Сроки службы материалов, конструкций и изделий. Понятие и критерии надежности. Отказы несущих и ограждающих конструкций. Начальный период

Для определения сроков службы несущих  и ограждающих конструкций при наблюдениях следует фиксировать следующие параметры: срок эксплуатации (наработка), срок последнего ремонта, прочность материала, геометрические размеры, ширина раскрытия трещин, плотность трещин (для наружных ограждающих конструкций), деформации (прогиб, отклонение), показатель звукоизоляции, характеристики теплоизоляции конструкций, наличие протечек, влажность материала, наличие коррозии закладных деталей.

При наблюдениях за элементами отделки  зданий (окраска, облицовка, полы) и  кровли основными характеристиками являются следующие: срок эксплуатации после последнего ремонта, относительная площадь повреждения - отдельно по каждому виду повреждения (трещины, вздутия, разрушения и т.п.); характеристика материалов (прочность, влажность и др.).

Срок  службы конструкций эксплуатируемых зданий определяется по данным наблюдений за изменением состояния конструкции в предшествующий период. Если объем выборки обеспечивает получение достоверных данных, то результаты наблюдений можно использовать для оценки срока службы всей совокупности аналогичных конструкций. В некоторых случаях задача сводится к оценке оставшегося срока службы той конструкции или группы конструкций, за которыми ведется наблюдение.

Понятие и критерии надежности

Применяемые термины и определения основных понятий в области надежности регламентированы ГОСТ 13377-75 «Надежность в технике. Термины и определения».

Надежность - свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным, режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования.

Надежность  является комплексным свойством, которое  в зависимости от назначения изделий  и условий их эксплуатации может включать безотказность, долговечность и сохраняемость.

Безотказность – это свойство изделий непрерывно сохранять работоспособность в течение заданного времени.

Долговечность – это свойство изделий сохранять работоспособность до предельного состояния при заданных условиях эксплуатации.

Ремонтопригодность - свойство объекта, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонта.

Сохраняемость – это свойство изделий сохранять исправное и работоспособное состояние в течение и после хранения и транспортирования в заданных условиях.

Указанные важнейшие свойства надежности характеризуют  определенные технические состояния  объекта. Различают пять основных видов  технического состояния объектов.

Исправное состояние. Состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.

Неисправное состояние. Состояние объекта, при котором он не соответствует хотя бы одному из требований нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.

Работоспособное состояние. Состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.

Неработоспособное состояние. Состояние объекта, при котором значения хотя бы одного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.

Предельное состояние. Состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна, либо восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно.

Переход объекта (изделия) из одного вышестоящего технического состояния в нижестоящее  обычно происходит вследствие событий: повреждений или отказов.

 

Отказы несущих и ограждающих конструкций

Отказ конструкций - событие, заключающееся в нарушении работоспособности, прекращение выполнения конструкциями заданных функций, определяемых с соответствующими допусками. При назначении нормативной надежности как несущих, так и ограждающих конструкций под отказом конструкций понимают техническое состояние элемента, предшествующее исчерпанию несущей способности или полной потери ограждающих функций.

Понятие безотказности жилого здания в целом  как сложной технической системы  шире, чем для его элементов и простых систем, способных находиться лишь в двух состояниях: работоспособном или неработоспособном. Отказы отдельных ограждающих конструкций и технических устройств (кровли, межпанельных швов, полов и других) обычно являются частичными. Не приводя к прекращению функционирования объекта в целом, они снижают качество (уровень) функционирования и выходной эффект объекта. Такая адаптация жилого здания к комплексу внешних условий возникает благодаря наличию определенной избыточности - некоторому запасу технических характеристик сверх минимально необходимых для выполнения заданных функций. Это связано с тем, что обеспечение локальных требований прочности и жесткости, звукозащиты и теплозащиты, пожарной безопасности и т.д. сопровождается возникновением обратных связей, определенных "перекрытием" отдельных функций конструкций и систем. В результате возникают различные виды резервирования: нагрузочное, структурное, функциональное и временное.

Отказ конструкций классифицируют по различным признакам:

- 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.

Специфика зданий как изделий не позволяет  создать облегченные условия для работы дома в целом, хотя для отдельных узлов и элементов такая возможность имеется; трудно (или невозможно для некоторых элементов) использовать резервирование. В составных конструкциях отказ одного составляющего элемента может привести к отказу всей конструкции, хотя остальные элементы продолжают нормально функционировать. Например, увлажнение утеплителя трехслойных стеновых панелей приводит к отсыреванию стен, нарушению температурного режима помещения, тогда как железобетонные элементы продолжают выполнять функции несущей части конструкции.

Современные методы расчетов (в частности, метод  предельных состояний) сосредоточивают  внимание на границах качества, хотя для  многих характеристик (тепло-, звукоизоляция  и другие) важно не только предельное состояние, но и распределение качества. Статистика показывает, что большая часть отказов конструкций и аварий происходит из-за так называемых мелочей: невыполнение всех проверочных расчетов конструкций, особенно по узлам при проектировании и при работе нескольких авторов, неаккуратности рабочего при изготовлении изделий (элементов) и монтажа при сборке, небрежности и неподготовленности обслуживающего эксплуатационного персонала.

В процессе эксплуатации дефекты накапливаются, изменяясь количественно и качественно. Оставленные без внимания незначительные дефекты могут привести к серьезным нарушениям целостности конструкций и даже к авариям. Надежная работа строительных конструкций возможна в случае, когда во время эксплуатации принимаются эффективные меры по устранению дефектов или ограничению их вредного влияния.

 

Рис. 1

Вероятность безотказной работы

Вероятность безотказной работы - это вероятность того, что в пределах заданий наработки отказ объекта не возникает. На практике этот показатель определяется статистической оценкой.

Статистическая  оценка ВБР (эмпирическая функция надежности) определяется:

(1)

отношением  числа N(t) объектов, безотказно проработавших  до момента наработки t, к числу  объектов, исправных к началу испытаний (t = 0) - к общему числу объектов N. Оценку ВБР можно рассматривать как показатель доли работоспособных объектов к моменту наработки t. 
Поскольку N(t) = N - n(t), то ВБР по (1)

(2)

где (t) =  n(t)/ N – оценка вероятности отказа (ВО).  
В статистическом определении оценка ВО представляет эмпирическую функцию распределения отказов. 
Так как события, заключающиеся в наступлении или не наступлении отказа к моменту наработки t, являются противоположными, то

(t)+ (t) = 1

(3)

ВБР является убывающей, а ВО – возрастающей функцией наработки. Действительно  
- в момент начала испытаний t = 0 число работоспособных объектов равно общему их числу N(t) = N(0) = N, а число отказавших - n(t) = n(0) = 0, поэтому  (t) = (0) = 1, а (t) = (0) = 0; 
- при наработке t все объекты, поставленные на испытания, откажут, т. е. N( ) = 0, а n( ) = N, поэтому (t) = ( ) = 0, а  (t) = ( ) = 1. 
Вероятностное определение ВБР

P(t) = P{T t}.

(4)

Таким образом, ВБР есть вероятность того, что случайная величина наработки  до отказа T окажется не меньше некоторой заданной наработки t. 
Очевидно, что ВО будет являться функцией распределения случайной величины T и представляет из себя вероятность того, что наработка до отказа окажется меньше некоторой заданной наработки t:

Q(t) = P{T < t}.

(5)

Графики ВБР и  ВО приведены на рис. 2. 
В пределе, с ростом числа N (увеличение выборки) испытываемых объектов, (t) и (t) сходятся по вероятности (приближаются по значениям) к P(t) и Q(t).  
Сходимость по вероятности представляется следующим образом:

(6)

 
Рис. 2

Практический  интерес представляет определение  ВБР в интервале наработки [t, t + t], при условии, что объект безотказно проработал до начала t интервала.Определим эту вероятность, используя теорему умножения вероятностей, и  выделив следующие события: 
A = {безотказная работа объекта до момента t}; 
B = {безотказная работа объекта в интервале t}; 
C = A•B = {безотказная работа объекта до момента t + t}. 
Очевидно P(C) = P(A•B) = P(A)•P(B| A), поскольку события A и B будут зависимыми.  
Условная вероятность P(B| A) представляет ВБР P(t, t + t) в интервале [t, t + t], поэтому