99390

Надежность и коэффициент запаса строительных конструкций

Лекция

Архитектура, проектирование и строительство

Надежность и коэффициент запаса строительных конструкций. Термин конструктивная надежность далее надежность впервые нашел свое отражение в ГОСТе 13377-75. В этом документе под термином надежность подразумевается свойство объекта сохранять в установленных пределах значения всех параметров характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения технического обслуживания ремонтов хранения и транспортирования. Надежность является сложным свойством которое в зависимости от назначения объекта...

Русский

2016-09-12

43.14 KB

0 чел.

4.6. Надежность и коэффициент запаса строительных конструкций.

Термин конструктивная надежность (далее надежность) впервые нашел свое отражение в ГОСТе 13377-75. В этом документе под термином «надежность» подрузамевается свойство объекта сохранять в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования.

Надежность является сложным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения состоит из сочетаний свойств: безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости как для объекта в целом, так и для его составных частей. Для конкретных объектов и условий их эксплуатации эти свойства имеют различную относительную значимость. Например, для некоторых неремонтируемых объектов, несущих конструкций жилых и других зданий определяющим (основным) свойством является безотказность. Для ремонтируемых объектов, например, основного и вспомогательного технологического оборудования систем трубопроводного транспорта одним из важнейших свойств, составляющих надежность,  является ремонтопригодность.

Так как нормы проектирования отечественных технологических трубопроводов и резервуаров основаны на методах расчета строительных конструкций по предельным состояниям, за меру их надежности принимают вероятность не наступления ни одного из возможных предельных состояний в заданных условиях эксплуатации в течение нормативного срока.

Под термином  технический ресурс (далее ресурс) – подразумевается величина, которая согласно ГОСТ 27.002-89 характеризует суммарную наработку конструкций от начала их эксплуатации или ее возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние. 

В физическом смысле технический ресурс в отличие, например, от энергетического ресурса (ГОСТ 19431-84) представляет собой запас возможной наработки объекта. Для неремонтируемых объектов он совпадает с продолжительностью пребывания в работоспособном состоянии в режиме применения по назначению, если переход в предельное состояние обусловлен только возникновением отказа.

Поскольку средний и капитальный ремонты позволяют частично или полностью восстанавливать ресурс технологических объектов транспорта и хранения нефти и газа, отсчет наработки, образующей ресурс, возобновляют по окончании такого ремонта, различая в связи с этим следующие ресурсы: доремонтный, межремонтный, послеремонтный и полный (до списания).

Доремонтный ресурс исчисляется до первого среднего (капитального) ремонта конструкции. Число возможных видов межремонтного ресурса зависит от чередования капитальных и средних ремонтов.

Послеремонтный ресурс отсчитывают от последнего среднего (капитального) ремонта строительных конструкций.

Полный ресурс отсчитывают от начала эксплуатации конструкции до её перехода в предельное состояние, соответствующее окончательному прекращению эксплуатации.

В каждый момент времени можно различать две части любого ресурса (срока службы) - израсходованную к этому моменту в виде суммарной наработки и оставшуюся до перехода в предельное состояние. Остаточный ресурс оценивают ориентировочно, поскольку срок службы технологических объектов в целом является случайной величиной.

Основным определяющим фактором при производстве ремонта основного технологического оборудования является его техническое состояние - работоспособность. Конструкции трубопроводов, резервуаров, насосных и компрессорных станций имеют технологический разброс характеристик металла при изготовлении, склонны к деформационному старению стали, испытывают воздействие циклических колебаний рабочего давления. А наличие начальных дефектов и появление при эксплуатации новых, влияние коррозионной активности среды и другие воздействия внешних факторов не позволяют пока установить типовые показатели надежности для этих ответственных инженерных сооружений.

Поэтому для оценки технического состояния основного технологического оборудования приходится использовать комплекс типовых и экспериментально найденных специализированных характеристик о состоянии металла, статистические сведения о реальных внешних воздействиях на его конструкцию за время эксплуатации, а также результаты диагностических обследований и натурных измерений напряжений и деформаций в области дефекта.

При разработке проектов строительных конструкций предусматривается определенный (теоретический) их уровень надежности. В зависимости от качества элементов конструкции и строительно-монтажных работ начальная конструктивная надежность ответственных объектов транспорта и хранения нефти и газа несколько меньше теоретической. С первого дня эксплуатации конструкций трубопроводов, резервуаров, насосных и компрессорных станций (как и любого другого промышленного изделия) в отдельных их элементах начинают происходить изменения, выражающиеся в ухудшении характеристик и показателей. Эти изменения по важности и интенсивности различны: одни приводят к снижению прочностных свойств элементов конструкции, другие - к авариям и разрушению; одни можно быстро устранить, другие - исправить только при выводе конструкции в ремонт; одни протекают во времени медленно и непрерывно, другие - случайно, бессистемно.

Но все изменения через какой-то промежуток времени приводят к нарушению работоспособности конструкций (невозможности выполнения заданных функций или разрушению). Таким образом, на протяжении всего эксплуатационного периода имеется вероятность (возможность) выхода из строя полностью конструкций или отдельных их элементов. Чем меньше такая вероятность, тем надежнее конструкции.

Обеспечение надежности конструкций основного технологического оборудования - важнейшая технико-экономическая проблема проектирования, строительства и эксплуатации. При проектировании и сооружении трубопровода или резервуара их несущие элементы должны обладать такими запасами прочности, которые обеспечивали бы нормальную эксплуатацию на протяжении всего срока службы с учетом снижения прочности и ухудшения технических характеристик во времени за счет износа, влияния окружающей среды, внешних и внутренних нагрузок и т. д., с учетом обеспечения нормативной системы технического обслуживания и ремонта.

Но эти запасы прочности должны быть экономически оправданы. Чем выше начальная надежность, тем больше стоимость конструкции. Оптимальный уровень её надежности определяется из условий минимума затрат на строительство и ремонт за весь период эксплуатации. В связи с этим целью поисков является не максимально возможная надежность, а нахождение оптимального компромисса между суммарными затратами и надежностью.

Различают:

  1.  проектную (теоретическую, расчетную) надежность конструкции, предусмотренную документацией на их строительство;
  2.  начальную надежность - фактическую надежность построенной конструкции к моменту начала её эксплуатации;
  3.  эксплуатационную надежность - фактическую надежность на любом этапе эксплуатации.

Принято считать, что эксплуатационная надежность равна произведению надежности конструкции (трубопровода, резервуара, насоса, компрессора и т.п.) Н на надежность применения R(t) (человеческий фактор).

                                             (4.14)

Последнее понятие учитывает все факторы применения и проявляется в более или менее значительном уменьшении надежности функционирования всех объектов транспорта и хранения нефти и газа. Для снижения отрицательного влияния человеческого фактора на уровень эксплуатационной надежности основного технологического оборудования определенную роль играют организационные меры:

  1.  подготовка, обучение и повышение квалификации обслуживающего персонала;
  2.  разработка специальных инструкций и методик для диспетчерской службы;
  3.  постоянный контроль за техническим состоянием основного и вспомогательного технологического оборудования;
  4.  проведение профилактических работ.

Рассмотрим последовательно методы определения конструктивной надежности стальных оболочек трубопроводов и резервуаров ГНС по данным диагностирования их технического состояния, сканирования реального напряженно-деформированного состояния при действии эксплуатационных нагрузок и надежности работы человека, как звена сложной и ответственной системы.

4.6.1. Методика определения уровня надежности конструкции

Основные предпосылки проектирования строительных конструкций с учетом надежности и вероятностных концепций, разработаны Н.Ф. Хоциаловым, В. В. Болотиным, Н. С. Стрелецким, И. И. Гольденблатом, А. Р. Ржанициным. В процессе проектирования и конструирования объектов закладывается их теоретическая надежность. При строительстве обеспечивается фактическая надежность каждого конкретного элемента конструкции, что зависит от качества применяемых отдельных монтажных элементов и деталей, качества сборки и сварки. После сооружения конструкций их надежность следует поддерживать на необходимом уровне путем правильной организацией эксплуатации.

При проектировании учитывают следующие факторы, влияющие на надежность конструкций:

  1.  качество и количество применяемых элементов;
  2.  возможность использования прогрессивных индустриальных методов сооружения из укрупнённых блоков;
  3.  режим работы конструкции; стандартизацию и унификацию изготовления укрупненных блоков (трубопроводных плетей, обечаек и т.п.); ремонтопригодность.

Условия, отрицательно влияющие на качество и конструктивную надежность в целом, возникают в результате:

  1.  нарушения правил строительства технологических объектов;
  2.  отсутствия соответствующего контроля материалов и комплектующих изделий;
  3.  нарушения сортности и недоброкачественной замены материалов;
  4.  длительному хранению элементов конструкции в неблагоприятных условиях;
  5.  недостаточного контроля на операциях и при выпуске готовой продукции, а также нарушения самой технологии строительно-монтажных работ.

Рассмотрим основные положения и зависимости инженерной теории надежности строительных конструкций, которые используются при транспорте и хранении нефти и газа.

Так как все расчетные факторы, формирующие коэффициент запаса конструкций при расчете их по предельным состояниям, носят случайный характер и не поддаются точному прогнозу, условимся обозначать случайную величину большой буквой Y, а её возможное численное значение малой буквой y.

В соответствии с современными представлениями методологии предельных состояний и теории надёжности за меру надёжности конструкции примем вероятность не наступления ни одного из возможных предельных состояний в заданных условиях эксплуатации в течение всего срока эксплуатации.

Под предельными состояниями понимаются такие, при которых конструкция перестаёт удовлетворять заданным эксплуатационным требованиям или требованиям при возведении.

Расчёт, например, стальных листовых конструкций резервуаров и трубопроводов по первому предельному состоянию (по несущей способности) сводится к выполнению условий прочности и устойчивости:

                                      

где:  – максимальная величина расчетного напряжения в стальной оболочке; m1 - коэффициент условий работы элементов конструкции; n1- коэффициент перегрузки; k11- коэффициент надежности по материалу; kН1- коэффициент надежности по назначению; RH – нормативное сопротивление стали.

За нормативное сопротивление стали растяжению, сжатию и изгибу при расчёте резервуаров и трубопроводов на прочность принимают либо предел текучести (RH =T), либо временное сопротивление на разрыв (RH =ВР).

1 и 2 – соответственно расчётные продольное и кольцевое напряжения;

К1 и К2 – соответственно нижние критические сжимающие продольное и кольцевое напряжения.

При двухосном НДС оболочек оценку их прочности в наиболее опасной точке целесообразно проводить по энергетической теории, которая для стальных листовых конструкций дает результаты, наиболее близкие  к экспериментальным данным:

где: ЭКВ – эквивалентное напряжение;

         - продольное напряжение;

         - кольцевое напряжение;

          - касательное напряжение.

В этих формулах знак «плюс» соответствует наружной поверхности оболочки, а знак «минус» – внутренней.

Равномерно распределённые по толщине оболочки напряжения обычно называют тангенциальными (мембранными, цепными), а линейно меняющиеся по толщине оболочки напряжения - изгибными.

Численные значения  расчетных характеристик стальных листовых конструкций представлены в СНиП II-23-81.

Таким образом, согласно условию прочности совокупность указанных расчётных коэффициентов обеспечивает стальным оболочкам резервуарных и трубопроводных конструкций необходимый коэффициент запаса:

Но численные значения параметров в правой части  условия прочности  не постоянны во времени и обладают изменчивостью, поэтому их принимают в расчете по некоторым средним значениям. Степень изменчивости устанавливается по кривым распределения (рис.4.1), которые строятся по статистическим данным многолетних наблюдений за величиной нагрузки или по статистическим данным результатов лабораторных испытаний на прочность образцов данного материала.

По характеру кривой можно оценить степень изменчивости рассматриваемой величины. Если кривая вытянута вдоль оси ординат, то величина обладает малой изменчивостью, если же она имеет пологий характер, то рассматриваемая величина имеет большую изменчивость.

Обозначим указанную вероятность не наступления ни одного из возможных предельных состояний в заданных условиях эксплуатации строительных конструкций через РH.. Тогда надёжность Н как вероятностная характеристика выразится соотношением:

H = PH .

Так как «надёжность» и «ненадёжность» являются противоположными событиями и образуют полную группу событий, то «ненадёжность» определится из равенства:

= 1 – PH  ,

где - вероятность наступления одного из возможных предельных состояний конструкции.

В общем случае все предельные состояния имеют корреляционные связи, но практически не являются равно опасными. Как правило, конструктивная надёжность тонкостенных оболочек резервуаров и трубопроводов по различным предельным состояниям существенно различается по величине при одних и тех же условиях эксплуатации. Кроме того, для механических систем, в которых элементы характеризуются весьма высокими уровнями надёжности (а именно к таким системам относятся технологические объекты транспорта и хранения нефти и газа), корреляционными связями между предельными состояниями можно пренебречь.

Это связано с тем, что погрешность из-за не учета корреляции отказов по различным предельным состояниям не превышает точности расчёта и самих исходных данных даже при коэффициентах корреляции, близких к предельным. Поэтому за расчётную надёжность Нр можно принять минимальное значение надёжности из всех возможных, получаемых для различных предельных состояний, то есть:

НP = Нmin .                                                      (4.15)


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

41896. Emissions of combustive-lubricating materials stocks 32.01 KB
  146; Gross emissions: M=PT103 ton yer P emission per hour P is P1 or P2 T ctive time of source which cn be clculted for litting up: T=V p103 hour yer Where p= 300 m3 hour for gs; p=30 m3 hour for petrol; p=30 m3 hour for diesel fuel Min chrcteristics of wsters ccording to prgrph 17 of the lw On wstes producer determines composition nd chrcteristics of production wstes nd degree of their dnger for environment nd mn's helth. The dnger degree is coordinted with executive uthorities. Degree of dnger is chrcterized by the clss of...
41897. ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОГРАМНОГО СЕРЕДОВИЩА РОЗРОБКИ ТА НАЛАГОДЖЕННЯ ПРИКЛАДНОГО ПРОГРАМНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ СИСТЕМ КЕРУВАННЯ ТА ОБРОБКИ ІНФОРМАЦІЇ, ВИКОНАНИХ НА БАЗІ МІКРОПРОЦЕСОРІВ СІМЕЙСТВА MCS-51 2.48 MB
  Провести асемлеювання програми. Текст програми.1 ; надання імені vr_3 першому біту регістру RM 20H ; ; Програма ; ORG H ; адреса вектора розгалуження після початкового пуску RJMP _BEGIN ; мікропроцесора ; ORG H...
41898. ИТЕРАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ НЕЛИНЕЙНЫХ УРАВНЕНИЙ 251.24 KB
  Метод Ньютона. В качестве начального приближения здесь выбирается правый или левый конец отрезка в зависимости от того в котором выполняется достаточное условие сходимости метода Ньютона вида: Условие выполняется на обоих концах отрезка следовательно в качестве начального приближения разрешено выбрать любой из них. Рабочая формула метода Ньютона для данного уравнения запишется так: Условия выхода итерационного процесса аналогичны условиям метода простых итераций: и . Модифицированный метод Ньютона.
41899. ИТЕРАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ СИСТЕМ НЕЛИНЕЙНЫХ УРАВНЕНИЙ. МЕТОД НЬЮТОНА 213.45 KB
  Цель работы: научиться решать системы нелинейных уравнений СНУ методом простых итераций МПИ и методом Ньютона с помощью ЭВМ. Изучить МПИ и метод Ньютона для решения систем нелинейных уравнений. На конкретном примере усвоить порядок решения систем нелинейных уравнений МПИ и методом Ньютона с помощью ЭВМ. Построить рабочие формулы МПИ и метода Ньютона для численного решения системы при начальном приближении: .
41900. ИТЕРАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ СИСТЕМ ЛИНЕЙНЫХ АЛГЕБРАИЧЕСКИХ УРАВНЕНИЙ 244.14 KB
  Цель работы: научиться решать системы линейных алгебраических уравнений СЛАУ методом простых итераций МПИ и методом Зейделя с помощью ЭВМ. Изучить метод простых итераций и метод Зейделя для решения СЛАУ. Сравнить скорости сходимости метода простых итераций и метода Зейделя. Построить рабочие формулы МПИ и метода Зейделя для численного решения системы.
41901. Знакомство со средой разработки Oracle Application Express. Создание исходного приложения 1.09 MB
  Знакомство со средой разработки Orcle ppliction Express. Каковы основные компоненты среды разработки Orcle ppliction Express ppliction Builder собственно среда разработки webстраниц и бизнесправил. Что такое рабочая область workspce Рабочая область workspce это виртуальная частная база данных которая позволяет множеству пользователей работать с одной инсталляцией Orcle ppliction Express обеспечивая при этом приватность пользовательских объектов и приложений.
41902. Построение графиков в среде программирования MATLAB 354.21 KB
  Цель работы: научиться строить графики различных типов в программной среде MATLAB. Изучить основные операторы построения графиков в среде программирования MATLAB; освоить принципы построения различных типов графиков в среде программирования MATLAB.
41904. Проверка выборочного распределения 54.6 KB
  По критерию Пирсона гипотеза о нормальности изучаемого распределения принимается. Основные статистические характеристики: Среднее выборочное значение (математическое ожидание)