Студопедия.Орг Главная | Случайная страница | Контакты  
 

УСТОЙЧИВОСТЬ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ



Особую проблему в учебной и научной литературе представляет характеристика социальных норм как возможности осознания границ социального в рамках духовной сферы жизни общества. В большинстве случаев их типология напрямую связывается с конкретными формами коллективного сознания, что создает классификацию норм как правовых, моральных, религиозных, этических и т.п. Однако, представляя социальные нормы как особое социальное явление, можно дать типологию, исходящую из характера определения границ социального в каждой из них.

В данной типологии каждая вышестоящая норма поглощает в своем содержании нижестоящую. Таким образом, границы социального в деятельности на каждом уровне типологии осознаются и формулируются во все более сложной форме. Типологию начинают с наиболее простой формы, заканчивая самой сложной. В литературе можно выделить семь уровней подобной типологии.

8.1. Первый уровень социальных норм формулируется в наиболее простой форме, предполагающей внешнюю определенность границ социального. Такой тип социальной нормы в литературе получил название норма табуирования. Она предполагает абсолютный запрет на все действия, которые выходят за границы понимания социального. Более того, сами границы создаются этими запретами, выстраиваемыми в виде системы ограничений.

Название этого уровня социальной нормы взято из этнографии, где термином табу обозначаются запреты, в первую очередь пищевые, в рамках такой первобытной формы верований, как тотемизм. Этнографы подчеркивают предельную древность такой формы запретительной практики и простоту поддержания запрета. Например, нарушение пищевого табу воспринимается субъектом как поступление в организм яда, который может привести к немедленной смерти. Такое самовнушение даже у современного человека приводит к определенным физиологическим реакциям. Достаточно лишь узнать, что данное блюдо содержало что-то, что, по вашему мнению, является принципиально несъедобным, и …

В социальной практике табуирование является наиболее популярной формой нормотворчества, с которой любой человек встречался с самого рождения. Такие нормы составляют обязательную систему «вхождения» в социальное сообщество. «Нельзя» — наиболее распространенное обращение ко всем новичкам в любой организации, и даже в случае общения родителей и детей.

Обозначение границ посредством внешнего отрицания создает представление о разрешенном косвенным образом. Наибольшее распространение в литературе получила формулировка: «Разрешено все то, что не запрещено». Однако такой вид нормотворчества никогда не может иметь окончательного характера, всякий новый акт деятельности требует возобновления запретительной практики. Также формируется и особый вариант активности, когда соблюдается форма запрета, а, по сути, запрет «обходится». В конечном итоге, проблема запретительной парадигмы разрешается посредством формирования следующего уровня социальных норм.

8.2. Такая социальная норма получила в литературе обозначение через категорию императив. Сама категория заимствована из этической теории И. Канта, где посредством нее обозначается внутреннее повеление, являющееся феноменом морали. В данном случае субъекту предписывается определенный вид деятельности, который адекватен определенному социальному статусу. На этом уровне запрет представлен в «снятом» виде. Если предписываемый вид деятельности не исполняется, а заменяется чем-либо «сходным» или «подобным», то субъект утрачивает свой статус.

Для студента, например, существует целый рад запретов, которые он может «обходить». Но предписание осваивать определенный объем материала не оставляет возможности нарушать запреты. Если на экзаменах выясняется, что данный объем материала не освоен, то экзамен не признается сданным, что приводит к отчислению, т.е. утрате социального статуса — студента.

Однако действенность социальной нормы по типу императива зависит от того, как реально представлено в сознании субъекта само предписание. Если предписанное оценивается как невозможное, то в первую очередь снимается запретительное содержание предписания, а в последствии и меняется форма предписываемого действия. Чаще всего данная социальная норма доминирует в рамках традиции, закрепляется общественным мнением и передается средствами воспитания. В современном обществе предписание чрезвычайно распространено внутри корпорации и представлено в рамках корпоративной этики.

Самое простое возражение против предписания известно нам из классической литературы — «Где же тот субъект, который выполняет предписание и может быть принят нами за образец поведения?» Ответом на этот вопрос является следующий уровень формирования социальной нормы, в котором в качестве образца предписываемых действий выступает определенный человек, как ныне живущий, так и живший ранее.

8.3. Этот уровень социальных норм в литературе получил обозначение как норма по типу кумира. Правило такого поведения часто формулируется выражением «делай как я». Предписание в этом случае получает конкретное выражение в виде живого примера и предполагает лишь строго определенные виды социальной практики. Они обозначаются категориями почитание и подражание. В этой практике исключается всякое критическое осмысление действий кумира. Действия социального субъекта, следующего предписанию почитания и подражания кумиру, подпадают под обозначение фанатизма, а сам он становится фанатом.

В литературе чаще всего понятие фанатизма связано с религией и представлено как религиозный фанатизм. Однако даже в современном обществе проявления фанатизма чрезвычайно широки. Всем известны социальные группы спортивных фанатов, многочисленны ряды поклонников «звезд» или «идолов» массовой культуры. По мнению ряда авторов, даже такое явление современного общества как мода может быть представлено как массовое проявление фанатизма.

Все же в социальной практике, подчас, бывает чрезвычайно сложно найти такой образец для подражания. Он должен не только быть современником, с ним должен быть возможен личный контакт. В противном случае можно создавать некий «заменитель» кумира, как существовавший когда-то или существующий где-то. В конечном счете, эти попытки завершаются созданием некоего образа кумира, что означает переход на новый уровень формирования социальной нормы.

8.4. Этот тип социальной нормы обозначается в литературе как парадигмальная норма. Понятие парадигма взято из философской системы Платона, где этим термином обозначается «эйдос» как образец. Чаще всего в качестве примера парадигмы в литературе приводится художественный образ. Он создается посредством абстрагирования, т.е. выделения определенного качества и лишения образа остальных качеств. Для создания полноты образа данное качество подлежит гиперболизации, в которой абстрагируемое качество не только возводится в превосходную степень, немыслимую в действительности, но и распространяется на все пространство образа.

Это позволяет создавать абсолютно нереальные формы, которые недостижимы в действительности, но с которыми должно коррелировать отдельные акты деятельности. Часто их называют «идеалами», подчеркивая их искусственный характер и иллюзорную привлекательность. Субъект, в социальной практике руководствующийся парадигмальной нормой, часто получает прозвище «идеалист». Парадигмы же характерны для любой формы коллективного сознания, в отдельных случаях они определяются как «мифологемы» социальной действительности. В литературе считается, что такой способ нормативного регулирования наиболее распространен в так называемом «обыденном» сознании. Однако, по мнению Т. Куна, развитие такой формы коллективного сознания, как наука, также имеет парадигмальный характер.

8.5. Перенесение парадигм различного рода в действительность создает новый уровень социальных норм. В литературе он чаще всего обозначается категорией картина мира. Для нее характерно принятие определенного набора парадигм в качестве отправных точек представления о действительности. Чаще всего они обозначаются как аксиомы. Аксиоматика социальной действительности может формироваться несколькими способами. Наиболее часто в литературе рассматривается авторитарный и конвенциональный способ формирования социальных аксиом, а также аксиоматика веры.

Аксиоматика дополняется определенными правилами, которые носят выводной характер. Они доказуемы в данной системе аксиом и постоянно обновляются, сохраняя характер внутренней непротиворечивости. Часто в литературе они обозначаются термином «правила игры». Более того, в современной социальной психологии существует теория «социальных игр» и «ролевого поведения». Однако дополнением системы служат «исключения из правил», которые ярче всего обозначают границы представления о социальном посредством картины мира как социальной нормы.

8.6. Проблемой на данном уровне представляется необходимость встраивания самого субъекта в объективную для него картину мира, а также целесообразное ее изменение в результате социальной практики. Разрешение данной проблемы выводит социальное нормотворчество на следующий уровень, который в литературе обозначается категорией социальный идеал. Данное понятие предполагает динамичное изменение картины мира посредством целесообразной активности субъекта. Также в социальном идеале представлена высшая коллективная социальная цель предельно долговременного характера. Таким образом, социальный идеал — это предельно обобщенная социальная перспектива.

Данная социальная норма обладает тремя основными характеристиками. Будущее должно быть желаемым. Однако в литературе представлена и альтернативная позиция, когда описывается нежелаемое будущее. Она получила название антиутопия. Второй характеристикой выступает возможность данного будущего. Невозможное будущее стало основанием литературного жанра — фантастики, особо популярной среди современного российского читателя. Третья характеристика — это достижимость будущего. Если будущее недостижимо — это и есть утопия.

8.7. Однако социальный идеал представляет высшую внешнюю социальную норму, которую субъект принимает для себя. В этом случае формируется последний из выделяемых в литературе уровней социальных норм. Он представлен ценностями и убеждениями социального субъекта. Именно ценности и убеждения составляют основную мотивацию для деятельности социального субъекта.

Типология социальных норм дает возможность перейти к иной системе структурирования общества. Такая система также исходит из сферического принципа, однако выделяемые в ней сферы и критерии их выделения отличны от вышеприведенной. Однако в социально-философских исследованиях использование такой системы структурирования приносит стабильные положительные результаты. Исследованию этой системы будет посвящена третья часть указаний.

УСТОЙЧИВОСТЬ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

Одним из наиболее опасных явлений, которое может возникнуть при эксплуатации трубопровода, является потеря его продольной устойчивости. Это происходит, когда при действии положительного температурного перепада и внутреннего давления в поперечных сечениях трубопровода возникают сжимающие усилия. Ещё более опасным является вариант нагружения продольной сжимающей силой изогнутого трубопровода. Потеря устойчивости может привести к выпучиванию подземного трубопровода из траншеи, сопровождающемуся резким нарастанием прогибов и смятием трубы.

1.1. Потеря устойчивости прямого стержня под действием осевой сжимающей силы

Равновесие прямого стержня, сжимаемого осевыми силами, может быть устойчивым и неустойчивым.

При устойчивом равновесии прямолинейный сжимаемый стержень, выведенный из состояния равновесия, например, поперечной силой возвращает свою первоначальную форму после снятия внешней нагрузки.

При неустойчивом равновесии сжимаемый стержень, выведенный из состояния равновесия, продолжает деформироваться в направлении отклонения, а после прекращения воздействий в исходное состояние не возвращается.

Между двумя этими состояниями существует, так называемое, критическое состояние, характеризуемое критической сжимающей силой.

Достижение нагрузками критических значений равносильно разрушению конструкции, так как неустойчивая форма равновесия обязательно будет утрачена, а деформации и напряжения будут неограниченно расти.

При потере устойчивости (устойчивой формы равновесия) разрушение происходит внезапно от изгиба, когда прочность элемента на сжатие еще далеко не исчерпана.

Рассмотрим два способа определения критической силы. Первый из них классический метод Эйлера.

Рис. 1. Схема потери устойчивости прямого сжимаемого стержня

При потере устойчивости прямой стержень изгибается, а в поперечных сечениях возникает внутренний момент

. (1.1)

По теории стержней этот момент и прогибы связаны дифференциальной зависимостью

, (1.2)

где .

Решение дифференциального уравнения (2) имеет следующий вид

(1.3)

где и – постоянные, определяемые из граничных условий.

При ,

. (1.4)

Отсюда .

При ,

. (1.5)

Поскольку не может равняться нулю получаем условие для определения критической сжимающей силы

. (1.6)

Решение этого тригонометрического уравнения

. (1.7)

Подставляя в (7) выражение для и полагая, что для определения минимальной критической силы , получим выражение для критической силы, которое называется формулой Эйлера

. (1.8)

В основу второго метода расчета на устойчивость положен энергетический подход, и он позволяет рассматривать более сложные задачи. Для знакомства с этим методом рассмотрим предыдущую задачу

Рис. 2. Расчетная схема определения критической силы энергетическим методом

Согласно энергетическому принципу при потере устойчивости прямого стержня работа , совершенная силой , превращается в потенциальную энергию изогнутого стержня .

Потенциальную энергию деформации изогнутого стержня можно определить, если известно выражение для изгибающего момента

. (1.9)

С учетом дифференциальной зависимости изгибающего момента и прогиба

. (1.10)

Для вычисления работы необходимо выразить продольное перемещение , через поперечные перемещения . Для малых перемещений получаем

, (1.11)

где – угол поворота поперечного сечения стержня.

Между прогибом и углом поворота , также существует дифференциальная зависимость

. (1.12)

С учетом этого

. (1.13)

Работа силы

. (1.14)

Приравнивая и , получаем выражения для определения критической силы

. (1.15)

Таким образом, энергетический метод позволяет определить критическую силу , если задано уравнение прогибов . Важно отметить, что это уравнение может быть задано приближенно, но так чтобы оно удовлетворяло граничным условиям.

Для рассматриваемого примера (рис. 2) можно выразить прогиб тригонометрической функцией

. (1.16)

Получив первую и вторую производные от (1.16) и подставив в (1.15) легко получить точно формулу Эйлера (1.8). Это позволяет сделать вывод о том, что для решения практических задач можно применять приближенный энергетический метод и получать достаточно точные решения.

1.2. Поперечные перемещения подземного участка магистрального трубопровода

Продольные сжимающие усилия в трубопроводе, которые могут привести к потере его устойчивости, возникают от положительного температурного перепада и от внутреннего давления. При этом наиболее вероятным вариантом аварийных перемещений является выпучивание трубопровода из траншеи вверх. В связи с этим самыми опасными участками будут те, где магистральный трубопровод изогнут вверх.

С точки зрения механики стержней на расчетной схеме подземный трубопровод представляет собой прямой или изогнутый стержень, воспринимающий продольно поперечный изгиб (рис. 3).

Рис. 3. Схема нагружения подземного трубопровода

Поперечные перемещения такого трубопровода будут зависеть от продольной силы , возникающей от воздействия положительных температурных перепадов и действия внутреннего давления, а также от поперечных нагрузок, вызванных собственным весом трубопровода с продуктом и сопротивлением грунта .

Математическая модель для этого случая нагружения трубопровода будет иметь следующий вид

(1.17)

где – изгибная жесткость трубы;

– эквивалентное сжимающее усилие;

– коэффициент сопротивления грунта поперечным перемещениям трубы;

– поперечная нагрузка от веса трубы и продукта.

Сжимающее усилие может быть определено по методике [1], учитывающей сопротивление грунта продольным перемещениям и податливость деформируемого участка трубопровода.

Сопротивление грунта поперечным перемещениям трубопровода должно определяться в зависимости от направления изгиба трубы. Далее рассматривается методика оценки маханических характеристик грунта для случая, когда труба перемещается вертикально вверх из траншеи [2].

1.3. Сопротивление грунта поперечным перемещениям трубы

Механические характеристики грунта, с которым взаимодействует трубопровод, определяются экспериментально. Для решения поставленной выше задачи проводили испытания на трубах разного диаметра одинаковой длины .

Трубы укладывались на различную глубину (рис. 4) и затем поднимались лебедками с помощью тросов. Для каждого испытания строились диаграммы . Вертикальное перемещение трубы вверх измерялось специальными приборами. Нормальное давление на грунт определялось как отношение вертикальной силы к площади контакта грунта с трубой

. (1.18)

В процессе исследований были проанализированы результаты испытаний различных грунтов и установлено, что общий вид построенных диаграмм аналогичен (рис. 4).

Рис. 4. Диаграмма сопротивления грунта

На первом участке диаграммы, когда перемещения малы, сопротивление грунта почти линейно пропорциональны этим перемещениям. Поэтому можно

полагать

, (1.19)

где – обобщенный коэффициент нормального сопротивления грунта.

Коэффициент зависит от свойств грунта и геометрических параметров заглубленного трубопровода.

После достижения максимума сопротивление грунта начинает снижаться. Можно выделить второй участок, на котором происходит разгрузка трубы, также почти с линейной зависимостью между её перемещением и сопротивлением грунта.

При составлении расчетных математических моделей полученные экспериментальные результаты обычно представляют в виде зависимостей между погонной нагрузкой и поперечными перемещениями трубы . Реальная диаграмма испытаний (рис. 4) при этом заменяется билинейной (рис. 5). На такой идеализированной диаграмме выделяется характерная точка с перемещением , сопротивление грунта в которой считаются предельными . На участке, где перемещения меньше , сопротивление грунта пропорционально перемещениям

. (1.20)

Рис. 5. Билинейная диаграмма сопротивления грунта поперечным перемещениям

На участке разгрузки, когда поперечные перемещения становятся больше , с некоторым приближением можно считать, что сопротивление грунта также, как на первом участке, пропорционально перемещениям и вычисляется по формуле

, (1.21)

где – коэффициент разгрузки.

Предельная удерживающая способность грунта определяется призмой выпора. Для реальных трубопроводов можно считать, что угол откоса призмы определяется углом внутреннего трения грунта. Для определения предельного сопротивления грунта можно использовать эмпирическую формулу, полученную на основании анализа экспериментальных данных, рекомендованную в работе [2]

, (1.22)

где – объемный вес грунта, Н/м2;

– расстояние от верха засыпки до оси трубы, м;

– угол внутреннего трения грунта;

– сцепление грунта, Па.

Если считать, что при поперечных перемещениях трубы по величине равных глубине её заложения, сопротивление грунта равно нулю из формулы (1.21) получаем

, (1.23)

где – расстояние от верха засыпки до низа трубы.

1.4. Энергетический метод определения критической силы

Для анализа продольной устойчивости трубопровода с начальным изгибом (рис. 6) принимается модель грунта с ограниченным сопротивлением поперечным перемещениям вверх (рис. 5).

Для первого участка сопротивления грунта, (рис. 6), дифференциальное уравнение продольно-поперечного изгиба стержня (трубопровода) с начальным изгибом на упругом основании имеет следующий вид

(1.24)

где – коэффициент пропорциональности, который в данном случае кроме сопротивления самого грунта учитывает вес трубопровода с продуктом

; (1.25)

и – начальный и дополнительный прогибы сечений изогнутой трубы;

– продольное сжимающее усилие в начале рассматриваемого участка изогнутого трубопровода.

Для второго участка,

. (1.26)

Рис. 6. Расчетная схема подземного трубопровода с изгибом вверх

Точное совместное решение уравнений (1.24) и (1.25) получить достаточно сложно, поэтому для практических задач чаще используют энергетические методы, один из которых в простейшей постановке рассмотрен в разделе 1.1. При решении более сложных задач определяют полную энергию системы , которая равна разности потенциальной энергии деформации и работе внешних сил на возможных перемещениях

. (1.27)

Чтобы составить функционал энергии для рассматриваемой задачи, необходимо задать форму волны выпучивания трубопровода, подобно выражению (1.16). В работе [2], на основании проведенных исследований было установлено, что начальная форма изгиба трубы и форма, полученная после дополнительных поперечных перемещений , аналогичны и наилучшим образом описываются следующими выражениями

, (1.28)

, (1.29)

где – длина волны выпучивания участка трубопровода (рис. 6).

Потенциальная энергия системы труба – грунт, складывается из потенциальной энергии деформации упругоизогнутой трубы (формула 1.10) и потенциальной энергии накапливаемой грунтом при его деформации, которая подобно сжимаемой пружине будет равна половине произведения силы на перемещение для каждого бесконечно малого элемента в соответствии с уравнениями (1.24) и (1.26)

(1.30)

Работа внешних сил совершается продольной силой только на дополнительных перемещениях и будет вычисляться аналогично формулам (1.13) и (1.14)

. (1.31)

После подстановки в выражения (1.30) и (1.31) уравнений начального и дополнительного прогибов (1.28), (1.29) и интегрирования получается выражение для полной энергии системы трубопровод – грунт

(1.32)

Условию равновесия этой системы соответствует равенство нулю первой вариации полной энергии на возможных перемещениях. Для данной задачи первая вариация будет равна частной производной по дополнительной стрелке прогиба трубопровода , которая полностью определяет форму дополнительных перемещений в соответствии с выражением (1.29)

. (1.33)

Подробный анализ получаемой в результате таких исследований информации приводится в работе [2]. Наиболее важная зависимость между полным прогибом трубопровода и продольным усилием качественно представлена диаграммой на рисунке 7. На этой диаграмме полному прогибу соответствует точка потери устойчивости трубопровода второго рода, которая характеризуется неизменностью формы прогиба и наличием максимального продольного усилия, которое называется критическим

. (1.34)

Рис. 7. Диаграмма зависимости полного прогиба трубопровода

от продольного усилия

1.5. Упрощенные зависимости для практических расчетов

Для практических расчетов на устойчивость трубопроводов обычно используются более простые приближенные методики с допущениями, идущими в запас прочности. В данном учебном пособии приводятся рекомендации Всесоюзного научно-исследовательского института по строительству и эксплуатации трубопроводов (ВНИИСТ) [2]. В них предложены формулы для проверки условия устойчивости в соответствии с требованиями СНиП 2.05.06-85 «Магистральные трубопроводы»

, (1.35)

где – продольное сжимающее усилие;

– коэффициент условий работы магистрального трубопровода;

– критическая сжимающая сила.

Далее приводятся формулы для двух наиболее важных расчетных схем подземного трубопровода:

· прямолинейный участок;

· изогнутый вверх участок.

1.5.1. Расчет на устойчивость прямолинейного участка трубопровода

Формулы для прямолинейного участка применяются в тех случаях, когда расчетный радиус изгиба (рис. 6).

Критическая продольная сила заглубленного в грунт трубопровода

, (1.36)

где – изгибная жесткость трубы.

Расчетная длина волны выпучивания, соответствующая минимальному значению критического усилия

. (1.37)

Продольное сжимающее усилие

, (1.38)

где – температурный коэффициент линейного расширения;

– температурный перепад;

– кольцевые напряжения от внутреннего давления.

1.5.2. Расчет на устойчивость изогнутого вверх участка трубопровода

Критическая продольная сила

(1.39)

(1.40)

где – расчетный радиус оси изгиба трубопровода.

С учетом связи межу расчетным радиусом оси изгиба и критической длины волны выпучивания значение критической продольной силы можно определить по простой формуле

. (1.41)

Дополнительная стрела прогиба, соответствующая потере устойчивости:

, (1.42)

. (1.43)

При расчетном радиусе продольное сжимающее усилие вычисляется с учетом самокомпенсации (податливости) изогнутого участка трубопровода и продольных перемещений примыкающих прямолинейных участков. Прежде чем получить выражения для продольной силы необходимо ввести несколько параметров, зависящих от геометрических и механических характеристик рассматриваемой системы

(1.44)

(1.45)

где - обобщенный коэффициент касательного сопротивления грунта.

, (1.46)

где – предельное сопротивление грунта сдвигу.

Так как примыкающая часть прямолинейного трубопровода получает продольные перемещения, то возможны два случая его взаимодействия с грунтом и соответственно разные формулы для определения продольного сжимающего усилия.

· Участок предельного равновесия грунта отсутствует. В этом случае выполняется критерий

. (1.47)

В этом случае сжимающее усилие имеет следующий вид

(1.48)

· Имеется участок предельного равновесия грунта. Этому случаю соответствуют критерий

(1.49)

и сжимающая сила

. (1.50)





Дата публикования: 2014-09-25; Прочитано: 2564 | Нарушение авторского права страницы



studopedia.org - Студопедия.Орг - 2014-2020 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.037 с)...