автореферат диссертации по строительству, 05.23.17, диссертация на тему:Развитие и применение методов расчета стержневых конструкций, работающих в условиях воздействия агрессивной среды

9е!-

Волгоградская государственная архитектурно-строительная академия

На правах рукописи

ВОРОНКОВА Галина Вячеславна

РАЗВИТИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА СТЕРЖНЕВЫХ КОНСТРУКЦИЙ, РАБОТАЮЩИХ В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ АГРЕССИВНОЙ СРЕДЫ

Специальность 05.23.17 - Строительная механика

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор В.А.Игнатьев

Научный консультант -кандидат технических наук, доцент Г.А.Наумова

Волгоград 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Введение..................................................................................................... 4

Глава 1. Состояние проблемы расчета стержневых конструкций с учетом воздействия коррозионной среды........................................... 9

1.1. Обзор публикаций по расчету стержневых конструкций работающих в коррозионной среде с использованием

различных подходов............................................................................ 9

1.2. Основные подходы к моделированию воздействия

коррозионной среды............................................................................ 15

1.2.1. Краткий обзор моделей коррозии.......................................... 15

1.2.2. Особенности детерминированного подхода к моделированию воздействия коррозионной среды............... 18

1.2.3. Особенности вероятностного подхода к моделированию воздействия коррозионной среды......................................... 24

1.2.4. Применение положений электрохимии к созданию коррозионных моделей........................................................... 26

1.3. Краткий обзор методик идентификации моделей и их коэффициентов...................................................;................................ 27

1.4. Краткий обзор методов расчета сложных стержневых систем регулярной структуры......................................................................... 32

Выводы по главе......................................................................................... 34

Глава 2. Эволюция физико-геометрических характеристик

стержневых элементов вследствие коррозионного процесса............. 36

2.1 .Влияние кинетики коррозионного процесса на физико-

геометрические характеристики стержневого элемента.................... 36

2.1.1. Исследование изменения площади поперечного сечения стержневых элементов стандартных профилей вследствие коррозионного износа............................................. 41

2.1.2. Определение момента инерции поперечного сечения стрежневых элементов стандартных профилей с учетом коррозионного износа................................................................. 54

2.1.3. Влияние коррозионной среды на прочностные свойства конструкционного материала..................................................... 61

2.2. Кинетика изменения НДС и долговечность стержня в условиях

коррозионной среды............................................................................ 65

2.2.1. Исследование поведения растянутых стержневых элементов, работающих в коррозионной среде........................................... 65

2.2.2. Исследование поведения стержневых элементов, работающих

на сжатие в условиях агрессивной среды.................................. 71

2.2.3. Влияние коррозионного износа на устойчивость стержневого

элемента....................................................................................... 77

2.3. Влияние коррозионной среды на поведение плоской стержневой

системы................................................................................................. 81

Выводы по главе......................................................................................... 85

Глава 3. Расчет стержневого элемента в условиях коррозионной среды на надежность и долговечность.................................................. 87

3.1. Анализ поведения стержня под действием случайных прочностных характеристик "процесса и детерминированной нагрузки....... 89

3.1.1. Центрально-растянутый элемент........................................... 91

3.1.2. Сжатый элемент...................................................................... 96

3.1.3. Сравнение результатов расчета с известными данными...... 102

3.2. Анализ поведения стержня под действием случайных прочностных характеристик и случайной нагрузки.......................... 106

3.2.1. Центрально-растянутый элемент........................................... 107

3.2.2. Центрально-сжатый элемент.................................................. 111

3.3. Исследование поведения стержня при различных законах вероятностного распределения нагрузки и геометрических характеристик...................................................................................... 115

3.4. Анализ изменения динамических характеристик стержня

под влиянием агрессивной среды....................................................... 118

3.5. Сопоставление результатов анализа поведения стержневого элемента в агрессивной среде полученных при использовании различных подходов............................................................................ 126

Выводы по главе......................................................................................... 130

Глава 4. Расчет сложных стержневых конструкций с учетом воздействия агрессивной среды.............................................................. 131

4.1.Применение метода обобщенных неизвестных к расчету стержневых конструкций с учетом воздействия агрессивной среды.............. 131

4.2.Пример расчета стержневых конструкций с учетом воздействия агрессивной среды................................................................................ 142

4.3. Применение метода частотно-динамической конденсации для нахождения частот колебаний стержневой системы в

условиях коррозионного износа.......................................................... 151

4.4.Пример расчета конструкции подверженной коррозионному износу

с применение метода частотно-динамической конденсации............. 155

Выводы по главе......................................................................................... 157

Заключение и основные выводы............................................................... 158

Список литературы..................................................................................... 160

Введение

На сегодняшний день, по данным международной конференции "Конгресс защиты"(1998) [160], из всех действующих на территории Российской Федерации сооружений 40% работает в агрессивных средах, 30% в слабо коррозионных средах и только 10% работает в условно неагрессивных средах. В начале 90-х годов степень обеспеченности основными средствами защиты конструкций была существенно ниже необходимой. Только эти обстоятельства приводят к ежегодным потерям прокатного металла до 22-23% от их годового производства. Наибольшие потери от коррозии несут сооружения топливно-энергетического комплекса (20% от общих потерь), сельского хозяйства (20%), предприятий химии и нефтехимии (15%).

Учитывая, что в настоящее время трудности борьбы с потерями от коррозии усугубляются значительным старением основного металлофонда, физическим и моральным износом конструкций, совершенно недостаточной степенью возобновляемости и реновации (большая часть потенциально опасных металлических конструкций в России выработала свой плановый ресурс на 50-70%), основные усилия необходимо направить на борьбу с потерями от коррозии. В этой связи проблема диагностирования состояния сооружений, подверженных воздействию агрессивной среды, оценка их остаточного ресурса долговечности и разработка методов расчета, позволяющих прогнозировать их дальнейшую работу, на сегодняшний день является проблемой достаточно актуальной. Данная работа посвящена исследованию вопросов оценки остаточного ресурса долговечности с учетом воздействия агресривной среды наиболее

широко применяемого в промышленном строительстве класса конструкций - стержневых систем.

Целью данной работы является:

- развитие методов расчетной диагностики и прогнозирования состояния стержневых конструкций, находящихся под воздействием агрессивной среды, с использованием различных подходов, а также анализ возможности сопоставления результатов расчета;

- разработка методики определения напряженно-деформированного состояния сложных стержневых систем, взаимодействующих с коррозионной средой;

- разработка методики определения динамических характеристик стержневых конструкций с учетом коррозионного износа;

- разработка методики оценки остаточного ресурса долговечности стержневого элемента, находящегося под воздействием агрессивной среды.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- выполнен анализ существующих детерминированных и вероятностно-статистических методов расчета стержневых конструкций, контактирующих с агрессивной средой;

- получены в замкнутом виде расчетные соотношения для вычисления жесткостных характеристик поперечных сечений прокатных профилей при коррозионном износе;

- развита методика расчета стержневого элемента, контактирующего с коррозионной средой, с позиций различных теорий и выполнен анализ сопоставления результатов расчета с использованием фактора времени;

- разработана методика и выполнен расчет пространственной стержневой

системы, подвергающейся коррозионному износу, на базе метода обобщенных неизвестных;

- разработана методика и выполнен расчет стержневой конструкции, работающей в агрессивной среде, с использованием метода частотно-динамической конденсации.

Достоверность результатов работы подтверждается применением эффективных и математически корректных методов расчета напряженно-деформированного состояния стержневых конструкций и, где это возможно, сопоставлением полученных результатов с результатами других авторов.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

- 14-й Межреспубликанской конференции по численным методам решения задач теории упругости и пластичности (Волгоград, 1995);

межвузовской конференции "Современные технологии в промышленности, строительстве и высшем образовании" (Камышин, 1996);

- областной конференции молодых ученых (Волгоград, 1997);

Международной конференции "Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций" (Волгоград, 1998);

- ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава Волгоградской государственной архитектурно-строительной академии.

В целом диссертационная работа докладывалась на научном семинаре кафедры "Строительная механика и САПР" Волгоградской государственной архитектурно-строительной академии (Волгоград, 1999г).

Основные результаты диссертационной работы отражены в 8 публикациях.

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения.

Глава 1 посвящена изучению современного состояния теории расчета стержневых конструкций, работающих в условиях воздействия агрессивных сред. Выделены детерминированный и вероятностно-статистический подходы. Проведен обзор и анализ литературы по существующим методикам моделирования агрессивной среды, а также способам идентификации коэффициентов моделей коррозии. Выполнен краткий обзор существующих методов расчета сложных стержневых систем регулярной структуры.

В главе 2 проведено исследование влияния формы поперечного сечения на кинетику коррозионного процесса, предложены обобщенные соотношения, отражающие скорость изменения площади, моментов инерции и сопротивления поперечного сечения элемента во времени. Проведено исследование влияния коррозионного износа на напряженно-деформированное состояние и устойчивость стержневого элемента.

В главе 3 изложена методика расчета стержневого элемента на надежность и долговечность в условиях коррозионной среды. Проведен анализ поведения стержня при случайном характере физико-геометрических параметров элемента и детерминированной нагрузки, а также при случайном характере физико-геометрических параметров элемента и случайной нагрузки. Выполнен анализ влияния агрессивной среды на динамические характеристики стержневого элемента. В виду невозможности сопоставления результатов расчета с экспериментальными данными на всем промежутке работы конструкции, исследовалась возможность сопоставления различных подходов в оценке долговечности стержневых конструкций в условиях воздействия агрессивной среды.

В главе 4 исследована возможность модификации метода обобщенных неизвестных для расчета сложных стержневых систем с учетом воздействия коррозионной среды; на базе метода обобщенных неизвестных использован алгоритм расчета пространственной стержневой конструкции с учетом коррозионного износа. Эффективность алгоритма и возможность глубокого детального анализа прочностного состояния конструкции иллюстрируется большим количеством графиков на конкретном примере расчета. Исследована возможность применения метода частотно-динамической конденсации для решения задачи определения частоты свободных колебаний стержневой конструкции в условиях действия агрессивной среды.

На основе выполненных исследований сделаны выводы о достоинствах предложенных в данной работе подходов и методик и области применения полученных результатов.

Практическая ценность работы состоит в том, что разработанные в диссертации методики и алгоритмы, а также реализующие их программы могут быть использованы в практике проектирования стержневых конструкций, эксплуатирующихся в агрессивной среде.

Внедрение результатов. Результаты диссертационной работы используются при реализации региональной программой "Экология Нижней Волги" по теме "Воздействие экологически грязных (агрессивных) сред на строительные конструкции и сооружения. (Методы и алгоритмы прочностного расчета)." РП-27-97, РП-1-98.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ РАСЧЕТА СТЕРЖНЕВЫХ

КОНСТРУКЦИЙ С УЧЕТОМ ВОЗДЕЙСТВИЯ АГРЕССИВНОЙ СРЕДЫ

1.1. Обзор публикаций по расчету стержневых конструкций, работающих в коррозионной среде, с использованием различных подходов

При изучении коррозионного воздействия среды большинство авторов уделяли основное внимание наиболее распространенному случаю коррозии, каковым является общая (сплошная) коррозия, предполагающая достаточно равномерное разрушение поверхности металлических конструкций в агрессивной среде. Поэтому подавляющее большинство работ и отечественных и зарубежных исследователей, таких как Азиз П., Гутман З.М., Долинский В.М., Овчинников И.Г., Петров В.В., Райзер В.Д., Почтман Ю.М., Цикерман Л.Я. и других посвящено исследованию влияния общей коррозии на работоспособность различных конструкций [39,41,42,126,133,140,144,175,184].

Традиционно учет коррозионного износа сводится к рассмотрению конструкций с изменяющейся с течением времени по известному закону толщиной элемента (оболочки, стенки и т.д.) или площадью поперечного сечения элемента (стержня, балки и т.д.). В случаях, когда имеет место локальная коррозия, ее влияние на несущую способность конструкции предлагается учитывать методом приведения [66], то есть фактическое сечение элемента (стержня, листа) рекомендуется заменять условным сплошным, равноценным по некоторым критериям (прочности, жесткости) фактическому сечению. Учет коррозионного износа в задачах устойчивости рассмотрен в [70], где показано, что использование средней толщины

прокорродировавшего листа при расчете его на устойчивость дает значительное занижение значений критических нагрузок.

Впервые влияние напряжений на скорость коррозии в расчетах конструкций было учтено В.М.Долинским [41]. В дальнейших работах [42 и др.] им были решены задачи расчета жесткой конструкции теплообменных трубчатых аппаратов, круглых изгибаемых пластин и других конструкций. В этих работах было показано, что неравномерность поля напряжений приводит к неравномерному коррозионному износу элементов, поэтому представляется возможным , разумно перераспределяя материал по сечению, либо увеличивать срок службы конструкции, либо добиваться экономии материала металла. Большое внимание расчету конструкций в условиях механохимической коррозии уделялось в исследованиях Э.М.Гутмана [39]. В этой работе рассматривается кинетика развития коррозии, исследуется долговечность растянутого стержня с учетом упругопластических деформаций, экспериментально и теоретически исследуется поведение круглых пластинок в условиях чистого изгиба в коррозионной среде и другие возможные для теории и практики задачи. В этих работах предполагалось, что скорость коррозии экспоненциально зависит от среднего напряжения, что, конечно, не всегда справедливо, а в качестве условия разрушения принималось достижение расчетным напряжением в опасной точке некоторого предельного значения.

Значительный вклад в развитие исследований сооружений, подверженных коррозионному износу, внесен И.Г.Овчинниковым и В.В.Петровым с сотрудниками [125-134,140]. В монографии [140] приведены обобщенные результаты исследований, выполненных Саратовской школой механики в области разработки моделей коррозионного разрушения и совершенствования методов расчета

конструкций, подвергающихся коррозионному износу. В работе [131] была предложена "энергетическая" модель коррозионного разрушения, которая как, было показано позже [128], оказалась инвариантной по отношению к виду напряженного состояния и позволяла выполнять идентификацию параметров в одних условиях, а использовать модель в других условиях деформирования материала. Логистическая модель коррозионного износа, нашедшая широкое применение в задачах расчета конструкций, предложена в работе [130]. В статье [125] приводится методология постро