Методика оценки коэффициента надежности морских причалов с учетом сроков эксплуатации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.19, кандидат технических наук Сахненко, Маргарита Александровна

• Сахненко, Маргарита Александровна
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сахненко, Маргарита Александровна

Введение.

Глава 1. Анализ проблемы изменчивости запасов прочности и долговечности (надежности) строительных конструкций.

Глава 2. Эксплуатационная надежность конструкций морских причалов

2.1. Структурный анализ конструкции и виды разрушений основных несущих элементов.

2.2. Условия проявления отказов основных несущих элементов.

2.3. Физический износ основных несущих элементов и оценка остаточного ресурса конструкции.

Глава 3. Выбор вероятностной модели расчета с учетом детерминистического алгоритма.

3.1. Метод линеаризации.

3.2. Статический расчет больверка с использованием метода линеаризации функций случайных аргументов.

Глава 4. Метод статистических испытаний в расчетах причальных сооружений типа больверк.

4.1. Генерирование базовой последовательности случайных чисел.

4.2. Моделирование случайных величин с нормальным законом распределения.

4.3. Метод Монте-Карло в расчетах портовых сооружений.

4.3.1. Расчетные компоненты моделируемой системы.

4.3.2. Нахождение доверительного интервала.

4.3.3. Определение количества испытаний и уточнение допускаемой ошибки.

4.3.4. Алгоритм расчета причального сооружения типа больверк методом Монте-Карло.

Глава 5. Фактор времени в расчетах причальных сооружений типа больверк.

5.1. Определение геометрических размеров шпунта с учетом коррозионного износа с течением времени.

5.2. Расчет коэффициента надежности с учетом фактора времени.

5.3. Определение вероятности безотказной работы сооружения с учетом фактора времени.

Глава 6. Идентификация коэффициента надежности и вероятности безотказной работы.

6.1. Построение регрессионной связи коэффициента надежности от фактора времени причальных конструкций типа больверк.

6.2. Идентификация показателей запаса прочности и долговечности причальных конструкций типа больверк из металлического шпунта методами теории вероятности.

6.2.1. Доверительные границы коэффициента надежности и вероятности безотказной работы.

6.2.2. Регрессионный анализ расчетных параметров коэффициента надежности и вероятности безотказной работы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методика оценки коэффициента надежности морских причалов с учетом сроков эксплуатации»

Актуальность. Развитие портов в России за последние 15-20 лет осуществлялось, главным образом, за счет капитального ремонта или реконструкции существующих перегрузочных комплексов (Новороссийск, Туапсе, Ленинград, Ейск, Азов, Мурманск и др.) [ 44 ]. Строительство новых портов (Усть Луга) или специализированных терминалов (наливной в Приморском) остаются редким исключением.

Анализ физического и морального износа основных фондов портов показал, что значительная часть портовых гидротехнических сооружений и объектов достигла нормативного срока службы либо получила такой уровень физического износа, когда их дальнейшая эксплуатация становится невозможной в связи с достижением конструкцией нижнего уровня эксплуатационной надежности. Такие процессы особенно активно развиваются в наиболее загруженных портах [72].

Практически все сооружения, подлежащие капитальному ремонту или реконструкции, проходят технический контроль и диагностику. Затем на основании полученных данных должны выполняться поверочные расчеты конструкции сооружения с целью определения нижнего предела эксплуатационной надежности (запасов прочности и долговечности), обоснования возможности их дальнейшей работы при изменении условий эксплуатации или выбора вариантов проекта капитального ремонта, реконструкции или усиления.

Известно, что нормативные расчеты новых и поверочные расчеты эксплуатируемых причалов выполняются методом предельных состояний. Однако, как показывает анализ расчетных формул метода предельных состояний, применять их для поверочных расчетов конструкций не корректно, поскольку не учитывается фактор времени. Так, причальные сооружения, отслужившие значительный срок эксплуатации t0, рассчитываются на такие же нормированные коэффициенты пс,п,тд,ки,ут,ус, как и сооружения вновь запроектированные, что может привести к значительным погрешностям в оценке запасов прочности несущей конструкции. Очевидно, для сооружений, проработавших определенный срок, необходим учет изменения коэффициента надежности во времени. Научных разработок в этой области все еще очень мало. Этим определяется актуальность темы данного диссертационного исследования.

Цели и задачи исследования. Целью данной работы является учет фактора времени и повышение точности расчетов конструкций причалов, подлежащих реконструкции или усилению. Исследование фокусировалось на коэффициенте надежности как основном показателе класса и экономической ответственности сооружения в методе предельных состояний. Исходя из поставленной цели и результатов предыдущих исследований, задачи диссертационной работы включали следующее:

1. Структурный анализ конструкций и определение условий наступления отказов основных несущих элементов.

2. Физический износ основных несущих элементов конструкции.

3. Разработка вероятностной модели расчета на базе графоаналитического метода.

4. Расчет конструкции как системы в целом методом статистических испытаний.

5. Коррозионный износ несущих элементов конструкции. Учет фактора времени в расчетах прочности конструкции.

6. Идентификация коэффициента надежности в сравнительных расчетах по предельным состояниям и вероятностным методом с учетом фактора времени.

Объектом исследования являются конструкции причальных сооружений типа больверк из металлического шпунта.

Предметом исследования является коэффициент надежности как показатель запасов прочности и долговечности причальных конструкций типа больверк из металлического шпунта.

Информационной базой являются архивные материалы реализованных проектов причалов типа больверк в разных морских портов России и СНГ.

Методы исследования . В диссертационной работе использованы методы теории вероятности и математической статистики, в том числе и методы регрессионного анализа, методы расчета по предельным состояниям конструкций.

Научная новизна:

• Получены параметры распределения пролетного момента в лицевой стенке причала типа больверк;

• Определены математическое ожидание и дисперсия расчетного момента металлического шпунта лицевой стенки путем разложения функции момента в ряд Тейлора;

• С использованием метода линеаризации функций определена зависимость надежности лицевой стенки от срока эксплуатации для разных ин-тенсивностей коррозионного износа металлического шпунта;

• По полученным выше результатам для соответствующих показателей момента сопротивления и срока эксплуатации определена зависимость коэффициента надежности от времени для расчетных схем;

• Получены предварительные результаты расчетов коэффициентов надежности причалов, запроектированных и построенных в разных морских портах России и СНГ;

• Разработана методика расчета строительных конструкций как сложных систем, состоящих из множества элементов с учетом фактора времени.

Практическая значимость диссертационных исследований состоит в том, что предложен метод и разработан его формализованный аппарат для вероятностного расчета строительных конструкций и оценки коэффициента надежности морских причалов с учетом сроков их службы. Это дает возможность перейти к практическому расчету причальных сооружений по заданному уровню коррозионного износа несущего элемента (выполнить поверочные расчеты с учетом фактора времени).

Апробация работы. Основные положения диссертации были представлены на первой (2002 г.) и второй (2004 г.) научно-практической конференции Министерства транспорта России «Морские и речные порты России. 2002 и

2004», в журнале «Речной транспорт» №4 за 2007 г., на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов Московской государственной академии водного транспорта.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 6 печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, основных выводов и заключения, списка литературы и приложений. Диссертация содержит 124 стр., 12 таблиц и 30 рис., 10 приложений, библиографический список включает 78 наименований.

Заключение диссертации по теме «Эксплуатация водного транспорта, судовождение», Сахненко, Маргарита Александровна

Выводы, полученные в процессе выполнения работы

1. Анализ методов расчета строительных конструкций показал основное преимущество вероятностных методов для расчета эксплуатационной надежности эксплуатируемых перегрузочных комплексов, которое заключается в том, что результаты технического контроля и диагностики конструкций сооружений соответствуют их реальному состоянию и представляются в виде статистических параметров.

2. На основании разработанной автором методики вероятностного расчета пролетного момента в шпунте лицевой стенки причала, получена возможность определить параметры распределения максимального момента для дальнейшего расчета надежности конструкции.

3. Некоторые ограничения метода линеаризации функции не всегда могут быть выдержаны и, поэтому в работе использован метод статистических испытаний (Монте-Карло). Для достижения необходимой точности расчета в работе определено число статистических испытаний.

4. Автором установлено, что вероятность безотказной работы сооружения изменяется во времени от воздействия на шпунтовую стенку случайных факторов (в первую очередь коррозии металла).

5. Поскольку нормативным методом расчета в настоящее время является расчет по предельным состояниям, то автором исследована изменчивость во времени коэффициент надежности и произведена идентификация коэффициента надежности с учетом фактора времени.

6. Полученные расчетом детерминистического уравнения значения коэффициента надежности не соответствуют показателю гарантии неразрушимости, для эксплуатируемых конструкций причалов типа больверк из металлического шпунта. Начальное проектное значение коэффициента надежности не соответствует тому значению, которое по нормативным показателям должно закладываться в расчетах. Однако значение коэффициента надежности нормативное соответствует сроку службы сооружения и вероятности безотказной работы близким к предельным показателям потери прочности и устойчивости, которые соответствуют величине 1.15 коэффициента надежности для сооружений 3 класса по нормативным документам. Что же касается вероятности безотказной работы, нормативное значение, которого соответствует завышенному значению коэффициента надежности, то необходимо найти предельную границу вероятности безотказной работы и нормировать ее для анализа поверочных расчетов эксплуатируемых конструкций с учетом времени.

7. По данным исследований диссертационной работы в настоящее время, коэффициент надежности в расчетах детерминистических задач не может быть принят как показатель надежности, потому как не дает оценки надежности конструкции, что очень важно для расчетов эксплуатируемых конструкций. Следует принять, коэффициент надежности равный 1.15 как предельное значения износа конструкции, а в поверочных расчетах использовать расчетное значение коэффициента надежности, которое и будет достоверным с учетом доверительных границ.

Новые сведения, факты обнаруженные в результате исследований данной работы

1. Необходимо в дальнейшем исследовать коэффициенты используемые в расчетах методов предельного состояния и определить статус каждого из этих коэффициентов с учетом их статистической природы в расчетных формулах.

2. Собрать и изучить статистические данные по распределению и воздействию эксплуатационных нагрузок на причал.

3. Подробнейшего изучения требуют коррозионные явления металлических конструкций в различных условиях эксплуатации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе работы над диссертацией автором получены следующие результаты:

• Автором разработана методика получения параметров распределения пролетного момента в лицевой стенке причальной конструкции типа больверк из металлического шпунта.

• Определены изменения момента сопротивления от скорости коррозионного износа во времени для разных морских бассейнов; соответствующие изменения коэффициентов надежности и вероятности безотказной работы сооружения;

• Построена регрессионная связь коэффициента надежности и вероятности безотказной работы от срока эксплуатации причала.

• Произведена идентификация коэффициента надежности в сравнительных расчетах по предельным состояния и вероятностным методом с учетом фактора времени реализованных проектов причальных сооружений типа больверк из металлического шпунта.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сахненко, Маргарита Александровна, 2007 год

1. Аугусти Г., Баратта А., Кашиати Ф. Вероятностные методы в строительном проектировании Москва - Стройиздат - 1988г.-с.584.

2. Банков В.Н, Строгнн С.Г.Строительные конструкции

3. Москва Стройиздат - 1980г. - с 125-134.

4. Болотин В.В. Методы теории вероятности и теории надежности в расчетах сооружений Москва - Стройиздат -1982г. -с.279.

5. Берген Р.И., Дукарский Ю.М. Инженерные конструкции -Москва «Высшая школа» - 1982г. - с.11-38.

6. Буднн А.Я. Эксплуатация и долговечность портовых гидротехнических сооружений Москва , «Транспорт» - 1977г. -с. 171,201 -224,265.

7. Будни А.Я. Тонкие подпорные стенки Ленинград -Стройиздат 1974г. - с.-22,57,136,160.

8. Булычев А.А. Численно-аналитическое построение функции надежности в строительной механике.// Тезисы докладов 4-ой Всесоюзной конференции Москва - 1975г. - с. 298-316.

9. Бусленко Н.П., Голенко Д.И., Соболь И.М. и др. Метод статистических испытаний» (Метод Монте-Карло) Москва -ГосИздат. физмат, литературы - 1962 г. - с.11-18,46-93.,278-298.

10. Венцель Е.С. Теория вероятности Мобква, «Высшая школа» -1999г. - с.252-259, с.314-330.

11. Венцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория вероятности и ее инженерные приложения Москва, «Наука» - 1988 г. - е. 159184.

12. Давидович Н.И. Зависимость допускаемой эксплуатационной нагрузки на больверк от положения полосы загружения.// Труды ЛИВТ вып.124, Ленинград 1969г. - с.57-61.

13. Дривинг А.Я. Рекомендации по применению экономико статистических методов в расчетах сооружений с чисто экономической ответственностью— Москва ЦНИИСК - 1977г.- с.61.

14. Додж М., и др. Microsoft EXEL 2000 Санкт-Петербург -«Питер» - 2001г.

15. Езекнел М., Фокс К.А. Методы анализа корреляций и регрессий линейных и криволинейных Москва «Статистика» - 1966г. - с.4-12.

16. Знаменский Е.М., Сухов Ю.Д. О расчетах конструкций с заданным уровнем надежности «Строительная механика и расчет сооружений» - Москва - «Учебное пособие» - 1987г.-№2. - с.7-9.

17. Краковский М.Б. Учет условий надежности при проектировании Москва - Стройиздат - 1983г. - с. 178-194.

18. Краковский М.Б. Определение надежности конструкций методами статистического моделирования Москва -«Строительная механика и расчет сооружений» - 1982 г. - №2 -с.10-13.

19. Краковский М.Б., Шапиро Н.В. Проектирование конструкций с использованием методов оптимизации и надежности -Москва «Строительная механика и расчет сооружений» ,№11- 1988г. с.67-72.

20. Коровкин B.C. Изменение основного показателя надежности причальных набережных во времени. // Сборник докладов итезисов, Москва 2002г. -с.99-101.

21. Коровкин B.C. Универсальный метод расчета причальных набережных // Сборник докладов и тезисов Москва - 2002г. -с. 103-105.

22. Коровкин B.C. К оценке ресурса работоспособности эксплуатируемого причального сооружения // Сборник докладов и тезисов Москва - 2004г. - с.40-41.

23. Костюков В.Д. Надежность морских причалов и их реконструкция Москва - «Транспорт» - 1987г.- с.7-19, с.71-95.

24. Костюков В.Д. Вероятностные методы расчета запасов прочности и долговечности портовых гидротехнических сооружений Москва - «Транспорт» - 1979г. - с. 15, с.39-67.

25. Костюков В.Д., Уваров JI.A. Оценка надежности причальных сооружений Москва - «Транспорт» - 1984г. - с. 17-23.

26. Костюков В.Д., Карабутов Н.Н., Володина А.Ю. Портовые гидротехнические сооружения, Часть 3 Москва - МГАВТ -1999г.-с.103-112.

27. Костюков В.Д., Сахненко М.А.Проблемы нормирования запасов прочности и долговечности конструкций причалов в поверочных расчетах Москва - ЦДМУ МГАВТ - 2002 г. - с.81.

28. Кураев и Минц Надежность. Организация исследования, методы, математический аппарат Москва - Советское радио -1964г.-с.4-8.

29. Лужин О.В. Вероятностные методы расчета сооружений -Москва МИСИ им. Куйбышева - 1983г. - с. 122.

30. Лычев А.С. Вероятностные методы расчета строительных элементов и систем Самара - «Учебное пособие» - 1995г. -с.143.

31. Лычев А.С. Вероятностная оценка ресурса эксплуатируемой строительной конструкции и резерва ее прочности Москва -«Строительство» - 1996г. - с.8-27.

32. Лычев А.С. О применении закона нормального распределения Москва - «Вопросы надежности конструкции» - 1975г. - с.43-45.

33. Ляхницкий В,Е, н др. Портовые гидротехнические сооружения, ч.1. Ленинград Водтрансиздат - 1953 г. - с.624

34. Николаев Г.Н. ред., Справочник оп строительству портовых гидротехнических сооружений Москва - «Транспорт» - 1972 г. - с.260-280.

35. Нгуен Ban Ви Расчет причальных сооружений по теории надежности, Ханой «Транспорт» - (Министерство Транспорта Вьетнама) № 9 - 1996г. - с.77.

36. Овчинников И.Г. Математическое прогнозирование коррозии металлических элементов конструкции Москва - ВИНИТИ, вып. №2061, 1982г.-с. 15.

37. Оуэн Д.Б. Сборник статистических таблиц ВЦ АН СССР -1966г.

38. Отчет по теме И.5.4.2 «Проектирование и строительство гидротехнических сооружений морских портов» Москва -1986 г.-с.41.$

39. Павлов Ю.А. Расчет надежности железобетонных конструкций в неустойчивых областях распределений прочности и усилий -Куйбышев, Куйбышевский инженерно-строительный институт -1973г.-с.48-52.

40. Райзер В.Д., Сухов Н.Д. Теория надежности и концепция строительных норм Москва №5, 1996г. - с.59-61.

41. Райзер В.Д. Расчет и нормирование надежности строительных конструкций Москва - Стройиздат - 1995г. - с.24-32,282-335.

42. РД 31.31.27-81 « Руководство по проектированию морских причальных сооружений», Москва, В/О Мортехинформреклама- 1984г.

43. РД 31.31.35-85 «Основные положения расчета причальных сооружений на надежность», Москва, В/О «Мортехинформреклама» 1984г.

44. РД 31.31.38-86 « Инструкция по усилению и реконструкции причальных сооружений, Москва, В/О «Мортехинформреклама», 1987г.

45. РД 31.35.04-71 «Справочник укрупненных показателей стоимости капитального ремонта портовых зданий и сооружений, Москва, В/О «Мортехинформреклама» 1972г.

46. РТМ 31.3016-78/ММФ «Указания по проектированию больверков с учетом перемещений и деформаций элементов», Москва, ЦРИА «Морфлот» 1979г.I

47. Ржаницын А.Р. Теория расчета строительных конструкций на надежность Москва - Стройиздат - 1978г. - с.239.

48. Розанов Ю.А. Теория вероятностей, случайные процессы, математическая статистика Москва - «Наука» - 1985г. - с.24-29.

49. Романовский В.И. Элементарный курс математической статистики Москва, - Госпланиздат - 1939г. - с.218-309.

50. Самарин В.Ф. Портовые гидротехнические сооружения Москва- «Транспорт» 1992г.50. Самарин В.Ф.

51. Сахненко M.A. Вероятностный подход к расчету и нормированию строительных конструкций на надежность

52. Москва МГАВТ - 1999г. - с.37-40.

53. Сахненко М.А. Методы Монте-Карло и линеаризация функции в расчетах на надежность причальных конструкций типа «больверк» Москва - МГАВТ - 2000г. - с. 55-56.

54. Сахненко М.А. Регрессионный анализ запасов прочности в расчетах на надежность Москва - МГАВТ -2000г. - с. 60-62.

55. Сахненко М.А. Влияние корреляционного коэффициента на регрессионную связь детерминистического и вероятностного расчетов причальных сооружений на надежность Москва -МГАВТ - 2001 г. - с. 23-28.

56. Сахненко М.А. Учет фактора времени в поверочных расчетах причальных сооружений для расчета коэффициента надежности Сборник трудов Союзморниипроекта - Москва - 2002г. -с.144-152.

57. Сахненко М.А. Использование метода Монте-Карло при расчетах причальных сооружений Москва - МГАВТ - 2003г. -с.29-31.

58. Сахненко М.А. Анализ эксплуатационной надежности портовых причальных сооружений с учетом фактора времени. // Сборник научных трудов второй научно-практической конференции Министерства Транспорта РФ. Москва. -«Альтаир» МГАВТ - 2004г. - с. 14-18.

59. Сахненко М.А. Коэффициента запаса в расчетах предельных состояний.// Сборник научных трудов Московской государственной академии водного транспорта. Москва -МГАВТ - «Альтаир» - 2006г. - с. 19.

60. Сахненко М.А. Идентификация коэффициента надежности причальных сооружений типа больверк из металлического шпунта с учетом фактора времени. Журнал «Речной транспорта».- Москва - 2007 г., вып.№4. - с.79-81.

61. Слуцкий Е. Теория корреляции и элементы учения о кривых распределения Киев - 1921 г. - с.319-332.

62. Снарксис Б.И. К статистико-экономическому обоснованию запасов несущей способности конструкций // Труды АН Литовской ССР серия Б №2 с.29

63. СниП 2.01.07-85 Нагрузки и воздействия Москва - ЦИТП Госстроя - 1985г.

64. СниП 2.02.02-85 Основания гидротехнических сооружений -Москва ЦИТП Госстроя СССР - 1986г.

65. СН-РФ 54.1-85 Указания по проектированию причальных набережных Москва - Гипроречтранс -1991 г.

66. Соболь И.М., Метод Монте-Карло Москва - «Наука» - 1968г. - с.9-25.

67. Стрелецкий Н.С. Основы статистического учета коэффициента запаса прочности Москва - Стройиздат - 1947 г. - с.7-20.,70-74.

68. Стрелецкий Н.С. К вопросу развития методики расчета по предельным состояниям Москва - МИСИ - 1966г. - с.58.

69. ТУ 14-2-879-89 Технические условия Москва - ЦИТП1. Госстрой 1993г.

70. Торнтон Фрай Теория вероятности для инженеров Москва -Стройиздат- 1934г.

71. Цыкало.В.А. Остаточный ресурс причальных сооружений в морских портах //Сборник докладов и тезисов Москва - ЦДМУ МГАВТ - 2002г. - с.84

72. Цыкало В.А., Литвиненко Г.И. Физический износ причального сооружения типа больверк из металлического шпунта в морских портах России Москва, - МГАВТ - 2000г. -с.35-39.

73. Хан Г.,Шапиро С. «Статистические модели в инженерных задачах», Москва, Стройиздат 1980г.с.396.

74. Шихиев Ф.М., Орделли М.А., Цейтлин Г.Ю. Опыт строительства гидротехнических сооружений Москва -«Морской транспорт» - 1957г. - с.48-59.

75. Школа А.В. Проблемы надежности в строительном проектировании Свердловск - ЦНИИ строительных конструкций - 1972 г. - с.285-289.

76. Шпете Г. Надежность несущих строительных конструкций -Москва Стройиздат - 1994г. (перевод с немецкого Андреева О.О.) - с.56-61.

77. М. Ezekiel Methods of Correlation Analysis New York - 1930y. -p.233-240

78. Ranganathan Partical safety factors for RCC design Intern. J. of structures,-vol 8,№2,p 127-149 - 1988y.