Обеспечение надежности гидротехнических сооружений является одной из основных и актуальных проблем строительства, что характеризуется резким повышением объема и уровня исследований в этом направлении. Три тесно связанные идеи положены в основу развития теории надежности гидротехнических сооружений. Первая сводится к тому, что условия эксплуатации и поведение их конструкций - это случайные процессы, а решение проблем надежности возможно лишь с привлечением теории случайных функций. Согласно второй идее, за основной показатель надежности принимается вероятность пребывания параметров сооружений в некоторой допустимой области, а нарушения их нормальной эксплуатации рассматриваются как выбросы из этой области. Третья идея состоит в признании того факта, что выход конструкции из строя, как правило, является следствием постепенного накопления повреждений, остаточных деформаций, износов и др., которые со временем, достигнув определённой величины, начинают препятствовать нормальной эксплуатации конструкции.

Надежность сооружений тесно связана с понятиями отказов и уровня их критичности, учитывающего тяжесть последствий этих отказов (т.е. материальных и моральных потерь). При этом следует учитывать как прямые потери, так и косвенные (вторичные). В некоторых случаях необходимо брать в расчет также и удаленные во времени последствия отказов. Отказ может быть полным или частичным и принадлежит к категории случайных событий. Количественные показатели надежности сооружений зависят от того, как часто в них возникают отказы и насколько быстро они устраняются.

Как правило, за основной показатель надежности сооружения принимается вероятность Р его безотказной работы в течение всего срока службы t. Тогда очевидно, что Р ? Р (t), где Р (t) - функция надежности, т.е. вероятность того, что в пределах заданного срока службы сооружения не возникнет ни одного отказа. Для высоконадежных объектов (какими являются большинство строительных систем) вероятность безотказной работы по отношению к критическим (тем более - катастрофическим) отказам должна быть весьма близка к единице. Вероятность того, что в пределах заданного срока отказ объекта возникнет, определится функцией отказов (или функцией риска):

Q (t) = 1 - P (t).

Целью нормативных требований по надежности конструкций и сооружений является оптимальное соответствие их экономических и конструктивных качеств, включая их безопасность.

Они выбираются с учетом возможных отказов конструкций и случайных рисков, которым подвергаются гидротехнические сооружения.

Отказам и рискам соответствуют различные виды и уровни ущерба, которые существенно зависят от условий эксплуатации конструкции или сооружения. В пространстве случайных переменных каждому состоянию конструкции соответствует точка этого пространства, а множеству критических состояний - область отказов или случайных рисков.

Множество точек на границе области отказа и рисков, соответствуют предельным состояниям.

Условие недопустимости предельного состояния сооружения запишется в известном виде [1, 2]:

R (q) - S (q) > 0. (1)

Вероятность случайного события, состоящего в том, что это неравенство будет выполнено, есть не что иное, как мера надежности системы:

гидротехническое сооружение надежность конструкция

P =, (2)

где q - обобщенный параметр, характеризующий конечное число независимых параметров q₁, q₂,.,q_n, определяющих внешнюю нагрузку, несущие свойства конструкции или материала, отступление условий работы конструкции от расчетной схемы и т.д.

Если все определяющие параметры q₁, q₂,., q_n считать случайными, предполагая, что известна их совместная плотность вероятности p (q), то основная цель расчета будет состоять в определении вероятности того, что недопустимое предельное состояние конструкции не достигается. При этом найденные вероятности сопоставляются с некоторыми нормативными значениями.

Задача определения надежности Р сводится к интегрированию плотности вероятности p (q) по той части пространства определяющих параметров q₁, q₂,., q_n, где выполняется условие (1) (т.е. "область безопасности").

Наблюдаемая интенсивность отказов равна числу зарегистрированных отказов данного вида, деленному на общее число лет работы сооружений. Если число событий за фиксированное время подчиняется нормальному распределению, то для заданной доверительной вероятности можно оценить верхнюю границу частоты отказа. Если известно число лет между аварийными ситуациями и число отказов F за интервал времени t, то интенсивность отказов определяется как отношение: F (t) = F/t, которое рассматривается как постоянная в данном интервале времени.

Вероятность наступления хотя бы одного критического отказа на заданном отрезке времени обычно называют показателем риска или просто риском. Как правило, риск существует объективно и независимо от того, учитывается он в проектах или нет. Риск часто связывают с природными катастрофами, недостаточной достоверностью расчетов, возможностью отклонения расчетных схем от реальной работы конструкций, правильностью подбора материалов и т.д. Например, при большой повторяемости землетрясений риски повышаются при снижении стоимости сооружений.

При исследовании рисков рассматривают не только вероятности тех или иных событий и их последствий, но и учитывают реакцию на них общества. Конечным результатом исследования является информация для принятия решения в процессе контроля и управления риском, который включает следующие этапы:

а) техническая оценка риска, идентификация последствий и определение их количественных показателей;

б) анализ риска с целью сравнения этих показателей;

в) управление риском, который предусматривает перевод аналитических результатов в организационные мероприятия и нормативные документы с целью определения средств и методов повышения безопасности, оптимального распределения ресурсов на её обеспечение или ликвидацию последствий [4].

Для учета уровня ответственности сооружений по экономическим, социальным и экологическим последствиям иx отказов используют коэффициенты надежности по назначению г_n, учитывающие следующие классы ответственности и капитальности зданий и сооружений: 1-й класс (уникальные здания и сооружения, имеющие особо важное хозяйственное и социальное значение) - г_n ? 1,2; 2-й класс (здания и сооружения, не входящие в 1-й и 3-й классы) - г_n = 0,95; 3 - й класс (сооружения ограниченного значения) - г_n = 0,9, но не менее г_n = 0,8.

Наиболее важными в процессе оценки риска являются практические процедуры и технические приемы определения опасных ситуаций [6]. Они применяются на различных стадиях проектирования, имеют различную детализацию и включают предварительный анализ опасности, изучение вида действующей опасности и последствий, анализ и моделирование возможных сценариев опасности. Применение того или иного приёма в основном зависит от целей, для достижения которых проводится оценка риска. Функция риска (функция отказов) выражает вероятность отказа за время t.

(7)

где: f (t) - функция плотности вероятности отказа, F (t) - функция распределения его вероятности, t - момент предполагаемого отказа.

В начальный период значения функции риска Q (t) бывают относительно большими вплоть до момента t_0, однако с течением времени они, уменьшаясь, остаются постоянными до момента t₁ и далее возрастают вследствие "выработки ресурса". Вероятность отказа F (t) в интервале времени (0,t) равна:

, (8)

где: Q (t) - функция риска для i-го вида отказов, t_i - момент времени, после которого может произойти отказ i-го вида.

Исходя из вышеизложенных оценена надёжность гидротехнических сооружений Гиссаракского водохранилища. При этом составлены две сценарии аварии водохранилища по методу "дерево отказов".

Сценарий А₁ - перелив через гребень плотины при уменьшение пропускной способности водосброса в период паводка. В этом случае вероятность безотказной работы гидротехнических сооружений водохранилища определяется последующим образом:

P_A1= P_B1Ч P_B2 (9)

P_B1=1- (1 - P_C1) Ч (1 - P_C2) Ч (1 - P_C3);. (10)

Сценарии А₂ - разрушение участков плотины.

P_А1=1- (1 - P_В3) Ч (1 - P_В4); (11)

P_B3=1- (1 - P _С3) Ч (1 - P _С4) Ч (1 - P_C5); (12)

P_B4=1- (1 - P _С6) Ч (1 - P _С7) Ч (1 - P_C8). (13)

Средняя годовая частота вероятности событий элементов "дерево отказов" получены из проектных материалов, опубликованных информационных источников, исследовательских материалов. Эти сведения приведены в таблице №1.

Для сценария А₁ P_A1=10^-6 1/год;

Для сценария А₂ P_A2=10^-4 1/год;

Для первой группы II-класса грунтовых плотин допустимое предельное состояние риска аварии в период постоянной эксплуатации составляет (4.5) Ч 10^-4 1/год. Если сопоставить значения сценарий А₁ и А₂ с предельными значениями, то риск аварии Гиссаракского водохранилища отвечает принятым нормам.

Таблица 1. Среднее годовая величина вероятности отказа гидротехнических сооружений Гиссаракского водохранилища.

Литература

1. Ашрабов А.А. Основные определения и количественные показатели надеж-ности строительных систем. Изд. ТашИИТ, 2005, 83 с.

2. Ашрабов А.А. Методы вероятностных расчетов строительных конструкций. Изд. ТашИИТ, 2005, с.111.

3. Рашидов Т.Р., Ашрабов А.А. К оценке и снижению сейсмического риска в г. Ташкенте. Сб. статей РААСН, том 2, Москва, 2008, с.89-101.

4. Синицын А.П. Расчет конструкций на основе теории риска. М.: СИ, 1985.

5. Хенли Р.Д., Кумамото X. Надежность технических систем и оценка риска. М.: Машиностроение, 1984.

6. Шадунц К.Ш. Оценка степени риска при проектировании, строительстве и эксплуатации сооружений. КГАУ. 1996.

Размещено на Allbest.ru