Метод силового пола

АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПРОВЕРКИ СЕЙСМОСТОЙКОСТИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Аспирант М.О. Чудотворова
Научный руководитель д.т.н., проф. В.В. Козляков
В работе представлен анализ методов исследования прочностных
свойств элементов крепления систем вентиляции на сейсмостойкость.
Обеспечение сейсмостойкости строительных сооружений и конструкций относится к области строительной механики и является обязательным
этапом проектирования и сооружения гражданских и промышленных объектов в регионах повышенной сейсмической активности. Перечень таких объектов включает жилые, общественные и административные здания, строительные сооружения промышленных предприятий, автомобильные дороги,
железнодорожные пути, мосты, дамбы, инженерные и бытовые коммуникации, сооружения жизнеобеспечения и пожаротушения в жилых поселках и на
предприятиях, резервуары, водохранилища и т.д.
Методы проверки и средства обеспечения сейсмостойкости строительных конструкций опираются на накопленный многовековой фактический материал по последствиям сильных землетрясений и опыт их предотвращения
или хотя бы минимизации, максимального снижения угрозы сейсмических
потрясений для жизни людей, продуктов их деятельности и окружающей среды. Обширная классификация методов проверки сейсмостойкости оборудования с учетом особенностей применения этих методов представлена на
рис.1.
Расчетное определение сейсмостойкости является обязательным этапом
при проектировании новых видов или модификаций существующих конструкций оборудования в сейсмостойком исполнении и является обязательным при проверке сейсмостойкости действующего оборудования, спроектированного без учета сейсмических воздействий либо в случае изменения
(ужесточения) исходных сейсмологических данных и нормативных требований [1-4].
Конечной целью расчетов на проектных стадиях является определение
(предварительная оценка) ответной реакции конструкции на внешнее сейсмическое воздействие: перемещений, ускорений, внутренних усилий, напряжений, упругих и остаточных деформаций, их сравнение с допускаемыми по
условиям прочности и устойчивости значениями.
Методы проверки сейсмостойкости оборудования
Метод «силового поля»
Спектральный метод
(СМ)
Испытания на вибростендах
Метод динамического
анализа (МДА)
Экспериментальные (лабораторные) методы
Построение расчетной модели и схемы
Расчетные методы
Линейно-спектральный
метод (ЛСМ)
Модельные испытания
Рис.1. Методы проверки сейсмостойкости оборудования
Важным этапом, во многом определяющим надежность и точность
дальнейших расчетов, является выбор расчетной модели и построение расчетной схемы.
Расчетной моделью оборудования при анализе сейсмостойкости называется динамическая система с конечным числом степеней свободы, максимально полно отражающая основные динамические свойства рассматриваемого объекта, по реакции которой на заданное сейсмическое воздействие
оценивается сейсмостойкость реальной конструкции. Расчетная схема представляет собой конкретную реализацию выбранной расчетной модели в виде
одномерного, двухмерного или трехмерного схематического изображения с
количественными геометрическими и физическими характеристиками элементов, линейными и нелинейными связями и т.д.
Принимаемые расчетные модели определяются конфигурацией и конструкцией рассматриваемого изделия, опорных конструкций и присоединенных трубопроводов с их ближайшими опорами или подвесками, наличием и
характером нелинейных элементов и связей. Для трубопроводных систем используются линейно-стержневые и пространственно-стержневые модели и
схемы с распределенными и сосредоточенными массами, упругими и нелинейными связями. Для различного оборудования корпусного типа (теплообменники, фильтры, арматура, баки, вентагрегаты) используются как многомассовые стержневые (линейные или пространственные) модели, так и оболочечные модели с применением метода конечных элементов.
Рис. 2. Расчетная модель крепления вентилятора радиального
В качестве примера на рис. 2 представлена расчетная модель крепления
вентилятора радиального, представляющая собой оболочечную систему с
присоединёнными массами, граничными условиями и нагрузками.
После разработки расчетной модели необходимо определение расчетных значений форм колебаний и собственных частот колебаний оборудования. Расчет на сейсмостойкость выполняется по одному из трех методов.
Статистический метод расчетов заключается в приведении сейсмических нагрузок к статической нагрузке с помощью эмпирических коэффициентов по формуле (1):
(1)
где
m – масса оборудования, кг;
– исходный коэффициент сейсмичности;
– коэффициент, характеризующий тип расчетного землетрясения (
для ПЗ,
для МРЗ);
– коэффициент балльности (для 6 баллов
, для 7 баллов
, для 8 баллов
и т. д.);
– коэффициент высоты (отметки здания), где d – наименьший характерный размер фундамента в плане;
– коэффициент динамичности, определяемый по осредненным
расчетным кривым с относительным декрементом колебаний δ в качестве параметра,
при ν = 4÷10 Гц, δ = 0.
Линейно-спектральный метод (ЛСМ) основан на методе приведения
системы с N степенями свободы к N эквивалентным системам с одной степенью свободы с суперпозицией их колебаний. Инерционные сейсмические
нагрузки определяются при помощи спектров ответов на отметках установки
оборудования при заданном значении коэффициента затухания колебаний
(или декремента колебаний δ).
Метод динамического анализа. При проведении динамического анализа вынужденных колебаний конструкции используются акселерограммы
основания (опор или мест закрепления) рассматриваемого изделия.
Динамический анализ конструкции, представленной в виде системы с
конечным числом степеней свободы N, в том числе нелинейных систем при
одинаковой закономерности кинематического возбуждения опор, выполняется методами численного интегрирования систем дифференциальных уравнений вида:
(2)
где:
– матрица масс (инерция),
– матрица демпфирования,
– матрица жесткости,
R – суммарный вектор диссипативных сил внутреннего неупругого рассеяния и реактивных сил, представляющих собой сумму реакций дополнительных нелинейных связей системы (демпферов, амортизаторов, упругих
упоров с зазорами – так называемых включающихся связей), элементов сухого трения и т. п.,
– вектор направляющих косинусов углов между обобщенными
координатами системы и направлением сейсмического воздействия.
Расчетные методы проверки сейсмостойкости имеют ряд ограничений:
 расчетные схемы не могут в полной мере воспроизвести все детали
и элементы сложного оборудования в их динамической взаимосвязи;
 собственные динамические характеристики (прежде всего, частоты
и декременты колебаний) проверяемого изделия зависят не только от его конструкции, конфигурации и материалов, но и от всех взаимосвязанных с ним
элементов – опорных и несущих конструкций, трубопроводной обвязки, теплоизоляции;
 недостаточны для определения работоспособности оборудования
при сейсмических воздействиях, т.е. для определения функциональных характеристик конструкций с подвижными элементами качения, вращения и
линейного перемещения.
Все вышеперечисленные проблемы могут быть в той или иной степени
решены только экспериментальным путем.
Метод силового пола. В лабораторных условиях исследования могут
проводиться при силовом воздействии на оборудование, раскрепленное на
жестком фундаменте или специальной жесткой горизонтальной платформе, с
помощью разрывных растяжек, ударных устройств, специальных домкратов,
вибраторов.
Такой метод испытаний получил в специальной литературе название
«метод силового пола». Разновидностью метода силового пола является метод силового поля с использованием для раскрепления испытываемого оборудования, помимо фундамента, жестких вертикальных стен или рам, имитирующих вертикальные несущие конструкции и позволяющих проводить испытания оборудования в трёхмерном пространстве.
Испытания на вибростендах. Существенно более широкое распространение в лабораторной практике специализированных НИИ получили испытания на специальных вибростендах (виброплатформах).
В различных странах созданы и функционируют многие сотни вибростендов различной конструкции, в широких диапазонах грузоподъемности,
максимальных ускорений и количества компонент воздействий.
Модельные испытания. В своё время широкое распространение получили модельные испытания на вибростендах уменьшенных моделей как отдельных видов технологического оборудования (в том числе реакторов с их
внутренними компонентами), так и особо сложных систем.
ВЫВОДЫ
Недостатками расчетных методов являются:
 достоверность результатов весьма ограничена;
 расчетные схемы имеют индивидуальный, субъективный характер и
различаются от разработчика к разработчику в тем большей степени, чем
сложнее по количеству и разнообразию элементов и по пространственной
конфигурации обследуемая система.
Лабораторные полномасштабные (в меньшей степени - модельные) испытания отдельных единиц оборудования либо фрагментных сборок на вибростендах или другими средствами динамических испытаний (силовой пол,
силовое поле) необходимы, прежде всего, для проверки работоспособности
механизмов и элементов вращения и перемещений во время и после землетрясений. Такие испытания позволяют также оценить правильность выбора
расчетных схем и внести необходимые коррективы. В то же время необходимы и динамические прочностные расчеты, для разработки и изготовления
оборудования и создания новых энергоблоков, не обеспечивают необходимых гарантий сейсмостойкости оборудования и технологических систем в реальных условиях.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ананьев А.Н., Казновский С.П., Казновский П.С., Лебедев В.И., Чеченов Х.Д. Сейсмическая безопасность атомных станций. – М.: МГТУ им.
Н.Э. Баумана, 2011. – 230 с.
2. Бирбраер А.Н. Расчет конструкций на сейсмостойкость. – СПб.:
Наука, 1998. – 255 с., ил. 70.
3. РДЭО 1.1.1.11.0000 – 2011 «Методика подтверждния динамических
характеристик систем и элементов энергоблоков АЭС важных для безопасности».
4. Встовский Г.В., Казновский П.С., Казновский А.П. Спектральный
метод определения механических колебаний по результатам динамических
испытаний. // М., «Заводская лаборатория. Диагностика материалов». 2008,
№6. Том 74. С. 55-62.