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

55830. Русский язык и культура речи 57.5 KB
  Язык – это совокупность средств речевого взаимодействия людей. Язык является орудием мышления. Русский язык (в мире 500 млн. человек знают русский язык) Язык это форма существование национальной культуры, проявление духа нации.
55833. Квітучий сад. Конспект заняття з малювання для старших дошкільнят 34 KB
  Так узимку дерева кущі й квіти спали і снилися їм сни як і вам уночі. Як ви гадаєте що снилося деревам Про що вони мріяли Діти фантазують: деревам снилися тепла весна спів птахів вітерець який бавиться листячком веселий дощик. Так дерева мріяли про весну. Це було ось так: Спали дерева у мареві синім Вітер гойдав їхні віти Снились деревам у сні тім чарівнім Листя зелене та квіти.
55834. Сады мира - Gardens of the world 1000.5 KB
  Цель: познакомить школьников с произведениями ландшафтного искусства садоводов Великобритании; развивать самообразовательную, коммуникативную, творческую компетентности...
55836. Let’s meet with the sportsmen of wild nature on Safari 81 KB
  A Magic Wand (a pen) will help you to write an e-mail to your favourite Ukrainian sportsman or a sportswoman about sportsmen of wild nature and about sport activities. Use the information from your word bubbles.