Построение алгоритма оценки показателей надежности промышленного здания

DOI: 10.24143/2072-9502-2018-3-49-56 УДК 624.042.3:621.87

В. И. Трофимов, С. В. Белов, П. Н. Садчиков

ПОСТРОЕНИЕ АЛГОРИТМА ОЦЕНКИ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ

ПРОМЫШЛЕННОГО ЗДАНИЯ

В контексте разработки автоматизированной системы расчета и прогнозирования остаточного ресурса строительных объектов сравниваются достоинства и недостатки моделей надежности промышленных зданий. Разработана расчетная схема проведения исследования напряженно-деформированного состояния промышленного здания. Реализация последовательности действий позволяет определить сроки достижения промышленным сооружением предельных состояний, оценить величину резерва прочности конструкций его каркаса, а также произвести поиск изменений амплитудных значений смещений в расчетных точках по итогам сравнительного анализа соответствующих значений в разные промежутки времени эксплуатации промышленного здания при постоянной величине обобщенной нагрузки. Проведен сравнительный анализ автоматизированных систем проектирования, который выявил необходимость разработки собственного программного продукта, специализирующегося на проведении расчетов работы конструкций промышленных сооружений, оборудованных электрическими мостовыми кранами, при целом комплексе возмущающих воздействий. По итогам работы с расчетной схемой разработан сводный алгоритм, в котором реализована возможность решения прямой, обратной и прогнозной задач и который реализует вероятностный подход как наиболее соответствующий случайному характеру техногенного и природного воздействия, а также условиям их восприятия. Сводный алгоритм генерирует значения крановых нагрузок в виде непрерывных случайных величин в соответствии с законом распределения при заданных параметрах математического ожидания и среднеквадратического отклонения. Он позволяет выполнить сравнительный анализ полученных вероятностных значений и результатов расчета по нормативным значениям нагрузок при неизменных условиях функционирования системы. Данный алгоритм положен в основу разработки расчетнопрограммного комплекса «АСР-2018»1.

Ключевые слова: остаточный ресурс, промышленное здание, прочностные характеристики, алгоритм, мостовой кран, нагрузки.

Введение

В настоящее время основной причиной аварий на строительных объектах, возникающих в процессе эксплуатации, является значительное снижение показателей их надежности [1]. Данный факт обусловлен увеличением смещений в узловых точках каркаса как результатом разболтанности конструктивных элементов и появлением различного рода дефектов при длительной работе кранового технологического оборудования. Для определения периода безопасной эксплуатации здания в современной инженерной практике большое распространение получили детерминированные методы оценки его надежности [2]. Существующие методики нельзя отнести к тем, что отличает высокая степень достоверности получаемых результатов, поскольку они не учитывают значительное количество условий. Вероятностные методики не получили большого распространения ввиду большой сложности вычислительного характера, особенно в части расчета пространственных моделей зданий и сооружений.

Таким образом, актуальной задачей становится разработка автоматизированной системы расчета и прогнозирования остаточного ресурса строительных объектов, реализующей алгоритм объединения комплекса методик последовательного решения прямой, обратной и прогнозной задач вероятностной оценки изменений деформации каркаса строительного объекта в процессе его эксплуатации с учетом вариативности воздействий.

Анализ предметной области, разработка алгоритма поиска остаточного срока службы промышленного здания

Развитие промышленности послужило толчком к изучению принципов проектирования различных одноэтажных каркасных сооружений промышленного назначения с использованием

1 Автоматизированная система расчета.

грузоподъемных механизмов. Однако довольно быстро стало понятно, что работу конструкций каркасных одноэтажных сооружений промышленного типа необходимо рассматривать в непрерывной взаимосвязи друг с другом.

Таким образом, возникает потребность учета пространственной работы каркаса, своевременного контроля запаса прочности и роста обобщенной величины нагрузки вследствие технологического перевооружения производственного процесса.

Основным фактором, который влияет на изменение прочностных характеристик промышленного здания, является степень восприятия его отдельными конструктивными элементами обобщенной нагрузки, включающей воздействие мостовых кранов, сейсмическую и ветровую составляющие кратковременной нагрузки, собственный вес конструкций. Обеспечение надежности прочностных характеристик каркаса строительного объекта, оборудованного мостовыми кранами, является одной из актуальных проблем при их проектировании, возведении и эксплуатации. Следует выделить ряд составных частей, которые являются неотъемлемыми элементами исследования расчетной схемы строительного объекта промышленного типа: геометрические, жесткостные и нагрузочные. Стоит отметить, что работа конструкций каркаса напрямую зависит от диапазона смещений в соответствующих расчетных точках [3].

В настоящее время используется несколько методик оценки надежности промышленных зданий, реализация которых зависит от выбора модели представления и обработки данных, полученных при обследовании объектов. Результаты анализа достоинств и недостатков этих моделей, а также возможности их численной реализации для условий функционирования конкретно взятого объекта представлены в табл. 1.

Таблица 1

Модели оценки надежности промышленных зданий

Класс модели Модель учитывает Достоинства Недостатки

Вероятностная модель Изменение надежности строительных конструкций. Вероятностное распознавание категорий технического состояния строительных конструкций. Изменение вероятности отказа промышленного объекта. Обоснованность. Детальная проработка. Построение прогноза динамики изменения показателей надежности на длительной период времени эксплуатации объекта. Отсутствие критериев по дифференциации объектов. Изменение поведения конструктивных элементов каркаса сводится к сложной системе нелинейных дифференциальных уравнений. Сложность вычисления.

Детерминированная модель Изменение параметров технического состояния промышленного здания. Ухудшение характеристики несущей способности. Утвержденные нормативы сроков эксплуатации промышленного здания до капитального ремонта. Степень физического износа промышленного объекта. Обоснованность. Детальная проработка. Возможность численного решения прямой задачи строительной механики. Получение результата на момент проведения технического обследования эксплуатируемого объекта. Отсутствие критериев по дифференциации объектов. Невозможность учета динамики изменений физических параметров материалов конструкций. Ограниченность объема имеющейся статистической информации об изменении свойств объекта исследования. Невозможность использования для определения о статочного ресурса промышленного здания.

Анализ результатов изучения предметной области позволил сформировать схему, отображающую последовательность действий исследователя и направленную на получение конечного результата в виде сроков достижения объектом предельных состояний в работе его конструктивных элементов.

Данный алгоритм сводится к оценке величины резерва прочности конструкций каркаса здания, который определяется из соотношения несущей способности и максимума обобщенной нагрузки при заданных условиях функционирования (рис. 1).

Матрица инерционных значений

Неизменные нагрузки:

- снеговая нагрузка; - собственный вес;

- временная нагрузка

на кровлю

Кратковременные

нагрузки

(воздействия

сейсмического

характера)

Случайные крановые нагрузки:

- торможение тележки;

- боковые силы;

- вертикальное давление мостового крана

Рис. 1. Схема проведения исследования

напряженно-деформированного состояния промышленного здания: МКЭ - метод конечных элементов

Для оценки остаточного ресурса промышленного здания организуется поиск изменений амплитудных значений смещений в расчетных точках построенной физической модели. Данные изменения определяются по итогам сравнительного анализа натурных измерений соответствующих параметров в разные моменты времени эксплуатации данного объекта при неизменной величине обобщенной нагрузки. Однако для определения изменений напряженно-деформированного состояния каркаса здания намеренно, заведомо ложно, предполагаем, что зафик-

сированное увеличение смещений в расчетных точках вызвано возрастанием нагрузки. А потому функцию нагрузки, построенную в виде регрессионной зависимости по фактору времени, считаем фиктивной. Зафиксировав новое состояние объекта на момент проведения обследования, возвращаясь к исходному загружению расчетной схемы, корректируем предыдущую матрицу жесткости каркаса. Организовав поиск расчетных значений математических ожиданий резерва прочности, определяем среднегодовую скорость износа. Согласно представленному комплексному подходу данная система показателей и является основанием для реализации алгоритма по определению остаточного срока службы промышленного здания.

Реализация данного алгоритма в вероятностной постановке с получением конкретного результата возможна только при задействовании аппаратных средств электронно-вычислительных машин. Известно несколько систем автоматизированного проектирования работ, позволяющих решить поставленную задачу. В табл. 2 проведен сравнительный анализ их функциональных возможностей.

Таблица2

Автоматизированные системы проектирования

Программный продукт Преимущества Недостатки

SCAD Высокая скорость расчета. Автоматическая генерация произвольной сетки конечных элементов на плоскости. Возможность формирования сложных расчетных моделей путем сборки из различных схем. Развитые графические средства формирования и корректировки геометрии расчетных схем, описания физико-механических свойств материалов, задания условий опирания и примыкания, а также нагрузок. Эффективные методы оптимизации матрицы жесткости. Высокая стоимость. Невозможность определения остаточного ресурса здания. Расчет ориентирован на жилое строительство. Отсутствие явных инструментов для отображения на расчетной схеме динамических крановых нагрузок. Невозможность корректировки матрицы жесткости по истечении фиксированного времени эксплуатации здания.

ANSYS Широкая специфика применения, возможность проектирования самолетов, космических кораблей и других технологических продуктов. Моделирование и анализ в некоторых областях промышленности, работа на основе геометрического ядра Parasolid. Высокая стоимость. Невозможность определения остаточного ресурса здания.

ЛИРА В расчете применяется метод конечных элементов. Возможность выполнения расчетов на статические (силовые и деформационные) и динамические воздействия. Возможность проведения подбора или проверки сечений стальных конструкций и(или) армирование сечений железобетонных конструкций. Высокая стоимость. Невозможность определения остаточного ресурса здания. Расчет ориентирован на жилое строительство.

На основе анализа информации, изложенной в табл. 2, можно сделать вывод о необходимости разработки программно-расчетного комплекса, специализирующегося на проведении расчетов работы конструкций промышленного здания, оборудованного мостовыми кранами, при целом комплексе возмущающих воздействий и расширяющего спектр решаемых вопросов.

В ходе исследования комплексной схемы, представленной на рис. 1, был разработан сводный алгоритм расчета промышленного здания, который в дальнейшем может быть реализован при разработке автоматизированной системы проектирования промышленных зданий. Данный алгоритм изображен на рис. 2.

Рис. 2. Алгоритм оценки изменения напряженно-деформированного состояния каркаса промышленного здания при действии комплекса нагрузок:

P - количество воздействий; V - уровень модели в зависимости от изменения матрицы жесткости;

L - вид кранового воздействия на строительные конструкции сооружения; n - количество повторений при указании параметра L; h - бинарная переменная вариантов расчета на крановые нагрузки (0 - нормативный; 1 - вероятностный);

k - параметр цикла

Алгоритм включает поиск значений изгибающих моментов и напряжений, возникающих под действием конкретного загружения конструкций каркаса. На представленной блок-схеме продемонстрирован выбор варианта комплекса нагрузок, действующих на объект в фиксированный момент времени. Предложенный алгоритм реализует вероятностный подход, который

наиболее соответствует случайному характеру техногенных [4] и природных воздействий [5], а также условиям их восприятия [6]. Техногенные воздействия на каркас промышленного здания определяются нагрузками, вызванными работой грузоподъемного оборудования. Алгоритм учитывает расчет трех составляющих крановой нагрузки:

- L = 1 - вертикальное давление крана с грузом;

- L = 2 - торможение крановой тележки;

- L = 3 - боковые силы, возникающие при биении моста крана, перпендикулярно рельсовому пути.

Согласно предложенному алгоритму значения крановых нагрузок генерируются в виде непрерывных случайных величин в соответствии с нормальным законом распределения при заданных параметрах математического ожидания и среднеквадратического отклонения. Для повышения точности итогового результата определение величины нагрузки и расчет последствий от их восприятия каркасом здания повторяется многократно. Алгоритм также позволяет выполнить сравнительный анализ полученных вероятностных значений с результатами расчета по нормативным значениям нагрузок при неизменных условиях функционирования системы.

Основным преимуществом предложенной схемы проведения расчета является возможность решения последовательно сразу трех задач: прямой, обратной и прогнозной. Прямая сводится к поиску смещений в узловых точках расчетной схемы здания при известных геометрических и жесткостных его характеристиках, а также случайной величины обобщенной нагрузки. Решение обратной задачи позволяет скорректировать матрицу жесткости каркаса по истечении некоторого времени эксплуатации здания на основе зафиксированного увеличения смещений в контролируемых точках конструкции при очередном обследовании. Коррелируя значения частот собственных колебаний технической системы, полученных по итогам проведения нескольких обследований при неизменной величине обобщенной нагрузки, можно получить численный результат прогнозной задачи, что и является основанием для определения величины остаточного ресурса и других показателей надежности здания.

Представленный алгоритм положен в основу разработки программного комплекса «АСР-2018», выступающего в качестве инструмента реализации всего спектра методик расчета. Данный программно-расчетный продукт предоставляет удобный интерфейс, что расширяет круг потенциальных пользователей системы.

Заключение

Главное достоинство разработанной схемы проведения расчета - возможность решения последовательно сразу прямой, обратной и прогнозной задач для поиска остаточного срока службы промышленного здания. Прямая задача представляет собой поиск смещений в узловых точках расчетной схемы промышленного объекта при известных геометрических и жесткостных характеристиках, а также учитывает случайную величину обобщенной нагрузки.

Данный алгоритм был положен в основу разработки расчетно-программного комплекса «АСР-2018», выступающего в качестве основного инструмента реализации всего комплекса методик расчетов.

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. Мельчаков А. П., Чебоксаров Д. В. Прогноз, оценка и регулирование риска аварии зданий и сооружений. Теория, методология и инженерные приложения. Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2009. 111 с.

2. Травуш В. И., Колчунов В. И., Клюева Н. В. Некоторые направления развития теории живучести конструктивных систем зданий и сооружений // Промышленное и гражданское строительство. 2015. № 3. C. 4-11.

3. Золина Т. В., Садчиков П. Н. Прогнозируемый эффект от принятия конструктивных решений по обеспечению надежности промышленного объекта // Вестн. Моск. гос. строит. ун-та. 2015. № 11. С. 68-79.

4. Гордеев В. Н., Лантух-Лященко А. И., Пашинский В. А., Перельмутер А. В., Пичугин С. Ф. Нагрузки и воздействия на здания и сооружения / под общ. ред. А. В. Перельмутера. М.: Изд-во Ассоц. строит. вузов, 2011. 528 с.

5. Пшеничкина В. А., Белоусов А. С., Кулешова А. Н., Чураков А. А. Надежность зданий как пространственных составных систем при сейсмических воздействиях / под ред. В. А. Пшеничкиной. Волгоград: ВолгГАСУ, 2010. 224 с.

6. Zolina T. V., Sadchikov P. N. Revisiting the reliability assessment of frame constructions of industrial building // Applied Mechanics and Materials. 2015. Vol. 752-753. P. 1218-1223.

Статья поступила в редакцию 27.04.2018

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Трофимов Валерий Иванович — Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; студент, направление «Информатика и вычислительная техника», специальность «Автоматизированные системы обработки информации и управления»; valer4ik-92@mail.ru.

Белов Сергей Валерьевич — Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; зав. кафедрой автоматизированных систем обработки информации и управления; ssbelov@yandex.ru.

Садчиков Павел Николаевич — Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный архитектурно-строительный университет; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры физики, математики и информационных технологий; pn_sadchikov@mail.ru.

V. I. Trofimov, S. V. Belov, P. N. Sadchikov

DEVELOPING ESTIMATION ALGORITHM OF RELIABILITY INDICATORS

OF INDUSTRIAL BUILDINGS

Abstract. In terms of developing automated system of calculating and forecasting the residual life of industrial buildings the article compares the advantages and disadvantages of reliability models of industrial buildings. The scheme of examining mode of deformation of an industrial building has been created. Realization of successive actions helps to determine the terms of achievement of the limiting conditions of an industrial building, to estimate the reserve strength of its carcass, and to search for changes in the amplitude values of the displacements in the calculated points, according to the results of comparative analysis of corresponding values in different periods of industrial building operation at a constant value of the generalized load. There has been carried out comparative analysis of computer-aided design systems that revealed the need to develop the proper software product specialized in calculating the work of industrial structures equipped with electric bridge cranes, with a whole complex of disturbing effects. According to the results of calculation scheme there was developed a summary algorithm which implemented the possibility of solving direct, inverse and predictive problems, as well as realizing probabilistic approach as most appropriate for random nature of man-made and natural impact, and for the conditions of their perception. Summary algorithm generates the values of crane loads in the form of continuous random values in accordance with the distribution law for the given parameters of expectation and mean-square deviation. It enables to carry out comparative analysis of the obtained probabilistic values and results of the calculation of the normative values of loads under constant conditions of the system operation. This algorithm is the basis of the development of the settlement and software complex "ASR-2018".

Key words: residual resource, industrial building, strength properties, algorithm, bridge crane, loads.

REFERENCES

1. Mel'chakov A. P., Cheboksarov D. V. Prognoz, otsenka i regulirovanie riska avarii zdanii i sooruzhenii. Teoriia, metodologiia i inzhenernye prilozheniia [Prediction, assessment and management of risk of accidents of buildings and structures. Theory, methodology and engineering applications]. Cheliabinsk, Izd-vo IuUrGU, 2009. 111 p.

2. Travush V. I., Kolchunov V. I., Kliueva N. V. Nekotorye napravleniia razvitiia teorii zhivuchesti kon-struktivnykh sistem zdanii i sooruzhenii [Some directions of developing theory of survivability of construction systems of buildings and structures]. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo, 2015, no. 3, pp. 4-11.

3. Zolina T. V., Sadchikov P. N. Prognoziruemyi effekt ot priniatiia konstruktivnykh reshenii po obespeche-niiu nadezhnosti promyshlennogo ob"ekta [The predicted effect of the adoption of constructive solutions to ensure the reliability of the industrial facility]. Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo stroitel'nogo universiteta, 2015, no. 11, pp. 68-79.

4. Gordeev V. N., Lantukh-Liashchenko A. I., Pashinskii V. A., Perel'muter A. V., Pichugin S. F. Nagruzki i vozdeistviia na zdaniia i sooruzheniia [Loads and impacts on buildings]. Pod obshchei redaktsiei A. V. Perel'mutera. Moscow, Izd-vo Assotsiatsii stroitel'nykh vuzov, 2011. 528 p.

5. Pshenichkina V. A., Belousov A. S., Kuleshova A. N., Churakov A. A. Nadezhnost’ zdanii kak pros-transtvennykh sostavnykh sistem pri seismicheskikh vozdeistviiakh [Reliability of buildings as spatial composite systems under seismic loading]. Pod redaktsiei V. A. Pshenichkinoi Volgograd, VolgGASU, 2010. 224 p.

6. Zolina T. V., Sadchikov P. N. Revisiting the reliability assessment of frame constructions of industrial building. Applied Mechanics and Materials, 2015, vol. 752-753, pp. 1218-1223.

The article submitted to the editors 27.04.2018

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Trofimov Valeriy Ivanovich — Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Student, training area "Computer Science and Engineering", specialty "Automated Information Processing and Management Systems"; valer4ik-92@mail.ru.

Belov Sergey Valerievich — Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Head of the Department of Automated Systems of Information Processing and Management; ssbelov@yandex.ru.

Sadchikov Pavel Nicolaevich — Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State University of Architecture and Civil Engineering; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department of Physics, Mathematics and Information Technology; pn_sadchikov@mail.ru.