Надёжность строительных конструкций

Раздел VII. Надёжность строительных конструкций

Для оценки пригодности здания к эксплуатации используют методы теории надёжности. Надёжность здания выражается веро­ятностью его безотказной работы в течение заданного срока. Кроме того, надёжность здания позволяет вычислить безопасность нахождения в нём людей, что для многих жилых домов, прослуживших длительное время, а также подвергшихся различным экстремальным воздействиям, является актуальным.

Представляется разумным в паспорте на здание указывать его текущую надёжность.

В процессе эксплуатации здания происходят различные нарушения нормального протекания функциональных процессов. Такие нарушения носят название «отказы». Более точное понятие отказа - событие, заклю­чающееся в нарушении или пре­кращении выполнения объектом предназначенной для него функ­ции.

На основании многочислен­ных наблюдений установлено, что каждый вид изделий за период эксплуатации проходит три пе­риода, для каждого из которых свойственен свой характер прояв­ления отказов (рис. 3.1).

Первый период (период приработки) характерен тем, что количество отказов во времени (n) интенсивно уменьшается. В этот период относи­тельно быстро выясняются и устраняются дефекты, которые были допу­щены при проектировании и изготовлении изделия. Во втором периоде работы (период нормальной эксплуатации) число отказов во времени начинает плавно увеличиваться за счёт различных износовых явлений.

Как правило, такие отказы связаны с проявлением неупрутих свойств материалов (из-за чего развиваются недопустимые прогибы конструкций, появляются просадки зданий и т.п.). В то же время нельзя исключить и внезапного возникновения отказов, например, из-за природных воздейст­вий (большой снегопад, штормовой ветер и т.п.). Однако такого рода отка­зы редки, но чем больше фактический срок эксплуатации, тем вероятность проявления таких отказов больше.

Рекомендуемые материалы

В третьем периоде (период износа и старения) количество отказов во времени резко возрастает.

Расчётным периодом, как правило, является период нормальной экс­плуатации. Определение его длительности проблематично. Подходы могут быть разные. Можно использовать:

- нормативный срок службы конструкции или сооружения;

- признаки морального износа;

- признаки физического износа;

- время достижения конструкции или здания нормированной на­дёжности.

Нормативный срок службы директивно определён нормативными документами и зависит от капитальности здания (рис. 3.2).

Срок службы по признакам морального износа наступает тогда, ко­гда здание, ещё имея достаточные запасы прочности, перестаёт удовлетво­рять потребителя по признакам несоответствия своих возможностей его запросам. В этом случае дефекты могут не проявляться физически, но тем не менее снижать качество здания. В этом случае дефекты можно отнести к категории моральных.

Моральный износ (м.и.) наступает также и тогда, когда расходы на содержание здания начинают превышать доходы, получаемые от его экс­плуатации (рис. 3.3).

Очень     важной характеристикой    при оценке   текущего   со­стояния жилого здания является понятие «фи­зический износ». Износ характеризует количе­ство утерянного каче­ства.   Например,  снижение прочности кир­пичной кладки, увеличение  коэффициента теплопроводности сте­ны, появление и раскрытие трещин в железобетонных конструкциях, уменьшение сечения металлопроката за счёт коррозии и т.д. являются примерами износа здания и его конструкций. Под износом понимается обычно такое состояние изделия, когда его текущее качество становится ниже начального - в предельном случае таким, что эксплуатировать его становится опасным.

Износ проявляется во времени. Все дефекты происходят не мгновен­но, а развиваются с те­чением времени. То вре­мя, за которое дефект увеличится до критиче­ского размера, можно считать долговечностью конструкции или соору­жения (рис. 3.4).

Дефекты, как правило, могут быть исправлены. В этом случае рас­чётным периодом эксплуатации изделия понимается суммарное время ме­жду началом эксплуатации изделия и концом его эксплуатации (рис. 3.5) после последнего ремонта (Т = t₁ + t₂ + t₃).

При достижении полного физического износа здание переста­ёт удовлетворять тре­бованиям безопасно­сти, находиться в нём становится опасным (рис. 3.5).

Как было сказано, расчётным периодом эксплуатации здания может служить время достижения им нормированной надёжности.

Последнее требует разъяснений. Надёжность здания во времени снижается по экспоненциальному закону (рис. 3.6). Ко времени реализации нормированного срока службы Т_Н надёжность изделия должна оказаться равной нормированной W_H. Наблюдениями установлено, что в подав­ляющем большинстве случаев от­дельные конструкции и здания (особенно производственные) экс­плуатируются без соблюдения со­ответствующих требований, в ре­зультате чего в них накапливаются дефекты, что приводит к быстрому Достижению изделиями нормиро­ванной надёжности Т_ф. Такое со­стояние изделий  носит название «отказ». Эксплуатация изделий с надёжностью ниже нормированной не га­рантирует их безопасности и экономичности.

Противоположным отказу событием является надёжность - свойство изделия, обусловленное его безотказностью, долговечностью и ремонто­пригодностью и обеспечивающее сохранение его эксплуатационных пока­зателей в заданных пределах. В период нормальной эксплуатации надёж­ность изделия уменьшается по экспоненциальному закону (см. рис. 3.6) и описывается формулой

W(t) = exp(-t/T_o),                           (3.1)

где t - текущее время;

Т₀- среднее время безотказной работы изделия.

Надёжность и вероятность отказа изделия связаны друг с другом следующим соотношением:

W(t) = 1-Q(t).                               (3.2)

Выражение (3.2) иллюстрируется на рис. 3.7.

Безотказность - свойство изделия непрерывно сохранять работоспособ­ность при определенных режимах и условиях эксплуатации.

Долговечность свойство изде­лия быть безотказным во времени.

Ремонтопригодность - свойство изделия, заключающееся в его приспособленности к восстановлению ис­правности.

Исправность - состояние изделия, при котором оно в данный момент удовлетворяет всем требованиям, установленным как в отношении основ­ных параметров, характеризующих выполнение заданных функций, так и в отношении второстепенных параметров, характеризующих внешний вид, удобства эксплуатации и т.п.

Неисправность - состояние изделия, при котором оно в данный мо­мент не удовлетворяет хотя бы одному основному или второстепенному параметру.

Работоспособность - состояние изделия, при котором оно в данный момент соответствует всем требованиям, установленным в отношении ос­новных параметров.

Наработка на отказ - это характеристика изделия, определяющая время нормальной работы изделия между отказами. Для невосстанавливаемых изделий - это время с начала работы до первого отказа, для вос­станавливаемых - между соседними отказами. Наработка на отказ выража­ется в единицах измерения, сопряжённых со временем.

Технический ресурс - суммарная наработка изделия за период его эксплуатации до разрушения или достижения другого состояния, характеризующего его отказ. Выражается в тех же единицах измерения, что и на­работка на отказ. Для невосстанавливаемых изделий наработка на отказ равна техническому ресурсу. Для восстанавливаемых - технический ре­сурс всегда больше наработки на отказ (см. рис. 3.5).

Срок службы - календарная продолжительность эксплуатации изде­лия до разрушения или достижения другого состояния, характеризующего его отказ.

Частота отказов - отношение числа отказавших изделий в единицу времени к начальному числу изделий при условии, что отказавшие изделия не заменяются и не восстанавливаются. Определяется по формуле

где Δп( t) - число отказавших изделий к моменту времени t.

N_o - начальное число изделий в партии;

Δt - период времени, за который изучается надёжность изделия.

Интенсивность отказов - отношение числа отказавших в единицу времени изделий к среднему числу изделий, исправно работающих в этот период времени.

где N(t) - число исправно работающих изделий к началу периода Δt.

Вероятность безотказной работы изделия - вероятность того, что в течение заданного срока при заданном режиме эксплуатации изделие будет работать безотказно.

Последовательное соединение элементов в системе - такое соедине­ние, в котором отказ одного элемента вызывает отказ системы  в целом (рис. 3.8). При последовательном со­единении надежность системы всегда меньше надёжности наименее на­дёжного элемента, так как равна произведению надёжностей отдельных элементов (при взаимонезависимости W_i):

где Q_i - вероятность безотказной работы i-го элемента.

Параллельное соединение элементов в системе - такое соединение, когда только выход всех элементов из строя ведёт к отказу системы. Па­раллельное соединение элементов в теории надёжности называется резер­вированием  и  рассматривается  как  один  из  способов  повышения надёжности системы (рис. 3.9). В этом слу­чае при отказе одного элемента нагрузка, приходящаяся на него, передаётся на дру­гие элементы системы. Система же в целом сохраняет свои эксплуатационные качества.

Примером параллельного соединения может служить соединение монтажных пе­тель с конструкцией. Выход из строя одной петли не приводит к обруше­нию конструкции, так как нагрузка с отказавшей петли передается на ос­тавшиеся.

При параллельном соединении надёжность системы всегда выше на­дёжности самого надёжного элемента:

Обратите внимание на лекцию "11 Расчёт эффективности системы пылегазоочистки".

Система с параллельно и последовательно соединенными элемента­ми объединяет вышеописанные способы соединения элементов (рис.3.10). Формула для определения надёжности такой системы:

где п - число последо­вательно соединённых эле­ментов;

т - число парал­лельно соединённых элементов.

Под технической строительной системой понимается совокупность последовательно, параллельно и комбинированно соединённых элементов, которые в своём единстве представляют здание или сооружение опреде­лённого назначения. Надёжность технической системы определяют веро­ятности безотказной работы элементов.