Технічна діагностика та оцінка залишкового ресурсу експлуатованих металевих конструкцій

Размещено на http://www.allbest.ru

ДОНБАСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

ЮГОВ Анатолій Михайлович

УДК 624.014

Технічна діагностика та оцінка залишкового ресурсу експлуатованих металевих конструкцій

05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Макіївка - 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донбаській державній академії будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: - доктор технічних наук, професор

Горохов Євген Васильович,

Донбаська державна академія будівництва і архітектури, ректор, завідувач кафедри металевих конструкцій;

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Пічугін Сергій Федорович,

Полтавський національний технічний університет ім. Юрія Кондратюка, зав. кафедри конструкцій із металу, дерева і пластмас;

доктор технічних наук, професор

Кулябко Володимир Васильович,

Придніпровська державна академія будівництва і архітектури, професор кафедри металевих і дерев'яних конструкцій;

доктор технічних наук, доцент

Єрмак Євген Михайлович,

Українська державна академія залізничного транспорту, в.о. професора кафедри будівельних матеріалів, конструкцій і споруд.

Провідна установа:

Національний університет "Львівська політехніка", кафедра архітектурних конструкцій, Міністерство освіти і науки України, м. Львів

В.о. вченого секретаря спеціалізованої вченої ради Ю.Б.Висоцький

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

дефект пошкодження металевий будівля споруда

Актуальність проблеми. В Україні існує значний фонд будівельних металевих конструкцій. Тільки в основних областях промисловості експлуатується близько 36 мільйонів тон несучих металевих конструкцій. Аналіз технічного стану будівель і споруд, які побудовані не тільки в 50-70 роки, але і в останні 10-20 років, свідчить про те, що в їхньому утриманні немає належного порядку, відповідної системи, яка б забезпечувала кваліфіковану експлуатацію, технічну діагностику їхнього стану, своєчасний ремонт, реновацію і попереджала б аварії, забезпечуючи в такий спосіб збереження народного надбання і небажані порушення екологічного стану навколишнього середовища. Велика частина цього фонду має значну фізичну зношеність і пошкодження. Оскільки масштаби будівництва нових будівель і споруд невеликі, то виникає проблема забезпечення надійності експлуатації існуючого парку будівельних металевих конструкцій. Починаючи з 1997 року, питанням забезпечення безпечної і надійної експлуатації будівель і споруд приділяється дуже значна увага з боку Президента України, Кабінету Міністрів України, Міністерств і відомств.

Чинні нормативні документи України не дозволяють здійснювати достовірну оцінку дійсного напружено-деформованого стану експлуатованих металевих конструкцій будівель і споруд, тому що в них відсутні вказівки і рекомендації з визначення фактичних навантажень і впливів, практично не вирішені питання технічної діагностики конструкцій в реальних умовах експлуатації, до нинішнього часу не вирішена задача кваліфікованої оцінки залишкового ресурсу конструкцій.

Таким чином, актуальною науково-технічною проблемою є розробка методів оцінки технічного стану металевих конструкцій експлуатованих будівель і споруд і оцінки їхнього залишкового ресурсу на основі застосування методів і засобів технічної діагностики з урахуванням реально діючих навантажень і впливів і реакцій споруд.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації відповідає актуальним напрямкам науково-технічної політики України в галузі оцінки технічного стану експлуатованих будівель і споруд згідно з Постановою Кабінету Міністрів України №409 від 05 травня 1997 р. “Про забезпечення надійності і безпечної експлуатації будівель, споруд і інженерних мереж”, Постановою Кабінету Міністрів України № 1313 від 22 серпня 2000 р. “Про затвердження Програми запобігання і реагування на надзвичайні ситуації техногенного і природного характеру на 2000 - 2005 роки з метою комплексного вирішення проблем захисту населення і територій від надзвичайних ситуацій техногенного і природного характеру, в інтересах безпеки окремої людини, суспільства, національного надбання і навколишнього середовища”, Розпорядженням Кабінету Міністрів України від 11 червня 2003 р. № 351-р "Про схвалення Концепції Державної програми забезпечення технологічної безпеки в основних областях економіки". Дисертація виконана в межах держбюджетних науково-дослідних тем за замовленням Міністерства освіти і науки України №Д-3-1-97 "Розробка уніфікованого апаратно-програмного комплексу моніторингу і прогнозування технічного стану будівельних металевих конструкцій" (держ. реєстр. №0197U013907), №Д-2-1-00 "Створення теоретичних і технологічних основ технічної діагностики і прогнозування технічного стану будівельних металевих конструкцій" (держ. реєстр. №0301U007128) і ряду госпдоговірних робіт ДонДАБА.

Метою роботи є розробка теоретичних і методологічних основ технічної діагностики і оцінки залишкового ресурсу експлуатованих металевих конструкцій будівель і споруд для забезпечення їх нормальної експлуатації протягом заданого терміну роботи.

Задачі досліджень:

оцінка процесу накопичення дефектів і пошкоджень металевих конструкцій будівель і споруд та їх впливу на параметри надійності;

аналіз параметрів дійсного напружено-деформованого стану експлуатованих металевих конструкцій і формулювання вимог до системи технічної діагностики будівель і споруд;

створення апаратно-програмного комплексу технічної діагностики експлуатованих конструкцій будівель і споруд;

дослідження дійсного напружено-деформованого стану експлуатованих металевих конструкцій будівель і споруд з урахуванням динамічного характеру фактичних кліматичних і технологічних навантажень;

розробка моделей і методів прогнозування технічного стану металевих конструкцій;

розробка теоретичних основ оцінки ризику при експлуатації будівель і споруд з металевих конструкцій;

розробка методики паспортизації і реєстризації експлуатованих об'єктів з металевих конструкцій;

впровадження результатів досліджень при сертифікації, обстеженні і оцінці технічного стану, паспортизації і реєстризації будівель і споруд з металевих конструкцій.

Об'єкти досліджень - металеві конструкції будівель і споруд, що експлуатуються.

Предмет досліджень - оцінка дійсного технічного стану експлуатованих металевих конструкцій будівель і споруд з урахуванням накопичення недосконалостей, фактично діючих навантажень і впливів, в тому числі динамічного характеру кліматичних навантажень, і оцінка залишкового ресурсу і ризику при експлуатації.

Методи досліджень:

методи математичного моделювання процесів накопичення недосконалостей, прогнозування і ризику при оцінці експлуатованих металевих конструкцій;

методи експериментальної оцінки дійсного напружено-деформованого стану експлуатованих металевих конструкцій з застосуванням апаратно-програмного комплексу моніторингу технічного стану;

методи будівельної механіки при чисельному аналізі дійсного напружено-деформованого стану експлуатованих металевих конструкцій будівель і споруд.

Наукову новизну отриманих результатів складають:

математична модель накопичення недосконалостей металевих конструкцій будівель і споруд, що заснована на кумулятивній моделі стаціонарного процесу;

методологія технічної діагностики експлуатованих металевих конструкцій будівель і споруд з урахуванням реальних факторів експлуатації, включаючи динамічний вплив кліматичних навантажень, спільну роботу каркаса споруди і фундаментів;

результати експериментально-теоретичної оцінки дійсного стану експлуатованих металевих конструкцій з урахуванням реальних факторів експлуатації, зовнішніх навантажень і впливів;

методика оцінки залишкового ресурсу металевих конструкцій будівель і споруд, що знаходяться в умовах експлуатації;

оцінка параметрів надійності експлуатованих металевих конструкцій на основі граничного стану третьої групи;

методика проведення обстеження, оцінки технічного стану і паспортизації експлуатованих будівель і споруд.

Практичне значення результатів роботи. Використання методології технічної діагностики експлуатованих металевих конструкцій будівель і споруд на основі апаратно-програмного комплексу моніторингу технічного стану дозволяє одержати більш точні в порівнянні з існуючими методиками оцінки параметрів напружено-деформованого стану за рахунок врахування фактично діючих навантажень і впливів, в тому числі динамічних, і спільної роботи споруд і фундаментів.

Рекомендації з підготовки розрахункової схеми споруди з урахуванням недосконалостей, фактичних властивостей основ і фундаментів, реальних кліматичних впливів дозволяють працівникам спеціалізованих організацій при оцінці технічного стану будівель і споруд більш повно враховувати фактори, що визначають технічний стан об'єкта.

Впровадження результатів роботи. Результати досліджень враховані при розробці проекту державних норм України ДБН "Сталеві конструкції" в частині урахування при проектуванні вимог технологічності обстеження технічного стану конструкцій при їх експлуатації. Результати розробки методології технічної діагностики експлуатованих конструкцій покладені в основу створення апаратно-програмного комплексу моніторингу металевих конструкцій УСМК-1 на кафедрі металевих конструкцій ДонДАБА. Комплекс УСМК-1 використано при технічній діагностиці ряду об'єктів на території Донецької і Луганської областей (Освітлювальна опора спорткомлекса "Олімпійський", м. Донецьк; транспортерна галерея ЦЗФ "Курахівська", с.м.т. Курахівка; установки з переробки металургійних шлаків Макіївського заводу по переробці шлаків, м. Макіївка; конструкцій прокатного цеху ММК ім. С.М.Кірова, м. Макіївка; опори вітроенергетичних установок USW-56-100 Новоазовської вітроенергетичної станції тощо).

Матеріали досліджень використовуються при викладанні курсів "Металеві конструкції", "Випробування споруд" і "Будівельна механіка" для студентів будівельних спеціальностей ДонДАБА.

Особистий внесок здобувача. За темою дисертації автором опубліковано 34 роботи у виданнях, що входять до переліку ВАК України, у тому числі без співавторів 3 роботи, і 32 роботи в матеріалах і тезах конференцій, депонованих наукових праць.

Особистий внесок автора в опубліковані роботи полягає в наступному:

формулювання уточненої розрахункової моделі каркасів будівель і споруд в частині урахування спільної роботи каркаса і фундаментів;

розробка методики обстеження будівель і споруд, що експлуатуються, з урахуванням конструктивної форми і фактично діючих кліматичних навантажень, в тому числі динамічних;

розробка методики обстеження виробництва металевих конструкцій при їх сертифікації з метою урахування якості виготовлення на надійність дійсної роботи;

розробка технічного завдання і структури системи технічної діагностики металевих конструкцій, які експлуатуються;

формулювання технічних вимог до апаратно-програмного комплексу моніторингу будівельних металевих конструкцій;

розробка програм і обробка результатів технічної діагностики металевих конструкцій, що експлуатуються;

розробка методики динамічної діагностики металевих конструкцій будівель і споруд, що експлуатуються;

аналіз результатів вимірів статистичних характеристик вітрового навантаження на будівлі і споруди, що експлуатуються;

розробка і керування системою реєстризації будівель і споруд підприємств, що експлуатуються при їх паспортизації;

аналіз даних про технічний стан і проблеми експлуатації будівель і споруд в Україні;

розробка методу оцінки безпеки конструкцій будівель і споруд що експлуатуються, на основі поняття третього граничного стану;

розробка конструктивних рішень при проведенні робіт з нормалізації, відновленні несучої здатності і реконструкції будівель і споруд, що експлуатуються.

Апробація результатів роботи. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися на таких конференціях, симпозіумах, семінарах: Українська республіканська конференція "Посилення і реконструкція виробничих будівель і споруд, що збудовані у металі" (Україна, Київ, 1992 р.); ІІІ Міжнародна наукова конференція "Матеріали для будівельних конструкцій" (Україна, Донецьк-Дніпропетровськ, 1994 р.); VI Українська науково-технічна конференція "Металеві конструкції" (Україна, Миколаїв, 1996 р.); Міжнародна науково-технічна конференція "Теорія і практика металевих конструкцій" (Україна, Донецьк, 1997 р.); Міжнародний конгрес "Spatial Structures in New and Renovation Projects of Buildings and Construction (Theory, Investigations, Design, Erection)" (Росія, Москва, 1998 р.); Міжнародна науково-технічна конференція "Проблеми будівельного і дорожнього комплексів" (Росія, Брянськ, 1998 р.); 2-я Європейська конференція зі сталевих конструкцій "EUROSTEEL'99" (Чехія, Прага, 1999 р.); Друга Українська науково-технічна конференція "Аварії на будівлях і спорудах та їх попередження" (Київ, 1999 р.); Нарада з інженерних питань дії вітру ("Wind Engineering") (Україна, Макіївка, 1999 р.); VII Українська науково-технічна конференція "Металеві конструкції" (м. Дніпропетровськ, 2-6 жовтня 2000 р.); Міжнародна конференція "Bluff Body Aerodynamics & Applications", Bochum (Germany, 11-14 вересня 2000 р.); Всеукраїнська науково-практична конференція "Вплив вітру на будівлі і споруди" (Макіївка, 28-30 травня 2001 р.); Міжнародний симпозіум "Сучасні будівельні конструкції з металу і деревини" (Одеса, 12-14 червня 2001 р.); Міжнародний семінар-симпозіум "Сучасні методи і засоби неруйнівного контролю і технічної діагностики" (Україна, Ялта, 10-14 вересня 2001 р.); Міжнародна науково-практична конференція "Баштові споруди: Матеріали, конструкції і технології" (Україна, Макіївка, 14-16 листопада 2001 р.); Науково-технічний семінар "Діагностика в будівництві" (Дніпропетровськ, 15-20 травня 2002 р.); 3^rd East European Conference on Wind Engineering (21-25 May 2002. Kyiv, Ukraine); International Iass Symposium On Lightweight Structures In Civil Engineering Contemporary Problems (Warsaw, 24 - 28 June 2002); Problems of the Technical Meteorology. 2th International Conference (UKRAINE, Lviv, 10-14 September 2002); Сучасні проблеми удосконалення і розвитку металевих, дерев'яних, пластмасових конструкцій в будівництві і на транспорті. Міжнародна науково-технічна конференція (Росія, Самара, 23-26 вересня 2002 р.); науково-технічні конференції ДонДАБА 1998-2003 рр.

Публікації. Основний зміст дисертації і результати досліджень опубліковані в двох монографіях, 32 статтях у наукових журналах і збірниках праць, отримано один патент на винахід. Додатково зміст роботи наведено в 14 статтях.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, восьми основних розділів, загальних висновків, списку літератури. Дисертація викладена на 270 сторінках, у тому числі 245 сторінок основного тексту, 48 сторінок списку літератури (642 найменування), 25 повних сторінок з таблицями і рисунками, 11 сторінок додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В вступі викладена загальна характеристика роботи, включаючи актуальність розглянутої проблеми, зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Наведені мета, задачі, характеристики об'єкту і предмету дослідження, методи дослідження, наукова і практична цінність результатів роботи, відомості про впровадження і апробацію результатів досліджень, особистий внесок автора в отримані результати, характеристики публікацій автора за темою, структури і обсягу дисертації.

В першому розділі виконано аналіз експлуатаційного стану металевих конструкцій будівель і споруд, проблеми їх експлуатаційного обслуговування, накопичення недосконалостей на етапах життєвого циклу, існуючих підходів до оцінки технічного стану.

Дані про структуру і технічний стан металевих конструкцій, що експлуатуються в Україні аналізується в роботах В.М.Гордеєва, Є.В.Горохова, Є.А.Єгорова, В.П.Корольова, А.І.Лантух-Лященка, М.О.Микитаренка, А.Я.Недосеки, О.І.Оглоблі, Б.Е.Патона, А.В.Перельмутера, В.М.Шимановського, А.В.Шимановського, L.Runkiewicz та ін. Проблеми і шляхи вирішення задачі заощадження основних фондів будівельних металоконструкцій описані в роботах Є.В.Горохова, М.М.Жербіна, М.П.Мельникова, Г.А.Молодченка, В.П.Мущанова, В.О.Пермякова, М.М.Сахновського, С.М.Шаповалова та ін.

Разом з тим, практично відсутні роботи з оцінки процесу і закономірностей накопичення недосконалостей металевих конструкцій і впливу їх на показники надійності будівлі або споруди як технічної системи.

Дослідження навантажень і впливів на будівлі і споруди і реакції споруд на дію тимчасових навантажень досліджували Є.В.Горохов, Р.І.Кінаш, В.В.Кулябко, В.А.Пашинський, А.В.Перельмутер, С.Ф.Пічугін, A.G.Davenport, O.Hunaidi, E.Simiu, G.Solari, U.Peil. Однак, в основному ці дослідження були спрямовані на вивчення і статистичну оцінку даних метеорологічних зйомок без вивчення фактично діючих навантажень в конкретних умовах експлуатації, що досить значно відрізняються від нормативних даних.

Питання розробки, уточнення і аналізу розрахункових схем споруд з урахуванням фактичних умов роботи розглянуто в публікаціях І.І.Гольденблата, Є.І.Беленя, М.М.Бердичевського, С.О.Бернштейна, О.М.Геніева, Є.М.Єрмака, В.В.Кулябка, А.В.Перельмутера, В.І.Слівкера, М.С.Стрелецького, В.С.Шебаніна. При цьому недостатня увага приділена розробці і аналізу розрахункових схем споруд з урахуванням фактично діючих навантажень та при їх спільній роботі з фундаментами.

Результати експериментально-теоретичних досліджень дійсної роботи металевих конструкцій будівель і споруд наведено в роботах В.В.Горєва, Є.В.Горохова, В.В.Звєрєва, В.С.Казарновського, І.В.Левітанського, Ю.Р.Томлинга, І.С.Холопова, Г.А.Шапіро, J.Maeda, E.Savory, J.Е.Dahlberg, T.F.Pedersen а поводження будівель і споруд з металевих конструкцій в умовах впливу динамічних навантажень розглянуто в роботах Є.В.Горохова, М.І.Казакевича, Р.І.Кінаша, В.В.Кулябка. Але ці роботи, в основному, проводилися без реєстрації зовнішніх динамічних впливів (технологічні і кліматичні навантаження) одночасно з реєстрацією параметрів реакції споруд на зовнішні впливи.

Надійність роботи металевих конструкцій будівель і споруд в умовах експлуатації вивчали А.Я.Барашиков, В.В.Болотін, А.В.Перельмутер, С.Ф.Пічугін, А.Р.Ржаницин, В.П.Чирков, A.H.Ang, R.M.Bennet, C.A.Cornell. Разом з тим, за межами уваги дослідників залишалися питання оцінки безпеки конструктивних систем з урахуванням їх дійсної роботи.

На основі аналізу стану проблеми сформульовані мета і задачі досліджень. Структурно-логічна схема роботи наведена на рис. 1.

В другому розділі розглянуто закономірності накопичення недосконалостей металевих конструкцій в процесі життєвого циклу. При цьому розглядаються всі основні етапи життєвого циклу конструкцій, починаючи з процесу проектування і закінчуючи виведенням об'єкта з експлуатації.

Для аналізу закономірностей накопичення пошкоджень в металевих конструкціях, що експлуатуються, виконана класифікація недосконалостей за критеріями форм їх прояву, причин виникнення і зовнішніх факторів, що визначають появу і розвиток недосконалостей.

Для оцінки рівня пошкоджуваності конструкцій використано апарат теорії кумулятивних пошкоджень на основі дискретного випадкового процесу. При цьому за початковий рівень пошкоджень приймається стан конструкції на момент введення об'єкта в експлуатацію. Таким чином, недосконалості, які отримані конструкцією при виготовленні, транспортуванні, укрупнювальному складанні і монтажі, а також за рахунок помилок при проектуванні, включаються в початкову оцінку пошкодження конструкції. Значення процесу накопичення пошкоджень залежить тільки від відомого минулого значення на попередньому етапі контролю і не залежить від значень усіх попередніх етапів процесу.

Працездатність конструкцій з пошкодженнями пропонується оцінювати на основі апарату теорії нечітких множин, що дозволяє з достатньою для практики точністю оцінити експертну інформацію про рівень відповідності конструкції вимогам граничних станів.

При такому контролі основою для оцінки технічного стану конструкцій є результати первинної експертної інформації у вигляді числових значень параметрів напружено-деформованого стану в інтервалі [0;1]. Розбивка інтервалу на ділянки визначається вимогами контролю. Таким чином, стан кожного елемента конструкції характеризується функцією приналежності, що ставить у відповідність кожному елементу визначене число в зазначеному інтервалі.

Визначальні параметри можуть бути представлені рядом характеристик, що залежать від виду напружено-деформованого стану (НДС) і зовнішніх впливів. Для можливості проведення математичних операцій по об'єднанню результатів їх впливу на несучу здатність елементів конструкції, вони повинні бути представлені у відносній безрозмірній формі з визначенням ступеню їх приналежності проектному (для розрахунково-механічних властивостей матеріалів) нормативному значенню. Цей факт зумовлює застосування основних положень теорії нечітких множин, що дозволяє при відсутності вибірки статистичних даних оцінити ступінь приналежності якого-небудь визначального параметра його проектному (або нормативному) значенню і оцінити ступінь впливу зміни цього параметра на якість елемента.

Мірою зниження несучої здатності конструктивного елемента є відносне значення відхилення того чи іншого визначального параметра від проектного або нормативного значення. Тоді ступінь приналежності кожного визначального параметра області припустимих значень має вигляд:

( 1 )

де u_д -дійсне значення визначального параметра на момент оцінки ризику;

u_п - значення визначального параметра, що встановлюється відповідно до вимог нормативних (проектних) документів;

u_пр - граничне значення визначального параметра, перевищення якого призведе до відмовлення.

Застосування апарата теорії нечітких множин дозволяє в подальшому розробити методику оцінки конструктивного ризику металевих конструкцій, що експлуатуються.

В третьому розділі наведена постановка задачі і методичні аспекти технічної діагностики металевих конструкцій, що експлуатуються.

Напружено-деформований стан (НДС) конструкції, яка експлуатується з погляду процедури технічної діагностики визначається набором її внутрішніх (структурних) параметрів, сукупністю зовнішніх (збуджуючих) впливів і комплексом діагностичних параметрів, що визначають реакцію споруди або конструкції на весь комплекс зовнішніх впливів.

До внутрішніх (структурних) параметрів відносяться геометрія конструкції, фізико-хімічні параметри конструкційного матеріалу, жорсткісні характеристики перетинів елементів, власна частота коливань, зусилля в елементах від дії на конструкцію сили тяжіння, граничні умови. Структурні параметри характеризують взаємодію між елементами об'єкта діагностування. До них відносяться, насамперед, схеми обпирання конструкцій, типи з'єднань, зазори в сполученнях, геометричні розміри, що їх визначають, геометричні характеристики перетинів, елементів в цілому тощо. При відхиленні структурних параметрів за межі припустимих (нормативних) значень об'єкт діагностування (конструкція або споруда у цілому) стає несправною.

До зовнішніх впливів відносяться технологічні навантаження і впливи; навантаження, обумовлені впливом атмосферних факторів (вітрові, ожеледні, снігові), сейсмічні тощо. Під дією зовнішніх впливів внутрішні параметри конструкції можуть значною мірою змінюватися, що може призвести до виникнення аварійних ситуацій. Тому необхідність дослідження реального НДС конструкції, а також зовнішніх параметрів, що його визначають очевидна.

Як діагностичні в роботі розглядаються параметри, за якими можна визначати поведінку конструкції під дією зовнішніх (збуджуючих) факторів. До діагностичних параметрів висувається низка вимог. Насамперед, вони повинні бути чутливими, тобто малим змінам структурних параметрів повинні відповідати досить великі зміни діагностичних параметрів. Ще одною з головних вимог до діагностичних параметрів є зручність і простота їх виміру, а також наявність відповідної апаратури.

Загальна схема технічної діагностики об'єкта наведена на рис. 2.

Основною причиною погіршення технічного стану конструкцій є зміна структурних параметрів. Технічне обслуговування і ремонти спрямовані на відновлення первісних значень структурних параметрів конструкцій. Структурні параметри, що використовуються як діагностичні, називають також прямими параметрами. Найзагальнішим випадком є використання непрямих діагностичних параметрів -- функціональних і супутніх та їх похідних, що залежать від структурних і несуть необхідну інформацію про стан об'єкта діагностування.

Для оцінки технічного стану об'єктів важливо знати закономірності зв'язку діагностичних і структурних параметрів і діагностичних нормативів, що випливають з них, тобто припустимі і граничні значення діагностичних параметрів, що визначають відповідні значення структурних параметрів.

Стандартами, інструкціями та іншими нормативними документами звичайно визначаються нормативні значення лише структурних параметрів, тому аналогічні величини діагностичних параметрів доводиться визначати спеціально.

Зазначене дослідження може проводитися з різних причин. Основними такими причинами є: 1- діагностика реального стану конструкції; 2- дослідження реального режиму роботи конструкції. Обидві ці задачі мають як загальні, так і відмінні риси, що обумовлюють різну методику проведення таких досліджень.

Для визначення реального НДС конструкції і споруди в цілому необхідно мати математичну модель об'єкта. Таким чином, вимірювальна інформація повинна бути зістикована з розрахунковою інформацією. При цьому слід зазначити, що вихідними даними для цього стикування виступають обмірювані в кінцевій кількості точок конструкції параметри зовнішніх впливів і локальні параметри реакції (зміна напружень, переміщення, частоти коливань на елементах тощо), а також інтегральні параметри (частоти власних і змушених коливань, декременти загасання тощо) конструкції в цілому. Розглядаючи абстрактну конструкцію, неможливо врахувати всі нюанси, що виникають в реальних умовах. В кожному окремому випадку дослідження існує необхідний масив інформативних параметрів, що описує з достатньою для практики точністю стан конструкції. Реєстрація зазначеного масиву параметрів повинна забезпечувати репрезентативність вимірів як по його розміру, часовим і частотним параметрах впливів і реакцій, так і по динамічних діапазонах їх зміни.

Забезпечення показності вимірів полягає в тому, що кількість вхідних вимірювальних каналів системи реєстрації N має, як мінімум, відповідати кількості параметрів, що визначають стан конструкції. Частота реєстрації сигналу f_вi, що відповідає i-тому параметру, повинна визначатися значенням верхньої граничної частоти зміни параметра f_грi:

f_вi2 f_грi (2)

а тривалість виміру T_и - загальною шириною спектра сигналу В_f і значенням припустимої помилки :

(3)

Показність вимірів в заданому динамічному діапазоні зміни інформативних параметрів D визначається значеннями динамічних діапазонів D_i датчиків, що вимірюють відповідні параметри.

Виходячи з вищевикладеного, розроблена універсальна система моніторингу конструкцій УСМК-1, призначена для визначення параметрів НДС будівель і споруд з металевих конструкцій. Метою даної розробки було відпрацювання методики інтегральної діагностики будівельних конструкцій. Відмінною рисою її апаратної реалізації є орієнтація на конструктиви IBM-подібних персональних комп'ютерів (ПК). Зовнішній вигляд системи наведено на рис 3.

Програмне забезпечення системи побудовано за модульно-ієрархічним принципом і має три рівні. На верхньому ступіні ієрархії знаходиться програмний модуль управління ресурсами системи (МУРС). Він забезпечує настроювання конфігурації програмного середовища, яка необхідна для проведення вимірів і обробки даних, а також управління масивами даних. На наступному ступіні знаходяться модулі, що здійснюють зв'язок з вимірювальними модулями системи, управління їх ресурсами, а також модулі перетворення форматів даних і їх обробки. На нижньому ступіні ієрархії знаходяться модулі програмного забезпечення вимірювальних модулів. До основних функцій МУРС відносяться: організація інтерактивного візуального інтерфейсу між оператором системи та її програмними ресурсами; управління процесами збору і обробки даних; настроювання і тарирування вимірювальних перетворювачів.

Таким чином, розроблено методологію та на її основі створено апаратно-програмний комплекс УСМК-1 для проведення технічної діагностики будівель і споруд з металевих конструкцій, що експлуатуються.

В четвертому розділі розглядаються результати технічної діагностики і оцінки технічного стану ряду будівель і споруд з металевих конструкцій, що експлуатуються з застосуванням розробленої універсальної системи моніторингу конструкцій УСМК-1.

Серед об'єктів дослідження представлені споруди різних класів: промислові будівлі, висотні споруди, листові конструкції, транспортерні галереї.

Представником баштових споруд для дослідження обрані металеві ґратчасті башти вітроенергетичних установок (ВЕУ) на Новоазовської вітроелектростанції. При випробуваннях одночасно реєструвалися як параметри зовнішнього (вітрового) впливу, так і параметри реакції конструкції в сумісних частотних діапазонах. На рис. 4 наведено зовнішній вигляд башти ВЕУ під час проведення іспитів, на рис. 5 - типові графіки зміни швидкості вітру, напружень у поясах башти і вібраційної швидкості на її оголовку.

Отримані експериментальні дані дозволили одержати не тільки інформацію по локальних параметрах реакції конструкції, але й по таких інтегральних її характеристиках, як значення частот коливань на різних режимах роботи ВЕУ (рис. 6), декременти загасання коливань тощо.

Для проведення досліджень цехів промислових підприємств обрано цех готової продукції ММК ім. С.М.Кірова. Дослідження проводилися на підкранових балках - найбільш завантажених елементах, що знаходяться під дією динамічних впливів від мостових кранів. При цьому було задіяно 60 каналів тензопідсилювача.

На рис. 7 і рис. 8 наведено графік сигналу, який отримано з тензодатчика, і відповідний йому сигнал перетворювача переміщення крана. На графіку сигналу з тензодатчика мають місце викиди сигналу, що пов'язані з напруженнями стискання, які викликані рухом коліс кранового візка над датчиком. Кривизна графіка переміщення крана свідчить про нерівномірність швидкості його переміщення.

У вересні 2000 р. з застосуванням системи УСМК-1 були виконані роботи з обстеження, технічної діагностики, динамічного випробування і оцінки технічного стану конструкцій корпуса прийомного бункера заводу з переробки відходів металургійного виробництва (рис. 9, 10). Корпус прийомного бункера являє собою триповерхову етажерку у вигляді балкової клітини з розмірами в плані 6,010,5 м, що піддається в процесі експлуатації високочастотним вібраційним навантаженням від роботи віброгрохота. На верхньому рівні етажерки вбудовано прийомний бункер. Метою проведення експериментальних досліджень було визначення реального напружено-деформованого стану в елементах конструкції у умовах чисельних динамічних навантажень, а також перевірка правильності отриманих теоретичних результатів.

Методика динамічного діагностування містила в собі контроль і обробку діагностичних параметрів у вигляді динамічних характеристик в різних точках споруди, що визначалися на основі теоретичних розрахунків. Чутливими елементами були тензорезистори з базою 20 мм і сейсмографи ВЕГІК. Показники датчиків отримувались на різних етапах виконання технологічного процесу бункерної етажерки.

В результаті проведення випробувань були отримані:

залежності зміни напружень в елементах (за часом) на різних етапах роботи будівлі;

залежності амплітудної характеристики від частоти коливань (рис. 11);

залежності зміни вібраційної швидкості за часом (рис. 12).

Як показали експериментальні дослідження, що були проведені на натурних конструкціях, використання системи УСМК-1 надає можливість швидко і точно визначати необхідні динамічні характеристики конструкції. Застосування системи в процесі прискореного діагностування досить ефективно.

Як представник класу баштових споруд розглянута також освітлювальна опора СК “Олімпійський” в м. Донецьк.

На рис. 13, 14 наведені графіки сигналів, що відповідають нормальним напруженням у приопорній зоні поясів опори в умовах вітрового впливу і у режимі змушених коливань. З графіка (рис. 13) видно, що на значення напружень у приопорній зоні пояса помітний вплив здійснює зміна швидкості вітру. При цьому зміна швидкості вітру від 4 до 10 м/с викликає зміну напружень до 8 МПа.

Визначення значення першої власної частоти опори зроблено за допомогою “ручного” резонансу. На рис. 15 представлено відповідний цьому режиму графік тензосигналу. Нерівномірність графіка обумовлена фоновим вітровим впливом.

Спектральний аналіз реалізацій тензосигналів показав, що значення першої власної частоти коливань даної конструкції складає f=0,52 Гц. Більш високі гармоніки коливань не виявляються. Даний факт проілюстровано спектром, наведеним на рис. 16.

Таким чином, підтверджена правильність обраних при розробці системи методологічних, схемотехнічних, конструктивних і технологічних рішень. Підтверджена ефективність системи технічної діагностики будівель і споруд, що знаходяться в експлуатації, і поставлені задачі подальших досліджень і розробок.

П'ятий розділ присвячено оцінці залишкового ресурсу металевих конструкцій, що знаходяться в експлуатації.

Ресурс конструкції, що підлягає перемінним за часом навантаженням, визначається кількістю циклів навантаження, при якій конструкція перестає задовольняти вимогам граничних станів.

Визначення кількості циклів навантаження, в першу чергу, залежить від виду впливу (технологічне, кліматичне, сейсмічне тощо).

Оскільки основними видами навантаження слід вважати кліматичний (в тому числі вітровий) і технологічний впливи, то визначення кількості циклів навантаження, а отже, і оцінку залишкового ресурсу конструкції, можна здійснювати експериментально на основі розробленої системи технічної діагностики. Найбільш просто визначити експериментально-статистичні параметри кількості циклів при дії технологічного навантаження (наприклад, від мостових кранів). В роботі основна увага приділена визначенню кількості циклів навантажень конструктивної системи вітровими навантаженнями, які постійно змінюють свої параметри.

При розрахунку конструкцій на втомлювальну міцність, в основному, враховується тільки резонансна частина. Звичайно розрахунок конструкцій виконується з урахуванням першої частоти коливань. Це пов'язано з відсутністю реальної інформації про границі зазначених частин спектра. Слід зауважити, що метод оцінки границь квазістатичної і резонансної частин відомий. Він заснований на обчисленні функції спектральної когерентності (ФСК):

. (_4_)

Тут - ФСК, - однобічний взаємний спектр впливу і параметра реакції споруди, - однобічний вплив, - однобічний спектр параметру реакції.

ФСК дозволяє зробити оцінку кількості циклів навантаження в тих випадках, коли на конструкцію впливає випадковий імпульсний процес, наприклад, пориви вітру. Зазначена оцінка заснована на визначенні верхньої граничної частоти f_гр квазістатичної області спектра швидкості вітру за допомогою побудови функції когерентності, а також на експериментальному отриманні функції щільності розподілу імовірності тривалості імпульсів (рис. 17, 18). За значеннями f_гр можна визначити і мінімальну тривалість імпульсу, що викликає лінійну реакцію конструкції. Так, якщо імпульс апроксимувати половиною синусоїди з частотою f_гр, його тривалість ф_гр буде дорівнювати:

. ( 5 )

Критерієм максимально можливого значення тривалості імпульсу служить значення тривалості _сrit, при якому повна ймовірність дорівнює 0,95:

. ( 6 )

З формул (5) і (6) і за значенням середньої кількості поривів вітру у локальній зоні розташування споруди (наприклад, в годинному інтервалі) можна визначити ту їх частину n, що викликає лінійну реакцію:

; ( 7 )

. ( 8)

Таким чином, отримані критерії оцінки кількості циклів навантаження конструкцій у поривчастому вітровому потоці.

Тоді спектр реакції конструкції можна навести у вигляді суми випадкової S_s і детермінованої S_d складових:

S(f)=S_s(f)+S_d(f). ( 9 )

N= (f_cs +k₁f₁+ k₂f₂+.... +k_nf_n)T ( 10 )

З іншого боку, не завжди вплив на конструкції має широкий спектр. В таких технологічних установках, як, наприклад, приймальні бункери, транспортерні галереї, шахтні копри впливи вузькополосні.

В подібних ситуаціях можна визначити кількість циклів навантаження:

N=(k₁f₁+ k₂f₂+.... +k_nf_n)*T, ( 11 )

де N -кількість циклів навантаження, k_i - вагові коефіцієнти параметру реакції, f_i- значення i-тої частоти коливань конструкції, T - період часу.

Запропонована методика дозволяє оцінити кількість циклів вітрового навантаження на конструктивну систему і оцінити залишковий ресурс будівлі або споруди.

В шостому розділі викладено підхід до оцінки безпеки споруд, що знаходяться в експлуатації, на основі поняття третього граничного стану.

Методика підходу до оцінки технічного стану будівельних споруд за двома граничними станами, незважаючи на детермінізм математичних розрахункових моделей при використанні ймовірностних, за своєю природою, базисних даних, досить добре відпрацьована і одержала світове визнання у вигляді відповідних розрахункових схем, нормативів тощо. Це виявилося можливим завдяки інтенсивній розробці відповідних функціональних залежностей між зовнішніми впливами, несучою здатністю і деформативністю елементів споруд.

Проте, при використанні цих методів виникають деякі труднощі. Найбільш істотними з них є:

- довільність нормування значень ймовірностей, що допускаються, недосягнення граничних станів для різних споруд через наявність невизначеності фізичної сутності понять параметрів надійності;

- прийняті норми параметрів надійності, що допускаються, для різних споруд дуже близькі до одиниці або до нуля і зміна цих величин з появою сукупності різних недосконалостей і дефектів навіть на порядок (як правило, у другому чи третьому знаках) не є досить наочною ознакою зміни технічного стану при зведенні і експлуатації об'єктів.

Наведені дані свідчать про недостатність застосування граничних станів двох груп для оцінки дійсного напружено-деформованого стану споруд, що експлуатуються.

Зазначені ускладнення при оцінюванні технічного стану споруд, що вже зведені і експлуатуються, можуть бути істотно знижені шляхом використання запропонованого М.С.Стрєлецьким поняття про третій граничний стан, що характеризується появою неприпустимого рівня сукупності недосконалостей і дефектів у конструктивних елементах будівель і споруд.

Для використання третього граничного стану при оцінюванні якості споруд, що зведені і експлуатуються, і їхніх елементів запропоновано поняття його критерію, що характеризується зміною відповідних фізичних, геометричних і жорсткісних визначальних параметрів внаслідок появи різних недосконалостей, дефектів і ушкоджень, що дає наочно кількісну відмінність параметрів технічного стану споруд, що зведені і експлуатуються, від їхніх проектних значень. Цей критерій характеризує схильність елементів, конструкцій і споруд відмові у цілому внаслідок накопичення дефектів і ушкоджень, накопичених у процесі життєвого циклу, відповідність яких стану відмови і буде визначати третій граничний стан.

Критерій третього граничного стану представлений у вигляді відношення проектних імовірностних значень функцій визначальних параметрів до їхніх дійсних значень:

( 12)

чи, у детерміністичній постановці:

( 13 )

де К - критерій третього граничного стану; і - функції геометричних, фізичних і жорсткісних параметрів, що визначають проектну і дійсну працездатність; і - чисельні значення проектних і дійсних значень працездатності, що обумовлені функціями і ; - величина, зворотна критерію третього граничного стану і ступеню, що є показником, бездефектності споруд і їхніх елементів.

Представлення третього граничного стану у вигляді відношення проектної і дійсної працездатності, обумовлених функціями і є найбільш повним, тому що воно має фізичні, геометричні і жорсткісні визначальні параметри.

За умови прийняття значень і детерміністичних величин критерій третього граничного стану споруд і їхніх елементів є безупинною випадковою величиною.

У результаті визначено закон розподілу щільності імовірностей для випадкової величини "К" (критерію третього граничного стану, тобто поняття схильності відмові споруд і їхніх елементів унаслідок накопичення недосконалостей). Цей закон може бути основою для призначення необхідних рівнів технічного стану (конструктивної безпеки) споруд, що проектуються і експлуатуються по третьому граничному стану, що визначається появою неприпустимого рівня сукупності різних недосконалостей і дефектів, що приводять до відмови.

На рис.20 представлена крива розподілу щільності імовірностей випадкової змінної величини "К", правильність побудови якої була перевірена методом чисельного інтегрування з використанням залежностей:

( 14 )

Математичне очікування безупинної випадкової величини "К" дорівнює 2, тобто навколо цього значення групуються всі її величини і, отже, це значення варто було б прийняти в якості гранично, що є допустимим для третього граничного стану. Однак мода випадкової величини "К", тобто значення "К", що відповідає імовірності його появи, що є найбільшою, дорівнює 1.8 і, крім того, значення моди зсунуте вліво, тобто вбік більш безпечних значень "К".

Отже, усі значення величини "К" для споруд, що експлуатуються, повинні розташовуватися в діапазоні значень [1; 1,8] тому що при переході по числовій осі в праву половину кривої (за значення моди) поява випадків відмови (аварійних ситуацій) може прийняти лавиноподібний характер у всіх конструктивних елементів.

Практична перевага запропонованої методики полягає в більш прийнятній і наочній оцінці технічного стану споруд, що зведені і експлуатуються, шляхом аналізу результатів їх обстеження, виявлення дійсних визначальних параметрів і одержання відповідних значень критерію ступеня схильності конструкцій відмовленню, тобто критерію третього граничного стану. При цьому ступінь впливу недосконалостей і дефектів на проектну працездатність споруд і їхніх елементів оцінюється шляхом представлення дійсних визначальних параметрів у вигляді функцій їх приналежностей до відповідних нечітких множин.

Ця методика оцінки технічного стану споруд і їхніх елементів була експериментально перевірена на ряді натурних об'єктів.

У сьомому розділі виконано аналіз ризику і запропонована система керування безпекою при експлуатації будівель і споруд з металевих конструкцій.

В основу методики розрахункової оцінки ризику аварії (порушення цілісності конструкції) покладені принципи обліку ранжируваних по ступеню небезпеки критичних дефектів і ушкоджень, накопичених у процесі виготовлення, монтажу і експлуатації конструкцій. Така інтегральна оцінка критичних дефектів і ушкоджень є найбільш комплексним показником конструктивної безпеки. Безпека конструкції в цілому зводиться до визначення конструктивної безпеки її окремих елементів, що обумовлена зміною їх механічних і геометричних характеристик.

Для розрахункової оцінки конструктивного ризику прийняте відношення дійсного значення несучої здатності до її проектного значення для бездефектного елементу конструкції. Якщо запроектована конструкція має оптимальну величину ризику аварії, то в результаті виникнення дефектів і ушкоджень у процесі виготовлення, транспортування, монтажу і експлуатації, дійсний ризик аварії збільшується стосовно проектного. Ризики аварії можуть бути визначені за результатами натурних обстежень конструкцій у будь-який момент часу.

Вплив сукупності недосконалостей на несучу здатність елементів конструкції вимагає представлення показників пошкодження у відносній формі. При цьому припустиме зниження конструктивної безпеки варто призначати у вигляді коефіцієнта:

( 15 )

де - коефіцієнт відносного ризику аварії; - величина несучої здатності, закладеної в проект для бездефектного елемента конструкції; - величина несучої здатності елемента з недосконалостями; k - коефіцієнт зниження несучої здатності, що визначає відносну якість елемента.

Коефіцієнт змінюється в межах 0 k 1. Якщо критичних дефектів і ушкоджень немає, то k 1. Визначення рівня конструктивної безпеки зводиться до аналізу пошкодження елементів конструкції на момент оцінки технічного стану.

Приймаючи за міру конструктивного ризику аварії несучих конструкцій визначений рівень зниження несучої здатності, можна вважати, що наслідки аварій і руйнувань будівельних конструкцій будуть мінімальними і носити локальний характер, якщо зниження закладеного при проектуванні значення конструктивної безпеки не перевищить визначеного, припустимого для експлуатованої конструкції значення.

Таким чином, ставиться задача нормування конструктивного ризику експлуатованих будівельних конструкцій.

Для оцінки і нормування необхідно мати закон розподілу випадкової величини конструктивного ризику . Побудова кривої розподілу щільності імовірностей ризику дозволяє оцінювати значення зниження, що допускаються, несучої здатності конструктивного елемента внаслідок зміни геометричних, жорсткісних і механічних характеристик. Оскільки побудувати криву розподілу щільності імовірностей величини звичайними в інженерній практиці методами математичної статистики неможливо через відсутність статистичних даних про її значення, то судити про характер розподілу можна, ґрунтуючись на наступних логічних висновках:

імовірність значень 1 дорівнює нулю, тому що значення фактичного ризику аварії чи конструкції її елементів, як правило, не може бути нижче проектного;

крива розподілу щільності імовірностей є асиметричною, причому значення з максимальною щільністю імовірностей зміщені уліво від середнього значення, що обумовлено природним бажанням проектувальників забезпечити як можна велику безпеку конструкції;

Класи відповідальності будівель і споруд визначаються рівнем можливого матеріальних і (чи) соціального збитку, зв'язаного з припиненням чи експлуатації втратою цілісності об'єкта. Уведення відповідних математичних моделей у методи оцінки конструктивних ризиків дозволяє компенсувати суб'єктивність експертних оцінок і підвищити рівень адекватності розрахункової схеми споруди.

Для призначення граничних значень конструктивного ризику використана запропонована L.A.Zadeh теорія лінгвістичних перемінних, котра істотно розширює галузь застосування нечіткої інформації якісного характеру у формалізованих процедурах аналізу. У будівельному проектуванні основні положення теорії лінгвістичних перемінних використовувалися, наприклад, для обліку проміжних значень між жорстким і шарнірним з'єднанням вузлових зв'язків при нечіткій інформації про гнучкість елементів, що допускається, прийнятих раніше апріорно.

Облік ступеня відповідальності об'єкта при оцінці ризику здійснюється введенням коефіцієнта відповідальності споруди _k. Призначення коефіцієнта _k здійснюється шляхом його вибору з нечіткої (лінгвістичного) множини. За лінгвістичну перемінну прийняте відношення:

( 16 )

Як чисельний аналог лінгвістичної перемінної приймається ряд натуральних чисел n=0;1;2;...,n. Значенню n = 0 відповідають обмежені по ступеню соціальної й економічної значущості об'єкти відповідно до існуючої класифікації.

Тоді граничне значення конструктивного ризику з урахуванням ступеня відповідальності споруди визначиться як Aq=A_qk, де

( 17 )

Оскільки класифікація будівельних об'єктів не може бути побудована тільки по одній ознаці, у проекті національного нормативного документа пропонується виконувати її незалежно по кожній характеристиці можливого збитку від відмовлень. Будівлі чи споруді в цілому привласнюється при цьому найвищий клас.

Визначення надійності багатоелементної системи, що представляє собою розрахункову модель споруди, є дуже складною задачею. Звичайно методами будівельної механіки визначається НДС усієї системи, а перевірка надійності здійснюється для перетинів, чи, у кращому випадку, для елементів конструкцій.

Для оцінки конструктивного ризику (показника конструктивної безпеки) багатоелементної системи необхідно одержати вирішальне правило для всієї системи. Таке правило повинне обов'язково враховувати різний ступінь впливу окремих недосконалостей в елементах на формування аварійного стану всієї системи і різну значимість самих елементів у системі. Імовірність настання аварії, тобто досягнення визначеного значення конструктивного ризику для всієї системи зручно розглядати з позицій теорії імовірностей за принципом об'єднання можливих наступів утрати несучої здатності окремих конструктивних елементів складових систему.

У розглянутій задачі вважаємо, що поява елемента з недосконалостями не виключає появу іншого елемента з недосконалостями. Ряд подій можуть виникати незалежно і як завгодно, кожне зі своєю імовірністю.

Поширюючи це правило на “n” конструктивних елементів, імовірність зниження несучої здатності системи, що поєднує “n” елементів, з позицій теорії безлічі в просторі імовірностей записується в наступному вигляді:

( 18 )

З огляду на те, що P(Ai) 1, вважаємо

( 19 )

Тоді

( 20 )

Однак для оцінки конструктивного ризику всієї системи недостатньо розглянути только імовірність появи (чи не появи) аварійних елементів. Для кількісної оцінки ступеня впливу різних недосконалостей на безпеку системи, застосуємо операцію об'єднання нечітких множин.

Об'єднанням нечітких множин “A” і “B” у X називається нечітка безліч “A” U “B” з функцією приналежності:

...