Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Этапы эксплуатации сооружения

2. Учет фактора времени при оценках надежности строительных конструкций. Основные положения метода В.В. Болотина оценки надежности строительных конструкций и других механических систем

3. Классификация отказов технических систем. Виды отказов строительных конструкций

4. Задача

Литература

1. Этапы эксплуатации сооружения

При обследовании технического состояния зданий и сооружений объектами рассмотрения являются грунты основания и следующие основные несущие конструкции: фундаменты, ростверки и фундаментные балки; стены, колонны, столбы; перекрытия и покрытия (в том числе балки, арки, фермы стропильные и подстропильные, плиты, прогоны), а также балконы, эркеры, лестницы, подкрановые балки и фермы, связевые конструкции, элементы жесткости, стыки и узлы, сопряжения конструкций между собой.

При комплексном обследовании технического состояния зданий и сооружений объектами рассмотрения кроме выше описанных являются: системы холодного и горячего водоснабжения, отопления, канализации, вентиляции, мусороудаления, газоснабжения, лифтовое оборудование, электрические сети и средства связи.

Обследование технического состояния зданий и сооружений проводится в три этапа: подготовка к проведению обследования, предварительное (визуальное) обследование, детальное (инструментальное) обследование.

Подготовительные работы осуществляются с целью ознакомления с сооружением обследования, его объемно-планировочным и конструктивным решением, материалами инженерно-геологических изысканий, а также сбора и анализа проектно-технической документации, составления программы работ с учетом согласованного с заказчиком технического задания.

Предварительное (визуальное) обследование проводится с целью предварительной оценки технического состояния строительных конструкций и, при необходимости, инженерного оборудования по внешним признакам. В результате определяется необходимость проведения детального (инструментального) обследования и уточнение программы работ. При этом осуществляется сплошное визуальное обследование конструкций здания и выявление дефектов и повреждений по внешним признакам с необходимыми их замерами и фиксацией.

Зафиксированная картина дефектов и повреждений для различных типов строительных конструкций может позволить выявить причины их происхождения и быть достаточной для оценки технического состояния конструкций. Если результатов визуального обследования недостаточно для решения поставленных задач, если при визуальном обследовании обнаружены дефекты и повреждения, снижающие прочность, устойчивость и жесткость несущих конструкций здания и сооружения (колонн, балок, арок, ферм, плит покрытий и перекрытий и прочих), то проводится детальное (инструментальное) обследование.

При обнаружении характерных трещин, перекосов частей здания или сооружения, разломов сети и прочих повреждений и деформаций, свидетельствующих о неудовлетворительном состоянии грунтового основания, необходимо в детальное (инструментальное) обследование включать инженерно-геологические исследования, по результатам которых может потребоваться усиление грунтов основания, или защитные мероприятия (например, от подтопления).

Детальное (инструментальное) обследование технического состояния здания или сооружений включает:

* работы по обмеру необходимых геометрических параметров зданий или сооружений, конструкций, их элементов и узлов;

* инструментальное определение параметров дефектов или повреждений;

* определение фактических характеристик материалов основных несущих конструкций и их элементов;

* измерение параметров эксплуатационной среды, присущей технологическому процессу в здании и сооружении;

* определение реальных эксплуатационных нагрузок и воздействий, воспринимаемых обследуемыми конструкциями с учетом влияния деформаций грунтов основания;

* определение реальной расчетной схемы здания или сооружения и его отдельных конструкций;

* определение расчетных усилий в несущих конструкциях, воспринимающих эксплуатационные нагрузки;

* поверочный расчет несущей способности конструкций по результатам обследования;

* анализ причин появления дефектов и повреждений в конструкциях.

По результатам технических обследований составляется итоговый документ (заключение) с выводами по результатам исследования. При необходимости заключение может содержать рекомендации по восстановлению несущей способности конструкций. В случае отсутствия исходной проектной документации на объект или наличия некачественной документации в рамках обследования технического состояния объекта осуществляют необходимые обмеры для частичного восстановления документации

2. Учет фактора времени при оценках надежности строительных конструкций. Основные положения метода В.В. Болотина оценки надежности строительных конструкций и других механических систем

Строгий подход к расчету надежности строительных конструкций основан на учете фактора времени. Изменение нагрузок и несущей способности происходят с течением времени, а наступление опасного состояния возникает в результате постепенного накопления повреждений. Например, прочностные и деформативные свойства железобетонной конструкции таковы, что в течение периода эксплуатации в бетоне и арматуре развиваются процессы, изменяющие способность конструкции сопротивляться воздействиям нагрузок и влиянию окружающей среды. Колебания влажности, перепады температур с переходом через ноль, ползучесть бетона вызывают постепенное нарушение его структуры, что ухудшает эксплуатационные качества конструкции. Многократно повторное воздействие нагрузки приводит к развитию усталостных повреждений в металле и бетоне. Процессы коррозии стальных конструкций и арматуры в железобетоне снижают несущую способность. В то же время в начальной стадии нагружения происходит упрочнение бетона, и, следовательно, несущая способность железобетонной конструкции в начальный период эксплуатации может повышаться.

В.В. Болотиным были сформулированы положения, которые заложены в основу современной теории расчета.

Первое положение сводится к отчетливому пониманию того факта, что внешние воздействия на конструкцию (сооружение) и ее поведение в эксплуатации являются случайными процессами, развертывающимися во времени. Правильное решение проблем надежности и долговечности возможно с привлечением аппарата случайных функций.

Второе положение состоит в отождествлении надежности и вероятности нахождения параметров системы в некоторой допустимой области, а нарушение надежности рассматривается как выход из этой области.

Для конструкций транспортных сооружений и сооружений в целом такой выход равносилен прекращению их функционирования вследствие возрастания скоростей движения и нагрузок транспорта, возникновения недопустимых деформаций и повреждений, недостаточности отверстий для пропуска воды, наледей и др.

Третье положение состоит в том, что отказы, как правило, наступают вследствие постепенного накапливания повреждений, остаточных деформаций, износа, чрезмерного развития трещин, коррозии металла и арматуры, морозного выветривания и карбонизации бетона и т.п.

Метод В.В. Болотина

В.В. Болотин сформулировал и обосновал общие принципы построения теории расчета надежности строительных конструкций, в том числе и мостовых, с учетом фактора времени, а также разработал методы решения основных задач надежности механических систем.

Изменение нагрузок и несущей способности рассматриваются им с течением времени, а наступление опасного состояния происходит в результате постепенного накопления повреждений. Свойства бетонных, железобетонных, металлических конструкций транспортных сооружений таковы, что в течение периода эксплуатации в бетоне, арматуре и стали происходят процессы, изменяющие способность конструкции сопротивляться воздействиям нагрузок и влиянию внешней среды. Колебания влажности и перепады температур вызывают в бетоне постепенное нарушение его структуры, что ухудшает свойства конструкции. Многократно повторное воздействие нагрузки приводит к развитию усталостных повреждений. Процессы коррозии в арматурных элементах и стальных конструкциях также снижают их несущую способность.

В основу метода В.В. Болотина положено условие, что поведение конструкций описывается случайным процессом, а отказ рассматривается в виде случайного выброса из области допустимых состояний. Математический аппарат этого метода построен на применении теории случайных функций.

Общая схема расчета надежности с учетом физических, технических и эксплуатационных аспектов состоит из четырех этапов.

На первом этапе устанавливается расчетная схема системы и внешние случайные воздействия на нее.

На втором этапе определяется стохастическое поведение системы при случайных воздействиях.

Третий этап заключается в выборе пространства качества и области допустимых состояний в этом пространстве. За параметры качества могут приниматься значения напряжений, перемещений, усилий и других факторов, характеризующих состояние конструкции. Область допустимых значений устанавливается на основании технико-экономических соображений с учетом технологических и эксплуатационных требований.

На четвертом этапе рассчитывается функция надежности как дополнение до единицы вероятности случайного выброса за пределы допустимой области.

Область допустимых значений, особенно для мостовых конструкций, носит случайный характер. Для таких конструкций, стохастические свойства которых характеризуются конечным числом параметров, применяется метод условных функций надежности. Вначале рассчитывается надежность внутренне детерминированной системы под действием внешних нагрузок, трактуемых как случайный процесс. Эта надежность ? называется условной надежностью. Она зависит от случайных параметров характеризующих свойства системы - механические свойства материалов, дефекты, возможные отступления геометрических размеров от номинальных. Совместная плотность вероятностей этих параметров должна быть получена путем изучения и обобщения представительной статистической информации.

Затем применяется формула полной вероятности и находится функция надежности для любой системы:

> (1)

где > условная вероятность того, что нагрузка превышает несущую способность при фиксированных значениях параметров прочности за период времени

В частности, при нагрузках, описываемых стационарным гауссовским процессом, наступление отказа происходит при нарушении неравенства > и выражение (1) приобретает вид:

(2)

где функциональная зависимость несущей способности от случайных параметров и стандарт и математическое ожидание процесса нагружения; - стандарт скорости изменения процесса.

При наличии обширной исходной статистической информации и выбора критериев отказа задача определения надежности сводится к решению кратных интегралов. Стремление к аналитическому выражению функций надежности связано с рядом допущений. В общем случае интегралы (1), (2) не берутся аналитически и для их определения могут применяться различные численные методы с использованием ЭВМ, метод повторного применения квадратурных формул, метод замены подынтегральной функции интерполяционным полиномом, метод Монте-Карло. Этими методами возможно также построить законы распределения нагрузок и несущей способности, детерминистическая зависимость которых от случайных параметров установлена достоверно.

Решение задачи по определению полной надежности конструкции по формуле (2) можно значительно упростить путем применения способа последовательной замены случайных аргументов, предложенного В.П. Чирковым.

Если несущая способность была детерминированной, то вероятность отказа за время при описании нагрузки гауссовским случайным процессом вычисляется по формуле

> (3)

Фактически - случайная величина с плотностью вероятности В этом случае вероятность > трактуется как условная вероятность того, что параметр нагрузки превысит некоторое значение несущей способности за время

Применяя формулу полной вероятности, получаем значение надежности за время

(4)

Интегрирование осуществляется в пределах возможных значений

Для нахождения плотности вероятности применяется специальная методика последовательной замены случайных аргументов, которая позволяет найти распределение без применения кратного интегрирования.

Законы распределения несущей способности конструкций транспортных сооружений зависят от многих факторов и в математическом отношении представляют собой функции конечного числа случайных аргументов.

(5)

где обратное преобразование для случайного переменного которое является взаимно однозначной функцией относительно и случайных переменных совместная плотность распределения случайных аргументов.

Рассматривается функция с независимыми случайными переменными.

Пусть заданная детерминистическая зависимость имеет вид:

(5)

Задача нахождения плотности распределения нескольких аргументов сводится к простому случаю - функции двух аргументов. Для функции двух аргументов функция распределения и плотность вероятности записываются следующим образом:

(6)

(7)

где независимые случайные величины с плотностью распределения соответственно область интегрирования, для которой <

В выражении (6) входят неявно через пределы интегрирования.

Всякую функцию нескольких аргументов можно рассматривать по элементам, из которых состоит заданная функция.

С этой целью выделяется первоначальный элемент заданной функции который содержит два аргумента:

(8)

Применяя формулы (6), (7), можно найти интегральную и дифференциальную кривые распределения величины В результате распределения двух случайных величин и заменяются адекватным законом распределения одной случайной величины а общее число случайных аргументов уменьшится и станет равным

Затем рассматривается второй элемент функции который включает в себя первый элемент дополнение :

(9)

Величина устанавливает функциональную зависимость между и в которой содержится аргумент Во втором элементе аргументами являются также две случайные величины и Для величины как функции двух аргументов интегральная и дифференциальная кривые распределения находятся на основании формул (6), (7). Аналогично находятся распределения для третьего элемента, который включает в себя второй элемент и дополнение

Повторив этот прием раз, можно найти законы распределения для функции с произвольным количеством случайных аргументов.

Таким образом, способ последовательной замены случайных аргументов позволяет найти дифференциальный и интегральный законы распределения функции произвольного числа случайных переменных, не прибегая к кратному интегрированию. Взамен кратных параметрических интегралов по формуле (4) выражения (6), (7), определяющие дифференциальный и интегральный законы функции случайных переменных, содержат всего лишь одну переменную интегрирования при каждом шаге замены случайных аргументов. Объем вычислений резко сокращается. Для построения кривой по точкам необходимо вычислить значений подынтегральной функции вместо значений по формуле (4).

Для конструкций транспортных сооружений данный способ позволяет определить вероятность надежной работы конструкции во время эксплуатации, найти законы распределения несущей способности железобетонных и стальных конструкций, деформаций бетона в предварительно напряженной балке, различных сочетаний нагрузок и т.д.

3. Классификация отказов технических систем. Виды отказов строительных конструкций

- в зависимости от причин возникновения - внутренние отказы, вызванные недостатками конструкций, отказы из-за внешних причин (перегрузки, изменение схем работы и нагрузки и т.п.);

- в зависимости от скорости проявления - последовательные, постепенные, внезапные отказы;

- в зависимости от диапазона отказов - частичные, связанные с отклонением характеристик от допускаемых пределов и не вызывающие полной утраты работоспособности, полные отказы;

- по сочетанию предыдущих концепций - каталептические отказы (внезапные и полные), отказы с постепенным ухудшением параметров и характеристик;

- в зависимости от последствий - незначительные, не приводящие к ухудшению эксплуатационных характеристик, значительные, критические отказы конструкций, приводящие к полному прекращению выполнения функций и появлению большого риска;

- в зависимости от срока эксплуатации - преждевременные (часто до монтажа), случайные, износовые.

Постепенные отказы конструкций являются функцией времени и бывают вызваны главным образом старением материалов, накоплением внутренних напряжений и т.д. Внезапные отказы вызываются такими изменениями параметров элемента, при которых его следует считать неработоспособным. Такие отказы конструкций появляются при перераспределении и суммировании в узлах нагрузок, в результате действия дополнительных внешних нагрузок, неучтенных сочетаний нагрузок. При расчете систем с учетом этих двух видов отказа конструкций ориентируются на следующие положения: постепенный отказ конструкций можно исключить, если учесть все возможные изменения характеристик и параметров во времени; внезапные отказы конструкций случайны, их нельзя полностью исключить или предсказать; постепенные и внезапные отказы конструкций взаимосвязаны и не являются независимыми. Из последнего вытекает принцип возможного резервирования, широко применяемый в радиопромышленности.

В отличие от простых систем, где имеются только два возможных состояния, - нормальное эксплуатационное и отказ, в зданиях большая часть конструкций и элементов может иметь несколько состояний, соответствующих частичным отказам и неисправностям. В связи с этим отказы конструкций классифицируют следующим образом: частичный отказ узла или элемента, восстановление или усиление которого приводит к полному восстановлению надежности сооружения; отказы наиболее ответственных элементов сооружений (оснований, фундаментов, колонн, ригелей и т.п.), приводящие к полному отказу всего сооружения. Отказы конструкций второй группы могут быть внезапными. Усиление этих элементов порой связано с большими объемами разборки.

Характеристики отказов конструкций должны отражать различные формы (категории) несущей способности здания или его частей. Допустимую вероятность отказа следует определять в зависимости от тяжести последствий. Обычно легче сконструировать изделие для мягких (благополучных) условий работы, чем для жестких (предельных). Поэтому одним из способов повышения надежности, например, в машиностроении, является создание о6легченных условий для работы изделий.

4. Задача

Система состоит из двух параллельно соединённых элементов, надёжность каждого из которых составляет 0,999. Определим надёжность системы.

Решение:

Параллельное соединение элементов означает, что устройство, состоящее из этих элементов переходит в состояние отказа после отказа всех элементов при условии, что все элементы системы находятся под нагрузкой, а отказы элементов статистически независимы.

Применительно к проблемам надежности, по правилу умножения вероятностей независимых (в совокупности) событий, надежность устройства из n элементов вычисляется по формуле:

Р=1-(1)

т.е. при параллельном соединении независимых (в смысле надежности) элементов их ненадежности (1-pi=qi) перемножаются.

Р = 1 - (1-р)n. (2)

По формуле (2): Р=1-(1-0,999)2=0,999999.

1. Ржаницын А.Р. Теория расчета строительных конструкций на надежность. - М.: Изд-во Высш. шк., 2008.

2. Райзер В.Д. Теория надежности в строительном проектировании. - М.: Изд-во АСВ, 2001.

3. Надежность технических систем: Справочник / Под ред. И.А. Ушакова. - М.: Радио и связь, 2005.

4. ГОСТ Р 53778-2010 Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния 01.01.2011 г.

5. http://edu.dvgups.ru/METDOC/ITS/MOST_TON/NAD_DOLG_ITS/METOD/DMITRIEV/2.htm

6. http://www.moluch.ru/archive/57/7815/

7. http://vunivere.ru/work27746