CC BY
12УДК 624(047,36)
СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К МОНИТОРИНГУ СТРОИТЕЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ, РАБОТАЮЩИХ В СЛОЖНЫХ УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Чемодуров В., Ажермачёв С., Литвинова Э.,
Пшеничная-Ажермачёва К., Литвинов Б.
ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет им. В.И. Вернадского», Академия строительства и архитектуры (структурное подразделение), Адрес: г. Симферополь, ул. Киевская, 181. e-mail: ellalit@mail.ru
Аннотация: Целью исследования является создание методики проектирования элементов строительных конструкций, их конфигурации путем разработки стохастического метода оптимизации параметров с учетом случайного характера внешних нагрузок, характеристик используемых материалов, ошибок производства и других случайных факторов, влияющих на надежность создаваемой конструкции.
Ключевые слова: расчетная модель, стохастическая модель, напряженно-деформированное состояние, свайные конструкции, системный анализ, оптимальное решение.
Введение
Мелкие и крупные аварии при строительстве и эксплуатации сооружений происходят довольно часто, особенно в экстремальных условиях, связанных с неблагоприятными погодными условиями, сейсмическим воздействием, столкновением с неуправляемыми и управляемыми объектами и прочее. Они способны привести к крупным экономическим потерям вследствие разрушения конструкций или целого сооружения [1]. Но экономические потери должны определяться и ущербом, который будет вызван аварией. Зачастую потери, причиненные аварией, значительно превышают стоимость разрушенного сооружения. Например, аварии на Чернобыльской АЭС 26 апреля 1986 г., на морской платформе «Deepwater Horizon» 10 апреля 2010 г., на АЭС «Фукусима» 11 марта 2011 г. и др. Аварии подобных сооружений имеют последствия, отрицательно влияющие на экологию региона в течение многих десятилетий.
Системный анализ и теория надежности представляют собой тот математический аппарат, который, кроме прочего, накладывает на проект ряд ограничений исходя из требований к обеспечению безопасной эксплуатации здания или сооружения в течение некоторого расчетного периода.
Однако некоторые особенности проектных и конструктивных решений, кажущиеся «безобидными» с точки зрения их реализации и удовлетворяющие требованиям теории надежности, могут играть значительную роль в условиях развития реальной чрезвычайной ситуации и, к сожалению, не всегда позитивную. Если часть из них можно достаточно легко прогнозировать логически, а в некоторых случаях руководствуясь эмпирическими данными и статистикой, то
остальные можно выявить, лишь моделируя развитие различных чрезвычайных ситуаций на конкретном проектируемом объекте [2, 9].
Анализ материалов
Анализ произошедших аварий указывает, что, как правило, имело место воздействие нескольких факторов, приведших к полному отказу. И в ряде случаев отказ сооружения (конструкции) был вызван не фактором, который учитывался при расчете, а так называемыми «вторичными» факторами, которые появились в результате воздействия «основного». «Вторичные» факторы могут присутствовать изначально в материале конструкции, могут быть внесены конструктором в ходе проектирования или при воздействии технологических процессов во время изготовления или монтажа, а также при эксплуатации [2]. Их влияние на стадии проектирования достаточно трудно оценить. С другой стороны, иногда конструктор пытается сделать оценку возможного влияния некоторых факторов, но рассматривает их проявление в отрыве от других. Таким образом, несмотря на достаточно хорошо разработанную теорию расчета и использование программных комплексов, все же человеческий фактор на данном этапе является одним из главных.
Однако даже тяжелые аварийные ситуации не должны приводить к катастрофическим последствиям для системы, обслуживающего персонала, да и других людей, находящихся в опасной зоне. Надежные результаты в прогнозах последствий аварий можно получить лишь с помощью натурных экспериментов. Однако возможности экспериментального изучения последствий аварий крайне ограничены слабостью экспериментальной базы, высокой стоимостью и значительными сроками выполнения таких работ.
Это делает настоятельно необходимым получение информации о развитии аварийных
процессов с оценкой их безопасности с помощью математических моделей. Наличие теоретических оценок обычно позволяет повысить эффективность экспериментальных исследований, сократить число натурных опытов. При моделировании развития аварийных процессов, представляющих опасность для системы и обслуживающего персонала, обычно не рассматриваются причинно-следственные связи, приводящие к аварийной ситуации. Считается, что авария произошла и необходимо только убедиться, что при этом система понесет минимальные конструктивные разрушения, а обслуживающий персонал не погибнет. Какие-либо вероятностные оценки при этом не используются, да и вряд ли в общем случае это можно сделать.
В настоящее время все проектные работы производятся в строгом соответствии с нормативными и рекомендательными документами по основным элементам строительных сооружений. Причем все проектные работы выполняются для «наихудших» условий функционирования конструкции, то есть на сочетание предельно максимальных нагрузок, что, в принципе, является излишней «перестраховкой».
Цель и постановка задачи исследования
Создание расчетной модели для оценки надежности и долговечности сооружения (конструкции) является очень сложной задачей. Она, как правило, может помочь составить картину напряженно-деформированного состояния конструкции для какого-либо конкретного случая, и должна строиться для каждого вида загружения, состояния конструкций и отклика их на силовые факторы. Например, расчетная модель свайного закрепления сооружения не может быть идентичной при вертикальных и горизонтальных нагрузках (и в т.ч. сейсмических), в особенности, при обводненных грунтах, когда адгезионные свойства сцепления грунта с боковой поверхностью сваи резко снижаются. Или при проектировании каркасных сооружений для сейсмоопасных районов выбираются принципиальные конструктивные схемы сооружения; определяются характер и величина распределения усилий и геометрические размеры несущих конструкций от основных загружений; создается расчетная динамическая модель, и находятся возможные динамические усилия (в зависимости от интенсивности землетрясения) в наиболее опасных участках расчетной модели; учитывается возможность их проявления в местах, которые определяют прочность и надежность элементов и их соединений.
На последнем этапе инженер использует формулы сопротивления материалов без учета состояния элементов. И если их влияние при статических нагрузках не всегда опасно для конструкций, то при циклических нагружениях они могут провоцировать появление хрупких трещин, которые могут привести к разрушению. Не всегда учитывается и влияние температурного фактора. А эти факторы (наличие концентраторов напряжений, температурный фактор и т. д.) могут послужить
спусковым механизмом, вызывающим аварию конструкции или всего сооружения.
Основные результаты и их анализ
Рассмотрение напряженно-деформированного состояния конструкций сооружения от одного фактора, даже при его максимальных значениях, не может дать объективной картины его надежности. Известны многие случаи разрушения сооружений при нагрузках, значительно меньше критических (например, разрушение Такомского моста в США), когда могут проявиться резонансные явления. Можно привести еще много примеров, когда аварии произошли в результате проявления нескольких факторов, часть из которых были вызваны факторами «первого рода» [3-5].
Аварийные ситуации могут возникнуть и при изменении технологических процессов, в результате ремонтных или профилактических работ, например, катастрофическая авария ХХ века, произошедшая на Чернобыльской атомной электростанции 26 апреля 1986 г.
Технологические процессы могут вызывать и техногенные проявления, способные вызывать катастрофы в целом регионе. К таким процессам можно отнести закачку в скважины жидких агентов для повышения отдачи углеводородного сырья из пластов. Известен опыт штата Колорадо (США), где после закачки жидкости в скважины резко повысился сейсмический риск в регионе [6].
При определенных условиях, когда поровое давление воды достигает определенного порога, грунт разжижается и не может выдерживать тех напряжений, которые в нем появились до этого процесса. Такой эффект крайне опасен для сооружений, добывающих углеводороды на Азово-Черноморском шельфе, учитывая, что разлом Вранча в Карпатах расположен очень близко от шельфовых углеводородных месторождений.
Геологи и специалисты, ведущие добычу углеводородов на Азово-Черноморском шельфе, должны учитывать эти особенности, так как катастрофа на шельфе может отразиться не только непосредственно на добывающем регионе, но и на всех странах Азово-Черноморского бассейна.
Особенно сложно вести мониторинг коррозионного состояния конструкций, находящихся в эксплуатации под нагрузкой. В идеальном случае предупреждение коррозионного растрескивания под напряжением (КРН) должно начаться при выборе стали. Уже на этой стадии проектирования следует руководствоваться соображениями возможного возникновения и изменения напряжений, вызванных механическими причинами, химическим составом или условиями окружающей среды (например, высоким содержанием И28 в водах Черного моря). Сероводородная среда интенсивно наводораживает верхние слои стальных элементов (например, морских трубопроводов), а при наличии растягивающих напряжений, особенно при пульсирующих значениях, могут быстро развиваться волосяные трещины, приводящие к хрупким разрушениям.
Основными параметрами, которые используются при оценке чувствительности металла к КРН, являются пороговые напряжения или фактор интенсивности напряжений, при превышении которых скорость распространения трещин приводит к разрушению элемента (конструкции). Одним из путей снижения риска КРН является подбор химсостава и структуры сплава. Существует целый ряд примеров, когда небольшие изменения в химическом составе сплава могут оказать значительное влияние на чувствительность его к КРН. Но это тоже многофакторная задача, и она может быть решена при учете этих факторов [7].
Надежность и долговечность сложных строительных систем можно значительно повысить, применяя системный подход при оценке прочности сооружения. Системный подход позволяет [8-12]:
еще на стадии разработки проекта оценить влияние на надежность сооружения тех или иных факторов при заданной вероятности как от отдельных силовых воздействий, так и при их одновременном возможном воздействии;
получить картину напряженно-деформированного состояния и выявить «вторичные факторы», которые могут повлиять на надежность объекта;
более объективно составить картину произошедшего отказа или аварии сооружения и оценить остаточный ресурс несущей способности конструкций с учетом действительного состояния и после усиления (реконструкции).
Рассматриваемый в статье класс задач отличается тем, что оптимальное сочетание параметров элементов конструкций оказывается на границе функциональных ограничений. Этот, довольно обширный класс задач, включает в себя подавляющее число задач проектирования систем, поскольку функционирование последних происходит в рамках большого числа ограничений (ограничений по нагрузкам, габаритам, по прочности и жесткости отдельных элементов конструкции, допустимым отклонениям варьируемых параметров, по стоимости и другие) [10].
Если оптимальное решение искать без учета помех методами нелинейного программирования, и оно оказывается принадлежащим детерминированной границе, то это означает, что в реальных условиях (при наличии помех), практически в 50% случаев будет иметь место отказ системы. Найденное таким образом оптимальное решение может служить основой для определения вероятностных характеристик ограничений задачи в этой области. Остается только определиться с вероятностными характеристиками функциональных границ и найти новое решение для заданной вероятности их не нарушения [10].
В связи с этим, несомненно, актуальным является анализ строительных конструкций с использованием стохастических моделей их загружения, особенно при внешнем сейсмическим воздействии. Такой подход позволит оптимизировать параметры элементов свайных конструкций и их конфигурацию
для любой заданной вероятности их безопасного функционирования.
Системный подход позволяет строить процесс исследований напряженно-деформированного
состояния сложных конструкций и сооружений в виде шаговых процедур, наиболее эффективно ведущих к достижению поставленной перед исследователем цели.
Основные этапы разработки методики комплексного проектирования:
- разработка математической модели прочности и жесткости элементов свайной конструкции при действии на нее детерминированной внешней нагрузки;
- разработка стохастической модели прочности и жесткости элементов свайной конструкции с учетом реальных разбросов (в пределах нормативных допусков) геометрических характеристик и физических свойств материалов элементов сооружения;
- разработка пакета программ нелинейного и стохастического программирования.
Из всего выше сказанного вытекает следующая последовательность оптимизации выделенного класса задач проектирования с использованием их стохастических моделей, включающая три этапа.
На первом этапе осуществляется поиск оптимального решения на детерминированной модели.
Второй этап - статистический анализ функциональных ограничений в окрестности оптимального решения, полученного на первом этапе, и построение области допустимых решений задачи по вероятности.
На третьем этапе осуществляется поиск оптимального решения задачи для новой системы функциональных ограничений.
Для численных исследований сложных строительных конструкций и сооружений следует применять программные комплексы общего назначения. Наряду с этим, для расчета определенных типов сооружений могут использоваться программы, в зависимости от степени, специализации которых накладываются ограничения на возможность выбора расчетной схемы. Для программ общего назначения предопределен набор типов расчетных элементов, выбор которых и способ объединения для аппроксимации работы строительной конструкции зависят от инженера-исследователя, исходящего из принципов [10]:
I - расчетная схема сооружения должна назначаться в соответствии со схемой деформирования или разрушения сооружения, подтвержденных строительной практикой;
II - поскольку расчетная схема - аналог механической модели сооружения, в нее вводятся упрощающие гипотезы, позволяющие выделить определяющие факторы, влияющие на работу конструкции (рассчитываемая конструкция находится в менее благоприятных по сравнению с действительностью условиях, кроме того, учитывается требование экономической целесообразности проектируемой конструкций);
III - для расчета некоторых конструктивных элементов или их систем целесообразно иметь несколько расчетных схем, каждая из которых имеет область применения (расчетные схемы отличаются степенью подробности аппроксимации, свойствами расчетных элементов и др.; критерием для выбора той или иной модели служит оценка результата, удовлетворяющего условиям поставленной задачи).
Выводы
Таким образом, для прогноза развития аварийных процессов, которые могут привести к катастрофическим последствиям, следует применять детерминированные модели этих процессов. При их разработке необходимо стремиться выстраивать систему допущений таким образом, чтобы они, то есть допущения, приводили к ошибкам в оценках максимальных нагрузок на элементы конструкции системы в безопасную зону (в сторону их увеличения). Помимо нагрузок это относится к другим факторам, влияющим на безопасность.
Прогрессивные формы и методы организации проектной стадии, достижения в типичном проектировании, транспортные схемы в составе сметных цен должны быть и реальными, и экономическими, учитывающими структуру рационально составленных связей строительства с отраслями промышленности. Это в полной мере отвечает современной стадии проектирования как неотъемлемой части всего инновационного комплекса в строительстве.
Системный анализ процессов
проектирования строительных объектов во многих случаях может стать базой для эффективного использования информационного пространства, окружающего строительный объект от момента возникновения идеи о необходимости его возведения до момента его утилизации (разрушения) [8-12].
Список литературы
1. Югов А.М. Оценка надежности металлических конструкций на этапах жизненного цикла / А.М. Югов - Макеевка: ДонГАСА, 2003. -206 с.
2. Ажермачёва К. С. О причинах наклона опытного ледостойкого основания в акватории Азовского моря / К.С. Ажермачёва // Сб. науч. трудов Украинского института стальных
конструкций имени В. Шимановского. - Киев: Сталь, 2011. - Вып. 7. - С. 6-11.
3. Техническая диагностика и предупреждение аварийных ситуаций конструкций зданий и сооружений / А.В. Шимановский и [др.] - Киев: Сталь, 2008. - 463 с.
4. Королев В.П. Анализ рисков и предупреждение аварийных ситуаций по критериям технологической безопасности конструкций зданий и сооружений / В.П. Королев, И.В Кушенко //Сб. науч. трудов Украинского института стальных конструкций имени В. Шимановского. - Киев: Сталь, 2011. - Вып. 7. - С. 103-110.
5. Колесниченко С.В. Принципы определения остаточного ресурса строительных конструкций в условиях их длительной эксплуатации / С.В. Колесниченко //Сб. науч. трудов Украинского института стальных конструкций имени В. Шимановского. - Киев: Сталь, 2011. - Вып. 7. - С. 86-95.
6. Гир, Дж. Зыбкая твердь / Дж. Гир, Х. Шах. -М.: Мир, 1988. - 220 с.
7. Parkins, R. Prevention and control of stress corrosion cracking / R. Parkins // Materials Performance. - 1985. - Vol. 24, № 8. - P. 9-20.
8. Волков, А.А. Информационная поддержка процессов оперативного влияния на динамику чрезвычайных ситуаций в строительных объектах / А.А. Волков // Большой Российский каталог. Строительство. - М.: Каталоги и справочники, 2000.
- С. 38-40.
9. Volkov, A.A. Aktive Sicherheit von Bauobjekten in aussergewhnlichen Situationen / A.A. Volkov // IKM 2000, ABSTRACTS: PROMISE AND REALITY. - Weimar: Bauhaus-UniversiW Weimar, 2000. - 49 p.
10. Системный подход к проектированию строительных конструкций / Владимир Чемодуров, Элла Литвинова, Виктория Вдовиченко // MOTROL.
- Commission of motorization and energetic in agriculture: Polish Academy of sciences. - Lublin, 2014. - Vol. 16, No 5. - P. 281-285.
11. Петров В.П. Общая теория систем / В.П. Петров, И. С. Сидоров, К. А. Козлов. - СПб.: Научная мысль, 2005. - 480 с.
12. Волкова В.Н. Основы теории систем и системного анализа / В.Н. Волкова, А.А. Денисов. -СПб.: Изд. СПбГТУ, 1997 - 510 с.
V. Chemodurov, S. Azhermachev, E. Litvinova, K. Pshenichnaya-Azhermacheva, B. Litvinov
A SYSTEMATIC APPROACH TO MONITORING CONSTRUCTION PROJECTS, WORKING IN DIFFICULT CONDITIONS
Summary: Research objective - creation of a technique of designing of elements of building designs, their configurations by working out of a stochastic method of optimization of parameters taking into account casual character of external loadings, characteristics of used materials, errors of manufacture and other random factors influencing reliability of the created design.
Key words: Settlement model, the stochastic model, the intense-deformed condition, pile designs, the system analysis, the optimum decision.
