ДОНБАСЬКА НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

ПЧЕЛЬНІКОВ Сергій Борисович

УДК 624.014.2:69.059.4:725.42(049.3)

ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ НАДІЙНОСТІ

СПЕЦІАЛЬНИХ ПРОМИСЛОВИХ БУДІВЕЛЬ

05.23.01 – будівельні конструкції, будівлі та споруди

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Макіївка – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донбаській національній академії будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України на кафедрі теоретичної і прикладної механіки.

Науковий керівник | кандидат технічних наук, доцент

Губанов Вадим Вікторович,

Донбаська національна академія будівництва і архітектури, м. Макіївка, доцент кафедри металевих конструкцій.

Офіційні опоненти: |

доктор технічних наук, професор

Єрмак Євген Михайлович,

Українська державна академія залізничного транспорту, м. Харків, професор кафедри будівельних матеріалів, конструкцій та споруд;

кандидат технічних наук, доцент

Василев Володимир Миколайович,

Донбаська національна академія будівництва і архітектури, м. Макіївка, доцент кафедри металевих конструкцій.

Провідна установа: |

Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка Міністерства освіти і науки України (кафедра конструкцій із металу, дерева і пластмас).

Захист відбудеться “26” червня 2007 р. о 10.00 годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д 12.085.01 Донбаської національної академії будівництва і архітектури за адресою: 86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2, I навчальний корпус, зала засідань.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Донбаської національної академії будівництва і архітектури за адресою: 86123, Україна, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2.

Автореферат розісланий “25” травня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Зайченко М.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Значна частина металоконструкцій, що експлуатуються в Україні, представлена промисловими будівлями. Переважна більшість цих об'єктів побудована в післявоєнний час, в 50-ті–70-ті роки минулого сторіччя і на даний момент термін їх служби становить 30–50 років, що наближається, а часто і перевищує розрахунковий термін служби цих об'єктів. Будівництво нових об'єктів в даний час не вважається доцільним з фінансової точки зору, тому дуже гостро постає проблема забезпечення надійності існуючого парку металоконструкцій. Особливо це стосується підприємств металургійної промисловості, більшість з яких забезпечують безперервний технологічний процес. У даній роботі такі об’єкти названі спеціальними промисловими будівлями. Підтримання надійності таких об’єктів має особливості – неможливість або фінансова недоцільність проведення заміни окремих конструкцій внаслідок неможливості зупинки технологічного процесу або розташування технологічного обладнання. Підтримка надійності таких об’єктів можлива тільки шляхом проведення ремонтів.

На даний час в Україні застосовується планово-профілактична модель експлуатації. Основні документи, що регламентують процес експлуатації, були розроблені в 60-ті–70-ті роки минулого століття і не враховують вимог сьогодення – забезпечувати максимальну надійність конструкцій при мінімумі фінансування. У зв'язку з цим актуальною є проблема забезпечення надійності будівельних конструкцій спеціальних промислових будівель шляхом розробки раціональних методів обслуговування.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації відповідає актуальним напрямкам науково-технічної політики України в галузі оцінки технічного стану будівель та споруд, що експлуатуються, відповідно до Постанови Кабінету Міністрів України №409 від 05 травня 1997 р. “Про забезпечення надійності і безпечної експлуатації будівель, споруд та інженерних мереж”, Розпорядження Кабінету Міністрів України від 11 червня 2003 р. № 351-р "Про схвалення Концепції Державної програми забезпечення технологічної безпеки в основних галузях економіки". Дисертаційна робота виконана в межах держбюджетної теми К–2–07–06 “Вдосконалення аналітичних і чисельних методів розрахунку будівельних конструкцій, їх елементів і з’єднань при дії статичних і динамічних навантажень” (№ 0107U000092). Здобувач є виконавцем даної НДР.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є забезпечення гарантованої надійності металевих будівельних конструкцій спеціальних промислових будівель шляхом розробки раціональних методів обслуговування.

Для досягнення мети поставлені наступні задачі:–

вивчити і систематизувати методи забезпечення надійності будівельних конструкцій спеціальних промислових будівель в процесі експлуатації, визначити перспективи застосування даних методів в існуючих соціально-економічних умовах;–

розробити інженерну методику кількісної оцінки надійності окремих елементів, конструкцій і будівлі в цілому при проведенні заходів з обслуговування;–

дослідити вплив недосконалостей основних несучих конструкцій на показники надійності окремих конструкцій і будівлі в цілому;–

розробити інженерну методику оцінки сумісного впливу недосконалостей на технічний стан окремих елементів і конструкцій;–

розробити методику складання і оптимізації графіків проведення і складу заходів щодо обслуговування конструкцій для забезпечення їх надійності в процесі експлуатації.

Об'єкт дослідження – металеві будівельні конструкції спеціальних промислових будівель металургійної промисловості.

Предмет дослідження – забезпечення надійності металевих будівельних конструкцій, що експлуатуються, шляхом розробки раціональних методів обслуговування.

Методи досліджень:–

натурні дослідження будівельних конструкцій, що експлуатуються, з подальшим статистичним аналізом пошкоджуваності і показників їх стану;–

методи теорії надійності при визначенні технічного стану металевих конструкцій, що експлуатуються, і прогнозування зміни їх стану;–

методи математичного моделювання при чисельному аналізі дійсного напружено-деформованого стану металевих конструкцій, що експлуатуються.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному:–

запропонована методика кількісної оцінки технічного стану будівельних металоконструкцій при проведенні заходів щодо контролю технічного стану з використанням імовірності безвідмовної роботи;–

розроблена модель забезпечення гарантованої імовірності безвідмовної роботи будівельних металоконструкцій спеціальних промислових будівель шляхом раціонального проведення заходів з поточного контролю та ремонту.

Практичне значення одержаних результатів полягає у наступному:–

розроблена інженерна методика визначення імовірності безвідмовної роботи окремих елементів, конструкцій і будівлі в цілому дає можливість службі експлуатації підприємства без залучення спеціалізованих організацій виконувати кількісну оцінку технічного стану об'єктів, що експлуатуються;–

методика оцінки сумісного впливу недосконалостей на напружений стан елементу спільно з уже наявними рекомендаціями дає можливість оперативно, за результатами поточних оглядів, і без залучення спеціалізованих організацій обґрунтувати необхідність виконання ремонтних робіт;–

запропонована в роботі модель експлуатаційного процесу дозволяє враховувати при плануванні експлуатаційних заходів індивідуальні особливості об'єкту, його об'ємно-планувальне, конструктивне рішення і вимоги технологічного процесу;–

запропонована модель експлуатації дозволяє на підставі показників економічної ефективності і вимог безпеки варіювати терміни проведення заходів щодо обслуговування, що дозволяє раціоналізувати виділення коштів на проведення експлуатаційного процесу.

Впровадження результатів дисертаційної роботи. Результати досліджень були використані:–

при обстеженні й оцінці технічного стану будівельних конструкцій мартенівського цеху ВАТ “Макіївський металургійний завод”;–

при обстеженні й оцінці технічного стану будівельних конструкцій коксосортування ЗАТ “Макїївкокс”.

Особистий внесок здобувача полягає в наступному:–

виконані натурні дослідження будівельних конструкцій, чисельні дослідження з вивчення впливу виявлених недосконалостей на напружено-деформований і технічний стан окремих елементів, конструкцій і будівлі в цілому;–

розроблена інженерна методика визначення імовірності безвідмовної роботи окремих елементів, конструкцій і будівлі в цілому;–

розроблена методика оцінки сумісного впливу недосконалостей на напружений стан елементу;–

розроблена модель експлуатації будівельних конструкцій, заснована на прогнозуванні зміни імовірності безвідмовної роботи в процесі експлуатації; розроблені принципи раціоналізації графіків проведення експлуатаційних заходів на основі варіювання гарантованим рівнем імовірності безвідмовної роботи.

Апробація дисертаційної роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися на: VIII Українській науково-технічній конференції “Металеві конструкції: погляд в минуле і майбутнє”, м. Києві, 2004 р.; Міжнародній конференції “Строительство–2004”, м. Ростов-на-Дону, 2004 р.; V Міжнародній науково-технічній конференції “Будівельні металеві конструкції: сьогодення та перспективи розвитку”, м. Київ, 2006 р.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 10 наукових праць, в т.ч. сім статей у наукових журналах і збірках (одна стаття одноосібно) і три в матеріалах конференцій. Додатково зміст дисертації також представлений у двох друкованих роботах.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел із 159 найменувань на 18 сторінках і трьох додатків на 21 сторінці.

Загальний обсяг роботи 138 сторінок, у тому числі 126 сторінок основного тексту, 12 повних сторінок з рисунками і таблицями. Містить 50 рисунків, 3 таблиці.

основний ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету і задачі дисертаційного дослідження, викладено наукову новизну та практичне значення роботи, приведено інформацію щодо структури та обсягу дисертації, апробації дисертаційної роботи.

У першому розділі приведена характеристика об'єкту дослідження, визначені загальні для всіх спеціальних промислових будівель особливості конструктивного рішення – каркасне конструктивне рішення, і загальні конструктивні елементи – колони, кроквяні і підкроквяні ферми (балки), підкранові балки. Виконано огляд методів забезпечення надійності – конструктивних (направлених на забезпечення первинної надійності) і організаційних (направлених на підтримку необхідного рівня надійності протягом всього терміну експлуатації). Методам забезпечення надійності і довговічності будівельних конструкцій присвячені роботи А.І. Кікіна, Є.І. Бєлєня, Є.В. Горохова, Б.Ю. Уварова, В.Н. Валя, Є.М. Єрмака, А.М. Югова, В.М. Василева, І.Р. Руховича та ін. Відзначено, що в даний час основною задачею є підтримка працездатного стану будівельних конструкцій, що експлуатуються, і для забезпечення надійності переважної частини будівельних конструкцій в даний час повинні застосовуватися організаційні методи забезпечення надійності.

Виходячи з аналізу основних моделей експлуатації будівельних конструкцій, що використовуються в даний час, було відзначено, що найбільш перспективним є застосування моделі попереджувальної експлуатації. Була проаналізована планово-профілактична модель експлуатації, яка використовується на даний час в Україні, розглянуті її переваги та недоліки. Наводяться дані про проведення процесу експлуатації різних об'єктів за кордоном, основним принципом експлуатаційного процесу для яких служить поєднання системи планово-запобіжних ремонтів з гнучким графіком їх проведення (залежно від технічного стану конструкції).

Розглянуті принципи визначення технічного стану конструкцій з використанням імовірнісного підходу, заснованого в роботах А.Р. Ржаніцина, В.В. Болотина, В.Д. Райзера, і пізніше розвинутих А.В. Перельмутером, С.Ф. Пічугіним, А.І. Лантух-Лященком та ін. Зроблено висновок, що даний підхід краще всього використовувати при прогнозуванні зміни стану конструкцій в процесі експлуатації.

На підставі проведеного аналізу були сформульовані мета і задачі дослідження, а також розроблена логічна схема дослідження.

У другому розділі розглянуто використання показників надійності при оцінці технічного стану будівельних конструкцій. У роботі для оцінки технічного стану конструкцій пропонується використовувати імовірність безвідмовної роботи. У цьому випадку з'являється можливість охарактеризувати кількісно не тільки стан окремих елементів, але й конструкцій та будівлі в цілому.

Процес визначення технічного стану об'єкту пропонується розглядати за три етапи: визначення імовірності безвідмовної роботи окремих елементів, визначення імовірності безвідмовної роботи окремих конструкцій, визначення імовірності безвідмовної роботи будівлі в цілому.

При розрахунку імовірності безвідмовної роботи використовується комплексний підхід: задача частково розглядається в детерміністичній постановці (визначення параметрів напружено-деформованого стану елементів) і частково в імовірнісній постановці (визначення резерву міцності і імовірності безвідмовної роботи).

Як характеристики випадкових величин при визначенні імовірності безвідмовної роботи окремих елементів у даній роботі використовуються закони розподілу цих величин. Особливістю запропонованого алгоритму визначення імовірності безвідмовної роботи елементу являється визначення законів розподілу показників напружено-деформованого стану елементу (напруження і деформацій). Характеристика навантажень на елемент є функцією багатьох інших величин: атмосферних навантажень (снігового, вітрового), навантаження від дії кранів, навантаження від власної ваги. Оскільки кожне з цих навантажень має свої власні характеристики розподілу, то підсумковий закон розподілу є змішаним з невідомими заздалегідь параметрами. В цьому випадку значення напруження і деформацій в елементі являються безперервною випадковою величиною, залежною від двох випадкових величин і . Таким чином, значення напруження і деформацій в елементі необхідно розглядати як систему двох випадкових величин, і випадкову реалізацію цих показників пропонується визначати за формулами:

(1)

(2)

де kN, kМ – вагові коефіцієнти долі напруження від повздовжніх сил і згинальних моментів у загальному значенні напруження; kNi, kMi – вагові коефіцієнти долі відповідних зусиль від окремих навантажень в загальному значенні розрахункового зусилля; – напруження в елементі, розраховане за нормативними документами; D0 – розрахункові деформації елементу.

Як метод визначення імовірності безвідмовної роботи елементу був використаний метод Монте-Карло (метод статистичного моделювання), який дозволяє обробляти як величини, що задаються за допомогою законів розподілу, так і величини, що задані в таблиці.

Імовірность безвідмовної роботи окремих конструкцій можна визначити, використовуючи показники безвідмовності складових її елементів, і розглядаючи кожну конструкцію як систему з’єднаних між собою елементів з точки зору теорії надійності і функціональності конструкції (можливості виконувати функції при відмові окремого елементу). Для основних несучих конструкцій були прийняті наступні залежності:

а) для колон

Рк=min[Ps,нк;Ps,пк1;Ps,пк2;P(f/l),нк;P(f/l),пк1;P(f/l),пк2] (3)

б) для несучих конструкцій покриття

Рф=min(Ps,i;P(f/l),i) (4)

в) для підкранових балок

РПБ=min[Ps;P(f/l)] (5)

де Ps,нк, Ps,пк1, Ps,пк2, P(f/l),нк, P(f/l),пк1, P(f/l),пк2 – імовірності безвідмовної роботи надкранової та підкранових гілок колони; Ps,i, P(f/l),i – імовірності безвідмовної роботи елементів несучих конструкцій покриття; Ps;P(f/l) – імовірності безвідмовної роботи з урахуванням напружень і деформацій підкранової балки (у=max(уi); (f/l)=max[(f/l)i]); уi, (f/l)i – напруження і деформації, отримані при розрахунку підкранових балок.

При використанні імовірності безвідмовної роботи будівлі в цілому було розглянуто два підходи: визначення імовірності безвідмовної роботи будівлі з урахуванням взаємного впливу конструкцій і визначення імовірності безвідмовної роботи будівлі без урахування взаємного впливу конструкцій. У першому випадку при визначенні імовірності безвідмовної роботи окремого елементу системи (окремого конструктивного елементу) враховується вплив конструкцій, які є опорними для даної конструкції. У роботі були розроблені схеми взаємного впливу конструкцій для випадку одноповерхової промислової будівлі з мостовими кранами, якими є велика частина спеціальних промислових будівель. Підсумкове значення імовірності безвідмовної роботи будівлі визначається за формулою

(6)

де Рi – імовірність безвідмовної роботи окремих конструкцій.

Для планування експлуатаційних заходів з урахуванням показників безвідмовності об'єкту необхідно знати граничні кількісні характеристики безвідмовності будівлі, які відповідають граничному стану об'єкту (аварійний стан конструкцій або припинення технологічного процесу). З цією метою в роботі розроблена методика визначення мінімально допустимої імовірності безвідмовної роботи. В роботі було прийнято, що мінімально допустима імовірність безвідмовної роботи будівлі відповідає такому стану конструкцій будівлі, при перевищенні якого будівля або переходить в аварійний стан, або технологічний процес припиняється. Тоді граничним станом будівлі, при якому воно ще відповідатиме вимогам нормативних документів, буде випадок , тобто характеристика навантаження на будівлю (конструкцію, елемент) дорівнюватиме його несучій здатності. Для запропонованої системи це означатиме, що напруження в елементі або його деформації досягнуть своїх граничних значень. Оскільки визначати ситуацію, коли показники напружено-деформованого стану хоча б одного з елементів системи досягнуть максимально допустимих значень – досить трудомістка задача, для визначення мінімально допустимої імовірності безвідмовної роботи запропоновано два підходи:

а) приймаючи допущення, що напруження (деформації) у всіх елементах зв'язані лінійною залежністю, визначаються вектори напруження і деформацій в елементах системи за умови, що V1max=R і V2max=[f/l], де V1max – максимальний елемент вектора напружень в елементах системи, V2max – максимальний елемент вектора деформацій. В цьому випадку елементи векторів V1 і V2 визначаються шляхом помноження вектора V1н (V2н) на коефіцієнт V1max/V1нmax (V2max/V2нmax), де V1н (V2н) – вектор напруження (деформацій) в елементах системи при проектних навантаженнях. Мінімально допустиме значення імовірності безвідмовної роботи визначається за вищенаведеним алгоритмом на підставі значень векторів V1 і V2. Даний варіант може застосовуватися у разі, коли змінюються загальні для всіх елементів чинники зовнішньої дії (навантаження), а також як перше наближення у разі, коли зміна напруження в елементі обумовлена зміною зовнішніх чинників конкретно для цього елементу;

б) шляхом чисельного експерименту визначається залежність зміни напружено-деформованого стану кожного елементу системи від лінійної зміни навантажень. З використанням отриманих залежностей, визначаються такі вектори напружень і деформацій, в яких показники напружено-деформованого стану хоч би одного елементу досягають граничних значень. Використовуючи отримані вектори напружень і деформацій визначається імовірність безвідмовної роботи будівлі, значення якої і приймається як мінімально допустиме.

Варіант (а) є простішим, але одночасно і менш точним, тоді як більша точність варіанту (б) досягається ускладненням необхідних розрахунків на декілька порядків.

У третьому розділі проаналізована пошкоджуваність основних несучих конструкцій даних об'єктів на підставі результатів натурних обстежень. На підставі аналізу пошкоджуваності був зроблений висновок, що особливості пошкоджуваності конструкцій відображають особливості технологічного процесу: відсутність великого корозійного зносу внаслідок температурного режиму роботи конструкцій, послаблення і руйнування з'єднань балок між собою і з колонами внаслідок важкого режиму роботи кранів, наявність тріщин у зоні стиків верхнього поясу і стінки підкранових балок внаслідок великої вантажопідйомності кранів, характерні пошкодження елементів ферм при проведенні ремонтів великої кількості устаткування, розосередженого по всьому цеху.

Було проведено дослідження для визначення впливу виявлених пошкоджень на конструкції будівель в цілому. Одним з найбільш поширених пошкоджень колон є відсутність опорних елементів решітки колон в нижньому перерізі. В результаті дослідження було виявлено, що відсутність окремих елементів решітки колон найсильніше впливає на конструкції однопролітних цехів, що викликає збільшення напруження в елементах решти конструкцій будівлі на 10-20% (див. рис. ).

Розглядаючи ослаблення поперечного перетину у вигляді місцевих викривлень, вирізів і вм'ятин були розраховані залежності зміни імовірності безвідмовної роботи елементу від параметрів пошкоджень. Були виявлені залежності між рівнем напруженого стану елементу і максимально допустимими параметрами пошкоджень, на основі чого були визначені граничні параметри даних пошкоджень для досліджених об’єктів.

Рис. 1. Залежність зміни напруження в елементах поперечної рами при видаленні елементів решітки колон

У четвертому розділі на основі аналізу впливу різних типів пошкоджень на напружений стан елементу розроблено порядок визначення напруженого стану експлуатованих елементів з урахуванням наявних пошкоджень. Вплив різних типів пошкоджень визначається спочатку на елемент в цілому, а потім враховується локальний вплив пошкоджень. Напружений стан елементу в цьому випадку пропонується визначати за формулою:

(7)

де s0 – проектне значення напруження в елементі;

ki – коефіцієнти впливу наявних пошкоджень на проектну величину напруження в елементі.

Для прогнозування зміни стану окремих елементів, конструкцій і будівлі в цілому в процесі експлуатації залежно від режиму проведення заходів з обслуговування була запропонована модель зміни імовірності безвідмовної роботи в часі, заснована на імовірнісному характері результатів контролю технічного стану конструкцій (рис. 2). На підставі запропонованої залежності графічно процес планування поточних оглядів і ремонтів можна представити у наступному вигляді (рис. 3).

Рис. 2. Зміна імовірності безвідмовної роботи конструкцій у часі

Рис. 3. Графік проведення поточних оглядів і ремонтів:

1 – крива зміни імовірності безвідмовної роботи внаслідок втоми матеріалу (зниження опору матеріалу); 2 – крива зміни імовірності безвідмовної роботи з урахуванням середніх значень параметрів пошкоджень; 3 – крива зміни імовірності безвідмовної роботи з урахуванням відхилень значень параметрів пошкоджень від середніх значень.

Вихідними даними для визначення вартості проведення експлуатаційного процесу конструкцій об'єкту і гарантованого рівня забезпечення імовірності безвідмовної роботи конструкцій являються кількість і терміни проведення поточних оглядів і ремонтів (значення n1 і n2) (рис. 4).

Рис. 4. Порядок визначення значень n1 і n2

Раціоналізація графіка проведення обслуговуючих заходів забезпечується шляхом варіювання або вартістю експлуатаційного процесу, або гарантованим рівнем імовірності безвідмовної роботи конструкцій з урахуванням обмежень, що накладаються умовами фінансування та технологічним процесом:

, (8)

де С – вартість проведення експлуатаційного процесу; n1, n2 – кількість поточних оглядів і ремонтів; Ртр – гарантований рівень імовірності безвідмовної роботи; Рпр – проектне значення імовірності безвідмовної роботи; Рmin – мінімальне допустиме значення імовірності безвідмовної роботи.

Паралельно з оптимізацією рекомендується прораховувати фінансові риски внаслідок виникнення можливих аварійних ситуацій. В роботі запропонована схема розрахунку імовірності відмови для визначення економічного риску при відмові конструкцій об’єкту.

На підставі проведених досліджень була запропонована вдосконалена модель експлуатаційного процесу (рис. 5).

Рис. 5. Вдосконалена модель експлуатаційного процесу

Відмінністю запропонованої моделі експлуатації від вживаної на даний час є:

1) можливість оцінки технічного стану конструкцій фахівцями Служби експлуатації підприємства, а не фахівцями спеціалізованої організації;

2) оцінка технічного стану конструкцій фахівцями Служби експлуатації підприємства на підставі результатів розрахунків, а не на підставі досвіду;

3) розробка графіка проведення експлуатаційних заходів на підставі прогнозування зміни імовірності безвідмовної роботи об'єкту;

4) можливість коригування графіку проведення заходів залежно від фактичного стану конструкцій.

Перевагами пропонованої моделі у порівнянні з існуючою є:

1) можливість оперативно реагувати на зміни технічного стану конструкцій з метою запобігання аварійних ситуацій;

2) своєчасне виявлення “слабких ланок” будівлі, що дозволить:–

планувати проведення спостереження за станом цих елементів з метою запобігання аварійних ситуацій;–

своєчасно проводити поточні ремонти з метою скорочення можливих втрат прибутку від виникнення аварійних ситуацій4

3) планування фінансування експлуатаційного процесу на підставі прогнозування зміни технічного стану конструкцій.

Визначені заходи щодо впровадження запропонованої моделі на діючих підприємствах, встановлені принципи проведення заходів щодо нагляду, необхідні для використання запропонованої моделі експлуатації. З використанням запропонованої методики був розроблений графік проведення поточних оглядів і ремонтів для підкранових балок одного з досліджених цехів (рис. 6, 7).

Економія коштів на проведення поточних оглядів згідно запропонованій методиці в порівнянні з нормативними вимогами складає 30% за рахунок зменшення кількості оглядів при їх незмінній собівартості. При цьому різниця в гарантованому значенні імовірності безвідмовної роботи конструкцій складає 0,13%.

Рис. 6. Графік проведення поточних оглядів і ремонтів згідно до вимог нормативних документів

Рис. 7. Графік проведення поточних оглядів і ремонтів згідно запропонованій методиці

ВИСНОВКИ

1. На основі теоретичних і натурних досліджень розроблена модель забезпечення гарантованої надійності металевих будівельних конструкцій спеціальних промислових будівель. Основним принципом моделі є визначення кількості і термінів проведення поточних оглядів і ремонтів залежно від фактичного технічного стану конструкцій, які забезпечують гарантований рівень вірогідності безвідмовної роботи конструкцій протягом заданого періоду.

2. Розглядаючи основні конструкції будівлі як складні багатоелементні системи і використовуючи імовірнісний підхід до оцінки технічного стану конструкцій розроблено алгоритм визначення імовірності безвідмовної роботи окремих елементів і конструкцій, що дозволяє кількісно оцінити технічний стан конструкцій на відміну від якісної оцінки, що регламентується нормативними документами, а також використати для оцінки технічного стану окремих елементів результати розрахунку елементів конструкцій за методом граничних станів. Для досліджених конструкцій була визначена імовірність безвідмовної роботи, яка знаходиться в межах 0,9714-0,9998 в залежності від виду конструкції.

3. Розроблена структурна схема будівлі, яка враховує конструктивний і функціональний взаємозв'язок основних конструктивних елементів будівлі, і дозволяє, розглянувши будівлю як систему послідовно і паралельно сполучених елементів, визначити імовірність безвідмовної роботи будівлі в цілому. Для досліджених об'єктів була визначена імовірність безвідмовної роботи будівель в цілому, яка знаходяться в межах 0,9438-0,9703 і залежить від конструктивної схеми будівлі.

4. Проведені натурні дослідження реальних об'єктів дозволили уточнити вплив виявлених пошкоджень окремих елементів на будівлю в цілому. Чисельні дослідження впливу такого неприпустимого дефекту, як відсутність елементів решітки колон, на решту конструкцій одноповерхової промислової будівлі виявили збільшення напруження в елементах протилежної колони до 10-20%, що дозволило зробити висновок про необхідність в подібних випадках виконання розрахунку пошкодженої конструкції не окремо, а у складі поперечної рами будівлі.

5. На підставі проведених досліджень розроблена методика забезпечення гарантованої імовірності безвідмовної роботи металевих будівельних конструкцій спеціальних промислових будівель, заснована на раціональному проведенні заходів з обслуговування. Для підкранових балок запропонована методика дозволяє знизити витрати на проведення поточних оглядів на 30% в порівнянні з нормативними рекомендаціями при забезпеченні рівня безвідмовної роботи на 0,13% менш ніж за нормативними рекомендаціями.

6. Результати проведених досліджень були впроваджені при проведенні робіт з обстеження, оцінки технічного стану і розробки рекомендацій з експлуатації ряду промислових об'єктів: коксосортировки ЗАТ “Макіївкокс” (економічний ефект склав 15 тис.грн/рік); мартенівського цеху ВАТ “Макіївський металургійний завод” (економічний ефект склав 20 тис.грн/рік).

Основні положення дисертації опубліковані у таких роботах:

1. Губанов В.В., Пчельников С.Б. Оптимизация процесса эксплуатации конструкций специальных промзданий // Металеві конструкції. – 2006. – Т. 10, №1. – С. 21-27. (Особистий внесок здобувача – розроблені основні принципи і формули оцінки надійності будівлі в цілому і прийняття рішень з ремонту конструкцій)

2. Губанов В.В., Пчельников С.Б. Вопросы оптимизации эксплуатационного процесса за рубежом // Вісник ДонДАБА. – Вип. 2002–2 (33), Макіївка, 2002. - С. 82-87. (Особистий внесок здобувача – огляд і аналіз літературних джерел)

3. Губанов В.В., Пчельников С.Б. Особенности и предупреждение повреждаемости цехов металлургических производств // Вісник ДонДАБА. – Вип. 2003–2 (39), Макіївка, 2003. - С. 165-169. (Особистий внесок здобувача – натурні дослідження конструкцій цеху, обробка отриманих даних)

4. Пчельников С.Б. Техническое обоснование эксплуатационных мероприятий для специальных промзданий // Вісник ДонДАБА. – Вип. 2003–3 (40), Макіївка, 2003. - С. . (Особистий внесок здобувача – розроблена схема забезпечення експлуатаційної надійності будівлі)

5. Губанов В.В., Гибаленко А.Н., Пчельников С.Б. Износ и эксплуатация служебных помещений на кровле мартеновского цеха // Вісник ДонДАБА. – Вип. 2004–1 (43), Макіївка, 2004. - С. 108-111. (Особистий внесок здобувача – натурні дослідження конструкцій цеху, обробка отриманих даних)

6. Губанов В.В., Пчельников С.Б. Планирование эксплуатационных мероприятий на действующих предприятиях с учетом требований технологического процесса // Вісник ДонДАБА. – Вип. 2004–2 (44), Макіївка, 2004. - С. 23-27. (Особистий внесок здобувача – аналіз конструктивних рішень і умов експлуатації, розробка порядку паспортизації і складання графіку проведення заходів з експлуатації)

7. Губанов В.В., Пчельников С.Б. Методика разработки инструкций по эксплуатации специальных промзданий // Вісник ДонНАБА. – Вип. 2005–3 (51), Макіївка, 2005. - С. . (Особистий внесок здобувача – розробка змісту інструкції з експлуатації і структурної схеми заходів з експлуатації)

8. Губанов В.В., Пчельников С.Б. Использование теории вероятности при планировании мероприятий по контролю технического состояния строительных конструкций // “Строительство–2004”: Материалы юбилейной Международной научно-практической конференции. – Ростов н/Д: Рост. гос. строит. ун-т, 2004. – С. 64–65. (Особистий внесок здобувача – аналіз умов проведення огляду і методів контролю, розробка структури величини і формули для визначення імовірності фіксації недосконалостей)

9. Губанов В.В., Пчельников С.Б. Повышение надежности путем планирования эксплуатационных мероприятий на действующих предприятиях // VIII Українська науково-технічна конференція “Металеві конструкції:погляд в минуле і майбутнє”, Київ, 2004. - С. 208-210. (Особистий внесок здобувача – розроблені основні принципи методики розробки графіку обслуговування конструкцій)

10. Губанов В.В., Пчельников С.Б. Планирование эксплуатационного процесса промышленных зданий металлургических предприятий с учетом требований надежности и долговечности // V Міжнародна науково-технічна конференція “Будівельні металеві конструкції: сьогодення та перспективи розвитку”, Київ, 2006 г. – С. 241-243. (Особистий внесок здобувача – розроблена структура системи моніторингу, зміст розрахункового блоку і блоку прийняття рішень, розраховані приклади прийняття рішень з експлуатації підкранової балки)

Праці, що додатково відображають результати досліджень:

11. Губанов В.В., Пчельников С.Б. Вопросы эксплуатации зданий и сооружений с учетом современных норм и требований // Вісник ДонДАБА. Вип. 2002–2 (33), Макіївка, 2002. - С. 79-81. (Особистий внесок здобувача – розроблено алгоритм послідовності розробки заходів з експлуатації промислових будівель і споруд)

12. Пчельников С.Б. Факторы, влияющие на вероятность обнаружения несовершенств стальных конструкцій // Вісник ДонДАБА. – Вип. 2004–1 (43), Макіївка, 2004. - С. 105-107. (Особистий внесок здобувача – проаналізовано вплив різних факторів на імовірність виявлення недосконалостей при проведенні контролю технічного стану будівельних конструкцій)

Анотація

Пчельніков С.Б. Забезпечення надійності спеціальних промислових будівель. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 – будівельні конструкції, будівлі та споруди. – Донбаська національна академія будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, Макіївка, 2007 р.

У дисертації розроблена модель забезпечення гарантованої імовірності безвідмовної роботи металевих будівельних конструкцій спеціальних промислових будівель. Запропонована модель заснована на раціональному проведенні заходів з обслуговування з урахуванням зміни технічного стану конструкцій в процесі експлуатації. Оцінка технічного стану окремих елементів, конструкцій і будівлі в цілому являє собою імовірність безвідмовної роботи, яка визначається з врахуванням конструктивного і функціонального взаємозв'язку окремих елементів і конструкцій.

На підставі натурних досліджень уточнено вплив недосконалостей окремих елементів на окремі конструкції і будівлю в цілому. Розроблена і впроваджена методика забезпечення гарантованої надійності металевих будівельних конструкцій спеціальних промислових будівель. Запропонована методика дозволяє отримати економію коштів на проведення поточних оглядів і ремонтів протягом заданого періоду при незначному зниженні імовірності безвідмовної роботи в порівнянні з нормативними вимогами.

Ключові слова: будівельні конструкції, експлуатація, імовірність безвідмовної роботи.

АННОТАЦиЯ

Пчельников С.Б. Обеспечение надежности специальных промышленных зданий. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 – строительные конструкции, здания и сооружения. – Донбасская национальная академия строительства и архитектуры Министерства образования и науки Украины, Макеевка, 2007.

В диссертации разработана модель обеспечения гарантированной вероятности безотказной работы металлических строительных конструкций специальных промышленных зданий, основанная на рациональном проведении обслуживающих мероприятий.

Содержание диссертации. Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, приведены основные результаты, полученные автором, показаны их научная новизна, практическое значение и реализация.

В первом разделе приведена характеристика объекта исследования, выполнен анализ методов обеспечения надежности строительных конструкций, проанализированы модели эксплуатации строительных конструкций в Украине и за рубежом, рассмотрены принципы оценки технического состояния конструкций с использованием вероятностного подхода, окончательно сформулированы цели и задачи исследования.

Во втором разделе рассмотрено применение показателей надежности при оценке технического состояния отдельных конструкций и здания в целом. Разработан алгоритм определения вероятности безотказной работы отдельных элементов с использованием показателей напряженно-деформированного состояния отдельных элементов, полученных в результате расчета по методу предельных состояний. Разработана структурная схема здания, описывающая конструктивную и функциональную взаимосвязь отдельных конструктивных элементов. Разработаны алгоритмы определения минимально допустимой вероятности безотказной работы отдельных элементов, конструкций и здания в целом.

В третьем разделе проанализирована повреждаемость основных несущих конструкций специальных промышленных зданий, выполнены численные исследования по определению влияния выявленных несовершенств на отдельные конструкции и здание в целом.

В четвертом разделе разработан порядок определения напряженного состояния элемента с учетом имеющихся повреждений, предложена модель изменения вероятности безотказной работы в процессе эксплуатации. Разработана методика обеспечения гарантированного уровня безотказной работы конструкций, основанная на рациональном проведении обслуживающих мероприятий; разработан порядок определения стоимости проведения эксплуатационного процесса в течение заданного периода и принципы рационализации количества и состава эксплуатационных мероприятий. Предложена усовершенствованная модель эксплуатационного процесса. Приведены примеры использования предложенной методики для отдельных видов конструкций эксплуатируемых объектов. Результаты исследований внедрены при проведении работ по обследованию и оценке технического состояния коксосортировки ЗАО “Макеевкокс) (экономический эффект – 15 тыс. грн/год) и мартеновского цеха ОАО “Макеевкский металлургический завод” (экономический эффект – 20 тыс. грн/год).

В выводах приводятся результаты теоретических и натурных исследований модели обеспечения гарантированной вероятности безотказной работы металлических строительных конструкций специальных промышленных зданий.

Ключевые слова: строительные конструкции, эксплуатация, вероятность безотказной работы.

SUMMARY

Pchelnikov S.B. Safety provision of industrial construction for specific purposes.

The Thesis for the Candidate Degree, Speciality 05.23.01 – Engineering Structures, Buildings and Constructions. – The Donbas National Academy of Civil Engineering and Architecture of the Ministry of Education and Science of Ukraine, Makeevka, 2007.

The thesis presents the pattern of guaranteed probability provision for trouble-free exploitation of steel engineering constructions. The given pattern is based on the rational execution servicing measures with regard to the structural engineering change during exploitation. Engineering state evaluation of separate units of the structure and the construction as a whole presents probability for trouble-free exploitation determined with regard to the structural and functional interaction of the separate units and structures.

The imperfection influence of the separate units to the separate structures and the construction as a whole is revised by the field investigations. The procedures of guaranteed probability provision of steel engineering constructions of the industrial constructions for specific purposes has been developed and introduced. The offered procedures allows to economize means for carrying out of current examination and repairs during a defined period at insignificant decrease of probability of trouble-free exploitation at comparison with the normative demands..

Keywords: engineering structures, maintenance, probability for trouble-free exploitation.

Підписано до друку 15.05.2007. Формат60х84 1/16.

Умов. друк. арк. 1.19. Тираж 130 прим. Заказ 191-07.

Донбаська національна академія будівництва і архітектури

Надруковано у редакційно-видавничому відділі ДонНАБА

86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2