Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методы и приборы прикладной нестационарной теплометрии 11
1.1 Методы измерения тепловых потоков 11
1.1.1 Калориметрический метод 12
1.1.2 Жидкостно-энтальпийный метод. 14
1.1.3 Электрометрический метод 14
1.1.4 Резистивный метод 14
1.1.5 Термоэлектрические методы 14
1.1.6 Метод вспомогательной стенки 15
1.2 Классификация датчиков теплового потока 16
1.2.1 Одиночные датчики продольного типа 16
1.2.2 Батарейные датчики продольного типа. 17
1.2.3 Датчики поперечного типа. 20
1.2.4 Современные датчики теплового потока 21
1.3 Методы восстановления нестационарных потоков 28
1.3.1 Общие сведения. 28
1.3.2 Аналитические методы решения прямой задачи теплопроводности 28
1.3.3 Численные методы решения прямой задачи теплопроводности 30
1.3.4 Численно-алгоритмические методы решения 30
1.3.5 Экстремальные методы решения обратных задач 31
1.4 Влияние температуры и поверхностной плотности теплового потока на устойчивость тоннельных сооружений при пожаре 34
1.4.1 Особенности пожаров в тоннелях. Статистический обзор 34
1.4.2 Огнестойкость и огнесохранность 40
1.4.3 Системы противопожарной безопасности тоннелей 42
Выводы к первой главе 43
Глава 2 Метод восстановления плотности теплового потока при высокоинтенсивном воздействии пожара на поверхности конструкций тоннеля 44
2.1 Параметрическая идентификация модели нестационарного теплопереноса в датчике теплового потока 44
2.2 Оценивание в условиях неопределенности 49
2.3 Параметрическая идентификация с использованием цифрового фильтра Калмана 52
2.4 Неопределенность метода восстановления теплового потока 55
Выводы ко второй главе 58
Глава 3 Высокотемпературный датчик теплового потока и программный комплекс Heat Flow Inspector 60
3.1 Высокотемпературный датчик теплового потока 60
3.1.1 Описание и конструктивные особенности 60
3.1.2 Модель теплопереноса в датчике 62
3.2 Программный комплекс Heat Flow Inspector 67
3.2.1. Модуль связи с последовательным портом 68
3.2.2 Алгоритмы расчета 68
3.2.3 Архитектура программно-аппаратного комплекса 77
Выводы к третьей главе 80
Глава 4. Результаты исследований с использованием разработанных методов и устройств 81
4.1 Методика определения огнестойкости железобетонных конструкций 81
4.1.1 Методы прочностоного расчета 82
4.1.2 Расчет предела огнестойкости 85
4.2 Некоторые практические результаты выполненных исследований 87
4.2.1 Огнестойкость чугунных обделок тоннелей метрополитена 88
4.2.2 Огнестойкость железобетонной обделки тоннеля при различных тепловых воздействиях пожара 94
4.2.3 Пожар в двухпутном перегонном тоннеле метрополитена 103
4.3 Концепция теплометрической системы по оценке теплового влияния пожара на
конструкции тоннеля 119
Выводы к четвертой главе 121
Заключение 123
Список литературы
- Электрометрический метод
- Параметрическая идентификация с использованием цифрового фильтра Калмана
- Программный комплекс Heat Flow Inspector
- Огнестойкость железобетонной обделки тоннеля при различных тепловых воздействиях пожара
Введение к работе
Актуальность темы. Необходимость решения задач прикладной теплометрии — определения плотности теплового потока на поверхности исследуемого объекта — возникает различных наукоемких отраслях, в частности в авиационной, ракетно-космической и автомобильной технике, в энергетике и металлургии, теплотехнике, при исследовании многофазных потоков, обеспечении теплового режима различных объектов, в энергосберегающих технологиях и во многих других.
Отдельно следует отметить роль прикладной термо- и теплометрии при исследованиях процессов горения и воздействия пожаров на строительные конструкции, при экспериментальном определении противопожарных характеристик оборудования и материалов. Тематика разработки методов и средств обнаружения пожара на ранней стадии, прогнозирования его развития и влияния на строительные конструкции и безопасность процесса эвакуации не теряет своей актуальности на протяжении многих лет.
Мировой опыт проектирования и эксплуатации железнодорожных и автодорожных тоннелей показывает, что одной из важнейших систем объекта является система противопожарной защиты. Отсутствие необходимого уровня защиты и переход пожара в развитую стадию могут приводить к трагическим последствиям и огромным материальным потерям.
Одним из требований нормативных документов по пожарной безопасности для тоннельных сооружений вляется обеспечение требуемого предела огнестойкости по признаку несущей способности строительных конструкций, под которой понимается обрушение конструкции и возникновение предельных деформаций. Фактическое время сохранения конструкцией несущей способности связано с величиной воздействующего на нее теплового потока, динамикой прогрева, теплофизическими характеристиками конструкции и особенностями теплообмена с окружающей средой и грунтом.
Исследования воздействия пожаров на строительные конструкции связаны с дополнительными сложностями, обусловленными необходимостью учета температурной зависимости теплофизических характеристик (ТФХ) материалов датчиков и исследуемых тел в относительно широких пределах, что приводит к необходимости одновременно с определением граничных условий (ГУ) теплообмена измерять или уточнять ТФХ.
Возможны два подхода к решению задач нестационарной теплометрии. Первый — экспериментальный, связан созданием приборов, условий проведения эксперимента и расчета искомых параметров по простым (условно) зависимостям, что связано с созданием градуировочных стендов и проведением трудоемких исследований. Второй — расчетный, связан с решением обратных задач теплопроводности (ОЗТ) с использованием математических моделей теплопереноса (ММТ). При этом ММТ предъявляются определенные требования: они должны описывать нестационарные процессы в исследуемых объектах с учетом всех особенностей для различных типов (ГУ). Решение на основе ММТ должно обладать достаточной точностью и вычислительной эффективностью алгоритма решения. Данным требованиям удовлетворяют
ММТ в форме дифференциально-разностных моделей (ДРМ) нестационарного теплопереноса [А1-А5].
Для решения ОЗТ в работах J. Beak, Ю.М. Мацевитого, Д.Ф. Симбирского,
А.В. Олейника, Н.В. Пилипенко предлагается метод на основе предварительной
параметризации задачи с дальнейшей параметрической идентификацией ММТ
в объекте, суть которой сводится последовательному получению
оптимальных оценок вектора искомых параметров путем минимизации
функции невязки между реальным и модельным векторами температурных
измерений, а для минимизации используется рекуррентный цифровой фильтр
Калмана (ФК) [A1–A5]. В работах Н.В. Пилипенко показано, что анный
алгоритм хорошо применим в ряде задач по восстановлению теплового потока
на границе исследуемого тела в высокоинтенсивных процессах, например,
связанных с исследованием теплообмена в псевдоожиженных слоях. В работе
Гладских Д. А. [А3] показана применимость метода и решении
комбинированной (граничной и коэффициентной) обратной задачи теплопроводности ля низкоинтенсивных длительных изменяющихся о времени тепловых воздействий, частности, задачах п определению теплового сопротивления ограждающих конструкции зданий и сооружений в нестационарном режиме.
Использованный в этих работах метод минимизации функции невязки с применением ФК, однако, имеет ряд ограничений при решении задач с существенной нелинейностью. В работах E.A. Wan и R. v.d. Merwe [A6] показано, что для случая, когда уравнения динамики и измерения системы нелинейны и не могут быть адекватно линеаризованы, применение ФК дает смещенные относительно действительного значения оценки среднего и ковариации искомого вектора, приводит к плохой обусловленности задачи и, как следствие, потере робастности алгоритма решения. Решение этой проблемы основано на использовании unscentedФК (UKF) [А6, А7].В основе подхода лежит выбор сигма-точек для исходного набора данных последующим построением нелинейных функций прогноза, применяемых для расчета ковариационных (кроссковариационных) матриц.
Из изложенного следует, что тема диссертационной работы является актуальной.
Цель и задачи диссертационной аботы. Целью диссертационной
работы является разработка обоснование метода нестационарной
теплометрии, позволяющего измерять нестационарные тепловые потоки и уточнять ТФХ материалов в условиях быстропротекающих высокоинтенсивных процессов теплообмена или при существенной нелинейности ТФХ объекта исследования или датчика.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
— проведен анализ особенностей пожаров тоннелях, частности, влияния температурного режима на устойчивость сооружения, на основании которого сформулированы требования к методам и приборам, а также к измерительной системе для измерения тепловых потоков и ее компонентам, обоснована конструкция датчика теплового потока;
разработаны модели нестационарного теплопереноса в тоннельных конструкциях при огневом воздействии пожара;
разработан метод решения одномерной граничной и коэффициентной обратной задачи теплопроводности, позволяющий измерять высокоинтенсивные тепловые отоки при существенной нелинейности уравнений динамики или измерений системы;
разработан программный комплекс алгоритмы ля измерения нестационарных тепловых потоков, получены данные численных и натурных экспериментов по оценке применимости предложенных методов;
разработана концепция теплометрической измерительной системы для определения плотности нестационарного теплового потока ри огневом воздействии пожара на конструкции тоннеля, предназначенной для работы в реальном времени и для определения фактического предела огнестойкости по результатам теплометрии.
Предмет исследований. Методы и приборы нестационарной теплометрии при огневом воздействии в тоннельных сооружениях.
Методы исследования. Поставленные задачи решены методами теории теплопроводности и теплообмена, обратных дач теплопроводности, пространства состояний и параметрической идентификации динамических систем, теплофизического эксперимента и численного моделирования.
Научная новизна работы
-
Разработан и обоснован метод решения одномерной комбинированной обратной задачи теплопроводности с использованием специального фильтра Калмана, позволяющий измерять высокоинтенсивные тепловые потоки на поверхностях тоннельных конструкций при существенной нелинейности уравнений динамики или измерений системы.
-
Обоснован метод оценки точности определения плотности нестационарного теплового потока с использованием информационной матрицы Фишера, позволяющий получать доверительные границы неопределенности результата измерения.
-
Разработан программный комплекс для измерения нестационарных тепловых потоков, получены данные численных и натурных экспериментов по оценке применимости предложенных методов дл целей нестационарной теплометрии в системах с высокоинтенсивными быстропротекающими процессами или существенной нелинейностью свойств.
-
Получены результаты численных и натурных экспериментов о измерению плотности тепловых потоков, определению фактических пределов огнестойкости при различных тепловых воздействиях пожара.
-
Предложена концепция теплометрической измерительной системы для определения плотности нестационарного теплового потока при огневом воздействии пожара на конструкции тоннелей, призванная обеспечить безопасность мероприятий по эвакуации и тушению пожара путем определения фактического предела огнестойкости по фактическому тепловому воздействию.
Положения, выносимы на защиту
1. Метод решения комбинированной обратной задачи теплопроводности с использованием специального фильтра Калмана, позволяющий измерять
высокоинтенсивные тепловые токи на поверхностях тоннельных
конструкций при существенной нелинейности равнений динамики или измерений системы.
-
Модель нестационарного теплопереноса в тоннельных конструкциях при внешнем огневом воздействии.
-
Концепция теплометрической измерительной системы по определению теплового воздействия пожара на конструкции тоннеля и оценке предела огнестойкости.
-
Алгоритмы расчета и результаты численных и натурных экспериментов по нестационарной теплометрии, полученные на основе предложенного метода при высокоинтенсивном теплообмене.
Практическая значимость. Разработанный метод решения комбинированной обратной задачи теплопроводности позволил измерять нестационарные плотности тепловых потоков в условиях быстропротекающих высокоинтенсивных процессов теплообмена и при существенной нелинейности ТФХ объекта исследования или датчика.
Реализованные в программном комплексе Scilab алгоритмы позволили определять нестационарные условия теплообмена на поверхности объекта исследования как по результатам натурных измерений, так и по результатам моделирования динамики развития пожара в тоннеле.
Результаты работы используются: в ОАО «НИПИИ «Ленметрогипротранс»
при разработке раздела о противопожарной безопасности ходе
проектирования объектов метрополитена, автодорожных и железнодорожных тоннелей в части оценки эффективности принятых проектных решений и для обоснования отступлений т действующих нормативных документов; в Университете ИТМО на кафедре КТФиЭМ при чтении курсов лекций «Энерго- и ресурсосберегающие технологии», «Компьютерные технологии моделирования физических процессов» и «Численные методы моделирования физических процессов».
Апробация работы. Основное содержание выполненных исследований
докладывалось, обсуждалось и было одобрено на международных и
всероссийских конференциях, в том числе на: I и II международных научно-
технических конференциях «Современные методы и средства исследований
теплофизических свойств веществ», V международной научно-практической
конференции «Пожарная безопасность: проблемы
перспективы»,международной научно-практической конференции «Сенсорика-
2014», IV всероссийской стран-участниц КООМЕТ конференции о
проблемам термометрии «Температура-2011», I и II всероссийских конгрессах
молодых ученых, IV всероссийской научно-практической конференции с
международным участием «Информационные технологии в науке, образовании
и экономике», всероссийской конференция молодых ученых «Проблемы и
перспективы управления энергетическими комплексами сложными
техническими системами в арктических регионах», VI научно-технической конференции молодых специалистов по радиоэлектронике.
Публикации. Общее количество опубликованных работ 26. Научных работ, опубликованных по теме диссертации — 25, в том числе 6 статей в
научно-технических изданиях, в которых ВАК рекомендует публикации основных результатов диссертации, одна статья опубликована в международном рецензируемом журнале, входящем в перечень Web of Science.
Достоверность научных положений, полученных в диссертации.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием
многократно апробированных теоретических методов, проведением
экспериментальных исследований, сравнением полученных езультатов
экспериментальными и теоретическими исследованиями других второв,
сравнением результатов результатами численного моделирования по
всемирно признанным методикам.
Личный вклад автора. Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованных работах; обсуждение результатов и подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно с соавторами. Общая постановка целей и задач исследований в рамках диссертационной работы проведена совместно с научным руководителем работы Н.В. Пилипенко, часть работ выполнена совместно с сотрудниками кафедры «Компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга» Университета ИТМО, специалистами ОАО «Ленметрогипротранс», НИИПИиИТвОБЖ (бывший СПБФ ВНИИПО) Университета ГПС МЧС.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитированной литературы, включающего 97 наименований. Общий объем работы составляет 130 страниц, диссертация содержит 55 рисунков и 9 таблиц.
Электрометрический метод
Датчик состоит из корпуса, выполненного из медной трубки, к одному из торцов которой припаян тонкий константановый диск. Падающий на диск лучистый поток растекается по нему в радиальном направлении, частично рассеиваясь в окружающую среду. По центру диска припаяна медная проволока. Такой датчик представляет собой дифференциальную термопару, измеряющую перепад температур Т. По величине этого перепада температур между центром и краем диска судят о поверхностной плотности воспринятого потока тепла. В работе [8] приводится выражение для определения чувствительности цилиндрического ДТП, но на практике чувствительность определяют в градуировочных экспериментах.
Такие тепломеры позволяют измерять поверхностные плотности теплового потока величиной от 2104 до 4106 Вт/м2. В непродолжительных экспериментах тепло от фольгированного слоя отводится за счет тепловой инерции корпуса; в продолжительных экспериментах необходимо предусматривать охлаждение корпуса, например, проточной водой.
Батарейные датчики продольного типа. Основной недостаток одиночных продольных датчиков — низкая чувствительность к действующему тепловому потоку. Есть несколько путей устранения этого недостатка: во-первых, можно повысить температурный перепад на вспомогательной стенке. Для этого необходимо снизить ее теплопроводность или увеличить толщину. Однако такое решение ведет к росту термического сопротивления и постоянной времени тепломера, что может быть нежелательно. Другое решение подразумевает использование в датчиках дифференциальных многоспайных термобатарей [8, 49]. Число спаев в термобатареях при этом может достигать нескольких тысяч. Однако увеличение числа термоэлементов невозможно без пропорционального снижения поперечного сечения отдельного элемента. При таком уменьшении габаритов изменяется в сторону повышение отношение высоты к поперечному размеру элемента. В связи с этим, такие миниатюрные элементы многоспайных батарей могут работать исключительно в случае, когда количество краевых элементов мало, а соседние элементы выполняют функции охранных устройств. Существуют различные технологии производства батарейных датчиков. Одними из первых в 1960...1970 гг. появились галетные датчики [7]. Такие ДТП состоят из миниатюрных одиночных тепломеров треугольной формы, которые весьма компактно укладываются в металлическом защитном корпусе.
Тепломер Альперовича — термобатарея, расположенная на диске из органического стекла. Термобатарея изготавливается из последовательно спаянных отрезков хромелевых и копелевых проволочек и размещается в средней части диска. В диске имеются расположенные по окружности отверстия, через которые поочередно с двух сторон вспомогательной стенки пропускаются спаи термопары. К концам термобатареи припаяны две копелевые проволоки. После монтажа термопар с обеих сторон на датчика наклеивается лакоткань и устанавливаются резиновые диски. Чувствительность таких датчиков составляла не менее 0,12 мВ/Втм2; технологические подробности изготовления и градуировки таких датчиков приведено в [12].
В производстве батарейных датчиков распространено использование метода «полупокрытого» провода [8, 49], суть которого состоит в том, что на каркас 1, выполненный из пластиковой ленты, наматывают константановую проволоку. После намотки части витков с одной из сторон каркаса покрывают серебром или медью. Таким образом формируют спаи термобатарей 2 и 3.
Для обеспечения высокого уровня сигнала при достаточной компактности датчика, термобатарею сворачивают в спираль, либо укладывают зигзагообразно (рисунок 1.7) и помещают в защитный корпус.
Недостатки таких датчиков вызваны низкой плотностью заполнения корпуса термочувствительными элементами, высоким термическим сопротивлением из-за низкой теплопроводности материала каркаса.
Устройство спирального датчика («полупокрытая» проволока) Кроме того, процесс производства датчиков сопровождается трудностями, возникающими при меднении и укладке витков. В конструкции слоистых датчиков теплового потока часть этих недостатков была устранена. После намотки и меднения проволоки датчик помещается в растворитель и полимерный каркас удаляется. Спираль обрабатывают лаком, покрывают смолой, укладывают в пресс-форму, обжимают и полимеризуют. Получаемый в результате плотный многослойный ДТП лишен недостатков «полуоткрытого провода» и обладает минимальным термическим сопротивлением при высокой чувствительности [7].
Обернутые вокруг полиамидной ленты и сваренные встык между собой полосы тонкой фольги образуют термобатарею сверхтонкого датчика теплового потока [28,75], серийно выпускаемого по настоящий день. Конструкция датчика показана на рисунке 1.8. Данные датчики имеют хорошие динамические характеристики (постоянная времен не превышает 0,02 с), диапазон измеряемых потоков до 105 Вт/м2 и рабочую температуру до 250С. Кроме того, конструкцией этого миниатюрного гибкого датчика предусматривается отдельный термоэлектрический преобразователь, позволяющий фиксировать собственную температуру датчика. Существует аналог такого датчика с проволочными чувствительными элементави, но они значительно толщи и обладают большей инерционностью (постоянная времени — 1 с), однако позволяют проводить измерения при более высоких температурах (до 300С.) Обзор литературы показал, что датчики теплового потока в настоящее время начинают все более активно внедряться в различные системы, например, для контроля и регулирования тепловых процессов. Совершенствование конструкций тепломеров выражается в их миниатюризации, снижении толщины и инерционности и росте чувствительности.
Конструктивно такие датчики, также как и их продольные собратья, являются датчика типа вспомогательной стенкой, однако в основе их функционирования лежит несколько иной принцип — а именно, поперечный эффект Зеебека [47–49]. Суть поперечного эффекта Зеебека состоит в том, что при воздействии на термоэлектрический материал с анизотропией свойств вектора теплового потока, не совпадающего с главными осями монокристалла, в материале возникает термоЭДС, вектор напряженности которой ортогонален вектору теплового потока.
Яркие представители таких анизотропных материалов — висмут, сурьмянистый кадмий, монокристаллический силицид марганца и некоторые другие материалы.
На рисунке 1.9 приведена конструкция поперечного тепломера. Датчик состоит из последовательно спаянных в термобатарею прямоугольных анизотропных пластинок висмута. Такое последовательное соединение чувствительных элементом в термобатарею необходимо для повышения уровня термоЭДС. Висмутовые пластинки размещаются на подложке 5 из слюды и изолируются друг от друга лавсаном. Токоподводы 4 припаиваются к крайним термоэлементам.
Параметрическая идентификация с использованием цифрового фильтра Калмана
Анализ известных методов решения граничных ОЗТ показал, что в большинстве из них используется кусочно-постоянная аппроксимация искомой функции q(z) во всех интервалах времени Ат между двумя измерениями температур tk+1 и tk. Величины q(z) в этих интервалах предполагаются равными соответствующим среднеинтегральным значениям. Интервалы Ат предполагаются оптимальными, исходя из двух требований: минимальности в целях лучшей аппроксимации q(z) и максимальности в целях увеличения разности температур Atk сравнительно с уровнем погрешности при их измерениях. Кроме того, увеличение Ат позволяет повысить уровень значений функций чувствительности измеряемых температур к изменениям q(z) [1,5]. Последнее является условием естественной «шаговой» саморегуляризации решения ОЗТ. В частности, как показано в работах [1,5], существует предельно допустимые минимальные значения Аткр, или в критериальном виде AF0jKp = — 0.5. Для псевдокорректных ОЗТ такие рекомендации отсутствуют.
Существенно снизить количество искомых кусочно-постоянных значений q(z) позволяет масштабная аппроксимация q(z) в виде обобщенного полинома [37,53,93]: 7 = 1 где Pj(j) - система базисных функций; fy - неизвестные постоянные параметры, которые должны быть определены в результате решения ОЗТ. Такую аппроксимацию называют параметризацией ОЗТ.
В качестве базисных функций (pj(r) могут использоваться полиномы Лагранжа, Чебышева, ряды Фурье, степенные полиномы, сплайн-функции и др. Их выбор производится, исходя из априорной информации о виде функции q(z), требуемой точности решения и объема вычислений при реализации метода в виде алгоритма [53].
В качестве базисных функций используются кусочно-полиномиальные функции, введенные Шенбергом в 1946 г. и названные им в честь Биркгофа B-сплайнами , имеющие следующее известное представление [7]:
В результате параметризации ОЗТ формируется вектор искомых параметров Q = qfj[=1. Параметрическая идентификация ДТП заключается в нахождении оптимальной (несмещенной, эффективной и состоятельной) оценки Qk, дающей минимум следующей дискретной скалярной квадратичной функции невязок [9, 12, 13, 19]: 0(QZ) = V(Yk-?k(Qz))T R-1 (Yk-?k(Qz)) (2.12) fc=i где Yk - вектор измерения температуры ДТП, включающий вектор случайных погрешностей измерений [37,53]; Yk(Qz) - модельные (расчетные) значения вектора измерений, определенные по модели (2.8) ДТП; R - ковариационная матрица с нормальным законом распределения; к- дискретное время, соответствующее определению тк = кАт,к = 0,1,2 ...
Достоинством параметрической идентификации как метода решения ОЗТ является возможность применения аппарата теории управления и идентификации динамических систем, использующего современные методы вычислительной математики и технической кибернетики. 2.2 Оценивание в условиях неопределенности
Существует множество различных подходов к решению задачи оценивания в условиях неопределенности. Однако в основе всех этих подходов лежит использование определенных моделей систем и их конкретных реализаций. Рассмотрим подробнее основные методы оценивания.
Фильтр Калмана — рекурсивная процедура оценивания для дискретной системы, его аналог для линейных непрерывных систем — фильтр Калмана-Бьюси 1961 г. [22,23].
Пусть задана математическая модель динамической системы, для которой определены входные воздействия и фазовый вектор в некоторый произвольный момент времени, тогда можно отследить развитие системы во времени. Однако, в некоторых ситуациях, например, в силу по техническим ограничений или иных причин, точное измерение фазового вектора недоступно. В этом случае необходимо определить состояние системы на основании измерений ее выхода. Если действующие на систему возмущения и ошибка измерений не учитываются, говорят о детерминированном наблюдении.
Допустим, что состояние системы хк в произвольный момент времени к задается стохастической моделью и известны измерения у к.
Требуется найти такое хк по результатам измерений ук, чтобы аппроксимация хк неизвестного фазового вектора хк осуществлялась наилучшим образом. При этом для разных задач критерий оптимальности будет отличаться.
При решении конкретных прикладных задач применение ФК связано с рядом проблем [6,34,50]. Например, отсутствие сходимости или потеря работоспособности. Сходимость появляется из-за недостаточности (неполноты) априорной информации о процессе. Потеря робастности проявляется при отсутствии во многомерном входном сигнале хотя бы одной составляющей шума.
Обозначенные недостатки могут быть устранены (до некоторой степени) использованием методов регуляризации [34]. Например, в структуру регуляризованного ФК введен генератор стационарного случайного сигнала. Такое решение позволяет улучшить статистические свойства оценки и сходимость процесса ценой смещению оценки выходного сигнала хк.
Первой попыткой вычислить неизвестные параметры был Байесовский метод. В основе метода — идея, что с помощью вероятностей можно выразить и измерить все формы неопределенности [16]. Байесовский подход подразумевает выбор лучшего алгоритма обработки данных. Критерием выбора при этом является минимум ожидаемых потерь в условиях априорной неопределенности. Недостающие априорные данные извлекаются из самих данных.
Существует большое разнообразие алгоритмов обработки данных, основанное на различиях способов использования априорной и поступающей информации.
Параметрическая априорная неопределенность — наиболее простой случай. Данный случай характеризуется необходимостью адаптации на основе наблюдений известных параметров процесса обработки к неизвестным значениям параметров, определяющих помехоустойчивость. А при непараметрической априорной неопределенности механизмы обработки находятся в зависимости меняющихся условий от вида распределений [34].
Допустим, что пространство параметров представимо в виде объединения конечного числа полупространств. Выразим через априорное распределение р(к,6) неопределенность. Можно получить апостериорное распределениеp(k,6\yiN, XJN), используя байесовское правило после поступления измерений. На основе Байесовской парадигмы можно теоретически оценить плотность распределения [34]:
Программный комплекс Heat Flow Inspector
Проблема противопожарной защиты подземных транспортных сооружений признана всеми европейскими странами как носящая неотложный, срочный характер и в настоящее время исследуется совместно в проекте «EUREKA». Кроме общеевропейского совместного проекта, широкий круг экспериментальных и теоретических исследований поведения железобетонных строительных конструкций при пожаре проведены во ВНИИПО МВД РФ, НИИ ЖБ Госстроя РФ, ЦНИИСК им. В.А.Кучеренко Госстроя РФ, МИСИ им. В.В. Куйбышева, Institutfuer Statik (Braunschweig), Delft University of Technology (US), Kajima Institute Of Construction Technology (Tokyo), Queensland-Master-Builders-Association (Australia), International Association for Fire Safety Science. В результате проведенных исследований определены признаки и основные механизмы потери огнестойкости, зависимости теплофизических, прочностных и деформационных свойств конструкционных материалов в зависимости от температуры в условиях, близких к условиям развития пожара [77,81].
Фактические пределы огнестойкости несущих строительных конструкций определяются экспериментально по стандартным методикам или в результате проведения расчетов. Экспериментальные методы определение пределов огнестойкости, хотя и являются широко распространённым, в последние годы подвергаются всё большей критике, связанной с условиями статического опирания конструкций. Очевидно, что для тоннельных сооружений (особенно с монолитной обделкой) данный способ неприменим.
Второй способ — применение расчетных методов. Для определения пределов огнестойкости необходимо решить нелинейную задачу теплопереноса в строительной конструкции с учетом сложного тепло- и массообмена со средой в тоннеле и грунтом.
В России для определения пределов огнестойкости железобетонных конструкций используются СТО-2006 [59]. В стандарте СТО-2006 для основных типов сечений установлены изотермы при одно-, двух-, трех- и четырехстороннем огневом воздействии стандартного пожара различной длительности и приведена методика статического расчета для типовых конструкций. Огневое воздействие описывается логарифмической зависимостью температуры пожара от времени. Данная зависимость принята в стандарте ISO-834. Она получила широкое распространение для определения огнестойкости зданий. Однако данная зависимость не может описывать все виды пожаров, которые случаются в строительных конструкциях. В частности, процесс развития пожара в тоннелях отличается от развития в здании. Из-за особенности конструкции тоннелей в них затруднено рассеивание тепла, поступающего от сгорающих материалов. Кроме того, скорость горения некоторых веществ (например, топлива или химикатов) и теплота сгорания могут значительно отличаться от подобных характеристик материалов, используемых в жилых зданиях.
Чтобы более точно описать процесс развития пожара в тоннелях рядом стран были разработаны зависимости температуры пожара от времени, отличающиеся от ISO-834. В частности, в Германии используется зависимость RABT-ZTV(car) и RABT-ZTV(train) для температуры пожара в автодорожных и железнодорожных тоннелях. В Нидерландах и Швеции используется зависимость RWS для тоннелей, по которым могут транспортироваться опасные вещества. Кроме того, в Швеции используется кривая HC, у которой максимум температуры ниже, чем у кривой RWS. Во Франции используется для тоннелей, в которых опасные материалы быстро и полностью сгорают, используется кривая HCM, у которой максимальная температура выше, чем у кривой HC, и составляет 1 350 С.
Ниже будут рассмотрены некоторые методы расчета важных характеристик элементов тоннелей, на которые существенно влияют температура и тепловой поток.
Теория сопротивления железобетона исходит из напряженно-деформированного состояния элементов конструкции на различных стадиях нагружения внешней нагрузкой. Принято различать три характерные стадии напряженно-деформированного состояния железобетона [68]:
стадия I — до появления трещин в бетоне растянутой зоны, когда напряжения в бетоне меньше временного сопротивления растяжению и растягивающие усилия воспринимаются арматурой и бетоном совместно;
стадия II — после появления трещин в бетоне растянутой зоны, когда растягивающие усилия в местах, где образовались трещины, воспринимаются арматурой и участком бетона над трещиной, а на участках между трещинами - арматурой и бетоном совместно:
стадия III — стадия разрушения, когда напряжения в растянутой стержневой арматуры достигают физического или условного предела текучести, а напряжения в бетоне сжатой зоны -временного сопротивления сжатию. В настоящее время для расчета конструкций применяется метод предельных состояний, в соответствии с которым четко устанавливают предельные состояния и используют систему расчетных коэффициентов, введение которых гарантирует, что такое состояние не наступит при самых неблагоприятных сочетаниях нагрузок и при наименьших значениях прочностных характеристик материалов. Предельными считаются состояния, при которых конструкции перестают удовлетворять предъявляемым к ним в процессе эксплуатации требованиям, т.е. теряют способность сопротивляться внешним нагрузкам и воздействиям или образуются недопустимые перемещения или местные повреждения. Конструкции должны удовлетворять требованиям расчета по двум группам предельных состояний: по несущей способности (первая группа); по пригодности к нормальной эксплуатации (вторая группа). При расчёте бетонных и железобетонных конструкций необходимо учитывать, что прочностные и упругопластические свойства бетона и арматуры зависят от температуры.
При проведении расчетов на прочность исходят из III стадии напряженно-деформированного состояния. При этом считается, что сечение конструкции обладает необходимой прочностью, если усилия от расчетных нагрузок не превышают усилий, воспринимаемых сечением при расчетных сопротивлениях материалов с учетом коэффициентов условий работы.
Условие сохранения несущей способности сечения определяется из соображений того, чтобы момент внешних сил не превосходил момента внутренних усилий [43,59]: М Rb Sb + Rsct A s zs, где М - в изгибаемых элементах - момент внешних сил от расчетных нагрузок, во внецентренно сжатых и растянутых элементах - момент внешней продольной силы относительно оси, проходящей через центр тяжести растянутой арматуры; Sb - статический момент площади сечения бетона сжатой зоны относительно той же оси; As - площадь сечения сжатой арматуры; zs - расстояние между центрами тяжести растянутой и сжатой арматуры.
Последовательность разрушения растянутой и сжатой зон зависит от степени армирования элемента, которая выражается через соотношение (относительная высота зоны бетона) и д (граничное значение относительной высоты сжатой зоны бетона). Если д, то разрушение происходит через образование пластического шарнира в растянутой арматуре, иначе - путём дробления бетона сжатой зоны.
Расчет статической части в зависимости от типа конструкции проводится по СТО-2006, при этом рассчитывают величину теплового удлинения и температурную кривизну конструкции по приведенным площадям растянутой и сжатой арматуры, момент инерции приведённого сечения относительно его центра тяжести. Свободные температурные удлинение и кривизна элемента, в зависимости от соединения элементов, вызывают дополнительные напряжения и моменты (сжимающая сила с эксцентриситетом) как в нём самом, так и остальных элементах конструкции. На участках, где не образуются нормальные к продольной оси элемента трещины, определяется жесткость изгибаемых, внецентренно сжатых или растянутых элементов
На конструкции подземных сооружений воздействуют различные внешние нагрузки, которые разделяются на постоянные, оказывающие постоянное воздействие, временные и особые, характеризующиеся периодическим длительным или кратковременным воздействием. Особые воздействия возникают в результате каких-либо аварийных ситуаций. Временные нагрузки создаются от различных транспортных средств, колебаний температуры и морозного пучения грунта. К постоянным нагрузкам относятся как собственный вес конструкции, дорожного покрытия и подземных коммуникаций, так и давление грунта и воды, а также нагрузка от зданий и сооружений, расположенных над выработкой.
Огнестойкость железобетонной обделки тоннеля при различных тепловых воздействиях пожара
Таким образом, пожар в вагоне поезда в двухпутном тоннеле метрополитена в процессе движения аварийного состава до станции не оказывает существенного влияния на находящийся на соседнем пути состав, технологическое оборудование и ограждающие строительные конструкции. Во многом такое развитие событий обусловлено существенно снизившейся с начала 90-х годов пожарной опасностью подвижного состава: использование негорючих и трудногорючих материалов в конструкции и отделки, применение установок пожаротушения для силовых установок и пр.
Структурированная система мониторинга и управления инженерными системами здания и сооружений (СМИС) предназначена для осуществления автоматического мониторинга систем инженерно-технологического обеспечения, состояния основных строительных конструкций, технологических процессов тоннеля и передачи в режиме реального времени информации об угрозе возникновения чрезвычайной ситуации (ЧС) в единый дежурно-диспетчерский центр (ЕДДЦ) МЧС РФ. СМИС интегрирует информацию, форматируемую системами автоматики, сигнализации и связи (АСС) тоннеля, используя технические средства и каналы связи соответствующих подсистем АСС в здании ЦДУ.
Система СМИС осуществляет сбор информации от систем АСС тоннелей и предоставляет в ЦДУ и в ЕДДЦ МЧС РФ текущее состояние контролируемых параметров с автоматическим предупреждением оператора о превышении установленных значений, возникновении пожара и отказах оборудования соответствующих систем. Алгоритм работы СМИС с подсистемой расчета огнестойкости: 1. При срабатывании адресной пожарной сигнализации в тоннеле включается подсистема опроса датчиков теплового потока расположенных вблизи очага пожара. 2. Сигналы от датчиков теплового потока поступают в ЦДУ в приложение HeatFlowInspector, где на основании данных теплометрии производится определение плотности теплового потока, воздействующего на конструкции. 3. После определения плотности теплового потока решается прямая задача теплопроводности с заданными граничными условиями для теплопереноса в конструкции тоннеля и определяется глубина прогрева и время прогрева рабочей арматуры до критической температуры. 4. Оценка времени прогрева корректируется по мере развития пожара и возрастания мощности и является оценкой снизу фактического предела огнестойкости при реальном пожаре. 5. На основании прогноза времени сохранения несущей способности принимается решение о безопасности проведения аварийно-спасательных работ или решения о немедленном вывод пожарных подразделений с участков тоннеля, близких к обрушению. 6. Дополнительно оценивается напряженно-деформированное состояние несущих конструкций тоннеля и при превышении критических значений по нагрузкам и деформациях, дается сигнал о достижении предела огнестойкости. Выводы к четвертой главе
В главе приведена методика расчета огнестойкости, основанная на статическом расчете несущей способности с учетом теплового воздействия пожара.
Приведены некоторые результаты диссертационного исследования:
1. Исследования огнестойкости конструкций тоннеля, состоящих из тюбингов Н-3-Л, Н-2-Л, С-2-Л, К-2-Л из чугуна СЧ20, показали, что при воздействии стандартного температурного режима пожара предел огнестойкости по несущей способности составляет не менее 45 минут (R45) при наличии с необогреваемой стороны грунта из глины влажностью 30% или известняка влажностью 50%. В случае наличия воды за тюбингами, предел огнестойкости конструкции превышает 90 минут (R90).
2. Проведены расчеты глубины прогрева и изменения коэффициентов работы арматуры при пожаре для типовых конструкций железнодорожных тоннелей при различных тепловых воздействиях. Полученные результаты указывают на то, что оценка фактического предела огнестойкости по «стандартной кривой» может приводить к существенно заниженным (метрополитен) и существенно завышенным (транспортные тоннели с перевозкой легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, сжиженных углеводородных газов и т.д.) значениям и, следовательно, возникает необходимость для особо ответственных объектов определять огнестойкость по фактическому тепловому воздействию.
3. Моделирования пожара при движении горящего состава по перегону в двухпутном тоннеле метрополитена, выполненное автором, показало, что температура газов под перекрытием тоннеля 150-170 С не может привести к каким-либо существенным изменениям прочностных характеристик ограждающих конструкций в процессе движения горящего состава на станцию; температура в зоне под потолком аварийного вагона находится в пределах 300-320 С и не может привести к нарушению конструктивной прочности вагона, что подтверждается данными экспериментальных исследований; при максимальной локальной температуре газов в зоне размещения кабельных прокладок равной 132 С целостность опорных металлических конструкций сохраняется и возгорание кабелей невозможно; максимальная температура металла и резиновых уплотнений остекления стенки вагона на соседнем пути составляет 21-23 С; максимальное значение теплового потока на поверхности вагона на соседнем пути не превышает 0,206 кВт/м2 при критических значениях теплового потока, необходимого для разрушения остекления и развития пожара внутри вагона, 40-50 кВт/м2.Таким образом, пожар в вагоне поезда в двухпутном тоннеле метрополитена в процессе движения аварийного состава до станции не оказывает существенного влияния на находящийся на соседнем пути состав, технологическое оборудование и ограждающие строительные конструкции.