Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Обзор исследований в области диагностики и прогнозирования состояния причальных сооружений. 6
1.1 Типы конструкций 6
1.2 Методы оценки и прогнозирования надежности конструкций 8
1.3 Вероятностное моделирование коррозии 12
1.4 Роль численного моделирования в задачах технической диагностики 16
1.5 Обзор технического состояния причальных сооружений Дальнего Востока... 19
1.6 Закономерности коррозионных процессов 31
1.7 Выводы 42
ГЛАВА 2 Прогнозирование технического состояния причальных сооружений с учетом коррозии 44
2.1 Проектная и эксплуатационная надежность 44
2.2 Оценка и прогнозирование эксплуатационной надежности ГТС с учетом деградационных процессов 48
2.3 Подходы к описанию и моделированию морской коррозии стальных конструкций ГТС 2.3.1 Полиномиальная регрессионная модель коррозии 57
2.3.2 Вероятностная модель коррозии на основе дедуктивного подхода 60
2.3.3 Вероятностная модель коррозии на основе индуктивного подхода 62
2.4 Учет напряжено-деформированного состояния шпунтовых стенок в моделях
коррозии 67
ГЛАВА 3 Долговечность морских гтс на примере шпунтовых стенок 72
3.1 Полиномиальная регрессионная модель коррозии шпунта 72
3.1.1 Статистическая обработка и определение скоростей коррозии 72
3.1.2 Полиномиальная регрессионная модель коррозионного износа стального шпунта 75
3.1.3 Точность полиномиальной модели коррозии 79
3.2 Дедуктивная прогнозная модель коррозии шпунтовых стенок 82
3.2.1 Вероятностная модель коррозии шпунта 82
3.2.2 Оценка качества вероятностной модели 91
3.2.3 Уточнение вероятностной модели коррозии 92
3.2.4 Адаптация вероятностной модели для прогнозирования разрушения стенок произвольной толщины 99
3.2.5 Коррозия шпунтовых стенок с учетом влияния защитных покрытий 101
3.3 Индуктивная прогнозная модель коррозии шпунтовых стенок 107
3.3.1 Бимодальное распределение 107
3.3.2 Точность бимодальной вероятностной модели 110
ГЛАВА 4 Методика оценки надежности больверков с учетом коррозии 113
4.1 Рекомендации по расчету и моделированию причальных сооружений с учётом коррозионного износа 113
4.1.1 Сравнение моделей прогнозирования коррозии 113
4.1.2 Методика прогнозирования коррозионного износа 114
4.1.3 Сравнение с нормативным расчетом и рекомендации по применению методики 119
4.1.4 Рекомендации по контролю и управлению техническим состоянием причальных сооружений типа больверк 124
4.2 Численное моделирование больверков с учетом коррозионного износа 127
4.2.1 Прогнозирование надежности причального сооружения с учетом износа и сейсмических воздействий 127
4.2.2 Прогнозирование изменения надежности и несущей способности причального сооружения
с учетом коррозии шпунтовой стенки 141
Заключение
- Методы оценки и прогнозирования надежности конструкций
- Оценка и прогнозирование эксплуатационной надежности ГТС с учетом деградационных процессов
- Адаптация вероятностной модели для прогнозирования разрушения стенок произвольной толщины
- Сравнение с нормативным расчетом и рекомендации по применению методики
Введение к работе
Научный руководитель:
член-корреспондент РААСН, доктор технических наук, профессор Беккер Александр Тевьевич
Официальные оппоненты:
Штилъман Владимир Борисович, доктор технических наук,
Открытое акционерное общество «ВНИИГ имени Б.Е.Веденеева»,
отдел «Диагностика сооружений, механического оборудования
и сопровождение спецработ», ведущий научный сотрудник
Соколов Владимир Алексеевич, кандидат технических наук, профессор,
Санкт-Петербургское государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
Петербургский государственный политехнический университет
(ФГБОУ ВПО «СПбГПУ»), кафедра
«Строительные конструкции и материалы», заведующий кафедрой
Ведущая организация:
Специальное проектное и конструкторско-технологическое бюро
«Ленгидросталь» филиал ОАО «Трест Гидромонтаж»
(СПКТБ «Ленгидросталь»)
Защита состоится часов на заседании
диссертационного совета ДМ 512.001.01
при Открытом акционерном обществе «ВНИИГ имени Б.Е.Веденеева»,
по адресу: 195220, Санкт-Петербург, ул.Гжатская д. 21
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева»
Автореферат разослан« » 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
кандидат технических наук Т.В. Иванова
Актуальность работы. По статистике в России более половины от общего количества причальных сооружений морских портов имеют значительные уровни физического износа, что в свою очередь значительно снижает их надежность и повышает опасность возникновения аварийных ситуаций. Одной из причин, по которой в качестве исследуемого объекта были выбраны причальные сооружения в виде тонкой стенки, являлась их широкая распространенность (65% от общего числа в России).
Федеральная программа «Модернизация транспортной системы России» (2002 - 2010) предусматривает рост объема перевалки грузов в портах на 82%. Федеральный закон о безопасности гидротехнических сооружений № 117-ФЗ предполагает повышение эксплуатационной надежности и уровня научного обеспечения обследования ГТС за счет разработки современных методов расчета прочности, безопасности, устойчивости и долговечности сооружений, а также внедрения информационных технологий для анализа данных и моделирования.
Гидротехнические сооружения являются сложными техническими объектами, которые одновременно подвергаются воздействию большого количества техногенных факторов и факторов внешней среды с переменной интенсивностью. В ходе строительства и эксплуатации многие параметры сооружения могут выйти из области разрешенных допусков. Разработка научно обоснованных подходов к совершенствованию систем мониторинга сооружений, оценке технического состояния, к прогнозированию остаточного ресурса и рисков аварий при стихийных бедствиях, является актуальной задачей.
Морские гидротехнические сооружения непрерывно подвергаются действию агрессивной морской среды. Для многих сооружений техническое состояние определяется скоростью разрушения конструкций вследствие морской коррозии. Таким образом, косвенный ущерб от коррозии может быть довольно значительным и выражаться в снижении надежности сооружений, повышении расходов на ремонт, увеличении времени простоя из-за отказов, затрат на устранение последствий аварий и т.д.
Коррозия, также как многие из сопутствующих деградационных процессов, представляется нам случайной величиной и зависит от времени. В связи с этим имеет смысл рассмотреть возможность применения вероятностных моделей для прогнозирования долговечности стальных конструкций ГТС с учетом динамики и переменной весомости факторов, влияющих на деградационные процессы.
Необходимо проанализировать эффективность применения различных моделей коррозии, предложить методику их применения для прогнозирования сценариев изменения технического состояния причалов. Требуется сделать сопоставление с нормативным расчетом, разработать рекомендации
по применению моделей, оптимизации проектирования и эксплуатации сооружений, минимизации рисков, повышению надежности.
Целью работы является совершенствование методик долгосрочного прогнозирования технического состояния причальных сооружений типа больверк с учетом коррозионного износа.
Основными задачами работы являются:
Анализ и статистическая обработка данных по техническому состоянию шпунтовых стенок причальных сооружений Дальнего Востока.
Идентификация подходов к описанию изучаемых процессов и анализ значимости факторов, влияющих на эти процессы.
Создание математических прогнозных моделей морской коррозии стальных конструкций, верификация моделей.
Разработка рекомендаций для долгосрочного прогнозирования надежности больверков на основе прогноза деградационных процессов (на примере коррозии).
Объектом исследования являются причальные сооружения типа больверк.
Предметом исследования является уточнение, разработка и совершенствование методик оценки надежности и прогнозирования изменения технического состояния морских причальных сооружений с учетом коррозионного износа.
Методы исследований. В работе были использованы методы математической статистики и теории вероятностей, теории надежности, методы численного моделирования. Для решения многих практических задач использовались средства анализа и обработки данных.
Информационная база исследований включает отчеты и данные обследований портовых сооружений (предоставлено ООО «НПО «Гидро-текс»), а также (монографии, Интернет-ресурсы, материалы из научных журналов и конференций, нормативные документы, собственные модели и результаты расчетов).
Научная новизна работы состоит в следующем:
Предложена новая методика прогнозирования надежности больверков на основе вероятностных моделей коррозии.
Уточнены закономерности физического износа стальных конструкций и разработаны методики долгосрочного прогнозирования их технического состояния.
Обработаны результаты натурных наблюдений и уточнены параметры коррозионных процессов для морских причальных сооружений Дальнего Востока.
Разработаны рекомендации по оценке и прогнозированию технического состояния причальных сооружений типа больверк с применением численного моделирования и разработанных вероятностных моделей.
Практическое значение. Прогнозирование и статистика позволяет выявить закономерности деградационых процессов причальных сооруже-
ний Дальнего Востока, а, следовательно, выбрать более рациональные и эффективные решения по ремонту и реконструкции причалов.
Рекомендации по расчету долговечности с применением долгосрочной прогнозной вероятностной модели коррозионного износа могут быть использованы при проектировании и эксплуатации морских портов, организаций-контролеров, занимающихся диагностикой и ремонтом морских гидротехнических сооружений. Результаты являются дополнением к нормативному расчету коррозии.
На защиту выносятся
Математические модели и уточненные по натурным данным, параметры деградационных процессов причальных сооружений Дальнего Востока.
Методика долгосрочного прогнозирования технического состояния стальных конструкций морских ГТС на примере причального сооружения в виде тонкой стенки.
Пример применения разработанных методик для оценки технического состояния реальных причальных сооружений с учетом сейсмических воздействий и коррозионного износа.
Достоверность научных положений и рекомендаций обоснована общепринятыми апробированными исходными положениями, согласованием теоретических результатов с результатами испытаний и наблюдений. Соответствием и непротиворечивостью результатов нормативным и основным общепринятым положениям.
Результаты исследований использованы в отчетах НИР ДВГТУ (2006 - 2008), ДальНИИС РААСН (2005-2009), в учебном процессе Строительного института ДВГТУ по дисциплине «Обследование и ремонт ГТС».
Апробация работы:
Основные положения работы были представлены на следующих конференциях: ISOPE PACOMS (Владивосток, 2004), «International Young Scholars' Forum of the Asia-Pacific Region Countries» (Владивосток, 2005, 2007, 2008), «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (С-Петербург, 2006, 2007), «Молодежь и научно-технический прогресс» (Владивосток, 2005, 2006, 2008, 2009), Интернет-конференция «Состояние современной строительной науки» (Полтава, 2007), «Города России: проблемы строительства, инженерного обеспечения, благоустройства и экологии» (Пенза, 2007), Международная научно-техническая конференция, посвященная 85-летию со дня рождения проф. П.П. Ступаченко (Владивосток, 2008), ISOPE Conference (2009 - 2011), «Строительная наука и практика: Всероссийская научно-практическая конференция» (Чита, 2010).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 научных работ, среди которых 2 в рецензируемых ВАК изданиях, 3 в международной реферативной базе отслеживания цитируемости научных статей SCOPUS.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Она содержит 158 страниц текста, 72 рисунков, 39 таблиц и список литературы из 119 наименований.
Методы оценки и прогнозирования надежности конструкций
Альхименко А.И. и Фомин Ю.Н. предложили метод абсолютной и условной оптимизации, где критерий надежности принимает вид целевой функции, которая максимизируется или минимизируется [91]. При заданном уровне надежности минимизируют стоимостные показатели, например затраты на ремонт и эксплуатацию, вероятный размер убытков и т.д. Дальнейшее развитие методики отражено в [2, 90, 92-94]. Альхименко А.И [2] рассматривал изменения целевых функций риска от различных значений допустимых смещений шпунтовой стенки больверка. На выходе модель определяет риск как экономический ущерб по заданным параметрам: времени, допустимому перемещению и вероятностей качества выполнения проектных, геологоразведочных и строительно-монтажных работ.
Мирцхулава Ц.Е. [50] рассмотрел возможности применения вероятностных методов для определения рисков и сроков эксплуатации поврежденных объектов. Оценивается критичность нарушения объекта, моделирование статистического запаса прочности. Кроме этого также рассматривается вопрос применимости статистических гипотез для определения продолжительности жизни объекта и анализ уязвимости.
Рубцов О.И. и Рубцов И.В. [72] в качестве критерия надежности рассматривали функцию вероятности безотказной работы элемента конструкции по выбранным критериям параметра воздействия S (внешняя среда) и параметра конструкции R (сопротивление этому воздействию) с учетом скоростей физико-химических изменений свойств материалов.
Финагенов О.М. [88] для оценки эксплуатационной надежности использует метод на основе формулы Байеса определяющий вероятности соответствия сово купности признаков kj диагнозам D;. В работе рассматривается способ оценки диагностической ценности признаков на основе теории информации и одним из её важнейших понятий - энтропии, характеризующей степень неопределенности системы.
Так как имеется большое количество различных качественных и количественных факторов, то для возможности их более адекватного сравнения требуется привести их к единому масштабу. Золотов Л.А., Иващенко И.Н., Радкевич Д.Б.[26] предлагают методику оценивания уровня безопасности гидротехнических сооружений на основе приведения факторов.
В работе Червоного А.А., Лукьященко В.И., Котина Л.В. [98] описана модель вероятности отказов конструкций, где прочность и напряжения принимались как случайная величина. Учет изменения вероятностных характеристик величин определялся на основе их разности и вводился как отдельная функция.
Гражданкин А.И, Дегтярев Д.В., Лисанов М.В, Печеркин А.С. [22,23] рассматривают меру риска как функцию потерь на основе функции экспоненциального распределения. Рассматривались ограничения применимости вероятностных методов в ряде случаев, и применения «деревьев отказов» и имитационного моделирования как методов априорной оценки риска.
Владова А.Ю. [11-13] предложила вероятностную графовую модель прогнозирования технического состояния трубопроводов. Графовая модель сводится к системе уравнений, определяющих вероятность пребывания в том или ином техническом состоянии. Далее определяется количество повреждений в данном состоянии. С помощью оптимальной модели эквивалентной вероятности проведено прогнозирование вероятностного распределения коррозионных состояний и оценка остаточного ресурса.
В статье Бугрова А.К., Шилина В.Г. [9] рассматривается возможность применения метода статистических испытаний к задачам надежности на примере деформирования упругопластического основания. В данном случае под надежностью понималась вероятность ненаступления предельных состояний, параметры которых принимались по нормам. Результаты расчетов подтверждают эффективность метода Монте-Карло особенно в случае большого числа параметров.
В книге Райзера В.Д. [55] приведен обзор физико-химических и эмпирических математических моделей коррозии сталей. Рассмотренные модели относительно просты и во многих случаях их использование предпочтительно, они наилучшим образом подходят для описания атмосферной коррозии с учетом влажности, температур, агрессивности среды, продуктов коррозии, напряжено -деформированного состояния. В случаях, когда действует множество различных факторов и материал подвергается одновременному воздействию различных видов коррозии, такие модели могут быть недостаточно точными. Оцениванием запасов длительной прочность, связанной с развитием деформаций в слабом грунтовом основании вследствие консолидации, стали заниматься в 70-80х годах, результаты рассматривалось в работах следующих исследователей Будина А.Я., Златоверховникова Л.Ф, Марченко А.С., Кернова В.М.
Вопросы надежности, безопасности, долговечности сооружений являются очень важной и сложной задачей, для которой предлагаются различные способы решения.
В качестве величин, определяющих техническое состояние, принято использовать износ, который подразделяется на физический, моральный, экономический. В действительности эти величины является лишь грубым обобщением и имеют малую информативность. Требуется рассматривать сооружение как систему из конструктивных элементов, факторов влияющих на техническое состояние, сценариев отказов, надежности и износа отдельных элементов. Для описания взаимовлияния и характеристик элементов требуется использовать вероятностный подход.
Расчеты по предельным состояниям и принимаемые по нормам запасы надежности предназначены для компенсации нашего незнания о реальных, часто случайных, процессах и их изменениях с учётом старения и износа. Зная законы распределения таких процессов, имеется возможность определить вероятность пребывания сооружения в некотором состоянии. Вероятностный подход к надежности дает намного более полную и достоверную информацию.
Основная сложность состоит в том, что не всегда имеется информация по распределению нагрузок и воздействий.
Для решения задач связанных с долговечностью конструкций требуется так же знание о законах распределения, динамике и физико-химических особенностях деградационных процессов, что в свою очередь требует экспериментов и наблюдений. В настоящее время существует много задач, где требуются дополнительные исследования и уточнения, долговечность стальных конструкций в условиях морской коррозии есть среди этих задач.
Оценка и прогнозирование эксплуатационной надежности ГТС с учетом деградационных процессов
На примере коррозионного износа предлагается методика долгосрочного прогнозирования эксплуатационной надежности морских гидротехнических сооружений. Так как коррозионные процессы весьма разнообразны, рассмотрим только морскую коррозию стальных конструкций.
Коррозионный износ приводит к изменению геометрических характеристик сечений стальных конструкций. Перерасчет сооружения с учетом изменения размеров конструктивных элементов подверженных морской коррозии позволяет установить изменение запасов прочности, устойчивости, несущей способности. Все эти характеристики позволяют оценить изменение эксплуатационной надежности, как отдельных конструкций, так и всего сооружения.
Стандартный расчёт предполагает, что величина уменьшения размеров сечений будет определена как произведение срока эксплуатации на среднюю скорость коррозии, характерную для данных условий. Наблюдения показывают, что применение такого подхода приводит во многих случаях к значительным ошибкам. Кроме того, коррозия является случайной величиной, следовательно, прогнозируя сценарии развития коррозионного износа, необходимо говорить об их вероятности.
Следовательно, необходимо разработать методику прогнозирования вероятных сценариев коррозионного износа с учетом географического положения, срока эксплуатации, а также других значимых факторов. Необходимо провести сопоставление вероятностного расчета с нормативной методикой: 1. Определить каким вероятным состояниям соответствует стандартный расчет потерь на коррозию в различные моменты времени. 2. Определить, какие вероятности следует принимать при проектировании в зависимости от заданного срока эксплуатации. 3. Адаптировать вероятностную модель для расчетов коррозионного износа в других бассейнах. 2.3 Подходы к описанию и моделированию морской коррозии стальных конструкций ГТС Коррозия - это очень сложный процесс, зависящий от большого числа факторов. Она является деградационным процессом сильно влияющим на надежность и долговечность сооружений.
Конечно же, это далеко не все факторы имеют одинаковую весомость, кроме того, сами коррозионные процессы очень разнообразны. Все эти процессы зависят от времени, возможно, их влияние на скорость коррозии не одинаковое (весомость фактора). Колебание интенсивности влияния фактора во времени для многих очень значительно. Все эти явления, в настоящее время, мало изучены.
Углубленное изучение коррозионных процессов требует обширных и длительных наблюдений. Кроме этого возникает проблема с созданием моделей. Для простых процессов, где большинство параметров фиксировано и известно, можно описать процесс на основе электрохимической схемы с учетом каких-то других физических процессов. Очевидно, для морской коррозии создание чисто теоретических моделей является очень сложной задачей, но упрощенные эмпирические модели не дают понимания процессов. Наилучшим решением, очевидно, является создание теоретико-эмпирических моделей.
Другой важной особенностью коррозии является то, что она является случайной величиной, следовательно, прогнозируя коррозионный износ, необходимо говорить о вероятности возможных состояний. Отсюда следует, что вероятностные модели могут быть более эффективными. Такой подход потребует применения аппарата теории вероятностей и математической статистики. Другим важнейшим преимуществом вероятностных моделей является возможность перехода к вероятностному прогнозированию других важнейших эксплуатационных характеристик сооружения, таких как надежность, несущая способность, безопасность, запасы прочности и т.д.
Создание простых эмпирических моделей не требует сложных наблюдений и делает легким их использование, но теряется информативность и достоверность. Применение сложных моделей требует значительно больших наблюдений и более сложного описания, это осложняет их использование, но позволяет сделать более достоверный прогноз и учесть большее число значимых факторов.
Характеристики модели зависят от подхода применяемого к описанию процесса коррозии. Чтобы говорить о преимуществах и недостатках моделей, необходимо детально рассмотреть подходы, а так же проанализировать и верифицировать модели.
В качестве примера рассмотрим коррозию шпунтовой стенки причальных сооружений типа больверк. Данные наблюдений принадлежат ООО «НПО« Гид-ротекс». Рассматривая вероятностный подход, следует отметить, что многие исследователи используют нормальный закон для описания величины коррозионных повреждений в вероятностной форме, ссылаясь на центральную предельную теорему (ц.п.т.).
В соответствии с ц.п.т., распределение среднего для последовательности из п одинаково распределенных случайных величин с конечной дисперсией, с увеличением п (и-»оо) будет приближаться к нормальному. Существуют различные формулировки ц.п.т., позволяющие сделать обобщение для разнораспределенных случайных величин. Важным условием, определяющим применимость ц.п.т. является пренебрежимо малый вклад каждого фактора в отдельности.
Как отмечено в первой главе, во многих случаях наблюдаемое распределение действительно близко к нормальному [74], но бывают и так, что коррозия имеет более сложные распределения [47]. Например, в работе Маннапова Р.Г. [48] при краткосрочных испытаниях наблюдалась бимодальность закона распределения коррозионных повреждений в начале испытаний с постепенных переходом к уномодальному, соответствующему закону Вейбулла.
Можно предположить, что в некоторых случаях влияние каких-то факторов более значительное, в соответствии с чем, возникает необходимость оценивания их значимости. В таких случаях, закон распределения коррозионных повреждений может не соответствовать нормальному и, сильно зависеть от распределения наиболее значимых факторов.
Согласно наблюдениям, одним из наиболее значимых факторов, определяющих процессы коррозии, является принадлежность рассматриваемого участка к зоне (подводная; переменного уровня). Имеет смысл каждую из зон рассмотреть в отдельности, определить весомость факторов для каждой из зон. Весомость некоторых факторов может иметь сильно выраженную динамику, например, влияние истирающего действия льда сильно зависит от сезона. Опираясь на результаты наблюдений, можно выделить некоторые общие особенности, характерные для стальных конструкций морских гидротехнических сооружений, подвергающихся морской коррозии:
Адаптация вероятностной модели для прогнозирования разрушения стенок произвольной толщины
Введение поправок позволило в некоторых случаях уменьшить ошибку на 10%. В большинстве случаев точность модели соответствует 10-18%, разброс во многом объясняется качеством выборок, неполнотой и противоречивостью данных, а также индивидуальными особенностями коррозионных процессов для определенных условий и конкретного сооружения, что делает невозможным учет всех этих факторов в общей форме. Из сказанного следует, что модель обеспечи вает достаточно хорошую точность и позволяет эффективно прогнозировать коррозионное разрушение шпунтовых стенок.
Возможно и дальнейшее улучшение модели по мере накопления новых данных. Более сложные зависимости можно учитывать, если коэффициент поправки заменять какой-либо функцией поправки.
Данная модель построена и оценена на основе данных морских причалов Дальнего Востока, из чего следует, что для других районов, где условия (колебания температур воды и воздуха, течения, ледовые условия и т.д.) могут несколько отличаться, возможность использования модели может быть несколько ограничена. Обойти это ограничение можно подбором соответствующих поправочных коэффициентов для данных условий.
Диаграмма размаха ошибок по улучшенной модели (среднее, стандартное отклонение, min-max) Предполагается, что величина ошибки прогнозирования коррозионного повреждения шпунта является нормально распределенной случайной величиной. По результатам наблюдений установлено, что, независимо от срока службы причального сооружения, ошибка прогноза с вероятностью 0.95 (правило 2а) для разных зон шпунта будет в пределах диапазона:
В существующем виде модель прогнозирования коррозионного износа стенок причальных сооружений типа больверк предназначена только для моделирования шпунта Ларсен-V. Кроме него находят широкое применение и другие виды шпунта, значительно отучающиеся по своим геометрическим характеристикам и физико-химическим свойствам материала, например Ларсен-IV, ШК-10, а также применяемые в настоящее время шпунты иностранного производства. В связи с этим возникает необходимость расширения возможностей методики для прогнозирования разрушения стенки с произвольными характеристиками.
Переходя к дальнейшему рассмотрению возможностей улучшения модели, необходимо принять некоторые допущения и сделать ряд уточнений.
На основании данных наблюдений за причалами, которые построены с использованием различных типов шпунта (главным образом Ларсен-IV и Ларсен-V), кинетика коррозионных процессов имеет схожий вид. На начальном этапе эксплуатации величины коррозионных повреждений почти одинаковые. Для шпунта, не зависимо от вида, расчет выполняется только для полки, т.к. он в большей мере определяет прочность конструкции и также в большей мере подвержен коррозии.
Различия в физико-химических свойствах материалов шпунтов влияю на скорость и другие особенности протекания коррозионных процессов. Применяемые в настоящее время шпунты, в том числе и иностранного производства из легированных сталей обладают заметно большей коррозионной стойкостью, по сравнению с применявшимися ранее шпунтами российского производства. Для учета этих особенностей требуются наблюдения и испытания. Пока эти особенности в модели учитываться не будут.
Примем допущение, что параметры модели, описанные аппроксимирующими функциями , k(t), A,(t), Hcp(t) будут иметь тот же вид для любого шпунта и изменяться в зависимость от стадии срока жизни шпунта. Так как срок службы различный для разных шпунтов, то, в связи с этим, возникает необходимость масштабирования этих функций по времени. Это нужно для того, чтобы не изменять вид функций для каждого вида шпунта, а только лишь настраивать временной интервал.
Предполагается также, что существует прямая пропорциональная зависимость между сроком службы и толщиной шпунта.
Основная идея состоит в том, что задаваемое в расчете время t для произвольного шпунта заменяют приведенным временем tnp для шпунта Ларсен-V. Как ранее было принято, что срок службы и толщина полки шпунтов различных типов пропорционально связаны, то отсюда можно определить tnp для произвольного шпунта
Можно объяснить значение приведенного времени более понятно на примере. Пусть у нас есть шпунтовая стенка из Ларсен-IV (толщина стенки 14,8 мм) и нам требуется сделать прогноз для стока t= 10 лет. Чтобы воспользоваться вероятностной моделью, нам необходимо перейти к замене шпунта Ларсен-IV шпунтом Ларсен-V по принципу подобия. Предполагается, что стадии износа имеют одинаковую продолжительность по отношению ко всему сроку службы для разных шпунтов. Предполагается, что коррозионный износ Ларсен-IV через 10 лет достигнет некоторой величины, которую мы выразим в процентах от начальной толщины полки. Приведенное время показывает, сколько лет потребуется, чтобы шпунт Ларсен-V с более толстой полкой достиг такого же уровня коррозионного износа в процентах, что и Ларсен-IV. В данном случае tp=14,l 89 лет.
Сравнение с нормативным расчетом и рекомендации по применению методики
Необходимо отмечать в журнале все работы связанные с обновлением защитных покрытий. Должны быть отражены свойства, марка, средний срок службы и технология нанесения покрытия, способы подготовки поверхностей и условия проведения работ. Основная задача - уменьшить потери на коррозию и повысить общую эксплуатационную надежность сооружения. Данная информация также используется при оценке долговечности и для планирования периодичности и объемов ремонтных работ.
Рассмотрено применение предложенной автором методики прогнозирования технического состояния больверков с учетом коррозионного износа в различных задачах, связанных с оценкой ресурса, запасов, прогноза эксплуатационной надежности.
Численное моделирование выполнялось в МКЭ-пакете PLAXIS. Определение предельных значений нагрузок на шпунтовую стенку и анкерные тяги приводится в Приложении А. Расчет параметров поврежденного шпунта в Приложении В.
Моделирование сейсмические воздействия относится к классу динамических задач, подходы к решению которых весьма разнообразны и часто связаны с понятием вероятности [9,34,101]. В данной задаче рассматривается совместное использование вероятностных моделей прогноза технического состояния сооружений и из численного моделирования в программе Plaxis при сейсмических воздействиях.
В 2004 году 000«НПО«Гидротекс» проводилось внеочередное контрольно-инспекторское обследование причала №13 в порту Находка. Причальное сооружение представляет собой заанкереный больверк из шпунта Ларсен-V. Геологическое строение основания сооружения представлено плотным суглинком со щебнем и дресвой с супесью. Для Находки сейсмичность принимается 7 баллов по шкале MSK по СНиП П-7-81.
Надежность сооружения при сейсмических воздействиях определяется сроком службы, особенностями района, повторяемостью землетрясений, уровнем ответственности сооружения. Показателем надежности является вероятность отказа в течении стока эксплуатации. Деградационныс процессы, такие как коррозия, оказывают сильное влияние на надежность, следовательно, расчеты должны выполняться с учетом вероятности воздействия и вероятности пребывания сооруже ния в том или ином техническом состоянии.
Сейсмические воздействия описываются ускорениями, скоростями и перемещениями. В нормах ускорения представляются коэффициентом сейсмичности. Коэффициент сейсмичности имеет горизонтальную и вертикальную составляющие. Горизонтальные колебания имеют большую амплитуду и большинством сооружений воспринимаются хуже, чем вертикальные колебания.
Согласно СНИП РК 2.03-30-2006 «Строительство в сейсмических районах», значения вертикальной и горизонтальной составляющих коэффициента сейсмичности должны приниматься по таблице. Аг - значение коэффициента сейсмичности принимаемое при определении горизонтальных расчетных сейсмических нагрузок, Ав - значение коэффициента сейсмичности принимаемое при определении вертикальных расчетных сейсмических нагрузок. Значения коэффициентов соответствуют площадкам со средними грунтовыми условиями (категория II). При наличии утвержденной карты сейсмического микрорайонирования с количественными параметрами сейсмических воздействий на площадке строительства значения коэффициентов Аг и Ав допускается принимать в соответствии с данными карты.
МДС 22-1.2004 «Методические рекомендации по сейсмическому микрорайонированию участков строительства транспортных сооружений» дает следующие амплитудные характеристики колебаний грунтов для районов сейсмичностью 7,8,9 и 10 баллов: - при сейсмичности 7 баллов нормальные амплитуды ускорения - 100 см/с2, скорости - 8,0 см/с, перемещения - 4,0 см; сейсмичности 8 баллов нормальные амплитуды ускорения - 200 см/с2, скорости -16,0 см/с, перемещения - 8,0 см; - при сейсмичности 9 баллов нормальные амплитуды ускорения - 400 см/с2, скорости - 32,0 см/с, перемещения - 16,0 см; - при сейсмичности 10 баллов нормальные амплитуды ускорения - 800 см/с2, скорости - 64,0 см/с, перемещения - 32,0 см. Срок эксплуатации причального сооружения т=50 лет. Таблица изменения характеристик шпунтовой стенки с учетом коррозии (по индуктивной вероятностной модели для Дальнего Востока при т=50 лет).
Моделирование сейсмических воздействий выполнено в динамическом модуле программы Plaxis с учетом коэффициентов сейсмичности по СНИП РК 2.03-30-2006. С учетом того, что горизонтальные ускорения значительно превосходят вертикальные, в расчете учитываются только горизонтальные ускорения и перемещения. Кроме того, для большинства сооружений вертикальные сейсмические нагрузки менее опасны, чем горизонтальные. Известно, что большинство колебаний при сейсмических воздействиях лежат в области 1-10 Гц, наиболее опасными сооружений являются колебания низкой частоты с большой амплитудой. В качестве расчетного сейсмического воздействия принимаем горизонтальное перемещение и по гармоническому закону с периодом Т=2с.
