Анализ изменения несущей способности больверка с учетом коррозии шпунтовой стенки

АНАЛИЗ ИЗМЕНЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ БОЛЬВЕРКА С УЧЕТОМ КОРРОЗИИ ШПУНТОВОЙ СТЕНКИ

Р.Г. КОВАЛЕНКО, магистр

Дальневосточный государственный технический университет

Известно, что для сооружений различных типов свойственны свои особые виды дефектов, старение различных конструктивных элементов может развиваться по разным схемам. Одной из важнейших задач теории надежности является определение влияния того или иного дефекта на состояние объекта, а также прогнозирование меры влияния с учетом развития этого дефекта.

В качестве исследуемых сооружений были выбраны причальные сооружения типа больверк. Одним из основных дефектов для данного сооружения является коррозия шпунтовой стенки. Коррозия может приводить к значительным изменениям напряженно-деформированного состояния элементов больверка, снижению несущей способности, изменению устойчивости и запаса прочности, и т.д. Сложность прогнозирования влияния коррозии обусловлена следующим:

- неравномерность развития коррозии в различных зонах шпунтовой стенки

- наличие большого числа факторов влияющих на техническое состояние больверка и сложность выявления их взаимовлияния

-зависимость скоростей коррозии от стадий срока службы

-зависимость скоростей коррозии от условий

-необходимость использования специальных программных средств для численного моделирования, т.к. простейшие расчетные схемы во многих случаях не позволяют учесть все важные особенности конкретных сооружений.

Причалы типа больверк очень распространены (около 70% в России) и очень многие из них имеют значительные уровни физического износа. В качестве исходных данных использовалась база данных 000«НГЮ«Гидротекс» содержащая результаты обследования за разные годы более чем о сотни причальных сооружений Дальнего Востока.

На рис. 1 показана диаграмма скорости развития коррозии шпунтовых стенок причалов. Ось абсцисс - срок службы данного сооружения на момент об-

Соответствие скорости коррозии средней ожидаемой

40«——---г

Треал

Рис. 1. Диаграмма распределения значений срока службы

следования, ось ординат - разность расчетного и реального сроков службы. Расчетный срок службы определялся для идеализированной модели с нормальной скоростью износа, с предположением, что для шпунта Ларсен-У срок достижения 80% износа - 80 лет, для шпунта Ларсен-1У срок достижения 80% износа - 80 лет, для шпунта ШК-1 срок достижения 80% износа - 40лет.

Каждая точка на графике показывает отдельные причалы и скорость их старения. Если точка находится в области положительных значений, то это говорит о том, что процесс развития коррозии для данного причала идет быстрее среднего ожидаемого, если в области отрицательных, то старение замедленное. На графике видно, что для некоторых причалов, значения Трас-Треал по абсолютной величине имеют сильно выраженное несоответствие Трас-Треал >25-30. Во многом это объясняется неполнотой информации вследствие неправильного ведения эксплуатационной документации, из-за чего теряется информация о капитальных ремонтах и реконструкциях сооружения и т.п.

Среднее значение разности Трас-Треал -8,477, это значит, что в среднем

_________ ________________________ ТТ„ _____Г>__________..«Л.,« .— .»^„„„.т.тл,»

^киринь лиуризпи дли иртшшо Дальне.! и иинила пды п^лилвли

ожидаемого. Физический износ в среднем составляет 31,4%. Многие причалы находятся в предельном или неработоспособном состоянии, большая часть находится в неисправном работоспособном состоянии.

Таблица 1. Техническое состояние причалов

Тех. состояние Физ. износ Кол-во %

Исправное <20% 31,7647

Неисправное 20-40% 41,1765

Неработоспособное 40-60% 16,4706

Предельное >60% 10,5882

Несмотря на то, что большинство причальных сооружений в настоящее время пригодно к эксплуатации (73%), большая часть из них требует капитального ремонта (40-45%), так как, через 5-15 лет многие из них перейдут в категорию неработоспособных. Кроме того, следует учитывать, что неработоспособное состояние как раз соответствует третьей фазе срока жизни 'ускоренное старение', когда скорость изнашивания и вероятность отказов быстро увеличиваются. Если в ближайшее время не уделить достаточного внимание диагностике и ремонту, то в ближайшие несколько лет ожидается общее повышение скорости коррозионного разрушения причальных сооружений (среднее значение -8,476, будет постепенно увеличиваться и, возможно, перейдет в область положительных значений).

Существует предположение о стадиях износа характеризующих кинетику деградационных процессов в зависимости от общего уровня износа объекта, этот подход применим к большинству существующих конструкций и их КЭ.

Таблица 2. Уравнения изменения скоростей коррозии шпунта

Общая V = 0,00005672 - 0,006117'+ 0,2975

Владивосток V = 0,0001272 - 0,01229Г+ 0,4142

Находка V = 0,00004872 - 0,00558Г- 0,2789

Др. регионы V = 0,00011272 - 0,00957'- 0,2894

По результатам анализа зависимости скорости коррозии от периода времени, можно утверждать, что для шпунтовых стенок также подтверждается предположения о стадиях (приработка, период нормальной эксплуатации, ускоренное старения). На стадиях 'приработка' и 'ускоренное старение' скорость развития коррозии заметно возрастает (0,25-0,6 мм/год), на стадии 'нормальной 44

эксплуатации' достигает своего минимума ближе к середине проектного срока службы и составляет

Скорость коррозии общая (мм/год) ¡

i

0 10 20 30 40 60 60 70 80

т

Рис. 2. Изменение скорости коррозии от срока службы шпунтовых

стенок причалов южной части Дальнего Востока _____

I

г ГТ-*"ГГ'' Г Т Ч í i I' JtJ | t I 1 I I t t t t~r T't"4 1 l'l

( t I i I ' i il . .....чип II ИМ I Ц1'

щЩа§1|§И

& <£ & <$> Т

•Общая

•Владиво сток Находка

Др-

регионы

Рис. 3. Графики изменения скоростей коррозии шпунта

H

где Н0 - начальная проектная толщина шпунтовой стенки, v(7) - скорость коррозии. Для шпунта Ларсен-V имеем Я0= 21мм.

Прочность и устойчивость шпунта связана с его жесткостями ЕА и EI. В расчете предполагается, что Е не изменяется, А - площадь изменяется с течением времени за счет уменьшения толщины стенки, осевой момент инерции I также изменяется. Основным разрушающим силовым фактором для шпунтовой стенки является изгибающий момент, кроме того, даже если состояние стенки далеко от разрушения, эксплуатация причала может быть ограничена (или даже невозможна) из-за развития значительных деформаций (прогибов) стенки. Ос-

новным параметром, через который возможно контролировать возможность перехода сооружения в такие состояния является осевой момент инерции 7.

Н

s

S

- IT Г ?•! ai'l"! Ч ч , |, f i- t'W1» тТ"1"Г'Т"Гтт'Г

»^...^у.р^,-,. J. .J  j | |. t

1 ! ') 1 • f J "I" J' 1 г f ! i •} ' J J'

"1' J ft f«j»*f",1,,"l""!"l 1 'J' |'"!"J t—«  T УЧ r1-t't"rT~rt"r,r 1" Г k rtV'fi'lT'l; TTl'TTI" Г1' 1 J i' 'i T"i i t I'M. t I1 1 4 -ГТТ-г^т-'гт't'"r J "v t 'I-,T'

ф ф

£> & & & -о #

Т

— Общая

— Владивос ток

Находка _др.

регионы |

Рис. 4. Графики изменения толщины шпунта

Начальные жесткости определяли по данным сортамента, дальнейший расчет изменения площади и момента инерции выполнялся в программе SCAD "Тонус". Так как в "Тонусе" расчет выполнялся для несколько упрощенной модели шпунта, пришлось вводить дополнительную поправку

А = 1,042 • А0 +10,65 ,

где А0 - площадь, полученная в SCAD "Тонус"

Дальнейшее моделирование выполнялось в конечноэлементном пакете PLAXIS, для различных нагрузок и различных значений жесткостей. Учет коррозии производился только в зоне переменного уровня, так как в действительности в этой области коррозия развивается значительно быстрее, чем на любых других участках стенки. Это объясняется тем, что в этой зоне воздействие оказывают одновременно две агрессивные среды (морская вода, воздух), кроме того, эта зона может быть подвержена воздействию знакопеременных температур, а также абразивному износу, например за счет воздействия льда.

В Plaxis расчет выполнялся для реальных сооружений, величина несоответствий реальных и расчетных прогибов была 10-30%. Графики изменения момента инерции были получены подстановкой функций скоростей коррозии в функцию изменения момента инерции от толщины без учета времени, полученную в начальных расчетах

/ = 193,45# +14619,65.

После подстановки в формулу (3) Н(Т) вместо Я,были получены зависимости, представленные в табл. 3.

Таблица 3. Уравнения изменения осевого момента инерции шпунта Ларсен-V

Общая 7= 18682 -0,003617*+0,59099 t -57,557"

Владивосток 7= 18682 - 0,007738741,18875 7й-80,127Г

Находка 7= 18682 - 0,0030952т3 + 0,5397 t-53,95Т

Др.регионы I = 18682 - 0,0072227^+0,91897* - 55,98Г

Дальнейший расчет выполнялся для причалов Находкинского рыбного порта в конечноэлементном пакете Р1ах18.

А А

Рис. 5. Расчетная модель в программе Р1ах1э Для моделирования грунта использовалась модель Кулона-Мора. Шпунтовая стенка была разделена на 4 зоны с различными параметрами жесткости (надводная зона, зона переменного уровня, подводная, грунтовая). Расчет выполнялся только в области упругого деформирования. Предварительно, с учетом ранее полученных данных, были составлены таблицы изменения моментов инерции и размеров шпунта в разных зонах для различных периодов срока жизни сооружения.

Были определены предельные состояния для основных элементов больвер-ка при различных уровнях коррозионного разрушения. Оценка предельных состояний производилась для двух основных элементов больверка: анкерной тяги и шпунтовой стенки. Оценка предельных состояния для анкерных опор, болтов, грунта не выполнялась. Основные силовые факторы, оказывающие влияние на напряженно-деформированное состояние этих элементов - продольная сила и изгибающий момент. Было смоделировано несколько ситуаций с различным способом нагружения, для шпунтовой стенки разрушение происходило за счет воздействия изгибающего момента, продольная сила при этом изменялась не значительно и причиной разрушения быть не могла. Для анкерных тяг все было наоборот: разрушение происходило за счет превышения допустимого значения продольной силы, в то время как изменение изгибающего момента было не значительным и не могло привести к разрушению.

Расчет предельных значений силовых факторов для шпунтовой стенки Условия прочности шпунтовой стенки под действием изгибающего момента определяется по формуле а = Мтах/Ж < Я, где расчетное сопротивление для стали принимается Я = 210 МПа. Момент сопротивления погонного метра шпунта 'Ларсен-У ' ^ =3000 см3 = 0,003 м3. Исходя из данного условия прочности, изгибающий момент действующий на шпунтовую стенку для сохранения её целостности, должен соответствовать условию прочности Мтах < 630 кН/м.

Прочность анкерной тяги определяется (металлический стержень круглого сечения) без учета других элементов анкерных устройств. Анкерная тяга сделана из стали марки СтЗ, для которой предел текучести

ат = 2400кг/см2 = 240МПа..

С учетом коэффициента запаса п предел прочности на растяжение определяется как [оТ ] -ат /и . Принимаем коэффициент запаса п = 1. Условия прочности анкерной тяги для растягивающего усилия N < [ат ]А.

2 2

Площадь поперечного сечения анкерной тяги: А = п-К = 0,005024м . Из условия прочности получается, что усилия в тяге должны соответствовать

ТоЫ сБцйасммяйс ,

ЕийялюЮЫ йед(эсетв111365;47Ч0'^га

Рис. 6. Визуализация полных перемещений в Р1ах13

Оценка несущей способности производилась следующим образом. В качестве усилия воздействующего на больверк принималась только вертикальная равномерно распределенная нагрузка, действующая по всей территории причала. Такое упрощение модели допустимо, так как было проверено, что для различных более сложных форм приложения вертикальной нагрузки почти всегда можно подобрать эквивалентную равномерно распределенную нагрузку, при этом во всех элементах будет схожее напряженно-деформированное состояние. Несущая способность определялась на основе результатов анализа силовых факторов определяющих предельное состояние (продольная сила в анкерной тяге и изгибающий момент в шпунтовой стенке). Коррозия шпунтовой стенки является основным фактором, приводящим к снижению несущей способности сооружения. Вследствие того, что коррозионные процессы идут не равномерно для различных участков шпунтовой стенки, то со временем влияние коррозии в каждой зоне шпунта на общую прочность сооружения изменяется.

На основе расчетных табличных данных изменения параметров шунта под действием коррозии производись расчеты в Р1ах1в и затем определялись возникающие уелилия в анкерной тяги и зонах шпунта. На графике 'Связь несущей способности больверка и коррозии шпунта в зоне ПУ' показана зависимость несущей способности -Гтах и коррозии в зоне переменного уровня Нпу. При этом важно отметить следующее, что в первой половине срока жизни при минимальной коррозии, при перегрузке сооружения, разрушение происходило в подводной зоне, в зоне переменного уровня разрушения не было. По мере развития коррозии, зоной с наименьшей надежностью становится шпунт в зоне переменного уровня и при воздействии предельной нагрузки именно в нем происходит разрушение. Такая смена ролей между зонами шпунтовой стенки объясняется неравномерностью скоростей коррозии для различных зон шпунта и различными услилиями возникающими в этих зонах. При снижении Ртах до -36кН/м2, что соответствует толщине стенки Нпу = 7,2 мм в зоне переменного уровня происходит перераспределение ролей между подводной зоной и зоной переменного уровня по надежности.

Связь несущей способности больверка и коррозии шпунта в зоне ПУ

—О— Ртах

Рис. 7. Связь несущей способности больверка и коррозии шпунта в зоне переменного уровня

-80 -70 -60 -50 -40 -30 _ -20 -10 0

Ртах(кН/м2) | -НИ-НПу -*-|Г |

Рис. 8. Связь несущей способности и коррозии

На графике 7 показаны толщины шпунтовой стенки в зоне переменного уровня и подводной зоне (Нпу и Н) и максимальное значение вертикальной нагрузки соответствующее этому уровню развития коррозии (Ртах).

По мере снижения запаса прочности больверка изменяется уровень влияния каждой зоны на прочность шпунта. В начале прочность сооружения и несущая способность определяется состоянием шпунта в подводной зоне, где появляется максимальный изгибающий момент. По мере развития коррозии, влияние зоны переменного уровня на прочность становится всё более существенным. При толщине в зоне ПУ Нпу = 7,2 мм (^тах = -36кН/м2) влияние зон на прочность стенки становится одинаковым, разрушение начнется в обеих зонах. На рис. 9, 10 это точка пересечения графиков. При толщине в зоне ПУ менее 7,2 мм определяющим фактором прочности стенки становится прочность шпунта в этой зоне. При отсутствии нагрузки разрушение в подводной зоне не произойдет. При уменьшении толщины шпунтовой стенки в зоне переменного уровня до значения Нпу = 5,2 мм произойдет разрушение стенки в зоне переменного уровня (синий график достигает значение Шш= 1).

Таблица 4. Изменение изгибающих моментов в зонах шпунта при максимальной и нулевой нагрузках

макс. моменты при нагрузке Ртах

Нпу Н Мта)С_ пу Мтах Ртах Мпу(Ртах) М(Ртах) Мпу(Ртах)/ Мта^ПУ М(Ртах)/ Мтах

21 21 630 630 -75 337,68 629,45 0,536 0,9991

17 19 511 570 -65 306,06 567,86 0,5989 0,9962

13 17 393 511 -52 274,84 508,29 0,6993 0,9946

9 15 274 452 -42 243,13 451,44 0,8873 0,9987

8 14,5 244 437 -39 231,79 436,08 0,9499 0,9978

7 14 215 422 -31 214,66 407,03 0,9984 0,9645

6 13,5 185 407 -12 180,35 343,17 0,9748 0,843

5,2 13,1 165 400 0 164,84 317,48 0,9990 0,7937

макс, моменты при нагрузке (отсутствие

1 1ЛОП1Л1/1 1 1 ГТЫС/^/ОЛиу

Нпу Н мтах_ пу мтах Го Мпу(РО) М(Р0) Мпу(РО)/ Мтах._пу М(Р0)/Мтах

21 21 630 630 0 193,72 370,41 0,3074 0,5879

17 19 511 570 0 190,54 359,11 0,3728 0,6300

13 17 393 511 0 189 347,56 0,4809 0,6801

9 15 274 452 0 184,44 333,56 0,6731 0,7379

8 14,5 244 437 0 177,72 329,69 0,7283 0,7544

7 14 215 422 0 175,73 328,38 0,8173 0,7781

6 13,5 185 407 0 168,73 320,76 0,9120 0,7881

5,2 13,1 165 400 0 164,84 317,48 0,999 0,7937

Примечания к табл. 4.: Я и Япу - толщина стенки в подводной зоне и зоне переменного уровня (мм); Мгаах_пу и Мтах - максимальное значение изгибающего момента для шпунтовой стенки в зоне переменного уровня и других зонах (кН/м); А/ОРтах), Мпу(^тах) и Л/пу(/го), М(Го) - расчетные значения изгибающих моментов в зонах при заданных значениях нагрузки (^тах и /о); Мпу(Ртах)/Мтах_пу, М^тахУМпах, Мпу(^0)/Мтах_пу, М(Г0)/Мтях - ОТНОШвНИЯ расчетных моментов к предельным значениям, показывают изменение запаса прочности для каждой зоны.

1,1

0,9 0,8

И

0,6 0,5 0,4 0,3

. Д..

....." йщИюЩяШ

.....

1 ' л- Т»М|Г|'| |....... - __ > д

ЖМЯНЩ

яян  ВтиМ ЯР^Яя

*п-ал—

Мпу

Рис. 9. Изменение запаса прочности при

1,1 1

0,9

0,8

S 0,7 E

i 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2

—О—'М^оуМтах

Рис. 10. Изменение запаса прочности при

Если сделать расчет индивидуально для каждой зоны без учета различия в скоростях коррозии, то получается, что разрушение в зоне переменного уровня при нулевой нагрузке могло происходить бы при Нпу = 5-6 мм вследствие возникающего изгибающего момента (Мтгх = 170-180кН/м). При такой толщине в зоне переменного уровня, в подводной зоне толщина была бы около Я=13,5мм. Это значение больше минимальной возможной толщины , обеспечивающей неразрушение стенки. Теоретически, такая схема разрушения может иметь место.

Разрушение в подводной зоне происходило бы при большей толщине стенки, так как величина изгибающего момента в этой зоне заметно больше чем в других зонах. Разрушение наступает при Я = 10,5-11,5 мм (Мтах=320-330кН/м) при отсутствии нагрузки. Такая толщина в подводной зоне соответствовала бы толщине в зоне переменного уровня Япу = 1 мм, но как было определено ранее, предельное значение толщины в зоне переменного уровня при которой разрушение происходит даже без приложения нагрузки Япу = 5,2мм. Следовательно, такая схема разрушения мало вероятна для данного сооружения.

НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ СНЕГОВОЙ И ВЕТРОВОЙ НАГРУЗКИ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИИ В РЕЖИМЕ МАГНИТОУПРУГОЙ ПАМЯТИ

B.Ф. НОВИКОВ, д.ф.-м.н., профессор, М.С. БАХАРЕВ, д.т.н., доцент,

C.B. СОРОКИНА

Тюменский государственный нефтегазовый университет

В наш развитый век техники и технологии разрабатываются и широко внедряются инновационные идеи, особенно в строительстве. Возводятся сложные здания, конструкции. Архитекторы, используя свой богатый опыт и прогрессивные идеи, производят расчеты с большой точностью, пытаясь учесть все факторы и заложить необходимый запас прочности. Проверяя свои расчеты многократно, они уверены в своих вычислениях настолько, что не подстраховываются неразрушающим контролем. Во многих случаях их расчеты оправдывают ожидания, но иногда какой-нибудь неучтенный фактор или стечение обстоятельств могут привести к поломке или аварии. Например, обрушение кровли турбинного отделения на Сургутской ГРЭС-2, которое произошло 4 января

—О— Mny