Физическая модель надежности реконструируемых зданий

Основой расчетов конструкций жилых зданий является метод предельных состояний. Расчеты ведутся по двум предельным состояниям:

- по несущей способности, обеспечивающей прочность, общую и местную устойчивость зданий в процессе возведения и эксплуатации;

- по деформациям, появлению или расширению трещин, обеспечивающим пространственную жесткость здания, недопустимость появления или развития трещин, нарушающих нормальную эксплуатацию.

По первому предельному состоянию рассчитывают: фундаменты, стены, колонны, перекрытия и покрытия, лестничные площадки и марши и др. По второму предельному состоянию проверяют здание в целом для оценки деформативности в результате неравномерных осадок от технологических нагрузок и воздействий от ветра.

Отсутствие определенных данных об изменении свойств материалов конструкций во времени в результате воздействия внешних факторов заставляет увеличивать запас прочности конструкций. Это обстоятельство создает определенную степень повышения надежности конструкций. Предполагается, что все элементы здания должны воспринимать предельную нагрузку и в максимальной степени использовать свою несущую способность. На практике сталкиваемся с высокой степенью неравномерности загрузки конструкций, и только меньшая часть элементов и узлов работает в предельном режиме. Кроме того, здания, построенные и рассчитанные по менее совершенным методикам, имеют достаточно высокие запасы прочности.

Факторы, влияющие на надежность зданий, можно условно разделить на две группы: внутреннего характера и внешнего воздействия. К первой группе относятся: физико-химические процессы, протекающие в материале конструкций; нагрузки и процессы, возникающие при эксплуатации; конструктивные факторы; качество изготовления конструкций. Ко второй группе причин относятся: климатические факторы (температура, влажность, солнечная радиация, попеременное замораживание и оттаивание и др.); факторы агрессивности окружающей среды (наличие в атмосфере агрессивных компонентов, биологические факторы, ветры, пыль и т.д.), а также качество эксплуатации. Последний фактор имеет в ряде случаев более важное значение, так как по интенсивности износа конструкций может превышать все остальные.

В качестве примера можно привести наличие протечек и неисправностей в системе водоснабжения и канализации, когда систематические утечки жидкой фазы увлажняют перекрытия, создавая благоприятные условия для возникновения и роста грибковых образований, коррозии арматуры и закладных деталей, нарушения целостности основания фундаментов. Результатом этого процесса при длительном воздействии может быть полная потеря устойчивости здания. Таким образом, следует отметить многообразие факторов, влияющих на надежность здания. При этом выделить группу решающих факторов весьма сложно.

В общем виде физическая модель надежности зданий может быть представлена в виде блок-схемы (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Блок-схема физической модели надежности зданий

Графическая интерпретация критерия надежности здания за период эксплуатации может быть представлена системой экспоненциально убывающих кривых. Степень экспоненты, т.е. интенсивность падения надежности, может быть различной, зависимой от характера эксплуатации, конструктивных решений и вида материалов.

На рис. 4.2 приведены графики изменения надежности за период эксплуатации здания. Здесь заданная надежность системы конструкций здания с начальным резервированием по прочности и деформативности N₀. Со временем эксплуатации Т происходит снижение надежности до порогового уровня, т.е. до появления отказа системы, приводящего к снижению или потере несущей способности основных конструкций здания.

Рис. 4.2. Изменения надежности за период эксплуатации здания
1 - теоретическая кривая; 2 - то же, при начальном резервировании; 3 -повышение надежности при восстановительных работах; DN - увеличение надежности

По мере эксплуатации зданий имеет место выполнение различного рода ремонтных работ, которые восстанавливают и повышают надежность конструктивных элементов и в целом здания. Так, в периоды Т₁, Т₂произведены восстановительные работы, которые привели к повышению надежности системы на параметры N₁, N₂или N₃.

Приведенная модель динамики изменения надежности в зависимости от времени эксплуатации здания основана на оценке системы в целом и не учитывает надежность и долговечность конструктивных элементов в отдельности. Однако этот фактор в ряде случаев имеет определяющее значение. Так, для зданий дореволюционной и предвоенной построек характерно использование деревянных конструкций перекрытий, что приводит к снижению долговечности зданий по этому параметру. В то же время конструкции фундаментов и стен, выполненные из кладочного материала, имеют более высокие надежность и долговечность. Эти элементы здания могут быть отнесены к несменяемым.

Доля несменяемых конструктивных элементов зданий старой постройки составляет 40- 42 %, для построек послевоенных лет 53-55 %, современных крупнопанельных и сборно-монолитных - до 80 %. К несменяемым элементам относятся фундаменты (5-7 %), стены (35-40 %), перекрытия железобетонные (11-12 %), лестницы (2-3 %), индустриальные кровли (2-3 %), лифтовые шахты, мусоропроводы (2-4 %).

Таким образом, под надежностью здания следует понимать стабильность показателей качества и эффективности его функционирования, которая зависит от надежности конструкций и систем здания в их совокупности. Показателем надежности здания в целом является оптимальный срок его безаварийной службы.

Событие, способствующее нарушению работоспособности конструкций, называется отказом. Под отказом несущих и ограждающих конструкций понимают такое техническое состояние элемента, которое предшествует потере несущей способности или полной потере ограждающих функций.

Отказы конструкций классифицируются по характеру действия на последовательные, постепенные и внезапные.

В зависимости от диапазона - частичные, связанные с отклонением характеристик от допустимых значений и не вызывающие полной утраты работоспособности, и полные отказы.

В зависимости от последствий - незначительные, не приводящие к ухудшению эксплуатационных характеристик; значительные (критические), приводящие к полному прекращению выполнения функций.

Постепенные отказы являются функцией времени, вызываемые, как правило, старением материала конструкций. Внезапные отказы носят случайный характер и являются следствием потери несущей способности конструкций в результате концентрации напряжений, превышающих расчетные.

Для простоты анализа строительных систем имеется два возможных состояния: нормальное эксплуатационное и отказ. В практике эксплуатации жилищного фонда здания могут иметь несколько состояний, соответствующих частичным и постепенным отказам в результате накопления дефектов, а также критическим. В последнем случае имеются в виду отказы несущих элементов зданий, приводящие к полной потере работоспособности здания.

Оценка уровня эксплуатационной надежности зданий показывает соответствие состояния и свойств конструктивных элементов действующим нормативам. Поэтому любое изменение нормативных требований приводит к снижению или повышению уровня надежности. Характерным примером такого влияния являются изменения норм теплотехнических характеристик ограждающих конструкций. Это привело к снижению эксплуатационной надежности и возникновению отказов практически для всех зданий постройки до 1998 г. Подобную ситуацию наблюдаем при оценке эксплуатационной надежности систем инженерного оборудования, энергосистем и др. Даже при низком уровне физического износа такие системы не отвечают новым нормативным требованиям и находятся в состоянии отказа.

На рис. 4.3 приведены характерные типы отказов. В связи со случайным характером воздействий на конструктивные элементы здания модель надежности здания носит вероятностно-статистический характер.

Рис. 4.3. Характеристика отказов
1 - теоретическая кривая; 2 - то же, при начальном резервировании и влиянии техногенных процессов; 3 - повышение надежности при восстановительных работах

Основные понятия теории надежности

При реконструкции здания в проектах должен предусматриваться уровень его надежности до и после реконструкции. В зависимости от качества конструкций и узлов здания выбирается тот или иной проект реконструкции. Заметим, что уже в проект нового здания закладывается определенный уровень надежности его элементов (фундаментов, несущих и ограждающих конструкций и т.п.). Обычно начальная надежность здания несколько меньше теоретической. Как уже отмечалось, с первого дня существования здания в отдельных узлах и конструкциях начинают происходить изменения, выражающиеся в ухудшении характеристик и показателей. Эти изменения по важности и интенсивности различны: одни приводят к ухудшению комфорта помещений, другие - к авариям и разрушению всего здания; одни можно быстро устранить, другие - устранить вообще невозможно; одни протекают во времени постепенно, другие - возникают внезапно, без видимых причин.

Нет нужды говорить о том, что при решении вопроса о целесообразности реконструкции необходим тщательный анализ состояния здания с точки зрения надежности его узлов и конструкций, а в случае принятия положительного решения - анализ проекта реконструкции, позволяющий оценить, какой будет надежность реконструированного здания.

Таким образом, с позиции надежности при реконструкции зданий возникают две основные проблемы:

оценка надежности элементов старого здания;

оценка надежности реконструированного здания при принятии того или иного проекта.

Для дальнейшего нам необходим ряд простейших понятий из теории надежности.

Как и в других областях науки, основные понятия теории надежности воспринимаются путем описания соотношений между ними.

Под изделием понимаются элемент, система или ее часть и т.д. Эксплуатация изделия - совокупность всех фаз его существования. Понятие надежности существенным образом связано с понятием качества.

Качеством изделия называется совокупность свойств, определяющих степень пригодности изделия для использования по назначению.

Качество сложных изделий, например здания (или его элементов), как правило, определяется весьма большим набором свойств. С течением времени свойства, составляющие качество изделия, видоизменяются, и чаще всего в нежелательную сторону.

Надежность изделия - это его способность сохранять качество при определенных условиях эксплуатации.

Следующие из основных понятий теории надежности - отказ и безотказность. Под безотказностью понимается способность изделия сохранять работоспособность в течение определенного интервала времени в определенных условиях эксплуатации. Отказ - это частичная или полная утрата или видоизменение таких свойств изделия, которые существенным образом снижают или приводят к полной потере работоспособности. Несмотря на всю относительность, понятие отказа является полезной и содержательной характеристикой надежности, так как оно позволяет вводить различные численные характеристики надежности, а это, в свою очередь, позволяет сравнивать различные проекты реконструкции с позиции надежности будущего здания.

Для таких объектов, как здания и другие строительные сооружения, важнейшим понятием надежности является долговечность. Под долговечностью изделия понимают его способность к длительной эксплуатации при необходимом техническом обслуживании, в которое могут входить и различные виды ремонтов. В конце срока, определяющего долговечность, в изделии появляются такие процессы, связанные с износом или старением, устранение которых либо невозможно, либо экономически нецелесообразно.

Для тех изделий, в которых работоспособность поддерживается с помощью ремонтов, важным показателем является ремонтопригодность. Ремонтопригодностью изделия называется его приспособленность к предупреждению, обнаружению и устранению отказов. К показателям ремонтопригодности относятся вероятность восстановления в заданное время, среднее время ремонта, удельная трудоемкость ремонтов, стоимость и т.п.

Рассмотрим, как работают введенные понятия в такой системе, как здание. В настоящее время жилые и общественные здания, как и другие промышленные изделия, переживают значительное изменение масштабов сложности. Современное здание с полной уверенностью можно отнести к большим системам. Большие технические системы - это соединение значительного числа разнообразных компонент, имеющих сложную переплетающуюся связь и переменные изменяющиеся нагрузки. Среди части инженеров и ученых, занимающихся проектированием сложных систем, распространено мнение, что понятие теории надежности неприемлемо для сложных систем. Утверждается тезис, что понятие надежности сложной системы лишено смысла и надо говорить только об эффективности таких систем. Действительно, понятие качества сложной системы (например, здания), созданной для работы в меняющейся обстановке, включает в себя совокупность многих десятков, а иногда и сотен свойств, определяющих качество. Потому понятие отказа, связанное с полной или существенной потерей работоспособности системы, выглядит весьма искусственно. Более приемлемым является введение сводного показателя качества - эффективности, являющейся мерой производительности системы с учетом внешней обстановки и способа применения. На самом деле понятие эффективности не зависит от понятия надежности. Можно говорить об эффективности абсолютно надежных систем. Однако если составные части системы не являются абсолютно надежными, то их качество существенным образом сказывается на эффективности. Другое возражение применению методов теории надежности при проектировании новых и реконструировании старых зданий состоит в следующем. Каждое здание - сложная система, состоящая из большого числа элементов, скажем п. Если P_i - надежность i-го элемента, т.е. вероятность того, что в течение данного промежутка времени элемент не выйдет из строя, то надежность здания определяется как .

Если п велико, то даже при P_i ≈1, P_i < 1 надежность всего здания Р << 1, что противоречит практике домостроения. В этих рассуждениях много погрешностей. Во-первых, предлагается слишком упрощенная математическая модель. Во-вторых, формула (4.1) верна, если только элементы сложной системы выходят из строя независимо друг от друга. Это предположение абсолютно неприемлемо для строительных сооружений. Следовательно, проблема состоит не в неприемлемости идей теории надежности, а в трудностях построения адекватной математической модели. Обычно она оказывается чрезвычайно сложной, и возникают новые трудности - в получении решения с помощью модели. Есть еще один круг проблем, которого мы не будем касаться в данной работе. Это - сбор и обработка статистического материала, необходимого для оценки параметров модели.

В заключение параграфа заметим, что часто применительно к зданиям под надежностью понимают только прочностные свойства. Это не совсем верно. Например, наружные ограждающие конструкции чаще оказываются ненадежными при выполнении ограждающих функций, чем прочностных.