Проф. Спиридонов Э.С.

Теоретические расчеты к технологии оценки аварийных ситуаций технических систем в строительстве.

Тезисы.
Строительные системы являются сложными. Возникновение аварийных ситуаций и катастроф в строящихся или постоянных объектах приводят к значительным потерям и частым человеческим жертвам. Катастрофы происходят исходя из нарушения возведения конструкций, здания и строительных объектов, нарушения технологии, надёжности и организации ведения строительно монтажных работ. Технология катастроф рассматриваются в данной публикации. Приводится методика и расчётные формулы повышения надёжности и прочности строительных конструкций и методов их расчётов.

Строительные системы являются сложными, так как объединяют воедино технические, организационные и экономические факторы. Наиболее значимые с позиции аварийности, приводящими к катастрофическим результатам являются первые, это вызвано конструкционными характеристиками зданий и строительных объектов и наиболее значительных потерях при катастрофах.

Технология катастроф предусматривает поэтапное рассмотрение сценариев развития аварийных ситуаций, включая:

- нормальное функционирование потенциально опасных систем с контролируемым процессом накопления эксплуатационных повреждений с помощью встроенных систем диагностики;

- отклонение от нормальных условий эксплуатации с образованием допустимых, но контролируемых повреждений и диагностикой предвестников аварийных ситуаций;

- проектные аварийные ситуации с образованием опасных повреждений, дополнительных повреждающих факторов и оперативной диагностикой развития аварийных ситуаций;

- запроектные аварийные ситуации с переходом к катастрофическим состояниям, возникновением значительных контролируемых и неконтролируемых повреждений, с нарастанием действия повреждающих факторов (обусловленных предшествующими стадиями аварии), с ограниченной оперативной диагностикой аварийных состояний;

- гипотетические аварийные в катастрофические ситуации с крайне ограниченной информацией о возможных сценариях аварии, об экстремальных воздействиях поражающих факторов, о способности сопротивления несущих конструкций действию этих факторов.

При решении инженерных задач технологии катастроф используются:

- аналитические методы указанных выше теорий и дисциплин;

- численные методы (методы конечных элементов, конечных разностей, вариационные методы);

- экспериментальные методы (механические испытания образцов, моделей и натурных конструкций);

- комбинированные методы (сочетания аналитических, численных и экспериментальных)

2. В технологии катастроф наряду с рассмотренными выше поражающими факторами от аварий и катастроф техногенного характера должны в обязательном порядке рассматриваться поражающие факторы от природных катастроф. При этом для запроектных и гипотетических аварийных ситуаций следует рассматривать комбинированные варианты воздействия повреждающих факторов от природных, техногенных и природно-техногенных катастроф.

Расчетное обоснование безопасности несущих конструкций должно проводиться поэтапно с учетом непрерывного развития традиционных инженерных подходов;

- на прочность, жесткость и устойчивость (с применением методов сопротивления материалов);

- на прочность и циклический ресурс, долговечность (с применением методов теории много- и малоцикловой усталости);

- на прочность и временный ресурс- долговечность (с применением методов теории ползучести и длительной прочности)

- на динамическую прочность и ресурс (с применением методов динамики деформирования и разрушения);

- на трещиностойкость (с применением методов линейной и нелинейной механики разрушения).

Базовые соотношения механики катастроф в общем случае можно записать в виде.

{S_, R_T,N,P_, R_Ơ}=F{f^э(p^э_, t, N, T, Ф) t_Ơ

(Ơ_b, Ơ_t, Ơ_bt Ơ _-1, E, λ, H_B1 m, Ψ, K_lc) f₁ (l, a^Ơ_, F)} (1)

Где S – характеристика безопасности;

R_T.N –характеристика ресурса;

P – характеристики надёжности;

R_Ơ – характеристики прочности ( сопротивления разрушению);

f^э – функционал эксплуатационной нагруженности;

P^э – параметры эксплуатационной нагруженности в нормальных и аварийных ситуациях;

t – температура в данный момент времени;

N – число циклов нагружения;

T – время эксплуатации;

Ф – параметры полей физических воздействий (радиация, среда, магнитные поля);

F^Ơ – функционал физико-механических свойств конструкционных материалов;

Ơ_b – предел прочности;

Ơ_т – предел текучести;

Ơ_bT – предел длительной прочности;

Ơ _-1 – предел выносливости;

E – модуль упругости;

λ- коэффициент теплопроводности;

Н_в – твердость ( микротвердость);

m – показатель упрочнения в упругопластичной области;

Ψ_c – предельная пластичность материала;

K_lc – характеристика трещиностойкости;

f₁ – функционал конструктивных форм несущего элемента конструкции;

I – размер дефекта;

a_Ơ - теоретический коэффициент концентрации напряжений;

F – характеристика поперечного сечения в рассматриваемой зоне.

В соответствии с (1) при традиционных нормативных расчетах прочности для нормативных условий эксплуатации основным условием прочности оказывается

{ R_Ơ } = F { F^э ( p^э ) f_Ơ (Ơ_b1 Ơ_т1 Ơ_bt ) f₁ (F) } (2)

Это условие обычно записывается в форме

Ơ^э_n =f(p^э_max/F)≤[Ơ]_n={Ơ_b/n_b. Ơ_t./n_T. Ơ_bt/n_bt (3)

Где Ơ^э_n – номинальное напряжение от максимальных нагрузок р^э_max в нормальных условиях эксплуатации;

[Ơ]_n – номинальное допускаемое напряжение;

n_b. n_T. n_bt – запасы прочности (по пределу прочности Ơ_ь пределу текучести Ơ_т и пределу длительной прочности или ползучести Ơ_ьт).

Для расчетов прочности достаточными оказываются:

- методы сопротивления материалов, теории пластин и оболочек;

- данные стандартных механических испытаний конструкционных материалов.

Запасы прочности назначаются из обобщения опыта конструирования и эксплуатации с учетом ответственности конструкции. При этом выполняются соотношения {n_T≤ n_bt≤ n_b} для нормальных условий эксплуатации {n_T, n_bt, n_b} = {1.5÷3}.

Для аварийных ситуаций в первом приближении могут быть использованы соотношения (2), (3) с введением в расчет максимальных для данного момента времени t аварийной ситуации нагрузок p^э_{max t.} Характеристики свойств Ơ_ь , Ơ_т , Ơ_ьт выбираются для данного момента времени т, данной температуры t и скорости деформирования

Ơ^э_nt=f(p^э_{max T}/F)≤[Ơ]_nt={Ơ_b^t/n^t_b, Ơ_T^t,/n^t_T,/n^t_T, Ơ_bt^T/n^t_bT } (4)

Запасы прочности в аварийной ситуации могут быть снижены по сравнению с запасами в нормальных условиях эксплуатации по (3) и {n^t_T, n^t_bT, n^t_b}={1.1÷2.5}.

Для наиболее ответственных технических систем в дополнение к расчетам прочности по п.п. (2) – (4) проводятся расчеты ресурса – временного и циклического. На основе (1) можно записать

{R_T,_N, R_Ơ}=F{f^э(p^э t, N, _T, Ф)

f_Ơ(Ơ_b, Ơ_T, Ơ_bT, Ơ_-1, E, λ, H_b, m, Ψ)

f₁ (a_Ơ,F)} (5)

Как видим функционирование технических систем требует многофакторного анализа с позицией надежности работающих, что бы исключить катастрофы хотя бы одиночное так как они ведут к человеческим жертвам.