ДОНБАСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ
БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ
Толстяков Роман Геннадійович
УДК 624.014:620.193
НОРМУВАННЯ ПОКАЗНИКІВ КОРОЗІЙНОЇ СТІЙКОСТІ БУДІВЕЛЬНИХ МЕТАЛОКОНСТРУКЦІЙ НА ОСНОВІ ЕКСПЕРТНИХ СИСТЕМ
05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Макіївка - 2000
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана на кафедрі "Металеві конструкції і матеріалознавство" Донбаської державної академії будівництва і архітектури Міністерства освіти України.
Науковий керівник: Доктор технічних наук, професор КОРОЛЬОВВолодимир Петрович, Донбаська державна академія будівництва і архітектури, проректор з наукової роботи.
Офіційні опоненти: Доктор технічних наук ПЕРЕЛЬМУТЕР Анатолій Вікторович, ВАТ "Український науково-дослідний інститут "УкрНДІпроектстальконструкція", головний науковий співробітник; Кандидат технічних наук ЧЕРНИШЕВ Юрій Петрович, Донецький науково-дослідний і проектний інститут "ПромбудНДІпроект", завідувач відділом хімії бетону і довговічності будівельних конструкцій.
Провідна установа: Придніпровська державна академія будівництва і архітектури, кафедра металевих конструкцій, Міністерство освіти України (м. Дніпропетровськ)
Захист відбудеться " 24 " лютого 2000 року о 1100 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.085.01 при Донбаській державній академії будівництва і архітектури за адресою: 86123, Донецька обл., м.Макіївка-23, вул. Державіна, б.2, I навчальний корпус, Зал засідань.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Донбаської державної академії будівництва і архітектури.
Автореферат розісланий " 21 " січня 2000 року.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
кандидат технічних наук, доцент А.М. ЮговЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Визначальну роль при проектуванні й експлуатації сталевих будівельних конструкцій має задача забезпечення надійності та довговічності протягом всього життєвого циклу конструктивних елементів. В даний час в Україні тільки в основних галузях промисловості експлуатуються понад 35 млн. тон несучих металевих конструкцій. Аналіз причин передчасного фізичного зносу свідчить про недосконалість нормативної бази проектування, відсутність відповідної системи нагляду за технічним станом і інженерною діагностикою конструкцій, яка забезпечує безаварійну експлуатацію будівель, споруд та інженерних мереж.
Законодавчою основою, пов'язаною з проблемою цілості основних фондів, є Постанова Кабінету Міністрів України від 05.05.97 року №409 "Про забезпечення надійності і безпечної експлуатації будівель, споруд та інженерних мереж" і відповідний Указ Президента від 31.12.98 року №1420/98 "Про нейтралізацію погроз, обумовлених погіршенням екологічної і техногенної обстановки в країні". Найважливішою задачею реалізації заходів щодо запобігання аварій і руйнацій будівельних конструкцій є розробка наукового й організаційного забезпечення моніторингу технічного стану конструкцій у корозійних середовищах.
Комплексне вирішення поставленої задачі пов'язане з нормуванням коефіцієнта надійності протикорозійного захисту на принципах методики граничних станів. Багатофакторність процесу корозійного руйнування потребує використання сучасних інформаційних технологій, елементом яких є експертні системи (ЕС).
Таким чином, створення методики нормування коефіцієнта надійності протикорозійного захисту gzn для розрахунків сталевих будівельних конструкцій на корозійну стійкість і довговічність за граничними станами на основі функціональної побудови ЕС "Діагностика – Антикорозійний Захист – Реконструкція" (ЕС "ДАЗР") дозволить комплексно оцінювати резерви несучої здатності та виявляти ознаки граничних станів на всіх стадіях життєвого циклу конструкцій.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до науково-дослідних робіт у рамках Державної науково-технічної програми "Протикорозійний захист металофонду України" до 2005 року, розділ 6.2 "Розробка національної експертної системи "Захист будметал" вибору проектних та технологічних рішень протикорозійного захисту металоконструкцій з гарантованими показниками довговічності".
Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка методики нормування коефіцієнта надійності протикорозійного захисту з урахуванням меж діапазонів ступеня агресивності впливів і показників корозійної стійкості будівельних металоконструкцій будівель та споруд.
Для досягнення поставленої мети автором сформульовані такі задачі:
·
розробити й обгрунтувати аналітичні залежності для визначення нормативних і розрахункових характеристик корозійних впливів;
·
виконати розрахункову оцінку коефіцієнта надійності протикорозійного захисту на основі моделювання корозійно-механічного руйнування і показників корозійної стійкості конструктивних елементів будівель та споруд;
·
на основі моделей корозійних елементів і розрахункових ситуацій розробити принципи побудови ЕС оцінки граничних станів за показниками корозійної стійкості;
·
створити алгоритмічний опис напружено-деформованого стану (НДС) з урахуванням особливостей режиму експлуатації і встановленого терміна служби сталевих конструкцій;
·
розробити імітаційні моделі для програмної реалізації ЕС "ДАЗР" з урахуванням нормування коефіцієнта надійності протикорозійного захисту.
Наукова новизна отриманих результатів. Наукову новизну дослідження складають:
·
методика визначення нормативних і розрахункових характеристик показників корозійної стійкості, заснована на екстремальних значеннях найбільш невигідних комбінацій агресивних впливів;
·
результати чисельного моделювання коефіцієнта надійності протикорозійного захисту, що дозволяють обгрунтувати зміну меж діапазонів ступеня агресивності впливів на будівельні металоконструкції;
·
математична модель коефіцієнта надійності протикорозійного захисту для нормування показників корозійної стійкості будівельних сталей з урахуванням характеру корозійного руйнування;
·
принципи побудови і структура інформаційної ЕС у вигляді алгоритмічного опису моделей корозійних елементів для розрахунку зміни геометричних характеристик перерізів і розрахункових властивостей матеріалу з урахуванням встановленого терміна служби конструктивних елементів.
Практичне значення отриманих результатів.
·
розроблено методику нормування коефіцієнта надійності протикорозійного захисту gzn для розрахунків сталевих будівельних конструкцій на корозійну стійкість за граничними станами;
·
запропонована нова класифікація ступеня агресивності впливів із заданою надійністю на основі нормування значень коефіцієнта надійності gzn, яка враховує якісні зміни засобів і методів захисту від корозії при переході від одного ступеня агресивного впливу до іншого;
·
розроблено методику урахування фіктивних корозійних навантажень A(L,G,S) при виконанні розрахунків на корозійну стійкість за граничними станами для вибору розрахункових ситуацій при проектуванні з урахуванням режиму експлуатації та тримання конструкцій;
·
запропонована математична модель коефіцієнта надійності протикорозійного захисту з урахуванням коефіцієнта концентрації напружень конструктивних елементів;
·
розроблене програмне забезпечення ЕС "ДАЗР", що дозволяє проводити розрахунки металоконструкцій на корозійні впливи інженерно-технічним робітникам - користувачам персональних комп'ютерів.
Впровадження результатів роботи. Матеріали досліджень використані при розробці:
·
Галузевого нормативного документа "Посібник з діагностики корозійного стану будівельних металоконструкцій будівель і споруд в агресивних середовищах (до СНиП 2.03.11-85)";
·
Стандартної методики сертифікаційних випробувань щодо оцінки корозійної стійкості та довговічності сталевих конструкцій;
·
Методичних вказівок щодо організації технічного нагляду за станом виробничих будівель і споруд;
·
Методичних рекомендацій щодо технічного нагляду за будівельними конструкціями будівель, споруд та інженерних мереж (для служб експлуатації і цехового персоналу).
Матеріали досліджень використані при виконанні натурних обстежень, складанні технічного висновку і розробці рекомендацій щодо забезпечення довговічності несучих і огороджуючих конструкцій покриття дебаркадера залізничного вокзалу станції Львів; при оцінці технічного стану і розробці засобів і методів протикорозійного захисту металоконструкцій копра східного вентстволу АП шахти ім. Засядько, м.Донецьк.
Особистий внесок здобувача. Приведені в дисертаційній роботі результати досліджень отримані здобувачем самостійно. Особистий внесок автора полягає в наступному:
·
розроблена методика нормування коефіцієнта надійності протикорозійного захисту gzn за показниками корозійної стійкості на основі побудови ЕС;
·
виконане чисельне моделювання коефіцієнта надійності протикорозійного захисту, що дозволяє обгрунтувати зміну меж діапазонів ступеня агресивності впливів на будівельні металоконструкції;
·
розроблено алгоритмічний опис автоматизованих розрахунків агресивності експлуатаційного середовища конструкцій, заснований на екстремальних значеннях найбільш невигідних комбінацій агресивних впливів;
·
виконана розрахункова оцінка коефіцієнта надійності протикорозійного захисту на основі моделювання корозійно-механічного руйнування і показників корозійної стійкості конструктивних елементів будівель та споруд;
·
проведені чисельні та експериментальні дослідження, що дозволяють обгрунтувати математичну модель коефіцієнта надійності протикорозійного захисту з урахуванням коефіцієнта концентрації напружень конструктивних елементів;
·
розроблено імітаційні моделі для програмної реалізації ЕС "ДАЗР" з урахуванням нормування коефіцієнта надійності протикорозійного захисту.
У публікаціях із співавторами здобувачем виконані: класифікація і систематизація корозійних дефектів і ушкоджень за даними натурного обстеження [2, 6], корозійно-механічні випробування плоских фігурних зразків чотирьох марок сталей, статистична обробка й аналіз результатів досліджень [7], оптимізація проектних рішень з урахуванням корозійної стійкості та довговічності конструктивних елементів [5], розрахунок конструктивних елементів на корозійну стійкість і довговічність з використанням технологій експертних систем [8], формалізація, алгоритмічний і програмний опис задачі нормування коефіцієнта надійності протикорозійного захисту, чисельні дослідження [3, 11], розробка концепції і побудова логічної основи ЕС гарантованих показників довговічності [10], обгрунтування структури діагностичних параметрів у розрахунках сталевих конструкцій на агресивні впливи на основі математичного імітаційного моделювання корозійних процесів [4].
Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися: на III Міжнародній науково-технічній конференції "Матеріали для будівельних конструкцій" (ICMB'94) у м.Дніпропетровську, 1994 р.; на Міжнародній науково-технічній конференції "Ресурсозберігаючі технології у проектуванні конструкцій і технологічних процесів" у м. Макіївці, 1995 р.; на Міжнародній конференції "Металлостроительство-96. Состояние и перспективы развития" у м. Донецьку, Макіївці, 1996 р.; на Міжнародній конференції "Теорія і практика металевих конструкцій" у м. Донецьку, Макіївці, 1997р.; на Міжнародній конференції "Долговечность и защита от коррозии. Строительство, реконструкция (теория, исследования, практика, ресурсосбережение и экология, оценка качества, сертификация)" у м.Москві, 1999 р.; на Міжнародній конференції "Eurosteel '99. 2nd European Conference on Steel Structures" у м. Прага, Чехія, 1999 р.; на Другій всеукраїнській науково-технічній конференції "Аварії на будівлях і спорудах та їх попередження" у м. Києві, 1999 р.
Публікації. Основні положення дисертації знайшли своє відображення в 11 друкованих роботах, із котрих 5 статей у наукових журналах і збірниках та 6 у матеріалах і тезах конференцій; 2 роботи опубліковано без співавторів.
Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, основних результатів і висновків, списку використаних джерел зі 168 найменувань, трьох додатків. Робота викладена на 214 сторінках, у тому числі 137 сторінок основного тексту, 19 сторінок списку використаних джерел, 23 повних сторінки з рисунками і таблицями, 35 сторінок додатків.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обгрунтована актуальність теми, сформульовані мета і задачі дослідження, наукова новизна і практичне значення роботи, подана її загальна характеристика.
Перший розділ присвячений аналізу стану питання і рівня наукових досягнень в галузі забезпечення надійності сталевих будівельних конструкцій у корозійних середовищах.
Теоретичною основою діючих норм проектування будівельних сталевих конструкцій є метод граничних станів з використанням у розрахункових формулах частинних коефіцієнтів надійності. Основні положення теорії надійності будівельних конструкцій розвинені в наукових працях В.В.Болотіна, А.Р.Ржаніцина, М.С.Стрелецького, а також М.Майера, А.Мразика, М.Тихи. Питання надійності будівельних металоконструкцій та імовірнісні представлення навантажень і впливів розглянуті в працях Є.В.Горохова, М.М.Жербіна, М.І.Казакевича, В.П.Корольова, В.П.Мущанова, В.А.Пашинського, А.В.Перельмутера, С.Ф.Пічугіна, В.Д.Райзера, А.В.Сільвестрова, Ю.Д.Сухова, В.В.Трофимовича, В.М.Шимановского та ін.
Однією з найважливіших вимог до будівельних металоконструкцій є довговічність конструкції, яка повинна задовольняти вимогам безпеки та експлуатаційної придатності з відповідним ступенем надійності протягом заданого терміна служби при різноманітних впливах.
Значний вплив на показники надійності та довговічності будівельних металоконструкцій надають процеси корозійного руйнування. У зв'язку з цим, урахування особливостей дійсної роботи конструкцій в умовах агресивності експлуатаційних середовищ дозволяє забезпечити необхідний і доцільний рівень надійності.
Питанням корозійної стійкості будівельних металоконструкцій присвячені праці Є.І.Бєлєня, Ю.Л.Вольберга, А.І.Голубєва, А.І.Кікіна, І.І.Кошина, А.М.Шляфірнера й ін. Постановка і формулювання задач, пов'язаних з урахуванням корозійних впливів на несучу здатність при розрахунках будівельних конструкцій за граничними станами, виконані в роботах Є.В.Горохова, В.П.Корольова, І.Г.Овчіннікова, В.В.Петрова, В.І.Похмурського, Ю.М.Почтмана, В.Д.Райзера, Л.Я.Цикермана, С.М.Шаповалова, Ю.М.Шихова й ін.
Аналіз європейських норм проектування ENV 1991-1, ENV 1993-1-1, BS 7543, CSN 038240, CSN 731401, ISO 10721-1 та ін. показує, що велика увага приділяється розгляду впливів навколишнього середовища. Сформована система вітчизняних нормативних документів - СНиП 2.01.07-85 "Нагрузки и воздействия", СНиП II-23-81 "Стальные конструкции" і СНиП 2.03.11-85 "Защита строительных конструкций от коррозии" - не забезпечує розрахункову оцінку показників корозійної стійкості на основі методики граничних станів. У номенклатурі показників ГОСТ 4.253-80 відсутні розрахункові методи визначення показників корозійної стійкості й терміна служби захисних покрить.
Недосконалість розрахункового апарату оцінки несучої здатності з урахуванням корозійних впливів у закордонних і вітчизняних нормах проектування полягає в тому, що не визначені умови забезпечення надійності при нормуванні інтенсивності впливів агресивних середовищ, принципи вибору розрахункових схем і розрахункових ситуацій з урахуванням принципів граничних станів.
Відповідно до методичного підходу, викладеного в роботах Є.В.Горохова, В.П.Корольова, врахування небезпеки корозійного руйнування виконується шляхом розширення структури частинних коефіцієнтів методу граничних станів. В основну граничну нерівність вводиться коефіцієнт надійності протикорозійного захисту gzn для розрахунково-аналітичної оцінки показників довговічності, що визначають період часу до настання граничного стану при встановленій системі технічного обслуговування і ремонту конструкцій.
У розділі сформульована задача нормування коефіцієнта надійності протикорозійного захисту (рис. 1) на основі допустимих показників корозійного руйнування з урахуванням вимог первинного захисту конструктивних елементів, що включають вплив металургійних чинників і особливостей раціонального конструювання.
На підставі вивчення стану питання сформульовані основні напрямки досліджень.
Рис. 1. Теоретичне та експериментальне обгрунтування чисель-ного моделювання коефіцієнта надійності gzn: gfk – коефіцієнт надійності за впливами корозійних середовищ; gmk - коефіцієнт надійності за матеріалом; A(L,G,S) - впливи чинників агресивності рідких (L), газоподібних (G) і твердих (S) середовищ; gq – коефіцієнт тривалості впливів; c – коефіцієнт кінетики корозійного зносу; v – коефіцієнт пітінгоутворюван-ня; Ф(0) - ступінь агресивності середовища; tзаг, tадс, tфаз - тривалості загального, адсорбційного і фазового зволоження; cx - концентрації корозійно-активних агентів; ak – коефіцієнт рівномірної корозії; ap – коефіцієнт місцевої корозії; gk - коефіцієнт зміни розрахункового опору сталі; av – коефіцієнт концентрації напружень.
В другому розділі розглядаються питання розробки принципів проектування баз даних нормативних і розрахункових характеристик корозійних впливів.
Кліматичні чинники зовнішнього середовища (температура, вологість, сонячне випромінювання, вітер та ін.) враховуються при макрокліматичному районуванні територій. На формування мікроклімату виробничих помешкань впливають зовнішні атмосферні впливи, технологічний режим виробничих процесів, система опалення, вентиляції й аерації, теплотехнічні властивості конструкції.
В якості основних параметрів корозійної агресивності експлуатаційних впливів розглядаються: тривалості загального зволоження поверхні, tзаг; зволоження поверхні адсорбційною плівкою вологи, tадс; концентрація корозійно-активних компонентів середовища cx.
В основу запропонованого методичного підходу до розрахункової оцінки параметрів корозійної агресивності покладені принципи районування територій і зонування виробничих середовищ на основі встановлених характеристик будівельної кліматології.
Розроблена методика визначення нормативних і розрахункових характеристик показників корозійної стійкості з урахуванням екстремальних значень найбільш невигідних комбінацій агресивних впливів, дозволяє виконувати аналітичний опис режиму експлуатації на основі розрахункових моделей взаємодії конструктивної форми і компонентів агресивного середовища (табл. 1).
Математичний опис показників корозійної стійкості виконується на основі узагальнених моделей корозійних елементів (рис. 2) в залежності від типорозміру і форми профілю перерізу елемента для встановлених вхідних чинників корозійної агресивності зовнішніх впливів A(L,G,S) і параметрів конструктивної форми A(f).
Концептуальною основою при розробці технології автоматизованих методів розрахунку є побудова бази даних нормативних і розрахункових характеристик корозійних впливів. З урахуванням обмеженої інформації про характер та інтенсивність технологічних виділень передбачена можливість використання статистичних характеристик експериментальних даних показників корозійної агресивності в залежності від призначення об'єкта.
Таблиця 1.
Розрахункові моделі визначення нормативних значень
корозійної агресивності газоподібних, рідких і твердих середовищ
Схема впливів Визначення реакцій Ф(0), г/м2 Коефіцієнт тривалості впливів gq
Примітка. - тривалість впливу рідких, газоподібних і твердих середовищ або відносної вологості Wі70%, час; t0 - середнє число годин у році.
Рис. 2. Узагальнені моделі корозійних елементів: а) - МКЭ-0; б) - ОМКЭ-1.
а) б)
Третій розділ присвячений розрахунковій оцінці коефіцієнта надійності протикорозійного захисту gzn на основі моделювання корозійно-механічного руйнування. Розглянуто питання нормування значень коефіцієнта gzn і обгрунтування меж діапазонів агресивності експлуатаційних середовищ.
Подано результати прискорених корозійно-механічних випробувань пласких фігурних зразків при моделюванні агресивних впливів твердих (S), рідких (L) і газоподібних середовищ (G). Метою проведених досліджень постало визначення кількісних показників корозійного руйнування сталей марок С255, С345, С390, С345К і розрахункова оцінка коефіцієнта надійності протикорозійного захисту gzn.
Програма випробувань передбачала використання фігурних зразків з концентраторами і без концентраторів напружень. Моделювання фізико-хімічних впливів A(L,G,S) здійснювалося в процесі прискорених випробувань у кліматичних камерах відповідно до програми експериментальних досліджень протягом 60 діб. Механічні випробування зразків виконані на устатковині "АЛА-ТОО" типу ИМАШ-20-75 (рис. 3). Кінцево-елементне моделювання руйнування зразків при статичному навантаженні зроблене з використанням інтегрованого розрахункового комплексу для аналізу конструкцій Structure CAD 7.27. Гістограми показника корозійної стійкості поверхні П, [г/м2] для зразків чотирьох марок сталі подані на рис. 4.
Характер зміни коефіцієнта надійності gzn з урахуванням особливостей корозійного руйнування і концентрації напружень конструктивних елементів досліджуваний за допомогою залежності:
, (1)
де ak - коефіцієнт зміни геометричних характеристик перерізів елементів при рівномірній корозії; ap - коефіцієнт зміни геометричних характеристик з урахуванням місцевої корозії; gk - коефіцієнт зміни розрахункового опору сталі при корозійному розтріскуванні; d - гранична відносна помилка експериментальної оцінки геометричних характеристик і механічних властивостей з урахуванням нормального закону розподілу випадкових величин; av - коефіцієнт концентрації напружень.
Рис. 3. Навантаження зразків за допомогою активних захватів на устатковині "АЛА-ТОО". Рис. 4. Результати контролю показника П, г/м2 зразків чотирьох марок сталі.
Результати розрахунково-експериментальної оцінки коефіцієнта gzn для розглянутих сталей приведені в табл. 2.
Таблиця 2.
Порівняльна оцінка коефіцієнтів gzn за даними
корозійно-механічних випробувань
Режим випробувань Матеріал зразків Характеристики корозійного руйнування
ak ap gk,n av gzn
С255 0,95 0,98 0,92 --- 0,77
С345 0,96 0,98 0,94 --- 0,80
С390 0,97 0,98 0,83 --- 0,70
С345К 0,96 0,99 0,91 --- 0,77
С255 0,96 0,98 0,99 --- 0,83
С345 0,97 0,98 0,99 --- 0,85
С390 0,96 0,98 0,84 --- 0,71
С345К 0,97 0,98 0,89 --- 0,76
С255 0,95 0,98 1,07 1,08 0,82
С345 0,96 0,98 1,08 1,09 0,84
С390 0,97 0,97 1,07 1,28 0,71
С345К 0,97 0,99 0,98 1,10 0,76
С255 0,96 0,98 1,12 1,13 0,83
С345 0,97 0,98 1,41 1,43 0,84
С390 0,98 0,97 1,08 1,30 0,71
С345К 0,97 0,98 0,37 0,42 0,32
Аналіз матеріалів дослідження дозволяє виділити такі закономірності, встановлені за даними корозійно-механічних випробувань:
·
має місце зниження розрахункових значень коефіцієнта gk,n при I схемі випробувань. Зростання величин gk,n для II - IV схем пояснюється впливом попереднього напруження і концентрації напружень у зонах розташування И- і Ъ-подібних надрізів;
·
збільшення значень gk,n пов'язане з різноманітним впливом коефіцієнта концентрації напружень av, який залежить від форми надрізу і матеріалу зразків. При значеннях av,iі1 реалізується механізм в'язко-пластичного руйнування. Характеристика av,i<1 свідчить про відсутність макропластичної деформації і крихке руйнування зразків.
Результати корозійно-механічних випробувань забезпечують можливість для нормування показників корозійної стійкості будівельних сталей з урахуванням характеру корозійного руйнування.
Теоретичні та експериментальні дослідження, пов'язані з розробкою аналітичного опису корозійного руйнування конструктивної форми й алгоритмізацією задачі нормування коефіцієнта надійності протикорозійного захисту, дозволили розробити і реалізувати алгоритми розрахунку значень коефіцієнта gzn для різноманітного складу вихідних даних і розрахункових ситуацій. Результатом роботи алгоритму нормування є масиви значень коефіцієнта gzn для різноманітного ступеня агресивності середовища і часу експлуатації для заданого конструктивного елемента (рис. 5). Розглядаючи зміну значень коефіцієнта gzn протягом часу, можливо аналізувати динаміку зміни рівня надійності конструкції, виявляти резерви несучої спроможності та призначати стратегію технічного обслуговування сталевих конструкцій, які експлуатуються в агресивних середовищах.
Рис. 5. Масив значень gzn у залежності від ступеня агресивності середовища, терміна служби і відношення резерву надійності Г конструктивного елемента.
Приклад розробки алгоритмічного опису задачі нормування коефіцієнта gzn наведено на рис. 6.
Аналіз виконаних чисельних досліджень щодо оцінки коефіцієнта надійності протикорозійного захисту gzn показує, що для різноманітного ступеня агресивності корозійних середовищ за СНиП 2.03.11-85, має місце різноманітна забезпеченість коефіцієнта надійності gzn.
Найбільш істотно ця відмінність виявляється для середньоагресивних середовищ, для яких встановлений більш широкий діапазон показників корозійної стійкості.
На основі моделювання значень коефіцієнта надійності в залежності від заданого терміна служби запропоновані нові діапазони ступеня агресивності експлуатаційних середовищ (табл. 3): неагресивне середовище (корозійна стійкість конструктивних елементів – до 0,01 мм/рік); слабоагресивне середовище (більш 0,01 ё до 0,05 мм/рік); низькоагресивне середовище (більш 0,05 ё до 0,15 мм/рік); середньоагресивне середовище (більш 0,15 ё до 0,30 мм/рік); сильноагресивне середовище (більш 0,30 ё до 0,50 мм/рік); високоагресивне середовище (більш 0,50 мм/рік).
Таблиця 3.
Значення коефіцієнта gzn при нормуванні агресивних впливів
Конструктив-ний елемент Т, рік Показник корозійної стійкості, мм/рік
0,01 0,05 0,10 0,15 0,30 0,50 1,00
1 1,00 1,00 0,99 0,99 0,98 0,97 0,95
5 1,00 0,99 0,98 0,98 0,95 0,92 0,84
10 1,00 0,99 0,97 0,96 0,92 0,87 0,75
25 0,99 0,97 0,95 0,93 0,86 0,76 0,52
50 0,99 0,96 0,92 0,88 0,77 0,61 0,23
100 0,99 0,94 0,87 0,81 0,62 0,37 0,00
1 1,00 1,00 0,99 0,99 0,99 0,98 0,97
5 1,00 0,99 0,99 0,98 0,97 0,95 0,90
10 1,00 0,99 0,98 0,97 0,95 0,92 0,84
25 0,99 0,98 0,97 0,95 0,91 0,85 0,70
50 0,99 0,97 0,95 0,92 0,85 0,75 0,51
100 0,99 0,96 0,92 0,88 0,76 0,60 0,20
Класифікація ступеня агресивності середовища
Існую-ча Неагресив-не Слабоагресивне Середньоагресивне Сильно-агресив-не
Запро-поно-вана Неагресив-не Слабоагресивне Низькоагресивне Серед-ньоаг-ресивне Сильно-агресив-не Високо-агресив-не
Моделювання корозійного руйнування і нормування значень коефіцієнта надійності gzn виконане для основних типів профілів поперечних перерізів конструктивних елементів.
Четвертий розділ присвячений розробці структури і функціональних взаємозв'язків ЕС "ДАЗР" для розрахунків сталевих конструкцій на корозійні впливи. Програмна реалізація ЕС здійснюється за допомогою системи керування реляційними базами даних MS Access 97. Імітаційне моделювання ядра обчислювальної системи зроблено на основі MathConnex 2000 із пакета MathSoft MathCAD 2000 Professional.
Рис. 6. Алгоритм розрахунку коефіцієнта надійності протикорозійного захисту gzn у залежності від різної агресивності експлуатаційного середовища і терміна служби.
Оцінка НДС при дії корозійних фіктивних навантажень, додаткових переміщень і зусиль, що викликаються цими навантаженнями, виконується на основі математичних моделей взаємодії конструктивної форми й агресивного середовища. Подана задача багатомірного моделювання коефіцієнта gzn вирішується з використанням встановлених розрахункових моделей корозійних елементів і розрахункових ситуацій, що включають етапи життєвого циклу конструкцій.
Розділ містить матеріали чисельних досліджень корозійного стану конструктивних елементів будівельних металоконструкцій на різноманітних стадіях життєвого циклу з використанням розробленої ЕС "ДАЗР". Для перевірки адекватності розроблених алгоритмічних описів і програмних реалізацій проведені стендові корозійні випробування таврових зразків в умовах промислової атмосфери коксохімічного виробництва. Отримані експериментальні значення показника корозійної стійкості поверхні добре узгоджуються з результатами чисельного моделювання процесу корозійного руйнування (відносна похибка не перевищує 7-10%).
На стадії експлуатації описана методика використовувалася при оцінці корозійної стійкості конструктивних елементів покриття дебаркадера залізничного вокзалу станції Львів (табл. 4).
Таблиця 4.
Результати розрахунку на корозійну стійкість і довговічність
однорідних конструктивних елементів
Схема однорідного конструктивного елемента № од-но-рід-ної зо-ни А, г/м2 рік gzn gzf Т, рік
Режим нормальної експлуатації Порушення режиму нормальної експлуатації
1 2 3 4 5 6
1 492,42 492,42 0,80 0,80 0,95 0,95 4,0 4,0
2 516,7 516,7 0,80 0,80 0,90 0,90 1,8 1,8
1 547,22 1231,3 0,75 0,75 --- 0,50 8,2 6,7
2 570,87 1284,5 0,75 0,75 --- 0,00 12,6 7,6
3 560,98 1262,2 0,70 0,70 --- 0,00 11,5 10,8
3 560,98 1262,2 0,70 0,70 --- 0,00 11,5 10,8
Експериментальні дані оцінки закономірностей корозійно-механічного руйнування для атмосферостійкої сталі 10ХНДП використані для виконання розрахунків огороджуючих мембранних панелей покриття на корозійну стійкість і довговічність (див. табл. 4) з урахуванням різноманітних розрахункових ситуацій.
Побудова і практична реалізація ЕС "ДАЗР" забезпечують можливості нормування коефіцієнта gzn з урахуванням основних закономірностей корозійного руйнування сталевих конструкцій.
ОСНОВНІ ВИСНОВКИ
1. Розроблено алгоритмічний опис автоматизованих розрахунків агресивності експлуатаційного середовища конструкцій, заснований на екстремальних значеннях найбільш невигідних комбінацій агресивних впливів. Обгрунтовано розрахункові ситуації, що дозволяють виконувати нормування коефіцієнта надійності протикорозійного захисту на підставі моделювання режиму експлуатації конструкцій протягом часу.
2. Чисельні дослідження коефіцієнта надійності протикорозійного захисту за показниками корозійної стійкості дозволили встановити межі діапазонів ступеня агресивності впливів при проектуванні з заданою надійністю: неагресивне середовище (К Ј 0,01 мм/рік); слабоагресивне середовище (0,01 < K Ј 0,05 мм/рік); низькоагресивне середовище (0,05 < K Ј 0,15 мм/рік); середньоагресивне середовище (0,15 < K Ј 0 ,30 мм/рік); сильноагресивне середовище (0,30 < K Ј 0,50 мм/рік); високоагресивне середовище (K > 0,50 мм/рік).
3. Обгрунтовано необхідність урахування фіктивних корозійних навантажень A(L,G,S) при виконанні розрахунків на корозійну стійкість за граничними станами для вибору розрахункових ситуацій при проектуванні з урахуванням режиму експлуатації і тримання конструкцій.
4. На підставі експериментальних даних корозійно-механічного руйнування сталей марок С255, С345, С390, С345К запропонована математична модель коефіцієнта надійності протикорозійного захисту з урахуванням коефіцієнта концентрації напружень конструктивних елементів. Отримано кількісні характеристики коефіцієнта надійності gzn = 0.32 ё 0.98 з урахуванням особливостей рівномірної і місцевої корозії будівельних сталей.
5. Чисельні дослідження дозволили встановити ступінь впливу конструктивних параметрів на зміну коефіцієнта надійності протикорозійного захисту. При стендових випробуваннях корозійної стійкості зразків таврового перерізу в сильноагресивних середовищах отримані експериментальні значення конструктивного коефіцієнта af = 1.0ё2.4, що добре узгоджуються з результатами розрахункової оцінки (відносна похибка не перевищує 7-10%).
6. Розрахункові моделі корозійних елементів і розрахункових ситуацій включені в алгоритмічний опис ЕС для задач нормування коефіцієнта надійності gz за показниками корозійної стійкості. Реалізація розроблених програмних засобів для оцінки НДС конструкцій на основі отриманих експериментально-статистичних даних дозволила розробити заходи щодо забезпечення довговічності промислових та цивільних об'єктів.
7. Матеріали досліджень використані при розробці галузевого нормативного документа "Посібник з діагностики корозійного стану будівельних металоконструкцій будівель та споруд в агресивних середовищах (до СНиП 2.03.11-85)", впроваджені при проектуванні і сертифікації легких металевих конструкцій.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Толстяков Р.Г. Построение и использование экспертных систем в расчетах стальных конструкций на коррозионные воздействия // Вестник ДонГАСА. Вып. 95-1(1). – Макеевка, 1995. – С.50-52.
2. Толстяков Р.Г., Семенова О.В. Оценка состояния металлических панелей покрытия из стали 10ХНДП дебаркадера ж/д вокзала станции Львов // Вестник ДонГАСА. Вып. 97-4 (8). – Макеевка, 1997. – С. 81-82.
3. Королев В.П., Толстяков Р.Г. Задача нормирования коэффициента надежности противокоррозионной защиты для системы "Нагрузка – Конструкция – Среда" // Вестник ДонГАСА. Вып. 98-4 (12). – Макеевка, 1998. – С. 31-37.
4. Королев В.П., Толстяков Р.Г. Структура диагностических параметров в расчетах стальных конструкций на коррозионные воздействия // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. – 1999. - №3. – С.56-59.
Праці, що додатково відображають результати досліджень
5. Королев В.П., Толстяков Р.Г., Червонобаба А.Г. Расчет и конструирование комбинированных перекрытий с использованием стального профилированного настила на коррозионную стойкость и долговечность // Вестник ДонГАСА. Вып. 97-4 (8). – Макеевка, 1997. – С. 79-80.
6. Горохов Е.В., Королев В.П., Гибаленко А.Н., Галактионов А.В., ТолстяковР.Г. Комплексная противокоррозионная защита мембранного покрытия крытого стадиона "Олимпийский" // Труды III Междунар. научн. конф. "Материалы для строительных конструкций" (ICMB'94). - Днепропетровск, 1994. – С. 140-141.
7. Королев В.П., Толстяков Р.Г. Сравнительная оценка коррозионного растрескивания строительных сталей при ускоренных испытаниях // Труды Междунар. научн.-техн. конф. "Ресурсосберегающие технологии в проектировании конструкций и технологических процессов". – Том 3. – Макеевка: ДонГАСА. – 1995. – С.89-90.
8. Королев В.П., Толстяков Р.Г. Обеспечение надежности и долговечности металлоконструкций покрытия дебаркадера вокзала станции Львов // Труды Междунар. конф. "Теория и практика металлических конструкций". – Том 1. – Донецк-Макеевка, 1997. – С. 117-122.
9. Толстяков Р.Г. Разработка алгоритма расчета геометрических характеристик сортамента с учетом характера и интенсивности коррозионного износа стальных конструкций // Труды Междунар. конф. "Теория и практика металлических конструкций". – Том 2. – Донецк-Макеевка, 1997. – С. 95-99.
10. Королев В.П., Толстяков Р.Г. Диагностика и условия обеспечения надежности стальных конструкций в коррозионных средах по методу предельных состояний // Труды Междунар. конф. "Долговечность и защита от коррозии. Строительство, реконструкция (теория, исследования, практика, ресурсосбережение и экология, оценка качества, сертификация)". – Москва, 1999. – С. 123-133.
11. Korolyov V.P., Tolstyakov R.G. The improvement of standard support of steel structures design for corrosion resistance and life // Proceedings of the 2nd European Conference on Steel Structures “Eurosteel '99”. – CVUT Praha, Czech Republic, 1999. – P. 653-656.
АНОТАЦІЯ
Толстяков Р.Г. Нормування показників корозійної стійкості будівельних металоконструкцій на основі експертних систем. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 – Будівельні конструкції, будівлі та споруди. – Донбаська державна академія будівництва і архітектури Міністерства освіти України, Макіївка, 2000.
Дисертація присвячена проблемі нормування коефіцієнта надійності протикорозійного захисту з урахуванням меж діапазонів ступеня агресивності впливів і показників корозійної стійкості будівельних металоконструкцій будівель та споруд. Розглянуті питання опису агресивних впливів експлуатаційного середовища в якості додаткових фіктивних навантажень на конструкцію та їхнього врахування при виконанні розрахунків на корозійну стійкість за граничними станами. Запропонована математична модель коефіцієнта надійності gzn для нормування показників корозійної стійкості будівельних сталей з урахуванням характеру корозійного руйнування. Отримані результати чисельного моделювання gzn дозволили обгрунтувати зміну меж діапазонів ступеня агресивності впливів на будівельні металоконструкції. Сформульовані принципи побудови і структура ЕС "ДАЗР".
Ключові слова: будівельні металоконструкції, показники корозійної стійкості, фіктивні корозійні навантаження, коефіцієнт надійності протикорозійного захисту, межі діапазонів ступеня агресивності середовищ, імітаційні моделі, експертна система.
АННОТАЦИЯ
Толстяков Р.Г. Нормирование показателей коррозионной стойкости строительных металлоконструкций на основе экспертных систем. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 – Строительные конструкции, здания и сооружения. – Донбасская государственная академия строительства и архитектуры Министерства образования Украины, Макеевка, 2000.
Диссертация посвящена проблеме нормирования коэффициента надежности противокоррозионной защиты с учетом границ диапазонов степени агрессивности воздействий и показателей коррозионной стойкости строительных металлоконструкций зданий и сооружений. Разработанная методика нормирования позволяет производить расчеты стальных строительных конструкций на коррозионные воздействия по методу предельных состояний.
В первой главе приведен анализ существующей нормативной базы расчетов строительных металлоконструкций по предельным состояниям с учетом влияния факторов режима эксплуатации, рассмотрены пути совершенствования методов расчета для обеспечения требуемого уровня надежности, в частности, при разработке новой концепции национальных норм по нагрузкам и воздействиям. Определены основные направления исследований, связанные с использованием современных информационных технологий для задач нормирования показателей коррозионной стойкости. Изложены основные задачи исследований.
Во второй главе рассматриваются вопросы описания агрессивного воздействия эксплуатационных сред в качестве дополнительных фиктивных нагрузок на конструкцию и учета таких коррозионных нагрузок при выполнении расчетов на коррозионную стойкость по предельным состояниям для выбора расчетных ситуаций при проектировании с учетом режима эксплуатации и содержания конструкций. Для создания интеллектуальных информационных систем автоматизированных расчетов разработаны принципы проектирования баз данных нормативных и расчетных характеристик коррозионных воздействий.
В третьей главе выполнена расчетная оценка коэффициента надежности противокоррозионной защиты на основе моделирования коррозионно-механического разрушения и показателей коррозионной стойкости конструктивных элементов. Предложена математическая модель коэффициента надежности gzn для нормирования показателей коррозионной стойкости строительных сталей с учетом характера коррозионного разрушения.
Полученные результаты численного моделирования коэффициента надежности gzn позволили обосновать границы диапазонов степени агрессивности воздействий на строительные металлоконструкции. Преложена новая классификация степени агрессивности воздействий с заданной надежностью.
Четвертая глава содержит сформулированные принципы построения и структуру информационной ЭС в виде алгоритмического описания моделей коррозионных элементов для расчета изменения геометрических характеристик сечений и расчетных свойств материала с учетом установленного срока службы конструктивных элементов. Разработаны основы создания программного продукта – ЭС "ДАЗР", позволяющей вести расчеты стальных конструкций на коррозионные воздействия инженерно-техническим работникам - пользователям персональных компьютеров. Представлены имитационные модели для программной реализации ЭС "ДАЗР" с учетом нормирования коэффициента надежности противокоррозионной защиты. Для проверки адекватности разработанных алгоритмических описаний и программных реализаций проведены численные исследования коррозионной стойкости строительных объектов и приведены сопоставления с данными стендовых и натурных испытаний.
Ключевые слова: строительные металлоконструкции, показатели коррозионной стойкости, фиктивные коррозионные нагрузки, коэффициент надежности противокоррозионной защиты, границы диапазонов степени агрессивности сред, имитационные модели, экспертная система.
ABSTRACT
Tolstyakov R.G. Normalization of building steel structures corrosion resistance indices on the basis of expert systems – manuscript.
Thesis for Candidate of Technical Science Degree on 05.23.01 speciality - Building structures, buildings and constructions.- Donbas State Academy of Civil Engineering and Architecture of the Ministry of Education of Ukraine, Makeevka, 2000.
The thesis is dedicated to the problem of normalization of corrosion control reliability factor taking into account the limits of corrosion attacks severity ranges and indices of corrosion resistance of building metal structures of buildings and constructions. The problems of description of working environments corrosion attacks as structure additional fictitious loads and account of them in designing for corrosion resistance according to limit states has been examined. The mathematical model of gzn reliability factor for normalization of construction steels corrosion resistance indices taking into account the nature of corrosion failure has been proposed. The obtained results of gzn numerical simulation enabled to substantiate the variation of the limits of ranges of severity of corrosion attacks on building metal structures. The principles of construction of the "DAZR" expert system and its structure has been formulated.
Key words: building metal structures, corrosion resistance indices, fictitious corrosion loads, corrosion control reliability factor, limits of corrosion attacks severity ranges, simulation models, expert system.
