КЛ Спец констр МК

матеріали пропонують критерієм економічної оцінки якості проекту вважати мінімум наведених витрат. Таким чином, застосовувані критерії ефективності будівельних конструкцій, як правило, відносять до однієї з двох основних груп: фізичні (мінімум маси або об'єму; рівноміцність елементів конструкції; максимум сприйманого навантаження, заданий рівень надійності тощо); економічні (мінімум наведених витрат, мінімум вартості в справі; мінімальна трудомісткість виготовлення й монтажу; мінімум експлуатаційних витрат і т.д.).

Прагнучи створити конструкцію оптимальною, необхідно визначити сукупність засобів та дій, необхідних для досягнення поставленої мети. Зараз склався науковий напрям, який називається дослідженням операцій, що займається пошуком шляхів для досягнення поставленої мети /6/. При цьому, кожне операційне дослідження проходить наступні основні етапи: постановка задачі; побудова математичної моделі (формалізація); пошук і ухвалення рішень за допомогою методів математичного програмування; аналіз і практична реалізація знайденого рішення.

Отже, оптимальне проектування в сучасному трактуванні являє собою цілеспрямований вибір параметрів даної конструкції, що забезпечує якнайкращий результат за заданим критерієм. Цілеспрямованість вибору забезпечується формалізацією проектної задачі та застосуванням аналітичних або чисельних методів пошуку мінімуму функції. Вирішення задачі може бути уявлене таким чином:

- пошук екстремуму цільової функції fj (х1...,xn) при обмеженнях-нерівностях

-віднайдення безлічі активних обмежень, накладених на параметри оптимальної конструкції;

-дослідження впливу варіації обмежень на мінімум цільової функції;

-виділення області розв'язань, близьких до оптимального;

-перебирання дискретних вирішень і вибір з їх числа вирішень з якнайкращими показниками.

Віднайдення таких значень параметрів, які наближають цільову функцію до оптимального значення, є досить трудомістким етапом розв'язання. Становлять інтерес розроблені фахівцями в галузі математики методи, які об'єднуються терміном “ нелінійне програмування”. Ці методи дозволяють знаходити мінімум функції багатьох змінних в допустимій області, яка визначається обмеженнями на оптимізовані параметри. Для вирішення оптимізаційної задачі застосовуються методи можливих напрямів, лінійної апроксимації, штрафних функцій /7,8/. Методи можливих напрямів засновані на русі з однієї допустимої точки до іншої, яка має кращі значення цільової функції. До них належать алгоритми наведеного градієнта, проєкції градієнта ковзного допуску. Методи лінійної апроксимації засновані на заміні нелінійної цільової функції та обмежень на кожному кроці ітерації лінійними залежностями, шляхом розкладання нелінійної функції в ряд Тейлора до членів першого порядку. Тим самим здійснюється перехід до вирішення відомої задачі лінійного програмування. Найбільш успішно вказаний метод підходить для вирішення задач великої розмірності з помірним ступенем нелінійності. Велику групу утворюють методи, що

131

базуються на ідеї штрафних функцій. При цьому задача умовної оптимізації (з обмеженнями) перетворює на задачу або послідовність задач безумовної оптимізації (тобто без обмежень). Сутність методу полягає у тому, що будується штраф, заснований на обмежуючих умовах, який додається до цільової функції вихідної задачі. Порушення обмежень стає невигідним з погляду отриманої задачі безумовної оптимізації. Для вирішення задач безумовної оптимізації розроблені численні алгоритми, які можна поділити на методи: нульового порядку, що використовують тільки значення цільової функції; першого порядку, що використовують значення перших похідних; другого - використовують значення других похідних. Особливий інтерес становлять методи нульового порядку, перевагою яких є можливість задавати функцію як аналітично, так і у вигляді алгоритму. До цих способів вирішення відносяться методи покоординатного спуску, конфігурацій Хука-Дживса, обертальних координат Розенброка, деформованого многогранника Нелдера-Міда та ін. / 7,8/. Особливо успішно застосовується для оптимізації параметрів металевих конструкцій метод Нелдера-Міда, алгоритм пошуку якого полягає в побудові регулярного симплексу (многогранника) в просторі незалежних змінних і оцінюванні значень цільової функції в кожній з його вершин. Вершина, в якій значення цільової функції максимальне, проектується через центр ваги інших вершин в точку, яка використовується як вершина нового многогранника. При підході до точки оптимуму розміри многогранника зменшуються, пристосовуючись до рельєфу функції. Пошук завершується, коли або розмір симплексу, або різниця між значеннями функції у вершинах стають досить малими.

Для кількісної характеристики відхилення ухваленого рішення від оптимального використовується функція втрат. Функцією абсолютних втрат називається величина, яка залежить від ухваленого рішення і виражається формулою

де f0– цільова функція; х1*...xn* - параметри, що визначають ухвалене рішення; х1...xn

– оптимальні параметри.

Функція відносних втрат виражається у відсотках і дає наочне уявлення про близькість даного розв'язання до оптимального:

Ф (x1,...,xn) = f0 (x1,...xn) – f0 (x1*,...xn*) / f0 (x1*,...xn*). (18)

Основи вірогіднісно-оптимального проектування металевих конструкцій У роботах /9,10/ висловлені основні оптимізаційні підходи, які використовуються при

вірогіднісному розрахунку і проектуванні. При цьому як найбільш загальний підхід до вирішення вірогіднісно-оптимізаційної задачі пропонується для визначення мінімуму цільової функції вираз /10/

де С - сумарні очікувані витрати на зведення споруди і на відшкодування збитку від можливих пошкоджень і відказів; C0 - очікуване значення одноразових витрат на зведення конструкції; m - число різних видів відказів; U j t - очікувана швидкість накопичення збитку в результаті відказу j-го виду; e = ln(1+Eнп) - коефіцієнт, що враховує віддаленість витрат; t - час, відлічуваний від виготовлення конструкції; Т - термін служби споруди.

132

Проте часто для реалізації запропонованого виразу (19) відсутні як дані про можливий збиток від аварій споруд подібного виду (як прямих, так і непрямих), так і чітка регламентація можливих видів відказів. Тому можна запропонувати цільову функцію більш простого виду, коли мінімальні витрати на зведення споруди і підтримку його працездатності протягом всього терміну експлуатації будуть мати місце при мінімумі суми запасів показників надійності елементів, що складають конструкцію [4]

j 1i 1

де j = 1..k - число однорідних зон експлуатації конструкції; і = 1..m - число елементів,

що входять в j-ю зону експлуатації; - змінна, що зв'язує геометричні параметри елемента конструкції (наприклад, товщину ti,j) з вартісними показниками; (Т)- дійсне значення показника надійності і-го елемента, що входить в j-ю зону експлуатації, обчислене для терміну експлуатації Т; - нормативний рівень надійності елементів, що входять в j- ю зону експлуатації, при обмеженнях

де - допустиме значення різниці між дійсним і нормативним значенням показника надійності і-го елемента j-ї зони; - допустиме значення відхилення похідної dy/dt

відносно її мінімуму при порівнянні результатів розрахунку для l+1-ї і l-ї ітерацій.

Як оптимізаційна процедура може бути використаний узагальнений безпараметричний метод зовнішньої точки розв'язання дискретних мінімаксних задач, заснований на визначенні безумовного мінімуму допоміжної функції математичний вираз якої представлений в роботі /11/

k

де A j,i 2 - сума "зайвих" запасів надійності елементів конструкції. При

j 1 j,i

цьому початкове значення - нижня межа надійності конструкції, яка обчислюється за

n

формулою i , для групи n=9...12 найбільш напружених елементів;

i 1

j 1 j,i n,j

виконується вимога нормативної надійності.

Загальний підхід до вирішення викладеної задачі зводиться до виконання наступних пунктів:

1. Визначення первісного значення допоміжної функції для вихідного проекту за формулою (22).

133

2. Визначення градієнтів зміни допоміжної функції по вектору змінних проектування

{t}

функції, перераховуються значення похідних для нових значень t j,i l 1, при невдалому -

змінюється напрям пошуку.

4. Перерахунок значення нижньої оцінки допоміжної функції

Перерахунок здійснюється тільки за умови (21). Інакше нижня межа допоміжної функції залишається без змін і після виконання п.3 йде перехід до п.5.

5. Переобчислення значення допоміжної функції за формулою (22) при нових

значеннях.

Справедливість запропонованого підходу до оптимізації проектних вирішень може бути розглянута при розв'язанні показового прикладу у вигляді квадратної пластини (див. Рис.3). Як випадкові параметри в даному випадку розглядаються товщина і міцнісні властивості листового прокату. Зміна товщини елемента і пов'язаного з ним показника надійності за циклами оптимізаційного розрахунку для нормативного рівня надійності =

134

4.Лихтарников Я.М. Вариантное проектирование и оптимизация стальных конструкций-М.: Стройиздат, 1979.-319с.

5.Металлические конструкции. Общий курс: Учебник для вузов/ Под общ. ред. Е.И. Беленя.- М.: Стройиздат, 1986.-560с.

6.Деордица Ю.С., Нефедов Ю.М. Исследование операций в планировании и управлении: Учеб. Пособие.-К.: Выща шк., 1991.-270с.

7.Банди Б. Методы оптимизации. Вводный курс.-М.: Радио и связь, 1988.-128с.

8.Химмельблау Д. М. Прикладное нелинейное программирование.-М.: Мир, 1975.- 534с.

9.Райзер В.Д. Расчет и нормирование надежности строительных конструкций. - М.: Стройиздат, 1995. - 352 с.

10.Ржаницын А.Р., Снарскис Б.Й., Сухов Ю.Д. Основные положения вероятностноэкономической теории расчета строительных конструкций // Строительная механика и расчет сооружений. - 1979. - №3. - С. 67 - 71.

11.Бейко И.В., Бублик Б.Н., Зинько П.Н. Методы и алгоритмы решения задач оптимизации. - К.: Вища школа. Головное изд-во, 1983. - 512 с.

12.Мембранные конструкции зданий и сооружений: Справ. пособие: В 2 ч.- М: Стройиздат, 1990.

13.Левченко В.Н. Технико-экономические основы проектирования листовых металлоконструкций.- Донецк: ДПИ, 1986.- 92с.

14.Рекомендации по проектированию структурных конструкций.- М.: Стройиздат, 1984.-

303с.

15.Оптимальное проектирование пространственных решетчатых покрытий / В.Н. Шимановский, В.Н. Гордеев, М.Л. Гринберг.-К.: Будівельник, 1987.-224 с.

16.Шевченко Е.В. Совершенствование металлических конструкций опор воздушных линий электропередачи.- Макеевка: ДГАСА, 1998.- 123 с.

17.Горохов Е.В., Шевченко Е.В., Шаповалов С.Н. Оптимальное проектирование стальных конструкций воздушных линий электропередачи по критерию эксплуатационной надежности // Реконструкция промышленных зданий и сооружений: Передовой опыт научных исследований, проектно-конструкторских разработок, технологии и организации строительства /Под редакцией Е.В.Горохова.- М.: Стройиздат, 1988. – с.9-11.

18.Реконструкция промышленных предприятий. Т1.- М.: Стройиздат, 1990.- 591 с.- (Справочник строителя)

19.Долговечность стальных конструкций в условиях реконструкции /Е.В. Горохов, Я. Брудка, М. Лубинськи и др.: Под ред. Е.В. Горохова.- М.: Стройиздат, 1994.- 488с.

20.Горохов Е.В. Оптимальное проектирование металлических конструкций по критерию эксплуатационной надежности // Изв. ВУЗов. Сер. Строительство и архитектура.- 1987.- №4.

–с.9-15.

136

РОЗДІЛ 9. ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ДОВГОВІЧНОСТІ БУДІВЕЛЬНИХ

КОНСТРУКЦІЙ В КОРОЗІЙНИХ СЕРЕДОВИЩАХ

(автор д.т.н., проф. В.П. Корольов)

Ціллю розгляду питань теми є визначення засобів і методів забезпечення експлуатаційної надійності сталевих конструкцій при дії агресивного середовища.

1.Законодавча і нормативна основа при забезпеченні довговічності.

2.Класифікація степеня агресивності дії середовищ і режиму експлуатації

конструкції.

3.Контроль корозійного стану і оцінка несучої спроможності з урахуванням корозійного розв'язання.

4.Захист від корозії і відновлення захисних покриттів в процесі експлуатації.

1. Законодавча і нормативна основи при забезпеченні довговічності

У теперішній час металофонд конструкцій будівель і споруд складає понад 36 млн. тонн, із яких близько 75% несучих металоконструкцій експлуатуються в умовах середньо- і сильноагресивних середовищ. Проблема забезпечення надійності і довговічності конструкцій промислових і цивільних об'єктів є важливим елементом державної політики по організації і здійсненню нагляду за корозійним станом основних фондів, оцінкою технічного рівня засобів і методів протикорозійного захисту. Законодавчою базою для вдосконалення нормативно-методичного забезпечення заходів щодо продовження залишкового ресурсу є Укази Президента України “Про заходи щодо підвищення якості вітчизняної продукції”, “Про нейтралізацію загроз, обумовлених погіршенням екологічної і техногенної обстановки в країні”( 1420/98 від 31.12.98 року), Ухвали Кабінету Міністрів Україні №409 від 05.05.1997 р. „Про забезпечення надійної і безпечної експлуатації будівель та інженерних мереж”.

Складність розв'язання задач розробки аналітичного апарату розрахунку показників надійності будівельних металоконструкцій в корозійних середовищах вимагає використовування сучасних методів діагностики технічного стану при розгляді корозійної системи «Навантаження – Конструкція – Середовище» [1]. Нормативною основою для забезпечення довговічності є технічні вимоги, викладені у державних стандартах, будівельних нормах і правилах. Інтеграція вітчизняної нормативної бази із зарубіжними нормами здійснюється на основі міжнародних стандартів серії ISO 9000-1 9004-4, регламентуючих питання управління якістю в процесі проектування, виготовлення, монтажу та експлуатації. Аналіз відповідності вітчизняних і міжнародних норм проектування свідчить про необхідність вдосконалення структури і методів оцінки показників надійності і гарантованої довговічності протикорозійного захисту будівельних металоконструкцій.

За нашого часу назріла необхідність доповнення існуючих положень СНіП 2.03.11-85 «Захист будівельних конструкцій від корозії» і вимог стандартів, що регламентують забезпечення надійності розрахунковими критеріями, які встановлюють нормативні показники корозійної стійкості та довговічності.

Основними показниками довговічності будівельних конструкцій є такі:

137

корозійна стійкість, k [мм/рік], або ступінь агресивності середовища, А

[г/(м2рік)].

термін служби захисного покриття, Т3 [рік].

Залежно від складу початкових даних постановка задачі розрахунку будівельних металоконструкцій на корозійну стійкість і довговічність може бути визначена для двох розрахункових ситуацій:

визначення ефективності заходів первинного і вторинного захисту для заданого відношення резерву надійності на стадії проектування;

оцінка залишкового ресурсу конструктивних елементів з корозійними пошкодженнями під час експлуатації і реконструкції будівель і споруд.

Нормативні документи, що регламентують вимоги до протикорозійного захисту і оцінки показників довговічності:

СНиП 2.03.11-85 Защита строительных конструкций от коррозии.

СНиП 3.04.03-86 Защита строительных конструкций от коррозии.

Рекомендации по проектированию защиты от коррозии строительных металлических конструкций / ЦНИИпроектстальконструкция им. Мельникова, - М., 1988. – с.166 .

Пособие по контролю состояния строительных металлических конструкций зданий и сооружений в агрессивных средах, проведению обследований и проектированию восстановления защиты конструкций от коррозии (к СНиП 2.03.11-85) / Сост.: Голубев А.И., Горохов Е.В., Королев В.П. и др. М.: Стройиздат, 1989. – с.51.

ДБН 362-92 Оцінка технічного стану сталевих конструкцій виробничих будівель і споруд, що експлуатуються.

Нормативні документи з питань обстежень, паспортизації, безпечної та надійної експлуатації виробничих будівель і споруд / Затвердж. спільним наказом Держбуду та Держнаглядохоронпраці від 27.11.97 р. №32/288 і введені в дію з 1 грудня 1997 р.- Київ, 1997.- 145 с.

Сборник инструкций по защите от коррозии. ВСН 214-82 ММСС СССР. ПИ Проектхимзащита.

Инструкция по противокоррозионной защите строительных конструкций лакокрасочными покрытиями на заводах-изготовителях. ВСН 446-84. Минмонтажспецстрой.- Москва. – 1984. С 24.

СТ СЭВ 2440-80 Защита от коррозии в строительстве. Конструкции бетонные и железобетонные. Классификация агрессивных сред.

Питання довговічності будівельних конструкцій регламентуються діючими 125-тьма стандартами «Єдиної системи захисту від корозії і старіння» (ЕСЗКиС).

Корозійний знос конструкцій пов'язаний з можливістю протікання 3-х типів корозійного руйнування:

хімічного,

електрохімічного,

біологічного.

Основними напрямами підвищення довговічності конструкцій є:

дослідження кінетичних закономірностей протікання корозійних процесів,

розробка і застосування корозійностійких матеріалів,

138

упровадження ефективних засобів і методів протикорозійного захисту.

Раціональне конструювання і експлуатація будівельних конструкцій.

2.Класифікація ступені агресивності дії середовищ і режиму експлуатації конструкції

Агресивні середовища класифікуються за степенем інтенсивності дії:

неагресивні середовища k 0,05;

слабоагресивні середовища 0,05 k 0,1;

середньоагресивні k 0,5;

сильноагресивні k > 0,5.

Корозійний знос характеризується зміною геометричних характеристик перерізу і механічних властивостей матеріалу внаслідок взаємодії зовнішніх і внутрішніх чинників.

Зовнішні чинники корозійного руйнування включають:

Тривалість адсорбційного зволоження (Wкр>90%).

Тривалість фазового зволоження.

Концентрацію корозійно-активних компонентів.

Класифікація середовищ здійснюється залежно від категорії розміщення конструкції, зони вологості, групи газів і пилових виділень, рідких середовищ, встановлених у додатку 1

СНіП 2.03.11-85.

Внутрішні чинники включають:

хімічний склад і структуру сталі;

конструктивні і об'ємно-планувальні особливості розташування елементів;

вигляд і рівень напруженого стану;

тип і конструктивні особливості з'єднань;

стан поверхні.

За корозійною стійкістю, сталі діляться на 3 групи:

сталі звичайної корозійної стійкості (BСт.3, 09Г2С, 14Г2С та інш.);

сталі зниженої корозійної стійкості (09Г2, 14Г2);

атмосферостійкі стали (10ХНДП, 10ХСНД, 10ХДП).

За характером корозійного руйнування розрізняють:

загальну корозію;

рівномірну і нерівномірну;

місцеву.

Опір профілю корозійним діям характеризується коефіцієнтом суцільності перерізу:

в = А/0,383Р;

де А – площа перерізу (см2); Р – периметр профілю (см).

Чим більше А і менше Р, тим вище корозійна стійкість типорозміру профілю.

В середньо- і сильноагресивних середовищах не припускається застосування профілів із спарених кутів.

За характером корозійного руйнування розрізняють:

139

корозійне розтріскування внаслідок взаємодії розтягуючих напруг і агресивного середовища;

корозійну утому за наявності знакозмінних циклічних напруг;

контактну корозію при взаємодії різнорідних металів;

щілинну корозію, пов'язану із зростанням корозійного руйнування в конструктивних проміжках.

Оцінка степіня агресивності дії виробничих умов здійснюється для однорідних зон експлуатації конструкції.

Однорідною зоною є таке розташування об'єкту, при якому склад і інтенсивність дій на елементи будівельних конструкцій беруться як однакові. Характеристика дій встановлюється для найбільш несприятливого поєднання зовнішніх і внутрішніх чинників.

3.Контроль корозійного стану і оцінка несучої здатності з урахуванням корозійного розв'язання

Розрахунок на корозійну стійкість і довговічність з урахуванням заходів первинного захисту здійснюється за першою та другою групами граничних станів, пов'язаних із втратою несучої здатності і обмеженням надмірних деформацій (рис.1). Розрахунок показників довговічності пов'язаний з обмеженнями, що утруднюють нормальну експлуатацію в агресивних середовищах в результаті руйнування захисних покриттів (рис.2).

140