756

Б.В. Пыринов, А.Н. Яшнов, А.Н. Иванов

тренияпоконтактустеклопластиковыхлистовбылпринятравным0,55порезультатам контрольныхизмерений,выполненныхнадеталяхизстеклопластикамаркиСППС-240. Выполненные расчеты показали, что даже при меньшем диаметре высокопрочных болтовсоединениеобладаетзначительнобольшейнесущейспособностьювсравнении ссоединенияминаобычныхболтах.Впользувысокопрочныхболтовговориттакжетот факт,чтонесущаяспособностьболтоконтактаванизотропномматериаленезависитот направления действия усилия, в отличие от обычного болта, где несущая способность болтоконтакта поперек волокон армирования в несколько раз меньше.

Соединения на высокопрочных болтах работают за счет трения поверхностей соединяемых элементов. Давление на элементы для возникновения силы трения обеспечиваетсяпосредствомзатяжкиболтовнарасчетноеусилиеичерезголовкуболта (гайку) передается на шайбу и далее на элемент. Ввиду того что пултрузионный (однонаправленно армированный) стеклопластик имеет небольшое расчетное сопротивлениесжатиюпоперекармирующихволокон,необходимообеспечитьегонесминаемость под шайбой при натяжении болта на расчетное усилие.

Определение оптимальной формы и размеров шайбы выполнялось на основании решения контактной задачи по распределению нормальных напряжений в элементах одноболтового соединения в программном комплексе SolidWorks методом конечных элементов. Задача решалась в упругой постановке с использованием объемных конечныхэлементов,атакжесучетомтренияпоконтактнойповерхностишайбыиэлемента. Численноезначениекоэффициентатренияпоконтактуметаллическойшайбыистеклопластикового листа было принято на основании контрольных измерений равным0,35. Соединениесостоялоиздвухстеклопластиковыхлистовтолщиной10ммкаждый,двух шайб и гаек (в расчетной схеме цилиндры, очерченные по внешнемурадиусустандартных гаек под болт М10). К верхней гайке прикладывалась сила 38,24 кН (расчетное усилие натяжения высокопрочного болта М10), а нижняя гайка жестко закреплялась. Модель соединения в программе SolidWorks приведена на рис. 2.

Рис. 2. Расчетная модель соединения в программе SolidWorks

При условии равномерного распределения давления от головки болта по контактной поверхности шайбы и стеклопластикового элемента шайба при внутреннем диаметре 12 мм должна иметь внешний диаметр 45 мм. Равномерного распределения давленияпоконтактнойповерхностидобитьсяпрактическиневозможно,таккаксоединение имеет ослабление в видеотверстия, которое, безусловно, является концентрато-

71

ВестникСГУПСа.Выпуск28

ромнапряжений, атакже давлениеот гайки передается на ограниченной поверхности, определяемой размерами гайки.

Первоначальнотолщинашайбыбыланазначена10ммиставиласьзадачаполучить детальную эпюру нормальных напряжений по контактной поверхности.

Сжимающиенапряженияпоконтактнойповерхностинастеклопластиковомлисте составили: среднее — 30,6 МПа; максимальное — 82 МПа, возникающее в локальных местахповнутреннейкромкеотверстия;минимальное—15,2МПа.Эпюранормальных напряжений по контактной поверхности на стеклопластиковом листе приведена на рис. 3.

Рис.3.Графикраспределениянормальныхнапряженийпоконтактнойповерхности настеклопластиковомлисте

Из графика на рис. 3 видно, что напряжения по контактной поверхности на стеклопластиковом листе не имеют положительных значений, т.е. по всей плоскости контакта шайбы и листа передается сжимающее давление. Однако в краевых зонах контакта возникают большие сжимающие напряжения, превышающие расчетное сопротивление материала сжатию. Данные напряжения характерны для контактных задач, так как именно в краевых зонах происходит резкое изменение параметров соединения (край отверстия, край шайбы), что и приводит к резкому изменению напряжений. Ограничение краевых напряжений расчетным сопротивлением материала было бы не совсем верным, так как в конечно-элементных моделях передача напряжений(деформаций)осуществляетсядискретно,поэтомуполучаемыерезультаты имеют погрешности, и, как следствие, в отдельных точках (узлах сетки) возникают большиеперенапряжения.Дляболееточнойоценкиприанализеконтактныхнапряжений следует использовать интегральный анализ по интересующей нас области. Смысл данного анализа заключается в следующем. Для оценки величины перенапряжения отдельных участков вычисляется соотношениеобъемавсей эпюры контактных напряжений и объема эпюры, ограниченной расчетным сопротивлением материала. Данное соотношениенедолжно превышать коэффициент надежности по материалу, т.е. отношения нормативного сопротивления материала к расчетному. При достижении на отдельных участках предельных напряжений по контактной поверхности происходит перераспределение напряжений. За счет этого расчетная эпюра напряжений выравни-

72

Б.В. Пыринов, А.Н. Яшнов, А.Н. Иванов

вается и стремится к среднему значению по контактной поверхности. Данный подход может применяться только в том случае, когда среднее напряжение по контактной поверхности не превышает расчетного сопротивления. Таким образом, допускается перераспределение напряжений по контактной поверхности за счет перехода отдельныхзонвпластическоесостояние.Приэтомповсейзонеконтактадолжныдействовать сжимающиенапряжения,т.е.недолжновозникатьзонотлипания.Ввидуограниченногоколичестваданныхосвойствахстеклопластикаихарактереегоработыподдлительнойстатическойнагрузкой,сделанныепредположениятребуютобязательнойэкспериментальной проверки.

Примером, иллюстрирующим предлагаемую методику расчета давлений от шайб, может послужить используемый в проектировании расчет растянутого стеклопластикового элемента, имеющего концентраторы напряжений. Стандарт организации [3] допускает осреднение нормальных напряжений по сечению при расчете на прочность растягиваемыхстеклопластиковыхэлементовсослаблениями,расставленнымивсоответствии с рекомендациями [3, п. 4.9.12]. Для стеклопластикового элемента марки СППС-240 с размерами 650 150 10 мм и ослаблениями в виде сквозных отверстий диаметром12мм, расположенных нарасстоянии50 ммдруготдруга, среднеерастягивающее напряжение по ослабленному сечению составляет 98,8 МПа при воздействии растягивающей продольной силы в 124,4 кН. С целью анализа краевых напряжений в зонеослабленийбыловыполненоуточняющеерешениеданнойзадачисиспользованием метода конечных элементов. Расчетная схема элемента в программном комплексе SolidWorks приведена на рис. 4.

Рис. 4. Расчетная схема элемента в программе SolidWorks

Среднее напряжение в расчетном сечении 101,8 МПа при расчетном сопротивлении 98,8 МПа. При этом близ отверстий возникают максимальные напряжения около 255 МПа, а минимальные напряжения по краям элемента около 81 МПа. Отношение объема всей эпюры к объему эпюры, не превышающей расчетного сопротивления, составляет 1,98, что превышает коэффициент надежности материала при растяжении вдоль волокон армирования, равный 1,86. Детальная эпюра нормальных напряжений в расчетном сечении приведена на рис. 5.

Исходя из результатов выполненного расчета, можно сделать вывод, что при расчете соединения осреднение напряжений по контактной поверхности в первом приближении возможно при отношении объема всей эпюры контактных напряжений к объему эпюры, лежащей ниже уровня расчетного сопротивления материала, не превышающего коэффициента надежности материала при сжатии поперек армирующихволокон.

73

ВестникСГУПСа.Выпуск28

Рис. 5. Эпюра нормальных напряжений в расчетном сечении

По результатам выполненных расчетов соединений с учетом выдвинутых гипотез было установлено, что шайба стандартной формы при внутреннем диаметре 12 мм, внешнем диаметре 45 мм и толщине 5,5 мм имеет соотношение объемов эпюр 1,5, при коэффициенте надежности по материалу при сжатии поперек волокон 2,1. График распределения нормальных напряжений по контактной поверхности приведен на рис. 6.

Рис.6.Графикраспределениянормальныхнапряженийпоконтактнойповерхности настеклопластиковомлистепритолщинешайбы5,5мм

Расчеты соединений показали, что при стандартной форме шайб в зонах ослаблений стеклопластиковых элементов возникают максимальные напряжения как в продольном направлении (от действия продольной силы в элементе), так и в поперечном направлении (от натяжения высокопрочных болтов). Поэтому в настоящее время

74

Б.В. Пыринов, А.Н. Яшнов, А.Н. Иванов

ведется поиск конструктивных решений соединительных элементов для уменьшения сжимающих напряжений по краям отверстий от воздействия высокопрочных болтов.

Выполненные работы показали, что применение высокопрочных болтов в конструкциях из ПКМ вполне возможно и целесообразно, так как несущая способность соединений на высокопрочных болтах выше, чем на обычных и не зависит от направления действия силы. В ходе работ была подобрана необходимая толщина шайбы стандартной формы, а также выявлены некоторые недостатки таких шайб и намечены пути их устранения.

Приведенные в данной работе результаты и высказанные гипотезы планируется проверить экспериментально при проведении испытаний соединений стеклопластиковых элементов на обычных и высокопрочных болтах.

Библиографический список

1.Воробей В.В., Сироткин О.С. Соединения конструкций из композиционных материалов. Л.: Машиностроение,Ленингр.отд-ние,1985.

2.Keller Т. Overview of Fibre-Reinforced Polymers in Bridge Construction / Structural Engineering International.2002.№2.Р.66–70.

3.СТО39790001.03–2007.Пешеходныемостыипутепроводы.Конструкциидорожно-строительныеиз композитныхматериалов.Техническиетребования,методыиспытанийиконтроля.

B.V. Pyrinov, A.N. Yashnov, A.N. Ivanov. Development of Constructive Decisions for

ConstructionUnitsMadeofPolymericCompositeMaterials.

Inthearticlethereasonabilityofhigh-strengthboltsuseinconstructionjointsmadeofpolymeric compositematerialsisapprovedbythecomparisonofconstructionunitsonusualandhigh-strength bolts.Ahypothesisputsforwardtheanalysisofcontactstressesfromtensionofahigh-strengthbolt betweenametalwasherandafiberglasselement.Calculationofone-boltconstructionunitwiththe purposeofwashersshapeandthicknessdeterminationforhigh-strengthboltsM10aregiven.

Keywords:constructionunits,high-strengthbolts,washers,fiberglass,contactstresses.

75

ВестникСГУПСа.Выпуск28

Прибытков Сергей Сергеевич окончил СГУПС в 2002 г., фа-

культет «Мосты и тоннели». В 2006 г. защитил кандидатскую диссертациюнатему«Обоснованиенормативныхтребованийксодержаниюмостовогополотнанажелезобетонныхпролетныхстроениях с ездой на балласте».

Научные интересы — управление содержанием искусственных сооруженийна основе анализа их надежности иоценки рисков.

Е-mail: pss@stu.ru

УДК 624.21

С.С.ПРИБЫТКОВ

УПРАВЛЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИЕЙ ИСКУССТВЕННЫХ СООРУЖЕНИЙ

СИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОЛОГИИ УРРАН

Встатье рассматриваются вопросы управления эксплуатацией искусственных сооружений железных дорог на основе анализа надежности и оценки рисков. Основное внимание уделено проблеме расчета показателей надежности и подходам к оценке рисков, предложены пути решения этих задач.

Ключевые слова: искусственные сооружения, железные дороги, мост, надежность, оценка риска.

Стратегиейинновационногонаучно-техническогоразвитиякомпанииОАО«РЖД» определены целевые показатели эксплуатационной готовности объектов инфраструктуры и показатели снижения расходов на их эксплуатацию [1]. Эти цели в компании намерены достичь в том числе за счет внедрения методологии управления УРРАН — управления ресурсами и рисками на всех этапах жизненного цикла объектов инфраструктуры на основе анализа их надежности — и соответствующего программного обеспечения. В этой статье рассматривается один из возможных подходов к решению задач, связанных с эксплуатацией уже готовой инфраструктуры, с применением методологииУРРАН.

РазработкаметодологииУРРАНтребуетрешениячетырехкрупныхзадач.Первая— расчет показателей надежности ибезопасности (интенсивность отказов, средняя наработкана отказ, вероятность безотказной работы, среднеевремя простоя, коэффициент эксплуатационной готовности и др.). Вторая задача — анализ и оценка рисков. Третья задача — оценка стоимости жизненного цикла объекта инфраструктуры. И, наконец, четвертая — состоит в выборе оптимального решения из множества вариантов. Эти четырезадачитесномеждусобойпереплетеныивпроцессеуправленияэксплуатацией искусственныхсооруженийдолжнырешатьсяпостоянно,циклически,сперманентным обновлением исходных данных и уточнением целей. Попробуем далее разобраться, каким образом можно решать их по отношению к искусственным сооружениям.

Риск — сочетание вероятности события и его последствий. Поэтому первое, что необходимосделать—этовыполнитьидентификациюопасных ситуаций,определить вероятности их возникновения и оценить величину последствий. Далее необходимо сделатьвывододопустимостирискаипринятьрешениеодальнейшихдействияхпоего

76

С.С.Прибытков

оптимизации. Для идентификации опасностей, определения путей развития событий, приводящих к различным исходам, в том числе нежелательным или недопустимым, применяются различные методы. Российским государственным стандартом ГОСТ Р 51901–2002«Анализрискатехнологическихсистем»рекомендованынесколь- ко основных методов анализа риска:

•анализ дерева событий (ETA),

•анализ дерева отказов (FTA),

•анализ видов и последствий отказов (FMEA и FMECA),

•исследование опасности и работоспособности (HAZOP),

•анализвлияниячеловеческогофактора(HRA),

•предварительный анализ опасности (PHA) и

•анализструктурнойсхемынадежности(RBD).

В дополнение к этим методам стандартом предусмотрено использование и других методов,нацеленныхнарешениеспецифическихиузкихзадач,возникающихврамках анализарисков:

•выявление источников опасностей: общийанализ отказов;

обзор данных эксплуатации, анализ скрытых процессов;

•анализ частоты, моделирование последствий: методДелфи; метод Монте-Карло;

•ранжирование рисков, определение уровня риска: индексы опасностей; парные сопоставления;

классификациягрупприсковпокатегориям;

•оценкапоследствий, их воздействия наимущество, людейи окружающуюсреду: модели описания последствий.

КакойспособвыбратьдляоценкирисковэксплуатацииИССО?Выборподходящего способа необходимо делать с учетом того, что на железных дорогах эксплуатируется около85тыс.сооружений,которыеимеютмеждусобоймногообщего,новтожевремя характеризуются особенностями конструкции и условий эксплуатации, и это нельзя игнорировать.Индивидуальныйанализрисковдлякаждогосооружениятрудновыполним, поэтому необходимо отыскать решение, позволяющее в значительной степени автоматизировать этот процесс. Например, можно объединять сооружения и их элементы в группы по совокупности условий эксплуатации и конструктивных характеристик, выполнить анализ надежности и рисков для отдельных компонентов ИССО, составить анализ для сооружения в целом, а затем «встроить» сооружение в систему путевого хозяйства, определивграницы сдругими объектами инфраструктуры, оказывающими влияние на риски ИССО и, наоборот, подверженных влиянию со стороны ИССО. Подходящими методами анализа надежности и рисков для искусственных сооруженийявляются,нанашвзгляд,FTA,ETAиRBD,какнаиболееалгоритмизированные. Анализ дерева отказов (FTA) может быть использован в качестве инструмента выявленияпричинно-следственныхсвязейдляразличных видовотказов.Конечно,эти связи, большей частью, уже известны — есть инструкции по оценке технического состояния, инструкции по содержанию искусственных сооружений и различные руководства, где приведены соответствующие знания, но они не формализованы и про-

77

ВестникСГУПСа.Выпуск28

граммноеобеспечениенеможетснимиработать.Анализдеревасобытий(ETA)можно применить для выявления последствий отказов и связей между потерями и видами отказов.Всочетаниидруг сдругомрезультаты FTAиETAмогутдатьинформациюдля определениянаиболееэффективныхмерпоснижениюуровняриска.Анализструктурных схем надежности (RBD), в свою очередь, позволяет собрать воедино результаты анализа видов отказов элементовсистемы для того, чтобы оценить системув целом — структурные схемы позволяют представить как элементы системы с их взаимными связями, так и виды отказов элементов с их взаимными зависимостями. Используя структурные схемы, можно рассчитать показатели надежности системы — и искусственногосооружениявотдельности,иучасткапутивцелом,включаяземляноеполотно, ИССО, верхнее строение пути и другие инфраструктурные объекты.

Преждевсеговозникает проблемаидентификацииопасных ситуаций —определе- ния того, какиесобытия в эксплуатации сооружения могут привести к нежелательным последствиям. Учитывая имеющийся значительный опыт эксплуатации искусственных сооружений, можно на предварительном этапе для большинства ИССО указать следующие потенциально опасные ситуации:

•проходпоезда,

•пропускпаводка,карчехода,льда.

Куказаннымситуациямвопределенныхслучаяхмогутбытьдобавлены,например, воздействие сейсмической нагрузки, ветровой нагрузки, пропуск водного транспорта или автомобильного и железнодорожного подвижного состава по пересекаемому сооружениемпрепятствию.Конечныминеблагоприятнымисобытиямивовсех упомянутыхслучаяхмогутбыть:

•крушениепоезда,

•разрушение или потеря устойчивости элемента сооружения,

•ограничение скорости движения, запрет пропуска отдельных видов нагрузки, полное закрытие движения,

•другиесобытия.

Причиныэтихсобытий,какправило,заключаютсякаквнеисправностиотдельных элементовсооружения(т.е.отклоненияих параметровотпроектных значений),такив превышении нагрузками несущей способности элемента, а также ошибках персонала при проведении оценки технического состояния сооружения или производстве работ по ремонтуи текущемусодержанию.

Попробуемпроиллюстрировать сказанноевышенапримере. Допустим, в эксплуатации находится мост с железобетонным пролетным строением с ненапрягаемой арматурой.Мостовоеполотно—сездойнабалласте.Рассмотримразличныеэлементы мостового перехода сначала по отдельности.

Функция мостового полотна — обеспечение устойчивости пути и подвижного состававовремядвиженияпоездапомосту.Вкачествеконечногособытиядлясистемы мостовое полотно — поезд выступает крушение поезда. На рис. 1 изображено дерево отказов,накоторомпоказанынекоторыепричиныконечногособытия.Вкруглыхзнаках показанынеисправностиивоздействиявнешнейсреды,являющиесяисходнымисобытиями.Втреугольномзнаке«Последствия»показанодальнейшееразвитиедереваввиде дерева событий для анализа и оценки последствий крушения с помощью ETA.

78

С.С.Прибытков

Рис. 1.Дерево отказов мостового полотна

Пролетноестроениедолжнообладатьдостаточнойгрузоподъемностьюдляпропуска подвижного состава. Дерево отказов для плиты балластного корыта пролетного строения изображено на рис. 2. В качестве конечного события в этом дереве также выступает крушение поезда. Непосредственная причина — разрушение плиты — обусловлена сочетанием факторов: грузоподъемность плиты ниже интенсивности нагрузкиотпроходящегоподвижногосоставаприотсутствиисоответствующегоограниченияскорости.Снижениегрузоподъемностиплитыможетбытьвызваноцелымрядом причин — в том числе неисправностями и низкой по сравнению с обращающейся нагрузкой интенсивностью расчетной нагрузки (эти факторы обозначены круглыми знакамикакисходныесобытия).Кромеэтихпричиннагрузоподъемностьплитымогут повлиять ошибки при проектировании и строительстве — на рис. 2 это событие обозначеноромбомкакнедостаточноразработанное.Всвоюочередь,причинойотсутствия необходимого ограничения скорости может быть только человеческий фактор (допущена ошибка в расчетах, неверно оценено влияние неисправностей или же вообще неисправности не были обнаружены). И это следует отметить как еще одну особенность искусственных сооружений: единственным средством обеспечения безопасности сооружений в настоящее время являются надзорные мероприятия, а также своевременно и качественно выполняемые работы текущего содержания и ремонта (усиления,реконструкции).Тоестьбезопасностьмостовсущественнозависитотчеловеческогофактора.Вслучаеверныхдействийперсонала,последствияснижениягрузоподъемности плиты могут быть значительно смягчены за счет ограничения скорости движения поездов (рис. 3).

79

ВестникСГУПСа.Выпуск28

Рис.2.Деревоотказовплитыбалластного корытапролетного строения

80