Приложение А (справочное). Дополнительная информация и рекомендации

Приложение А
(справочное)

Дополнительная информация и рекомендации

А.1 Калибровка коэффициентов надежности

Определение коэффициентов надежности обычно выполняется на основе ряда расчетных ситуаций. Достигаемая надежность может меняться в зависимости от конкретной расчетной ситуации, поэтому отдельные коэффициенты оптимизируются таким образом, чтобы минимизировать отклонения от целевой надежности для целого ряда ситуаций. Калибровка может выполняться для отдельных географических областей и МНГС, или для ожидаемого диапазона географических областей и МНГС.

Для каждого предельного состояния и каждого класса сооружения (L ₁, L ₂ и L ₃) обычно необходима индивидуальная калибровка.

Калибровка коэффициентов надежности должна учитывать важность конкретных элементов всего МНГС, взвешенные комбинации последствий воздействий и модели сопротивлений.

А.2 Надежность

А.2.1 Общие положения

Настоящий стандарт использует термин "надежность" преимущественно в контексте "надежность конструкции", которая определяет общую безопасность персонала, опасность для окружающей среды и экономический риск.

Оценки надежности, основанные на фактическом опыте, называются "вероятностными", то есть подразумевается, что результаты можно интерпретировать как истинную частотность отказов. В подобных случаях неопределенности (включая нехватку знаний) минимальны и не оказывают существенного влияния на расчетный или предполагаемый уровень надежности. Если неопределенности и допущения, связанные с моделированием, оказывают значительное влияние на результаты, анализ надежности считается "теоретическим", то есть подразумевается, что частотность отказов не должна интерпретироваться в качестве истинной. Предпочтительно использовать вероятностные методы, однако это не всегда возможно.

"Теоретический" анализ надежности конструкции часто используется для формулирования критериев основного предельного состояния и предельного состояния по критерию усталостной прочности, при этом "вероятностная" оценка риска имеет более важное значение в отношении критериев особого предельного состояния.

Уровни надежности тесно связаны с причинами, расчетными ситуациями, используемыми методами анализа и рассматриваемыми неопределенностями. При выборе целевых уровней принимают во внимание различные практические методики инженерного обеспечения, связанные с МНГС, фундаментом, сейсмической и ледовой обстановкой.

Насколько это возможно, выбранные целевые показатели надежности должны согласовываться с установившейся практикой, чтобы поддерживать допустимые величины риска. При определении целевых показателей учитывают безопасность людей, а также экологические и экономические последствия. Для соответствующих случаев также учитывают изменения параметров, влияющих на надежность в течение расчетного срока службы или периода анализа.

Принципы, указанные в этом разделе, используют для следующих целей:

- определение коэффициентов надежности;

- демонстрация обеспечения достаточного уровня безопасности в рамках конкретного проектного решения;

- демонстрация обеспечения достаточного уровня безопасности в рамках рабочих операций, среди которых транспортирование, эвакуация и спасение, а также мониторинг ледовой обстановки.

В настоящем разделе представлено общее описание вероятностного подхода к оценке надежности МНГС. Детальное описание оценки надежности МНГС представлено в [7].

А.2.2 Надежность и вероятность аварийной ситуации

Для описания безопасности можно использовать следующие понятия:

- вероятность аварийной ситуации на протяжении определенного базисного периода;

- вероятность отсутствия аварийной ситуации на протяжении определенного рассматриваемого периода.

Вероятность аварийной ситуации и надежность обычно выражаются на ежегодной основе. Предполагается, что базисный период равен одному году. Обе вышеуказанные величины взаимозаменяемы и могут использоваться совместно с эквивалентными результатами.

Взаимосвязь между надежностью конструкции R и вероятностью аварийной ситуации p _f выражается формулой (А.1):

.

(А.1)

Значение надежности конструкции иногда выражается в виде коэффициента запаса прочности, который определяется как коэффициент предельной несущей способности конструкций при экстремальном воздействии повторяемостью один раз в 100 лет.

А.2.3 Надежность систем и элементов

Надежность оценивается для отдельных элементов МНГС или его систем, а также для МНГС или его систем в целом. Надежность системы оценивают в условиях, когда надежность отдельного элемента МНГС или его систем определяется несколькими аварийными состояниями, или когда анализируемое МНГС или система содержит несколько элементов. Особое внимание уделяют вероятности повреждения системы после начального повреждения элемента.

Критерии особого предельного состояния часто связаны с повреждением системы, в то время как критерии основного предельного состояния и предельного состояния по критерию усталостной прочности обычно относятся к неисправностям элементов. Помимо учета требований, предъявляемых к усталости, сопоставляют составляющие критерии с вероятностью повреждения системы в результате усталостного разрушения.

Целевые показатели надежности, связанные с повреждением МНГС (например, для классов сооружения L ₁ и L ₂), определены для наиболее актуальных опасностей, включая штормовые, сейсмические и ледовые опасности. Такие целевые показатели определены с целью обеспечения приемлемости уровней социальных и экологических рисков.

А.2.4 Единственные и множественные причины

Оценку надежности можно выполнять для единственных или множественных причин. К числу единственных причин могут относиться конкретные физические процессы окружающей среды (например, волнение и лед) или другие опасности (например, пожары, взрывы и навал судов). Целевые показатели надежности должны учитывать вклады различных причин в безопасность МНГС или системы.

А.2.5 Вероятность аварийной ситуации и безопасность персонала

Уровни риска для МНГС часто имеют количественное выражение и во время анализа безопасности (варианты безопасного развития событий) представляются в виде годового индивидуального риска (IRPA), определяемого как вероятность смерти отдельного человека на протяжении года. Критерии приемлемости риска формулируются на основе IRPA, при этом меры снижения риска оцениваются с помощью их вклада в уменьшение IRPA.

Вклад IRPA прямо пропорционален годовой вероятности разрушения МНГС вследствие воздействия определенной опасности, если сооружение обитаемо во время такого события (класс сооружения L ₁). Повреждение МНГС представляет собой составную часть индивидуального риска. Величина этой части может значительно меняться в зависимости от типа МНГС и места расположения. Для обитаемых МНГС необходимо минимизировать IRPA и, как следствие, годовую вероятность разрушения МНГС.

А.2.6 Кривые опасностей

Целевые показатели надежности, связанные с повреждением конструкции (например, классы сооружения L ₁ и L ₂), определены для наиболее актуальных опасностей, среди которых экстремальные штормы (см. [7]), землетрясения (см. ГОСТ Р 57123) и ледовая обстановка (см. [5]). Различия этих целевых показателей для заданного класса сооружения преимущественно отражены в различиях наклона соответствующих кривых опасности.

Кривая опасности описывает отклонение величины опасности в зависимости от периода повторяемости или годовой обеспеченности события. Данная кривая представляет собой меру относительной сложности уменьшения определенной опасности. На рисунке А.1 показаны примеры кривых опасностей для волнового воздействия (для стальных МНГС, испытывающих преимущественно гидродинамическое сопротивление), морского льда и землетрясений.

Наклон кривых опасности можно определить как частное от деления 10 000-летней интенсивности опасности на 100-летнюю интенсивность опасности. В примерах, показанных на рисунке А.1, наклон кривой опасности относительно умерен для воздействий морского льда (1,4 - 1,5), но увеличивается до 1,5 - 1,9 при волновых воздействиях на конструкции, испытывающие преимущественно гидродинамическое сопротивление, и значительно увеличивается до 2,5 - 5 для сейсмических опасностей. Кривые опасности для воздействий айсбергов соответствуют кривым сейсмической опасности.

Y - нормированные воздействия (ERP/E100) ^a; X - период повторяемости (годы); - сейсмические воздействия; - волновые воздействия; - воздействия морского льда

------------------------------

^а_{ERP/E100 представляет собой отношение величины воздействий с различными периодами повторяемости к величине 100-летнего воздействия.}

------------------------------

Рисунок А.1 - Пример кривых опасности

Разница в наклоне означает, что добавочные затраты на улучшение безопасности зависят от типа опасности и географического местоположения. В области высокой сейсмичности эти затраты могут намного превосходить расходы на увеличение безопасности при экстремальном шторме или воздействиях морского льда.

Наклон кривой опасности для воздействий морского льда похож на нижнюю часть кривой опасности волн, связанных с зимними штормами. Вследствие этого коэффициенты воздействия, примененные к 100-летним значениям для расчета предельных состояний по прочности (см. [5], таблица 7 - 4), безусловно очень похожи на значения для зимних штормов (Северное море), указанные в таблице А.9.9-1 стандарта [7]. Периоды повторяемости для особых предельных состояний также эквивалентны, а целевые показатели надежности похожи.

Для других опасностей или географических областей согласующиеся коэффициенты надежности по нагрузке можно определить на основе тех же принципов с учетом рекомендаций, сформулированных в А.2.7.

А.2.7 Вероятностный анализ

А.2.7.1 Общие положения

Общие рекомендации для МНГС приведены в А.2.7.2 - А.2.7.4.

А.2.7.2 Описание моделей

Воздействия и сопротивления могут представляться непосредственно с помощью распределений вероятностей или математических моделей их взаимосвязей с параметрами МНГС и окружающей среды, которые описываются распределениями вероятностей.

Неопределенность моделей, используемых для представления воздействий и сопротивлений, должна характеризоваться в рамках методологии.

А.2.7.3 Описание параметров

В описании распределений вероятностей базовых переменных моделей для событий, воздействий и сопротивлений учитывают следующее:

- выбранное распределение должно отражать характер процесса;

- для описания характеристик воздействий используют доступные результаты локальных исследований. Если прямые измерения недостаточны, необходима обоснованная и оправданная физико-математическая аргументация применения данных из других географических районов во время объединения доступных наборов данных и определения корреляций с другими локальными параметрами;

- простейшие формы распределений зачастую оказываются наилучшими, особенно когда количество данных ограничено;

- необходимо корректировать смещение выборки;

- особое внимание уделяют краевым частям распределений параметров, отвечающих за более сильные воздействия. Экстраполяция к экстремальным или аномальным значениям из ограниченных наборов данных может повлечь значительные ошибки и потенциально привести к небезопасным или чрезмерно консервативным расчетам;

- при рассмотрении распределений годовых значений используют распределения экстремального типа;

- распределения должны учитывать неопределенности данных;

- в соответствующих случаях учитывают сезонные изменения;

- статистическое описание параметров должно учитывать продолжительность событий и последствия;

- в соответствующих случаях учитывают корреляции между параметрами, а также автокорреляции и взаимные корреляции для временных последовательностей;

- значения параметров среднего, экстремального и аномального уровней, связанные с воздействиями, проверяют на реалистичность и наличие физического смысла при использовании в комбинации;

- надлежащим образом обосновывают использование гауссовых или равномерных распределений, применяемых для упрощения анализа.

А.2.7.4 Комбинации и последствия воздействий

Каждое воздействие комбинируют с точки зрения теории вероятности, используя сопутствующие действия и распределения суммарных вероятностей. Нет необходимости одновременно рассматривать взаимоисключающие воздействия.

Для усталостного разрушения учитывают суммарный эффект всех комбинаций повторных воздействий в течение расчетного срока службы МНГС.

А.3 Рекомендации по применению анализа и моделей

А.3.1 Общие положения

Данный подраздел содержит общие рекомендации по применению компьютерного анализа и модельных испытаний во время оценки эксплуатационных характеристик МНГС.

А.3.2 Анализ прочности МНГС

Для проектирования или оценки МНГС обычно используются следующие процедуры анализа:

- анализ общей динамики, который демонстрирует общее влияние воздействий (силы, моменты, ускорения, смещения, нагрузки на фундаменты или системы позиционирования) на МНГС в целом;

- анализ МНГС, который демонстрирует влияние воздействий (силы и моменты) на отдельные элементы МНГС;

- анализ элементов МНГС (поперечные сечения, соединения и т.д.), который более детально демонстрирует их сопротивление и общую динамику (прочность и стабильность);

- анализ локальных особенностей и деталей (например, на разрывах поперечных сечений и соединениях). Достаточно точное представление локальных особенностей и деталей имеет особую важность для предельных состояний усталости, когда возможно возникновение концентраций локальных напряжений.

Методы линейной упругости, используемые для общего анализа МНГС для предельного состояния по критериям пригодности к нормальной эксплуатации, основного предельного состояния и предельного состояния по критерию усталостной прочности, обычно остаются практически пригодными, даже когда концентрации локальных напряжений могут превышать пределы текучести. Если динамика системы МНГС преимущественно нелинейна (например, райзер, системы швартовки, взаимодействие между сваей и грунтом), анализ выполняют с помощью подходящих нелинейных методов.

В подходящих случаях (при пластических деформациях и т.д.) для анализа особого предельного состояния можно применять проверенные методы, использующие нестандартные представления воздействий или сопротивления, когда результаты в достаточной мере нечувствительны к незначительным изменениям определения рассматриваемого события.

А.3.3 Испытание методом физического моделирования

Испытания на основе физических моделей могут использоваться для следующих целей:

- исследование воздействий или влияний воздействий (отклика конструкции), вызываемых физической средой (ветрами, волнами, течениями, льдом), воздействующей на МНГС или его элементы, чтобы учесть предельные состояния;

- определение гидродинамики сложных геометрических элементов;

- исследование особенностей эксплуатации с учетом физической среды;

- определение сопротивлений МНГС или их элементов;

- исследование сложных аспектов динамики материалов или текучих сред;

- исследование обстоятельств за пределами опыта применения реальных или модельных объектов;

- проверка на отсутствие неожиданной динамики;

- определение степени пригодности или репрезентативности аналитических или численных моделей;

- дополнение или проверка аналитических или численных методов.

А.3.4 Планирование модельных испытаний

Во время планирования, проведения и интерпретации модельных испытаний учитывают следующие требования:

- масштабирование должно соответствовать подходящей теории подобия;

- коэффициенты масштабирования должны находиться в диапазоне, обеспечивающем хорошее масштабирование ключевых свойств;

- необходимо минимизировать ошибки масштабирования;

- необходимо проверить процедуры испытаний;

- необходимо надлежащим образом откалибровать все измерительные приборы;

- моделируемые параметры должны соответствовать намеченной цели;

- все подходящие проверочные данные и сопутствующие результаты наблюдений необходимо надлежащим образом задокументировать;

- необходимо продемонстрировать повторяемость результатов или провести достаточное количество измерений, чтобы определить потенциальную изменчивость результатов;

- интерпретация должна надлежащим образом учитывать неопределенности моделируемых взаимосвязей и изменчивость характеристик.

Во время проведения модельных испытаний необходимо соблюдать следующие предосторожности:

- основой выводов должны служить надлежащим образом масштабированные параметры и апробированные процедуры испытаний;

- необходимо надлежащим образом учесть масштабные эффекты;

- результаты модельных испытаний должны дополняться опытными данными или использованием численных или аналитических методов;

- необходимо минимизировать влияние оборудования на результаты измерений;

- необходимо выявить и минимизировать ложное модельное поведение.

А.3.5 Неопределенности расчетной модели

Расчетная модель характеризует физическую или эмпирическую взаимосвязь между соответствующими переменными, которые в общем случае представляют собой случайные величины. Необходимо обеспечить максимальную полноту и точность моделей, чтобы минимизировать итоговые ошибки в случае применения измеренных значений переменных. Сложность модели должна согласовываться с доступными исходными данными и точностью предполагаемого результата. Влияние неопределенностей может также учитываться непосредственно в модели (например, модель выбирается "с запасом"),

А.3.6 Испытание прототипов

МНГС или часть МНГС может также проектироваться на основе результатов испытаний опытных образцов, имеющих отношение к определенной рассматриваемой расчетной ситуации, например, испытания на крен при определении остойчивости. Расчеты, основанные на результатах испытаний прототипов, могут учитывать неустранимые неопределенности испытаний, используя подходящие коэффициенты надежности.

Кроме того, МНГС или часть МНГС может проектироваться на основе результатов существующего сооружения, имеющего отношение к рассматриваемой расчетной ситуации.