Развитие теории и методологии оценки остаточного ресурса промышленных зданий с мостовыми кранами Золина Татьяна Владимировна

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Развитие теории и методов исследования работы каркаса промышленного здания под действием нагрузок 18

1.1. Ретроспективный анализ исследований пространственной работы конструкций одноэтажных промышленных зданий 18

1.2. Обзор теоретических и экспериментальных исследований влияния воздействий мостовых кранов на работу каркаса здания 26

1.3. Основные положения и методы оценки сейсмостойкости зданий производственного назначения 31

1.4. Анализ применяемых в инженерной практике методов оценки остаточного ресурса промышленного здания 40

Выводы по главе 1 47

Глава 2. Формирование концепции развития теории исследования напряженно деформированного состояния каркаса одноэтажного промышленного здания 50

2.1. Обобщение расчетной схемы каркаса 50

2.2. Анализ вариативности построения расчетной модели каркаса одноэтажного промышленного здания 56

2.3. Исследование совместной работы каркаса промышленного здания и мостового крана 69

2.4. Уточнение обобщенной расчетной схемы каркаса 74

2.5.Оптимизация выбора расчетной модели каркаса при исследовании его напряженно-деформированного состояния 86

2.6. Построение концептуальной схемы комплексного подхода к исследованию работы каркаса при вариативности сочетания нагрузок 94

Выводы по главе 2 100

Глава 3. Математические модели пространственного расчета каркасных зданий на статические и динамические нагрузки 102

3.1. Модели пространственного расчета на крановые нагрузки 102

3.1.1. Вероятностные особенности крановых нагрузок 102

3.1.2. Обоснование необходимости учета боковых сил, возникающих при крановых воздействиях на каркас здания

3.1.3. Вероятностная модель расчета каркаса на нагрузки, вызванные работой мостового крана 112

3.1.4. Влияние схем торможения крановых тележек на работу несущих конструкций каркаса 118

3.2. Вероятностная модель полной снеговой нагрузки на покрытие промышленного здания 126

3.3. Исследование случайных воздействий ветровой нагрузки на работу каркаса одноэтажного промышленного здания 133

3.4. Моделирование сейсмической нагрузки и ее воздействия на каркас одноэтажного промышленного здания 142

3.5. Сводный алгоритм расчета каркаса промышленного здания на действующие нагрузки 157

Выводы по главе 3 162

Глава 4. Методология вероятностной оценки остаточного ресурса одноэтажного промышленного здания, находящегося в эксплуатации 164

4.1. Разработка методов расчета, анализа и прогнозирования технического состояния здания, оборудованного мостовыми кранами 164

4.2. Алгоритм вероятностной оценки напряженно-деформированного состояния каркаса в процессе эксплуатации 168

4.3. Программная реализация методики расчета и оценки остаточного ресурса каркаса одноэтажного промышленного здания 176

4.4. Анализ причин накопления дефектов и повреждений несущих конструкций каркаса в процессе эксплуатации 182

4.5. Конструктивные решения, направленные на увеличение срока службы каркаса промышленного здания 191

Выводы по главе 4 198

Глава 5. Результаты экспериментального исследования ресурса промышленного здания 200

5.1. Физическая, расчетная и математическая модели объекта исследования на примере судокорпусного цеха судостроительного завода 200

5.2. Средства и методы регистрации кинематических параметров колебаний технической системы 208

5.3. Результаты численного эксперимента по восприятию нагрузок при реализации комплекса разработанных методик расчета 216

5.3.1. Обработка показаний измерительной аппаратуры 217

5.3.2. Результаты расчета на действие крановых нагрузок 223

5.3.3. Вероятностный расчет по восприятию сейсмических воздействий 229

5.4. Формирование сочетаний нагрузок 237

Выводы по главе 5 246

Глава 6. Прогнозирование остаточного ресурса здания при исследовании изменений его напряженно-деформированного состояния 248

6.1. Оценка остаточного ресурса здания 248

6.2. Эффект от введения конструктивных мер 264

6.3. Внедрение результатов исследования в программно-расчетные комплексы, реализующие метод конечных элементов 273

Выводы по главе 6 292

Заключение 294

Список литературы

• Основные положения и методы оценки сейсмостойкости зданий производственного назначения
• Анализ вариативности построения расчетной модели каркаса одноэтажного промышленного здания
• Исследование случайных воздействий ветровой нагрузки на работу каркаса одноэтажного промышленного здания
• Средства и методы регистрации кинематических параметров колебаний технической системы

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Одной из основных причин аварий на строительных объектах является значительное снижение их несущей способности в процессе эксплуатации. В случае зданий и сооружений производственного назначения данное снижение вызвано накоплением дефектов и увеличением смещений в узловых точках каркаса под воздействием различных сочетаний нагрузок, носящих как техногенный, так и природный характер образования.

С увеличением объемов производственных мощностей и внедрением современных технологий становится экономически оправданной модернизация уже находящихся в эксплуатации промышленных зданий. Наиболее яркие очертания проблема оценки и прогнозирования остаточного ресурса приобретает в случае здания, оснащенного мостовыми кранами, поскольку в качестве приоритетного варианта реконструкции выступает замена имеющегося кранового оборудования с увеличением его грузоподъемности. Такие здания, оборудованные двумя и более мостовыми кранами большой грузоподъёмности, широко используются при организации технологического процесса машиностроительных, судоремонтных, металлургических и горно-обогатительных заводов.

Существующая практика оценки остаточного технического ресурса

преимущественно строится на детерминированном подходе, который связан с
необходимостью натурных обследований здания в определенное время.

Соответствующий алгоритм сводится к оценке величины запаса прочности,
основанной на сравнении результатов поверочного расчета фактических
характеристик напряженно-деформированного состояния, полученных при

обследовании здания, с соответствующими нормативными значениями.

Однако детерминированные методы лишь частично удовлетворяют требованиям,
предъявляемым к степени достоверности получаемых результатов, поскольку не
учитывают, например, динамику изменений физических параметров материалов и
статической схемы, в результате коррозии металлоконструкций и разрушения

болтовых соединений.

Случайный характер изменения во времени жесткостных характеристик
элементов конструкции, а также продолжительности и направленности

возмущающих воздействий, в том числе и вызванных сейсмической активностью землетрясения, изначально предполагает определение периода времени безопасной эксплуатации здания в вероятностной постановке. Ограниченность объема имеющейся статистической информации об изменении свойств объекта исследования при этом может быть устранена посредством решения задачи на уровне

корреляционных приближений с построением соответствующих регрессионных зависимостей между параметрами модели.

В данной ситуации проблема оценки остаточного ресурса приобретает особую актуальность, поскольку ее решение позволяет спрогнозировать кинетику изменения напряженно-деформированного состояния с учетом дефектов, возникающих в процессе эксплуатации технической системы, и определить время исхода ее ремонтопригодности. Своевременность проведения необходимых работ по восстановлению выявленных конструктивных элементов с высокой степенью накопленных деформаций способна привести к значительному продлению срока дальнейшей эксплуатации объекта в целом.

Однако, метод прогнозирования ресурса здания, как наиболее

соответствующий случайному характеру воздействий, до сих пор не нашел широкого
применения в инженерной практике. Данный факт, прежде всего, связан с
отсутствием достаточного количества разработанных методик вероятностного
расчета и сложностью вычислительного характера, в особенности для

пространственных моделей зданий и сооружений. При этом отсутствует обобщенная
методология оценки динамики снижения несущей способности во времени

эксплуатации, позволяющая построить прогноз о развитии ситуации в будущие периоды, а потому даже в случае использования современных средств диагностики ожидаемый эффект не достигается.

Таким образом, актуальность темы исследования заключается в сохранении
и обеспечении безаварийной эксплуатации промышленных зданий при значительном
снижении интенсивности проведения их обследований и повышении

привлекательности инвестиций в модернизацию и перевооружение производства, что имеет важное народно-хозяйственное и социально-экономическое значение для всей страны.

Степень разработанности темы исследования. В ходе работы над темой автором изучены результаты многочисленных теоретических и прикладных исследований отечественных и зарубежных ученых, внесших значительный вклад в разработку и совершенствование методов теории надежности строительных конструкций. К таковым следует отнести работы: В.А. Балдина, М.Ф. Барштейна, А.А. Батя, В.В. Болотина, А.П. Булычева, А.А. Гвоздева, А.В. Геммерлинга, И.И. Гольденблата, В.Н. Гордеева, А.Я. Дривинга, А.И. Долганова, Н.Н. Ермолаева, А.А. Касумова, В.М. Келдыша, Б.Е. Кочеткова, А.П. Кудзиса, А.И. Лантух-Лященко, Н.Н. Леонтьева, В.А. Ломакина, О.В. Лужина, А.С. Лычева, Б.П. Макарова, В.В. Михеева, В.А. Отставнова, Ю.А. Павлова, В.А. Пашинского, А.В. Перельмутера, С.Ф.

Пичугина, В.С. Пугачева, А.П. Пшеничкина, В.Д. Райзера, А.Р. Ржаницына, А.А. Свешникова, Н.Н. Складнева, Д.Н Соболева, Ю.Д. Сухова, А.Г. Тамразяна, С.А. Тимашева, В.С. Федорова, В.П. Чиркова, А.К. Юсупова.

На основе анализа изученных источников определены вопросы, требующие существенной доработки для возможности построения обобщенного метода вероятностной оценки и прогнозирования ресурса промышленного здания, находящегося в эксплуатации. Расставлены акценты стратегической линии дальнейших исследований кинетики изменения жесткостных характеристик каркаса объекта производственного назначения при случайном характере воздействий и численной реализации их результатов в приложении к инженерной практике.

Научная гипотеза заключается в том, что достоверное прогнозирование остаточного ресурса одноэтажного промышленного здания с мостовыми кранами возможно только при учёте вероятностной оценки влияния накоплений повреждений на матрицу жёсткости конструктивной системы.

Объектом исследований являются одноэтажные промышленные здания, оборудованные мостовыми кранами.

Предметом исследований являются жесткостные характеристики несущих конструкций одноэтажных промышленных зданий, оборудованных мостовыми кранами, с учетом накопления повреждений, возникших в процессе эксплуатации.

Цель и задачи работы. Цель диссертационной работы – научное обоснование развития теории и методологии оценки и прогнозирования ресурса одноэтажного промышленного здания с мостовыми кранами на основе изучения изменения его напряженно-деформированного состояния, вызванного накоплением повреждений, возникших в процессе эксплуатации.

В соответствии с поставленной целью основными задачами исследования являются:

1. обобщение и анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований, опубликованных в научной печати;

2. анализ силовых и несиловых воздействий, влияющих на изменение несущей способности конструктивной системы во времени эксплуатации;

3. классификация нагрузок на основе выявленного характера и длительности возмущающих воздействий, позволяющая учесть долю каждого из них в величине обобщенной нагрузки и возможность их интегрального учета;

4. анализ результатов обследований конструктивных элементов одноэтажного промышленного здания (ОПЗ) с целью выявления характерных повреждений и причин этих повреждений, влияющих на особенности силового сопротивления;

5. разработка аналитического аппарата прогнозирования напряженно-деформированного состояния каркаса промышленного здания с учетом случайных факторов силовых и несиловых воздействий и корректировки матрицы жесткости в зависимости от изменения смещений в фиксированных точках расчетной схемы;

6. обоснование необходимости проведения обследования на этапе сдачи промышленного здания в эксплуатацию для повышения достоверности получаемых результатов при корреляции (с учетом результатов последующих обследований) уровней временных рядов напряжений в отдельных точках расчетной схемы;

7. проведение численных исследований и сравнительный анализ полученных расчетных результатов с экспериментальными данными и известными расчетными решениями, представленными в научно-нормативной литературе;

8. разработка конструктивных решений, повышающих жесткость каркаса одноэтажного промышленного здания;

9. прогнозирование сопротивления каркаса здания при действии расчетных нагрузок в конкретный период эксплуатации с учетом выявленных регрессионных зависимостей;

10. автоматизация статических и динамических расчетов по предложенному комплексу моделей при реализации сводного алгоритма, определяющего изменения наиболее существенных параметров каркаса здания и условий его эксплуатации.

Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач
были использованы методы строительной механики, теории надежности, теории
вероятностей и математической статистики, статистической динамики,

математического моделирования и теории принятия решений.

Научная новизна исследования заключается в том, что в нем впервые разработаны:

1. общие теоретические подходы к систематизации факторов, влияющих на изменение напряженно-деформированного состояния конструктивной системы одноэтажного промышленного здания;

2. система гипотез и предпосылок построения расчетной модели каркаса одноэтажного промышленного здания;

3. концепция вероятностной оценки и прогнозирования напряженно-деформированного состояния одноэтажного промышленного здания в процессе эксплуатации с учетом случайного характера проявления повреждений и изменения статической схемы при действии различных сочетаний нагрузок;

4. методология пространственного расчета промышленного здания на статические и динамические крановые нагрузки, учитывающие случайный характер воздействий;

5. математическая модель оценки сейсмоустойчивости промышленного здания, построенная на вероятностном подходе к величине и направлению действия сейсмических нагрузок;

6. алгоритм вероятностной оценки напряженно-деформированного состояния каркаса одноэтажного промышленного здания в процессе эксплуатации, позволяющий по известным изменениям смещений в расчетных точках скорректировать матрицу жесткости;

7. методика оценки среднегодовой скорости износа, построенная на использовании корреляционно-регрессионных методов анализа;

8. методика расчета и оценки остаточного ресурса промышленного здания, оснащенного мостовыми кранами, с возможностью организации поиска значений условного, внешнего и полного сейсмического риска в зависимости от срока эксплуатации здания при заданном уровне значимости;

9. сводный алгоритм, раскрывающий сущность концепции приложения вероятностного подхода к исследованию изменений напряженно-деформированного состояния каркаса промышленного объекта в процессе его эксплуатации с учетом вариативности воздействий.

Теоретическая значимость работы заключается в том, что в ходе диссертационного исследования:

оценено влияние отдельных видов воздействий на работу каркаса эксплуатируемого промышленного здания, оснащенного крановым оборудованием;

сформирована концептуальная схема, устанавливающая порядок действий исследователя с целью получения численных результатов расчета, выраженных в виде системы показателей надежности по конкретному производственному объекту с учетом фактора времени;

построена расчетная модель оценки кинетики напряженно-деформированного состояния здания при корректировке матрицы жесткости в зависимости от изменения смещений в контролируемых точках каркаса;

разработан алгоритм, последовательно реализующий комплекс построенных математических моделей расчета составляющих крановой нагрузки и компонентов атмосферного воздействия в вероятностной постановке, как наиболее соответствующей случайному характеру их проявления;

разработана методика расчета и оценки остаточного ресурса работоспособного состояния несущих конструкций промышленного здания, с учетом накопления дефектов и повреждений в процессе эксплуатации;

сформулирована система конструктивных решений по проектированию и реконструкции промышленных зданий, принятие которых гарантирует эффект снижения деформативности отдельных элементов несущих конструкций и улучшения эксплуатационных качеств каркаса в целом.

Практическая ценность работы определяется тем, что предложенное решение поставленных задач позволяет:

отследить кинетику изменения жесткостных характеристик элементов каркаса конкретного промышленного здания в зависимости от накопления повреждений в процессе эксплуатации;

спрогнозировать изменение сопротивления здания к внешним и внутренним воздействиям по истечении конкретного срока эксплуатации объекта на основе выведенных регрессионных зависимостей;

сформировать научно-обоснованную программу проведения капитального ремонта, как на уровне управляющей кампании, так и на уровне субъекта Федерации;

спрогнозировать возникновение и степень последствий аварийных ситуаций на строительных объектах и своевременное принятие мер по их предотвращению;

подготовить экспертное заключение с предоставлением аналитической информации о причинах сложившейся на объекте аварийной обстановки.

Реализация разработанных алгоритмов позволяет получить результаты по каждому конкретному объекту и провести анализ работы здания при действии как статических, так и динамических нагрузок, что становится возможным благодаря разработанному программному комплексу «DINCIB-new». Данное программное средство для ЭВМ выступает в качестве инструмента для автоматизации процессов расчета, анализа и прогнозирования изменений работоспособности конструкций здания и сроков дальнейшей безопасной его эксплуатации, предоставляя удобный интерфейс для организации и проведения обработки данных, полученных при обследовании объекта.

Разработанные теоретические положения нашли подтверждения в многочисленных натурных испытаниях промышленных зданий с крановым оборудованием и эффективно использовались при разработке рекомендаций по усилению конструкций обследуемых цехов, позволивших регламентировать режим

эксплуатации зданий и оборудования, увеличив срок их безаварийной работы.

Научно-методические положения исследований внедрены в содержательную часть учебных программ, курсов лекций и практических занятий в рамках дисциплин кафедры "Промышленное и гражданское строительство" в Астраханском государственном архитектурно-строительном университете, таких как: «Оценка работоспособности одноэтажных промышленных зданий в процессе эксплуатации» и «Расчет одноэтажных промышленных зданий по пространственным расчетным схемам на крановые нагрузки». Внедрение полученных результатов в процесс обучения значительно увеличивает скорость и качество усвоения теоретического материала, способствует развитию навыков ведения исследовательской работы.

Личный вклад автора диссертации заключается:

в построении концепции вероятностной оценки ресурса промышленного здания с мостовыми кранами, находящегося в эксплуатации, на основе комплексного анализа жесткостных характеристик каркаса;

в разработке аналитического аппарата расчета, анализа и прогнозирования напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов и несущей системы промышленного здания с учетом случайных факторов силовых и несиловых воздействий и корректировки матрицы жесткости в зависимости от изменения смещений в расчетных точках каркаса;

в формулировке рекомендаций по реализации предложенной системы конструктивных мер, позволяющих добиться значительного снижения деформаций каркаса одноэтажного промышленного здания и увеличения срока безаварийной работы.

На защиту выносятся:

1. результаты исследования влияния силовых и несиловых воздействий на каркас одноэтажного промышленного здания в процессе эксплуатации;

2. предпосылки и гипотезы построения расчетной модели оценки напряженно-деформированного состояния с учетом накопления повреждений во времени эксплуатации;

3. концептуальная схема проведения исследования напряженно-деформированного состояния здания, отображающая последовательность действий исследователя для получения конечного результата;

4. сводный алгоритм, отражающий вероятностные принципы формирования компонентов нагрузочного фактора при поэтапном решении прямой, обратной и прогнозной задач исследования, направленных на поиск значений изгибающих

моментов и напряжений в элементах конструкций при изменении жесткостных характеристик каркаса промышленного здания;

5. модель разложения колебательных процессов в виде тригонометрических рядов в зависимости от уровня интенсивности землетрясения, позволяющая выполнить построение спектров входа и выхода сейсмоактивной волны на несущих частотах;

6. методика расчета и оценки остаточного ресурса работоспособного состояния конструкций промышленного здания, находящегося в эксплуатации, опираясь на систему коэффициентов надежности;

7. конструктивные решения по совершенствованию проектирования и реконструкции объектов производственного назначения, призванные снизить деформативность и улучшить эксплуатационные качества здания.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных результатов обеспечивается:

применением известных принципов и методов строительной механики;

сравнением расчетных значений с результатами, полученными при реализации аналогичных алгоритмов методом конечных элементов средствами апробированных систем автоматизированного проектирования SCAD и ЛИРА;

адаптацией методов алгебры квадратичных форм, реализованных в прикладных математических пакетах MathCAD и Maple, для поиска собственных частот и перемещений каркаса здания, вовлекаемого в колебательный процесс под действием нагрузок;

хорошей сходимостью результатов численных расчетов с экспериментальными данными, полученными в ходе обследований промышленных зданий цехов машиностроительных, судоремонтных, металлургических и горнообогатительных заводов.

Апробация результатов исследований. Основные положения и материалы диссертационной работы докладывались автором и обсуждались на многочисленных научно-практических конференциях регионального, всероссийского и международного уровней в период с 1998 по 2015 годы (Международный симпозиум "Механика твердого деформированного тела", г. Тбилиси, 1998г.; Международная научно-техн. конференция "Актуальные проблемы современного строительства", г. Санкт-Петербург, 1999 г.; Международная научно-техн. конференция "Проблемы строительства, инженерного обеспечения и экологии городов", г. Пенза, 2000г.; Всероссийская конференция «Новое в архитектуре, проектировании строительных конструкций и реконструкции», г. Чебоксары, 2001г.; Международная научно-техн.

конференция «Эффективные строительные конструкции: теория и практика», г.
Пенза, 2005, 2009 гг.; Международная научно-практ. конференция «Перспективы
развития строительного комплекса», г. Астрахань, 2007-2015 гг.; Международная
научно-техн. конференция «Интеграция, партнерство и инновации в строительной
науке и образовании», г. Москва, 2012-2014гг.; Международная научная
конференция «Инновационные технологии в управлении, образовании,

промышленности «АСТИНТЕХ – 2013»», г. Астрахань, 2013г.; International Conference on Advanced Engineering and Technology (ICAET 2014) - December 20-21,

2014. in Incheon National University, South Korea; International Conference on Advanced Materials and Structures and Mechanical Engineering (ICAMSME 2015) - Мау 29-31,

2015. in Incheon National University, South Korea; International Conference on Energy, Environment and Materials Science (EEMS 2015), Guanghzou, P.R. China, August 25-26, 2015); на заседаниях научно-технических советов, методологических семинарах и круглых столах АГАСУ, АГУ, АГТУ, ЧГУ, ПГУАС, ВолгГАСУ, СПбГАСУ, МГСУ.

Зарегистрированы Федеральной службой по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам в Росреестре: патент на изобретение №2401364 «Конструктивные средства увеличения пространственной жесткости одноэтажных промышленных зданий с мостовыми кранами», свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2014613866 «DINCIB–new».

По теме диссертационного исследования опубликовано 73 печатные работы, в том числе: 18 в изданиях из перечня ВАК РФ, 3 статьи в зарубежных изданиях, 2 монографии, 1 учебное пособие с грифом УМО вузов РФ для студентов строительных специальностей, 1 патент и 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Общий объем опубликованных работ 69,4 усл.п.л.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложения общим объемом 343 страницы машинописного текста, из них основного текста - 300 страниц, 98 рисунков, 46 таблиц, список литературы из 289 наименований.

Основные положения и методы оценки сейсмостойкости зданий производственного назначения

Основным недостатком в обработке результатов, проведённых О. И. Томсон экспериментов, являлось использование плоскостной расчетной схемы ОПЗ, что привело к неверной трактовке некоторых зависимостей. К примеру, в случае колебаний цеха холодной листоотделки завода "Запорожсталь" в качестве основной определена частота 2,5 Гц, при этом наблюдались частоты, равные 4,5 и 6 Гц. На что последовало пояснение О. И. Томсон: "Какой-либо закономерности в возникновении колебаний каркаса с одной (2,5...3 Гц) или другой (4,5... 6 Гц) частотой не наблюдалось, без видимого изменения условий колебания с одной частотой переходили в колебания с другой частотой" [260]. Однако данное явление легко объясняется при анализе колебательных процессов с учетом пространственной работы каркаса. В данном случае были получены частоты высших форм колебаний, которые присущи любой пространственной системе.

Большая серия испытаний на протяжении ряда лет была проведена технопарком МГСУ. Так, например, экспериментальному обследованию пространственной работы каркаса было подвергнуто ОПЗ металлургического цеха завода "Амурсталь" при испытаниях на статические горизонтальные и вертикальные крановые нагрузки [137]. При этом было установлено, что колонны здания из-за неорганизованной пространственной работы обладают дополнительным запасом несущей способности. Данных эффект достигнут посредством включения в работу кровли, тормозных ферм и стеновых панелей.

В результате совместных испытаний Казахского «ПромстройНИИпроекта» и ЦНИИСК поведения одноэтажных промышленных зданий при взрывных воздействиях в 1968 г. было установлено [64], что формы колебаний цеха электрофильтров, являющегося структурной единицей завода низковольтной аппаратуры, носили крутильно-изгибный характер, что свидетельствовало о податливости покрытия в своей плоскости.

Определению деформативности покрытий и перекрытий зданий различных конструктивных схем были посвящены исследования, проводимые в «ДальморНИИпроекте» под руководством А. И. Сапожникова [172] и используемые позднее в различных рекомендациях [211]. Результаты экспериментальных исследований колебаний каркасов промышленных зданий изложены также в работах [8, 146, 190], в которых приведены динамические характеристики каркасов при работе различного кранового оборудования.

Таким образом, целым рядом многочисленных экспериментальных исследований доказано существенное влияние действия крановых нагрузок, возникающих в ходе технологического процесса, на пространственный характер колебаний одноэтажных промышленных зданий.

В последние годы особую актуальность приобрели методы анализа риска аварий промышленных зданий и сооружений. В первую очередь это связано с возросшим числом аварий на данных объектах, вызванных не только техногенными, но и природными воздействиями.

Тектонические процессы и неоднородность напряженности земной коры порождает поток случайных событий, определяющий зону сейсмической активности землетрясения. Каждый такой поток характеризуется системой случайных параметров: - интенсивностью (I) - степенью вызванных сотрясением локальных разрушений; - магнитудой M)- величиной освобожденной энергии; - расстоянием от эпицентра (р); - глубиной залегания фокуса (z); - длиной разрыва или характерным размером очага L) и т.д.

Отдельно взятая площадка, подверженная сейсмическим сотрясениям в результате действия приходящей из эпицентральной области волны, рассматривается как элементарный сегмент зоны активности землетрясения. Данный сегмент испытывает возмущения, также определяемые потоком случайных событий, но с иными производными микросейсмическими параметрами: максимальным ускорением, продолжительностью сотрясения, характеристиками спектрального состава. Эти параметры могут быть представлены в виде случайных величин. Однако статистическая обработка генеральной совокупности полученных значений указанных параметров по всем сегментам активной зоны затруднена. Сложности обусловлены:

1. Выбором большого числа параметров, позволяющего достичь требуемой надежности результата при заданном уровне значимости.

2. Ограниченным объемом имеющейся информации для каждого района, что не позволяет сформировать совокупность исходных данных, обладающих свойством репрезентативности.

Наибольшее распространение в современной инженерной практике получили методы оценки сейсмической надежности конструкций, основанные на использовании детерминированного подхода. Данные методы учитывают конструктивные особенности и принципы работы здания, испытывающего сейсмические возмущения, в зависимости от его типовой принадлежности. Специфика расчета для каркасных, каменных, крупноблочных, монолитных и панельных объектов отражена в нормах [240].

Детерминированная методика лишь частично удовлетворяет требованиям, предъявляемым к степени достоверности получаемых результатов, поскольку не учитывает: - высокий уровень дисперсии случайной величины сейсмического ускорения основания; - спектральный состав и продолжительность землетрясения; - корреляционные зависимости между компонентами сейсмического воздействия; - разброс прочностных, деформационных и физических характеристик материалов конструкций. Для возможности обработки полученных результатов воспользуемся вероятностным подходом. Обратим внимание на тот факт, что зависимость между средним числом землетрясений за заданный промежуток времени и их магнитудой может быть представлена в виде экспоненциального закона [184]: N(M) = N(M0)eH 0, (1.1) где N\M0)- общее число землетрясений, магнитуда которых превышает М0; Р – эмпирический коэффициент. Исходя из аналогии метрических построений, интенсивность потока землетрясений за конкретный промежуток времени с магнитудой М, превышающей фиксированное значение М0, может быть определена, как: A(M) = V_/?(M M0) , (1.2) где \ = Я(м0) - уровень сейсмической активности в данном регионе.

Анализ вариативности построения расчетной модели каркаса одноэтажного промышленного здания

При выборе расчетной схемы ОПЗ с учетом их пространственной работы вопрос о влиянии мостового крана на перераспределение усилий между непосредственно нагруженными и ненагруженными элементами каркаса приобретает актуальное значение, поскольку для каркасов ОПЗ металлургической и ряда других отраслей промышленности крановые нагрузки являются основными.

В настоящее время в нормах [229] указывается, что «…горизонтальная нагрузка, направленная поперек кранового пути и вызываемая торможением тележки, передается на одну сторону кранового пути». В связи с этим при проектировании принято рассматривать расчетные схемы каркаса под воздействием крановых нагрузок без учета влияния моста крана как связи между двумя рядами колонн. Обладая конечной жесткостью в горизонтальной плоскости, такая связь, закрепленная силами трения в местах контакта колес моста крана на подкрановых рельсах, не может не сказаться на деформативности и напряженном состоянии основных элементов каркаса.

Вопрос о совместной работе стального каркаса с мостом крана впервые поставлен в 1933-38 г.г. и в дальнейшем поднимался в работах ряда исследователей. Большинство этих работ экспериментального характера выполнялись в опытных, а также действующих цехах при стационарном положении мостового крана, а также при движущемся кране.

К числу этих исследований относятся работы Н. П. Семенова, А. И. Кикина, М. М. Бердичевского, Г. М. Чувикина, М. Ф. Барштейна и др. [23, 143, 144, 148, 195, 230]. Обзор этих работ приведен в статье Ю. Р. Томлинга, который на протяжении ряда лет также проводил экспериментально-теоретические исследования по данному вопросу [258, 259].

При исследовании в 1956-57 г.г. совместной работы стального каркаса опытного цеха ЦНИПС и мостового крана грузоподъёмностью 10 т [259] Ю. Р. Томлинг рассмотрел различные расчетные схемы поперечной рамы, учитывающие разную степень вовлечения в работу мостового крана, и в зависимости от них величину горизонтальных смещений колонн в уровне подкрановых путей. Так, например, в соответствии с [259] при приложении горизонтальной нагрузки к мосту крана, горизонтальные смещения противоположных колонн отличаются друг от друга на деформацию кранового моста и на разность смещений в условных пружинах, под которыми подразумеваются все упругоподатливые элементы и соединения, находящиеся между колесом крана и колонной.

В таблице 2.3 приведены значения горизонтальных смещений поперечной рамы опытного цеха, выполненные по четырем схемам расчета. Значительных различий в расчетах по схемам, учитывающим вовлечение в работу крана, невелика. На основании этого Ю. Р. Томлингом сделаны выводы о том, что упругой податливостью затяжки для решения практических задач можно пренебречь, а мост крана в расчетной модели принять в виде жесткой вставки. К аналогичному выводу приходит и А. М. Шергин [269], когда исследует влияние податливости моста крана на сейсмостойкость ОПЗ.

При испытаниях подкрановой эстакады кузнечного цеха Череповецкого металлургического завода, проведенных в 1967-68 г.г. ЦНИИПСК [258], было установлено, что при приложении нагрузки к мосту неподвижного крана горизонтальные смещения колонн распределялись по обе стороны примерно поровну (рисунок 2.8). Данный факт свидетельствует о том, что неподвижный мостовой кран является связью между двумя рядами колонн.

Пояснения: теоретическая с учетом влияния моста крана; — экспериментальная при силе Т, приложенной к мосту крана При испытаниях мартеновского цеха Лиепайского металлургического завода [258] фотограмметрическим методом определялись фактические горизонтальные смещения колонн при движении кранов, которые сравнивались с расчетными значениями. Сопоставление этих данных по колоннам противоположных рядов (рисунок 2.9) при загружении рамы по оси 17 двумя разливочными мостовыми кранами грузоподъемностью 180 т даны в таблице 2.4. В результате проведенных исследований сделан вывод, что при движении крана влияние его как связи между противоположными рядами колонн сохраняется.

Таким образом, в результате проведенных исследований [258, 259, 269] сделаны обоснованные выводы о том, что мост крана является составным элементом поперечной рамы, перераспределяя нагрузки между противоположными рядами колонн, и рекомендовано учитывать мостовой кран как абсолютно жесткую связь в уровне верхнего пояса подкрановых балок. Однако следует отметить, что имеются эксперименты [42], проведенные на подкрановых эстакадах М. С. Владовским, которые показали, что кран не обеспечивал связи между рядами колонн исследуемой эстакады. В то же время, согласно данным эксперимента О. И. Томсон [260], которая обследовала три открытые подкрановые железобетонные эстакады, при работе кранов противоположные колонны эстакады, связанные только мостом крана, колеблются одинаково.

По-видимому, влияние мостового крана на работу каркаса ОПЗ зависит от условий работы самого крана и от соотношения жесткостей каркаса и крана, но как показали многочисленные исследования [23, 143, 144, 148, 230, 258, 259, 260, 269], в наиболее распространенных типах ОПЗ мостовой кран обеспечивает связь между противоположными рядами колонн.

В последние годы проблемой изучения совместной работы каркасов и мостовых кранов занимались специалисты в Санкт-Петербургском институте «Проектстальконструкция», разработавшие алгоритм численного моделирования динамического взаимодействия каркаса цеха и мостового крана [194, 195], которые рассматривались как элементы со своими матрицами жесткости и распределением масс. Однако следует отметить, что данный алгоритм [194] является очень сложным и громоздким. Он требует, как отмечают сами авторы, многократных расчетов движения крана по деформированным путям с учетом дефектов ходовой части крана.

Исследование случайных воздействий ветровой нагрузки на работу каркаса одноэтажного промышленного здания

При анализе статистических данных, полученных в ходе обследований, по совместному распределению вертикальных и горизонтальных крановых нагрузок выявлено: - для участков путей с нормальной колеёй существует корреляционная зависимость между составляющими крановой нагрузки; - для участков с сужением и расширением путей аналогичная корреляционная зависимость отсутствует.

Выявлено, что зависимость между значениями математических ожиданий вертикальной F и горизонтальной Я составляющими крановой нагрузки линейна [124, 174, 287]. Уравнение указанной зависимости может быть представлено в виде: Я = kF , где к - коэффициент пропорциональности.

Значения коэффициентов пропорциональности для основных групп мостовых кранов по результатам обработки большого объема статистических данных, полученных при обследованиях зданий производственного назначения, определены в интервалах: - к = 0,133.. .0,167 для крана с жёстким подвесом; - к = 0,050...0,061 для многоколесного крана с гибким подвесом (число колёс 8 и более); - к = 0,16...0,46 для четырёхколёсного крана с гибким подвесом.

Количественную оценку риска зданий и сооружений как на стадиях проектирования и возведения, так и на этапе их эксплуатации можно дать только при проведении вероятностных расчётов, особенно когда речь идёт об экстремальных воздействиях на конструкции сооружений. Вероятностные методы являются более прогрессивными, позволяя оценить безопасность сооружения в терминах возможности разрушения Pf, например, 1:2000, 1:10000 и т. д.

В дальнейших исследованиях автора расчетные значения крановых нагрузок рассматриваются в виде случайных параметров, при этом принимаются допущения о стохастическом представлении их потенциальных отклонений, определенных на основе многочисленных натурных испытаний [121].

При оценке риска аварий эксплуатируемых зданий и сооружений важную роль играет определение остаточного ресурса. Корректно оценить ресурс конструкций эксплуатируемых зданий и сооружений можно только методами теории надёжности. При его оценке наибольшие сложности возникают с выявлением полной группы произошедших в конструкции изменений. Ещё одним фактором, усложняющим оценку ресурса конструкций, является то, что существующие в настоящее время методики [174, 175] и разработанные на их основе программно-расчётные комплексы не учитывают все возможные составляющие внешних воздействий. Они не всегда позволяют учесть пространственную работу конструкций зданий и сооружений, а также проведение расчётов в вероятностной постановке.

Результаты многочисленных теоретических и экспериментальных исследований, проведённых автором, [134, 135] доказывают, что физическая природа горизонтальных воздействий со стороны мостовых кранов на конструкции здания связана не только с торможением крановой тележки, но и с их движением с перекосом. Кинетика такого движения вызывает появление так называемых боковых сил. Как показано в работе [174], боковые силы по своей природе – это силы трения поперечного скольжения, возникающего в результате несовпадения плоскости вращения кранового колеса с направлением его движения. Теоретически движение мостового крана на ходовых колесах, установленных в направлении идеального рельсового пути, с тележкой в середине пролета, рассматривается как прямолинейное. Однако, если такое перемещение и возможно, то оно является неустойчивым, так как при малейшем отклонении от перечисленных условий нарушается равенство между тяговыми усилиями приводных колес и силами сопротивления соответствующих сторон крана. Невыполнение указанного равенства свидетельствует о присутствии сил перекоса и поперечных реакций рельсового пути, действующих на ходовые колеса, что приводит: - к появлению вращательного и поперечного движений крана в пределах зазоров между ребордами и головками рельсов; - к дополнительному нагружению металлоконструкций крана, ходовых колес и подкранового рельсового пути.

На практике же движение крана без перекоса встречается крайне редко, поскольку описывается сложным законом и зависит от многих факторов. Корректировка сужения либо расширения колеи рельсовых путей при рихтовке позволяет лишь ограничить перекос, поскольку происходит по одному из вариантов: - между внутренними ребордами ходовых колес на одной стороне крана; - между наружными ребордами ходовых колес на одной стороне крана; - между ребордами колес, расположенными по диагонали крана. В отношении учета и определения величины боковых сил, возникающих при движении крана с перекосом, нет единого мнения. Причем их значения, вычисленные по формулам, предложенным различными авторами (таблица 3.1), отличаются в несколько раз.

Средства и методы регистрации кинематических параметров колебаний технической системы

Для аппроксимации применяются два вида случайных процессов: усеченный белый шум и процесс со скрытой периодичностью [16, 29, 157, 168, 180, 182, 198]. В расчетах на сейсмостойкость необходимо учитывать горизонтальные и вертикальные перемещения грунта, а также вращательные движения основания [178, 179]. В общем случае исследование движения грунта представляет собой нелинейную задачу теории упругости. В разложениях, описывающих ротацию, сохраняются члены второго и более высокого порядка малости, что позволяет учитывать специфику геометрической и физической нелинейности деформированной грунтовой среды. Однако, в настоящее время экспериментальные данные о ротационных свойствах грунта при землетрясениях крайне незначительны, а потому для описания векторного поля сейсмического движения грунта целесообразно принять линейную стохастическую модель.

При малых величинах углов вращения принимается, что ориентация осей в пространстве не изменяется. Данное допущение предполагает выполнение свойства коммутативности, то есть независимости одного поворота от другого; углы вращения при этом образуют вектор, а его производные — векторы угловых скоростей и ускорений. Зависимость между параметрами векторов поступательной направленности и вращения при моделировании уровня интенсивности движений грунта в данном случае представляется в виде: a0(t) = —rot X0(t), (3.58) где a0(t) = [a01(t), a02(t), a03(t)] — вектор углового вращения; X0(t)=[X01(t), X02(t), X03(t)] — вектор перемещений. Векторы a0(t), X0(t) определены в одном ортогональном базисе [i,j,kj, а потому оператор ротации Х0 в точке А{х1,х2,х3) раскладывается, как: rotvY =

Таким образом, приведенные соотношения между параметрами векторов a0(t), X0(t) определяются исходя из линейной теории. Они имеют место при интенсивности движения грунта в 6-8 баллов. При большей же интенсивности использование зависимостей (3.58)-(3.62) при моделировании процессов приводит к росту ошибки декомпозиции, поэтому вопрос о допустимости применения линейной теории для описания землетрясений интенсивностью 9 баллов решается в каждом конкретном случае индивидуально.

В общем случае векторное поле сейсмического движения грунта является изменяющимся во времени и пространстве, т.е. нестационарным случайным полем, характеризующимся в каждой точке совокупностью \x0(r,t), a0(r,t)f. Его моделирование требует обширных статистических данных записи сейсмических движений грунта. Недостаток объема соответствующей информации направляет область исследования в русло асимптотических приближений посредством представления: - либо в виде стационарного случайного процесса для одномерных расчетных динамических моделей [6, 14, 178, 179, 280]; - либо в виде стационарного случайного поля без учета корреляции между составляющими его компонентами для двух- и трехмерных расчетных динамических моделей [61, 178, 265].

Использование стационарных случайных процессов и полей, в отличие от нестационарных, не вызывает значительных сложностей вычислительного характера и позволяет оценить сейсмическое воздействие на объект посредством исследования поведения векторной функции: U\t) = \Х1 (/), Х2 (/), Х3 (/), а 1 (/), а2 (/), а3 (t)\, (3.63) где X\t), a\t) - компоненты вектора, асимптотически определяющие соответственно поступательное и вращательное сейсмическое движение грунта. Данная функция отображает пространственно-временной характер влияния случайного поля землетрясения.

При сильных продолжительных землетрясениях с незначительными изменениями интенсивности хорошо реализуется гипотеза стационарности сейсмического процесса [14, 16]. Согласно гипотезе при моделировании экстремальных воздействий изменением спектрального состава землетрясения можно пренебречь. Обоснованием целесообразности ее принятия является несоизмеримо меньшее влияние на изменение напряженно-деформированного состояния здания высокочастотных толчков в завершающей стадии землетрясения в сравнении с влиянием сильных низкочастотных толчков.

Одним из наиболее обоснованных представлений гипотезы является модель интенсивно затухающего землетрясения с продолжительностью активной фазы 6…15 с, предложенная В.В. Болотиным [29], в которой ускорение грунта представлено в виде: X 0(t ) = 2ASWX 0S(t ), (3.64) S где AS(t) — детерминированная функция времени; - 0S(t ) — стационарная случайная функция. В простейшем случае для одного члена ряда (3.64) (рисунок 3.12): X 0(t) = A(t)X0S(t); (3.65) A{t) = A0e yt, (3.66) где A 0 и у — параметры, характеризующие величину максимального ускорения и продолжительность землетрясения.

Такое представление сейсмического процесса соответствует гипотезе его стационарности, считая неизменным спектральный состав землетрясения и демонстрируя затухание во времени при исключении из рассмотрения начальной фазы возмущающего воздействия. Значение A0 принимается равным 1 [157, 274].

Для того чтобы определить усредненную степень затухания сейсмического процесса для конкретного района, необходимо провести обработку большого объема статистического материала, которого в настоящее время нет в необходимом количестве.