Novocherkassk, Russian Federation
from 01.01.2019 until now
Platov South-State Polytechnic University (Novocherkassk Politechnic Institute) (Obscheinzhenernye discipliny, professor)
from 01.01.1980 to 01.01.2019
Moskva, Moscow, Russian Federation
BBK 308 Монтаж, эксплуатация, ремонт машин и промышленного оборудования
The article is devoted to the problem of objective estimation of residual resource based on a complex approach using probabilistic methods and graph theory. A single-storey building of the industrial workshop in Taganrog was chosen as an object for evaluation. The survey revealed typical defects and damages for industrial buildings - soaking, weathering of the solution, corrosion and absence of paint coating, as well as atypical defects - cuts of mechanical nature in various elements of farms. These damages are stress concentrators, so a three-dimensional model of the sling truss with damage simulation was created to calculate the stress-strain state at such sites and a finite element model was calculated in the ANSYS. According to the calculation results, it was found that in the most loaded section with defect (reference brace) there are significant stresses close to the design resistance of the soil, which reduces the total probability of failure-free operation of the truss. The calculation of the probability of failure-free operation for the truss was carried out using probabilistic methods, the relative reliability of the rest of the structures was determined on the basis of external characteristics and inspection of the characteristics of the structures by non-destructive testing methods. It has been established that the residual life in the calculation by the combined method is 17.3 years.
residual life, survey of buildings and structures, technical condition of structures, probabilistic methods, graph theory
Определение остаточного срока службы зданий и сооружений производится различными способами, в зависимости от действующей в каждой стране нормативной документации и исторически сложившихся подходов к определению остаточного ресурса.
Многие подходы являются стандартными (расчет максимальной нагрузки как статической переменной в наиболее опасном поперечном сечении участка, но многие подходы являются новаторскими: например в работе основным критерием вычисления при определении параметров индекса надежности является стоимость.
Масштабное исследование остаточного ресурса было проведено А. Патроном, К. Кремоном с использованием данных наблюдений 120 европейских мостов старше 100 лет. Остаточный срок службы был найден в предельном состоянии с учетом неопределенности механических характеристик металлов и их усталостного разрушения. Основными методами определения остаточных характеристик долговечности и надежности являются FORM (надежность первого порядка) и ISM (отбор проб).
В настоящее время в России существует несколько методов определения показателей долговечности и надежности, в том числе и остаточного ресурса), основанных на детерминистических расчетах и аппарате теории вероятностей.
По ограничивающим условиям (детерминистический расчет) остаточный срок службы определяют следующими методами: по статической прочности; скорости коррозии; усталостной прочности металла; по ухудшению физических свойств.
У большинства российских экспертов наиболее распространён метод А. Н. Добромыслова на основе визуального осмотра (физического износа), в котором определяется относительная надёжность зданий и остаточный срок службы.
В качестве объекта исследования авторами рассмотрен существующий цех промышленного предприятия в г. Таганроге Ростовской области.
Обследование технического состояния строительных конструкций здания цеха было проведено в октябре 2016 года, в результате чего было выявлен ряд серьезных дефектов, влияющих на техническое состояние и работоспособность конструкций.
Здание цеха представляет собой одноэтажное трехпролетное промышленное здание, прямоугольное в плане. Дата ввода в эксплуатацию - 1973 г.
Размеры здания в осях 120×66 м, ширина пролетов по 24 м и 18 м (рис.1-3)
Рисунок 1. План цеха
Рисунок 2. Разрез поперечный
Рисунок 3. Фасад А-Г
По конструктивной схеме здание цеха является каркасным. Фундаменты под колонны цеха – железобетонные монолитные стаканного типа. Колонны – сборные железобетонные, стропильные фермы в осях «А-В» - сборные железобетонные, стропильные фермы в осях «В-Г» - металлические, подстропильные фермы – металлические.
При обследовании строительных конструкций здания цеха были выполнены следующие работы: определение соответствия строительных конструкций здания проектной документации и требованиям нормативных документов, выявление дефектов и повреждений элементов и узлов конструкций здания с составлением ведомостей дефектов и повреждений;
определение пространственного положения строительных конструкций здания, их фактических сечений и состояния соединений; определение фактической прочности материалов и строительных конструкций здания в сравнении с проектными параметрами; определение степени коррозии арматуры и металлических элементов строительных конструкций
Для определения категории технического состояния (относительной надежности) здания был выбран метод с использованием сетевого графа. Сетевая модель системы «Здание» (рис.4) состоит из следующих вершин, характеризующих относительную надежность (вероятность безотказной работы) для следующих случаев: 1- исправное состояние объекта, 2 –состояние коммуникаций, 3- состояние отделки, в том числе гидроизоляции, 4 – состояние прилегающей территории, 5 – состояние ограждающих конструкций (стен и плит покрытия), 6 – состояние металлических стропильных ферм, 7- состояние железобетонных колонн, 8 – состояние оснований и фундаментов; 9 - разрушение объекта; ребра – проявление взаимодействий подсистем.
Рисунок 4. Сетевая модель системы «Здание»
Согласно графу, разрушение здания (пусть между вершинами 1 и 9) может пройти по любому из полных путей.
Относительная поврежденность j-той системы равна εj. Lля данной сетевой модели:
Категория технического состояния, как и показатели надежности (вероятность отказа и безотказной работы) для всех конструкций, кроме стропильных металлических ферм, оценивались согласно методике и сведены в табл.1.
Таблица 1. Результаты оценки технического состояния конструкций цеха
|
№ |
Подсистема конструкций, согласно рис.4. |
Описание состояния |
Категория технического состояния |
Вероятность безотказной работы |
|
2 |
Коммуникации |
Прорывов, разрывов, ржавчины нет |
Работоспособная |
0,95 |
|
3 |
Отделка |
Частично отсутствует АКЗ металлоконструкций |
Ограничено работоспособная |
0,8 |
|
4 |
Прилегающая территория |
Частично разрушена отмостка |
Ограничено работоспособная |
0,85 |
|
5 |
Ограждающие конструкции (плиты, стены) |
Плиты - регулярное замачивание, разрушение защитного слоя бетона и обнажение арматурной сетки полок и ребер плит, трещины в продольных и поперечных ребрах, пробиты непроектные сквозные отверстия. Стены, кирпичная кладка – трещины, фрагментарное, отсутствие остекления, размораживание., частичное разрушение; стеновые панели - выпадение бетона из швов, нарушение герметичности швов, большая площадь замачивания, разрушение защитного слоя бетона и коррозия арматуры, трещины, искривление из вертикальной плоскости, сколы ребер. |
Ограничено работоспособная |
0,8 |
|
7 |
Колонны |
Трещины вдоль рабочей арматуры, разрушение защитного слоя бетона с обнажением и без обнажения арматуры, замачивание основания, замасливание бетона на локальных участках, поверхностная коррозия обрамления и закладных деталей |
Ограничено работоспособная |
0,83 |
|
8 |
Основания и фундаменты |
Дефектов и повреждений, свидетельствующих о неравномерных осадках - не обнаружено. |
Работоспособная |
0,95 |
При обследовании стропильных ферм обнаружены следующие дефекты и повреждения: ветхое состояние антикоррозионного лакокрасочного покрытия части здания в осях В-Гх1-21, поверхностная коррозия элементов металлических ферм; местные погибы верхних и нижних полок, раскосов и стоек фермы (рис. 5, таблица 2); выгиб стойки фонаря.
Рисунок 5. Схема расположения точек погибов элементов фермы
Расчет был произведен с использованием метода конечных элементов в ПК ANSYS. К стропильной ферме в месте опирания прогонов была приложена узловая нагрузка от веса кровельного настила и прогонов, временная нагрузка на покрытие (снеговая, рис. 6а). Нагрузка от собственного веса фермы задана автоматически (рис.6б).
а)
б)
Рисунок 6. Нагрузка на ферму, а- на кровлю и временная, б – собственный вес
|
Точка, дефект |
Фото дефекта |
Вид на конечно-элементной модели |
Вид на эпюре напряжений |
|
1 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
4 |
|
|
|
Если стержни системы сделаны из одного материала, но имеют различные поперечные сечения, то формула вероятности не разрушения системы: 
где 
для растянутых стержней, и 
для сжатых стержней (в каждом стержне свое конкретное напряжение).
Здесь F – внешняя нагрузка;
si – напряжение, вызываемое усилием 
в i-том стержне;
- усилие в i-том элементе от внешней нагрузки F=1;
Ai – площадь сечения i-того стержня.
Функция распределения прочности элементов:
, где s - напряжение, действующее в стержне.
Значение P(s) – есть вероятность того, что случайный предел текучести Ry будет меньше действующего напряжения s, т.е. вероятность разрушения. Через интеграл вероятности Гаусса: 
.
Результаты расчета напряжений (согласно расчету в ПК ANSYS) и вероятности разрушения фермы в точках с максимальными напряжениями (согласно формуле (1)) сведены в табл.3. Материал фермы - сталь С245, Ry=240МПа, 
– м.о. предела текучести; s(Ry)=20МПа,
Таблица 3. Вероятность разрушения элементов фермы
|
Параметр |
Номер точки на рис. 5 |
Верхн. пояс |
Нижний пояс |
|||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|||
|
Напряжение, МПа |
6,1 |
235,4 |
49,2 |
102,1 |
202,6 |
113,2 |
|
Вероятность разрушения |
0,0 |
0,163 |
0,0 |
0,0 |
0,0 |
0,0 |
Расчет полных путей сведен в табл.4.
Таблица 4. Расчет вероятности разрушения здания
|
Полный путь |
Вероятность разрушения |
Полный путь |
Вероятность разрушения |
|
1-2-5-9 (f1 = P2∙P5) |
0,01 |
1-3-6-7-9 (f9 = P3∙P6∙P7) |
0,006 |
|
1-3-5-9 (f2 = P3∙P5) |
0,04 |
1-3-6-7-8-9 (f10 = P3∙P6∙P7∙P8) |
0,0 |
|
1-3-6-9 (f3 = P3∙P6) |
0,032 |
1-3-7-8-9 (f11 = P3∙P7∙P8) |
0,002 |
|
1-3-7-9 (f4 = P3∙P7) |
0,034 |
1-4-8-9 (f12 = P4∙P8) |
0,008 |
|
1-3-8-9 (f5 = P3∙P8) |
0,01 |
1-4-8-7-9 (f13 = P4∙P8∙P7) |
0,001 |
|
1-3-5-6-9 (f6 = P3∙P5∙P6) |
0,006 |
1-4-8-7-6-9 (f14 = P4∙P8∙P7∙P6) |
0,0 |
|
1-3-5-6-7-9 (f7 = P3∙P5∙P6∙P7) |
0,001 |
1-4-8-7-6-5-9 (f15 = P4∙P8∙P7∙P6∙P5) |
0,0 |
|
1-3-5-6-7-8-9 (f8 = P3∙P5∙P6∙P7∙P8) |
0,0 |
Относительная поврежденность здания |
0,189 |
Остаточный ресурс здания определяется как время до наступления неработоспособного состояния (относительная надежность Pнер = 0,75):
где λзд – скорость разрушения здания:
где t – время от ввода в эксплуатацию до обследования.
Остаточный ресурс здания равен:
Проведенный анализ эффективности применения комплексного подхода с использованием вероятностных методов и теории графов к определению остаточного ресурса зданий позволяет учесть техническое состояние каждого вида конструкций с учетом их дефектов.
1. Czarnecki, A.A. Lifetime reliability profiles for evaluation of corroded steel girder bridges/ Czarnecki, A.A., Nowak, A.S.//Proceedings of the 3rd International Conference on Bridge Maintenance, Safety and Management - Bridge Maintenance, Safety, Management, Life-Cycle Performance and Cost. -2006. – pp. 140-146
2. Xiang, Y.Q. Service life prediction of concrete bridges based on concrete carbonation depth near coastal areas /Xiang, Y.Q., Guo, D.M., Wu, Q.Q. // Proceedings of the 3rd International Conference on the Durability of Concrete Structures, ICDCS 2012 Concrete Structures, ICDCS 2012 Concrete Structures, ICDCS 2012
3. Patrón, A. Improved assessment methods for static and fatigue resistance of metallic railway bridges in Europe/Patrón, A., Cremona, C., Hoehler, S., (...), Larsson, T., Maksymowicz, M. // Proceedings of the 3rd International Conference on Bridge Maintenance, Safety and Management - Bridge Maintenance, Safety, Management, Life-Cycle Performance and Cost.-2006.- pp. 751-753
4. Abdelouafi, E.G. Reliability Analysis of Reinforced Concrete Buildings: Comparison between FORM and ISM /Abdelouafi, E.G., Benaissa, K., Abdellatif, K. // Procedia Engineering.-2015.-#114, pp. 650-657
5. Lin, S.-Z. Experimental study on frost resistance durability and service life prediction of normal cement concrete/Lin, S.-Z., Li, H.-M., Zhang, H.-Y.// Advanced Materials Research.-2010.-#368-373.- pp. 2425-2429
6. Skibin G. M., Shutova M. N., Subbotin A. I. Approaches for development of a universal method for calculating the residual life of buildings and structures //Procedia Engineering. – 2016. – T. 150. – C. 1715-1720.
7. Sobolev V. I. i dr. Matematicheskaya model' opredeleniya ostatochnogo resursa zdanij i sooruzhenij //Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Severo-Kavkazskij region. Tekhnicheskie nauki. – 2006. – №. 2.
8. Dobromyslov A. Diagnostika povrezhdenij zdanij i inzhenernyh sooruzhenij. – Litres, 2015.-121 s
9. Dobromyslov A.N.Ocenka nadezhnosti zdanij i sooruzhenij po vneshnim priznakam: Spravochnoe posobie / Dobromyslov A.N. – M.: Izd-vo ASV, 2008. – 72 s.
10. Rajzer V. D. Teoriya nadezhnosti v stroitel'nom proektirovanii. – M. : Izd-vo Assoc. stroit. vuzov, 1998. – 230s.
11. Rajzer V. D. Teoriya nadezhnosti sooruzhenij. - Rajzer V. D. Teoriya nadezhnosti v stroitel'nom proektirovanii. – M. : Izd-vo ASV, 2010. -381s.
