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

84697. Универсальный характер нынешней дипломатии как отражение уровня международного общения, укрепление принципа суверенного равенства государств. Правовое закрепление этих реалий в многосторонних международных актах 16.03 KB
  Проблема обеспечения европейской безопасности – одна из ключевых проблем современности. В этой связи итоги Совещания по безопасности и сотрудничеству в Европе закрепленные в Заключительном акте подписанном 1 августа 1975 г. Хельсинкский Заключительный Акт который вобрал в себя десять основных принципов диалога и сотрудничества между государствами которые принимали участие в Совещании по Безопасности и Сотрудничеству в Европе заложил краеугольный камень большей свободы и безопасности в Европе. Заключительный акт Совещания по...
84698. Венская конвенция о дипломатических сношениях и ее значение 16.05 KB
  Так в соответствии со статьей 3 Конвенции функции дипломатического представительства состоят в частности: в представительстве аккредитующего государства в государстве пребывания; в защите в государстве пребывания интересов аккредитующего государства и его граждан в пределах допускаемых международным правом; в ведении переговоров с правительством государства пребывания; в выяснении всеми законными средствами условий и событий в государстве пребывания и сообщении о них правительству аккредитующего...
84699. Новые тенденции в развитии современной дипломатии 17.23 KB
  Новые тенденции в развитии современной дипломатии. решение международных проблем объективно стало главной функцией дипломатии. разнообразнее стали формы многосторонней дипломатии. Глобализация и взаимозависимость мира привели также к увеличению значимости дипломатии осуществляемой на высоком и высшем уровне.
84700. Основные участники внешнеполитического процесса с учетом внутреннего законодательства различных государств. Сложившаяся система государственных органов внешних сложений Российской Федерации 19.14 KB
  Деятельность органов внешней сношений первой группы носит дипломатический характер второго типа – нет и исходит из той сферы какой занимается это представительство. Решающее слово в выработке внешней политики все равно остается за высшими органами управления главы государств и правительств. Во всех государствах с республиканским правлением высшим органом решения основных вопросов внешней политики являются высшие законодательные органы. В задачи функционального департамент информации и печати входит оповещение СМИ о прошедших или...
84701. Центральные органы внешних сношений ведущих иностранных государств 16.22 KB
  Органы внешних сношений США Конституция США принятая еще в 18 веке 17 сентября 1787 г. В конституции можно увидеть и такие уже ставшие архаичными полномочия Конгресса как ведение торговли с индейскими племенами но тут надо взять во внимание время принятия конституции США. II Конституции США говорится о полномочиях Президента. Если проанализировать существующую практику то можно прийти к заключению что главную роль в области внешних сношений в США играют два лица: Президент США и Государственный секретарь.
84702. Центральные органы внешних сношений России 16.09 KB
  В международном праве госорганы внешних сношений – это национальные государственные органы и должностные лица правомочные представлять интересы соответствующего государства и его граждан в международных отношениях. Деятельность органов внешних сношений регулируется национальным законодательством и нормами международного права содержащимися главным образом в многосторонних и двусторонних международных договорах. учреждение постоянное представительство постоянное представительство при международной межправительственной организации или...
84703. Порядок разработки, принятия и реализации решений по вопросам внешней политики в Российской Федерации 13.75 KB
  Однако разработкой практически всех документов и решений по внешней политики РФ занимается МИД России как орган координирующий всю внешнюю политику России. Основные задачи МИД: разработка основных положений стратегии внешней стратегии РФ и подготовка соответствующих предложений президенту и правительству реализация внешней политики РФ координация внешнеполитической деятельности федеральных и региональных органов исполнительной власти в целях проведения единой внешнеполитической линии РФ на международной арене обеспечение дипломатическими...
84704. Место дипломатической службы в системах государственной власти мира 14.19 KB
  В одних из ведущих стран мира например США и Великобритании дипломатическая служба имеет следующее место: она выделена в особый вид государственной службы со своими правилами набора кадров рангирования продвижения по служебной лестнице и другими собственно кадровыми характеристиками; прием на службу производится практически исключительно через открытый конкурс с обязательной сдачей претендентами специальных квалификационных экзаменов; несмотря на провозглашенный принцип...
84705. Роль МИДа в выработке внешнеполитического курса 15 KB
  Обеспечивает дипломатические и консульские сношения РФ с иностранными государствами международными организациями представительство и защиту за рубежом интересов РФ прав и интересов российских физических и юридических лиц; Для успешной деятельности МИД РФ наделен следующими правамив соответствии с Положением о нем: Аполучение от органов государственной власти Российской Федерации и ее субъектов органов местного самоуправления предприятий учреждений и организаций независимо от их организационноправовых форм и ведомственной...