ОБОБЩЕННЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ КАЧЕСТВА СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Обобщенный показатель качества стальных конструкций

Аспирант А.Н. Ульшин*,

ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет

Ключевые слова: качество стальных конструкций; обобщенный показатель качества; стальные стержневые конструкции

Для уменьшения расхода ресурсов и обеспечения должного уровня качества как при изготовлении, так и при монтаже металлоконструкций необходимо исследовать обобщенный показатель технологичности и обобщенный показатель качества для последующего их применения при проектировании конструкций. Обобщенный показатель технологичности состоит из количественных показателей. Обобщенный показатель качества состоит из качественных показателей. Количественные показатели характеризуют эффективность расхода основных ресурсов.[1] Качественные характеризуют качество конструкции. Качественные и количественные показатели находятся во взаимосвязи, поэтому при проектировании должны рассматриваться в составе единой системы.

В данной статье автором будет рассмотрен обобщенный показатель качества. В работах [2,3,4,5] рассмотрены отдельные свойства полного качества стальных конструкций, попыток вывода обобщенного показателя качества именно для стальных стержневых конструкций нет ни в трудах отечественных, ни в трудах зарубежных ученых.

Для качественной оценки предлагается вывести обобщенный показатель качества. С помощью данного показателя определяется максимально возможное качество изготовленной и смонтированной конструкции на уровне проекта.

Для нахождения обобщенного показателя качества автор предлагает следующую последовательность действий, основанную на квалиметрическом подходе к оценке качества [6,7,8]:

1) составление иерархической структурной схемы свойств стальных стержневых конструкций на основе экспертного опроса;

2) нахождение для каждого из свойств их показателей (вывод) и весомостей (экспертный опрос);

3) вывод формулы обобщенного показателя качества стальной стержневой конструкции Ко.

1. Составление иерархической структуры свойств качества стальных стержневых конструкций

Для формирования иерархической структуры дерева свойств необходимо выяснить, какие требования предъявляются к стальным стержневым конструкциям, и систематизировать их. С этой целью автором статьи был организован экспертный опрос компетентных в вопросе качества групп, которым было предложено определить набор свойств, которыми, по их мнению, должна обладать стальная стержневая конструкция. При организации экспертного опроса и подборе специалистов были использованы исследования Портновой И.М [9], касающиеся повышения объективности и точности оценок.

Формирование иерархической структуры происходит для изготовленной, покрытой антикоррозийным покрытием и смонтированной конструкции.

Компетентные группы сформированы путем отбора специалистов на каждом уровне, на котором задается или утрачивается качество металлоконструкций.

Состав компетентной группы следующий:

• проектировщики стержневых металлоконструкций - 10 человек;

• специалисты, занимающиеся обследованием стержневые металлоконструкций, - 10 человек;

• технологи, специалисты из отдела технического контроля, работающие в области изготовления стержневых металлоконструкций, - 10 человек;

• разработчики проектов производства работ на монтаж стержневых металлоконструкций -10 человек;

• специалисты эксплуатирующих организаций - 10 человек.

Набор свойств, полученный автором в результате экспертного опроса, был сопоставлен с набором свойств в исследовании [10] для стальных конструкций и оценен как более полный.

В результате опроса все свойства были сгруппированы в иерархическое дерево (таблица 1).

Таблица 1. Иерархическая структура свойств, составляющих качество стальной стержневой конструкции

Уровни качества стальной стержневой конструкции

третий второй первый нулевой

Сопротивление сдвигу и растяжению болтового соединения

Сопротивление нагрузкам сварного соединения

Сопротивление нагрузкам узлов прочность

Сопротивление нагрузкам стержня (стержней) функциональность

Общая устойчивость устойчивость

Местная устойчивость

Ограничение прогиба затруднение нормальной эксплуатации

Расход краски

Трудоемкость при повторном покрытии эксплуатационная экономичность

Срок службы покрытия

Качество в

По нагрузке целом

Точность изготовления

отдельных частей

Сохранность форм при транспортировке эксплуатационная надежность

Точность сборки

Качество сварных швов

Качество выполнения монтажных

соединений

Сохранность внешнего вида при атмосферном воздействии архитектурно-отделочные качества эстетичность

Габаритные размеры возможность

масса транспортировки транспортабельность

Минимально выступающие части за основной стержень удобство при транспортировке

2. Нахождение для каждого из свойств их показателей и весомостей

При нахождении обобщенного показателя качества квалификация рабочих и качество исходных материалов принимаются идеальными, т.е. показатели точности сборки, качества сварных швов, качества монтажных соединений равны 1. Также в точности изготовления отдельных элементов исключается ошибка человека в связи с низкой квалификацией, качество полностью зависит от оборудования. Таким образом, непрогнозируемые свойства не учитываются при нахождении формулы определения полного качества.

Далее автор предлагает для каждого из прогнозируемых свойств показатели.

Функциональность включает:

сопротивление сдвигу и растяжению болтового соединения; сопротивление нагрузкам сварного соединения; сопротивление нагрузкам узла; сопротивление нагрузкам стержня (стержней); общая устойчивость; местная устойчивость; ограничение прогиба.

Все значения показателей по данным свойствам должны быть не менее нормативных значений, определяемых по СНиП 11-23-81*, в противном случае происходит перерасход ресурсов при неизменном качестве. Поэтому при проектировании необходимо стремиться, чтобы все отдельные свойства функционального качества были близки к нормативным.

Транспортабельность определяется массой и габаритами конструкции. Для оценки транспортабельности существует два показателя: показатель транспортабельности по габаритам и показатель транспортабельности по массе.

Показатель транспортабельности по габаритам:

Рб

тт _ габ Ктр1 - ,

Ргаб (1)

Ргаб - а Х Ь Х С

где а — высота конструкции; Ь — ширина конструкции; с — длина конструкции.

Ргбаб - аб Х Ьб Х сб >

где аб — высота кузова транспортного средства; Ьб — ширина кузова транспортного средства; сб — длина кузова транспортного средства.

Показатель транспортабельности по массе:

Рб

тг _ 1 масса

К тр2 --, (2)

Р

масса

где Рмасса — масса конструкции;

Рмасса — максимальная грузоподъемность транспортного средства. Обязательное условие транспортабельности:

Ктр1 ^ 1 , К тр2 ^ 1 .

Удобство при транспортировке. Чем меньше выступающие элементы, тем более удобна для транспортировки конструкция.

Р 0

К га°.уд.

К утр _-■ (3)

габ

Для одностержневых конструкций:

Ргаб = а Х Ь Х С'

где а - высота конструкции; Ь- ширина конструкции; с - длина конструкции.

Ргаб.уд = ауб Х Ьуб Х суб,

где ауб - высота проката основного стержня; Ьуб - ширина проката основного стержня; суб - длина проката основного стержня. Для многостержневых конструкций (ферм):

Ргаб = а Х Ь Х с>

где а - высота листового элемента узла поясного стержня; Ь - ширина поясного листового элемента узла поясного стержня; с - длина листового элемента узла поясного стержня.

Ргаб.уд = ауб Х Ьуб Х суб,

где ауб - высота поясного стержня, к которому приходит листовой элемент узла; Ьуб - ширина поясного стержня, к которому приходит листовой элемент; суб - длина поясного стержня, к которому приходит листовой элемент.

К утр = 1 для идеальной конструкции.

Надежность состоит из трех показателей: эксплуатационной надежности, сохранности форм при транспортировке и точности изготовления [11].

Показатель эксплуатационной надежности:

К эн , (4)

X

где хб = Х1 х х2 х Х3 выведена Мельниковым Н.П. в [5],

где х1 - коэффициент перегрузки;

Х2 - коэффициент однородности свойств материала;

Х3 - коэффициент условий работы;

X - фактический коэффициент безопасности.

р

1 факт

х= у— - (5)

1 норм

где Рфакт - фактическая максимальная нагрузка, которая может быть воспринята конструкцией, исходя из ее максимальной несущей способности;

Рнорм - суммарная временная и постоянная нагрузка определяется по СНиП 2.01.07-85*.

Кэн > 1 .

Формула для нахождения значения х является приближенной, для более точного расчета

необходимо использовать формулы, опирающиеся на аналитические модели максимумов нагрузок и внутренних силовых факторов. Подробное создание таких моделей описано в [12].

Сохранность форм. Наиболее сильно при транспортировке от случайных усилий меняют форму элементы, закрепленные с одной стороны и имеющие максимальную длину от места закрепления. Определяется по формуле (3). К у^ = 1 для идеальной конструкции.

Точность изготовления отдельных элементов конструкции особенно важна при изготовлении элементов узлов, поверхности которых передают усилие через соприкосновение, а также при изготовлении фасонных элементов, соединяющих стержни ферм и других

многостержневых конструкций. При изготовлении конструкций, имеющих фрикционные соединения узлов, важно, чтобы стержни имели точный рез. В случае изготовления ферм также важны точные углы реза элементов. Точность изготовления отдельных элементов определяется точностью оборудования.

Автором были сформированы показатели на основе исследований [13].

Показатель точности изготовления стержней:

V - т б

К тис - , (6)

т

с

где Тс - точность используемого для реза оборудования; Тб - точность принятая за базовую ( 1 мм ).

КТИс > 1.

Показатель точности изготовления пластин:

т б 1 11

К тип - — > (7)

т

п

где Тп - точность используемого для реза оборудования; ТП - точность принятая за базовую (1 мм).

1 < Ктип < 2 для всех остальных конструкций.

Ктип > 2 для опорных элементов ферм, поверхностей, передающих усилие через соприкосновение, элементов многоугольной сложной формы, пластин под высокопрочные болты.

Показатель точности расположения отверстий:

Т б

К тио - , (8)

Т.

о

где То - точность расположения отверстий относительно друг друга (расстояние между центрами или координаты центров);

Тб - точность, принятая за базовую (1 мм для болтов нормальной прочности, 0,5 мм для высокопрочных болтов). Показывает разницу между диаметром отверстия и диаметром болта.

Экономичность эксплуатации

Простота окраски зависит от распределения массы в пространстве: для пространственных структур 0,5; для ферм 0,7; для балок 1.

Низкая стоимость антикоррозионной обработки зависит от распределения массы в пространстве: для пространственных структур 0,5; для ферм 0,7; для балок 1.

Для нахождения весомостей отдельных свойств используем метод экспертных оценок. Под методом экспертных оценок решений принимается определение количественной характеристики качества технологичности путем опроса специалистов высокой квалификации и оценка объективности их ответов с помощью современных математических методов и средств, исключающих случайные суждения.

Процедуру получения экспертных оценок весомости можно разбить на четыре этапа [7]:

• организация опроса;

• проведение опроса;

• обработка результатов опроса и получение оценок весомости;

• анализ результатов.

Организация опроса. На этом этапе главное - выбор экспертов. Объективность экспертной оценки, ее точность и надежность зависит в основном от квалификации эксперта. Чем более квалифицированный эксперт, тем ближе оценка относительно к истинной.

В данном случае будем использовать способ определения квалификации эксперта, который основан на сравнении его оценки со значением средней оценки, которая условно принимается за истинную [9]. Отклонение оценок отдельных экспертов от средней принимается как погрешность оценки. Эта погрешность и будет служить критерием квалификации эксперта. Чем больше погрешность, тем ниже «вес» эксперта. [6]

Следует принимать во внимание, что эксперту сложно без значительной ошибки выносить решение, когда приходится учитывать более семи альтернатив, например, назначать весомость более чем семи свойствам [9].

Каждый из экспертов опрашивается отдельно, чтобы ни один из них не мог влиять на мнение другого.

Проведение опроса. Первичная статистическая обработка данных экспертных оценок предполагает создание количественных выборок, характеризующих мнения каждого из приглашенных экспертов.

Для нахождения весомостей воспользуемся методом ранга. Рассматриваемая методика предполагает оценку каждого свойства по десятибалльной шкале [6]. Каждый эксперт назначает каждому из объектов (транспортабельность, надежность, экономичность эксплуатации) определенное количество баллов от 1 до 10.

Обработка результатов опроса и получение оценок весомости. Получение весомостей свойств происходит по формулам [6]:

г

I м и

М =

I=1

п г

11 м 1 (9)

р

М и = —^

" п

I р

1=1

где Рц - оценка 1-го свойства у 1-го эксперта;

п - количество свойств; г - количество экспертов.

Анализ результатов. После того, как экспертные выборки введены в электронные таблицы, необходимо с помощью средств описательной статистики в компактной и наглядной форме представить результаты наблюдений. Полезность методов описательной статистики состоит в том, что по небольшому набору специально выбранных статистических показателей на стадии первичной обработки можно оценить основные и характерные черты экспертных выборок.

Автором использовались статистические показатели для обработки результатов исследований, широко представленные в работах [14,15]. Описывающие выборку показатели можно разбить на несколько групп.

1. Показатели положения описывают расположение данных числовой оси. К ним относятся: наименьший и наибольший элемент выборки, верхний и нижний квартили (квартили ограничивают зону, в которую попадают 50% центральных элементов выборки), среднее арифметическое из всех наблюдений, выборочная медиана и другие аналогичные характеристики [14].

2. Показатели масштаба описывают степень разброса данных относительно своего центра. К ним относятся: дисперсия выборки, оценка стандартного отклонения, размах выборки (разность между максимальным и минимальными элементами), межквартильный размах (разность между верхней и нижней квартилью), медиана абсолютных отклонений от медианы и так далее. Все эти показатели позволяют судить о том, насколько кучно группируется основная масса данных относительно центра, таким образом, что чем меньше разброс, тем меньше все показатели разброса [15].

3. Показатели асимметрии оценивают степень симметрии распределения выборки относительно центра. К ним относят: коэффициент асимметрии, положение выборочной медианы относительно среднего арифметического, гистограмму выборки [15].

Результаты экспертных оценок определения весомостей отражены в таблице 2. В данной таблице показатели некоторых свойств приняты за 1, так как их значения менее 1 не допускают строительные нормы на изготовление и монтаж стальных стержневых конструкции, а больше 1 они не могут быть, так как увеличение показателя не увеличивает реальное качество.

Таблица 2. Расчет комплексного показателя качества

Свойства третьего уровня Коэф-фици-ент весомости Кв.г Показатель свойства третьего уровня К, Комплексный критерий качества свойства 2-го уровня Ы] = £К, х Кв., Коэффициент значимости комплексного критерия К в. ] Обобщен - ный критерий О = Ы] х Кв.^ Обобщенный показатель качества к По =1О

Третий уровень Второй уровень Первый уровень Нулевой уровень

Уровни качества стальной стержневой конструкции

Сопротивление сдвигу и растяжению болтового соединения (проектное) 0,25 1

Сопротивление нагрузкам сварного соединения (проектное) 0,25 1 1 0,27

Сопротивление узла 0,25 1 Функциональность

Сопротивление стержней 0,25 1 (0,8 Ы] )

Общая устойчивость 0,5 1

Местная устойчивость 0,5 1 1 0,27 Качество в целом

Прогиб менее допустимого 0,5 1 1 0,27

По массе 0,4 К тр1

По габаритам 0,4 К тр2 0,4 К тр1 +0,4 Ктр2 +0,2 Куд.тр. 0,02 Транспортабельность

Минимально выступающие части за основной стержень 0,2 К уд.тр. (0,02 Ы] )

По нагрузке 0,65 К эн 0,65 К эн + Надежность

При транспортировке 0,05 К утр 0,05 К утр +0,05 К тИС +0,05 К тиП 0,16 (0,16 Ы] )

По точности изготовления стержней 0,05 К лтис +0,05 К тао +0,15

По точности изготовления пластин 0,05 К лтип

По точности изготовления отверстий 0,05 К лтио

Точность сборки 0,05 1

Качество сварных швов фактическое 0,05 1

Качество монтажных соединений фактическое 0,05 1

Расход краски 0,15 К л расх.кр

Трудоемкость при повторном покрытии 0,15 К лтр.о 0,15 Красх.кр +0,15 К тро +0,7 К л ср.сл 0,02 Экономичность эксплуатации (0,02 Nj )

Срок службы покрытия 0,7 К л ср.сл

Сохранность внешнего вида при атмосферном воздействии - - - - Эстетичность (менее 0,01 Nj )

3. Вывод формулы обобщенного показателя качества стальной

стержневой конструкции к0

В ходе суммирования произведений весомостей на показатели отдельных свойств была получена следующая формула:

К = 0,8 + 0,008КГр1 + 0,008КТр2 + 0,004^+0,104КЭН + 0,008^ + 0,008КТИС + 0,008КТИП + 0,008Ктио + 0,024 + 0,003Кпясхкп + 0,003Ктр о + 0,014Кср п

> гио > > расх.кр * гр.о > ср.п

Для оценки качества используем следующую таблицу. Таблица 3. Оценка уровня качества

Значение обобщенного показателя качества Оценка уровня качества

Менее 0,904 Недопустимый уровень качества

0,904 - 0,95 Низкий уровень качества

0,95- 1 Высокий уровень качества

Граница между недопустимым уровнем качества и низким уровнем качества определяется исходя из назначения минимально возможных показателей отдельных свойств качества.

Выводы

1. В результате проведения экспертного опроса определены свойства, составляющие качество, их весомости и предложены отдельные показатели свойств.

2. Выведена формула (10) обобщенного показателя качества стальной стержневой конструкции.

Разработанная формула (10) для нахождения обобщенного показателя качества стальной стержневой конструкции может быть использована при проектировании совместно с обобщенным показателем технологичности. Это позволит сократить расход ресурсов и обеспечить должный уровень качества как при изготовлении, так и при монтаже металлоконструкций. Также показатель может быть использован отдельно для оценки качества конструкции в целом.

Литература

1. Амиров Ю. Д., Алферова Т. К., Волков П. Н. Технологичность конструкции изделия. М. : Машиностроение, 1990. 768 с.

2. Исследование и развитие теории конструктивной формы металлических конструкций. Вып.21 / ЦНИИпроектстальконструкция. М., 1977. 76 с.

3. Мельников Н. П. Исследования процессов заводского производства строительных металлоконструкций / ЦНИИпроектстальконструкция. М., 1981. 104 с.

4. Материалы по металлическим конструкциям. Вып. 12 / ЦНИИпроектстальконструкция. М., 1967. 131 с.

5. Материалы по металлическим конструкциям. Вып. 9 / ЦНИИпроектстальконструкция. М., 1967. 101 с.

6. Азгальдов Г. Г. Квалиметрия в архитектурно-строительном проектировании. М. : Стройиздат. 1989. 264 с.

7. Азгальдов Г. Г.Теория и практика оценки качества товаров. М. : Экономика, 1982. 256 с.

8. Азгальдов Г. Г., Гличев А.В. Квалиметрия - наука об измерении качества продукции // Стандарты и качество. 2007. №4. С. 62-63.

9. Портнова И. М. Совершенствование системы оценивания качества продукции: Дисс ... канд.техн.наук. Самара, 2005. 206 с.

10. Pemes P., Campian С. Comparative Study regarding the use of steel and wood for an industrial building // Acta Technica Naposensis. 2008. Vol.50. №1. Pp. 427-435.

11. Van de Lindt J. W., Pei S. Buckling reliability of deteriorating steel beam ends // Electronic Journal of Structural Engineering. 2006. №6. Pp. 1-7.

12. Пичугин С. Ф., Махинько А. В. Некоторые вопросы расчета надежности металлоконструкций // Металлические конструкции. 2006. Т. 11. С. 187-196.

13. Пашеева Т. Ю. О точности заготовки и ее влияние на качество изготовления металлоконструкций // Заготовительные производства в машиностроении (кузнечно-штамповочное, литейное и другие производства). 2009. № 10. С. 51-55.

14. Giurka I. The choice of Boilers Using Global Evaluation Method of Performances // Acta Technica Naposensis-2010. Vol.53. №1. Pp. 214-221.

15. Castro-Lacouture D., Skibniewski M. J. Quantitative assessment of web-based constructions management systems: application in rebar design and estimation // Electronic Journal of Information Technology in Construction. 2005. Vol. 10. Pp. 229-244.

* Алексей Николаевич Ульшин, Санкт-Петербург, Россия Тел. моб.: +7-981-725-45-99; эл. почта: lesha.ul@mail.ru

Composite quality index of steel auxiliary bar structures

A.N. Ulshin,

Saint-Petersburg State University of Architecture and civil engineering, Saint-Petersburg, Russia

+7(981)725-45-99; e-mail: lesha.ul@mail.ru

Key words

quality of steel constructions, the composite quality index; steel auxiliary bar structures

Abstract

To reduce resource consumption and ensure an adequate level of quality, both in manufacturing and in the installation of metal it is necessary to investigate a composite index of constructability, and a composite index of quality, for subsequent use in structural design. The purpose of this scientific research is to develop composite quality index.

At a development of the composite quality index qualimetry conception was used: all properties characterizing quality were found, the hierarchical structure was made, indicators on the third level properties (offered by author) and their weight at each level (expert poll) were defined. The formula of composite quality index of steel auxiliary bar structures was development.

The composite index of quality can be used together with the composite index of constructibility at the design stage for evaluating and improving auxiliary bar structures. It is necessary to compare different variants of steel structures because the quantity of used resources at manufacturing and installation can pass in quality, and quality can pass to quantity of used resources.

References

1. Amirov Yu. D., Alferova T. K., Volkov P. N. Tekhnologichnost konstruktsii izdeliya [Manufacturability of item construction]. Moscow : Mashinostroyeniye, 1990. 768 p. (rus)

2. Issledovaniye i razvitiye teorii konstruktivnoy formy metallicheskikh konstruktsiy [Theory of structural form of metal structures. Investigation and development] / TsNIIproyektstalkonstruktsiya. Moscow , 1977. 76 p. (rus)

3. Melnikov N. P. Issledovaniya protsessov zavodskogo proizvodstva stroitelnykh metallokonstruktsiy [Industrial manufacturing processes of building metal structures investigation] / TsNIIproyektstalkonstruktsiya. Moscow , 1981. 104 p. (rus)

4. Materialy po metallicheskim konstruktsiy am [Materials on metal structures]. No. 12 / TsNIIproyektstalkonstruktsiya. Moscow , 1967. 131 p. (rus)

5. Materialy po metallicheskim konstruktsiy am. [Materials on metal structures]. No. 9 / TsNIIproyektstalkonstruktsiya. Moscow , 1967. 101 p. (rus)

6. Azgaldov G. G. Kvalimetriya v arkhitekturno-stroitelnom proyektirovanii [Qualimetry in architectural and structure design]. Moscow : Stroyizdat. 1989. 264 p. (rus)

7. Azgaldov G. G. Teoriya i praktika otsenki kachestva tovarov [Theory and practice in quality of goods evaluation]. Moscow : Ekonomika, 1982. 256 p. (rus)

8. Azgaldov G. G., Glichev A.V. Standarty i kachestvo. 2007. No. 4. Pp. 62-63. (rus)

9. Portnova I. M. Sovershenstvovaniye sistemy otsenivaniya kachestva produktsii: Diss ... kand.tekhn.nauk. [Development of system of product quality evaluation: theses] Samara, 2005. 206 p. (rus)

10. Pemes P., Campian C. Comparative Study regarding the use of steel and wood for an industrial building. Acta Technica Naposensis. 2008. Vol.50. No. 1. Pp. 427-435.

11. Van de Lindt J. W., Pei S. Buckling reliability of deteriorating steel beam ends. Electronic Journal of Structural Engineering. 2006. No. 6. Pp. 1-7.

12. Pichugin S. F., Makhinko A. V. Metallicheskiye konstruktsii [Metal structures]. 2006. T. 11. Pp. 187-196. (rus)

13. Pasheyeva T. Yu. Zagotovitelnyye proizvodstva v mashinostroyenii (kuznechno-shtampovochnoye, liteynoye i drugiye proizvodstva). 2009. No. 10. Pp. 51-55. (rus)

14. Giurka I. The choice of Boilers Using Global Evaluation Method of Performances. Acta Technica Naposensis-2010. Vol.53. No. 1. Pp. 214-221.

15. Castro-Lacouture D., Skibniewski M. J. Quantitative assessment of web-based constructions management systems: application in rebar design and estimation. Electronic Journal of Information Technology in Construction. 2005. Vol. 10. Pp. 229-244.

Full text of this article in Russian: pp. 62-70