CC BY
40
УДК 620.178.620.179
НЕКОТОРЫЕ ПОДХОДЫ К ОЦЕНКЕ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА СТРОИТЕЛЬНЫХ ФЕРМЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
© 2009 г. ВА. Акопьян , А.Н. Кабельков , А.В. Черпаков
*НИИМ и ПМ ЮФУ *Scientifically Research Institute of Mechanics and
**„ „ Applied Mathematics of SFU
Южно-Россиискии государственный
технический университет "South-Russian State Technical University
(Новочеркасский политехнический институт) (Novocherkassk Polytechnic Institute)
Показано, что в последние годы проблема оценки остаточного ресурса давно эксплуатируемых строительных конструкций стала очень актуальной. Представлена классификация типовых ферменных конструкций, которые являются объектами неразрушающего контроля. Описаны модели оценки степени безопасности и риска разрушения строительных конструкций. По результатам конечно-элементного анализа предложен диагностический признак предразрушающего состояния ферменных конструкций. Получена формула для расчета значений диагностического признака, связывающего кр и-тический угол раскрытия надреза с векторами вибросмещений вблизи надреза. Результаты измерения параметров акустической эмиссии в зоне надреза подтвердили достоверность расчета.
Ключевые слова: остаточный ресурс; строительные конструкции; ферма; акустоэмиссионно-резонансная методика диагностики; модели оценки степени опасности разрушения; конечно-элементный анализ; диагностический признак предразрушения.
In the article, it has been shown, that in last years a problem of the remainder health estimation became very actual. It is present the classification of the standard frame constructions and their defects which are the Nondestructive Control objects. The estimation models of the danger degree and fracture risk of the building constructions is described. As results of the finite-element analysis the diagnostic sign ofpre-fracture state of the frame constructions is proposed. The formula for calculation of the diagnostic sign values connecting a critical angle of the incision open with the vectors of the vibrodisplacements near incision is obtained. The results of measurements of the acoustic emission parameters into the incision zone a reliability of the calculation is confirmed.
Keywords: remainder health; building constructions; frame, acousticemission resonance diagnostic method; estimations degree danger and fracture; finite-element analysis; diagnostic pre-fracture sign.
Проблема оценки долговечности и остаточного ектов, мониторинг технического состояния (МТС)
ресурса строительных конструкций с заканчиваю- которых производится некачественно, могут оказаться
щимся сроком службы в последние годы приобрела весьма серьезными.
особую остроту и актуальность из-за нерегулярности Обследование технического состояния второй
контроля их технического состояния. группы строительных конструкций, а оно в большин-
Среди конструкций различных типов можно вы- стве случаев проводится нерегулярно, а иногда вооб-
делить три группы объектов. Контроль за состоянием ще не проводится до возникновения опасности обру-
первой группы наиболее ответственных сооружений в шения. К таким объектам относятся, например, бал-
целом осуществляется достаточно регулярно. Но даже коны старого жилого фонда. В частности, в Ростове-
для таких объектов результаты обследований не все- на-Дону обрушения балконов стали повторяться в
гда эффективны. В частности, это произошло в 2007 г. последние годы с ускоряющейся частотой.
в г. Ростове-на-Дону, когда крупная опасная трещина Есть, наконец, третья группа строительных объек-
опоры моста через реку Дон была обнаружена слу- тов, которые реконструируются и после реконструк-
чайно только после того, как это повреждение можно ции их исходные проектные параметры меняются в
было увидеть визуально. Это привело к многомесяч- значительной степени. К такого типа объектам отно-
ному отказу от эксплуатации моста федерального сятся, например, антенные мачты сотовой и спутнико-
значения. Последствия от опасных повреждений объ- вой связи, устанавливаемые, как правило, на крышах
высотных зданий. Антенная мачта представляет собой ферменную конструкцию, состоящую из четырехгранных секций, причем нижняя секция закрепляется на металлическом основании с помощью четырех подкосов, несущих основную силовую нагрузку.
На фотографии одной из типовых антенных ферм (рисунок) видно, что на ней последовательно были установлены пять антенн большого диаметра и девять типовых малогабаритных антенн. Ветровая нагрузка от всех этих антенн может достигать существенной величины, сравнимой с предельно допустимой проектной.
Рис. 1. Антенная мачта сотовой связи на здании НИИК ЮФУ
На таких мачтах регулярно, как правило, без проектной проработки добавляются новые «тарелки» антенн, существенно увеличивающие ветровую нагрузку на силовые элементы несущих фермы. Ясно, что в такой ситуации проектный запас прочности этих ферменных конструкций рано или поздно будет исчерпан и это может привести к их разрушению с трудно прогнозируемыми последствиями.
На объектах такого типа ферменных конструкций, безусловно, необходимо проводить регулярный плановый контроль их технического состояния методами неразрушающего контроля (НК), позволяющими прогнозировать остаточный ресурс, причем такими, которые не потребуют значительного финансирования. По результатам контроля технического состояния этих конструкций необходимо выполнить их модернизацию или ремонт. Объем ремонтных и модернизацион-ных работ зависит от надежности методики неразру-шающего контроля, позволяющей идентифицировать поврежденность наиболее опасных зон конструкций.
Методика контроля, включающая в себя процедуру моделирования напряженно-деформированного состояния элемента конструкции с наиболее опасным
повреждением, позволяет получить оценку остаточного ресурса конструкции в целом с высокой степенью надежности. Понятно, что такая методика контроля может существенно снизить стоимость ремонтных и модернизационных работ.
Из перечисленных выше трех групп строительных конструкций важное место с точки зрения контроля занимают широко распространенные конструкции ферменного типа.
Типовые ферменные строительные
конструкции как объекты неразрушающего контроля
Из множества ферменных конструкций можно выделить те, надежность эксплуатации которых должна быть обеспечена если не постоянным, то периодическим контролем их технического состояния.
К таким можно отнести:
- фермы мостов;
- строительные фермы перекрытий заводских зданий и сооружений;
- фермы вытяжных башен металлургического и химического производства;
- антенные мачты;
- ферменные конструкции для контактной сети;
- ферменные конструкции линий электропередач;
- транспортные галереи металлургических производств.
Разрушение различных типов таких конструкций происходит в силу отличающихся друг от друга факторов, которые, однако, могут быть объединены по характеру разрушения, по зоне возникновения опасного дефекта и типу внешних воздействий.
Результаты исследований аварий стальных металлоконструкций промышленного назначения, включая мостовые фермы, приведены в работе [1], где показано, что причина таких аварий связана с крупным разрушением при воздействии низких температур. Крупные аварии металлоконструкций транспортерных галерей в 1986 и 2000 гг. побудили провести тщательные исследования причин разрушения ферменных конструкций этого типа [2]. При этом было выяснено, что эти конструкции хотя и проектировались в соответствии с требованиями СНИПов и имели необходимый запас статической прочности, не выдержали динамических нагрузок, в результате чего и произошло преждевременное их разрушение. Анализ напряженно-деформированного состояния исследованной конструкции позволил установить, что имел место хрупкий или квазихрупкий характер разрушений, вызванный концентрацией напряжений в фасонках ферм, стыковых соединениях сварных швов и в зоне других подобных дефектов, особенно в условиях низких температур. В зонах разрушения были найдены области упругопластической деформации материала. В других случаях эти разрушения связаны с коррозией поясов ферм, односторонним раскрытием трещин в элементах решетки, продольными и наклонными трещинами в узлах верхних поясов (0,3 мм) из-за отсутствия
замкнутых хомутов при наличии изгиба анкерных концов стержней решетки из плоскости ферм.
Результаты подобных исследований касаются в основном описания характера разрушения без анализа кинетики этого процесса, начинающегося со стадии накопления повреждений, которая заканчивается возникновением трещины критического размера. Этот параметр (критический размер трещины) является одним из основных для НК и диагностики предразру-шающего состояния (ПРС), который лежит в основе методов НК и мониторинга технического состояния конструкций.
Цель работы заключается в оценке достоверности результатов контроля и определения границ области применения акустоэмиссионно-резонансной методики диагностики для расчета остаточного ресурса ферменных строительных конструкций, основанной на идентификации критического параметра надреза (трещины) - диагностического признака предразру-шающего состояния этих конструкций.
Рассмотрим вначале известную общепринятую классификацию опасных дефектов строительных конструкций и ранжирования степени их опасности.
Классификация основных дефектов в строительстве
В нормативных документах архитектурно-строительного надзора в соответствии с классификаторами основных видов дефектов в строительстве на основе ГОСТ 15467-79 [3] введены два типа дефектов: критический и значительный [4].
Критический дефект (при выполнении строительно-монтажных работ) - этот дефект, при наличии которого здание, сооружение, его часть или конструктивный элемент функционально не пригоден, дальнейшая эксплуатация небезопасна, так как может привести к снижению характеристик прочности и устойчивости.
Значительный дефект - это такой, при наличии которого ухудшаются эксплуатационные характеристики строительной конструкции и снижается ее долговечность.
Критический дефект подлежит безусловному устранению с приостановкой дальнейшей эксплуатации. Значительный дефект подлежит устранению без приостановки эксплуатации здания или сооружения.
К разряду критических относятся дефекты стальных конструкций, найденные как при завершении строительства здания, так и в процессе эксплуатации. К ним относятся: прогибы (кривизна) сжатых и сжа-торастянутых элементов ферм, трещины, вырезы в листах опорных траверс колонн, консолей, сверхнормативное смещение опорных ребер подкрановых балок от осей колонн вдоль пролета балки, внеузловая передача нагрузок на элементы верхнего пояса стропильных ферм, дефекты в сварных швах.
К значительным дефектам относятся: пустоты в подливке из цементного раствора под опорными плитами фундаментов, раковины сварных швов, выделяющиеся на их поверхности больше допуска, зазоры между фермами и опорными стойками, не заполненные стальными прокладками, крепление фахверных стоек к фермам выполнено жестким, недостаточное крепление листов стального оцинкованного настила в покрытии на опорах и между собой.
Приведенная выше классификация дефектов страдает неполнотой, а их ранжирование не дает количественной оценки как самого дефекта, так и его влияния на безопасность здания или сооружения в силу разнообразия их типов. Количественные оценки степени опасности повреждений (дефектов) могут быть получены расчетным путем с помощью соответствующих моделей.
Модели оценки степени опасности и риска разрушения строительных конструкций
Существуют различные расчетные модели оценки степени опасности риска разрушения строительных конструкций, одни из которых базируются на вероятностных характеристиках процесса разрушения (в том числе структурные), а другие - строятся на основе математического моделирования процессов колебаний с учетом корреляции параметров этих процессов с характеристиками разрушения.
К числу первых может быть отнесена модель статической оценки риска отказа строительных конструкций, в которой отказ конструкции описывается как наложение событий в виде случайных отклонений прочности материалов, нагрузки и человеческого фактора; она надежна только для ограниченного типа строительных конструкций [5].
Другой подход по оценке опасности дефекта предложен в работах [6, 7], критичность дефекта рассчитывается по рейтингу его опасности DR, значение которого может быть рассчитано по формуле
dr P , (1)
где Pi - вероятности перехода конструкции в неработоспособное состояние различной градации (от ограниченно работоспособного до аварийного).
Чем выше рейтинг опасности дефекта, тем более он критичен с точки зрения безопасности. Этот подход близок к методологии анализа видов, последствий и критичности отказа, который в международной практике называется FMEA (Failure Mode and Effect Analysis)-подходом. В этом случае каждому дефекту ставится в соответствие несколько вероятных последовательностей его перехода в аварийное состояние.
Расчет вероятности разрушения с помощью таких моделей показал, что эта вероятность, вызванная из-за дефекта и связанная с ошибками в эксплуатации, может доходить до 0,15. Эта оценка является средней для всех типов зданий и сооружений. Распределение
аварий по типам сооружений было исследовано в работах [5, 7], в которых установлено, что процент аварий в одноэтажных зданиях со стальными конструкциями и в стальных инженерных сооружениях составляет 28...32 % от общего числа аварий зданий всех типов, т. е. в целом третья часть аварий происходит в строительных конструкциях, как правило, ферменного и плиточных железобетонных типов. Полученные с помощью моделей расчетные значения критериев степени опасности и риска являются базой для расчета остаточного ресурса, так как разрушение отдельного структурного элемента конструкции не всегда влечет за собой выход из строя всей конструкции в целом.
Долговечность и остаточный ресурс строительных ферменных конструкций, состоящих из большого количества однотипных элементов, могут быть рассчитаны с помощью известной так называемой фронтальной модели локального взаимодействия, при котором элементы, находящиеся рядом с отказавшими, испытывают повышенную нагрузку [8]. Анализ технического состояния объектов контроля достаточно прост, если имеются результаты текущих наблюдений в процессе эксплуатации. При построении фронтальной модели вводится функция распределения ресурса объекта Fт(Т)= P {п(Г)> п* } в виде
^ « i - ф| -N[1 -Po(T)]
[V N[1 - Po(T )]Po(T)
(2)
где п* - критическое число элементарных отказов,
после достижения которого эксплуатация объекта должна быть прекращена; P0(t) - вероятность безотказной работы элемента; N - полное число элементов (например, стержней фермы) системы; п - число отказавших элементов (например, стержней ферменной конструкции).
Эта формула связывает распределение ресурса со значениями P0(t) функции надежности элементов для случая, когда элементы системы не взаимодействуют между собой, т. е. отказ одного из них не влияет на условия работы оставшихся элементов. Несмотря на этот упрощенный подход, расчет распределения ресурса на основе (2) вполне доступен, если имеются результаты стендовых испытаний отдельных элементов системы (например, ферменной конструкции).
В [8] предложена также более общая модель, учитывающая взаимодействие элементов (отказ одной из них вызывает увеличение нагрузки на оставшиеся элементы) и базирующаяся на расчете меры повреж-денности элемента у(t)=n/N. Если пренебречь разбросом значений у(^), можно считать, что у(0 ~ Fт(t), где Fт - функция распределения времени до разрушения при т = t. Предельное состояние конструкции наступит, когда функция у(£) впервые превысит критическое значение у.
Таким образом, проведя эксперименты по определению т для отдельных типовых элементов конструкции (например, ферменной) с помощью модели (1) и представления у , можно рассчитать в первом приближении долговечность конструкции в целом.
Известна еще одна теоретико-экспериментальная оценка ресурса металлических конструкций, в которой использована формула Периса - Эрдогана и решается задача определения критической длины трещины методом итераций [9]. Такой подход к оценке ресурса грешит серьезным недостатком, связанным с необходимостью вырезания образцов для испытания из эксплуатируемой конструкции, что может привести к большим погрешностям получаемых результатов.
Описанные выше вероятностные модели и методы при всей своей привлекательности позволяют получить приближенные оценки остаточного срока службы всей конструкции в целом. Более достоверные результаты могут быть получены с помощью методов математического моделирования, учитывающих механические процессы, протекающие в исследуемой системе [10,11]. Алгоритм этого метода заключается в разбивке конструкции на структурные элементы, каждый из которых включает в себя внутреннюю упруго-инерционную часть конечной длины и двух граничных безинерционных связей с определенными физико-математическими свойствами, и последующем расчете вероятности появления дефекта определенного размера с использованием объединенной структурной модели накопления повреждений и разрушения В.В. Болотина [8].
Анализ упомянутых выше и других аналогичных работ показал, что неразрушающий контроль и мониторинг технического состояния строительных конструкций ферменного типа необходимо проводить в первую очередь для тяжелонагруженных элементов конструкций в зоне концентраторов напряжений (КН), а также тех из них, где можно ожидать потерю устойчивости или появление упруго-пластических деформаций. Из этого следует, что неразрушающий контроль и диагностику технического состояния строительных конструкций в период их эксплуатации, особенно с частично выработанным сроком службы, необходимо проводить не только известными акустическими методами [12], например, методами свободных или вынужденных колебаний, но дополненными другими, позволяющими идентифицировать как заторможенные трещины или иные подобные очаги предразрушения [13], так и наиболее опасные, развивающиеся трещины.
В последние годы анализ напряженно-деформированного состояния сложных строительных конструкций выполняется методом конечно-элементного анализа, в том числе с помощью пакетов ANSYS и ASELAN , позволяющих идентифицировать зоны концентрации напряжений и выявить параметры процесса трещинообразования.
Конечно-элементная методика диагностики
предразрушающего состояния ферменных конструкций
При решении задачи формулирования и обоснования диагностического признака предразрушающего состояния (ПРС) ферменных конструкций нами ранее было предложено в качестве такого признака ПРС использовать критический угол раскрытия берегов трещины (надреза) и ее длину в зоне КН, для идентификации которой был использован конечно-элементный анализ (КЭА) спектра и форм колебаний типового элемента конструкции треугольной конфигурации [14]. Критический угол раскрытия определяется из соотношения
аи=|(м„1+м„2)/мтах|, й„к=(йк - мо) пк , К = 1, 2, (3)
где мк, м0 - векторы смещений; пк - векторы внешних нормалей в точках в зоне надреза; ип1 - значение смещения (ускорений) в точке 1 образца, отстоящей от вершины треугольной модели (в которой сделан надрез) на расстоянии 0,25 L ^ - длина стороны образца модели); ип2 - значение смещения (ускорений) в зоне надреза образца, примыкающего к надрезу на расстоянии 0,05 L; итах - максимальное смещение (ускорение) точек модели. Была обнаружена особенность поведения форм колебаний 8 и 9 мод., наблюдаемая на резонансных зависимостях собственных частот колебаний от глубины надреза в испытуемой модели. Эта особенность возникает при достижении надрезом критического значения угла раскрытия (и глубины). Обнаруженная особенность является критерием степени поврежденности элемента конструкции. Для доказательства достоверности этого утверждения нами были проведены измерения вибросмещений в различных точках модели на резонансах собственных частот колебаний при критической глубине надреза. Кроме того, были измерены значения параметров акустической эмиссии на моделях с различной глубиной надреза [15]. Результаты этих исследований позволили разработать новый комплексный акустоэмис-сионно-резонансный метод (АЭРМ) диагностики технического состояния ферменных конструкций [16]. К достоинствам этого метода относится то, что с помощью КЭА вначале находят зону наибольшей концентрации напряжений, а затем, выбрав опасный элемент конструкции, изготавливают модель такого элемента и проводят на ней экспериментальные измерения параметров АЭРМ-методом. Таким образом, в процессе технической диагностики отпадает необходимость вырезания элемента реальной конструкции, как это делается в других известных методах [9-11]. Ясно, что при этом повышается степень достоверности результатов диагностики. Этот метод может быть напрямую использован для технической диагностики модернизируемых ферменных конструкций типа антенных ферм для сотовой связи.
Результаты проведенных исследований кинетики развития трещин комплексным методом позволили разработать и обосновать критерий ПРС элемента конструкции, на основании которого можно получить достаточно достоверную оценку остаточного ресурса наиболее напряженных элементов ферменных конструкций. Эффективной областью применения предложенной методики является оценка остаточного ресурса для модернизируемых ферменных конструкций типа антенных ферм для сотовой и спутниковой связи, вытяжных башен для металлургических и энергетических предприятий и других объектов.
Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ№07-08-12193 и 08-08-90700-моб. ст.
Литература
1. Сильвестров А.В., Шажрморданов Р.М. Хрупкое разрушение стальных строительных конструкций и пути его предотвращение// Пр. прочн. 1972. № 5. С. 88-94.
2. Анализ разрушения металлоконструкций транспортерных галерей Ю.К. Булдаков [и др.] // Изв. вузов. Строительство. 2001. № 2-3. С. 9-14.
3. ГОСТ 15467-79 «Управление качеством продукции. Основные понятия. Термины определения».
4. Классификатор основных видов дефектов в строительстве и промышленности стройматериалов / Госстрой России (утв. Главной инспекцией ГАСН России 17.11.1993 г.)
5. Аугусти Г., Баратта А., Кашиати Ф. Вероятностные
методы в проектировании / пер. с англ. Ю. Д. Сухова. М., 1988. 584 с.
6. Байбурин А.Х., Никоноров С.В. Анализ опасности дефектов строительно-монтажных работ / Репринт ЮУГУ, 2000.
7. Михайлов В.В. Отказы и состояния железобетонных кон-
струкций производственных зданий // Изв. вузов. Строительство. 2003. № 1. С. 107-110.
8. Болотин В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. М., 1984. 312 с.
9. Ким Н.В. Оценка ресурса металлической конструкции с учетом действия динамических нагрузок // Межвуз. сб. науч. тр. МГТУ им. Т. И. Носова. Магнитогорск, 2002. С. 130-134.
10. Шор Б.Ф., Мельникова Г.Р. Расчет конструкций методом прямого математического моделирования. М., 1988.
11. Ким Н.В. Применение метода прямого математического моделирования к расчету остаточного ресурса металлических конструкций // Межвуз. сб. науч. тр. МГТУ им. Т.И. Носова. Магнитогорск, 2002. С. 139-140.
12. Неразрушающий контроль: в 5 кн. Акустические методы контроля: практ. пособие / И.М. Ермолов [и др.]; под ред. В. В. Сухорукова. М., 1991. 283 с.
13. Финкель В.М. Физические основы торможения разрушения. М., 1977. 411 с.
14. Теоретико-экспериментальное исследование колебательных процессов в моделях элементов рамных конструкций / В.А. Акопьян [и др.] //Соврем. пробл. механики сплошн. ср.: тр. XI междунар. конф. Ростов н/Д., 2007. Т. 1. С. 11-17.
15. Акопьян В.А., Соловьев А.Н., Черпаков А.В. Оценка степени поврежденности элементов ферменных конструкций треугольной конфигурации с надрезом // Вестн. ЮНЦ РАН. 2009. № 2 (в печати).
Поступила в редакцию
16. Акопьян В.А. Деформационный критерий предразру-шающего состояния элементов ферменных конструкций и акустоэмиссионно-резонансная методика на его основе // Дефектоскопия. 2009. № 3.
24 июня 2009 г.
Акопьян Владимир Акопович - канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник, НИИ механики и прикладной математики им. И.И. Воровича, Южный федеральный университет. Тел. (863) 2975225. E-mail: [email protected]
Кабельков Александр Николаевич - д-р физ.-мат. наук, зав. кафедрой, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (863)5255444. E-mail: [email protected]
Черпаков Александр Владимирович - младший научный сотрудник НИИ механики и прикладной математики им. И.И. Воровича, Южный федеральный университет. Тел. (863) 2975225. E-mail: [email protected]
Akopyan Vladimir Akopovich - Candidate of Technical Sciences, leading earch assistant of research institute of mechanics and applied mathematics of Southern Federal University. Ph. (863) 2975225. E-mail: [email protected]
Kabelkov Aleksandr Nikolaevich - Doctor of Phisico-Mathematical Scince, head of department of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (863)5255444. E-mail: [email protected]
Cherpakov Aleksandr Vladimirovich - junior scientist of Scientifically Research Institute of Mechanics and Applied Mathematics of SFU. Ph. (863) 2975225. E-mail: [email protected]_
