположенных на территории РТ, предложены способы их учета при оценке надежности.

Проведен анализ причин возникновения дефектов и повреждений башенных сооружений, степени их распространенности, дана их классификация и количественная интервальная оценка (табл. 5, 6). Выделены наиболее распространённые - это коррозионное поражение элементов и соединений, отклонение оси башни от вертикали, крен, прогиб, искривление оси

конструкции, некачественное выполнение сварных швов и болтовых соединений. Трещины, разрывы, вырезы или отсутствие элементов, местные деформации, отклонения размеров, неудачные конструктивные решения были выявлены менее чем в 5% случаев (рис. 6).

Таблица 5. Основные дефекты и повреждения башенных сооружений и причины возникновения

№ Дефекты и повреждения Причины возникновения гГаличие (%)

1 видимое коррозионное поражение отсутствие, шелушение, повреждение и отслоение антикоррозионного покрытия; агрессивная среда 85

2 некачественное выполнение сварных швов и болтовых соединений неполномерность швов, подрезы, непровары, прожоги, трещины, шлаковые включения, поры в сварных швах; ослабление и отсутствие болтов 65

3 отклонение оси башни от вертикали, крен, искривление оси конструкции просадка фундамента и дефект; несимметричность расположения оборудования; наличие дефектов связанные с отклонением от проектного положения элементов конструкции 21,7

4 несоосность сопряжения элементов в узлах ошибки производства и монтажа 13,3

5 зазоры между фланцами несимметричная установка дополнительного оборудования; недостаточная стяжка фланцев; искривление фланцев 8,33

6 разрушение верхней части фундаментов, нарушение гидроизоляции низкий класс бетона; агрессивная среда (коррозия бетона); недостаточная площадь опирания конструкции; некачественный гидроизолирующий материал 6,67

Таблица 6. Интервальная оценка дефектов и повреждений

Виды Дефект и его интервальная оценка

башен Коррозия Отклонение Зазоры Несоосность Отклонения

по (мм) от между элементов геометрических

высоте вертикали секциями (мм) размеров

(м) верхней (мм) сечений от

точки (мм) проектных (%)

42-48 0,2-2 26-54 0,3-11,5 0,5-26 0-1,2

58-62 0,05 - 1 15-72 0,3-5 0,5-7 0-0,7

70-75 0,1-0,7 17-88 0,3-6,6 0,5-6 0-0,7

110 0,1 -0,5 24 - 103 0,3-4,2 0,5-8 0-0,6

Рис. 6. Примеры дефектов башенных сооружений

Численно исследовано влияние на напряженно-деформированное состояние следующих дефектов и повреждений: деформация и кривизна элементов; отсутствие элементов конструкции; коррозионное поражение элементов и соединений; отклонение оси башни от вертикали в виде крена. Отрицательное действие дефектов и повреждений приводит к перераспределению усилий и концентрации напряжений в элементах конструкции, снижению жёсткости и смещению конструкции.

Численное моделирование дефектов и повреждений заключается в изменении расчётной схемы башенного сооружения, которое отражает сущность дефекта или повреждения. Критериями критичности дефектов и повреждений являются относительное изменение усилий в рассматриваемых элементах или деформативность конструкции.

Существенное влияние на работу конструкции оказывают коррозия, отсутствие и искривление несущих элементов пояса, а также отклонения башенного сооружения от вертикальной оси.

Автором предложены методы учёта влияния дефектов и повреждений на напряженно-деформированное состояние башенных сооружений, позволяющие смоделировать деградацию рассчитываемых элементов. Статистическое моделирование условно неразвивающихся во времени дефектов и повреждений, связанных с отклонением оси башни от вертикали, отсутствием или деформацией элементов и.т.д., производится на стадии перехода от нагрузок к усилиям и деформациям. В процессе моделирования формируется множество коэффициентов перехода от единичных нагрузок к усилиям и деформациям, которые представляются в виде случайных множеств. Вероятность реализации значений множества описывается нормальным или усеченным нормальным законом распределения.

Процессы коррозии и старения являются развивающимися во времени, поэтому, в отличие от других рассматриваемых в данной работе дефектов и

повреждений, они описываются с помощью функции регрессии. Например, предлагается следующая функция регрессии площади сечения элемента за счет коррозионного поражения S(t), в основе которой лежит выявленная А.З. Манаповым закономерность коррозионного поражения ö(t):

Sit) = Sxm - Srop(t)> гДе S^(t) = S(t) P„„ Kf S.j.m, и РЭ1СХ, - площадь и периметр элемента, Кф - коэффициент распределения коррозии по периметру. Данная закономерность была уточнена путем учета случайного характера скорости коррозионных потерь. Процесс уменьшения сечения элемента продемонстрирована на рисунке 7.

I

3.14 3.1

3

2.9 2.8 2.7

I этап II этап

О 5 10 15 20

Ь Период моделирования, годы

Рис. 7. Чисченное моделирование коррозионного износа площади сечения

В четвёртой главе разработан алгоритм оценки надежности эксплуатируемых решетчатых башенных сооружений и приведена его реализация при помощи многофункциональных вычислительных систем, проведена апробация методики оценки надежности, разработанной на основе статистического моделирования.

Алгоритм разработанной методики состоит из пяти этапов, он учитывает вероятностный характер изменения параметров и протекающих процессов.

Первый этап включает в себя формирование исходных данных в виде статистических множеств, в которые входят начальные геометрические характеристики расчётного сечения, нагрузки и воздействия на башенное сооружение, расчётное сопротивление стали.

На втором этапе статистического моделирования реализуется переход от нагрузок к усилиям, деформациям и перемещениям при помощи коэффициентов перехода, определяемых конкретно для каждого элемента. Коэффициенты перехода от нагрузок к усилиям и перемещениям учитывают влияние различных факторов (особенности конструкции и крепления оборудования, некоторые дефекты, различное воздействие нагрузок и др.). Формирование интервалов коэффициента перехода от нагрузки к усилиям происходит путём пошагового расчёта программой "ЮБО ИБ" или "ЛИРА".

На третьем этапе моделирования учитываются сокращение геометрических размеров сечения и предела текучести стали в течение эксплуатации, которые описываются функциями регрессии.

На четвёртом этапе производится функциональный переход от усилий к напряжениям. Он реализуется на основе известных формул для расчёта продольно-сжатых и растянутых элементов. Для сжатых и растянутых элементов

используются формулы о=М/А<р и ег=ЛУА, где N - продольное усилие от суммарной нагрузки; А - площадь элемента; <р- коэффициент продольного изгиба. Загруженность элемента в течение 20 лет показана на рисунке 8.

о юоооо гоаооэ 300090 35м<е

Временные интервалы

Рис. 8. Распределение напряжений во времени в моделируемом элементе

На пятом этапе выполняется анализ полученных статистических множеств по критериям предельных состояний. Критерием оценки надёжности является определение числа отказов элемента. За отказ /\(0 элемента башенного сооружения принимается превышение случайной реализации напряжения или перемещения над расчётным сопротивлением или допустимым перемещением за период моделирования /. Полученное число отказов элемента используется для количественной оценки надёжности конструктивного элемента по формуле 12(0=1—МО/Т.\ где Т - количество оцениваемых однотипных сооружений. Общая надёжность вычисляется для статически определимых конструкций как произведение надёжностей всех элементов башенного сооружения:

<2ис«,гй,(0 (>2(1) ЯзО) - в„(0; для статически неопределимых конструкций

Разработана блок-схема и реализующая её компьютерная программа в системе "МаШСАО" (рис. 9). Разработано руководство по ее составлению в других многофункциональных вычислительных системах, оно состоит из: описания, моделирования входных и выходных данных; составления и описания последовательности действий для решения задачи оценки надёжности башенных сооружений; используемых подпрограмм.

Приведен пример использования разработанной методики для количественной оценки надёжности башенного сооружения Уим+Н75 финского производства. Был произведён сравнительный анализ напряжений, полученных методом статистического моделирования и методом предельных состояний, результаты расчетов для наиболее нагруженного элемента показали сходимость, относительное отклонение составило не более 5% (табл. 7).

При статистическом моделировании максимальное значение напряжения в элементе башенного сооружения получилось выше, чем при использовании метода предельных состояний. Это объясняется тем, что при статистическом моделировании учитывались экстремальные значения параметров. Поскольку

вероятность их появления для рассматриваемого периода эксплуатации мала, то согласно нормативной шкале оценки надёжности технических систем возможна дальнейшая эксплуатация башенного сооружения. Однако с возрастанием периода эксплуатации башенного сооружения вероятность увеличивается, что влияет на принятие решения о его надежности.

_Исходные данные_

Моделирование

Постоянные Временные климатические нагрузки /

нагрузок

М

(оделироеание расчетного) сопротивления I

I

Расчётные схемы

Сечения зпементов Дефекты Повреждения Подттвосгь узлов Отклонения в геометрии

Интервалы коэффициентов перехода от нагрузок к усилиям и перемещениям

Регр* ксионныв изменения

Коррозионный ИЗНОС

Старание стали ^

Выводы об уровне надёжности по первому к второму предельному состоянию

Моделирование множества

значений усилий и перемещений для каждой нагрузки

. ^кЛО^О^килк^»!......

Поэлементное сложение значений усилий и перемещений

лИ|||||»||Щ|1.|||||||||||»1.|||||. ;

Для каждого однотипного башенного сооружения

Функциональный переход к напряжениям

ё

Для каждого эломенга однотипного башттого сооружения

*

Поэлементное сравнение множества напряжений н расчетного сопротивления

Для каждого однотитвюго башенного сооружения

Поэлементное сравнение множестве перемещешгй с допустимыми значениями

Для кзвдото однотипного башенного сооружения >

__________I

Рис. 9. Упрощённая блок-схема статистического моделирования

Таблица 7. Сравнение результатов расчета методом предельных состояний и _ статистического моделирования_

Параметры Метод Метод статистического моделирования

предельных (с вероятностью 0.9999)

1 состояний без регрессионных изменений с регрессионными изменениями

Продолжительность 50 лет 20 лет 50 лет 20 лет 50 лет

Напряжения 337,4 317,8 348,2 321,4 354,3

Надёжность - 1 0,9914 1 0,9905

Например, результаты оценки надежности наиболее напряженно-деформированного элемента по разработанной методике следующие: по критерию первого предельного состояния «отказ невероятен» за 20 лет эксплуатации и «отказ вполне вероятен» в течение 50 лет эксплуатации. По критерию второго предельного состояния «отказ невероятен» в течение 20 лет и «отказ имеет малую вероятность» в течение 50 лет. Общая надёжность башенного сооружения за 20 лет составит 1, за 50 лет составит 0.989. Резко увеличивается количество отказов при отсутствии дополнительных мер по обслуживанию и ремонту башенного сооружения после 50 лет эксплуатации (рис. 10).

Период моделирования, годы

Рис. 10. Увеличение количества отказов со временем Таким образом, полученная оценка надёжности дала возможность сделать прогноз об эксплуатации башенного сооружения в течение 20 лет без дополнительного усиления. Дана оценка роста количества отказов, вероятности отказа и максимальных напряжений при установлении на башенное сооружение дополнительного оборудования. Пригодность башенного сооружения для установки узконаправленных антенн оценивалось временем их отклонения от заданного направления, а именно: отклонение более чем на 0.5° в течение 20 лет в общем продолжалось 10 минут, а за 50 лет - 90 минут.

В пятой главе методом статистического моделирования исследовано влияние количества -испытаний, которые определяют точность расчёта, и расчетного времени эксплуатации на ожидаемые максимальные реализации параметров при оценке надёжности. Проведен сравнительный анализ надежности башенных сооружений на основе информации об эксплуатации аналогичных конструкций в различных географических и климатических условиях, безотказной их эксплуатации за определённый период времени.

Выполнено моделирование скорости ветра V для различного количества однотипных сооружений N и продолжительности расчетного времени эксплуатации Т, на основе которого выявлена зависимость между увеличением периода эксплуатации, количеством однотипных сооружений и ростом реализаций годовых максимумов (рис. 11).

Скрость ветра, м/с

сооружений О Период эксплуатации, лет

Рис. 11. Зависимость реализаций скорости ветра от количества однотипных сооружений и продолжительности эксплуатации

Коэффициент вероятности СргоЬ в нормах Eurocode для перехода к различным периодам расчёта ветрового давления согласуется с соответствующим коэффициентом, полученным при статистическом моделировании. Зависимость увеличения реализаций скорости ветра V от количества однотипных сооружений дописывается выражением: Уы=КиУиь где Кы =0,942+0,0331п (И).

Выявленные зависимости положены в основу оценки надёжности башенных сооружений на основе сравнительного анализа действующих нагрузок. Так как аналитические вероятностные методы начальной оценки надежности используют громоздкий и сложный математический аппарат, в работе предлагаются более удобные и простые численные методы.

Разработан статистический метод оценки надежности стальных конструкций башен, основанный на использовании информации об эксплуатации аналогов в различных климатических условиях. Для башенных сооружений этой информацией является продолжительность эксплуатации исходного сооружения Т и аналогов интервальные оценки и функции распределения ветровой и гололедной нагрузки для исходного сооружения и его аналога, а также количество аналогов п, прошедших испытание. На основании представленных параметров генерируются два множества реализаций нагрузки. В процессе порядка 10000 испытаний происходит сравнение максимальных значений двух множеств. Результаты сравнения дают начальную (априорную) оценку надёжности монтируемого башенного сооружения в требуемом климатическом районе на основании данных об испытаниях нагрузкой аналогичных башенных сооружений в другом климатическом районе. Они представлены на рисунке 12

3 5 10 20 50 100 200 500

Длительность эксплуатации аналога, годы _ _ I-район (50 лет} — — III-район (50 лет) — — IV - район (50 лет)

I- район (25 лет) -III - район (25 лет) — IV - район (25 лет)

— I-район (100 лет) — III - район (100 лет) — IV - район (ЮОлет)

Рис. 12. Графики вероятности превышения скорости ветра во 2 ветровом

районе над другими

и описываются следующим выражением:

где Р - вероятность превышения возможной максимальной нагрузки во 2 ветровом районе над другими, величина безразмерная, коэффициенты а, Ь, с выражаются через основные параметры статистического моделирования а=2,08-Уср*0,043, Ь=171,7-Т*40984, с=0,15-^*0.0017.

Предлагается аналогичный предыдущему метод априорной оценки надёжности башенных сооружений на основании его безотказной эксплуатации за определённый период времени. Результаты моделирования, опираясь на статистику внешних силовых воздействий и деградации несущих конструкций, дают начальную оценку дальнейшей безотказной службы башенного сооружения, которая позволит оперативно спланировать мероприятия по её капитальному ремонту (табл.8).

Таблица 8. Средняя вероятность превышения максимальных напряжений за последующие 3 года эксплуатации для башенного сооружения при различном _сроке службы_

Без учета эегрессии несущей способности

Период эксплуатации (лет) 5 10 20 30 50 100

Вероятность 0,383 0,223 0.123 0,087 0,061 0,033

С учетом линейной регрессии несущей способности 1% в год

Период эксплуатации (лет) 5 10 20 30 50 100

Вероятность 0,716 0,549 0,342 0,251 0,152 0,078

В целом, преимуществом метода статистического моделирования, основанного на сравнении нагруженности, является возможность начальной оценки надёжности башенного сооружения. Она предоставляет информацию для принятия решения о возможности монтажа закупаемых башенных сооружений и сроках выполнения капитального ремонта эксплуатируемых башенных сооружений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Проведен обзор методов оценки надежности на основе параметрической модели «нагрузка-прочность», который показал, что в настоящее время активно используются детерминированные методы для расчёта надёжности башенных сооружений. Существуют аналитические и численные вероятностно-статистические методы, которые имеют более высокую точность, так как учитывают случайный характер протекающих процессов и внутренних параметров, расхождение в результатах между аналитическими и численными находятся в интервале 5,6 - 12,3%. Однако до настоящего времени не разработана методика оценки надёжности эксплуатируемых решётчатых башенных сооружений на основе численного вероятностно-статистического моделирования.

2. Разработана методика оценки надёжности эксплуатируемых решётчатых башенных сооружений на основе теоретически обоснованного

метода статистического моделирования. Она, во-первых, дает более точную количественную оценку надёжности, что позволяет установить срок дальнейшей безопасной эксплуатации решётчатого башенного сооружения без дополнительного усиления или разработать рекомендации по усилению несущих элементов конструкций, в частности при установке на них дополнительного оборудования. Во-вторых, позволяет дать оценку уровню напряженно-деформируемого состояния элементов конструкции за период эксплуатации, определить циклы и временные интервалы с экстремальными значениями напряжений в элементах, рассчитать продолжительность перемещения и поворота элементов конструкции с установленным оборудованием.

3. Разработаны методы статистического моделирования ветровых, гололёдных, особых нагрузок, размеров и рабочего сечения элементов конструкции, основанные на использовании имеющейся статистической информации и функций распределения. Усовершенствованы методы статистического моделирования постоянных нагрузок и расчётного сопротивления стали за счёт уточнения законов распределения. Показаны приемы синхронизации и корреляции множеств значений параметров. Доказана сходимость результатов, а также влияние неточностей в назначении параметров функций распределения на реализации значений. Относительное отклонение значений статистического моделирования от экспериментальных данных для ветровой нагрузки составило не более 3%.

4. Выполнено статистическое исследование дефектов и повреждений эксплуатирующихся решетчатых башенных сооружений по степени распространенности, дана их классификация и количественная интервальная оценка значений. К наиболее распространенным дефектам и повреждениям относятся: коррозионное поражение элементов и соединений - 85%, отклонение оси башни от вертикали - 21,7%, дефекты монтажных соединений - 65% случаев. Большинство дефектов и повреждений обладают случайным характером, поэтому их влияние на напряженно-деформированное состояние башенного сооружения предложено оценивать методом статистического моделирования. Условно неразвивающиеся дефекты и повреждения предложено учитывать при помощи изменения расчётной схемы, а развивающиеся - при помощи функций регрессии параметров.

5. Разработан и апробирован алгоритм количественной оценки надежности эксплуатируемых решетчатых башенных сооружений, основанный на статистическом моделировании. Статистическое моделирование уточняет значения напряжений в среднем на 3.2% относительно результатов, полученных методом предельных состояний, а также даёт количественную оценку надёжности для различных периодов эксплуатации. Разработаны программа оценки надежности решетчатых башенных сооружений, реализующая алгоритм в среде "МаШСАО", и руководство по ее составлению в других многофункциональных вычислительных системах.

6. Статистическими методами выявлено влияние количества испытаний путём изменения количества однотипных сооружений и расчетного времени эксплуатации на параметры в виде увеличения ожидаемых максимальных

реализаций скорости ветра при оценке надёжности. Выведена логарифмическая зависимость максимальных реализаций скорости ветра от количества однотипных сооружений и расчётного времени эксплуатации.

7. Разработаны и апробированы методы статистического моделирования для оценки надежности конструкции башни, основанные на сравнении действующих нагрузок. Они позволяют использовать информацию о надёжности аналогичных конструкций в различных географических и климатических условиях, о безотказной эксплуатации башенного сооружения за определённый период времени и дают упрощенную априорную оценку надёжности эксплуатируемых башенных сооружений.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Зиннуров Т.А., Манапов А.З. Алгоритмы метода Монте-Карло для моделирования ветровой нагрузки на сооружения / Известия КГАСУ, Казань, 2010, №1 (13). - С. 147 -155.

2. Зиннуров Т.А., Манапов А.З. О влиянии количества однотипных сооружений и расчетного времени эксплуатации на ожидаемые максимальные реализации скорости ветра / Известия КГАСУ, Казань, 2011, №2(16). - С. 94 - 101.

3. Зиннуров Т.А., Каюмов Р.А, Манапов А.З. О чувствительности результатов статистического моделирования постоянных и ветровых нагрузок на сооружения к отклонениям параметров их законов распределения / Известия вузов, Строительство, Новосибирск, 2012, №1. -С.115 —121.

4. Зиннуров Т.А. Статистическое моделирование ветровой нагрузки / Сборник трудов III Международной практической конференции «Теория и практика расчёта зданий, сооружений и элементов конструкций. Аналитические и численные методы», Москва: ГОУ ВПО МГСУ, 2010. - С. 155 - 163.

5. Зиннуров Т.А. Учёт вероятности совместного появления особых нагрузок при расчёте конструкций / Материалы Н-ой Международной научной -практической конференции студентов, аспирантов, молодых учёных «Прогрессивные технологии и перспективы развития», Тамбов, 2010. - С. 160 -162.

6. Зиннуров Т.А. Сравнительная оценка надёжности башен сотовой связи на основании ветровой нагрузки / Сборник статей XV международной научно -технической конференции "Информационно - вычислительные технологии и их приложение", Пенза, 2011. - С. 50 - 54.

7. Зиннуров Т.А., Манапов А.З. Сравнительный анализ результатов статистического моделирования ветровой нагрузки с положениями Еврокод / Сборник научных трудов МГСУ по материалам международной технической конференции "Промышленное гражданское строительство в современных условиях", Москва, 2011. - С. 142 - 144.

8. Зиннуров Т.А. Анализ влияния дефектов и повреждений башенных сооружений сотовой связи на их конструкционную безопасность и эксплуатационную пригодность / XV Международная межвузовская научно-

21

практическая конференция молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности», МГСУ, Москва, 2012.-С.257-261.

9. Зиннуров Т.А. Расчет надежности и ресурса несущих элементов башенных сооружений методом статистического моделирования / Сборник трудов молодежной международной конференции «Оценка рисков и безопасность в строительстве. Новое качество и надежность строительных материалов и конструкций на основе высоких технологий», МГСУ, Москва,

2012.-С. 123-125.

Заказ № 187

Подписано к печати «15 » апреля 2013 г. Объём 1 п.л

Формат 60x84/16 Печать RISO Тираж 100 экз.

Отпечатано в полиграфическом секторе Издательства КГАСУ. 420043, г.Казань, ул. Зеленая, д.1.

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи ,

ЗИННУРОВ ТАГИР АЛЬМИРОВИЧ

ОЦЕНКА НАДЁЖНОСТИ ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ РЕШЁТЧАТЫХ БАШЕННЫХ СООРУЖЕНИЙ МЕТОДОМ СТАТИСТИЧЕСКОГО

МОДЕЛИРОВАНИЯ

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения ф ДИССЕРТАЦИЯ

СО

<м

На соискание ученой степени кандидата технических наук

(У)

Ю £

СО °

С\|

СО О

СМ со

3 °

Научный руководитель: Манапов Асхат Зинятович

Казань-2013

ВЕДЕНИЕ

5

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1 Анализ существующих подходов расчета надёжности стальных решетчатых башенных сооружений....................................................11

1.2 Краткий обзор методов оценки надежности строительных конструкций на основе параметрической модели «нагрузка-прочность».......................27

1.3 Классификация основных форм и анализ условий эксплуатации башенных сооружений...................................................................37

1.4 Выводы по первой главе...........................................................42

Глава 2. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ НЕСУЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ

РЕШЕТЧАТЫХ БАШЕННЫХ СООРУЖЕНИЙ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИ «НАГРУЗКА-ПРОЧНОСТЬ» С УЧЕТОМ ВЕРОЯТНОСТНОГО ХАРАКТЕРА ПАРАМЕТРОВ И ПРОТЕКАЮЩИХ ПРОЦЕССОВ

2.1 Разработка схемы оценки надёжности несущих элементов конструкции эксплуатируемых решётчатых башенных сооружений на основе статистического моделирования.........................................................45

2.2 Законы распределения, применяемые для оценки надёжности, и их моделирование в многофункциональных вычислительных системах...........57

2.3 Статистические характеристики и законы распределения расчетных параметров башенных сооружений....................................................65

2.3.1 Геометрические отклонения размеров.................................65

2.3.2 Расчётное сопротивление стали элементов конструкции..........67

2.3.3 Нагрузки......................................................................72

2.4 Влияние отклонений параметров законов распределения на оценку надёжности.................................................................................113

2.5 Выводы по второй главе.........................................................117

Глава 3. СТАТИСТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФЕКТОВ И ПОВРЕЖДЕНИЙ РЕШЕТЧАТЫХ БАШЕННЫХ СООРУЖЕНИЙ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ОБСЛЕДОВАНИЙ

3.1 Анализ дефектов и повреждений несущих конструкций башен сотовой связи Республики Татарстан............................................................121

3.2 Учет дефектов и повреждений при оценке надёжности решетчатого башенного сооружения.................................................................132

3.3 Выводы по третьей главе.........................................................143

Глава 4. АППРОБАЦИЯ МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ РЕШЕТЧАТЫХ БАШЕННЫХ

СООРУЖЕНИЙ

4.1. Алгоритм оценки надежности на примере эксплуатируемого решетчатого башенного сооружения VUM+H75..................................146

4.2. Руководство по реализации алгоритма оценки надежности эксплуатируемых решетчатых башенных сооружений многофункциональных

вычислительных системах..............................................................170

4.3 Выводы по четвёртой главе......................................................180

Глава 5. ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ БАШЕННОГО СООРУЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ СРАВНИТЕЛЬНОГО АНАЛИЗА ДЕЙСТВУЮЩИХ НАГРУЗОК

5.1 Влияние количества испытаний и расчетного времени эксплуатации на ожидаемые максимальные реализации скорости ветра при оценке надёжности..............................................................................183

5.2 Сравнительный анализ надежности башенных сооружений на основании действующих нагрузок..................................................193

5.2.1 Сравнительный анализ надежности башенных сооружений на основании данных об аналогичных конструкциях.............................194

5.2.2 Сравнительный анализ надежности башенных сооружений на основании длительности эксплуатации и испытания экстремальным

ветром.......................................................................................202

5.3 Выводы по пятой главе...........................................................204

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ...........................................207

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.................................210

ПРИЛОЖЕНИЕ..........................................................................226

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Башенные сооружения с установленным на них оборудованием для связи, радио и телевещания являются сложными техническими объектами, обеспечивающими информационно-коммуникационные потребности общества. В настоящее время существенным фактором эффективности использования башенных сооружений является возможность совершенствования установленного на них оборудования, что сопровождается, как правило, увеличением его количества и парусности. Составной частью технической модернизации антенного оборудования эксплуатируемых башенных сооружений является обеспечение надежности несущих элементов конструкций. Существующие в настоящее время подходы к оценке несущей способности конструкций ориентированы на использование методов, которые не учитывают влияния всего многообразия факторов и случайного характера их изменений во времени при принятии эффективных решений о надёжности башенного сооружения. В ГОСТ Р 54257-2010 «Надежность строительных конструкций и оснований» рекомендуется применять вероятностно-статистические подходы для учета случайной изменчивости основных параметров. В связи с этим разработка научно-обоснованных подходов к совершенствованию оценки надёжности башенных сооружений с применением современных методов статистического моделирования является актуальной задачей.

Цель работы состоит в разработке методики оценки надежности несущих элементов конструкций эксплуатируемых башенных сооружений на основе численного статистического моделирования.

Для достижения поставленной цели в работе ставятся следующие задачи:

1. Выполнить анализ существующих детерминированных и вероятностно-статистических методов оценки надёжности строительных

конструкций и их разработанности при оценке надёжности решетчатых башенных сооружений.

2. Разработать методику оценки надежности эксплуатируемых решётчатых башенных сооружений на основе статистического моделирования.

3. Разработать численную методику и соответствующий алгоритм оценки надежности эксплуатируемых решетчатых башенных сооружений на основе статистического моделирования, реализовать его в многофункциональных вычислительных системах.

4. Разработать и апробировать упрощенные методы статистического моделирования при оценке надёжности башенных сооружений, основанные на использовании информации о надёжности аналогичных конструкций в различных географических и климатических условиях, и о безотказной эксплуатации самой башни за определённый период времени.

5. Выполнить статистические исследования дефектов и повреждений эксплуатируемых решетчатых башенных сооружений с использованием результатов их натурных обследований.

6. Исследовать статистическими методами влияние количества испытаний и расчетного времени эксплуатации на оценку надежности решетчатого башенного сооружения.

Научная новизна работы:

1. Разработана методика оценки надежности эксплуатируемых решётчатых башенных сооружений, основанная на статистическом моделировании действующих процессов и параметров с учетом их случайного характера, что позволяет уточнить количественную оценку надёжности. В рамках методики проведена модернизация критериев оценки надёжности и разработаны принципы построения вероятностно-статистических моделей взаимодействия параметров.

2. Разработаны методы представления в виде статистических множеств таких параметров, как геометрические размеры несущих элементов, ветровая, гололёдная и особые нагрузки на несущие конструкции решётчатых башенных сооружений, позволяющие выполнить их корреляцию и синхронизацию, усовершенствованы статистические методы представления законов распределения расчетного сопротивления стали и постоянных нагрузок.

3. Разработаны статистические методы учёта влияния дефектов и повреждений на напряженно-деформированное состояние башенных сооружений, позволяющие смоделировать случайный характер их появления и деградацию механических и геометрических характеристик рассчитываемых элементов.

4. Разработаны методы упрощённой статистической оценки надежности металлической конструкции башни, основанные на сравнительном анализе действующих нагрузок.

Практическая значимость работы:

1. Разработаны методические рекомендации по оценке надежности эксплуатируемых башенных сооружений, в которых представлен алгоритм поэтапной реализации методики количественной оценки надежности на основе статистического моделирования, дано руководство по реализации алгоритма в многофункциональных вычислительных системах, приведен пример его применения в «МаШСАО».

2. Выявлены, исследованы и классифицированы основные дефекты и повреждения конструкций на основе обследования 60 стальных решетчатых башенных сооружений, что дало возможность представить их интервальную оценку.

3. Результаты, полученные в диссертации, использованы при экспертной оценке эксплуатируемых решётчатых башенных сооружений, что позволило дать рекомендации о дальнейшем сроке их эксплуатации или

усилении несущих элементов конструкций, в частности при установке на них дополнительного оборудования.

Реализация работы.

Методика количественной оценки надежности эксплуатируемых решетчатых башенных сооружений была применена фирмами ООО «Исследование» и ООО «ПРИС Меткой» при экспертной оценке 25 эксплуатируемых решётчатых башенных сооружений, что подтверждено актами о внедрении.

Достоверность результатов работы обеспечивается использованием общепринятых математически корректных допущений теории надежности, математической статистики и теории вероятностей, подтверждается соответствием результатов расчета по разработанной методике с данными, полученными по методу предельных состояний и вероятностными аналитическими методами, проверкой сходимости моделируемых параметров с экспериментальными данными, использованием современных вычислительных систем и программ ("МаЛСАО", ПК "ЛИРА", "1080").

Апробация работы. Основные результаты исследования докладывались на международных научно-технических конференциях "Образование и наука - производству" (Набережные Челны, 2010); "Теория и практика расчёта зданий, сооружений и элементов конструкций. Аналитические и численные методы" (Москва, 2010); "Прогрессивные технологии и перспективы развития" (Тамбов, 2010); "Промышленное гражданское строительство в современных условиях" (Москва, 2011); "Информационно - вычислительные технологии и их приложения" (Пенза,

2011); "Строительство - формирование среды жизнедеятельности" (Москва,

2012); "Оценка рисков и безопасность в строительстве. Новое качество и надежность строительных материалов и конструкций на основе высоких технологий" (Москва, 2012); на Всероссийской научно-практической конференции "Новые технологии в промышленности, науке и образовании"

(Оренбург, 2010); на республиканской научной конференции "Проблемы архитектуры и строительства" (Казань, 2010, 2011, 2013). Работа принимала участие в конкурсе «50 лучших инновационных идей для Республики Татарстан (2011, Казань), конкурсе молодежных научных грантов и республиканских научных премий (2011, Казань), конкурсе У.М.Н.И.К (2011, Москва).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 3 научные статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы из 165 наименований. Работа изложена на 244 страницах машинописного текста, включает 81 рисунок, 69 таблиц и 3 приложения.

На защиту выносятся:

1. Методика оценки надёжности несущих элементов конструкций эксплуатируемых башенных сооружений на основе численного статистического моделирования, включающая в себя разработанный алгоритм и его реализацию в многофункциональных вычислительных системах.

2. Методы упрощённой статистической оценки надежности конструкции башни, основанные на использовании информации об эксплуатации аналогичных конструкций в различных климатических условиях, безотказной эксплуатации самой башни за определённый период времени.

3. Закономерности распределения дефектов и повреждений эксплуатирующихся решетчатых башенных сооружений, выявленные на основе результатов натурных обследований.

5. Методы представления значений параметров (расчетного сопротивления стали, геометрических размеров несущих элементов, постоянных, ветровой, гололёдной и особых нагрузок на несущие

конструкции решётчатых башенных сооружений), позволяющие выполнить их корреляцию и синхронизацию.

6. Методы учёта влияния дефектов и повреждений на напряженно-деформированное состояние башенных сооружений, позволяющие смоделировать деградацию рассчитываемых физических и геометрических характеристик элементов.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1 Анализ существующих подходов расчета надёжности стальных решетчатых башенных сооружений

Расчёт любого башенного сооружения представляет собой алгоритм, состоящий из нескольких этапов: составление расчётной схемы; определение и приложение нагрузок; вычисление усилий в элементах башни; суммирование расчетных усилий в расчетных комбинациях; нахождение по расчетным усилиям оптимальных сечений элементов башенного сооружения или оценить надёжность существующих, такой же алгоритм нам предлагает нормативный метод предельных состояний [ 83, 96, 104, 118, 130, 131 ].

Одной из основных задач расчёта стальных решетчатых башенных сооружений заключается в определении и приложении расчётных нагрузок, этот этап достаточно трудоемкий и менее всего поддающийся автоматизации вычислений.

Анализ литературы показал [ 10, 83, 96, 118 - 120 ], что основными расчетными нагрузками, действующими на башню, являются ветровая нагрузка и нагрузка от собственного веса конструкции и оборудования. В большинстве башенных сооружений напряжения в элементах конструкций от действия ветра достигают 70 - 80% от общего напряжения. К редким и менее значимым воздействиям можно отнести гололёд, сейсмику, смерчи, температурные воздействия.

Ветровая нагрузка суммируется из двух составляющих: средней и пульсационной [ 116, 123, 126 ]. Для традиционно применяемых башенных сооружений нагрузка формируется по данным нормативных и справочных материалов. При технически более сложных случаях путём продувки модели башенных сооружений в аэродинамической трубе.

Подробно рассмотрим среднюю составляющую ветровой нагрузки на основании анализа иностранной и отечественной нормативной литературы. На настоящий момент разработано и применяется на практике ряд национальных норм, а именно: Международной организации, России, Британии, стран ЕС и США [ 81, 103, 123, 126, 147, 148, 157, 160 ], которые регламентируют сбор расчётных нагрузок, как для башенных, так и для остальных сооружений. Следует отметить, что все перечисленные выше нормы основаны на одном алгоритме нахождения средней составляющей ветровой нагрузки, отличия присутствуют в тех параметрах, которые устанавливают эмпирическим путём. Поэтому ответ на вопрос, какие нормы объективней и точнее, представляется дискуссионным.

Таблица 1.1

Формула определения ветровой нагрузки в различных нормах

Стандарт Формула расчёта ветрового напора Государство, в котором применяется стандарт

ISO 4354 (CSA S37-94) W QrejCexpCfigCdin Канада

СП 20.13330.2011 w0=qCkz Россия, некоторые страны СНГ

BS6399 Part 2 Ps QsCpeCa В еликобритания

ENV 1991-2-4 Eurocode 1. We=qrefie(z)Cpe Страны Евросоюза

ASCE 7-98 p=qz(GCp) США

где Сехр, Cflg, С din, С, kz, ... - различные параметры, характеризующие ветровую нагрузку в различных нормах.

Таблица 1.2

Параметры расчёта, применяемые в различных нормах

Стандарт Скорость Время осредн ения Период повторяемости (в годах) Ветровой напор

ІБО 4354 (СБА 837-94) У 10 мин 30 дге/=0,5рУ2

СП 20.13330.2011 (взамен СНиП 2.01.07-85) У 10 мин 5 д=0,5рУ2

В86399 РаЛ 2 Уе = У^аЗ^^рЗ/, 1 час 50 д5=0,5рУе2

ЕТчГУ 1991-2-4 Ке/ С(ЦГС (егСге/ 10 мин 50 дге/=0,5рУге/

А8СЕ 7-98 V 3 сек 50 Ч2=0,613К2К2ІК<ірУ'

В таблицах 1.1, 1.2 представлены результаты проведенного нами сравнительного анализа норм, формул для подсчёта средней составляющей ветровой нагрузки и применяемых параметров норм различных стран. Таблицы 1.1 и 1.2 дают возможность удостовериться в принципиальном единообразии методик расчёта, и в то же время имеются различия в значениях самих коэффициентах. Заметим, что в некоторых нормативных документах для определения средней составляющей ветровой нагрузки при помощи коэффициента динамичности учитывают также пульсацию ветра.

В соответствии с нормами РФ [ 123, 126 ] для определения средней составляющей ветровой нагрузки необходимо знать следующие параметры и зависимости: скорость ветра; формулу перехода от скорости ветра к ветровому давлению; коэффициент изменения ветрового давления по высоте

и типу местности; аэродинамический коэффициент; коэффициент перехода от нормативной (средней) нагрузки к расчетной