Надежность зданий и сооружений

Эрозией называется невосстановимое и непроводящее изменение поверхности изделия, происходящее в результате утраты материала. Эрозия может быть равномерной, локализованной или древоподобной. Виды эрозии: водная, воздушная, ветровая, температурная, радиационная, электрическая, химическая. Прочность материала покрытия поверхностного слоя зависит:

- от вида материала поверхностного слоя;

- от толщины поверхностного слоя.

Для защиты поверхностных слоев используются пленочные материалы, наносимые с помощью каландрирования или методом напыления с последующим отверждением.

Экспериментальные зависимости для некоторых видов пленочных и лакокрасочных материалов приводятся на Рис.3.8.



Рис. 3.8. Изменение толщины покрытия материала (предельные значения) в течение времени экспозиции.

Из представленных диаграмм следует, что изменение толщины покрытия:

- является процессом случайным циклическим. Размах цикла зависит от вида материалов, толщины покрытия и способов нанесения покрытия (пленочное или лакокрасочное отверждаемые);

- зависит от скорости (нормальной и касательной) обтекания потоком поверхности изделия, концентрации абразивного вещества в потоке и влажности окружающей среды (степени запыленности воздуха среды). Концентрация абразивного вещества в среде зависит от температуры и влажности окружающей среды (наружной и внутренней):

- зависит от химических превращений в материале защитного покрытия (химического сродства).

Концентрация абразивного вещества в наружном воздухе определяется экологическими исследованиями района дислокации или рассчитывается для конкретного технологического процесса. Концентрация абразивного вещества внутреннего воздуха определяется санитарными нормами или расчетными характеристиками внутренних технологических процессов.

Скорости потоков на наружной и внутренней поверхности (нормальные и касательные) определяются аэродинамическим расчетом обтекания изделия или принимаются в соответствии с экспериментальными данными по распределению аэродинамических коэффициентов (действие нормального давления на поверхность).

Значение нормальной составляющей аэродинамической скорости в рассматриваемой точке изделия для турбулентного потока определяется соотношением:

(3.13)

где: - аэродинамический коэффициент в рассматриваемой точке изделия.

Значение касательной составляющей скорости на наружной поверхности определяется соотношением (подробно. НИР 4 [18]):

(3.14)

где: - кинематическая вязкость вещества потока;

- местные значения скорости потока в рассматриваемой или предыдущей точке потока;

- соответственно толщина турбулентного (Т) или ламинарного (Л) гидродинамического пограничного слоя (ГПС);

- значение форм фактора поверхности в рассматриваемой точке;

- абсцисса точки от границы обтекания изделия потоком.

Значение изменения толщины покрытия в результате химических реакций определяется соотношениями:

(3.15)

где: - химическое сродство;

- универсальная газовая постоянная;

- температура в ⁰К;

- скорости прямой и обратной химической реакции;

- скорость изменения прочностных характеристик (толщины покрытия) за время экспозиции;

- расчетное значение вероятности изменения прочности;

- время изменения прочностных показателей.

Значение химического сродства показывает уровень равновесия химических процессов в веществе. Для А =0 вещество находится в состоянии химического равновесия. Так как значение химических реакций зависит от температуры, то величина химического сродства является функцией температуры и, следовательно, рассматривается вещество в состоянии локального равновесия, т.е. имеет место неравновесная система.

Рассмотрим изменение химического сродства при постоянной температуре равной температуре, при которой изготавливается материал. Рассмотрим материал с покрытием PVF.

Рис. 3.9. Скорость изменения химического сродства А.

Скорость изменения химического сродства А оценивается выражением:

(3.16)

Из диаграммы следует, что состояние близкое к равновесию А=0 для данного типа материала наступает в интервале (8;15] лет. Отсюда следует, что оптимальный срок гарантии на материал должен быть равен 15 лет.

Из диаграммы следует, что состояние равновесия (сродство А=0) для рассматриваемого материала наступает при сроке экспозиции 27 лет.

Одним из составных необратимых процессов являются оптические и цветовые характеристики материала. Характеристики цвета влияют на спектральные характеристики (отражающую, пропускающую и поглощающую) и тепловые процессы в изделии.

Основными для материалов (композиционных и металлических с покрытиями) являются изменение энергии яркости, блеск (отражение видимого и невидимого частей спектра цвета).

Яркость и блеск являются поверхностными характеристиками материала, которые влияют не только на зрительские ощущения, но и длительную прочность материала.

Яркость характеристика светящихся тел, равная отношению силы света в каком-либо направлении к площади проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную этому направлению. В системе СИ измеряется в канделах на м².

Яркость, L, световая величина, равная отношению светового потока (светового потока ) к фактору геометрическому .

(3.17)

где: , - заполненный излучением телесный угол;

, - площадь участка, испускающего или принимающего излучение;

, - угол между перпендикуляром к этому участку и направлением излучения.

Из общего определения яркости следуют два практически частных определения:

- яркость, - отношение силы света элемента поверхности к площади его проекции, перпендикулярной рассматриваемому направлению:

(3.18)

- яркость, - отношение освещенности. Е в точке плоскости, перпендикулярной направлению на источник, к элементарному телесному углу, в котором заключён поток, создающий эту освещённость:

(3.19)

Из всех световых величин яркость наиболее непосредственно связана со зрительными ощущениями, так как освещённости изображений предметов на сетчатке пропорциональны яркостям этих предметов. В системе энергетических фотометрических единиц аналогичная яркости величина называется энергетической яркостью и измеряется в вт·ср^-1·м^-2 (ср - стерадиан, - единица измерения телесного угла, т. е. части пространства, ограниченного конической поверхностью (w = S' / r².))

Для покрытых материалов (металлических и композиционных) изменение прочности материала в функции энергии яркости оценивается методами статистической физики.

(3.20)

где: - вероятность изменения прочности материала вследствие изменения энергии яркости;

- изменение энергии яркости в течение интервала времени .

В качестве примера приведем некоторые экспериментальные зависимости, полученные для композиционных покрытых материалов.

Рассматриваются материалы светлых тонов с глянцевым покрытием лаками или пленочными материалами.

Данные изменения яркости могут быть перенесены на металлические покрытые лакокрасочными пленками материалы пропорционально отношению площади поверхности металлических конструкций к площади поверхности изделия.

Блеск, - качественная характеристика свойств поверхности, отражающей свет. Показатель блеска характеризуется изменением от стандартного угла отраженного светового луча. За стандартный угол принимается угол 60⁰.

Статистические характеристики показателя блеска (вероятность изменения блеска) покрытия описываются выражением:

(3.21)

где: - время эксплуатации и срок службы изделия;

- отношение функций стандартного угла и отраженного луча;

- угол наклона отраженного света.

Рис. 3.10 Вероятность изменения энергии яркости в функции изменения энергии яркости наружной поверхности за срок службы.

Экспериментальные зависимости вероятности изменения блеска в функции срока службы приводятся на Рис.3.11.

Рис. 3.11. Изменение характеристик угла отражения в функции срока службы.

Характеристика вероятности изменения угла преломления в зависимости от срока службы.

Рис. 3.12. Вероятность изменения блеска наружной поверхности материала в течение срока экспозиции изделия.

Изменение цвета защитной поверхности материала изделия под воздействием напряжения и факторов окружающей среды свидетельствует о начальной стадии старения изделия. Как правило, фиксируется только поверхностное изменение цвета или появление на поверхности муаровой сетки (появление и развитие поверхностных трещин с заполнением пылью окружающей среды). Изменение цвета также происходит вследствие температурных, химических или электрических воздействий. Изменение цвета является необратимым процессом, связанным с длиной монохроматической волны () и обобщенным показателем черноты (В) поверхности материала.

Рис. 3.13. Зависимость отношения длин монохроматических волн для цветного материала и материала черного цвета от отношения обобщенных показателей черноты цветного материала к материалу черного цвета.

Вероятность сохранения цвета материала можно выразить зависимостью:

(3.22)

Эта зависимость для основных монохроматических цветов может быть представлена в виде Рис. 3.14.

Рис. 3.14. Зависимость вероятности сохранения цвета от отношения длин волн, рассматриваемого цвета к длине волны черного цвета.

Рассмотрены случайные необратимые процессы, связанные с воздействием сред на систему и не связанные с воздействием массовых сил и тепловым воздействиям.

К таким процессам относятся (по мере воздействия, начиная с процесса изготовления):

- химические превращения в материалах изделия;

- воздействия внешней и внутренней среды в виде:

- коррозионных процессов любых видов;

- эрозионных процессов;

- контактных химических реакций и превращений;

- изменение оптических характеристик (яркости, блеска, цвета);

- циклические температурные и влажностные воздействия и т.д.

Кроме этих процессов протекают процессы, связанные с усталостными напряжениями в поле циклических воздействий массовых сил.

Случайные (по характеру проявления и величине) необратимые процессы являются независимыми процессами, к действию которых можно применить закономерности статистической физики.

Различают влияние необратимых процессов, происходящих в системах комплекса, и влияние необратимых процессов на элементы или подсистемы одной из систем комплекса. Для комплекса вероятность сохранения свойств составных (вероятность безотказной работы) систем может быть выражена зависимостью:

(3.23)

где: - вероятность безотказной работы комплекса;

- вероятность безотказной работы системы комплекса.

Для каждой отдельной системы в свою очередь можно записать:

(3.24)

Выражение (3.24) может использоваться для описания изменений прочности материала системы совместно с выражениями изменения характеристик системы при длительном (в том числе, циклическом) действии силовых факторов и уровней состояния системы при мгновенном приложении внешних сил.

Остановимся на рассмотрении только тех систем, состояние которых непосредственно влияет на напряженно-деформированное состояние изделия. К таким системам, в первую очередь, относятся системы ограждающих поверхностей и системы поддерживающие. В составе систем обратим внимание только на характеристики силового слоя, который является определяющим для прочности системы. В этом случае учитывается вероятность изменения характеристик силового слоя, находящегося под действием защитных факторов поверхностных слоев. Отсюда только часть необратимых процессов может изменять работоспособность силовых слоев (относиться к прочностным характеристикам - деформативности). В то время как полные воздействия на систему в целом определяют изменение несущей способности во времени.

Для рассмотрения вопросов прочности обратимся к модели прочности материала изделия. Вопросы прочности традиционных видов материалов и изделий из этих материалов рассматриваются в соответствующих курсах материаловедения, теории упругости, поэтому не будем останавливаться на этих материалах. Поэтому в первом приближении ограничимся рассмотрением композиционных материалов, обладающих свойствами вязкоупругости.

3.2 Надежность систем с учетом необратимых процессов, вязкоупругих свойств материалов и системами инженерного обеспечения объектов строительного назначения

Надежность систем составляющих комплекс определена в соответствии со структурной схемой надежности систем НЕДИС диссипативной структуры.

При определении надежности систем, подсистем и элементов использовались:

- статистические характеристики систем и комплектующих элементов и оборудования;

- статистические характеристики нагрузок и воздействий случайного характера;

- приспособляемость систем, элементов и материалов к непрерывному дискретному изменению нагрузок и воздействий.

Случай №1.

Ограждающие поверхности в сооружениях, рассматриваемых вариантов, выполнены из материала:

- случай № 1:

AFM структуры PES+PVC+2/2AFC;

- случай № 2:

AFM структуры PES+PVC+2/2PVDF;

Коэффициент надежности по ответственности, принимается (требования СНиП 2.01.07-85*):

- для I уровня ответственности - более 0,95, но не более 1,2;

- для II уровня - 0,95;

- для III уровня - менее 0,95, но не менее 0,8.

Случай №1.

Рис.3.15. Изменение функционального коэффициента надежности, рассматриваемых вариантов по срокам службы.

Случай №2.



Рис.3.16. Изменение функционального коэффициента надежности, рассматриваемых вариантов по срокам службы.

Примечание: Вар. А.1 учитывает только потерю прочности ограждающих поверхностей.

Вар. А-2 учитывает потерю прочности + потери в покрытиях материала (эрозию лакового покрытия + потерю блеска + потерю яркости + изменение угла преломления + изменение спектральных характеристик и т.д.)

Окончание кривой графика по оси абсцисс соответствует сроку службы сооружения.

На Рис. 16-17 приводятся функциональные надежности ограждающих поверхностей рассматриваемых вариантов.

Замена тканевого материала в воздухоопорных сооружениях в пределах требуемых значений коэффициентов функциональной надежности (до величины 0,8) эффекта не приносит.

Вывод: воздухоопорные сооружения могут использоваться только для сооружений III класса ответственности.

В каркасных тканевых сооружениях замена материала не повышает класс ответственности сооружения в целом, но приводит к возможному увеличению срока эксплуатации в пределах требований для сооружений III класса ответственности.

Сооружения типа ИСТДм можно использовать в качестве сооружений i и II классов ответственности.

Для определения функциональной надежности комплекса необходимо рассмотреть совместную надежность работы всех систем в составе комплекса.

Информационная база по надежностям отдельных систем (без тканевых ограждений) приводится на Рис. 3.17.

Надежность комплектующих систем комплексов.

Рис.3.17. Исходная информация о надежности комплектующего оборудования СИО для рассматриваемых вариантов сооружений с учетом восстановления и регламентного обслуживания.

Примечание:

1. В расчете надежности СП и контурных, надежности шлюзов транспортных принято, что проектировщик учел изменение толщин вследствие коррозии металла по зонам эксплуатации;

2. В расчете надежности конструкций железобетонных и стилобата принято, что проектировщик учел требования по трещиностойкости элементов и зависимости структуры конструкции от эрозионных и коррозионных воздействиях среды, а также учел анизотропные характеристики материалов и их приспособляемость к климатическим воздействиям.

3. Характеристики надежности систем оснований считаются стационарными, т.е. исключается влияние осадков на физико-механические свойства оснований.

Зависимости составлены с учетом ресурсов, регламентных работ и замены оборудования, исчерпавшего ресурс без учета резервирования систем. Время восстановления условно растянуто на период кратный 1,3 года.

Надежность сочетаний режимов работы систем инженерного оборудования с учетом специфики сооружений по вариантам.

Рис. 3.18. Требуемая надежность систем инженерного оборудования с учетом специфики сооружений по вариантам.

Расчеты показывают обязательность наличия для сооружения воздухоопорного типа стационарной сети + автономный источник питания + АВР.

Расчеты функциональной надежности сооружений по вариантам, выполненных из AFM структуры PES + PVC +2/2 AFC (структура № 1).

Рис. 3.19. Функциональная надежность сооружений с тканевыми ограждениями рассматриваемой структуры № 1.

Абсцисса окончания кривой соответствует предельному сроку службы сооружения.

Вариант № 1 (воздухоопорное сооружение + стилобат) в пределах срока гарантии может быть отнесено к сооружениям III класса ответственности. За пределами гарантии (3 года) сооружение использовать в качестве обитаемого не рекомендуется (для материала рассматриваемой структуры).

Расчеты функциональной надежности сооружений по вариантам, выполненных из AFM структуры PES + PVC +2/2 PVDF (структура № 2).

Рис. 3.20. Функциональная надежность сооружений с тканевыми ограждениями рассматриваемой структуры.

Литература

1. ГОСТ 27751-88. Надежность строительных конструкций и оснований.

2. Под редакцией И.А. Ушакова. Надежность технических систем. Справочник. М., Радио и связь. 1985.

3. В.В. Болотин. Применение методов теории вероятностей и теории надежности в расчетах сооружений. М., ИЛ по С. 1971.

4. Ю.Л.Климонтович. Турбулентное движение и структура хаоса. М., Ком. Книга. 2007.

5. М.А. Леонтович. Введение в термодинамику. Статистическая физика. М.,Наука.1983.

6. СНиП 2.01.07.85*(2002). Нагрузки и воздействия (0тменен).

7. СП 20.13330.2011 (П3.1.11. Сфера)

8. DIN 4134-1983, DIN V ENV 1991-2-4=1996

9. F.G.Macher. Wind load on basic dome shapes. Proceedings of the ASCE. Oct. 1956.No ST5.

10. IASS. Recommendations for air supported structures. WG7. Madrid, 1985.

11. В.П.Поляков. Взаимодействие модели мягкой воздухоопорной оболочки с потоком воздуха. В сборнике Теория мягких оболочек. Издательство Ростовского университета. 1976.

12. Д.А. Бейлин. В.П. Поляков. О взаимодействии мягких оболочек сферической формы с потоком воздуха. Труды XII конференции по теории оболочек и пластин. Ереван. Издательство Ереванского университета.,1980, с138-143

13. А.Л. Гольденвейзер. Теория упругих тонких оболочек. ГИТТЛ. М.,1953

14. В.М. Никиреев, И.А. Даниляк. Расчет мягкой сферической оболочки на ветровую нагрузку. В сборнике Теория мягких оболочек. Издательство Ростовского университета. 1976.

15. Ю.Н.Работнов. Некоторые решения безмоментной теории оболочек. ПММ т.1, вып.5-6. ИПМ. М.,1946.

16. В.В.Поляков. В.П. Поляков. Мягкие оболочки (эксперимент, теория, эффективность, практика). Chiton.org.ru. 2005.

17. И.Р. Пригожин. Неравновесная статистическая механика. УРСС. М.,2007

Размещено на Allbest.ru