Чем проще конструкция тем она надежнее

Конструкции теплиц. Как выбрать конструкцию теплицы

Форма теплицы может быть любой, но только в случае, если Вы делаете её своими руками или по индивидуальному заказу! Наличие 3-х популярных форм теплиц промышленного производства вызывает закономерный вопрос — какая форма теплицы из поликарбоната лучше? Какую теплицу выбрать — арочную, каплевидную, или классическую — домиком?

Рассмотрим достоинства и недостатки этих моделей.

Арочная теплица- достоинства

Теплица арочного типа, как понятно по названию, имеет свод — арку. Каркас делается металлопрофильным, с поперечными перемычками, придающими конструкции жесткость. Как правило, стены и кровля представляют собой одно целое. Арочная форма позволяет делать теплицы меньшей высоты, чем требуют конструкции с вертикальными стенами. Они лучше сопротивляются ветровым нагрузкам и, что самое важное, пропускают больше света внутрь помещения.

Чаще всего строятся арочные теплицы из поликарбоната. Этот укрывной материал имеет отличные эксплуатационные характеристики: не боится температурных перепадов, служит долго, неплохо сберегает тепло, хорошо пропускает солнечный свет. Первое, о чем надо сказать – это прочность конструкции. При правильном проектировании она будет выдерживать значительные ветровые, снеговые нагрузки. В регионах, где они высоки, обычно делаются двойные дуги каркаса. Это дает возможность избавиться от необходимости опорных столбов по центральной линии свода.

Арочные теплицы удобны в эксплуатации. Внутри используется вся полезная площадь, которая есть. Даже под стенами можно высаживать достаточно высокорослые культуры. Обслуживание этих парников очень комфортно, внутри вы не будете ни за что цепляться. Полукруглый свод позволяет удобно монтировать в теплице лампы освещения, инфракрасные обогреватели, дождевальные установки.

К плюсам надо отнести и следующее:

• малое количество швов укрывного материала, его экономия и простота монтажа;
• удобство установки фрамуг верхнего/нижнего проветривания, они устанавливаются в любую ячейку, образованную продольными и поперечными профилями;
• сводчатая форма кровли обеспечивает равномерный доступ солнечного света ко всем растениям;
• конденсат, образовывающийся на внутренних поверхностях арочной теплицы, не капает на посадки, а стекает по стенам;
• возможность легко и быстро добавить новые секции и сделать теплицу большей по длине.

Арочная теплица — недостатки

Размер арочной теплицы ограничен размером листа поликарбоната. Лист поликарбоната имеет размер 2,1 на 6 метров, поставляется он в свернутом виде. При монтаже теплицы эти 6 метров будут являться внешними стенками теплицы, а длина теплицы будет зависеть от количества листов. Высота теплицы при равномерном закруглении будет составлять около 2-х метров или чуть меньше. Ширина теплицы будет равна двум радиусам — около 4-х метров. При высоте в 1.9-2 метра, работать в такой теплице не особенно удобно. Но гибкость поликарбоната позволяет уменьшить ширину теплицы и увеличть её высоту. За счет этого часть стенки становится вертикальной и работаь становится удобнее. Арочная теплица мало подходит для выращивания неограниченных в росте растений; для них лучше конструкция со строго вертикальными стенами, как, например, у двухскатной теплицы-домика.

«Cтрелка» — достоинства

Теплица оригинальной формы, похожая на каплю воды, не только выглядит весьма привлекательно, но и обладает множеством преимуществ. Благодаря стрельчатой форме свода крыши, снег на ней не задерживается, поэтому покрытие теплицы не нуждается зимой в регулярном удалении снежной массы. Эта конструкция подходит для тех регионов России, где выпадает зимой много снега. К тому же свет отлично проникает в каждый уголок сооружения, растения получают вдоволь тепла.

«Cтрелка» — недостатки

Из недостатков у данной теплицы — большое количество деталей и соединений. Более сложная конструкция, по сравнению с арочной, требует более высокой квалификации собирающих, и чем больше соединений и чем сложнее конструкция тем больше вероятность выхода какой-либо детали из строя. Посмотрите на рисунки и почувствуйте разницу:

За счет стреловидности реальная ширина теплицы уменьшается, а за счет сложности конструкции цена на «стрелки» гораздо выше.

«Домик» — достоинства

Двускатная прямоугольная теплица с крышей на две стороны — традиционная форма отдельно стоящих теплиц. Она обеспечивает прекрасное освещение даже при пасмурном небе. Классическое сооружение хорошо выглядит: строгие прямые стены и треугольный верх. У классической формы теплиц основное преимущество в сочетании полезного объема со снегоустойчивой крышей. У классического варианта все стены находятся под прямым углом к земле. Угол наклона крыши в оптимальном диапазоне около 30-40 градусов и зависит от условий освещенности и особенностей климата в регионе – чем более снежные зимы, тем больше угол наклона.

Удобна двускатная теплица тем, что можно задать ей любую высоту конька. Высота крыши зависит от ширины самой постройки, которая очень вариабельна – от 2 до 5 м.

Двускатную теплицу можно сделать из поликарбоната и обойтись без фундамента. В ней легко смонтировать форточки прямо в крыше. В теплице домиком хорошо выращивать высокорослые сорта овощей и размещать их ближе к стенам, увеличивая полезную площадь теплицы. А в сравнении с арочной теплицей при равных ширине и длине, двускатная выше, в ней больший объем воздуха (он более равномерно нагревается и охлаждается).

«Домик» — недостатки

Плюсы теплицы не всегда компенсируют минусы – высокую стоимость, сложность строительства и существенные теплопотери, которые происходят через северную стену. Ее рекомендуют дополнительно утеплять панелями, но это тоже ведет к удорожанию обустройства.

Если теплица широкая и покрыта стеклом, то конструкция будет надёжной, только если она стоит на ровном фундаменте, кроме того возникает необходимость опорных столбов по центральной линии свода. Двускатная крыша предполагает монтаж усиливающих каркас раскосов. Последние могут создать неудобства при передвижении внутри постройки.

Теплица на фундаменте – это капитальная конструкция на много лет (гарантия на такие теплицы около 30 лет). Её не перенесешь по желанию на другое место сада, поэтому если вы вдруг решите провести перепланировку участка, придется учитывать положение теплицы. Если в процессе эксплуатации окажется, что теплица маловата, расширить или удлинить ее уже будет сложно.

Если теплица стеклянная, то в конструкции много стыков, а это неблагоприятно влияет на способность удерживать тепло. Компенсировать этот недостаток нужно с помощью резиновых прокладок в рамах.

Если же теплица из поликарбоната, то для монтажа будет больше расход материала, по сравнению с арочной. Еще одно серьезное замечание – для двускатных теплиц домиком желательно использовать поликарбонат толщиной не менее 6 мм, так как нагрузка на него больше, чем в арочных, где традиционно используют 4 мм.

Высокие теплопотери из-за ровной поверхности, которая будет отражать солнечный свет.

Решая вопрос, какая конструкция теплицы лучше, арочная, «домик» или «стрелка», для начала ответьте себе на такие вопросы: Для чего вам теплица, и что вы в ней собираетесь выращивать? Будете ли вы использовать зимой, или она нужна вам только на теплый сезон? Каких размеров вам нужна теплица? Каковы климатические особенности Вашего региона?

По большому счёту, важна не форма теплицы, а её надежность, удобство эксплуатации и разумная цена. Важно, из какого материала сделана конструкция, насколько правильно учтена её жесткость, толщина профиля и покрытия. Если Вы живёте в регионе с экстремальным климатом, обратите внимание на количество поперечных элементов каркаса, расстояние между арками или стойками, наличие дополнительных стяжек или усиление дуг.

У теплицы домиком обратите внимание на угол ската, если он не достаточно острый, снег не будет сползать. Если климат Вашей местности мягок, то Вам не нужна теплица, выдерживающая 700 кг снега на квадратный метр поверхности. С нашей точки зрения оптимальное сочетание цены и качества имеют арочные конструкции. Не зря эта форма теплиц является самой популярной.

ОПТИМИЗАЦИЯ И НАДЕЖНОСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Чемодуров В.Т., Литвинова Э.В.

Предлагается метод оптимизации строительных систем с учетом заданного уровня надежности их функционирования. Метод эффективен для задач, в которых вектор оптимальных параметров строительной системы принадлежит одной или нескольким функциональным ограничениям (прочности, жесткости, технологическим ограничениям). На практике такие задачи составляют существенное большинство проектных решений в области строительства. Главное достоинство данного метода заключается в том, что материальные затраты на производство строительной системы или ее элементов являются минимальными.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Чемодуров В.Т., Литвинова Э.В.

Оптимизация и надежность строительных систем
Методика оптимального проектирования строительных конструкций

Использование методов системного анализа в задачах оптимального проектирования строительных конструкций

Системный подход к мониторингу строительных объектов, работающих в сложных условиях эксплуатации
Расчет надежности оснований фундаментов по деформациям на стадии эксплуатации
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

OPTIMIZATION AND RELIABILITY OF BUILDING SYSTEMS

A new method for optimizing construction systems is proposed while taking into account the given level of reliability of their functioning. Proposed method is effective for problems in which the vector of optimal parameters of a building system belongs to one or more functional constraints. In practice, such tasks constitute a substantial majority. The main advantage of this method is that the construction costs for the production of the building system or its elements are minimal.

Текст научной работы на тему «ОПТИМИЗАЦИЯ И НАДЕЖНОСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ»

УДК 620.004.5; 35.073.5 10.37279/2519-4453-2021-2-110-117

ОПТИМИЗАЦИЯ И НАДЕЖНОСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ Чемодуров В.Т., Литвинова Э.В.

Академия строительства и архитектуры (структурное подразделение) ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского» 295943, г. Симферополь, ул. Киевская, 181; e-mail: Chens_mu1@mail.ru, Ellalit@mail.ru

Аннотация. Предлагается метод оптимизации строительных систем с учетом заданного уровня надежности их функционирования. Метод эффективен для задач, в которых вектор оптимальных параметров строительной системы принадлежит одной или нескольким функциональным ограничениям (прочности, жесткости, технологическим ограничениям). На практике такие задачи составляют существенное большинство проектных решений в области строительства. Главное достоинство данного метода заключается в том, что материальные затраты на производство строительной системы или ее элементов являются минимальными.

Ключевые слова: надежность, оптимизация, отказ, случайный характер величин, имитационное моделирование.

Надежность любой конструкции является по существу конструктивным параметром, который должен вводиться в систему на этапе проектирования. При проектировании любой конструктивной системы следует иметь в виду, что ее рабочие характеристики и параметры являются вероятностными по своей природе. Очевидно, что факторы, определяющие прочность элементов и действующие на них нагрузки, также являются вероятностными. Это означает, что при оценке показателей надежности на этапе проектирования необходимо учитывать вероятностный характер параметров системы.

В данной статье рассматривается подход к проектированию конструкции при заданных характеристиках надежности ее элементов. Однако характеристики конструктивной системы после ее создания могут ухудшаться постепенно с течением времени. Иногда только тонкая грань отделяет исправное состояние системы от отказа. Учет изменения характеристик надежности системы в период ее эксплуатации, а также восстановление надежности, являются теми вопросами, которые являются темами будущих исследований. На степень сохранения заданных уровней надежности системы влияет объем профилактического технического обслуживания. И если вопросы технического обеспечения уровней надежности системы предусматриваются, то они также входят в оценку надежности при ее проектировании.

Итак, уровень надежности системы должен устанавливается при ее проектировании, а реализуется данный уровень уже во время эксплуатации, то есть проявляется способность объекта выполнять свои функции в течение установленного срока службы. Реализация состояния объекта, при котором он не сможет выполнять свои функции, называется отказом.

На современном этапе развития науки проектирование любых конструктивных систем строится путем решения двух противоречивых задач. С одной стороны, система должна обладать высоким уровнем надежности, что требует дополнительных материальных затрат. С другой -обладать высокой экономичностью. Обе задачи вполне возможно объединить в одну, используя законы и методы системного анализа.

АНАЛИЗ ПУБЛИКАЦИЙ, МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДОВ

Традиционные методы расчета конструкций основаны на предположении о полной определенности в таких параметрах, как внешняя нагрузка, свойства материалов, геометрические размеры и форма проектируемого изделия [1]. Между тем, как было сказано выше, все эти факторы находятся под влиянием большого количества разнообразных причин, и поэтому в той или иной мере носит изменчивый характер. Так, все внешние нагрузки и механические характеристики материалов являются случайными. В меньшей мере проявляется изменчивость геометрических размеров и форм элементов конструкций. Случайных характер основных расчетных величин при традиционном методе расчета прочности сооружений учитывается при выборе коэффициентов

безопасности [1]. Однако дать однозначный ответ на объективность данного коэффициента довольно затруднительно. Его величина, как правило, зависит от большого числа испытаний, либо обработки статистического материала при реализации математических моделей отказа отдельных узлов. Наконец, путем экспертных оценок устанавливается его величина и вводится в руководящий документ.

До 90-х годов XX века действовали правила метода допускаемых напряжений, при котором основным требованием выполнялось следующее неравенство для любого волокна конструкции [2]

Здесь: [а] — допускаемое напряжение; о — напряжение в волокне, определяемое методами строительной механики; п — коэффициент запаса.

При таком методе проектирования работа строительных конструкций рассматривалась в упругой стадии деформаций, и не учитывались пластические свойства материалов. Также коэффициент запаса для всех конструкций из данного материала был одинаков, что не отвечало фактической работе комплексных материалов (железобетона и каменной кладке). В них бетон и арматура, кирпич и раствор имеют различные механические характеристики, поэтому с различной быстротой исчерпывают свою несущую способность.

Для учета работы материалов в области пластических деформаций перешли к методу проектирования по разрушающим нагрузкам [3 -5]. Данный метод стал использоваться для железобетонных конструкций с 1938 г., а для каменных с 1943 г. Данный метод требует выполнение следующего неравенства

Здесь: Рн — нормированное значение нагрузки; Ян — нормативное значение несущей способности (гарантированной прочности); п — коэффициент запаса.

Нормирование параметров расчета строительных конструкций получили дальнейшее развитие в методе предельных состояний [6-8]. Данный метод включен в строительные нормы и правила [2].

Введение метода предельных состояний позволило учесть специфику работы конструкций, фактическую изменчивость нагрузок и несущей способности. Использование данного метода предполагает наличие статистических данных по нагрузкам, механическим свойствам материалов и условий работы конструкции. Также в данном методе предусматривается учет выхода конструкции из строя. Здесь вводится понятие «обеспеченности» расчетных значений: для нагрузки — вероятность того, что она окажется меньше расчетного значения; для прочности конструкции -вероятность того, что она будет больше расчетного значения.

ЦЕЛЬ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

Обоснование оптимальных решений для определения надёжности строительных систем на основе критериев надежности, численные значения которых называются показателями (количественные или статистико-вероятностные характеристики) надежности. Сама же надежность объекта зависит от условий эксплуатации.

Основная задача — рассмотреть количественные характеристики, позволяющие сравнивать строительные системы по надежности, оценивать срок их службы, необходимое количество, частоту профилактических осмотров и ремонтов и т.п.

Формирование уровня надежности строительной конструкции происходит в процессе ее проектирования, изготовления и возведения. Во время эксплуатации конструкции этот уровень надежности реализуется. При этом проявляется способность объекта выполнять свои функции в течение установленного срока службы, которая называется надежностью. Реализация состояния объекта, при котором он не сможет выполнять свои функции, называется отказом.

Мерой надежности является вероятность безотказной работы за заданный срок службы Вероятностный подход к оценке надежности обусловлен тем, что внешние и внутренние воздействия на конструкцию, физические и геометрические характеристики элементов самой конструкции представляют собой случайные величины или случайные процессы

Рис. 1. Зависимость затрат от качества строительства:

а — затраты на строительство; б — затраты на обеспечение надёжности в процессе эксплуатации.

При проектировании строительных систем необходимо разрешить противоречие, которое связывает стоимость и эффективность конструкции. Эффективность строительной системы тем выше, чем выше уровень ее надежности, что соответствует длительной ее эксплуатации без особых текущих затрат. С другой стороны, соответствующий уровень надежности достигается за счет различных затрат на ее создание. Таким образом, увеличение материальных затрат на создание строительной системы снижает расходы на ее эксплуатацию. Снижение надежности приводит к отказам строительной системы и росту расходов на ее восстановление в процессе эксплуатации. Разумное удовлетворение данных противоречий приводит к принятию «целесообразного» уровня надежности конструкции. Данный «целесообразный» уровень надежности при предварительных исследованиях можно определить графическим путем, как показано на рис. 1.

При создании любого строительного сооружения необходимо обеспечить разработчика достаточным уровнем информации для обоснования решений. В зависимости от инструмента, с помощью которого получают нужную информацию, исследования делятся на теоретические и экспериментальные. Этим инструментом являются методы физического и математического моделирования. Сочетание теоретических и экспериментальных исследований, то есть физического и математического моделирования, позволяет наиболее рационально использовать априорную информацию (предыдущий опыт) и оперативную (текущую) информацию о выполнении принятых решений в качестве основы для принятия следующих решений.

Задача о показателях надежности, которые могут быть использованы при формировании требований к строительным конструкциям значительно сложнее. Такую задачу достаточно просто решить для какого-либо узла конструктивной системы. В действующих нормах основное расчетное требование для строительных конструкций формулируется в виде неравенства

Здесь Ир и Ер — расчетные значения несущей способности и нагрузочного эффекта.

В работе [9] предлагается оценивать вероятность отказа как вероятность реализации неравенства (1). Пусть /(д) — плотность распределения д. Тогда вероятность не разрушения конструкции в данном расчетном случае

Выражение (2) позволит дать разовую оценку вероятности отказа, например при проектировании. В теории надежности термин «отказ» означает, что система прерывает способность выполнить требуемые функции по прошествии какого-либо времени, то есть является функцией времени [10-11]

Здесь Т — случайная величина, обозначающая наработку до отказа; Q(t) — функция распределения наработки до отказа.

Вероятность безотказной работы или вероятность того, что невосстанавливаемая система будет выполнять требуемую функцию в заданный момент времени ^ можно записать в виде

Задачи (2) и (4) довольно легко решаются, если известны функции распределения несущей способности системы и нагрузки.

Обе задачи имеют большое значение при проектировании строительных конструкций. Важность задачи (4) заключается в том, что она позволяет устанавливать сроки восстановления назначенных функциональных способностей систем. Кроме того, позволяет организовать систему технического обеспечения системы с целью поддержания ее на заданном уровне работоспособности. Исходными данными для расчета отдельных узлов строительной системы

— функции распределения несущей способности и нагрузочного эффекта;

— среднее время наработки на отказ;

Все перечисленные исходные данные определяются на основе сбора и обработки статистических данных опыта эксплуатации однородных элементов.

Теперь обратимся к строительной системе в целом, состоящей из большого (если не сказать огромного) количества отдельных элементов.

На сегодняшний день существует несколько подходов к оценке надежности системы в целом. Один из них связан с поиском «горячих точек», то есть наиболее уязвимых элементов системы [9]. Другой метод связан с имитационным моделированием расчета надежности системы [10-11].

И в том и в другом случаях необходима кропотливая работа в процессе разработки имитационных моделей системы, состоящей из последовательно или параллельно соединенных блоков (элементов), которые имитируют реальную конструкцию.

Анализ надежности систем с помощью имитационных моделей представляет собой определенную форму предварительного анализа. Он используется для оценки возможного состава элементов на этапе проектирования и определения необходимых уровней надежности подсистем и элементов. По мере перехода проектирования на заключительные этапы может выполняться более детальный анализ.

Авторами предлагается способ оптимизации параметров строительной системы или ее элементов, учитывающий заданную вероятность их функционирования. То есть, предполагается решать одновременно две задачи и оптимизации параметров строительной конструкции и обеспечение заданного уровня ее надежности. Предполагается, что такой подход позволит создавать объекты со значительной экономией материальных ресурсов.

Общая постановка задачи линейного программирования имеет вид: найти минимум целевой функции (рис. 2)

при выполнении условий по функциональным ограничениям

и ограничениям по параметрам

После определения оптимального решения в детерминированной постановке х необходимо определить параметры распределения функциональных ограничений в области данного оптимального решения.

Рис. 2. Поиск оптимума в задачах с ограничениями по вероятности

Необходимо отметить, что случайные переменные, которые в сложных системах представляют наложение многих различных более или менее независимых причин, могут рассматриваться как сумма случайных переменных. Известно, что сумма произвольного распределенных случайных переменных приближенно распределена по нормальному закону, причем тем ближе, чем больше членов этой суммы (центральная предельная теорема). Это служит основой того, что многие статистические распределения при достаточном объеме выборки хорошо аппроксимируются нормальным распределением.

На втором этапе оптимизации необходимо уточнить функциональные ограничения (7), то есть

назначить новые границы оптимизационной задачи с заданной вероятностью их не нарушения. В этом случае необходимо провести статистический анализ ограничений (7), используя данные по статистическому разбросу характеристик прочности и нагружения. В новой постановке ограничения (7) примут вид

На рисунке 2 показана геометрическая интерпретация описанного метода для двух варьируемых параметров.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ АНАЛИЗ

Вопросы надежности элементов и систем в общей постановке изложены выше. Однако, учитывая структурную сложность элементов строительных конструкций и особенности их эксплуатации, для расчета надежности и эффективности сооружений требуются более подробные сведения о характеристиках надежности. Кроме того, существенным является сохранение численных значений показателей надежности сооружений, полученных при проектировании и возведении объектов. Эта задача должна возлагаться на систему обеспечения строительных сооружений.

Для анализа надежности систем сооружений все параметры, определяющие состояние конструкции в части надежности, целесообразно разделить на следующие три группы:

— неконтролируемые, неизменяющиеся во времени параметры; надежность по этим параметрам обозначим Рнкн;

— неконтролируемые, изменяющиеся во времени параметры; надежность этих элементов определяется так

где Янк — интенсивность отказов по неконтролируемым параметрам;

— контролируемые, изменяющиеся во времени параметры; надежность по этим параметрам представим так

где Як — интенсивность отказов по контролируемым параметрам.

Надежность за счет параметров первой группы является обычно следствием производственных просчетов в ходе изготовления элементов систем и их монтажа и неподвергающихся контролю (технологические формы узлов, элементов, нарушения и ошибки монтажа, установка неработоспособных непроверяемых в ходе эксплуатации деталей и тому подобное).

Наличие двух других групп параметров определяется практической невозможностью осуществить глобальный контроль, то есть охватить контролем все без исключения элементы, влияющие на надежность системы.

Процесс изменения уровня надежности во времени с учетом условий реальной эксплуатации наглядно иллюстрируются графиками (рис. 3), которые можно было бы принять в качестве модели надежности элементов строительных сооружений. Как видно из графиков, функция надежности имеет сложную структуру. Эксплуатация элементов строительных конструкций может быть представлена в виде ряда состояний, которые сменяют друг друга и отличаются в основном

интенсивностью отказов. На рисунке 3 условно показаны два характерных участка процесса эксплуатации: Ьэ — режим эксплуатации; Ьп — режим проверки системы на функционирование, характеризующийся повышенной интенсивностью отказов.

Рис. 3. Модель надёжности элементов строительных конструкций

Предполагая отказы по группам параметров независимыми, функция надежности для системы в целом P(t) может быть представлена следующими выражениями:

— с начала эксплуатации до контроля

P(t) = Рнк.н • РнкЮ • PK(t);

— после контроля для систем, оставшихся исправными,

ПО=Рнк.н^нка)^к(^пп), где tnn — время последней проверки.

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Из приведенных графиков можно сделать следующие два важных вывода.

1. Любая лишняя проверка на функционирование наносит потенциальный ущерб системе в смысле надежности из-за повышения интенсивности отказов при проверках по неконтролируемым параметрам.

2. Для невосстанавливаемых систем, если не предполагается замена неисправных элементов на новые исправные, проверки на функционирование не выгодны, так как это снижает долю исправных систем из-за повышенной интенсивности отказов при проверках и по контролируемым параметрам.

3. Имея графики снижения надежности во времени строительной системы в целом, либо ее подсистем имеется возможность осуществлять планирование мероприятий по всем видам обследований и восстановительных работ с целью поддержания системы в работоспособном состоянии Данные сроки проверки и восстановления, естественно, будут зависеть от заданного уровня вероятности безотказной работы системы и ее подсистем.

Количественный вклад контролируемых и неконтролируемых параметров в функцию надежности системы принято оценивать глубиной контроля определяемой выражением

Динамические модели являются естественным обобщением статических моделей. Для использования динамических моделей необходимо для каждой системы знать распределения наработки до отказа, а это означает, что требуется достаточно большой объем данных об отказах систем. Часто при использовании динамических моделей удобно принимать допущение о постоянной интенсивности отказов. Принятие этого допущения целесообразно в том случае, когда система при анализе не разбивается на слишком большое число мелких подсистем, так как крупные подсистемы, состоящие из многих элементов, во время эксплуатации имеют практически постоянную интенсивность отказов.

Такие свойства системы, как эксплуатационная готовность, удобство обслуживания, ремонтопригодность являются важными для анализа общей эффективности функционирования системы. Показатели, характеризующие эти свойства, зависят также от факторов, которые являются внешними по отношению к системе, например таких, как наличие запасных элементов, доступность средств ремонта, легкость ремонта.

1. Традиционные методы учета надежности конструктивных систем связаны с наличием достаточно большой базой данных по параметрам, имеющих случайную природу, или проведения многочисленных экспериментов. Кроме того необходимо доказывать те или иные виды распределений как прочности изделий, так и напряжений в них, которые возникают при нагрузках случайной природы.

2. Предлагаемый авторами метод конструирования строительных систем сочетает задачу оптимизации элементов конструкции и учет задания вероятности их функционирования в течение заданного времени.

При этом задача оптимизации решается в три этапа.

На первом этапе решается задача оптимизации параметров строительной системы в детерминированной постановке методами нелинейного программирования. При этом, одновременно, минимизируются материальные затраты на создание конструкций.

На втором этапе исследуется стохастическая модель системы с учетом случайного разброса параметров, имевших случайную природу. На этом этапе определяются параметры случайных функциональных ограничений в области оптимизированного решения, полученного на первом этапе, и формулируются новые функциональные ограничения, обеспечивающие заданную надежность конструкции.

На третьем этапе вновь в детерминированной постановке решается оптимизационная задача, но уже при новых ограничениях. Полученные при этом повышенные материальные затраты на создание конструкции в любом случае будут минимальны.

3. С целью поддержания строительных сооружений на высоком уровне надежности и долговечности необходимо совершенствовать систему технического обеспечения, для чего развивать как статическую, так и динамическую методики паспортизации объектов.

4. Материальные затраты на проектирование и возведение объектов, с одной стороны, и на их эксплуатацию, с другой должны быть глубоко обоснованы. Это обоснование представляется так же оптимизационной задачей и является методом исследования еще на этапе проектирования строительных сооружений.

1. СП 63.13330.2012. Бетонные и железобетонные конструкции. Актуализированная редакция СНиП 52- 01-2003. — М. Минстрой России — 2015. — 162 с.

2. ГОСТ 27751-2014. Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения. — М.: Минстрой России, 2014. — 26 с.

3. Ушаков, Игорь. ЖИВА ЛИ ЕЩЕ ТЕОРИЯ НАДЕЖНОСТИ? — Session 4. Reliability in Applications. — С. 188-199. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://www.tsi.lv/sites/default/files/editor/ science/Publikacii/RelStat_06/ed_session4_06.pdf.

4. Третьяков, А.М. Основы теории надежности: учебное пособие / А.М. Третьяков; Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. — Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2016. — 106 с.

5. Гнеденко, Б.В. Вопросы математической теории надежности / Б.В. Гнеденко [и др.]. -Москва: Радио и связь, 1983. — 376 с.

6. Голинкевич, Т.А. Прикладная теория надежности / Т.А. Голинкевич. — М.: «Высшая школа», 1985. — 16 с.

7. Острейковский, В.А. Теория надежности: учебник для вузов / В.А. Острейковский. — М.: Высшая школа, 2003. — 463 с.

8. Половко, А.М. Основы теории надежности, 2 -е издание / А.М. Половко, С.В. Гуров. -СПб.: БХВ -Петербург, 2006. — 702 с.

9. Райзер, В.Д. Теория надежности сооружений. Научное издание. — М.: Издательство АСВ, 2010. — 384 с.

10. Чемодуров, В.Т. Методы статистического оценивания в строительстве: учебное пособие / В.Т. Чемодуров, Э.В. Литвинова. — Симферополь: КФУ им. В.И. Вернадского, 2015. — 156 с.

11. Чемодуров, В.Т. Моделирование систем: монография / В.Т. Чемодуров, Э.В. Литвинова. -Симферополь: ИТ «АРИАЛ», 2016. — 236 с.

Экономнка crpoHTentcTBa u npnpogonont30BaHHH .№ 2 (79) 2021 r.

OPTIMIZATION AND RELIABILITY OF BUILDING SYSTEMS Chemodurov V.T., Litvinova E.V.

V.I. Vernadsky Crimean Federal University, Simferopol, Crimea

Abstract. A new method for optimizing construction systems is proposed while taking into account the given level of reliability of their functioning. Proposed method is effective for problems in which the vector of optimal parameters of a building system belongs to one or more functional constraints. In practice, such tasks constitute a substantial majority. The main advantage of this method is that the construction costs for the production of the building system or its elements are minimal.

Keywords: reliability, optimization, failure, random character of quantities, simulation simulation.

«Чем проще конструкция, тем она надежнее»: «Гидропресс» разрабатывает малый реактор ВВЭР-И

В ОКБ «Гидропресс» прошел семинар, посвященный атомной станции малой мощности с реактором ВВЭР-И. О характеристиках и потенциале установки рассказывает заместитель генерального конструктора, начальник отделения теплофизики «Гидропресса» Михаил Быков.

— В чем особенности конструкции этого реактора?

— Если коротко, ВВЭР-И — ​модульный реактор малой мощности интегрального типа с естественной циркуляцией теплоносителя.

В корпусе размещена активная зона, блок тяговых труб, модули парогенераторов и другие внутрикорпусные устройства. Теплоноситель с более высокой температурой и меньшей плотностью поступает из активной зоны в межтрубное пространство парогенераторов, там охлаждается и по опускному участку направляется обратно в активную зону, где разогревается, — ​и так по кругу. Циркуляция происходит только в корпусе. Высота расположения парогенераторов и активной зоны обеспечивает устойчивую естественную циркуляцию. Из парогенераторов перегретый пар давлением 3 МПа и температурой около 290 °C выходит за пределы корпуса реактора и поступает на турбину или циркулирует через теплообменники, обеспечивая теплоснабжение. Под интегральным исполнением реактора мы имеем в виду, что первый контур интегрирован в его корпус.

— Что это дает?

— Первое преимущество — ​сокращение количества оборудования, то есть реакторное отделение можно сделать компактным. Второе — ​исключение трубопроводов большого диаметра. Самый большой диаметр трубопроводов в ВВЭР-И с теплоносителем под высоким давлением — ​менее 100 мм. Поскольку трубопроводов большого диаметра нет, минимизируется состав систем безопасности. Отсюда третье неоспоримое преимущество — ​в проекте нет активных, запускаемых человеком систем безопасности.

Принцип модульности распространяется на весь реактор. В корпусе размещены семь модульных парогенераторов. Их просто обслуживать, ремонтировать и даже, если потребуется, заменять. Модульность реактора в целом заключается в принципиальной возможности разместить под одной гермооболочкой два-три реактора.

Тепловая мощность реактора в базовом исполнении — ​250 МВт. Но оценки показали, что без существенного изменения проекта, просто за счет увеличения высоты корпуса реактора на 1,5–2 м и модулей парогенератора мощность можно форсировать до 400 МВт. Так наше предложение заказчику расширяется.

— Первое упоминание ВВЭР-И появилось в 2015 году. Что изменилось с тех пор? Идея развивалась или ее решили пересмотреть?

— Проект на уровне концептуальных идей упоминался в 2015 году в приложении к сборнику «Вопросы атомной науки и техники» под названием «Современные проекты ОКБ «Гидропресс». К этим идеям мы вернулись в 2022 году, сохранив концепцию, но серьезно переосмыслив подход к реализации. Рассмотрели много предложений по конструкции реактора, остановились на проверенной временем технологии.

Корпус реактора похож на корпус ВВЭР‑1000, прослуживший уже более 1 тыс. реакторо-лет. В нем нужно было разместить парогенераторы и активную зону — ​возникла дилемма: теплоноситель должен омывать трубчатку парогенератора или, наоборот, второй контур организовать в межтрубном пространстве? Или такой вопрос: как создать тяговый участок для обеспечения устойчивой естественной циркуляции? Такие развилки и задачи возникали по многим аспектам. И здорово, что в работу с самого начала с азартом включилась молодежь. Смелые идеи тут же оценивали, просчитывали варианты, выбирали оптимальные решения. Конечно, опытные коллеги помогали, направляли, подсказывали. В совместной работе появилось техническое предложение реакторной установки ВВЭР-И. Я бы сказал, что она проработана даже серьезнее, чем того требует данная стадия. Сформировано техзадание на эскизный проект.

— Почему выбрали конструкцию с естественной циркуляцией?

— Обычная реакторная установка ВВЭР большой мощности способна на естественной циркуляции вытянуть более 10 % номинальной мощности, что подтверждают испытания. Это около 300 МВт тепловой мощности при не особо большой разности высот активной зоны и парогенераторов. Так почему не попробовать в том же корпусе получить почти ту же мощность, уменьшив гидравлическое сопротивление контура циркуляции и создав все условия, включая наличие чехловых кассет в активной зоне и блока тяговых труб, для обеспечения устойчивой естественной циркуляции? Попробовали, сделали CFD-модель (вычислительная гидродинамика. — «СР»), получили замечательные результаты. Не надо придумывать, как интегрировать циркуляционные насосы в корпус реактора, нет необходимости их питать, обслуживать. На мой взгляд, чем меньше сложного оборудования и проще конструкция, тем она надежнее.

— У «Росатома» уже есть РИТМ‑200, создается РИТМ‑400. Почему «Гидропресс» взялся проектировать с нуля ВВЭР-И?

— РИТМ‑200 и РИТМ‑400 — ​результат многолетнего труда наших коллег из ОКБМ им. Африкантова, гордость и дивизиона, и отрасли. Но и мы не хотим оставаться в стороне от бурного развития малой энергетики и предлагаем проект, который, на наш взгляд, можно лицензировать в кратчайшие сроки и по отечественной, и по зарубежной нормативной базе.

С учетом тренда зеленой энергетики, декарбонизации востребованы будут и РИТМ, и ВВЭР-И. Здоровая конкуренция полезна, и несколько различные технологические решения будут определять выбор проекта для конкретной площадки.

Пока мы работали над ВВЭР-И своими силами, но сейчас уже та стадия, когда требуется совместная работа генерального проектировщика и научного руководителя. Тогда появится облик АЭС, объем оборудования и систем, после чего уже можно делать выводы, в каких регионах и странах будет привлекательным предложение АСММ с ВВЭР-И.

— Каковы следующие шаги?

— Ведущие специалисты отрасли, приглашенные на семинар, высоко оценили проделанную работу, они заинтересованы в продолжении. Мы намерены в этом году двигаться к эскизному проекту РУ. Пора заразить энтузиазмом, которого у нас в избытке, и генерального проектировщика, и научного руководителя, и потенциальных заказчиков. Вместе мы способны создать экономически привлекательную, с большим экспортным потенциалом, удовлетворяющую всем современным требованиям безопасности атомную станцию малой мощности и еще больше укрепить лидерские позиции «Росатома» в этом рыночном сегменте. Надеемся, наш оптимизм поддержит руководство госкорпорации.

Виды крыш для дома: конструкции и покрытия

При планировании строительства одним из главных вопросов является выбор типа крыши. Ведь это несущая конструкция, и к ее установке необходимо подойти очень серьезно. Она должна быть надежной и безопасной и отвечать всем инженерным требованиям. В первую очередь крыша должна иметь высокую устойчивость к негативным воздействиям окружающей среды и возгоранию, обеспечивать зданию высокий уровень тепло и гидроизоляции, и, конечно же, гармонично вписываться в дизайн всего здания. Ну а материал кровли будет зависеть от бюджета, можно сделать недорогое покрытие или подобрать долговечные материалы по более высокой стоимости.

Типы крыш жилых зданий

Какую крышу лучше сделать? Многие владельцы индивидуального жилого строительства заблуждаются в этом вопросе, они считают, что кровельная конструкция должна иметь только высокую степень прочность и красивый внешний вид. Только этого, к сожалению, недостаточно.

Основные функции заключаются в хорошей защите от осадков и других погодных условий региона строительства, а также отвечать требованиям и нормам пожарной безопасности.

Вот несколько типов крыш, исходя из характеристик которых, можно приступить к подбору материала кровли:

• плоский тип – эта крыша подойдет для дома с террасой, а также для построек хозяйственного назначения;
• скатный тип– это один из самых популярных, он имеет несколько модификаций и может включать наличие дымохода, чердака и мансарды.

Скатные крыши подразделяются на:

• односкатные, где одна из плоскостей является опорой противоположной наружной стены неодинаковой высоты, проще сказать, она образует угол к горизонту;
• двухскатные – это обычные конструкции в виде равнобедренного треугольника, плоскости которого опираются на противоположные несущие стены одинаковой высоты;
• ломаные – это самые сложные перекрытия в плане монтажа, здесь скаты состоят из двух прямоугольников, расположенных под тупым углом;
• крестообразные – это комбинация из нескольких двускатных крыш, подходит для жилья с нестандартной планировкой, рекомендуется установка специалистом, иначе не исключены протечки;
• вальмовые – скаты в форме трапеций и треугольников;
• полувальмовые или голландские – с высокой защитой от ветра и осадков за счет торцевых скатов, не соединенных с карнизом;
• шатровые — еще одна разновидность, где все скаты изготовлены в форме треугольников, они тоже являются конструктивно сложными;

Для того чтобы правильно выбрать тип крыши, необходимо при строительстве учесть все нюансы возводимого жилья, его планировку, материал стен, погодные условия населенного пункта, и тогда она будет полностью выполнять все необходимые функции.

Как правильно выбрать крышу?

Декоративные свойства кровли тоже имеют немаловажное значение. Если взять дома малоэтажной застройки, здесь крыша занимает больше половины объема, а это значит, что ее внешний вид полностью определит архитектурную задумку.

Для коттеджей и особняков подходят высокие кровельные конструкции, чтобы в ней обустроить мансарду, а также это сделает жилье более презентабельным. Но и это не все, чем круче скаты, тем меньше снега и воды задерживается на крыше. Если в регионе преобладает ветреная погода, то такую крышу дополнительно усиливают мощными стропилами, либо отдают предпочтение плоскому типу.

Тип крыши напрямую зависит от бюджета застройщика Чем проще конструкция, тем она будет дешевле, если необходимо сэкономить, то стоит остановиться на плоском или односкатном варианте. Кстати, односкатная крыша не только финансово выгодная, она добавит жилой площади и позволит оборудовать дополнительную комнату.

Какая крыша лучше для дома с чердаком или мансардным этажом? Однозначно стоит возводить двускатный или шатровый тип. Намного дороже обойдется вальмовая крыша, но она лучше всего подходит для районов с постоянными сильными ветрами и обильными осадками. Ее установка требует руки профессионала.

Большое количество стройматериалов и высокая стоимость монтажа – это основные параметры при выборе ломанной и крестообразной крыши. Если перед началом работ правильно просчитать затраты, то эксплуатационный срок такой крыши будет продолжительным.

Устройство крыши

Какой бы ни была кровля дома, строение конструкции отличаться не будет, оно едино для всех типов. В нее входят следующие элементы:

• несущая конструкция, которая является «скелетом» всего сооружения, форма будет зависеть от типа, а состоит она из стропил и деревянных балок;
• сплошное или решетчатое основание для монтажа кровли, которое возводят из деревянных планок, расположенных на определенном расстоянии;
• тепло- и гидроизоляционная мембрана;
• материал кровли, по которым оставляют зазор для правильной вентиляции.

Выбор кровельных покрытий

Кровля считается верхним функциональным слоем крыши, который тесно контактирует с окружающей средой, принимая на себя все природные «удары»: мороз, дождь, град, снег, зной и ветер. А значит, она должна сочетать в себе высокопрочность и водонепроницаемость.

В строительных супермаркетах огромный ассортимент материалов для кровли крыши. Какой материал лучше выбрать зависит от бюджета, типа крыши и местности, где проходит строительство здания. Застройщик обязательно должен отталкиваться от следующих факторов:

• климатические условия;
• предназначение строения;
• срок эксплуатации материала;
• ценовой диапазон материала;
• уровень шумоизоляции и теплосбережения;
• трудоемкость монтажа;
• доступность обслуживания;
• декоративные функции.

Сложно дать объективный совет при выборе того или иного кровельного материала, ведь все вышеперечисленные факторы будут влиять на него в той или иной мере. И не секрет, что идеальных стройматериалов пока не создали. Если ограничен бюджет, то придется купить недорогую кровлю, которая будет относительно недолго служить. Если важна эстетическая составляющая, то придется изрядно потратиться.

Виды стропильных систем

Одна из важных частей крыши – это стропила, они должны быть максимально прочными, от этого зависит безопасность всего здания. Ведь вся нагрузка ложиться именно на эту конструкцию. Изначально это масса кровельного покрытия, затем давление снежного покрова и мощь порывов ветра. Какая крыша лучше выдержит все это, решат стропильные системы. Тем более их насчитывается два вида:

• висячие, их эффективность зависит от длины пролета;
• наклонные предназначены для пролетов до 6 метров длиной.

Без сомнений, крыша считается неотъемлемым элементом любого здания и сооружения. Именно она защищает целиком все жилое пространство от температурных перепадов, осадков и других погодных явлений. Поэтому ее нужно возводить с учетом всех инженерных требований, чтобы обеспечить человеку безопасное нахождение в посещении.