ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат выполнения научно-исследовательской работы.

Эксплуатация целого ряда сварных металлических конструкций, таких как резервуары, газгольдеры, магистральные трубопроводы, сосуды давления, мачты, башни, опоры ЛЭП, подкрановые балки, опорные блоки морских платформ для добычи нефти и газа, несущие конструкции мостов и промышленных зданий, сопряжена с воздействием на них повторно-статических или циклических нагрузок, вызванных изменениями объема хранимого продукта, колебаниями рабочего давления, порывами ветра, глубоководным волнением, работой установленного на них силового оборудования или движением транспорта. Аварии подобных конструкций сопровождаются, как правило, значительным материальным и экологическим ущербом, а иногда и гибелью людей. Стремление к снижению количества аварий и сведению до минимума наносимого ими ущерба приводит к необходимости совершенствования методов расчетной оценки надежности и долговечности конструкций, воспринимающих циклические нагрузки.

В существующих строительных нормах вопросы оценки надежности и долговечности конструкций не нашли должного отражения. Так, в частности, в СНиП ii-23-81* «Стальные конструкции» фактор времени эксплуатации учитывается лишь косвенно коэффициентами перегрузки, сочетаний нагрузок и условий работы. Используемый в нормах коэффициент надежности по материалу характеризует лишь рассеяние прочностных свойств проката, но не позволяет учитывать сопротивляемость материала накоплению повреждений от регулярных и случайных воздействий за период эксплуатации сооружения. Принятый в СНиП расчет на выносливость решает эту задачу лишь частично, поскольку имеет весьма ограниченную область применения. В нормах несущая способность сечений рассматривается независящей от характера нагружения и неизменной в течение всего срока эксплуатации сооружения Влияние дефектов и повреждений на прочность и выносливость конструкций не рассматривается. Предполагается, что на протяжении всего срока службы в расчетных сечениях не должно быть трещин, в т.ч. усталостных. Между тем известно, что несущая способность строительных конструкций в процессе эксплуатации снижается. Для металлических конструкций снижение несущей способности сечений обусловлено коррозионным и физическим износом, а также развитием трещин. При массовом изготовлении сварных металлоконструкций наличие в них технологических дефектов в виде подрезов, непроваров, газовых пузырей, шлаковых включений и т.п. практически неизбежно. При однократном нагружении подобные дефекты, как правило, не снижают несущей способности конструкций из-за их относительно небольших размеров. При циклическом же нагружении (даже сравнительно низкого уровня) они могут трансформироваться в усталостные трещины. При сочетании таких неблагоприятных факторов, как конструктивная концентрация напряжений от нагрузки, наличие дефектов и остаточных сварочных напряжений период инициации усталостных трещин значительно сокращается, и может составлять не более 10% от общей долговечности. Таким образом, большая часть времени эксплуатации сооружения приходится на стадию роста усталостной трещины, которая характеризуется постепенным снижением несущей способности элемента или конструкции. В этих условиях ресурс конструкции определяется временем подрастания трещины до некоторого критического размера, соответствующего моменту достижения одного из предельных состояний (разгерметизации резервуаров, недопустимое снижение несущей способности расчетного сечения вследствие ослабления его трещиной и др.). В этой связи на первый план выходит проблема достоверной оценки запаса живучести, т.е. способности безопасно функционировать при эксплуатационных воздействиях на протяжении заданного периода при наличии несовершенств и технологических дефектов.

Предлагаемая методика расчета долговечности и надежности сварных металлических конструкций и их элементов, воспринимающих в период эксплуатации циклические воздействия, позволяет оценивать остаточный ресурс уже существующих сооружений и решать ряд важных прикладных задач на стадии проектирования новых. К числу таких задач относятся: проектирование сооружений с заданным сроком службы и уровнем надежности, обоснованное назначение периодичности профилактических осмотров и обследований ответственных конструкций с целью своевременного обнаружения развивающихся усталостных трещин и предотвращения аварий. Методика является дополнением и углублением раздела 9 «Расчет элементов стальных конструкций на выносливость» СНиП ii-23-81* и широко применяется на кафедре строительных конструкций, оснований и надежности сооружений при расчете усталостной долговечности металлических конструкций (промышленных зданий, мостов магистральных трубопроводов и др.). Срок эксплуатации сооружений рассматривается как период от трансформации исходных дефектов (непроваров, подрезов, газовых пузырей и т.п.) в усталостные трещины до момента достижения этими трещинами критических размеров.

Для расчета кинетики роста усталостной трещины используется концептуальный подход и математический аппарат механики разрушения. Ресурс конструкций вычисляется в вероятностной постановке с построением графика функции надежности в зависимости от числа циклов нагружения (срока эксплуатации). При этом входные параметры (нагрузки, начальные и предельные размеры трещин, характеристики пластичности и циклической трещиностойкости материала и др.) рассматриваются как независимые случайные величины со своими функциями распределения.

Для определения функции распределения усталостной долговечности расчетных сечений f( n) применен метод статистического моделирования (метод Монте-Карло). В процессе расчета случайным образом компонуются векторы значений всех используемых в расчете случайных величин. Каждый i-ый вектор случайно выбранных значений используется при вычислении кинетики роста трещины (от начального до предельного размера) и позволяет получить одно значение усталостной долговечности расчетного сечения. Совокупность из 350-500 значений позволяет построить статистическую функцию распределения f(n) и искомую зависимость "надежность-долговечность". h(n)=1-f(n), характеризующую вероятность безотказной работы конструкции в течение определенного времени ее эксплуатации. Отличительной особенностью предлагаемой методики является возможность учета реальных режимов нагружения конструкций, которые, как правило, описываются случайными процессами.

Основные положения методики были получены и проверены в ходе экспериментальных исследований, выполненных на специализированном испытательном стенде под управлением компьютера, позволяющем реализовывать любые, в т.ч. случайные, режимы нагружения образцов. При этом использовались высокочастотные измерительные приборы и уникальные технологии (малобазная тензометрия с базой тензорезисторов до 0,5 мм). В процессе исследований испытывались на внецентренное растяжение стандартные компактные образцы из стали 20К. Практическая апробация расчетной методики была выполнена на крупномасштабных образцах четырех типов из аустенитной стали 12Х18Н10Т, моделирующих работу материала в зонах с конструктивной концентрацией напряжений, в рамках экспериментальных исследований по определению прогнозируемого ресурса проектируемой трансзвуковой аэродинамической трубы. Для практической реализации положений методики и решения прикладных задач разработана компьютерная программа « resurs».