Авторы: С.Ю. Трутаев, В.А. Земляничкин, В.И. Баженов (АО «ИркутскНИИхиммаш»).

Опубликовано в журнале Химическая техника №9/2015

Рассмотрены методы, применяемые АО «Иркутск-НИИхиммаш» при оценке фактического состояния строительных конструкций зданий и сооружений промышленных предприятий в рамках проведения экспертизы промышленной безопасности.

Неотъемлемой частью процесса обеспечения промышленной безопасности на объектах нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств является обследование строительных конструкций (СК) зданий и сооружений (ЗиС). Как правило, такое обследование выполняется в рамках проведения экспертизы промышленной безопасности (ЭПБ) ЗиС в соответствии с требованиями Федерального закона РФ 116-ФЗ [1]. Основной задачей ЭПБ ЗиС является оценка возможности безаварийной эксплуатации объекта с учетом фактического состояния СК, имеющихся дефектов и фактически действующих нагрузок, в том числе особых.

Повышение качества ЭПБ ЗиС – это комплексная задача, решение которой связано с использованием передовых методов обследования СК и применением расчетно-экспериментальных методов, предусматривающих компьютерное моделирование работы ЗиС в реальных условиях эксплуатации.

В последние годы АО «ИркутскНИИхиммаш» совместно с АО «Ангарская нефтехимическая компания» активно работает над совершенствованием подходов к расчетно-экспериментальной оценке фактического состояния СК ЗиС, в том числе эксплуатируемых в условиях интенсивных динамических воздействий. Так, для определения фактической нагруженности тех или иных конструктивных элементов ЗиС при вибрационных нагрузках предложен расчетно-экспериментальный метод оценки напряженнодеформированного состояния СК, сочетающий комплекс натурных инструментальных измерений с последующей автоматизированной их обработкой [2].

Рассматриваемый метод определения фактического динамического напряженно-деформированного состояния СК основан на конечно-элементном моделировании ЗиС с последующей идентификацией. При этом исходными данными для идентификации служат синхронные записи вибрационных перемещений отдельных точек ЗиС в пространстве.

В целом предлагаемый метод аналогичен методу оценки напряженно-деформированного состояния трубопроводных систем нефтеперерабатывающих производств, эксплуатируемых в условиях вибрационных воздействий [3, 4]. Построение идентификационной модели ЗиС основано на том, что поле фактических вибрационных перемещений упругой системы с N степенями свободы, может быть аппроксимировано полями перемещений, соответствующими собственным формам колебаний системы. При этом задача идентификации решается из условия минимизации отклонений значений расчетных вибрационных перемещений от значений перемещений измеренных.

Пусть в результате измерений выявлена частота колебаний здания θ и в m точках здания измерены амплитуды динамических перемещений Di, i = 1, 2,…m. Отметим, что в одной точке здания могут быть измерены перемещения по различным направлениям. Такие измерения в дальнейшем приравниваются к измерениям в разных точках. Вектор m измеренных перемещений обозначим как {D∗}. Пусть по результатам динамического расчета здания по пространственной расчетной схеме были найдены несколько первых форм колебаний.

Расчетные перемещения, соответствующие k-й форме колебаний по направлению i-го измеренного перемещения, обозначим как Φi,k. Вектор всех расчетных перемещений, соответствующих k-й форме колебаний, обозначим как {Φk}. Совокупность всех mΦ векторов {Φk}, участвующих в построении идентификационной модели, обозначим как [Φ]. Введем mΦ обобщенных перемещений dk, k = 1, 2,… mΦ. Совокупность всех mΦ обобщенных перемещений dk обозначим как {d}.

Тогда вектор перемещений {D}, рассчитанный по идентификационной модели, будет определяться как {D} = [Φ]{d}. (1)

Невязку между расчетными и измеренными перемещениями обозначим как {R}, т.е. {R} = {D∗} – {D} = {D∗} – [Φ]{d}. (2)

Идентификация по методу наименьших квадратов заключается в определении вектора обобщенных перемещений {d} из условия минимума суммы квадратов невязок узловых перемещений 2W.

Сумма квадратов невязок 2W = {R}T{R} = {D∗}T{D∗} – {D∗}T[Φ]{d} – {d}T[Φ]T{D∗} + {d}T[Φ]T[Φ]{d}. (3)

Дифференцируя формулу (3) по dk, k = 1, 2,… mΦ, получим систему mΦ уравнений с mΦ неизвестными:

решая которую, найдем искомый вектор обобщенных перемещений {d} [A]{d} = [Φ]T{D∗};……{d} = [A]–1[Φ]T{D∗}, (5) где [A] = [Φ]T[Φ].

В общем случае процесс расчетно-экспериментальной оценки напряженно-деформированного состояния ЗиС в рамках процедуры ЭПБ включает следующие основные этапы:

  • выполняется анализ технической и проектной документации, а также обследование СК ЗиС;
  • выполняется построение пространственной конечно-элементной модели ЗиС с использованием стержневых, оболочечных и объемных конечных элементов. Построение модели может быть выполнено в любом конечноэлементном комплексе, например в программе [5];
  • определяются частоты и формы свободных колебаний ЗиС и назначаются точки для измерения динамических перемещений;
  • в указанных точках измерений размещаются сейсмические/вибрационные датчики, коммутируемые с многоканальным сборщиком данных;
  • выполняется синхронный опрос всех размещенных в ЗиС датчиков;
  • на основе анализа полученных данных выделяются наиболее характерные частоты вынужденных колебаний ЗиС, и для каждой частоты решается задача идентификации (определяются формы фактических вынужденных колебаний на основе синтеза расчетных форм свободных колебаний);
  • по найденным фактическим формам вынужденных колебаний определяется фактическое напряженное состояние в СК ЗиС;
  • оценивается допустимость фактического состояния СК согласно предустановленным критериям.

Предложенный метод позволяет расчетным путем определять вибрационные напряжения в СК ЗиС на основе использования экспериментальных данных о поведении зданий во время эксплуатации. Метод в настоящее время успешно применяются специалистами АО «ИркутскНИИхиммаш» в рамках ЭПБ ЗиС в целях обеспечения безаварийной эксплуатации основных фондов предприятий нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств.

Список литературы

  1. Федеральный закон №116-ФЗ от 21.07.1997 (ред. от 02.07.2013). О промышленной безопасности опасных производственных объектов. 1997.
  2. Трутаев С.Ю., Безделев В.В. Расчетно-экспериментальный метод оценки напряженно-деформированного состояния конструкций зданий при землетрясениях//Строительная механика и расчет сооружений. 2014. №1 (252).
  3. Трутаев С.Ю. Расчетно-экспериментальные методы оценки технического состояния трубопроводов, подверженных вибрации. Практическая диагностика. Т. 3. Новые объекты и методы диагностики/Под ред. А.М. Кузнецова. Иркутск: Изд. ИркутГТУ. 2009. С. 274–324.
  4. ГОСТ Р 55431–2013. Системы трубопроводные. Расчетноэкспериментальный метод оценки динамического напряженнодеформированного состояния. 5. Безделев В.В., Буклемишев А.В. Программная система COMPASS. Руководство пользователя. Иркутск: Изд. ИркутГТУ, 2000.