Проблемы оценивания надежности и безопасности эксплуатируемых сооружений наземной космической инфраструктуры и идентификации их технических состояний

УДК 69.059.22

Ш. Ш. Исхаков, Ф. Е. Ковалев, Р Э. Косенков, А. П. Мохнаткин

ПРОБЛЕМЫ ОЦЕНИВАНИЯ НАДЕЖНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ СООРУЖЕНИЙ НАЗЕМНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ И ИДЕНТИФИКАЦИИ ИХ ТЕХНИЧЕСКИХ СОСТОЯНИЙ

Дата поступления: 08.07.2016 Решение о публикации: 16.12.2016

Цель: Анализ современного методологического уровня возможностей оценивания и обеспечения надежности и безопасности зданий и сооружений в нормативной базе по проектированию и диагностике их технического состояния. Методы: Использование метода вибрационной диагностики позволяет аппаратурным способом оценивать техническое состояние конструкций и основания стартовых сооружений по критерию снижения их несущей способности. Результаты: Возможность применения графоаналитического метода оценивания количественной меры надежности сооружения как вероятности того, что объект может находиться в заданном техническом состоянии, а его безопасность оценивается коэффициентом запаса несущей способности при соответствующей вероятности аварийного состояния (обрушения) сооружения. Практическая значимость: Особенностью специальных сооружений космической отрасли является отсутствие научно обоснованных критериев для назначения и обеспечения гарантийных сроков их эксплуатации. Обусловлено это тем, что длительность жизненного цикла рассматриваемых сооружений определяется прежде всего востребованностью образцов космической техники и ракет космического назначения. Так, ракеты-носители типа «Протон» используются начиная с 1965 г., уже более 50 лет, что обусловливает необходимость поддержания работоспособного состояния стартовых сооружений в течение всего срока их востребованности, спрогнозировать который конструкторам ракетной техники весьма затруднительно. В этой связи можно лишь ориентировочно предполагать, что востребованность нового перспективного типа ракеты-носителя «Ангара» может составить 70 лет и более. В указанных условиях неопределенности актуальными являются оценивание и обеспечение необходимых сроков эксплуатации специальных сооружений космической отрасли на стадиях их проектирования и длительной эксплуатации.

Вибрационная диагностика, мониторинг, сооружения, техническое состояние, эксплуатация.

Shavkat S. Iskhakov, Cand. Eng., associate professor, iskhakova_julia@mail.ru; *Fyodor E. Kovalev, Cand. Eng., assistant professor, kovaleff81@mail.ru; Ruslan E. Kosenkov, adjunct, kosenkovruslan@ mail.ru; Aleksei P. Mokhnatkin, head of laboratory, moxnatkin@mail.ru (Alexander Mozhaysky Military Space Academy) ISSUESS OF ASSESSING RELIABILITY AND SAFETY OF ACTIVE GROUND-BASED SPACE INFRASTRUCTURE FACILITIES

Objective: Analyze the current methodological level of ability to evaluate and ensure reliability and safety of buildings and structures in the regulatory system for the design and diagnostics thereof. Methods: Application of the vibration diagnostics method allows for hardware testing of the technical condition of structures and foundation of the launch installations based on the criterion of reduced bearing capacity. Results: An ability to apply the graphical analytic method for evaluating the quantitative measure of reliability of a structure as the likelihood of the facility's being in a desired technical condition, while its safety is assessed based on the assurance factor of bearing capacity at the corresponding likelihood of the

structure's critical condition (collapse). Practical importance: The specific feature of the space industry's special-purpose facilities is the lack of scientifically grounded criteria for assigning and maintaining their guaranteed service life terms. It is caused by the fact that the duration of the service life of the structures in question is determined primarily by the demand for the specimens of space technology and space-mission vehicles. Thus, Proton-type space launch vehicles have been used since 1965, or over 50 years, causing the need for maintaining the operational condition of launch installations throughout the entire term of demand, which is rather difficult for the space vehicle designers to predict. In this regard, one can only approximately assume that the demand for the new state-of-the-art space launch vehicle Angara may constitute 70 years and more. Under said conditions of uncertainty, it is relevant to evaluate and ensure the necessary service life for special-purpose facilities of the space industry both at design stages and throughout long-term operation.

Vibration diagnostics, monitoring, structures, technical conditions, operation.

Введение

Стартовые сооружения (СС) и другие строительные объекты ракетно-космических комплексов (РКК), предназначенные для пуска ракет космического назначения (РКН), могут рассматриваться как специальные сооружения, обеспечивающие транспортировку космонавтов, грузов и запуск космических аппаратов (КА).

Для всех сооружений транспортных объектов свойственны специфические особенности в зависимости от условий эксплуатации и факторов, вызванных природными, технологическими и техногенными воздействиями. СС и другие строительные объекты наземной космической инфраструктуры (НКИ) имеют как общие со всеми транспортными объектами, так и специфические особенности, связанные с такими факторами как:

- механическое и высокотемпературное воздействие газовой струи первой ступени РКН на СС;

- агрессивное воздействие компонентов ракетного топлива (КРТ);

- риск воздействия аварийного взрыва КРТ при хранении, подготовке и пуске РКН;

- отсутствие научно обоснованных критериев для назначения и обеспечения гарантийных сроков эксплуатации строительных объектов РКК и в целом НКИ.

Вышеуказанные факторы обусловливают проблемы в обеспечении надежности и

безопасности эксплуатации строительных объектов, предназначенных для хранения и заправки КРТ, подготовки и пуска РКН.

Для указанных специальных сооружений НКИ в данной статье рассматриваются проблемы по обеспечению их надежности и безопасности на современном уровне развития строительной практики и ее нормативной базы.

Анализ нормативной базы по обеспечению и безопасности строительных объектов на стадиях проектирования и эксплуатации

При проектировании надежность и безопасность зданий и сооружений обеспечивается, как известно, использованием коэффициентов запаса у. по материалу, нагрузкам, условиям работы и ответственности [1] (рис. 1), а также расчетами по 1-му и 2-му предельным состояниям. При этом количественную меру надежности регламентируется оценивать как вероятность P = {0, ..., 1} того, что в заданный момент времени объект может обладать заданным техническим состоянием [1].

Федеральным законом № 384-Ф3 от 30 декабря 2009 г. [2] надежность эксплуатируемых зданий и сооружений должна обеспечиваться их механической безопасностью, основным показателем которой является несущая способность (НС) конструкций и оснований (рис. 1).

Рис. 1. Структурно-логический алгоритм обеспечения надежности и безопасности эксплуатации зданий и сооружений

На стадии эксплуатации зданий и сооружений оценивание их фактического состояния должно выполняться по методологическим основам технической диагностики [3]. При этом в классификации технических состояний в СП 13-102-2003 [4] и ГОСТ 31937-2011 [5] (рис. 1) основным показателем также служит несущая способность конструкций и оснований. Однако при этом в определениях категорий технических состояний отсутствуют количественные показатели снижения НС конструкций и оснований при переходе этих технических состояний в более низкие категории (рис. 1). Таким образом, отсутствует методологическая связь между обеспечением надежности и безопасности зданий и сооружений на стадии их проектирования [1] и возможностями оценивания этих же показателей путем диагностирования снижения НС конструкций и оснований на стадии эксплуатации строительных объектов по СП 13-102-2003 [4] и ГОСТ 31937-2011 [5].

Наличие указанной проблемы проявляется при организации длительной эксплуатации зданий и сооружений в течение требуемого периода ТЭ (рис. 2) [6] с оцениванием снижения НС элементов строительных объектов по информации, которая должна получаться диагностированием технических состояний путем их обследований или мониторинга [4, 5].

На начальный момент эксплуатации объекта НС его элементов может оцениваться коэффициентом запаса у, который с вероятностной точки зрения может быть получен перемножением независимых коэффициентов запаса у. (см. рис. 1), регламентируемых в ГОСТ Р 54257-2010 [1].

При максимальном значении коэффициентов у., равном, например, 1,2, как это регламентируется в СНиПах по проектированию строительных конструкций и грунтовых оснований, общий коэффициент запаса у получается равным 2,07, или 207 %, как представлено на рис. 2:

У = У т-У Г-У с-У п = 2,07

При эксплуатации снижение НС строительных объектов должно оцениваться с некоторой периодичностью At (рис. 2), регламентируемой нормативными документами [4, 5], на основе поверочных расчетов, выполняемых по фактическим значениям физико-механических характеристик материала конструкций и оснований, устанавливаемым аппаратурным способом при обследованиях или мониторинге технического состояния зданий и сооружений. Однако в условиях экспресс-диагностирования, т. е. по определению ГОСТ 20911-89 [3], в условиях, когда заключение о техническом состоянии зданий и сооружений приходится давать «по ограниченному числу параметров за заранее установленное время», существенно снижается достоверность и объективность результатов обследования и во многом зависит от квалификации экспертов. Но самым проблемным оказывается вопрос о том, как результаты поверочных расчетов соотносить с категориями технического состояния эксплуатируемых зданий и сооружений (см. рис. 1), в которых не определены количественные показатели НС. В этой связи одним из актуальных вопросов в методоло-

гии оценивания надежности и безопасности эксплуатируемых зданий и сооружений является разработка аппаратурных методов идентификации снижения НС конструкций и оснований, не требующих использования поверочных расчетов.

Анализ современных аппаратурных возможностей регистрации снижения несущей способности строительных объектов

В общем случае обеспеченность НС может оцениваться по следующим критериям:

1) по фактическим нагрузкам Рф, которые не должны превышать критических нагрузок Ркр;

2) по фактическим напряжениям Оф, которые не должны превышать предела прочности материала конструкций и грунтов Я;

3) по жесткости (упругости) С элементов зданий и сооружений.

При статических загружениях в случае регистрации напряжений Оф с помощью тензометров, используемых в стационарных системах мониторинга, возможна идентификация снижения НС в конструкциях и грунтовых основаниях.

Рис. 2. Графическая модель эксплуатации объекта: ^ - диагностирование технического состояния и обоснование объема РВР

При динамических загружениях более продуктивным оказывается подход по применению такого параметра как жесткость C деформируемых элементов при условии, если имеется возможность эту жесткость интерпретировать как интегральный показатель несущей способности строительных элементов [7-9]. Однако проблема заключается в нахождении информативных диагностических признаков (ДП) снижения показателя жесткости C несущих элементов зданий и сооружений. Поскольку выявить такие ДП при статических загружениях затруднительно, то еще в 70-х годах XX в. специалистами ВКА имени А. Ф. Можайского стали исследоваться возможности диагностирования снижения жесткости несущих элементов при динамических загружениях на уникальных стартовых сооружениях на космодроме «Байконур» под тяжелые и сверхтяжелые РКН [10]. При этом в качестве несущих элементов строительной части СС рассматривались грунтовое основание и пролетные железобетонные конструкции, испытывающие при пусках РКН вибрации в пролетных сечениях относительно опорных узлов.

При изучении динамики грунтовых оснований СС использовалась модель «жесткое сооружение - грунт», широко известная по трудам О. А. Савинова [11] и положенная в основу СНиП 2.02.05-87 [12] для проектирования фундаментов под машины с динамическими нагрузками. Применение этой же модели для целей диагностирования состояния грунтовых оснований СС позволило выявить информативные ДП снижения жесткости C (несущей способности) в виде коэффициента упругости грунта K, которые вытекают из передаточной функции системы п (ю) [13], откуда следует, что уменьшение коэффициента упругости (жесткости) грунтового основания K вызывает (при постоянстве массы объекта М) уменьшение собственной (резонансной) частоты колебаний системы X на некоторую величину ДА, и увеличение экстремума передаточной функции п(ю) в какое-то v раз [14].

Аналогичные ДП могут использоваться для индификации снижения жесткости C про-

летных конструкций при анализе изменения их передаточных функций п/) по первой (основной) форме их колебаний, которые могут описываться дифференциальным уравнением движения как для системы с одной степенью свободы, обладающей собственной частотой колебаний X по аналогии с X [6-9, 10, 14].

Таким образом, современные аппаратурные средства позволяют оценивать снижение НС конструкций и грунтовых оснований с помощью регистрации напряжений Оф при статических загружениях и путем идентификации изменения значения жесткости С несущих элементов вибрационными (тестовыми [15] и функциональными [6-9, 14]) методами для зданий и сооружений, подверженных воздействию природных и эксплуатационных динамических нагрузок. Данное обстоятельство позволяет вернуться к проблеме оценивания и обеспечения надежности и безопасности зданий и сооружений на стадиях их проектирования и эксплуатации (см. рис. 1).

Вариант решения проблемы

Для ликвидации методологического вакуума, вызванного отсутствием количественных показателей снижения НС конструкций и грунтовых оснований в категориях технического состояния зданий и сооружений [4, 5] (см. рис. 1), в работе [10] показана целесообразность применения параметра п (рис. 3), обратного по отношению к коэффициенту запаса у (см. формулу на с. 595). В этом случае на качественном уровне становится понятной логическая зависимость между параметром П и вероятностью Р = {0, ..., 1} нахождения объекта в аварийном состоянии: чем больше показатель п (чем меньше коэффициент запаса у), тем выше вероятность Р того, что состояние объекта близко к аварийному (рис. 3).

Тогда становится возможным увязать зависимость Р = / (п) с категориями технического состояния (см. рис. 1), регламентируемыми в СП 13-102-2003 [4] и ГОСТ 31937-2011 [5].

Рис. 3. Вероятностная структура технических состояний

При п < 1 следует полагать, что вероятность нахождения объекта в аварийном состоянии равна нулю (P = 0), и это, очевидно, должно соответствовать «исправному» и «работоспособному» состояниям (рис. 3). При снижении НС до некоторого предельного значения (см. рис. 2) вероятность нахождения объекта в аварийном состоянии следует принимать равной единице (P = 1), как показано на рис. 3. В промежутке между рассмотренными значениями P должны находиться остальные состояния объекта («ограниченно работоспособное» и «недопустимое»). Использование экспертных оценок специалистов в области проектирования и эксплуатации СС РКК позволило построить график функции P от п, который на рис. 3 прошел через точки ABCD. Аппроксимация этого графика дала аналитическую функцию вида P = п6 - 1, которая на рис. 3 проходит через точки AB'C'D'.

Заключение

Очевидно, что для других типов строительных объектов зависимость P от п может

иметь вид, существенно отличный от приведенного на рис. 3. Необходимо отметить, что в рассматриваемой проблеме (см. рис. 1) универсальным является сам подход к тому, как можно связать такие параметры надежности и безопасности зданий и сооружений как п, у, Р и категории технических состояний эксплуатируемых строительных объектов.

Библиографический список

1. ГОСТ Р 54257-2010. Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения и требования. - М. : ФА по техническому регулированию и метрологии, 2010. - 40 с.

2. Федеральный закон Российской Федерации от 30 декабря 2009 г. № 384-Ф3. Технический регламент о безопасности зданий и сооружений. - М. : Кремль, 2009. - 22 с.

3. ГОСТ 20911-89. Техническая диагностика. Термины и определения. - М. : Госстандарт СССР, 1989. - 16 с.

4. СП 13-102-2003. Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений. - М. : ГОССТРОЙ РФ, 2004. - 32 с.

5. ГОСТ 31937-2011. Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния. - М. : ФА по техническому регулированию и метрологии, 2012. - 89 с.

6. Исхаков Ш. Ш. Проблемы и достижения в области строительного инжиниринга / Ш. Ш. Исхаков, Ф. Е. Ковалев, В. Г. Котович // Сб. материалов науч.-метод. конференции, посвященной 150-летию кафедры «Здания». Санкт-Петербург, 25-26 мая 2015 г. -СПб. : ФГОУ ВПО ПГУПС, 2015. - С. 9-14.

7. Исхаков Ш. Ш. Опыт применения систем испытания и долговременного контроля на стартовых сооружениях наземных космических комплексов / Ш. Ш. Исхаков, В. М. Васкевич, Ф. Е. Ковалев // Безопасность России. Безопасность строительного комплекса / под ред. Н. А. Махутова. - М. : МГОФ «Знание», 2012. - Гл. IV, разд. 7. - С. 711-719.

8. Исхаков Ш. Ш. Проектирование и применение систем мониторинга инженерных (строительных) конструкций зданий и сооружений : учеб. пособие / Ш. Ш. Исхаков, В. М. Васкевич, Ф. Е. Ковалев. - СПб. : ВКА им. А. Ф. Можайского, 2013. -158 с.

9. Исхаков Ш. Ш. Становление и развитие вибрационных систем мониторинга технического состояния несущих элементов стартовых сооружений : монография / Ш. Ш. Исхаков, Ф. Е. Ковалев, А. П. Мохнаткин, Д. С. Старчуков. - СПб. : ВКА им.

A. Ф. Можайского, 2015. - 110 с.

10. Исхаков Ш. Ш. Оценка надежности эксплуатации зданий и сооружений по методикам возникновения риска их неработоспособных состояний / Ш. Ш. Исхаков, В. М. Васкевич, Ф. Е. Ковалев,

B. Ю. Рыжиков // Инженер.-строит. журн. - № 7. -СПб. : ГОУ ВПО СПбГПУ, 2012. - С. 52-61.

11. Савинов О. А. Фундаменты под машины / О. А. Савинов. - Л. ; М. : Стройиздат, 1955. - 292 с.

12. СНиП 2.02.05-87. Фундаменты машин с динамическими нагрузками. - М. : ГОССТРОЙ СССР, 1988. - 52 с.

13. Болотин В. В. Применение методов теории вероятностей и теории надежности в расчетах сооружений / В. В. Болотин. - М. : Стройиздат, 1971. - 255 с.

14. А. с. №(21)2008 147445/28(13)А. Метод функциональной вибрационной диагностики изменения несущей способности грунтового осно-

вания и строительных конструкций зданий и сооружений / Н. Н. Гусев, Ш. Ш. Исхаков. - Заявл. 01.12.2008, № 2008147445 // Бюл. № 16 ФГУ по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. - 2010. - 3 с.

15. Савин С. Н. Динамический мониторинг строительных конструкций на примере пандуса киноконцертного зала «Пушкинский» в г. Москва / С. Н. Савин // Инженер.-строит. журн. - № 7. -СПб. : ГОУ ВПО СПбГПУ, 2012. - С. 58-62.

References

1. GOST R 54257-2010. Nadezhnost' stroitel'nykh konstruktsij i osnovanij. Osnovnyepolozheniya i trebo-vaniya [Reliability of the constructions and foundations. Basic principles and requirements]. Moscow, Federal Agency for Technical Regulation and Metrology, 2010, 40 p.

2. Federal law of the Russian Federation dated December 30, 2009, no. 384-FZ. Tekhnicheskij reglament o bezopasnosti zdanij i sooruzhenij [Technical regulations for safety of buildings and structures]. Moscow, Kremlin, 2009, 22 p.

3. GOST 20911-89. Tekhnicheskaya diagnostika. Terminy i opredeleniya [Technical diagnostics. Terms and definitions]. Moscow, Gosstandart USSR, 1989, 16 p.

4. SP 13-102-2003. Pravila obsledovaniya nesu-shchikh stroitel'nykh konstruktsij zdanij i sooruzhenij [Rules for inspection of bearing structures in buildings andfacilities]. Moscow, State Committee for Construction of the Russian Federation, 2004, 32 p.

5. GOST 31937-2011. Zdaniya i sooruzheniya. Pravila obsledovaniya i monitoringa tekhnicheskogo sostoyaniya [Buildings and Constructions.Technical Condition Examination and Monitoring Rules]. Moscow, Federal Agency for Technical Regulation and Metrology, 2012, 89 p.

6. Iskhakov Sh.Sh., Kovalev F. E.& Koto-vich V. G. Problemy i dostizheniya v oblasti stroitel'-nogo inzhiniringa [Problems and achievements in construction engineering]. Collected edited volume of the workshop commemorating the 150th anniversary of the "Buildings" chair. Saint Petersburg, FGBOU VO PGUPS Publ., 2015, pp. 9-14.

7. Iskhakov Sh.Sh., Vaskevich V. M.& Kovalev F. E. Opyt primeneniya sistem ispytaniya i dolgovremennogo kontrolya na startovykh sooruzheniyakh nazemnykh kosmicheskikh kompleksov [Experience application of systems test and lasting control on starts building ground cosmic complexes]. Bezopasnost' Rossii. Bezopasnost' stroitel'nogo kompleksa [Experience of applying trial and long-term control systems in launch facilities of ground-based space complexes. Safety of Russia. Construction complex safety]. Ed. by N.A. Makhutov. Moscow, "Znanie" municipal foundation Publ., 2012, ch. 4, section 7, pp. 711-719.

8. Iskhakov Sh. Sh., Vaskevich V. M.& Kovalev F. E. Proektirovanie i primenenie sistem monitoringa in-zhenernykh

9. Iskhakov Sh.Sh., Kovalev F. E., Mokhnatkin A. P. & Starchukov D. S. Stanovlenie i razvitie vibratsion-nykh sistem monitoringa tekhnicheskogo sostoyaniya nesushchikh jelementov startovykh sooruzhenij [Emergence and development of vibration monitoring systems for bearing elements of launch facilities]: a monograph. Saint Petersburg, Alexander Mozhaysky Military Space Academy Publ., 2015, 110 p.

10. Iskhakov Sh.Sh., Vaskevich V. M., Kovalev F. E. & Ryzhikov V.Ju. Otsenka nadezhnosti jekspluatatsii zdanij i sooruzhenij po metodikam vozniknoveniya riska ikh nerabotosposobnykh sostoyanij [Reliability evaluation of buildings and structures based on methodology of failure state risk emergence]. Engineering

and construction magazine. Saint Petersburg, State Professional Higher Education Institution SPbGPU Publ., 2012. no. 7, pp. 52-61.

11. Savinov O. A. Fundamenty pod mashiny [Machinery foundations]. Leningrad, Moscow, Stroyizdat-Publ., 1955, 292 p.

12. SNiP 2.02.05-87. Fundamenty mashin s di-namicheskimi nagruzkami [Foundations of machines subject to dynamic loads]. Moscow, State Committee for Construction of the USSR Publ., 1988, 52 p.

13. Bolotin V. V. Primenenie metodov teorii ve-royatnostej i teorii nadezhnosti v raschetakh sooruzhenij [Applying the probability and reliability theory methods in building calculations]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1971, 255 p.

14. Gusev N. N.& Iskhakov Sh.Sh. A. s. RU

15. Savin S. N. Dinamicheskij monitoring stro-itel'nykh konstruktsij na primere pandusa kinokontsert-nogo zala "Pushkinskij" v g. Moskva [Dynamic monitoring of structural units as exemplified by the ramp of the Pushkinsky cinema and concert hall in Moscow]. Engineering and construction magazine. Saint Petersburg, State Professional Higher Education Institution SPbGPU Publ., 2012, no. 7, pp. 58-62.

ИСХАКОВ Шавкат Шамильевич - канд. техн. наук, доцент, доцент, iskhakova_julia@mail.ru; *КОВАЛЕВ Федор Евгеньевич - канд. техн. наук, ст. преподватель, kovaleii81@mail.ru; КОСЕНКОВ Руслан Эльдарович - адъюнкт, kosenkovruslan@mail.ru; МОХНАТКИН Алексей Петрович - начальник лаборатории, moxnatkin@mail.ru (Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского).